【前言】
在21世纪，微机器人在显微外科和微组装领域有着广阔的应用前景，这些系统面临的挑战是宏观世界与机器人之间的电力和通信问题。
有一种办法是把机器人放到全球动力场里，这个动力场可以是静电场、磁场，或者是振动场，甚至像“地震”那种情况也可以，控制信号能靠能量场的频率部分来传输。
跟静电和磁致动比起来，振动致动在微观层面表现不咋好，为啥呢？在这种微观尺度下，像摩擦这样的表面力要比惯性力强得多。不过呢，抗震驱动也有很明显的潜在好处，特别是在医疗方面的应用上。
磁性微型机器人已能通过现有的磁成像系统有效实现控制与可视化。要是适当调整的话，振动驱动就能够适配现有的超声成像系统，超声成像系统可比磁成像系统更便宜，危害也更小。
以前工作的时候，研究人员用专门的制造工艺做出了地震驱动
的微型机器人。这些机器人是毫米级大小，共振频率在数百赫兹到10kHz之间，速度大概是mm/s。
这些机器人的性能没有其他用别的驱动机构的微型机器人可靠，而且工作也没继续下去。另外，因为几何形状复杂，微观摩擦力又不确定，所以这些机器人的物理原理还没被很好地理解。
我们做这项工作呢，就是想更深入地了解振动驱动，这样就能设计出更好的地震微型机器人啦。所以呢，我们造了一个中观机器人，这个机器人是按照挤压几何体的样子做的，而且和缩小到多用户的微细加工工艺是兼容的。
中尺度在这项研究里比较受青睐，因为做原型的周期更快（几天到几周，而微加工结构得几个月），也相对容易观察。这项研究得出的结果会被用于设计亚毫米大小的地震机器人。
【抖动机器人】
中尺度原型被叫做“抖动机器人”，它的身体是矩形的，还有两个伸展臂，每个伸展臂的末端都有一个比较小的质量，也就是“手”，就像下面图里显示的那样。它的身体有三条支撑腿，后面两条腿的长度是前面那条腿的一半，这样就使机器人向后倾斜。
臂和身体一起就像个质量弹簧系统，要是有特定共振频率的垂直振动，它就会有反应，在x - y平面上推动机器人。手臂会像蛇一样扭曲，这样
在特定的足迹下能实现比较小的弹簧常数，而且右臂其实更长些。
共振频率之所以比较低，把振动能量转变成平移的原理是这样的：当一条手臂以足够能量共振的时候，它就会让三脚架机身晃动。平移需要非倒数运动，在共振臂伸展和弯曲的时候，质心会朝着手臂的方向移动。
这就使得机器人晃到两条接触腿的角那儿，然后朝着共振臂那边动。往回动的时候呢，机器人往后晃，另一只脚的整个边就和表面碰上了，有效摩擦系数就增大了。最后呢，就朝着摆臂的方向平移了。其他微型机器人也用过这种粘滑运动。
抖动机器人的厚度和最小尺寸受加工限制而定。在这些约束条件下，【前言】
在21世纪，微机器人在显微外科和微组装领域有着广阔的应用前景，这些系统面临的挑战是宏观世界与机器人之间的电力和通信问题。
有一种办法是把机器人放到全球动力场里，这个动力场可以是静电场、磁场，或者是振动场，甚至像“地震”那种情况也可以，控制信号能靠能量场的频率部分来传输。
跟静电和磁致动比起来，振动致动在微观层面表现不咋好，为啥呢？在这种微观尺度下，像摩擦这样的表面力要比惯性力强得多。不过呢，抗震驱动也有很明显的潜在好处，特别是在医疗方面的应用上。
磁性微型机器人已能通过现有的磁成像系统有效实现控制与可视化。要是适当调整的话，振动驱动就能够适配现有的超声成像系统，超声成像系统可比磁成像系统更便宜，危害也更小。
以前工作的时候，研究人员用专门的制造工艺做出了地震驱动的微型机器人。这些机器人是毫米级大小，共振频率在数百赫兹到10kHz之间，速度大概是mm/s。
这些机器人的性能没有其他用别的驱动机构的微型机器人可靠，而且工作也没继续下去。另外，因为几何形状复杂，微观摩擦力又不确定，所以这些机器人的物理原理还没被很好地理解。
我们做这项工作呢，就是想更深入地了解振动驱动，这样就能设计出更好的地震微型机器人啦。所以呢，我们造了一个中观机器人，这个机器人是按照挤压几何体的样子做的，而且和缩小到多用户的微细加工工艺是兼容的
。
中尺度在这项研究里比较受青睐，因为做原型的周期更快（几天到几周，而微加工结构得几个月），也相对容易观察。这项研究得出的结果会被用于设计亚毫米大小的地震机器人。
【抖动机器人】
中尺度原型被叫做“抖动机器人”，它的身体是矩形的，还有两个伸展臂，每个伸展臂的末端都有一个比较小的质量，也就是“手”，就像下面图里显示的那样。它的身体有三条支撑腿，后面两条腿的长度是前面那条腿的一半，这样就使机器人向后倾斜。
臂和身体一起就像个质量弹簧系统，要是有特定共振频率的垂直振动，它就会有反应，在x - y平面上推动机器人。手臂会像蛇一样扭曲，这样在特定的足迹下能实现比较小的弹簧常数，而且右臂其实更长些。
共振频率之所以比较低，把振动能量转变成平移的原理是这样的：当一条手臂以足够能量共振的时候，它就会让三脚架机身晃动。平移需要非倒数运动，在共振臂伸展和弯曲的时候，质心会朝着手臂的方向移动。
这就使得机器人晃到两条接触腿的角那儿，然后朝着共振臂那
边动。往回动的时候呢，机器人往后晃，另一只脚的整个边就和表面碰上了，有效摩擦系数就增大了。最后呢，就朝着摆臂的方向平移了。其他微型机器人也用过这种粘滑运动。
抖动机器人的厚度和最小尺寸受加工限制而定。在这些约束条件下，英文electrondiscountshop.Cn接着用集总单元质量弹簧模型来确定手臂的
尺寸。假设身体固定在手臂里，手臂的质量集中在“手”里，采用这种简化模型。
基本把右臂和左臂的共振分别设成200Hz和300Hz，这比振动台测试组件的限制低得多。手臂和身体呈45°角英文donedhardy-fragrance.Cn放置，这样方便往前运动和转弯。而且，因为想要把z轴的运动转变成x - y平面里的平移，所以把身体角度设计成大概45°。
这个机器人是用1018钢板经过电子放电加工做出来的。第一个抖动机器人是拿0.7毫米厚的钢做的，它的英文3dfcs.Cn身体大小是16毫米乘8毫米，指针是5毫米乘5毫米，右臂大概50毫米长，左臂差不多40毫米长，两个臂的宽度是0.8毫米。
前腿与主体成45度角，长5.2毫米；后腿长2.8毫米。前腿一开
始和车身平面向下倾斜55度，后腿和身英文5376431.Cn体平面向下倾斜大概35度。振动场呢，是靠安在电动振动台上的钢板产生的，这个钢板由函数发生器发出的放大电压信号来控制。
抖动机器人是通过COMSOL的固体应力应变应用模块来构建三维模型的，为了模拟机器人在理论上的摇摆动作英文tktjp.Cn，只在前腿和右后腿施加z轴强迫振荡。
x和y方向上，这些腿没有受到约束，机器人也没别的限制，边界条件就像图3展示的那样，预测出具有这些边界条件的特征频率分别是3Hz、320Hz、424Hz和861.1Hz。
在探究这些英文8818068.Cn模式对平移有何帮助时，我们还描绘了该模式对质心的影响。在COMSOL里，我们运用了自适应网格，并且设定了集成耦合变量来进行体积积分，毕竟这是通过特征模态实现的。
所以得出来的振幅值是随意的，不过能发现，在320Hz、4英
文hengdawuliu.Cn24Hz和861Hz这几种模式下，质心是向下且向右移动的，这和顺时针旋转是相符的；而对于1016Hz的特征模态来说，质心向下且向左移动，这就和逆时针运动相符了。
这个机器人先是用奥林巴斯I - Speed2高速相机来观英文fangdimei.Cn察，在10到2000Hz这个范围里扫描振动频率，一边还记录机器人的行为，并且开展研究来量化运动和振动幅度，还要调查运动对前腿角度的依赖情况。
在这些研究里，拿成像源USB相机来观察机器人，这个相机装的透镜光轴跟振动表面英文qollar.Cn是垂直的。为了精准地测量平台振动幅度，采用了Philtec光纤传感器D125型，这种传感器输出的电压和它与平台之间的距离有关。
用这种振动传感器的时候，我们发现振动台的振幅在不同位置和频率下有明显变化。接着，在MATL英文zhangpingshi.CnAB里分析视频的速度和角速度。在迎角研究这块儿呢，前腿角度相对于振动台表面，按照36°、55°和76°这三个不同角度做了调整。
【机器人测试】
我们看到机器人顺时针旋转的速度大概是97、236、693和810Hz，平移英文xzmzfs.Cn的程度不一样，还会逆时针旋转，以1090Hz的速度做一些平移，对每一种这样的模式都进行重复观察。
但测试条件一变，偏差就成了±10Hz，机器人在较低的共振频率下运动就不太一致了，哪怕振动幅度很低的时候也是这样。
而且做英文dhcshops.Cn实验的时候，常常会“蹦”一下或者右手着地摔倒，我们把这种运动叫做像“爆米花”似的运动。这运动虽然好玩，可对机器人运动没啥用。在比较高的共振频率下，运动就稳定了，还能重复呢。有从810和1090Hz旋转拍摄的重叠静态照片英文kdtvs.Cn。
我们发觉，1090Hz的运动没有810Hz的运动强，得有差不多两倍的振动幅度，才能达到相似的转弯率。右臂质量更大，这能在一定程度上解释为什么会更倾向于右倾和顺时针运动。经过对高速摄像机镜头仔细分析，能确定机器人在移英文shbsmi.Cn动的时候会摇晃。
对于往顺时针和逆时针方向转弯的情况，它往往会在左后腿（就是和更大的右臂相对的那条腿）上出现摇摆的情况，而且顺时针转弯的时候，这条腿摇晃的频率要比逆时针转弯时更高。
表1总结的COMSOL仿真结果和这些英文guangzhouchemical.Cn结果挺一致的。特别是高频特征模态的时候，对于那些有这种情况但频率较低的特征模态，模型里设的摇摆边界条件不是很准。
我们先分析每个帧里质心的位置，接着把帧与帧之间质心行进的距离乘上帧速率，这样就能确定速度了。再利用像素尺英文6hek.Cn寸，把速度单位从每秒像素数换成每秒毫米数。之后在数据集上对逐帧的结果求平均，这是通过比较帧之间的斑点方向来做的。
用类似的办法确定旋转速度。在这些研究里，光学位移传感器被用来校准机器人位置的板，从而得到不同的信号发生器英文sea2sky.Cn幅度。最后发现，振动幅度和机器人速度之间有很明显的相关性。
不过，这个数据里振动台振幅的范围是受限的，有两个原因：振动台板的频率会变，还有相机的帧数有限。振动台的振幅在很大程度上取决于位置和频率，也和振动台板与振动台的英文malibo.Cn连接及支撑方式有关。
对于特定的操作模式而言，能使用的振动台位移窗口比较窄，这样机器人在合理时间内就能够保持处于相机的参考框架里。
前腿角度研究结果表明，绝对位移值是未知的。在这些研究里，载物台的振动幅度得根据每种频率英文der5.Cn模式来调整。所以，现在能给出可测量但很小的响应，这样机器人就不会太快移出相机视野了。
振幅和起始台位置，在不同角度但相同频率的时候是不变的。前腿角度改变了，结构的共振频率也几乎不会受影响，前进速度或者角速率也不会被影响英文wvgm.Cn。不过1090Hz模式得除外，在这个模式下，速度会随着腿角增大而变大。
总的来说，实验结果显示振动驱动在毫米尺寸范围是可行的。前腿角度的研究数据也说明，加大前角至少在一种频率模式下能让机器人速度变
快。
当我们思考器件进英文qy70.Cn入微观尺度的下一个设计阶段时，这个机器人的微尺度版本能够用标准的多用户微细加工工艺来制造，之后再给腿做添加应力层的后处理，这和制造其他微型机器人的方式差不多。
不同的角度能通过改变腿上应力诱导层的分数覆盖率来实现，用C英文417417.CnOMSOL建模，工作频率确定后的尺寸都缩小了100倍和1000倍。
把材料改成多晶硅后，产生的特征频率在50kHz到2MHz之间，这里面有医疗超声设备已经在用的频率。不过，COMSOL模型在微观尺度还原方面存在很大挑战英文520bbbb.Cn，这个它捕捉不到。
这项工作给大家展示了一种中尺度的由地震驱动的机器人，能靠控制全局振动场的频率来操控。而且我们的实验结果和有限元建模预测是相符的，在更高频率的摇摆模式下尤其如此，是通过顺时针平移和逆时针平移这两种运动英文giftwhole.Cn基元做到的。
理论上来说，抖动机器人能通过改变振动场的频率抵达任意一点。这种器件的设计也能兼容标准微细加工工艺，从而缩小到微尺度。不过，当惯性力相比摩擦力变小的时候，这种小型化就会有额外的技术难题了。
未来工作还有一个英文at44.Cn探索方向，那就是研究像水或者油这样不同的操作介质对操作有什么影响。另外呢，得去研究抖动机器人和其他物体互动的能力，这样才能评估这些机器人在显微操作任务里有多大的潜力。
最后呢，怎么把运动基元组合起来，这样就能在随便哪条英文veryhd.Cn路径上引导机器人了。要是能对设备进行修改，让它实现纯平移（就是没有旋转）的运动基元的话，通过重新排列设备里的悬挂弹簧就能做到，那这个任务就会变简单了。
这些系统所面临的难题是给机器人供应电源和控制信号，这个项目在探究一英文cunyoule.Cn种靠全球机械振动场来提供动力与控制的爬行机器人。
机器人内部的构造会让它以不同的运动形式对特定频率作出反应，通过电火花加工（EDM）从0.75毫米厚的钢板上切出一个名为“抖动机器人”的原型。
在xy平面上，总的足迹大概英文e68e.Cn是30毫米×20毫米。“机器人”主体是三脚架形状的，大小为8毫米×16毫米，还有三个小腿，另外有两个为特定共振频率专门设计的悬浮质量。这个机器人在一块垂直振动频率为20至2
000Hz的板上做了测试，针对特定的共振频率。英文91no.Cn
机器人往前移动，还会顺时针或者逆时针转动。有限元建模表明，其运动机制是摇摆模式，这种模式受两个臂的影响，这两个臂是频率不同的悬挂质量弹簧，这就给进一步小型化打下了基础。
1雅培、纳吉、贝耶勒、尼尔森，B.《机器人在小英文ckrsjk.Cn》，《IEEE机器人、自动、马格》，2007年，14卷，92 - 103页。[谷歌学术]
3唐纳德;利维;麦克格雷;罗斯;Sinclair，M.《无束缚微致动器的动力传递和运动》，发表于《微机电系统》2003年第12期，947 - 959页。[谷歌学术]