模块化自重构移动微机器人系统设计与运动控制研究

摘要

本文以前期获得国家科技发明二等奖电磁微马达的研究成果为基础，引入模块化自重构的思想，研究具有动力和通信接力能力的移动微机器人系统，通过多个微机器人之间的协作扩展其在两维和三维狭小空间内的探测范围。主要研究工作包括以下几个方面:　　1.模块化自重构移动微机器人机械设计　　基于MEMS技术制作了直径为6.8mm、4.4mm的电磁微马达。以电磁微马达为驱动器设计了两种微机器人模块(全方位永磁轮式爬壁微机器人WCBot和差动驱动轮式移动微机器人SRBot)和用于重构的被动式万向微连接器。WCBot通过将电磁微马达的定子、转子和永磁轮集成在一起，实现了驱动吸附一体化设计;采用一套转向齿轮和三个永磁轮，设计了全方位爬壁机构;通过动力学分析，导出了其爬壁所需的力矩和磁力;为在相同负载的情况下降低力矩损耗，结合自身设计约束，采用ANSOFT和Pro/Engineer仿真对其整体尺寸进行了优化设计，相关计算结果验证了该优化方法的可行性。从实现零部件模块化设计、节约成本方面考虑，在WCBot尺寸设计基础上对SRBot的尺寸进行了设计。分别给出了WCBot和SRBot的运动学方程。结合准LIGA和超精密加工技术以及胶接装配方法，完成了WCBot和SRBot制作与装配。　　2.模块化自重构移动微机器人控制系统设计　　给出了WCBot和SRBot基本的硬件配置，主要包括微控制器、电磁微马达驱动器、无线收发器、红外接近传感器、红外发射与接收传感器、磁阻传感器及电源管理等模块，实现了其自主移动。设计了一个专用传感模块（微型摄像头），以使微机器人可协作进行可视化检测。设计了分层式群体体系结构和基于行为的个体体系结构。对该微机器人的运动控制（步进与速度）、通信（方式、协议、最短路由寻找）、多种行为控制（主要包括避障与跟墙、能源监控、微型摄像头图像采集）分别进行了研究。提出了一套基于全局视觉的多微机器人快速识别与跟踪的图像处理算法。对微机器人软件、计算机监控软件也进行了模块化设计。为了降低WCBot自主爬壁运动所需的磁吸附力和驱动力、使其能自主沿壁面垂直爬行，结合其无回转半径的转向能力提出了一种“折线”运动控制策略。对WCBot和SRBot自主运动和WCBot爬壁运动进行了实验，在对微机器人硬件设计以及控制方法进行验证的同时，也证明了WCBot和SRBot具有一定的自主能力、WCBot具有良好的爬壁能力和更灵活的移动能力。　　3.模块化自重构移动微机器人多体运动协调控制　　从运动学角度出发，对被动式拖车S-S-Trailer（由多个SRBot所形成）的运动控制进行了研究。以迭代方法推导出了S-S-Trailer的运动学方程，对其转弯运动的稳定性、轨迹跟踪误差与万向微连接器前后连接杆长度之间的关系进行了分析，给出了简单实用的点对点的前后向运动控制方法，并对其良好的轨迹跟踪效果进行了仿真验证。给出了基于磁阻传感器测量万向微连接器夹角的基本原理，并通过多点校正算法消除了磁阻传感器的两轴灵敏度、提高了夹角的测量精度。分别进行了S-S-Trailer前、后向运动控制实验，验证了上述方法的可行性。在此基础上对多微机器人集中式协作进行了实验研究，初步证明了多个微机器人模块所形成（手工连接）的被动式拖车可通过动力和无线通信两种接力方式来扩大它们整体的探测范围。　　4.模块化自重构移动微机器人自动对接　　设计了由一个红外接收器和四个红外发射器组成的红外定位系统。为了使微机器人之间的对接算法即具有很高的效率，又具有很强的通用性，分别提出了仅适用于两SRBot之间的快速对接算法、微机器人之间（SRBot与SRBot、SRBot与WCBot、多微机器人）的通用对接算法。为了缩短微机器人彼此接近的时间、提高对接效率，还提出了一种动态的路径规划算法。分别进行了两个SRBot之间、SRBot与WCBot之间的自动对接实验，验证了上述两种对接算法具有很高的效率（小于1分钟）和很高的可靠性（100％的成功率），主要原因是采用了红外集中对准和动态路径规划的控制方法。最后，在此基础上对多微机器人分布式协作进行了实验研究，借此对全文的研究工作进行了验证，也再次证明了该微接力机器人具有扩大其探测范围的能力。和多微机器人集中式协作相比，多微机器人分布式协作虽然控制比较复杂，但具有更好的灵活性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景、目的与意义

1．2 论文研究思路与内容

1．3 国内外相关领域研究进展

1．3．1 爬壁微机器人

1．3．2 多移动微机器人

1．3．3 模块化自重构机器人

1．4 论文组织结构

第二章 模块化自重构移动微机器人机械结构设计

2．1 电磁微马达

2．2 全方位永磁轮式爬壁微机器人WCBot

2．2．1 机械结构

2．2．2 动力学分析

2．2．3 尺寸优化设计

2．2．4 运动学方程

2．3 差动驱动轮式移动微机置人SRBot

2．3．1 机械结构

2．3．2 尺寸设计

2．3．3 运动学方程

2．4 被动式万向微连接器

2．5 机械制作

2．6 本章小结

第三章 模块化自重构移动微机器人控制系统设计

3．1 微机器人硬件设计与集成

3．1．1 基本硬件

3．1．2 专用传感器—微型摄像头

3．1．3 集成

3．2 系统体系结构

3．2．1 多微机器人群体体系结构

3．2．2 微机器人个体体系结构

3．3 微机器人基本控制

3．3．1 运动控制

3．3．2 通信

3．3．3 行为控制

3．4 基于全局视觉的多微机器人快速识别与跟踪

3．5 系统软件设计

3．5．1 微机器人软件设计

3．5．2 计算机监控软件设计

3．6 实验

3．6．1 微机器人(WCBot和SRBot)自主运动

3．6．2 微机器入(WCBot)爬壁运动

3．7 本章小结

第四章 模块化自重构移动微机器人多体运动协调控制

4．1 引言

4．2 被动拖车运动学分析

4．2．1 运动学方程

4．2．2 转弯稳定性分析

4．2．3 跟踪误差分析

4．3 被动拖车后向运动控制

4．4 基于磁阻传感器万向微连接器夹角测量

4．4．1 测量原理

4．4．2 多点校正算法

4．5 仿真研究

4．6 实验

4．6．1 被动式拖车运动控制

4．6．2 多微机器人集中式协作

4．7 本章小结

第五章 模块化自重构移动微机器人自动对接

5．1 引言

5．2 红外定位系统设计

5．3 微机器人自动对接

5．3．1 快速对接算法

5．3．2 通用对接算法

5．3．3 路径规划算法

5．4 实验

5．4．1 自动对接

5．4．2 多微机器人间分布协作

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的研究成果、获奖及项目经历