基于毫米級移動微機器人的微裝配系統(tǒng)運動控制與路徑規(guī)劃研究.pdf

1、隨著移動微機器人技術的發(fā)展,其各方面的性能都得到了很大提高,尤其在運動靈活性和運動精度方面。相應地,基于移動微機器人的應用研究也逐漸開展起來。其中,利用移動微機器人進行微小零件的裝配操作研究受到了很多關注。
　　 在國家相關項目的資助下,課題組研制了毫米級全方位移動微機器人,并搭建了基于微機器人的微裝配系統(tǒng),進行了零件微裝配操作的探索性研究。對微裝配系統(tǒng)而言,微裝配的準確度和精度是重要的性能指標。目前,該系統(tǒng)在微機器人運動控制和

2、微裝配路徑規(guī)劃的一些方面存在不足,影響了微裝配的準確度和精度。因此,本文以基于移動微機器人的微裝配系統(tǒng)作為研究平臺,對微機器人運動控制和裝配路徑規(guī)劃中涉及的一些問題展開研究,目的是提高系統(tǒng)微裝配的準確度和精度,為實現(xiàn)精密的微裝配操作奠定基礎。
　　 運動控制研究是進行微裝配路徑規(guī)劃研究的基礎。運動控制研究包括微機器人的輪結構尺寸設計、運動特性、滑動和穩(wěn)定步進等。微裝配路徑規(guī)劃研究則包括智能路徑搜索方法、微機器人狀態(tài)空間劃分方法以

3、及構建路徑規(guī)劃知識庫等。
　　 微機器人動力學分析推導出了運動所需微馬達轉矩與輪結構尺寸之間的函數關系式,以該關系式作為目標函數,以最小化微馬達轉矩消耗作為優(yōu)化目標,利用遺傳算法對微機器人輪結構尺寸進行了設計。實驗表明微機器人具有良好的驅動能力,從而為運動控制提供了動力保障。
　　 對微機器人的運動學進行了較為全面的研究。針對微機器人的特殊結構,采用求解、分析運動學約束矩陣秩的方法,闡明了其機動性和全方位特性,為微機器人

4、的結構設計和控制提供了理論依據。此外,分別建立了微機器人本體運動學方程和微裝配手臂運動學方程,利用推導的雅克比矩陣分析了微機器人的運動特點,分析結果與實際情況一致。
　　 建立了微機器人滑動動力學模型。從微機器人結構特點出發(fā),分析了產生滑動的三種因素及其滑動效果,并基于滑動動力學模型進行了滑動效果的仿真驗證。采用了基于視覺反饋控制的滑動克服方法,以減小滑動造成的運動偏移,仿真驗證了控制效果。
　　 分析了基于轉矩自平衡特

5、性的微馬達步進定位原理,推導了用于微機器人步進驅動的轉矩表達式。基于微機器人動力學方程建立了步進運動仿真模型,并對步進運動過程進行了仿真研究。研究表明微馬達轉矩對步進穩(wěn)定性有較大影響,針對這一的情況,采用了反饋控制微馬達電流的方法來實現(xiàn)微機器人較為穩(wěn)定的步進和均勻的步距。
　　 微機器人攜帶零件前往微裝配區(qū)域進行裝配操作涉及到運動路線的選擇問題,常規(guī)路徑規(guī)劃方法不能實現(xiàn)較高的微裝配準確度和精度。因此設計了一種監(jiān)督-增強式混合學習

6、方法,并將其應用到微裝配操作的路徑規(guī)劃中。該方法以增強式學習算法為主體,以監(jiān)督學習算法為輔助。同常規(guī)方法和單一的增強式學習方法相比,該混合學習方法實現(xiàn)了較高的微裝配準確度和精度。此外,設計了三種微機器人狀態(tài)空間的劃分模型,分別稱為均勻Grid-tile模型、非均勻Grid-tile模型和蛛網形Tile模型,并比較了它們的應用效果。比較結果顯示后兩種模型的學習效率遠遠高于第一種,其中蛛網形模型的性能最好。最后,構建了路徑規(guī)劃知識庫,用于提