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(shù)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(yīng)地,基于移動微機器人的應(yīng)用研究也逐漸開展起來。其中,利用移動微機器人進(jìn)行微小零件的裝配操作研究受到了很多關(guān)注。
　　 在國家相關(guān)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(jìn)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(zhǔn)確度和精度是重要的性能指標(biāo)。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(zhǔn)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(zhǔn)確度和精度,為實現(xiàn)精密的微裝配操作奠定基礎(chǔ)。
　　 運動控制研究是進(jìn)行微裝配路徑規(guī)劃研究的基礎(chǔ)。運動控制研究包括微機器人的輪結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、運動特性、滑動和穩(wěn)定步進(jìn)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(gòu)建路徑規(guī)劃知識庫等。
　　 微機器人動力學(xué)分析推導(dǎo)出了運動所需微馬達(dá)轉(zhuǎn)矩與輪結(jié)構(gòu)尺寸之間的函數(shù)關(guān)系式,以該關(guān)系式作為目標(biāo)函數(shù),以最小化微馬達(dá)轉(zhuǎn)矩消耗作為優(yōu)化目標(biāo),利用遺傳算法對微機器人輪結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計。實驗表明微機器人具有良好的驅(qū)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(xué)進(jìn)行了較為全面的研究。針對微機器人的特殊結(jié)構(gòu),采用求解、分析運動學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計和控制提供了理論依據(jù)。此外,分別建立了微機器人本體運動學(xué)方程和微裝配手臂運動學(xué)方程,利用推導(dǎo)的雅克比矩陣分析了微機器人的運動特點,分析結(jié)果與實際情況一致。
　　 建立了微機器人滑動動力學(xué)模型。從微機器人結(jié)構(gòu)特點出發(fā),分析了產(chǎn)生滑動的三種因素及其滑動效果,并基于滑動動力學(xué)模型進(jìn)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(zhuǎn)矩自平衡特

5、性的微馬達(dá)步進(jìn)定位原理,推導(dǎo)了用于微機器人步進(jìn)驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式?；谖C器人動力學(xué)方程建立了步進(jìn)運動仿真模型,并對步進(jìn)運動過程進(jìn)行了仿真研究。研究表明微馬達(dá)轉(zhuǎn)矩對步進(jìn)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(dá)電流的方法來實現(xiàn)微機器人較為穩(wěn)定的步進(jìn)和均勻的步距。
　　 微機器人攜帶零件前往微裝配區(qū)域進(jìn)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(zhǔn)確度和精度。因此設(shè)計了一種監(jiān)督-增強式混合學(xué)習(xí)

6、方法,并將其應(yīng)用到微裝配操作的路徑規(guī)劃中。該方法以增強式學(xué)習(xí)算法為主體,以監(jiān)督學(xué)習(xí)算法為輔助。同常規(guī)方法和單一的增強式學(xué)習(xí)方法相比,該混合學(xué)習(xí)方法實現(xiàn)了較高的微裝配準(zhǔn)確度和精度。此外,設(shè)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(wǎng)形Tile模型,并比較了它們的應(yīng)用效果。比較結(jié)果顯示后兩種模型的學(xué)習(xí)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一種,其中蛛網(wǎng)形模型的性能最好。最后,構(gòu)建了路徑規(guī)劃知識庫,用于提