模塊化自重構移動微機器人系統(tǒng)設計與運動控制研究.pdf

1、本文以前期獲得國家科技發(fā)明二等獎電磁微馬達的研究成果為基礎，引入模塊化自重構的思想，研究具有動力和通信接力能力的移動微機器人系統(tǒng)，通過多個微機器人之間的協(xié)作擴展其在兩維和三維狹小空間內(nèi)的探測范圍。主要研究工作包括以下幾個方面:
　　1.模塊化自重構移動微機器人機械設計
　　基于MEMS技術制作了直徑為6.8mm、4.4mm的電磁微馬達。以電磁微馬達為驅動器設計了兩種微機器人模塊(全方位永磁輪式爬壁微機器人WCBot和差動驅動

2、輪式移動微機器人SRBot)和用于重構的被動式萬向微連接器。WCBot通過將電磁微馬達的定子、轉子和永磁輪集成在一起，實現(xiàn)了驅動吸附一體化設計;采用一套轉向齒輪和三個永磁輪，設計了全方位爬壁機構;通過動力學分析，導出了其爬壁所需的力矩和磁力;為在相同負載的情況下降低力矩損耗，結合自身設計約束，采用ANSOFT和Pro/Engineer仿真對其整體尺寸進行了優(yōu)化設計，相關計算結果驗證了該優(yōu)化方法的可行性。從實現(xiàn)零部件模塊化設計、節(jié)約成本方

3、面考慮，在WCBot尺寸設計基礎上對SRBot的尺寸進行了設計。分別給出了WCBot和SRBot的運動學方程。結合準LIGA和超精密加工技術以及膠接裝配方法，完成了WCBot和SRBot制作與裝配。
　　2.模塊化自重構移動微機器人控制系統(tǒng)設計
　　給出了WCBot和SRBot基本的硬件配置，主要包括微控制器、電磁微馬達驅動器、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，實現(xiàn)了其自主移動。設

4、計了一個專用傳感模塊（微型攝像頭），以使微機器人可協(xié)作進行可視化檢測。設計了分層式群體體系結構和基于行為的個體體系結構。對該微機器人的運動控制（步進與速度）、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）分別進行了研究。提出了一套基于全局視覺的多微機器人快速識別與跟蹤的圖像處理算法。對微機器人軟件、計算機監(jiān)控軟件也進行了模塊化設計。為了降低WCBot自主爬壁運動所需的磁吸附力和驅動力、

5、使其能自主沿壁面垂直爬行，結合其無回轉半徑的轉向能力提出了一種“折線”運動控制策略。對WCBot和SRBot自主運動和WCBot爬壁運動進行了實驗，在對微機器人硬件設計以及控制方法進行驗證的同時，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能力。
　　3.模塊化自重構移動微機器人多體運動協(xié)調控制
　　從運動學角度出發(fā)，對被動式拖車S-S-Trailer（由多個SRBot所形成）

6、的運動控制進行了研究。以迭代方法推導出了S-S-Trailer的運動學方程，對其轉彎運動的穩(wěn)定性、軌跡跟蹤誤差與萬向微連接器前后連接桿長度之間的關系進行了分析，給出了簡單實用的點對點的前后向運動控制方法，并對其良好的軌跡跟蹤效果進行了仿真驗證。給出了基于磁阻傳感器測量萬向微連接器夾角的基本原理，并通過多點校正算法消除了磁阻傳感器的兩軸靈敏度、提高了夾角的測量精度。分別進行了S-S-Trailer前、后向運動控制實驗，驗證了上述方法的可行

7、性。在此基礎上對多微機器人集中式協(xié)作進行了實驗研究，初步證明了多個微機器人模塊所形成（手工連接）的被動式拖車可通過動力和無線通信兩種接力方式來擴大它們整體的探測范圍。
　　4.模塊化自重構移動微機器人自動對接
　　設計了由一個紅外接收器和四個紅外發(fā)射器組成的紅外定位系統(tǒng)。為了使微機器人之間的對接算法即具有很高的效率，又具有很強的通用性，分別提出了僅適用于兩SRBot之間的快速對接算法、微機器人之間（SRBot與SRBot、S

8、RBot與WCBot、多微機器人）的通用對接算法。為了縮短微機器人彼此接近的時間、提高對接效率，還提出了一種動態(tài)的路徑規(guī)劃算法。分別進行了兩個SRBot之間、SRBot與WCBot之間的自動對接實驗，驗證了上述兩種對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準和動態(tài)路徑規(guī)劃的控制方法。最后，在此基礎上對多微機器人分布式協(xié)作進行了實驗研究，借此對全文的研究工作進行了驗證，也再次證明了該