随着科学技术不断向微型化方向发展，MEMS 技术成为当前研究的一个热点。各种微型电机、微泵、微传感器和微型零件等的加工以及装配迫切需要与之相适应的微技术的发展。微动机器人是MEMS 的一个重要分支，也是实现微加工、搬运以及微装配等的主要手段。微动技术是设计微机器人的基础， 细胞切割、显微外科手术、微机械加工用精密工作台、微操作器和甚至微型未来的工厂都离不开微驱动技术。微动机器人既要满足减轻本体的质量和体积的目标， 又要具有较大的驱动力、转矩以及作业空间，因此， 应尽量减少传动链， 采用直接驱动。人们研制了许多微型驱动器，如微型电机、电磁驱动器、压电驱动器（ PZT） 、超磁致伸缩材料驱动器、形状记忆合金驱动器（SMA） 和智能型凝胶驱动器等。
由于微操作的对象大多是微观物体，因而微机器人的动作原理与宏观环境有很大区别。微动机器人的动作一般较小， 大多在微米级甚至纳米级， 因而其对驱动器的精度要求很高。对于微机器人动作原理进行分析，有助于从本质上弄清机器人运动的机理，并最终促进新型微机器人的开发， 提高微机器人的性能。以下将对这些驱动原理进行分析， 并且研究了用上述驱动方法实现全方位运动的解决方案。
1 动作原理分析
微动机器人的驱动方法主要有轮式、机械摩擦式和足式三种。轮式微动机器人采用微电机拖动微齿轮带动轮子转动， 这种方式人们比较熟悉， 但缺点是运动精度不高， 只能达到微米级。机械摩擦式是在普遍的物理规律之上， 利用材料的某种特性，以及摩擦力等的综合作用， 将材料的微小变形转化为机器人的微位移，驱动机器人前进。其中主要的驱动方法包括振动法、冲击法、尺蠖法、弹性变形法和碰撞法等。足式驱动方法是采用单足或多足振动向前跳跃， 或是滑行， 通过速度规划可以实现灵活的转向及前进和后退。国内外许多学者在这方面进行了大量的研究，其中， 以日本为代表对机械摩擦式驱动方法进行了研究和试验。德国及欧洲学者对足式驱动研究较多， 形成了另外一套理论体系。下面， 对各种驱动方法的动作原理加以分析。
1. 1 振动驱动法
振动驱动法是由日本的名古屋大学提出的。1993 年他们利用压电晶体的振动制作成微小机器人。其原理是通过改变固连在L 形框架上的压电晶体的电压和频率，可以控制机构本体的移动速度和方向， 速度可达100 mm/ s ， 并可实现在15°斜面内的移动。
振动法的原理模型如图1 所示，由一个矩形框架和一个粘贴在框架上的压电晶体组成。其移动遵守质心运动定理， 同时受摩擦力作用。它的移动过程可以分为两个阶段:（1） 快速移动阶段。假设框架振动如图1a 所示， 此时压电晶体快速膨胀，推动其所在的右侧梁向右弯曲， 由于梁向外突出，所以压电晶体的重心向右移动。
将框架和压电晶体看成一个系统，则压电晶体作用在框架上的力为系统内力。由于此时底梁向上弯曲，与水平面接触少，摩擦力很小，系统水平方向所受的外力近似为零， 由质心运动定理可知，系统在水平方向上作惯性运动; 因初瞬时系统质心处于静止，所以系统质心将停留在原处。可以推得框架向左移动。
（2） 摩擦停滞阶段。如图1b 所示，此时压电晶体收缩，框架右侧梁向内弯曲，压电晶体质心左移， 依据质心运动定理框架将向右移动。但因此时框架底梁向下弯曲，受到水平面的障碍，梁克服这一阻碍而作用于水平面上一分布力系，同样水平面也作用一个相反的分布正压力系于梁上， 由于正压力增大， 梁与水平面间的摩擦力增大，使得框架不能向右移动。
这两个阶段形成一个移动周期， 压电晶体交替的膨胀、收缩使得框架断续地向左移动。
该方法特点是移动速度快，可达100 mm/ s 以上。但是它运动不稳定，有振动噪声，而且难于控制。
1. 2 冲击驱动法
1988 年日本东京大学木通口俊郎等人首次提出“冲击法”，后来被用于微细加工和电化学微细加工。
冲击法的驱动原理如下:
惯性体通过压电元件与移动体连在一起。利用压电元件的电压变化控制压电元件的伸缩， 从而使物体移动。图2 是冲击驱动原理模型。
（1） 压电元件处于收缩状态，给压电元件快速施加电压，压电元件急剧伸长。移动体左移。
（2） 压电元件缓慢收缩， 惯性体左移。在返回过程中， 惯性体不断加速，以产生惯性力， 且小于静摩擦力; 否则， 移动体也会左方向移动。
（3） 当压电元件收缩至初始长度时，突然停止。就好象惯性体与移动体之间发生了碰撞一样。整个系统开始克服摩擦力左移，直到动能耗尽为止。
向右移动的过程与向左类似，只是压电元件初始状态为伸长状态，急剧收缩，缓慢回复的过程。
压电晶体的运动主要分为两部分，根据动量守恒定理得:
式中: m ———惯性体质量;
M ———移动体质量;
ΔL ———压电晶体的位移。
在加速时一定要保证加速度很小，以使惯性力小于移动体与平台之间的静摩擦力。因而加速度应满足下面方程式:
物体克服摩擦力做功，直到动能消耗尽为止。
冲击驱动的优点是结构简单， 易于小型化， 并且由于不存在保持机构，减少能量的消耗。但冲击驱动也称为Stick - slip 效应，因此摩擦力的大小直接影响其运动精度。另外， 因为是滑行，所以运动较难于控制。
1. 3 尺蠖驱动法
20 世纪90 年代初， 日本静冈大学首次提出来的尺蠖法驱动原理，并进行了试验研究。他们模仿尺蠖的移动原理，研制成功小型自行走机构。后来又用尺蠖法驱动微机器人实现了“压印法”加工收验和“微孔”加工。
尺蠖驱动法原理是模仿尺蠖的蠕动方法，利用伸缩元件的变形，并与保持机构相结合， 实现微小位移。一般说来， 伸缩元件采用压电陶瓷（ PZT） ， 保持机构有的用电磁铁， 有的用压电元件，这里以电磁铁为例加以说明。其原理如图3 所示。
（1） 左边的电磁铁通电、吸附，压电元件加电压、伸长。
（2） 右边的电磁铁通电、吸附，左边的电磁铁断电、松驰、压电元件收缩。这样，就完成了一个循环。重复上述步骤， 即可实现步进式运动。
尺蠖法的特点是: （1） 压电元件静态收缩和扩张的循环，移动速度较慢。（2） 保持机构使之定位准确，但不利于小型化。（3）移动范围大，不受空间限制，精度高。
1. 4 弹性变形驱动法
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