微机器人控制与协调系统

收稿日期:2003-05-30

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(69889501)

作者简介:杨惠(1979—

),女,黑龙江人,在读硕士生,主要研究方向为微机控制与自动化。

文章编号:1000-8829(2003)11-0016-03

微机器人控制与协调系统

Re search of Coop erative Control of Microrobots

(上海交通大学微纳米科学技术研究院,上海　200030)　杨

　惠,陈佳品,李振波,冯建智

摘要:介绍了两种不同结构的微机器人S J TU 2MR Ⅰ

和S J TU 2MR Ⅱ的结构、运动方式及其控制系统的构成。该系统采用PC 机与嵌入式单片机(MCU )相结合的控制方法,在利用主机强大计算处理能力的同时,充分发挥多个微机器人的组合能力,使得系统具有较高的效率,又具有很好的鲁棒性和柔韧性。并简要提出了一种切实可行的协调控制策略。关键词:微机器人;协调控制;图像处理中图分类号:TP242文献标识码:A

Abstract :T wo different kinds of microrobot called S J TU 2MR Ⅰand S J TU 2MR Ⅱand the control system of microrobots embedded MCU with PC host are introduced.H ost sends a common command to distributed microrobot controller to drive microrobots.This system is robust and flexible.A dy 2namic priority cooperative algorithm is designed briefly.Through experiment ,it is proved effectively.

K ey w ords :microrobot ;cooperative control ;image pro 2

cessing

微机器人是典型的微电子机械系统(M EMS )。微

机器人的结构和宏观机器人的结构基本相同,微机器人系统主要是由微控制电路、微传感器、微机器人本体(微驱动器和微执行器)、微能源等几个要素组成。根据其驱动方式的不同主要可分为:超声波、静电式、气动式、电磁式、压电式、形状记忆合金(SMA )式的微机器人[1]。

本微型机器人使用电磁微马达作为驱动器,它结构简单,调速方便,输出力矩大,运行寿命长,转换效率高,转速可调范围大,转向可逆且易于控制应用。

1　微机器人介绍

1.1　微机器人结构

笔者设计了两种不同结构的基于4mm 微马达的毫米级微机器人S J TU 2MR Ⅰ和S J TU 2MR Ⅱ,并对其进行协调控制。结构简图分别见图1与图2

图1中S J TU 2MR Ⅰ微机器人外形尺寸为8.0mm ×9.5mm ×9.5mm 。它使用两个电磁微马达直接作为车轮,均用于直线运动驱动,两个马达的驱动能力决定了带负载的能力。为了充分减小微机器人的体积,两个微马达对称地安装在车体铜片的对角线位置上,转子外边缘包裹了一层橡胶,增加了轮子和地面之间的摩擦系数,从而有效减少微机器人移动打滑的现象,轮子的直径为5.2mm 。为实现微型机器人在任意方向运行的平稳性,在微型机器人的两侧,也就是铜片另外一条对角线(有一条对角线分布了两个移动驱动的微马达)上安装两个直径为1mm 的圆形支撑。当机器人转90°时,两个车轮与地面的接触点处于一条直线,通过圆形支撑轴可以保证微型机器人始终与地面保持面3点接触,保障机器人稳态前进。

图2中S J TU 2MR Ⅱ微机器人尺寸为9.5mm ×9.5mm ×9.5mm 。S J TU 2MR Ⅱ和S J TU 2MR Ⅰ的主要不同点是前者增加方向控制的微马达和微型减速齿轮,其他结构基本相同。微马达位于微型机器人的中部(铜片对角线的交点处),通过一对减速比为1∶3的微型减速齿轮将转向力加载到两个负责移动的微马达的转向轴。利用减速齿轮起到两方面的作用,一是放大转向力,二是利用减速齿轮提高微机器人的转向精度。1.2　微机器人运动方式

为了能够实现多微机器人的协调,在微机器人的结构设计中,采用传统的转向轮结构。在转向过程中,转向轴保持不动,即微型机器人的身体保持不动。这一特点有利于微型机器人在协调过程中维持机器人之间、以及机器人与被操纵物体之间的位置关系。

S J TU 2MR Ⅰ是靠两组微马达来实现运动的,当两组马达运行速度一致时,它可以实现前进和后退,当同

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61・《测控技术》2003年第22卷第11期

图1　S J TU 2MR Ⅰ全方位微机器人结构图

图2　S J TU 2MR Ⅱ全方位微机器人结构图

时改变微马达的控制方式,使其运动速度不一样时,小

车左右移动的距离不同,这样就可以使其按要求转动。

S J TU 2MR Ⅱ直线运动的方式与S J TU 2MR Ⅰ相同。不同的是它增加了进行方向控制的微马达和微型减速齿轮。这样的结构可使微型机器人的直线运动和转弯运动完全分离。微型减速齿轮由一个控制方向的马达驱动,它连接着两个控制直线运动的马达。驱动方向的马达向一个方向转动,就会带动两个驱动直线的马达向相反的方向运动。因此,它的转向是利用控制转向的马达通过减速齿轮驱动两个移动马达来实现的。通过这种控制和结构设计,使得两个微机器人转向时与地面的摩擦都为滚动摩擦,减少了摩擦力,增加了它们的灵活性。两个微机器人实物照片如图3、图4所示。

图3　毫米级微机器人实物图

2　微机器人

控制系统

微机器人控制系统是由计算机和微控制器(MCU )控制电路组成的一个典型的闭环控制系统,如图5所示。CCD 摄像头从环境中采集图像数据,送到图像采集卡,

它再把图像数据送给DSP 图像处理板[2]进行处理,处理的结果送给计算机程序,由它根据结果判断应该选择的相应动作,然后计算机通过串行通信接口(SCI )把数据传送给MCU AT90S8515[3],

MCU 就根据得到的数据调整控制两台微机器人的方案,从而实现前进、后退、左转、右转等

动作。另外,还可以通过8个操作键盘由操作人员介入

实时控制两台微机器人的相应动作。

图4　微机器人实际运行实验3　微机器人协调控制算法

3.1　协调控制算法简介

本系统与单机器人系统不同,它通过主机集中协

调控制,然后单独执行任务。通过集中主机和传感器感知微机器人、被操纵问题的初始位置和目标位置,为每个微机器人分配子任务;通过跟踪微机器人的位置信息,不断调整微机器人的移动方向,协调操纵物体沿

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