微型机器人论文研究课题有哪些

微型机器人的发展和研究现状宋晓峰, 谈士力(上海大学机械电子工程与自动化学院, 上海201800)摘要: 微型机器人是微电子机械系统的一个重要分支, 由于它能进入人类和宏观机器人所不及的狭小空间内作业, 近几十年来受到了广泛的关注。本文首先给出了近年来国内外出现的几种微型机器人, 在分析了其特点和性能的基础上, 讨论了目前微型机器人研究中所遇到的几个关键问题, 并且指出了这些领域未来一段时间内的主要研究和发展方向。关键词: 微型机器人; 微驱动器近年来, 采用MEMS 技术的微型卫星、微型飞行器和进入狭窄空间的微机器人展示了诱人的应用前景和军民两用的战略意义。因此, 作为微机电系统技术发展方向之一的基于精密机械加工微机器人技术研究已成为国际上的一个热点, 这方面的研究不仅有强大的市场推动, 而且有众多研究机构的参与。以日本为代表的许多国家在这方面开展了大量研究, 重点是发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂。国内在国家自然科学基金、863 高技术研究发展计划等的资助下, 有清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、广东工业大学、上海大学等科研院所针对微型机器人和微操作系统进行了大量研究, 并分别研制了原理样机。目前国内对微型机器人的研究主要集中在三个领域[6] : (1)面向煤气、化工、发电设备细小管道探测的微型机器人。(2) 针对人体、进入肠道的无创诊疗微型机器人。(3) 面向复杂机械系统非拆卸检修的微型机器人。1 微型机器人的发展和研究状况根据国内开展微型机器人研究的实际情况, 我们着重讨论微型管道机器人、无创伤微型医疗机器人和特殊作业的微型机器人。111 微型管道机器人微管道机器人是基于狭小空间内的应用背景提出的, 其环境特点是在狭小的管状通道或缝隙行走进行检测, 维修等作业。由于与常规条件下管内作业环境有明显不同, 其行走方式及结构原理与常规管道机器人也不同, 因此按照常规技术手段对管道机器人按比例缩小是不可行的。有鉴于此, 微型管道机器人的行走方式应另辟蹊径。近年来随着微电子机械技术的发展和晶体压电效应和超磁致伸缩材料磁- 机耦合技术应用的发展, 使新型微驱动器的出现和应用成为现实。微驱动器的研究成果已成为微管道机器人的重要发展基础[1] 。日本名古屋大学研制成一种微型管道机器人, 可用于细小管道的检测, 在生物医学领域的小空间内作微小工作。这种机器人可以由管道外面的电磁线圈驱动, 而无须以电缆供电。日本东京工业大学和NEC公司合作研究的螺旋式管内移动微机器人, 在直径为Φ2514mm的直管内它的最大运动速度是260mm/ s , 最大牵引力是12N。法国Anthierens 等人研制出了适用于Φ16mm的蠕动式机器人, 此种微型机器人的最大运动速度为5mm/ s , 负载可达20N , 具有很高的运动精度, 负载大, 但运动速度较慢且结构复杂。国内的上海大学和上海交通大学都研制出了惯性冲击式管道微机器人, 上海交通大学的微机器人采用层叠型压电驱动器驱动; 上海大学的微机器人驱动器有层叠型和双压电薄膜两种类型[3] 。图1 所示为双压电薄膜微小管道机器人其运动机理, 该机器人采用双压电薄膜驱动器, 相对于单压电薄膜, 增大了驱动力, 提高了承载能力。该机构的最大移动速度可以达到15mm/ s , 具有前进、后退、上升和下降功能。112 微型医疗机器人的发展近几年来, 医疗机器人技术的研究与应用开发进展很快, 微型医疗机器人是其中最有发展前途的应用领域, 据日本科学技术政策研究所预测, 到2017 年医疗领域使用微型机器和机器人的手术将超过全部医疗手术的一半。因此日本制定了采用“机器人外科医生”的计划, 并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。美国马里兰州的约翰·霍普金实验室研制出一种“灵巧药丸”, 实际上是装有微型硅温度计和微型电路的微型检测装置,吞入体内, 可以将体内的温度信息发给记录器。瑞典科学家发明了一种大小如英文标点符号的机器人, 未来可移动单一细胞或捕捉细菌, 进而在人体内进行各种手术。国内的的许多科研院所主要开展了无创伤微型医疗机器人的研究, 取得了一些成果。无损伤医用机器人主要应用于人体内腔的疾病医疗, 它可以大大减轻或消除目前临床上使用的各类窥镜、内注射器、内送药装置等医疗器械给患者带来的严重不适合及痛苦。中国科学技术大学在国家自然科学基金的资助下研制出了基于压电陶瓷驱动的多节蛇行游动腹腔手术术微型机器人, 该机器人将CCD 摄像系统, 手术器械及智能控制系统分别安装在微型机器人的端部,通过开在患者腹部的小口, 伸入腹腔进行手术。其特点是响应速度快, 运动精度高, 作用力与动作范围大, 每一节可实现两个自由度方向上±60°范围内迅捷而灵活的动作, 图2 所示的是利用腹腔手术机器人进行手术的场景[5] 。浙江大学也研制出了无损伤医用微型机器人的原理样机, 该微型机器人以悬浮方式进入人体内腔(如肠道, 食道) , 可避免对人体内腔有机组织造成损伤, 运行速度快, 速度控制方便。113 特殊作业微型机器人的发展除了上述提到的微型管道机器人和无创伤微型医疗机器人以外, 国内外一些科研工作者广泛开展了进行特殊作业微型机器人的研究。这种微型机器人配备相应的传感器和作业装置, 在军事和民用方面具有非常好的发展前景。美国国家安全实验室制造出了有史以来世界上最小的机器人, 这部机器人重量不到28g , 体积为411cm3 , 腿机构为皮带传送装置, 该机器人可以代替人去完成许多危险的工作。美国海军发明了一种微型城市搜救机器人, 该机器人曾在2001 年“9111”事件发生后的世贸废墟搜救现场大显身手。日本三菱电子公司、松下东京研究所和Sumitomo 电子公司联合研制出只有蚂蚁大小的微型机器人, 该机器人可以进入空间非常狭小的环境从事修理工作, 身体两侧有两个圆形的连接器可以与其他机器人相连接完成一些特殊的任务。由于自然界中的生物具有人类无法比拟的某些机能, 因此近年来利用自然界生物的运动行为和某些机能进行机器人设计、实现其灵活控制、受到了机器人学者的广泛重视。国内已有多所高校和科研院所在开展微型仿生机器人方面的研究。上海交通大学基于仿生学原理, 利用六套并联平面四连杆机构、微型直流电动机及相应的减速增扭机构研制出了微型六足仿生机器人, 体积微小, 具有良好的机动性。该机器人长30mm, 宽40mm, 高20mm, 重613 克, 其步行速度达到3mm/ s[2] 。上海大学也进行了一些微型仿生机器人的研究工作。2 微型机器人发展中面临的问题(1) 驱动器的微型化微驱动器是MEMS 最主要的部件, 从微型机器人的发展来看, 微驱动技术起着关键作用, 并且是微机器人水平的标志, 开发耗能低、结构简单、易于微型化、位移输出和力输出大, 线性控制性能好, 动态响应快的新型驱动器(高性能压电元件、大扭矩微马达) 是未来的研究方向。(2) 能源供给问题许多执行机构都是通过电能驱动的, 但是对于微型移动机器人而言, 供应电能的导线会严重影响微型机器人的运动, 特别是在曲率变化比较大的环境中。微型机器人发展趋势应是无缆化, 能量、控制信号以及检测信号应可以无缆发送、传输。微型机器人要真正实用化, 必须解决无缆微波能源和无缆数据传输技术, 同时研究开发小尺寸的高容量电池。(3) 可靠性和安全性目前许多正在研制和开发的微型机器人是以医疗、军事以及核电站为应用背景, 在这些十分重要的应用场合, 机器人工作的可靠性和安全性是设计人员必须考虑的一个问题, 因此要求机器人能够适应所处的环境, 并具有故障排除能力[4] 。(4) 新型的微机构设计理论及精加工技术微型机器人和常规机器人相比并不是简单的结构上比例缩小, 其发展在一定程度上和微驱动器和精加工技术的发展是密切相关的。同时要求设计者在机构设计理论上进行创新, 研究出适合微型机器人的移动机构和移动方式。(5) 高度自治控制系统微机器人要完成特定的作业, 其自身定位和环境的识别能力是关键, 开发微视觉系统, 提高微图象处理速度, 采用神经网络及人工智能等先进的技术来解决控制系统的高度自治难题是最终实现实用化的关键。3 结论微机器人还处于实验室理论探索时期, 离实用化还有相当的距离。存在许多关键的技术没有得到解决, 这些问题的解决过程中同时会带动许多相关学科的发展。只有当这些问题解决以后, 微型机器人的实用化才会成为可能。我们要勇于创新, 抓住这个前沿课题, 将微型机器人技术应用到国民经济建设发展影响较大的领域。

一、“课题”：何谓？ 课题，指“研究或讨论的主要问题或亟待解决的重大事项。”（《现代汉语词典（修订本）》） 课题的问题通常具有以下特征：问题应该具有专业性，问题应该是有价值的，问题应该是需要探究的，问题应该是能够解决的。因此，“课题”不等于“问题”，其外延比“问题”要小，二者之间的关系，可大致归纳如下： （1）“课题”源于“问题”，“课题”包含着“问题”；（2）“问题”是“课题”的基础，没有问题也就没有课题；（3）“课题”是对需要研究的“问题”进行提炼、概括后形成的题目，是人们主观关注、主动探索问题的产物，是问题解决的方式。 二、“课题”：“大”“中”“微” 以课题所涉及层次与所研究内容的丰简程度，可以分为三种类型： 大型课题：指对事物发展或学科建设具有统领性或全局性、整体性影响的课题。（亦称为项目）。该类课题，需要多学科的支持、跨学科研究、较大的资金投入、有力的机构或部门组织、强大研究团队的合作以及较长的研究周期（一般为三到五年）才能完成，难度相对较大。比如：“世界教育改革背景下的中国基础教育课程改革研究”。 中型课题：指解决局部地区或学科研究中相关领域问题的课题。居于大型课题与微型课题之间，可以团队合作完成，也可以个人独立完成，研究周期相对较短（一到两年），研究难度中等。由于课题太大了不易把握，太小了价值有限，因此，一般纵向申请的课题以中型课题居多。 微型课题：主要指一线工作者对日常工作实践中出现的具有普遍或典型意义的困惑或现实社会中的某一具体问题而进行的一种微观的应用研究。该类课题范围小、周期短、见效快，一般研究者个体或较小的研究团队就能完成，所需时间也较短，一般为一个学期或一个学年。 三、课题选题：选什么 “选题”，就是选择研究的问题。它基本包括三层含义：一是确定研究方向；二是界定研究范围；三是选择研究的具体问题。前面述及，课题始于问题、来源于问题，但问题不等于课题，只有需要讨论解决而又尚未解决、且有可能解决的问题才能成为课题。那么，什么样的问题才能成为微型课题，或者说微型课题研究什么样的问题呢？ （一）小而有型的问题 “微型课题”研究的是日常工作或现实社会中的小问题。即研究的对象范围比较小，研究的内容比较少、比较单一。那么选择的问题是不是越小越好呢？当然不是，一般而言，课题的问题，不能是一己的、个别的、即时可以解决的问题，而应是由点及面，推而广之，能成为某一“类型”的问题。比如：“一道平面几何题的多种解法”“怎么处理班级两位女生闹矛盾的问题”，都不适宜做课题；而“平面几何题的解题策略”“××初中三年级女生之间的矛盾冲突及其调适的研究”则适合做课题进行研究。 （二）有现实意义的问题 前已述及，微型课题研究，不是为了创造或验证、发展某种学科理论，而是着眼于解决日常工作或现实社会生活中的某个具体困惑或问题，所以，微型课题研究的问题，要考虑到实践应用价值，对于自己的日常工作能不能带来直接效果，对现实社会生活是否有可能带来某种程度的改善。比如：“小学低年级数学校本教材开发的研究”“小学低年级学生计算错误原因及对策的研究”，前者意义较小，不太适合做课题，后者现实意义较大，相对适合做课题。 注意：有无意义，还要看他人对这个问题有没有做过研究。如果还没有人进行过研究或研究虽然不少，但不深入，也没有一致的意见，那么，这个问题就有一定的研究价值。当然，我们也可以联系自己工作的实际情况，学习、应用他人的研究成果，通过实践后的反思，有时也会有所发现，使原有成果得到发展。因此，在选择课题时，多收集相关研究的信息，是一项重要的工作。 （三）具体明确的问题 课题研究选定的问题，一定要“范围较小，明确具体，界限清晰”，不能笼统模糊。大而空的选题，不仅没有针对性，操作起来也无从下手。 比如： （1）“学生课外阅读状况的调查研究” （2）“小学高年级学生课外阅读状况的调查研究” （3）“在小学美术教学中开发地方传统美术项目的行动研究” （4）“小学美术教学中创新地方传统风筝设计的行动研究” 其中，（1）和（3）范围过大，不适合做课题，（2）和（4）则比较合适。 （四）可以解决的问题 要点一：选择的问题要科学，问题的答案必须存在，而且可以预测。比如：“如何通过意念将知识传输给学生”“如何帮助学生不需动脑学习”等，都不能作为课题进行研究。 要点二：选择的问题需自己有能力解决。 1.主观上说，一是要选择自己熟悉的，有经验、有积累的，长期关注的，兴趣浓厚的，或自己曾有一些思考但不够深入的问题进行研究；二是要结合自己已有的知识、能力、基础、经验和专长，权衡自己的条件寻找结合点，选择能发挥自己的优势特长的课题。 2.客观上说，要考虑到资料、设施、时间、经费、技术和人力等客观条件，如果选题脱离了客观条件，研究起来也比较困难。 要点三：时机问题 要关注现阶段工作的重点、难点和热点；关注国家的政策导向。 四、课题问题：如何筛选 （一）问题与问题域 “问题域”，它是指问题所涉及的研究范围。研究范围越大，问题域越宽；研究范围越小，问题域越窄。 问题揭示事物之间的具体的矛盾，而问题域只表现事物存在的范围，不揭示事物之间的矛盾。问题是在问题域之内的。（如图2-2） 选题中容易出现的问题之一是把问题域作为研究对象，而不是聚焦于具体的研究问题。 比如： （1）小学语文教材研究 （2）小学语文教材插图研究 （3）小学语文教材图文配合研究 （4）小学语文教材插图的错误研究 （5）小学语文教材插图在教学中的运用研究 （6）小学语文教材插图对学生学习兴趣的影响研究 其中，（1）和（2）是问题域，其余的为问题。 （二）真问题与假问题 判断标准如下表： （三）问题与问题链 上面所说的课题的问题，指的是课题研究中的“主问题”，在“主问题”中，可以分化出与之相关的、具有一定逻辑关系的“子问题”。子问题之间通过逻辑关系而紧密地联系在一起，这些具有逻辑关系的子问题构成了问题链。所以说，子问题，是围绕主问题而产生的具体问题。围绕主问题产生的具有逻辑关系的子问题网络就是问题链。 比如课题：小学语文教材图文配合研究 主问题：小学语文教材的插图与课文是否相配，或配合得怎样？ 子问题： （1）教材插图与课文配合的标准是什么，即如何确定插图与课文是否配合？ （2）教材插图与课文相配合的表现是怎样的？不相配合的表现又是怎样的？ （3）教材插图与课文不相配合的原因是什么？ （4）教材插图与课文如何更好地相配，即教材插图与课文不相配的改进措施有哪些？ 荐文/卢守亭 参考文献： 1.李冲锋.教师如何做课题[M].上海：华东师范大学出版社，2013. 2.袁玥.教师微型课题研究指南[M].上海：华东师范大学出版社，2011.