场驱动医疗微机器人:材料制备工艺不断优化的应用前景

背景:微机器人具有体积小、灵活、靶向性强等特点,可以在狭窄的环境下通过单体或集群的方式完成复杂的工作。随着材料、制备工艺以及驱动方式的不断优化,其在生物医学领域内显示出越来越重要的应用价值。目的:分析场驱动微机器人在生物医学领域的应用并展望其应用前景。方法:以“微机器人,纳米机器人,驱动,生物医学,医疗”为中文关键词,以“microrobots,micro-robots,nanorobots,micromachine,microswimmer,medical”为英文关键词,分别检索万方以及Pub Med数据库,检索时间范围重点为2010年1月至2024年1月,同时纳入少数远期文献。通过阅读文题、摘要初步筛选,排除重复性研究、低质量期刊以及与内容不相关的文献,阅读全文后最终纳入66篇文献进行综述。结果与结论:场驱动医疗微机器人涵盖了磁、光、热、超声及多种混合因素驱动机器人。场驱动机器人已被应用于肠道诊断、药物靶向治疗及干细胞治疗等多个领域。尽管医用微机器人在临床医学中已有少数应用,但大多数还处于理论和实验阶段。医用微机器人的未来面临诸多挑战,如实现大规模制备、进一步提升精确控制、解决回收或体内降解问题,以及所用材料是否会对人体产生不良反应等,此外微机器人还需与相应的微创医学手术相配合。

锥形螺旋微机器人的结构设计与三维运动控制

为模拟微机器人在生物体内执行靶向给药、血管疏通等复杂操作,设计了锥形螺旋微机器人。锥形螺旋微机器人主要由圆柱体头部、锥形螺旋尾部和钕铁硼永磁铁组成。针对锥形螺旋微机器人在低雷诺数液体环境中的三维运动控制需求,基于空间矢量叠加原理设计万向旋转磁场发生装置,通过有限元分析方法对万向旋转磁场发生装置的磁场强度及磁场均匀性进行优化。制作锥形螺旋微机器人,并搭建磁驱动系统,进行锥形螺旋微机器人三维运动控制操控实验,实验结果表明,锥形螺旋微机器人在甘油中的最大运动速度为1 mm/s,能够实现稳定的二维及三维运动控制,并完成穿越迷宫的复杂操作。

飞秒激光微纳加工在微机器人领域的相关研究(特邀)

随着微机器人的快速发展,对精密加工技术的要求日益提高。飞秒激光微纳加工技术凭借其高精度、高效率和非接触操作等优势,在微机器人领域展现出巨大的应用潜力。综述了激光微纳加工在微机器人领域的最新研究进展,重点围绕激光加工技术、材料选择与实际应用三个方面展开。在加工技术方面,激光微纳加工具有卓越的微细加工能力,实现了微机器人结构的精确制造;在材料选择上,选择了激光微纳加工微机器人的典型材料:光刻胶、金属材料和水凝胶;通过实例分析,展示了激光微纳加工微机器人的应用场景;在生物医疗方面包括靶向给药、细胞操纵和微创手术等,在工业方面包括精密器件精细加工和微物体检测等。最后对激光微纳加工微机器人进行总结与展望,为微机器人领域的发展提供了参考。

劢微机器人:无人叉车解决物流场景难题

引言近年来,无人叉车在仓储物流领域的应用逐渐扩展。得益于传统叉车制造商、自动引导车(AGV)制造商、物流系统集成商,以及仓储机器人企业的共同努力,无人叉车市场在竞争与合作的双重推动下迅速成长,并持续推动产品和应用的创新与变革。在智造的加速驱使下,传统物流向柔性化智能物流模式转变,催生出多样化、复杂化的应用场景。近年来,叉车电动化和半封闭道路自动驾驶概念火热,无人叉车赛道涌现出了大量创新机会。

3自由度柔性微机器人的静刚度分析

柔性微机器人要求具有很高的定位精度，而其静刚度在很大程度上决定着这一指标。针对目前对柔性微机器人静刚度分析中存在的不足，采用了结构分析中的柔度矩阵法：首先建立起机构中柔性单元的柔度模型，同时通过不同坐标系间的转换和单元节点处位移协调方程和力平衡方程的建立，递推出机器人末端相对参考坐标系下的静刚度矩阵。最后，以3自由度并联柔性微机器人为实例分析了该机器人的静刚度。分析表明：利用柔度矩阵法分析柔性微机器人运动学问题不仅便于计算，更接近柔性机构的本质。

宏-微机器人: 概念、动态、控制及几点看法

宏－微机器人即一小机械手附在一大机械手的末端构成的机器人系统，这种机器人有减小末端有效惯量、扩充频带的特性．本文介绍了这种机器人的概念、国外研究动态、控制方法，并对这一机器人的研究提出了我们的几点看法．

肠道微机器人柔性运动系统

提出一种适用于肠道微机器人的柔性运动系统来提高肠道机器人微创诊断的主动运动能力。柔性运动系统采用尺蠖型运动方式,由柔性运动机构和柔性驱动机构组成。柔性运动机构包括径向气囊软足和轴向伸缩推杆,并用万向节连接微机器人前后腔体从而提高运动柔性;柔性驱动机构利用尼龙线绳牵引波纹管泵驱动气囊软足和伸缩推杆激励微机器人伸缩。微机器人样机直径为12.2mm,长度为78mm,质量为14.8g,最大径向钳位外径为20.2mm,最大轴向行程为16.4mm。实验结果表明,柔性驱动机构可以为波纹管泵和伸缩推杆分别提供最大为0.67N和0.65N的驱动力;微机器人样机能够在不同倾斜角度的刚性有机玻璃管中运动,在水平和竖直管道中的平均运行速度为0.38mm/s和0.25mm/s;能通过最小曲率半径为49.3mm的塑料软管,在离体肠道中也能实现有效运动。本柔性运动系统为肠道微机器人提供了一种安全有效的自主运动方案。

激光作业的宏-微机器人及其控制系统

一小机械手附在一大机械手的末端构成的机器人系统被称为宏－微机器人系统．本文详细介绍了我们研制的采用激光作业的宏－微机器人本体和控制系统的结构和工作原理，以及在连续轨迹跟踪和汉字雕刻方面的实验结果．

仿生扑翼飞行微机器人研究现状与关键技术

扑翼飞行微机器人(Flapping-wing Flying Microrobot)是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。文中简要介绍了扑翼飞行微机器人的概念、特点与用途,从测试与试验、建模与分析、设计与制作、控制与传感四个方面概括了扑翼飞行微机器人的国内外研究现状,最后讨论了后续研究中需要突破的关键技术。

基于广义几何误差模型的微机器人精度分析

提出了一个用于微机器人精度分析的通用方法，该方法以广义几何误差的形式描述各种误差源对机器人本体产生的影响，通过任两坐标系间的向后微分关系，利用运动学方程以及并联机构的环路特性，建立了微机器人的广义几何误差模型。基于此模型，对工作空间中的位姿误差进行了仿真分析，验证了该法的有效性。此方法虽然是针对微机器人，但可推广应用到一般并联机器人的误差建模和精度分析。

双压电薄膜微机器人驱动器的模态分析

讨论了一种双压电薄膜驱动的微机器人 ,它适用于 2 0mm管径的管道检测。本文利用有限元分析的方法研究了双压电薄膜不同边界条件对微机器人驱动器固有频率的影响 ,对样机的实验结果表明理论计算和实验基本符合结论揭示了双压电薄膜微机器人依靠惯性冲击振动获得驱动的机理 。

微型机械和微机器人的发展状况

微型机械和微机器人的发展状况蔡鹤皋，孙立宁，安辉，张涛（哈尔滨工业大学）０引言近年来，国外在微型机构的开发和研究方面出现一个新兴的势头，即微机械电子学，利用ＩＣ的微细加工技术，将机构、传感器、控制器等集成在一个多晶硅片上，不仅将传统的无源机构变为有源...

基于电磁驱动的蠕动型微机器人运动机理

根据仿生学原理开发了一种电磁驱动的蠕动型微机器人 ,利用计算机和机电控制系统对微机器人运动进行控制 .叙述了微机器人的结构 ,对其运动机理进行了分析和探讨 ,介绍了运动控制电路原理 ,并进行运动性能的实验分析 .实验表明 ,它能在直径小于 1 0 mm的管道内自行移动 ,携带内窥镜、CCD器件、照明系统进行管内目视检查作业 .

基于红外传感器的移动微机器人定位研究

综合概率论的思想,采用基于红外传感器的微机器人粒子滤波定位方法在已知环境中实现微机器人的自定位。因微机器人受尺寸效应影响无法安装位置传感器,故采用计步的方法存储机器人的运动信息。观测模型采用适合小尺寸微型机器人的红外测距地图匹配方式。因微机器人的存储能力有限,故采用分块存储地图的方法,便于微机器人快速加载地图而完成地图匹配,从而加速其定位过程。实验验证了微机器人的定位性能。

一种新型仿蜗牛微机器人的研究

介绍一种采用直线电机为驱动器的新型仿蜗牛蠕动的微机器人的运动原理和驱动机构。该微型机器人由两个阶梯型平板机体和一个直线驱动器组成,运动原理与蜗牛的爬行原理相似,实验表明,微型机器人的前进速度随着直线驱动器速度、粘液粘度的增大而增大;微型机器人可以在很少粘液,也可以完全浸没在粘液中正常而有效地工作。

基于神经网络PID控制的柔性微机器人系统

根据尺蠖蠕动的原理,研制了一种三自由度微型机器人内窥镜诊疗系统;该机器人由空气压橡胶驱动器驱动,通过两个气囊钳位.建立了机器人的动态模型.基于BP神经网络PID控制策略,设计了电—气脉宽调制伺服系统控制机器人的移动.用系统输出的预测值来代替实测值,计算权系数的修正量,实时改变控制参数以提高控制效果.软件仿真和实验结果都证实该方法弥补了传统PID控制方法的不足,显著改善了系统的静动态特性,是一种理想的气动微型蠕动机器人控制方法.

一种用于微型工厂的毫米级全方位移动微机器人设计与分析

介绍了一种尺寸为9 mm×8 mm×8 mm的全方位移动微机器人.采用独特的双轮结构实现了转向时轮与地面的纯滚动.该微机器人由3个直径2 mm的电磁微马达驱动;其中2个用于直线驱动,另一个用于转向.动力学分析揭示了微马达驱动力矩与双轮结构尺寸及各种摩擦之间的关系.仿真计算及实验表明微机器人具有良好的负载能力,满足微型工厂中搬运工作的要求.

管道微机器人技术的现状与趋势

阐述了管道微机器人的概念和用途。介绍了国内外管道微机器人的研究状况、应用领域和一些典型样机。比较了管道微机器人移动方式的特点 ,分析了管道微机器人的关键技术和发展趋势。认为管道微机器人有广阔的应用前景 ,我国需要重视管道微机器人方面的研究。

微机器人结肠镜样机及离体肠道试验研究

为了对结肠进行微创无创检查,依据仿生学原理,使用微细加工技术,开发了一种基于电磁蠕动的仿蚯蚓微机器人结肠镜样机,进行了离体肠道试验。微机器人结肠镜使用电磁直线驱动器,运动单元之间由万向节连接,机器人整体柔软灵活。头部通过形状记忆合金控制行走方向和成像方向。在试验中,对机器人的运动效率、运动能力进行了深入的分析,测量了运动速度、牵引力。设计并制造出样机,进行了猪结肠离体实验,结果表明机器人结肠镜运动可靠、控制方便,该研究对机器人结肠镜进入临床应用具有一定的参考价值。

管道微机器人驱动器微小弹性啮合轮的传动力

为解决管道微机器人在微小空间内的交叉轴传动问题,研制了微小弹性啮合轮的传动机构.基于材料力学大变形理论,建立了微小弹性啮合轮传动机构的力学模型,推导了最大传动力的表达式,应用该表达式计算了所设计机构的最大传动力.在所研制的微小力测试实验台上进行了传动力测试实验.理论计算和实验结果表明,微小弹性啮合轮传动机构能够满足微机器人动力传递的需要.