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1、引言
1。微机电系统(Micro-electronic-mechanical-system, MEMS)是一多学科交叉的新兴高科技领域，对它的研究及应用将带动生物医学、航天和国防等尖端领域的科技进步和事业发展，具有十分重要的意义。
2。微机械学基础研究已经成为MEMS技术及其应用的关键领域和瓶颈之一。
由于MEMS微小性特点，与普通的机电产品相比，MEMS的各组成部件受到了严格的空间限制。在一些产品中，微传动机构的结构对MEMS的微型化具有至关重要的作用。
管道微机器人单轮直接驱动方法及其装置
国家发明专利，专利号：ZL 03 1 13927.2。
(图略)
2、微小弹性啮合轮传动方法及其减速装置
国家发明专利，申请号： 200510033981.0； 公开号： CN1673575
(图略)
微小弹性啮合轮传动的优点：
(1)微小弹性啮合轮传动机构只有一对传动副，使得传动系零件数减至最少；与传统的微小型变速机构(如微小型行星齿轮减速机构)相比，该传动系十分简易；与其它微传动技术(如SMA传动、热膨胀传动、压电传动和电磁传动)相比，它可以大大降低制造成本，可用于较高速度下的连续传动；而且微型化的工艺性和经济性好，可以应用于研制很小尺寸的微机电产品。
(2) 微小弹性啮合轮传动机构可以实现类似微摩擦轮传动的功能，但无需摩擦轮传动的正压力加载装置，结构简单，尺寸小。
(3) 微小弹性啮合轮传动机构可以实现类似蜗轮蜗杆的大传动比传动，但其两个轮轴位于同一平面，亦即，其空间尺寸比蜗杆传动副小得多，且更易于加工。
3、微小弹性啮合轮传动原理
(图略)
4、连续传动过程
主动轮上的弹性钩件称为主动钩杆，从动轮上的弹性钩杆称为从动钩杆。假设其中的一对主、从动钩杆在水平位置开始啮合，主动钩杆给从动钩杆竖直向上的力F(图略)。主动轮继续转动，力F变成与竖直平面成一定角度的力F′(图略)。由于钩杆是弹性的，啮合的主、从动钩杆发生弯曲变形，并且有相对滑动。在这个过程中，相互作用的两个钩杆间既有啮合力作用，又有摩擦力作用。啮合力F′和摩擦力Ff的合力F1在从动轮的切线方向的分力为F2，F2产生的转矩驱动从动轮转动，因此，将F2定义为传动力。随着主动轮继续转动，啮合的主、从动钩杆根部的距离逐渐增大，主、从动钩杆的弯曲变形增加，当主动轮转过一定角度时，相互作用的主、从动钩杆分离，相互之间的作用力消失。此时，后一主动钩杆进入与后一从动钩杆的啮合位置，主、从动钩杆重复以上作用过程，实现连续传动。
5、传动连续性分析
如前所述，微小弹性啮合轮传动若要实现连续传动，必须满足一定的条件。与齿轮传动不同，微小弹性啮合轮传动是依靠“弹性齿”——弹性微钩杆来传递运动和动力的，所以其连续传动的条件不仅与弹性微钩杆的几何形状有关，还与弹性钩杆的弹性模量、表面性能等物理性能有关。因此，微小弹性啮合轮传动的连续传动条件要比齿轮复杂得多。
目前已经开展的研究是从几何学角度来分析传动的连续性，找出连续传动时，主、从动轮钩杆数量关系及影响传动连续性的相关因素。
(图略)
一对主、从动钩杆在水平位置进入啮合，称开始啮合点，此时钩杆尚未发生弹性变形，两钩杆根部的距离为杆长l，主、从动钩杆的相互作用使从动轮随着主动轮而转动。主、从动钩杆的两钩部相互搭接时为终止啮合点，此时，主、从动钩杆在一条直线上，主动轮继续旋转两钩杆即脱开，与此同时，下一主动钩杆和下一从动钩杆刚好进入啮合，从而实现连续传动。在这一过程中，主动轮转过的角度为θ1，从动轮转过的角度为θ2。若主动钩杆与从动钩杆的长度相同，且均为l，主动轮半径r1、从动轮半径r2，则两轮转角与半径之间的关系可用公式(1)表示：
在没有任何负载的情况下，当一对啮合的钩杆即将脱开时，主动钩杆根部A与从动钩杆根部B的距离为2l但实际啮合过程中是要传递动力的，啮合的弹性钩杆要受力发生弯曲变形，弹性杆主体部分在未受力时也并非是理想的直杆，所以在实际的传动过程中A与B两点之间的距离要小于2l。把A、B两点间的距离与2l的比值定义为啮合系数，用k来表示。则：
由几何关系，A、B两点之间的距离可由公式(3)表示：
由以上公式(1)?(3)可得一对主、从钩杆脱开时主动轮转角θ1和从动轮转角θ2。从而可以得到主动轮与从动轮上最小钩杆数n1和n2的计算公式(4)和(5)：
由于还无法确定啮合系数k的具体值，为考虑其影响，啮合系数k取0.5～1。表1给出了当l＝1.0mm，r1＝0.70mm，r2＝2.28mm，啮合系数k分别为0.6、0.7、0.8、0.9时的从动钩杆的最小数。 (表略)
6、传动连续性实验
微驱动器及其实物如图4所示。此微驱动器即采用微小弹性啮合轮传动。实验中的主动轮半径、从动轮半径、弹性钩杆的长度皆与前面理论计算的参数值相同。主、从动轮的基体由塑料制成，其上的弹性钩杆由尼龙材料制成；弹性钩杆长1.0mm，直径0.15mm，钩杆与主从动轮用胶水粘接固定。
(图略)
由于从动钩杆的数量对传动的连续性有直接影响，主动钩杆数量只是影响到传动过程中的平均传动比和传动的平稳性，所以实验中只是制作了不同钩杆数的从动轮，分别为14，15，17，18，20；主动轮钩杆数为2。经实验观察，当从动钩杆数量大于或等于18时，微机器人可在瓷砖表面、铝合金表面以及较粗糙的塑料表面连续运行，而且微机器人还具有一定的爬坡能力和越障能力。当从动钩杆数在15～17之间时，微机人驱动轮可以连续空转，但只能在较光滑的水平表面运行，而且运行十分不稳定，有中途停下来的情况。当从动钩杆数小于15时，微驱动器不能连续运动。
实验中得到的连续传动的从动轮最小钩杆数与理论分析的结果基本一致，尤其是与啮合系数为0.6，0.7时的结果能较好吻合。但同时也说明，微小弹性啮合轮传动的连续性受多种因素的影响，如微驱动器的负载，钩杆的材料特性，钩杆的结构等等。这些影响因素直接影响啮合系数k的取值。因此啮合系数k是重要的参量，它直接反映出钩杆的传动性能。实验得到的从动钩杆的最小数量与理论分析基本一致，说明从几何学角度分析的连续性条件是正确的。
7 微小传动力实验
7. 1 实验装置
(图略)
7. 2 实验结果
(图略)
7.3 传动力实验结果讨论
如图所示，实验测得的钩杆啮合深度与传动力之间的关系曲线图。由图可知，随着啮合深度的增加，传动力逐渐增大，当啮合深度达到钩杆长度l时传动力最大，达到0.257N。由于钩杆的主体部分不是理想的直杆，并且两根钩杆在啮合的过程中偶尔会出现横向滑动，啮合点没有到达钩杆顶部就发生脱离，所以实验测得的传动力比理论计算值要稍小一些。但对于微机器人驱动器的传动系来说，传动力是足够大的。
8.结束语
这里介绍了新型微机械传动机构——微小弹性啮合轮的传动结构和传动原理，通过对新型传动的连续性的几何分析，得出了连续传动的基本几何条件，即从动轮上钩杆的最小数目。新型传动机构要实现连续传动，从动轮上的微小弹性钩杆数目必须大于这一最小值。由于连续传动条件中的啮合系数k受到诸多因素的影响，仅从几何学角度还不能确定精确的连续传动条件，还需要对这种新型传动机构进行动力学分析，同时要与试验相结合，找出弹性钩杆结构、数量、材料以及负载对传动连续性的影响，这些更深入的研究成果将在今后陆续报道。
这里同时介绍了微小弹性啮合轮传动力的理论计算和实验结果。
但是，这些都只是初步的研究结果，要使得该传动方法能广泛地应用于微小型机电系统或者微机械装置，还必须系统深入地研究，以建立起完善的设计理论和实验规范，以及制造工艺规范等。
因此，需要得到政府和企业的研究经费支持。同时，从学术研究角度，今天在此报告，仅仅是抛砖引玉，希望各位前辈和同行不吝赐教。
