机器人微波驱动技术：更小+更强 | 科技导报

近些年来，随着社会需求的不断提高，机器人已成为现代社会不可或缺的一部分，并且在不同的领域 扮演着重要的角色 。

在20世纪50年代，第一代以液压驱动系统为主体的工业机器人问世。而后，随着机电技术与信息技术的发展，以机电系统为主体的工业机器人得到广泛应用。同时，包括医疗机器人、服务机器人、仿生机器人及仿人机器人在内的不同种类机器人产生的工业升级实现了对社会的全面改造。

根据IFR的统计，2020年中国机器人的年安装量排名第一，达到16.8万台，超过了第2~15名的总和，是十年前的7倍有余（2.3万台）。随着我国工业化程度的不断加深，对机器人驱动技术的要求也越来越高。

一、现阶段机器人的主要驱动技术概况

机器人目前采用的驱动方式仍然以电机驱动为主，因为电机驱动技术最为成熟，可选的型号最多，有大量商品化的专用控制器件可以选择。

除电机驱动外，机器人也可以采用气压驱动、液压驱动、电磁线圈直驱、压电陶瓷驱动、压电马达驱动、电活性材料（介电弹性体、离子交换聚合金属材料等）变形驱动、热活性材料（形状记忆材料、热胀差异复合材料）变形驱动等等。

相对而言，压电驱动的精度最高，可用于超精密系统的驱动；热致变形的响应偏慢，但驱动力大，且可以实现驱动元件与结构元件的一体化。此外，如果仅仅是在两个状态之间切换驱动，也可以采用电磁铁、双金属片、流体膨胀挤压器件变形、形状记忆合金、利用磁性材料居里点失磁等简易的驱动形式，将使器械的结构大为简化，控制也极为方便。尤其是双金属片、流体膨胀、形状记忆合金等温敏元件，在实现驱动的同时也相当于检测了环境温度（只有当温度超过阈值时器件才能变形到预期程度），实现了检测和驱动一体化。

此外，还有磁、光、超声波、静电、湿度改变等无线致动方式。

磁驱动的基本原理是在被控器件周围布置高强度电磁场，被控器件需为铁磁型材料，利用励磁器件的磁场变化驱动和控制这些内含铁磁型材料的器件；由于合成磁场可通过各路电路产生的分磁场精准定量控制，因此被控器件可实现复杂的预期动作和准确定位。

在各种无线致动方式中，磁驱动目前发展最为成熟，面向医疗行业已完成多项动物实验，有望在未来十年里走入临床应用。但其缺点是需要在机器人运动的局部环境周围布置众多的励磁器件，当环境空间不允许布置这些励磁器件时，无法采用磁驱动。

光致动是最近几年刚刚兴起的研究方向，利用液晶聚合物等材料在光照下引起的分子网络的改变实现器件的宏观变形，或者利用材料在光照后的热胀和气液相变等实现变形致动，可以实现机器人的超小型化。

超声波致动是利用器件在超声波作用下的机械谐振来推进机器人运动。

静电致动是直接利用电荷之间的库仑力来致动，由于库仑力对距离很敏感，因此这种驱动方式经常利用正反馈机制实现作用面的连续收紧，再利用液压放大结构实现作用力的放大。

湿度驱动是利用材料在不同湿度下膨胀的不同实现变形调节，但很难实现准确的变形控制。

总体上，上述的无线驱动方式还没有实现实际的工程应用，但未来在某些特定场合具有无可替代的优势。

此外，还有喷射推进形式，可利用喷射高速水流或气流的反作用力推动机器人运动；也可利用机器人体内存储的化学物质反应产生高压气体，再从特定的方向喷出，从而让机器人沿着预期方向运动。

近年来出现的离子推进也属于喷射推进方式，其基本原理是将空气等工质电离，再利用强电场将离子加速喷出获得反作用力；虽然离子推进的推力小，但其所需的工质质量小，适于研制具有超长续航能力的轻质飞行机器人。

二、微波驱动技术，机器人驱动领域的新中国方案

针对上述驱动方式尚不能胜任的一些特殊场景，如封闭非透明结构体内部的变形控制、微波消融治疗与机器人的联合工作等，哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所软体机器人实验室研制了一款直接利用微波驱动的机器人，为机器人驱控提供了一种全新的方式，也是机器人驱动领域的最新中国方案。

与其他技术相比，直接利用微波驱动的机器人无需携带任何电类器件（如电池、控制器等），这样，机器人的尺寸就可能更加小巧，机器人的环境耐受力也会更强（机械部件的环境耐受力普遍高于电子器件），从而使机器人有望工作在环境更为残酷的场合，如高压、高辐照等场合。微波对众多材料优异的穿透能力，也使其可以直接驱动封闭结构体内部的器件变形动作，执行特定任务，尤其是针对非透明结构体内部，光致动无法胜任；若封闭结构体的四周没有足够空间来布置强力的励磁器件，则磁驱动也不能胜任，只有微波驱动有望实现这一功能。

当然直接利用微波驱动尚有不完善地方。

目前采用的微波源功率还很高，后续要降低驱动器件对功率的要求，使其可用于医疗等行业。此外，目前使用的微波源传输方向还比较发散，后续可利用相控阵技术实现微波的定向传输和在远场的聚焦。

三、机器人核心零部件的国产化进度

当前我国的工业机器人核心零部件国产化水平不一，如前所述，机器人领域包含甚广，在传统的工业机器人领域，四大家族（日本发那科、日本安川、瑞士的ABB以及德国库卡的合称）仍然具有绝对优势，占据中国工业机器人一半以上的市场份额。

但我国的工业机器人企业成长也非常迅速，如芜湖的埃夫特和南京的埃斯顿，发展势头也非常好，而且已研发出具有核心技术的关键零部件，如RV减速器、运动控制器等。

我国本土也有一批企业布局了机器人关键零部件，如伺服电机、高精度传感器、谐波减速器、运动控制卡、机器人末端专用的执行器等，在性能指标上已接近或达到日本及欧美企业水平，目前主要差距是由材料性能和制造精度带来的精度保持问题，但随着国家对制造业关键设备研发的高投入以及芯片国产化背景的辐射效应，这一差距会不断减小。但应该提高国拨经费的使用效率和使用的精准性，进一步强化由一线企业和终端用户提出研发目标，使研发成果更加实用。

四、行业未来发展展望

《“十四五”机器人产业发展规划》文件中，对产业发展提出的规划是：到2025年，我国成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地。一批机器人核心技术和高端产品取得突破，整机综合指标达到国际先进水平，关键零部件性能和可靠性达到国际同类产品水平。

首先，在国家层面应该统筹规划研发经费资源，避免各地区研究机构的重复及同类研发（我国各地区成立的机器人相关的研究机构及具有研发能力的企业数以千计），借鉴两弹一星举全国之力做一件大事的成功先例，一定可以突破机器人产业相关的各项卡脖子技术。

其次、注重学术引领技术。微波驱动以及磁、光、超声波、静电、湿度等其他无线致动方式，目前与实际的工程应用还有差距，但学术总归要引领技术的发展，尤其是驱动方式的变革，往往对工业产生翻天覆地的影响。如300年前的蒸汽驱动技术，给人类带入了工业化时代；200年前电机驱动诞生，将人类带入电气时代，也引发了第二次工业革命。几十年前，压电陶瓷驱动技术使人类可以操纵单个原子，更加直观地感受那不可思议的微观粒子量子世界。

当然，最重要的仍然是缩短与国外厂商之间的技术差距。《“十四五”机器人产业发展规划》中提到，要“补齐产业发展短板。推动用产学研联合攻关，补齐专用材料、核心元器件、加工工艺等短板，提升机器人关键零部件的功能、性能和可靠性；开发机器人控制软件、核心算法等，提高机器人控制系统的功能和智能化水平。”

在良好的内外部因素共同支持下，未来行业的优质发展可以期待。

本文作者：赵 建文

作者简介：赵建文，工学博士，教授，博士生导师， 哈尔滨工业大学威海校区软体机器人实验室负责人。研究方向：软体机器人理论及其工程应用，软传感器理论及其工程应用。实验室是国内最早开展软体机器人研究的科研单位之一，在软体机器人方向发表学术论文40余篇，申请及授权发明专利20余项，研究成果被科技日报、中国科技网、美国物理联合会等众多主流媒体报道。经过多年积累，实验室目前正在积极推进软体机器人的工程实用化，已研制出用于核电设备内部焊缝探测的软体爬壁机器人和用于反恐排爆剪线的软体机械臂，并交付用户使用。目前正在研制用于蒸汽轮机高压缸内部和管道-阀门-容器内部全链路探测的软体机器人。在探索学术前沿的同时，也积极推进学术成果落地，解决工程实际问题。

内容为【科技导报】公众号原创，欢迎转载

白名单回复后台「转载」

《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。