個(gè)人服務(wù)機(jī)器人課件

4.3.2個(gè)人服務(wù)機(jī)器人（1）傷殘助理機(jī)器人（2）智能輪椅（3）機(jī)器人除草機(jī)4.3.3工程機(jī)器人（1）噴漿機(jī)器人（2）壓路機(jī)器人（3）隧道鑿巖機(jī)器人（4）林木球果采集機(jī)器人4.3.4極限作業(yè)機(jī)器人（1）消防機(jī)器人包括：遙控消防機(jī)器人、噴射滅火機(jī)器人、消防偵察機(jī)器人、攀登營(yíng)救機(jī)器人、救護(hù)機(jī)器人。4.3.2個(gè)人服務(wù)機(jī)器人1（2）核處理機(jī)器人（3）水下機(jī)器人第五章微機(jī)器人5.1概述歷程：1981掃描隧道顯微鏡（STM）1987100微米的為型馬達(dá)1993用于眼球網(wǎng)膜顯微手術(shù)的微操作機(jī)器人1995用于生物工程細(xì)胞操作的雙手微操作機(jī)器人5.2微機(jī)器人的概念和分類分類：按尺寸、形式、機(jī)能5.3微型機(jī)器人5.3.1微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方法和原理（2）核處理機(jī)器人2（1）尺蠖法（2）沖擊法（3）蠕動(dòng)法（4）震動(dòng)法（5）碰撞法5.3.2微型機(jī)器人（1）管道檢查微型機(jī)器人（2）腔道檢查微型機(jī)器人（3）微型步行機(jī)器人（4）超精密加工微型機(jī)器人（5）高精度測(cè)量微型機(jī)器人（6）震動(dòng)式微型機(jī)器人（1）尺蠖法35.4微操作機(jī)器人5.4.1微操作機(jī)器人分類

微操作機(jī)器人(microManipulatingrobot)是以亞微米、納米運(yùn)動(dòng)定位技術(shù)為核心，在較小空間中進(jìn)行精密操作作業(yè)的裝置，可以應(yīng)用于生物顯微操作、微電子制造、納米加工等領(lǐng)域。

微操作機(jī)器人一般按操作對(duì)象大小分類:微細(xì)作業(yè)機(jī)器人(10-3—10-6m)超微細(xì)作業(yè)機(jī)器人(10-6—10-9m)

國(guó)內(nèi)外微操作技術(shù)及微操作機(jī)器人研究現(xiàn)狀

微操作技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，很多研究機(jī)構(gòu)都針對(duì)不同的操作對(duì)象，進(jìn)行了廣泛的研究工作。目前已涉及的研究領(lǐng)域有:多自由度的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，針對(duì)不同微細(xì)作業(yè)場(chǎng)合所采用的工具、夾具，微操作作業(yè)策略及微操作機(jī)器人遙控作業(yè)研究等。

5.4微操作機(jī)器人微操作機(jī)器人一般按操45·4.2微操作機(jī)器人介紹

(1)具有視覺反饋的微操作機(jī)器人

北航的微操作機(jī)器人5·4.2微操作機(jī)器人介紹北航的微操作機(jī)器人5(2)雙動(dòng)式微操作機(jī)器人1993年日本通產(chǎn)省機(jī)械研究所研究了一種雙動(dòng)式微操作機(jī)器人。該機(jī)器人采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)、壓電晶體驅(qū)動(dòng)、雙動(dòng)式控制，在高倍顯微鏡下，用雙手操作。由于有力反饋，因此可實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作。

(3)STM的"原子移位"1993年日本理化學(xué)研究所用STM的探針可使單原子按人意愿移動(dòng)。其定位平精度10微米。

(4)納米移動(dòng)機(jī)器人中科院沈陽自動(dòng)化所，采用碰撞驅(qū)動(dòng)法，尺寸直徑54毫米，重量1.1克，相當(dāng)減速比I=51652(2)雙動(dòng)式微操作機(jī)器人(3)STM的"原子移位"(465.4.3關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)理論

正是由于微觀操作與宏觀操作在操作機(jī)理、操作工具等方面的種種不同，使微觀操作具有很多特殊性，表現(xiàn)在操作手、操作平臺(tái)、操作控制系統(tǒng)、操作機(jī)理、人機(jī)接口等各個(gè)方面。

1.操作手及作業(yè)平臺(tái)

綜上所述，微操作機(jī)器人系統(tǒng)(作業(yè)手、平臺(tái)、輔助設(shè)備等)應(yīng)該是多自由度、宏微運(yùn)動(dòng)結(jié)合、運(yùn)動(dòng)精度高且各組成部分能協(xié)調(diào)工作的高精度機(jī)械系統(tǒng)。采用合適的驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)滿足上述要求，且體積小，重量輕，調(diào)節(jié)方便的微操作機(jī)器人手是機(jī)器人微操作系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.智能操作系統(tǒng)及控制系統(tǒng)

微操作系統(tǒng)中的力覺系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能化操作的關(guān)鍵。

(1)視覺系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)微細(xì)作業(yè)，特別是在1mm以下對(duì)象的作業(yè)，系統(tǒng)必須借助光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)操作過程的監(jiān)視。

5.4.3關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)理論

綜上所述，微操作機(jī)7(2)力覺系統(tǒng)在實(shí)際操作過程中為了更好的完成作業(yè)，僅有視覺信息還不足以反映操作的實(shí)際情況，往往還需要接觸力等其他信息，因而需在微操作系統(tǒng)申加入微力傳感器，同時(shí)這也有利于智能化控制、力遙控操作的實(shí)現(xiàn)。

3.微操作相關(guān)理論問題

首先，微觀環(huán)境和宏觀環(huán)境有很大差別，在宏觀作業(yè)環(huán)境中常常被忽略的因素，在微觀環(huán)境中必須引起重視。特別是當(dāng)操作對(duì)象的尺度減小到尺度效應(yīng)明顯作用的尺度時(shí)，溫度、濕度、輕微振動(dòng)等因素將直接影響操作的直接進(jìn)行。

其次，為了完成復(fù)雜操作，機(jī)器人微操作系統(tǒng)往往由主操作手、輔助操作手及工作平臺(tái)(群手)組成，建立各組成部分之間協(xié)調(diào)工作的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，以及微操作機(jī)器人的微運(yùn)動(dòng)學(xué)和微動(dòng)力學(xué)方程，并獲得快速操作的最優(yōu)解，這是微操作系統(tǒng)控制中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

最后，對(duì)具體的操作來講，也要進(jìn)行相應(yīng)的理論研究。如進(jìn)行微裝配時(shí)，裝配策略的研究。

(2)力覺系統(tǒng)3.微操作相關(guān)理論問題85.5微機(jī)器人應(yīng)用（1）生物工程激光鑷在二位空間來完成分選粒子，可進(jìn)行基因轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞器切割、焊接等加工。5.5微機(jī)器人應(yīng)用激光鑷在二位空間來完成分9（2）超LS1制造

超LSI的DRAM制造，預(yù)計(jì)2010年特征尺寸要實(shí)現(xiàn)70nm。為實(shí)現(xiàn)納米定位，除了提高傳統(tǒng)的傳動(dòng)精度外，還需要研究新方法。1995年日本神戶大學(xué)研究了一種半導(dǎo)體曝光裝置的定位平臺(tái)，采用“尺蠖法"驅(qū)動(dòng)，定位精度為5nm。

（3）MEMS制造MEMS制造現(xiàn)在用的微細(xì)加工方法有LC法和Liga法。但此法對(duì)三維復(fù)雜件加工有困難，因此，日本研究用小機(jī)床加工微元件，能加工直徑為10微米的階梯軸。

（4）納米加工2000年東京工業(yè)大學(xué)，用AFM進(jìn)行納米加工，它的目標(biāo)是原子級(jí)加工，制造納米元件。（5）星球探險(xiǎn)1970年11月17日7時(shí)20分，"魯諾寇德一號(hào)"探查機(jī)器人在月球著陸，從此揭開人類探索宇宙的新紀(jì)元。

（2）超LS1制造（5）星球探險(xiǎn)10

美國(guó)NASA研制的用于星球探測(cè)的微小型探查機(jī)器人GOFOR號(hào)，它的尺寸是0.4mX0.4m，重量為3.5kg。

美國(guó)NASA研制的納米探查機(jī)器人。重量為0·8kg，移動(dòng)方式采用腿加輪的復(fù)合結(jié)構(gòu)，移動(dòng)速度0·01m/s。

為了能在星球表面復(fù)雜地形下行走，星球探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所針對(duì)微小型星球探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一系列的復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)。"沙地一號(hào)"微小型移動(dòng)機(jī)器人如圖6-22，移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了輪加腿的復(fù)合機(jī)構(gòu)。

"沙地二號(hào)"微小型移動(dòng)機(jī)器人如圖6-23，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了履帶加腿的復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)。"沙地三號(hào)"微小型機(jī)器人如圖6-24，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了輪加腿的復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)美國(guó)NASA研制的用于星球探測(cè)的微小型探查機(jī)器人GO11

（7）軍用微小機(jī)器人軍用微小機(jī)器人能完成人難以完成的使命。軍用微小機(jī)器人最大的特點(diǎn)是外形小，有良好的隱蔽性，仿生物外形不會(huì)引起敵方注意。構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造周期短，造價(jià)低，還可以具有

"群"攻擊的能力，令敵方防不勝防。軍用微小機(jī)器人具有超人的功能，不怕疲勞，不懼艱險(xiǎn)，忠于職守。

美國(guó)研制了多種用于軍事用途的微小型機(jī)器人，如麻省理工學(xué)院研制的昆蟲機(jī)器人"金菲斯"。美國(guó)羅克威爾公司及IS機(jī)器人公司研究的掃雷機(jī)器蟹如圖6-27。（6）空間飛行微機(jī)器人20世紀(jì)90年代美國(guó)AeroVironment公司研制的微型飛機(jī)如圖6-26，重量只有42g，尺寸為15cm，遙控距離為1000m。

（7）軍用微小機(jī)器人美國(guó)研制了多種用于軍事用途的微12第6章空間機(jī)器人空間機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)、外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層空間飛行并進(jìn)行觀測(cè)、可完成多種作業(yè)的飛行機(jī)器人，到外層空間其他星球上進(jìn)行探測(cè)作業(yè)的星球探測(cè)機(jī)器人和在各種航天器里使用的機(jī)器人。

6.1飛行機(jī)器人多年來以軍事用途為背景的大型無人飛機(jī)研究一直十分活躍，這些無人飛機(jī)越來越智能化，所以它們也是一類機(jī)器人。特別能體現(xiàn)無人飛機(jī)具有機(jī)器人特性的是近年來出現(xiàn)的微型飛行器，這種微型飛行器尺寸如同人的手掌大小，翼展長(zhǎng)15cm左右，能像鳥一樣飛行，并具有昆蟲智能水平。這類飛行器常常被稱為微型飛行機(jī)器人。

微型飛行機(jī)器人技術(shù)主要包括三個(gè)方面:一是微型飛行器平臺(tái);二是相關(guān)的部件技術(shù);三是它的發(fā)射方式。

第6章空間機(jī)器人13微型飛行器平臺(tái)主要有固定翼、旋翼和撲翼三種。固定翼式微型飛行機(jī)器人相對(duì)來說最容易實(shí)現(xiàn)，是目前微型飛行機(jī)器人主要采用的飛行機(jī)構(gòu)。

美國(guó)證在進(jìn)行研究的黑蜘蛛(BlackWidow)微型飛行機(jī)器人采用的就是這種飛行機(jī)構(gòu)。黑蜘蛛微型飛行機(jī)器人翼展15cm，重56.7g，航程1km，飛行速度69km/h，室外續(xù)航時(shí)間為20min。黑蜘蛛微型飛行機(jī)器人的機(jī)翼呈圓盤形，頭部裝有10.16cm的螺旋槳，重110mg，效率達(dá)82%。

黑蜘蛛微型飛行機(jī)器人的地面站包括控制器、電視監(jiān)視器、天線及氣動(dòng)發(fā)射裝置，它們裝在一個(gè)小手提箱中，箱申還裝有操作人員用的眼鏡，用它可以觀察電視攝像機(jī)的實(shí)況圖像。它的數(shù)據(jù)鏈路的距離為1.5km。

微型飛行器平臺(tái)美國(guó)證在進(jìn)行研究的黑蜘蛛(Black141998年初美國(guó)加利福尼亞大學(xué)開始研制一種撲翼式微型飛行機(jī)器人，稱為“機(jī)器蒼蠅”。研制的目的是利用仿生原理獲得蒼蠅的杰出的飛行性能，計(jì)劃到2004年能夠飛行。這種微型飛行機(jī)器人具有重要的軍事用途，利用它可以進(jìn)行城市環(huán)境中的秘密監(jiān)視和偵察?！皺C(jī)器蒼蠅”的尺寸如普通蒼蠅大小，樣子也像蒼蠅。重約43mg，直徑5—10mm。不過它有4只翅膀而不是2只，有一個(gè)玻璃眼睛而不是兩只球形眼睛。它的身體用像紙一樣薄的不銹鋼制成，翅膀用聚酪樹脂做成。機(jī)器蒼蠅由太陽能電池驅(qū)動(dòng)，一個(gè)微型壓電石英驅(qū)動(dòng)器以每秒180次的頻率扇動(dòng)它的4只翅膀。

相關(guān)的部件技術(shù)

1.體積小、重量極輕的大功率高能量密度的發(fā)動(dòng)機(jī)和電源動(dòng)力系統(tǒng)一般占微型飛行機(jī)器人總重量的60%，它所消耗的能量占總能量的90%，另外的10%供電子儀器使用。D-STAR公司正在研制一種Neutrino的微型柴油機(jī)，它的直徑為2cm，可產(chǎn)生80W的功率。1998年初美國(guó)加利福尼亞大學(xué)開始研制一種撲翼式微型飛15

2.要研究產(chǎn)生升力的新方法，要解決在低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)環(huán)境下的飛行穩(wěn)定與控制問題。

3.飛行控制。如何控制微型飛行機(jī)器人的飛行是另一個(gè)難點(diǎn)。

發(fā)射方式微型飛行機(jī)器人與無人飛機(jī)另一個(gè)顯著區(qū)別是它不需要專門的起飛和降落區(qū)

2.要研究產(chǎn)生升力的新方法，要解決在低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)環(huán)165.2星球探測(cè)機(jī)器人人們對(duì)于外層空間其他星球是否能夠居住、是否具有可利用的資源、是否存在生命充滿了幻想，21世紀(jì)將是人類開發(fā)太陽系新的星球的時(shí)代。

格林威治時(shí)間1997年7月4日I7時(shí)7分，美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射的火星"探路者"號(hào)宇宙飛船在經(jīng)過7個(gè)月的飛行之后成功地在火星表面著陸。"探路者"飛船首次攜帶了一個(gè)名為"索杰納"的火星探測(cè)機(jī)器人。"索杰納"的任務(wù)是對(duì)登陸器周圍進(jìn)行搜索，探測(cè)火星的氣候及地質(zhì)方面的數(shù)據(jù)。

5.2星球探測(cè)機(jī)器人格林威治時(shí)間1997年717

對(duì)星球探測(cè)機(jī)器人要具有如下一些能力:O探測(cè)的范圍必須非常廣，就距離而言，應(yīng)在幾十公里到幾百公里的范圍內(nèi)移動(dòng);O必須能夠進(jìn)行地下探測(cè)，從深度方面看，應(yīng)能在幾十厘米到幾米范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè);O必須能長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行探測(cè);Q必須能完成諸如采樣、分析等功能;O必須配備觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)儀器;O能在復(fù)雜地形下移動(dòng)。

對(duì)星球探測(cè)機(jī)器人要具有如下一些能力:18星球探測(cè)機(jī)器人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下。

O星球探測(cè)機(jī)器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的嚴(yán)格限制。星球探測(cè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力求緊湊、體積小、重量輕，同時(shí)與之配套的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的爬坡和越障能力。

星球探測(cè)機(jī)器人的電源主要用于提供動(dòng)力和為儀器供電。目前可選擇的電池有化學(xué)電池、燃料電池、太陽能電池和同位素電池。

O星球探測(cè)機(jī)器人如何適應(yīng)空間溫度、宇宙射線、真空、反沖原子等苛刻的末知環(huán)境。外層空間的星球環(huán)境可能比地球環(huán)境更為復(fù)雜。因此，在設(shè)計(jì)星球探測(cè)機(jī)器人時(shí)必須考慮到地球上沒有的一些特殊環(huán)境可能對(duì)機(jī)器人造成的損害。

O如何建立一個(gè)易于操作的星球探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。

星球探測(cè)機(jī)器人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下。19

一個(gè)星球探測(cè)機(jī)器人通常包括探測(cè)車和微型機(jī)械手兩部分。探測(cè)車用于為探測(cè)提供移動(dòng)載體，要求能跨越障礙并能快速行迸。因此，它必須是小型化和輕量化的，并配有多種傳感器。微型機(jī)械手主要用于對(duì)巖石及土壤取樣及進(jìn)行處理。這里介紹幾個(gè)國(guó)外開發(fā)的星球探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，可以了解星球探測(cè)機(jī)器人的基本構(gòu)成。

(1)Rocky7火星探測(cè)機(jī)器人

Rocky“I火星探測(cè)機(jī)器人重約t5ke@尺寸為48cmX64cmX32cm，有6個(gè)輪子，由太陽能電池板供電。

(2)FIDO火星探測(cè)機(jī)器人FID0是美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)正在研制的一種高度自主控制的火星探測(cè)機(jī)器人。它利用車上的計(jì)算機(jī)視覺和自主控制技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航，并能夠?qū)⑽U上的相機(jī)觀測(cè)到的圖像相機(jī)械臂的動(dòng)作很好地結(jié)合起來。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用六輪懸吊式，帶有一個(gè)可折疊的具有4個(gè)自由度的桅桿，桅桿上裝有一臺(tái)多視野的立體全息相機(jī)，一臺(tái)集成科學(xué)儀器，一臺(tái)分光儀。

一個(gè)星球探測(cè)機(jī)器人通常包括探測(cè)車和微型機(jī)械手20(3)日本的Micro5Micro5由日本宇航中心、梅基大學(xué)和綽大學(xué)聯(lián)合研制開發(fā)的一種體積小、重量輕、低能耗的星球探測(cè)機(jī)器人。該機(jī)器人采用五點(diǎn)接觸懸吊結(jié)構(gòu)，帶有兩個(gè)立體相機(jī)用于前方的地形觀測(cè)。在機(jī)器人的周圍還裝有六個(gè)COMS相機(jī)用于導(dǎo)航和科學(xué)觀測(cè)。此外，還裝有俯仰和翻滾傾斜儀用于車的姿態(tài)檢測(cè)，裝有編碼器進(jìn)行航位推算。計(jì)算機(jī)在線處理這些傳感器的信息，進(jìn)行環(huán)境識(shí)別、路徑規(guī)劃和導(dǎo)航控制。Micro5具有與地面之間的通信系統(tǒng)，可以將漫游車所觀測(cè)到的圖像、收集到的數(shù)據(jù)及自身的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)傳給地面系統(tǒng)，操作者可以在地面利用遙操作技術(shù)對(duì)MicrO5進(jìn)行控制。日本宇宙科學(xué)研究所(ISAS)也對(duì)月球漫游車進(jìn)行了一系列的研究。其中的一種方案是具有子母結(jié)構(gòu)的月球漫游車。

(3)日本的Micro5214.3.2個(gè)人服務(wù)機(jī)器人（1）傷殘助理機(jī)器人（2）智能輪椅（3）機(jī)器人除草機(jī)4.3.3工程機(jī)器人（1）噴漿機(jī)器人（2）壓路機(jī)器人（3）隧道鑿巖機(jī)器人（4）林木球果采集機(jī)器人4.3.4極限作業(yè)機(jī)器人（1）消防機(jī)器人包括：遙控消防機(jī)器人、噴射滅火機(jī)器人、消防偵察機(jī)器人、攀登營(yíng)救機(jī)器人、救護(hù)機(jī)器人。4.3.2個(gè)人服務(wù)機(jī)器人22（2）核處理機(jī)器人（3）水下機(jī)器人第五章微機(jī)器人5.1概述歷程：1981掃描隧道顯微鏡（STM）1987100微米的為型馬達(dá)1993用于眼球網(wǎng)膜顯微手術(shù)的微操作機(jī)器人1995用于生物工程細(xì)胞操作的雙手微操作機(jī)器人5.2微機(jī)器人的概念和分類分類：按尺寸、形式、機(jī)能5.3微型機(jī)器人5.3.1微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方法和原理（2）核處理機(jī)器人23（1）尺蠖法（2）沖擊法（3）蠕動(dòng)法（4）震動(dòng)法（5）碰撞法5.3.2微型機(jī)器人（1）管道檢查微型機(jī)器人（2）腔道檢查微型機(jī)器人（3）微型步行機(jī)器人（4）超精密加工微型機(jī)器人（5）高精度測(cè)量微型機(jī)器人（6）震動(dòng)式微型機(jī)器人（1）尺蠖法245.4微操作機(jī)器人5.4.1微操作機(jī)器人分類

微操作機(jī)器人(microManipulatingrobot)是以亞微米、納米運(yùn)動(dòng)定位技術(shù)為核心，在較小空間中進(jìn)行精密操作作業(yè)的裝置，可以應(yīng)用于生物顯微操作、微電子制造、納米加工等領(lǐng)域。

微操作機(jī)器人一般按操作對(duì)象大小分類:微細(xì)作業(yè)機(jī)器人(10-3—10-6m)超微細(xì)作業(yè)機(jī)器人(10-6—10-9m)

國(guó)內(nèi)外微操作技術(shù)及微操作機(jī)器人研究現(xiàn)狀

微操作技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，很多研究機(jī)構(gòu)都針對(duì)不同的操作對(duì)象，進(jìn)行了廣泛的研究工作。目前已涉及的研究領(lǐng)域有:多自由度的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，針對(duì)不同微細(xì)作業(yè)場(chǎng)合所采用的工具、夾具，微操作作業(yè)策略及微操作機(jī)器人遙控作業(yè)研究等。

5.4微操作機(jī)器人微操作機(jī)器人一般按操255·4.2微操作機(jī)器人介紹

(1)具有視覺反饋的微操作機(jī)器人

北航的微操作機(jī)器人5·4.2微操作機(jī)器人介紹北航的微操作機(jī)器人26(2)雙動(dòng)式微操作機(jī)器人1993年日本通產(chǎn)省機(jī)械研究所研究了一種雙動(dòng)式微操作機(jī)器人。該機(jī)器人采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)、壓電晶體驅(qū)動(dòng)、雙動(dòng)式控制，在高倍顯微鏡下，用雙手操作。由于有力反饋，因此可實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作。

(3)STM的"原子移位"1993年日本理化學(xué)研究所用STM的探針可使單原子按人意愿移動(dòng)。其定位平精度10微米。

(4)納米移動(dòng)機(jī)器人中科院沈陽自動(dòng)化所，采用碰撞驅(qū)動(dòng)法，尺寸直徑54毫米，重量1.1克，相當(dāng)減速比I=51652(2)雙動(dòng)式微操作機(jī)器人(3)STM的"原子移位"(4275.4.3關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)理論

正是由于微觀操作與宏觀操作在操作機(jī)理、操作工具等方面的種種不同，使微觀操作具有很多特殊性，表現(xiàn)在操作手、操作平臺(tái)、操作控制系統(tǒng)、操作機(jī)理、人機(jī)接口等各個(gè)方面。

1.操作手及作業(yè)平臺(tái)

綜上所述，微操作機(jī)器人系統(tǒng)(作業(yè)手、平臺(tái)、輔助設(shè)備等)應(yīng)該是多自由度、宏微運(yùn)動(dòng)結(jié)合、運(yùn)動(dòng)精度高且各組成部分能協(xié)調(diào)工作的高精度機(jī)械系統(tǒng)。采用合適的驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)滿足上述要求，且體積小，重量輕，調(diào)節(jié)方便的微操作機(jī)器人手是機(jī)器人微操作系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.智能操作系統(tǒng)及控制系統(tǒng)

微操作系統(tǒng)中的力覺系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能化操作的關(guān)鍵。

(1)視覺系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)微細(xì)作業(yè)，特別是在1mm以下對(duì)象的作業(yè)，系統(tǒng)必須借助光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)操作過程的監(jiān)視。

5.4.3關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)理論

綜上所述，微操作機(jī)28(2)力覺系統(tǒng)在實(shí)際操作過程中為了更好的完成作業(yè)，僅有視覺信息還不足以反映操作的實(shí)際情況，往往還需要接觸力等其他信息，因而需在微操作系統(tǒng)申加入微力傳感器，同時(shí)這也有利于智能化控制、力遙控操作的實(shí)現(xiàn)。

3.微操作相關(guān)理論問題

首先，微觀環(huán)境和宏觀環(huán)境有很大差別，在宏觀作業(yè)環(huán)境中常常被忽略的因素，在微觀環(huán)境中必須引起重視。特別是當(dāng)操作對(duì)象的尺度減小到尺度效應(yīng)明顯作用的尺度時(shí)，溫度、濕度、輕微振動(dòng)等因素將直接影響操作的直接進(jìn)行。

其次，為了完成復(fù)雜操作，機(jī)器人微操作系統(tǒng)往往由主操作手、輔助操作手及工作平臺(tái)(群手)組成，建立各組成部分之間協(xié)調(diào)工作的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，以及微操作機(jī)器人的微運(yùn)動(dòng)學(xué)和微動(dòng)力學(xué)方程，并獲得快速操作的最優(yōu)解，這是微操作系統(tǒng)控制中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

最后，對(duì)具體的操作來講，也要進(jìn)行相應(yīng)的理論研究。如進(jìn)行微裝配時(shí)，裝配策略的研究。

(2)力覺系統(tǒng)3.微操作相關(guān)理論問題295.5微機(jī)器人應(yīng)用（1）生物工程激光鑷在二位空間來完成分選粒子，可進(jìn)行基因轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞器切割、焊接等加工。5.5微機(jī)器人應(yīng)用激光鑷在二位空間來完成分30（2）超LS1制造

超LSI的DRAM制造，預(yù)計(jì)2010年特征尺寸要實(shí)現(xiàn)70nm。為實(shí)現(xiàn)納米定位，除了提高傳統(tǒng)的傳動(dòng)精度外，還需要研究新方法。1995年日本神戶大學(xué)研究了一種半導(dǎo)體曝光裝置的定位平臺(tái)，采用“尺蠖法"驅(qū)動(dòng)，定位精度為5nm。

（3）MEMS制造MEMS制造現(xiàn)在用的微細(xì)加工方法有LC法和Liga法。但此法對(duì)三維復(fù)雜件加工有困難，因此，日本研究用小機(jī)床加工微元件，能加工直徑為10微米的階梯軸。

（4）納米加工2000年東京工業(yè)大學(xué)，用AFM進(jìn)行納米加工，它的目標(biāo)是原子級(jí)加工，制造納米元件。（5）星球探險(xiǎn)1970年11月17日7時(shí)20分，"魯諾寇德一號(hào)"探查機(jī)器人在月球著陸，從此揭開人類探索宇宙的新紀(jì)元。

（2）超LS1制造（5）星球探險(xiǎn)31

美國(guó)NASA研制的用于星球探測(cè)的微小型探查機(jī)器人GOFOR號(hào)，它的尺寸是0.4mX0.4m，重量為3.5kg。

美國(guó)NASA研制的納米探查機(jī)器人。重量為0·8kg，移動(dòng)方式采用腿加輪的復(fù)合結(jié)構(gòu)，移動(dòng)速度0·01m/s。

為了能在星球表面復(fù)雜地形下行走，星球探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所針對(duì)微小型星球探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一系列的復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)。"沙地一號(hào)"微小型移動(dòng)機(jī)器人如圖6-22，移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了輪加腿的復(fù)合機(jī)構(gòu)。

"沙地二號(hào)"微小型移動(dòng)機(jī)器人如圖6-23，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了履帶加腿的復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)。"沙地三號(hào)"微小型機(jī)器人如圖6-24，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了輪加腿的復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)美國(guó)NASA研制的用于星球探測(cè)的微小型探查機(jī)器人GO32

（7）軍用微小機(jī)器人軍用微小機(jī)器人能完成人難以完成的使命。軍用微小機(jī)器人最大的特點(diǎn)是外形小，有良好的隱蔽性，仿生物外形不會(huì)引起敵方注意。構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造周期短，造價(jià)低，還可以具有

"群"攻擊的能力，令敵方防不勝防。軍用微小機(jī)器人具有超人的功能，不怕疲勞，不懼艱險(xiǎn)，忠于職守。

美國(guó)研制了多種用于軍事用途的微小型機(jī)器人，如麻省理工學(xué)院研制的昆蟲機(jī)器人"金菲斯"。美國(guó)羅克威爾公司及IS機(jī)器人公司研究的掃雷機(jī)器蟹如圖6-27。（6）空間飛行微機(jī)器人20世紀(jì)90年代美國(guó)AeroVironment公司研制的微型飛機(jī)如圖6-26，重量只有42g，尺寸為15cm，遙控距離為1000m。

（7）軍用微小機(jī)器人美國(guó)研制了多種用于軍事用途的微33第6章空間機(jī)器人空間機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)、外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層空間飛行并進(jìn)行觀測(cè)、可完成多種作業(yè)的飛行機(jī)器人，到外層空間其他星球上進(jìn)行探測(cè)作業(yè)的星球探測(cè)機(jī)器人和在各種航天器里使用的機(jī)器人。

6.1飛行機(jī)器人多年來以軍事用途為背景的大型無人飛機(jī)研究一直十分活躍，這些無人飛機(jī)越來越智能化，所以它們也是一類機(jī)器人。特別能體現(xiàn)無人飛機(jī)具有機(jī)器人特性的是近年來出現(xiàn)的微型飛行器，這種微型飛行器尺寸如同人的手掌大小，翼展長(zhǎng)15cm左右，能像鳥一樣飛行，并具有昆蟲智能水平。這類飛行器常常被稱為微型飛行機(jī)器人。

微型飛行機(jī)器人技術(shù)主要包括三個(gè)方面:一是微型飛行器平臺(tái);二是相關(guān)的部件技術(shù);三是它的發(fā)射方式。

第6章空間機(jī)器人34微型飛行器平臺(tái)主要有固定翼、旋翼和撲翼三種。固定翼式微型飛行機(jī)器人相對(duì)來說最容易實(shí)現(xiàn)，是目前微型飛行機(jī)器人主要采用的飛行機(jī)構(gòu)。

美國(guó)證在進(jìn)行研究的黑蜘蛛(BlackWidow)微型飛行機(jī)器人采用的就是這種飛行機(jī)構(gòu)。黑蜘蛛微型飛行機(jī)器人翼展15cm，重56.7g，航程1km，飛行速度69km/h，室外續(xù)航時(shí)間為20min。黑蜘蛛微型飛行機(jī)器人的機(jī)翼呈圓盤形，頭部裝有10.16cm的螺旋槳，重110mg，效率達(dá)82%。

黑蜘蛛微型飛行機(jī)器人的地面站包括控制器、電視監(jiān)視器、天線及氣動(dòng)發(fā)射裝置，它們裝在一個(gè)小手提箱中，箱申還裝有操作人員用的眼鏡，用它可以觀察電視攝像機(jī)的實(shí)況圖像。它的數(shù)據(jù)鏈路的距離為1.5km。

微型飛行器平臺(tái)美國(guó)證在進(jìn)行研究的黑蜘蛛(Black351998年初美國(guó)加利福尼亞大學(xué)開始研制一種撲翼式微型飛行機(jī)器人，稱為“機(jī)器蒼蠅”。研制的目的是利用仿生原理獲得蒼蠅的杰出的飛行性能，計(jì)劃到2004年能夠飛行。這種微型飛行機(jī)器人具有重要的軍事用途，利用它可以進(jìn)行城市環(huán)境中的秘密監(jiān)視和偵察?！皺C(jī)器蒼蠅”的尺寸如普通蒼蠅大小，樣子也像蒼蠅。重約43mg，直徑5—10mm。不過它有4只翅膀而不是2只，有一個(gè)玻璃眼睛而不是兩只球形眼睛。它的身體用像紙一樣薄的不銹鋼制成，翅膀用聚酪樹脂做成。機(jī)器蒼蠅由太陽能電池驅(qū)動(dòng)，一個(gè)微型壓電石英驅(qū)動(dòng)器以每秒180次的頻率扇動(dòng)它的4只翅膀。

相關(guān)的部件技術(shù)

1.體積小、重量極輕的大功率高能量密度的發(fā)動(dòng)機(jī)和電源動(dòng)力系統(tǒng)一般占微型飛行機(jī)器人總重量的60%，它所消耗的能量占總能量的90%，另外的10%供電子儀器使用。D-STAR公司正在研制一種Neutrino的微型柴油機(jī)，它的直徑為2cm，可產(chǎn)生80W的功率。1998年初美國(guó)加利福尼亞大學(xué)開始研制一種撲翼式微型飛36

2.要研究產(chǎn)生升力的新方法，要解決在低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)環(huán)境下的飛行穩(wěn)定與控制問題。

3.飛行控制。如何控制微型飛行機(jī)器人的飛行是另一個(gè)難點(diǎn)。

發(fā)射方式微型飛行機(jī)器人與無人飛機(jī)另一個(gè)顯著區(qū)別是它不需要專門的起飛和降落區(qū)

2.要研究產(chǎn)生升力的新方法，要解決在低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)環(huán)375.2星球探測(cè)機(jī)器人人們對(duì)于外層空間其他星球是否能夠居住、是否具有可利用的資源、是否存在生命充滿了幻想，21世紀(jì)將是人類開發(fā)太陽系新的星球的時(shí)代。

格林威治時(shí)間1997年7月4日I7時(shí)7分，美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射的火星"探路者"號(hào)宇宙飛船在經(jīng)過7個(gè)月的飛行之后成功地在火星表面著陸。"探路者"飛船首次攜帶了一個(gè)名為"索杰納"的火星探測(cè)機(jī)器人。"索杰納"的任務(wù)是對(duì)登陸器周圍進(jìn)行搜索，探測(cè)火星的氣候及地質(zhì)方面的數(shù)據(jù)。

5.2星球探測(cè)機(jī)器人格林威治時(shí)間1997年738

對(duì)星球探測(cè)機(jī)器人要具有如下一些能力:O探測(cè)的范圍必須非常廣，就距離而言，應(yīng)在幾十公里到幾百公里的范圍內(nèi)移動(dòng);O必須能夠進(jìn)行地下探測(cè)，從深度方面看，應(yīng)能在幾十厘米到幾米范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)