管道微型機(jī)器人的發(fā)展近況

　　管道微型機(jī)器人聰發(fā)展近，李，章亞男，陳方泉，龔振邦上海大學(xué)精密機(jī)械工程系，上海2018001微型機(jī)械與微型機(jī)器人微型機(jī)械肘1016從廣義上包括了微小型和納米機(jī)械，但并非普通機(jī)械單純微小化，而是指可以批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)微型傳感器微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路直至接口通訊和電項(xiàng)技術(shù)也稱(chēng)為微型制造技術(shù)MicoManufactung，各國(guó)的發(fā)展側(cè)重點(diǎn)有所區(qū)別。

　　微型機(jī)電系統(tǒng)是個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，1所不為微型機(jī)電系統(tǒng)的模型。微型機(jī)電系統(tǒng)在工業(yè)信息處理和通訊航空航天航海醫(yī)學(xué)和生物工程農(nóng)業(yè)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用前景。許多國(guó)家都很重視微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，美國(guó)，日本西歐些國(guó)家等在九十年代紛紛將其列人高技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。

　　微型機(jī)器人41是可編程通用的微型機(jī)械，用厘5研究開(kāi)發(fā)的重要分支。微型機(jī)器人系統(tǒng)本身很小，便于進(jìn)人微小空間進(jìn)行操作。微型機(jī)器人不可簡(jiǎn)單理解為普通機(jī)器人的微小化。微型機(jī)器人學(xué)是個(gè)多學(xué)科交叉的前沿學(xué)科，它以機(jī)械電子技術(shù)為基礎(chǔ)，還涉及到化學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)材料科學(xué)生物科學(xué)通信和，動(dòng)控制等許多領(lǐng)域。

　　雖然大管道行走的機(jī)器人國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)了許多，但在直徑20，左右管道中的微型機(jī)器人的研究才剛起步，由于受結(jié)構(gòu)尺寸和作業(yè)空間的限制，微型機(jī)器人很難采用常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，必須研究出新穎的驅(qū)動(dòng)方式和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。管道微型機(jī)器人是種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走，攜有種或多種傳感器及操作器，在操作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制下，能夠進(jìn)行系列管道作業(yè)的機(jī)電儀體化系統(tǒng)。管道微型機(jī)器人的應(yīng)用范圍有醫(yī)療生物工程細(xì)小工業(yè)管道的檢測(cè)和維修等。

　　基金項(xiàng)目國(guó)家863計(jì)劃智能機(jī)器人主資助項(xiàng)目863512041898成找，找崎2000.5 2國(guó)外管道微型機(jī)器人近況日本在微型機(jī)械方面?zhèn)戎赜跈C(jī)械制造，開(kāi)發(fā)出不少實(shí)用產(chǎn)品。日本在管道微型機(jī)器人方面的研究較為活躍和富有代性。日本通商產(chǎn)業(yè)省的微機(jī)械技術(shù)十年計(jì)劃的大應(yīng)用0標(biāo)中的前兩大目標(biāo)就與管道有關(guān)，即制造出能進(jìn)入工業(yè)管道檢修的微型機(jī)械和能進(jìn)人人體進(jìn)行診斷和實(shí)行手術(shù)的微型機(jī)器人。

　　曰本DENSO公司研制出壓電元件驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，用于細(xì)小工業(yè)管道的自動(dòng)化檢測(cè)工作。微型機(jī)器人主要由壓電元件配重和夾鉗組成，攜帶渦流傳感器進(jìn)行檢測(cè)，該微型機(jī)器人是根據(jù)慣性沖擊運(yùn)動(dòng)的原理設(shè)計(jì)的。2為慣性沖擊運(yùn)動(dòng)的原理小意，3為微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)意。合理配置本體和配重的質(zhì)量，再用定頻率，定幅值的鋸齒波電壓作用于壓電元件，就能實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人在管道內(nèi)的前后移動(dòng)。030公司先用層疊式壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)器，做出的微型機(jī)器人本體直徑5.5長(zhǎng)2自重18，移動(dòng)速度為6成可在0而的管道內(nèi)作水平垂直運(yùn)動(dòng)。后來(lái)050公司用雙壓電晶片對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)型的移動(dòng)速度是原先本體壓電元料東京工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)出了基于螺旋輪式運(yùn)動(dòng)原理微型機(jī)器人，該微型機(jī)器人的本體由幾個(gè)單元體通過(guò)彈簧連接而成。每個(gè)單元體上均布有只支撐臂，用螺旋彈簧將支撐臂上的小輪緊壓在管道內(nèi)壁上，產(chǎn)生預(yù)壓力。小輪的軸線(xiàn)相對(duì)單元體的軸線(xiàn)傾斜了個(gè)角度，通過(guò)軟軸將扭矩作用于單元體上使微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人帶上微型，攝像機(jī)可用于細(xì)小工業(yè)管道的檢測(cè)工作。4為螺旋輪器人可在內(nèi)徑025.4，曲率半徑不小于2的管道內(nèi)移動(dòng)，速度約348.

　　1.細(xì)小管道2.輪子的軌跡3.小輪4.微型機(jī)器人本體5.驅(qū)動(dòng)力矩支壓電致動(dòng)器配重慢速伸展慢速收縮慣性力較大摩擦力加快速收縮4，快速伸展3向右移動(dòng)1向左移動(dòng)針對(duì)核電站蒸汽發(fā)生器的熱交換管道外面檢測(cè)工作自動(dòng)化的要求，日本菱公司提出了研制鏈型機(jī)器人可在蒸汽發(fā)生器的熱交換管道間的固定板上移動(dòng)，檢查熱交換管與固定板相交處有無(wú)缺陷，多個(gè)類(lèi)似的微型機(jī)器人可以連接成條鏈，繞在管子外面上下移動(dòng)來(lái)對(duì)管子外面進(jìn)行檢測(cè)。其間的關(guān)鍵技術(shù)在驅(qū)動(dòng)器的微小也技術(shù)微型機(jī)器人的連接與斷開(kāi)技術(shù)和分布式微型機(jī)器人自治系統(tǒng)的控制技術(shù)。目前微馬達(dá)微行星齒輪減速器和單個(gè)微型機(jī)器人已研制成功，鏈?zhǔn)轿⑿蜋C(jī)器人系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)亦獲成功。

　　曰本名古屋大學(xué)研制出了不需電纜供能的管道微機(jī)器人，微機(jī)器人由管道外的電磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)控制，外徑為21可用于檢測(cè)和生物醫(yī)學(xué)研究。東京工業(yè)大學(xué)根據(jù)蚯蚓蠕動(dòng)原理開(kāi)發(fā)出了種蠕動(dòng)式管道微機(jī)器人，6為該管道微機(jī)器人的個(gè)蚯蚓型移動(dòng)單元，7為其運(yùn)動(dòng)原理。它采用氣壓驅(qū)動(dòng)柔性微執(zhí)行器1人，整個(gè)機(jī)器人由節(jié)單元組成，按照定的控制規(guī)律使節(jié)單元協(xié)調(diào)動(dòng)作能夠?qū)崿F(xiàn)微機(jī)器人在直徑為10管內(nèi)的前后移動(dòng)，移動(dòng)速度為2.25.

　　1移動(dòng)方向用于人體管道檢測(cè)的微型機(jī)器人要求管徑更細(xì)，柔軟性安全性更。日本的主要研究單位有澳林帕斯光學(xué)公司和名古屋大學(xué)，主要采用8形狀記憶合金作柔軟彎曲運(yùn)動(dòng)，目前可達(dá)到的較小直徑為長(zhǎng)度為兒十毫米。名古屋大學(xué)研制目標(biāo)是使微型機(jī)器人進(jìn)人腦部微血管。菱公司基礎(chǔ)部研制了種5螺旋彈簧式主動(dòng)內(nèi)窺檢查微型機(jī)器人，它由彎曲部2個(gè)3執(zhí)行器和纖維鏡組成。另種進(jìn)人人體的進(jìn)行醫(yī)療和檢查用的微型機(jī)器人是藥丸型微機(jī)械系統(tǒng)，日本早稻田大學(xué)正在進(jìn)行此項(xiàng)研究。此外，東京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程中心提出了應(yīng)用動(dòng)壓潤(rùn)滑理論驅(qū)動(dòng)微小執(zhí)行器在體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的設(shè)想，即使用個(gè)螺旋凸緣式驅(qū)動(dòng)器，依靠其和粘液之間產(chǎn)生的剪切力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器和人體不直接接觸，既能保證主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，又不過(guò)分傷害人體組織。

　　美國(guó)加州理工學(xué)院研制了種主動(dòng)內(nèi)窺檢查微型機(jī)器人，這種管道微型機(jī)器人尾部拖有線(xiàn)纜控制信號(hào)線(xiàn)，進(jìn)出氣導(dǎo)管和光纖束，本體主要由支撐器和延展器組成，采用蚯蚓蠕動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)也研制了種主動(dòng)內(nèi)窺檢查微型機(jī)器人，它由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)骨架和橡膠管組成。骨架能夠在剛性和柔性之間轉(zhuǎn)換，橡膠管有定硬度且能沿著骨架移動(dòng)，兩者之間有足夠的潤(rùn)滑來(lái)保證相互滑動(dòng)。

　　法國(guó)在1995年已研制出直徑1長(zhǎng)度為31裝置，可安裝照明電源切割頭電視頭等。微型機(jī)器人從口腔進(jìn)人人體后，醫(yī)生在體外通過(guò)無(wú)線(xiàn)電對(duì)其進(jìn)行跟蹤和控制。微型機(jī)器人可在胃腸道特定部位施放藥物，觀(guān)察病灶情況，甚至可以用絲線(xiàn)套住，結(jié)扎小腫瘤并將其切除。

　　意大利開(kāi)發(fā)了用于結(jié)腸檢查的攜帶主動(dòng)內(nèi)窺鏡口組成。母體裝有診斷和手術(shù)工具，并提供驅(qū)動(dòng)力，運(yùn)動(dòng)方式為蠕動(dòng)式。母體由個(gè)模塊組成，兩個(gè)模塊起定位和支撐作用，第個(gè)模塊起伸縮作用。每個(gè)工作循環(huán)有7個(gè)狀態(tài)，受微型氣體分配器控制。

　　3我國(guó)管道微型機(jī)器人近況我國(guó)學(xué)術(shù)界和有關(guān)政府部門(mén)對(duì)微技術(shù)的研究也相當(dāng)重視，國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)863計(jì)劃和國(guó)防科工委對(duì)微機(jī)械或MEMS都有不少的資助。我國(guó)在面向管道檢測(cè)的微型機(jī)器人研究方面取得了定的成果。

　　中國(guó)科技大學(xué)研制出了基于3河導(dǎo)向的用于人體腸道檢查和腹腔手術(shù)的醫(yī)用蠕動(dòng)式管道微型機(jī)器人。攜帶的內(nèi)窺鏡檢測(cè)微型機(jī)器人在可控的SMA元件的作用下可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)向。3元件的變位量與溫度內(nèi)阻存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以SMA既可作為驅(qū)動(dòng)元件又可作為傳感器。本例中，3元件和軟芯被做成多竹節(jié)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)其通電控制，微型機(jī)器人頭部的內(nèi)窺鏡整體能在空間維方向彎曲成所需要的形狀，乃至復(fù)雜的8型，因此微型機(jī)器人容易穿越大腸不規(guī)則的各種管道，大大降低患者的痛苦。8為該微型機(jī)器人主動(dòng)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，9為該微型機(jī)器人主動(dòng)引導(dǎo)控制框。上海交通大學(xué)也進(jìn)行了類(lèi)似的研究工作。上海交通大學(xué)還研制了2，1大小的微馬達(dá)和10，1級(jí)的微型小車(chē)，有望用于工業(yè)管道管內(nèi)和管間的檢測(cè)工作。上海交通大學(xué)研究成果還有基于永磁鐵的電磁力式微型機(jī)器人。廣東工業(yè)大學(xué)也進(jìn)行了些管道微型機(jī)器人的研究工作。

　　編輯啟迪研究方向?yàn)闄C(jī)電體化，微型機(jī)師。研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人，SMA元件⑷竹節(jié)式結(jié)構(gòu)上海大學(xué)微機(jī)械中心在國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家863計(jì)劃和上海市教委科委的資助下進(jìn)行了系列細(xì)小工業(yè)管道微型機(jī)器人的研究工作，在跟蹤國(guó)外發(fā)展動(dòng)向時(shí)積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，取得了不少成果。上海大學(xué)微機(jī)械中心成功研制了基于電磁力式人。不需軟軸驅(qū)動(dòng)的螺旋輪式菅內(nèi)微型機(jī)器人，還研制了微管道機(jī)器人用的微夾持機(jī)械手。目前該中心正在進(jìn)行管間移動(dòng)微型車(chē)高聚物仿生筋肌驅(qū)動(dòng)的管內(nèi)蠕動(dòng)式微型機(jī)器人，管內(nèi)無(wú)纜供能管內(nèi)無(wú)纜信號(hào)傳送和面向管道檢測(cè)的多微型機(jī)器人移動(dòng)控制協(xié)調(diào)及集成技術(shù)的研究工作。

　　面向管道檢測(cè)的微型機(jī)器人有深厚的應(yīng)用背景和廣闊的前景，目前我國(guó)的研究狀況與國(guó)外相比還有不小的差距。我們不僅要進(jìn)行技術(shù)跟蹤，而且要勇于創(chuàng)新，抓住這個(gè)前沿課，將微型機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展影響較大的領(lǐng)域。

　　器人。

　　龔振邦男，教授，博士生收稿日期19991227廣臺(tái)名為042200的帶鋸床在湖南機(jī)床廠(chǎng)研帶是目前國(guó)際國(guó)內(nèi)較大的，床。

　　進(jìn)的龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，集機(jī)械壓系統(tǒng)于體，使用，自動(dòng)接送料，其切割精度外同類(lèi)產(chǎn)品水平。該機(jī)床徑2米的管料空心料，重量為50噸，其外型高米，工作行程8米，重70余1極調(diào)速，切割速度為13特大型石油輸送管道。目育型鋸切設(shè)備僅有我國(guó)德家企業(yè)能夠生產(chǎn)。

　　能生產(chǎn)帶鋸床又能生產(chǎn)帶業(yè)，是我國(guó)鋸床行業(yè)的龍士廠(chǎng)生產(chǎn)的雙金屬帶鋸條占有市場(chǎng)，并成功地將產(chǎn)品出個(gè)國(guó)家。該廠(chǎng)生產(chǎn)的鋸切右及非金屬的管材。，422，制成功，也將為我國(guó)的西4氣東輸重點(diǎn)工程中起到重1可屬研西特大型臥式帶鋸床在我國(guó)廚制成功5晉3先液全內(nèi)直件7無(wú)。東大的較國(guó)割工寬用分中種本業(yè)巧過(guò)切栽，割該日丁電控是??！。，既企該0的家的I條家廠(chǎng)M.另咖切特4，i 01夠發(fā)。80幾開(kāi)用鈉60到大大米