模塊化自重構(gòu)移動(dòng)微機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、本文以前期獲得國(guó)家科技發(fā)明二等獎(jiǎng)電磁微馬達(dá)的研究成果為基礎(chǔ)，引入模塊化自重構(gòu)的思想，研究具有動(dòng)力和通信接力能力的移動(dòng)微機(jī)器人系統(tǒng)，通過多個(gè)微機(jī)器人之間的協(xié)作擴(kuò)展其在兩維和三維狹小空間內(nèi)的探測(cè)范圍。主要研究工作包括以下幾個(gè)方面:
　　1.模塊化自重構(gòu)移動(dòng)微機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)
　　基于MEMS技術(shù)制作了直徑為6.8mm、4.4mm的電磁微馬達(dá)。以電磁微馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了兩種微機(jī)器人模塊(全方位永磁輪式爬壁微機(jī)器人WCBot和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)

2、輪式移動(dòng)微機(jī)器人SRBot)和用于重構(gòu)的被動(dòng)式萬向微連接器。WCBot通過將電磁微馬達(dá)的定子、轉(zhuǎn)子和永磁輪集成在一起，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)吸附一體化設(shè)計(jì);采用一套轉(zhuǎn)向齒輪和三個(gè)永磁輪，設(shè)計(jì)了全方位爬壁機(jī)構(gòu);通過動(dòng)力學(xué)分析，導(dǎo)出了其爬壁所需的力矩和磁力;為在相同負(fù)載的情況下降低力矩?fù)p耗，結(jié)合自身設(shè)計(jì)約束，采用ANSOFT和Pro/Engineer仿真對(duì)其整體尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，相關(guān)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的可行性。從實(shí)現(xiàn)零部件模塊化設(shè)計(jì)、節(jié)約成本方

3、面考慮，在WCBot尺寸設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)SRBot的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。分別給出了WCBot和SRBot的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。結(jié)合準(zhǔn)LIGA和超精密加工技術(shù)以及膠接裝配方法，完成了WCBot和SRBot制作與裝配。
　　2.模塊化自重構(gòu)移動(dòng)微機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　給出了WCBot和SRBot基本的硬件配置，主要包括微控制器、電磁微馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、無線收發(fā)器、紅外接近傳感器、紅外發(fā)射與接收傳感器、磁阻傳感器及電源管理等模塊，實(shí)現(xiàn)了其自主移動(dòng)。設(shè)

4、計(jì)了一個(gè)專用傳感模塊（微型攝像頭），以使微機(jī)器人可協(xié)作進(jìn)行可視化檢測(cè)。設(shè)計(jì)了分層式群體體系結(jié)構(gòu)和基于行為的個(gè)體體系結(jié)構(gòu)。對(duì)該微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制（步進(jìn)與速度）、通信（方式、協(xié)議、最短路由尋找）、多種行為控制（主要包括避障與跟墻、能源監(jiān)控、微型攝像頭圖像采集）分別進(jìn)行了研究。提出了一套基于全局視覺的多微機(jī)器人快速識(shí)別與跟蹤的圖像處理算法。對(duì)微機(jī)器人軟件、計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件也進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。為了降低WCBot自主爬壁運(yùn)動(dòng)所需的磁吸附力和驅(qū)動(dòng)力、

5、使其能自主沿壁面垂直爬行，結(jié)合其無回轉(zhuǎn)半徑的轉(zhuǎn)向能力提出了一種“折線”運(yùn)動(dòng)控制策略。對(duì)WCBot和SRBot自主運(yùn)動(dòng)和WCBot爬壁運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在對(duì)微機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)以及控制方法進(jìn)行驗(yàn)證的同時(shí)，也證明了WCBot和SRBot具有一定的自主能力、WCBot具有良好的爬壁能力和更靈活的移動(dòng)能力。
　　3.模塊化自重構(gòu)移動(dòng)微機(jī)器人多體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制
　　從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度出發(fā)，對(duì)被動(dòng)式拖車S-S-Trailer（由多個(gè)SRBot所形成）

6、的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了研究。以迭代方法推導(dǎo)出了S-S-Trailer的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)其轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、軌跡跟蹤誤差與萬向微連接器前后連接桿長(zhǎng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，給出了簡(jiǎn)單實(shí)用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的前后向運(yùn)動(dòng)控制方法，并對(duì)其良好的軌跡跟蹤效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。給出了基于磁阻傳感器測(cè)量萬向微連接器夾角的基本原理，并通過多點(diǎn)校正算法消除了磁阻傳感器的兩軸靈敏度、提高了夾角的測(cè)量精度。分別進(jìn)行了S-S-Trailer前、后向運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述方法的可行

7、性。在此基礎(chǔ)上對(duì)多微機(jī)器人集中式協(xié)作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，初步證明了多個(gè)微機(jī)器人模塊所形成（手工連接）的被動(dòng)式拖車可通過動(dòng)力和無線通信兩種接力方式來擴(kuò)大它們整體的探測(cè)范圍。
　　4.模塊化自重構(gòu)移動(dòng)微機(jī)器人自動(dòng)對(duì)接
　　設(shè)計(jì)了由一個(gè)紅外接收器和四個(gè)紅外發(fā)射器組成的紅外定位系統(tǒng)。為了使微機(jī)器人之間的對(duì)接算法即具有很高的效率，又具有很強(qiáng)的通用性，分別提出了僅適用于兩SRBot之間的快速對(duì)接算法、微機(jī)器人之間（SRBot與SRBot、S

8、RBot與WCBot、多微機(jī)器人）的通用對(duì)接算法。為了縮短微機(jī)器人彼此接近的時(shí)間、提高對(duì)接效率，還提出了一種動(dòng)態(tài)的路徑規(guī)劃算法。分別進(jìn)行了兩個(gè)SRBot之間、SRBot與WCBot之間的自動(dòng)對(duì)接實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述兩種對(duì)接算法具有很高的效率（小于1分鐘）和很高的可靠性（100％的成功率），主要原因是采用了紅外集中對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的控制方法。最后，在此基礎(chǔ)上對(duì)多微機(jī)器人分布式協(xié)作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，借此對(duì)全文的研究工作進(jìn)行了驗(yàn)證，也再次證明了該