毫米级全方位移动微型装配机器人

毫米级全方位移动微型装配机器人
移动微型操作机器人具有良好的运动灵活性和较高的操作精度，在生物医学、管道检测和微型工厂等方面都有很好的应用前景．该方面的研究也一直得到国内外的广泛关注，并取得了一定的进展．瑞士Yesin等人提出了一种由电磁场引导的仿生微操作机器人，可用于人体眼、耳及心血管等部位的疾病诊治；日本Shibata等开发了一种直径10 ITlnl的管道检测机器人，采用压电驱动器、利用微波进行能量传输；法国Dembele等研制了以超声波马达为核心部件的微动机器人平台，可用于微型工厂、AFM系统中的精密定位操作；欧盟一些国家合作开发了MiniMan压电驱动微操作机器人系统，能完成较为复杂的操作任务。

本文介绍了一种微马达驱动的轮式全方位移动微操作机器人，用于微型工厂中微小零件的装配操作．在不到1 cm 空间内设汁了全方位的运动结构，并利用数学方法进行了分析证明．针对做机器人的特点，设计了基于计算机视觉的监控系统，描述了系统的工作原理．此外，文中对独特的3 1111t 电磁微马达、微机器人的定位和驱动方法等关键问题都进行了介绍。

2 移动微机器人结构
2．1 全方位结构
微机器人的CAD模型如图1昕示，主要包括驱动轮、微型齿轮组、电磁做马达驱动器、微夹钳及机器人本体(机架)等。

3个驱动轮呈等边三角形分布，提供了稳定的支撑结构。

4个微马达中的3个直接作为轮了，用于前进、后退驱动；第4个安装在机架中部，其输出轴直接与小齿轮连接，用于转向驱动．微机器人的直线运动与转向运动是相互独立的。

微型齿轮组中的3个大齿轮分别同中问的小齿轮啮合，传动比为1：3。

作为传动机构，齿轮组既可以把转向力矩放大并传递到轮子上，又可以提高转向精度。

微齿轮组是实现全方位特性的关键所在，当转
向马达驱动小齿轮转动时，3个大齿轮也将同速、同向转动，从而带动3个轮子同步转向，且转向角度相等．该设计使微机器人能在平面内实现360。

全方位转
向。

转向过程中，微机器人本体保持不动，回转半径为零，从而更能适应狭小的工作环境。

微机器人顶部还安装了一部可拆卸的微夹钳由压电材料制作而成。

当施加正向或反向电压时，灾钳将会张开或合拢，可进仃微小零件的夹取、装配等操作。

微夹钳根部的转向轴与一个大齿轮相连，因此其转向同样受转向马达控制．微夹钳手臂的方向始终与微机器人的运动方向保持一致。

微机器人采用MEMS技术加工制造而成，实物尺寸为9 mm×9 mm×9 mm，质量为2．8 g。

2．2 电磁微马达
微马达采用准LIGA(光刻、电铸成型和塑铸成型)技术加工制造，并经遗传算法优化设计。

3 mm马达质量为90 mg，最高转速可达20000 r／min，最大输出力矩为8.3
如图3(a)所示，微马达采用了2片定子夹1个转子的三明治结构．转子为8极磁钢制作，定子为6绕组多层结构，内部为三相星形连接．输出轴上套有红宝石轴承，以减小摩擦。

为减小微机器人的体积，充分利用了微马达三明治结构的特点，将其直接作为驱动轮，如图3(b)所示。

运动时，马达转子直接与地面接触。

3 微机器人运动学分析
利用求解运动学矩阵秩的方法，证明微机器人结构的全方位特性，以及转向与直线运动的独立性，并建立针对微夹钳的运动学方程。

3．1 全方位特性分析
图4给出的二维坐标系统中，XOY为地面坐标系，XrOrYr为微机器人坐标系．#1—3为呈等边三角形分布的驱动轮。

微机器人在地面坐标系中的位姿(指机器人的位置(x ，y )和姿态即方向角度 )可表示为：
微机器人坐标系相对于地面坐标系的正交变换矩阵为：
图5所示为单个驱动轮在微机器人坐标系中的位姿。

假设该驱动轮转动时与地面无滑动摩擦，那么轮与地面接触点的速度为0。

此时，微机器人满足两个方向上的运动学约束，即轮平面方向和轮平面正
交方向，可分别表示为：
其中为第个轮中心点到坐标原点，的距离，为连线与轴的夹角，为第个轮的方位角，r为轮半径，为轮转动速度。

当取适当值时，机器人的运动将不受式(3)的约束，但一直受式(4)的约
束。

．考虑到微机器人的3个轮都会产生这样的约束，总的运动学约束可用矩阵方程表示：
该矩阵的秩将决定微机器人的运动特性。

微机器人的结构设计决定了中，和，为常量，为变量，因此只需
考虑的变化．假设微机器人三个轮逆时针同步转动角，如图6所示．将图中所示的相关参数( 和 )代人
中，再经过矩阵初等变换，可以得到其等价矩阵：
轮式机器人的机动性(1naneuverability)包含移动性(1nobility)和转向性(steerability)两个方面．体现移动性的移动自由度定义为，体现转向性的转向自由度定义，而体现机动性的机动自由度定义为。

由式(6)可知，微机器人的 =l， =2， =3．机动自由度为3，说明其具有平面运动的全部3个自由度，因此该微机器人具有全方位特性．移动自由度为l，说明如果不进行方向调整，微机器人只能进行直线运动，这与微机器人实际情况一致(直线与转向运动相互独立)。

3．2 微夹钳运动学方程
如图7所示，除XOY和外，增加了微夹钳坐标系，轮子简化为实心圆点表示．夹钳中心点在XOY中的坐标为：，其在中的坐为：夹钳手臂长度为b，手臂与轴的夹角为
微夹钳在不同坐标系中的坐标与存在如下变换关系：
其中右侧第2个矩阵为坐标系到的变换阵，第1个矩阵为到XOY的变换阵将式(7)右侧各矩阵相乘后，可以得到夹钳中心坐标即( ， )与机器人位姿即( ， )、夹钳转角之间的函数关系式：
对上式中的及等变量进行求导，得到夹钳中心点的运动速度表达式：
其中；
上式可通过求解式(5)得到，其中表示零空间的一个基，代表微机器人直线运动的输入控制参量．在式(9)基础上，微夹钳运动学方程可定义为：
3．3 运动学仿真
运动学方程(10)体现了微夹钳在地面坐标系中的运动情况与输入控制量之间的关系。

这里仅对转向运动进行仿真，结果如图8所示。

设定输入的转向驱动信号为半周期的正弦波，频率0．1 Hz，幅值为1(图8(a)上图，参数取盯／4，b取1．图8(a)下图中的转角变化曲线，平缓且逐渐增加；微夹钳沿X、Y，轴方向上的速度曲线成对称关系，对称轴在时间轴2．5 S 处，如图8(b)所示。

4 微机器人控制系统
控制系统硬件设计
控制系统的功能结构框图如图3所示。

其硬件控制电路主要包括微处理器、微马达／全H桥控制器、微马达驱动器、PWM数模转换器(DAC)、可调升压电路、全H桥、RS-232电平转换电路以及FLASH等。

4．1 ARM 核处理器模块
目前，ARM核处理器在测量与控制工程领域应用广泛。

考虑到本控制系统本身包含大量干扰源，如果使用分开存储器，系统工作时，程序可能会因受到干扰而“跑飞”，所以这里选用了集成了256 kB片内SRAM的AT91 R40008作为系统控制／运算核心。

系统上电后，Flash中的存储程序会将自身和数据拷贝到处理器内部的存储器中，从而使系统工作更加稳定。

4．2 微马达控制电路
电磁微马达属于无刷直流电机，定子绕组为6个，部采用三相星形连接；转子磁极对数为4对，可作为步进电机来进行步进控制。

基本原理是控制定子三相绕组的通电顺序，以产生旋转磁场驱动转子转动。

通常微马达的换相控制可由处理器完成，但本系统对微马达步进精度有特别要求，因此设计了一种特殊的PWM转矩矢量合成控制方法。

一般的控制方法在换相时仅改变一次输出即可，而新方法必须不断的更改输出直到微马达换相完毕，因此大大增加了处理器的负担。

所以，利用CPLD通过Verilog语言设计了一个微马达控制器，该控制器以16位并行总线和处理器相连，处理器仅需更改控制器中一些寄存器的数值即可完成对微马达的复杂操作。

微马达控制器结构如图4所示。

基本原理是进行相邻两个通电状态的高频切换，但每个状态的占空比不同。

因此电机状态字缓冲寄存器的高6位和低6位分别存储待切换的两个状态，而电机控制字缓冲寄存器的高5位和低5位分别存储两个状态的占空比。

4．3 微夹钳控制电路
微夹钳驱动控制电路主要由可调升压电路、全H桥、PWM DAC、全H桥控制器组成。

为使压电微夹钳产生足够的形变释放或抓取工件，必须施加超过100 V的高压。

而电路板上输入电压只有12～15 V，简单的三端稳压器无法满足要求，因此采用了升压型开关稳压器。

由于微机器人的质量很小，当夹钳突然施加高压产生较大形变时，会引起微机器人位移甚至倾覆，所以施加的电压需要缓慢变化至目标值。

这里仅要求在0．2～3．0 V范围内可调，输出电压相应为107～37 V，对精度以及转换速度均没有特别要求，所以使用了转换时间特别延长了的PWM数模转换器。

该PWM DAC 由PWM波形发生器，低通滤波器及电压跟随器构成。

PWM波形发生器也利用CPLD设计，其结构如图5所示，其中器件工作频率为2 MHz，加法计数器为4位。

比较器2在加法计数器每个计数周期将可逆计数器中数值和加法计数器的计数值作比较，如果后者小于前者输出0，否则输出1，这样比较器2就可以产生一个频率125 kHz决定的PWM信号，其占空比为：
式中：C为可逆计数器的计数值。

该PWM DAC的输出电压变化率为0．4 V／S。

经过实验表明，整个升压电路输出电压从37 V上升到107 V时需要大约8 S，整个过程手臂形变缓慢，微机器人没有产生位移。

4 控制系统软件设计
4．1 微马达的控制
微机器人各种基本动作是通过执行微马达驱动程序来实现的。

电磁微马达的惯性很小，在一般速度下可直接进人同步运行状态。

目前微马达可实现2．5。

／step的微步进运动，此时，转子旋转360。

电气角度需经历36个通电状态。

其中12个是2～3通电固有状态，其余24个属于细分出来的状态。

可将这些状态对应的微马达控制器状态字寄存器的值存储在一个数组里，一共有36个元素。

2～3通电状态转子位置只由状态字决定，其它细分的通电状态转子所在的位置，由对应的状态字和控制字共同决定。

通过顺序或倒序读取数组中的状态字，就可控制微马达驱动微机器人的高精度前进或后退。

若定义每个通电状态的转换时间(即换相时间)为T m，则微马达的转速V m可表示为(注：轮直径3．3 mm，马达磁极对数为4)：
式中：T m是微马达控制算法里面的一个重要参数，控制即可实现微机器人以不同的速度连续运动。

4．2 控制系统与上位机的通信
考虑到计算机视觉系统和微机器人通信传输距离较短，传输数据量较少，速度要求也不高，故这里选择简单而实用的RS-232一C标准的串行通信接口来实现上位机与控制器之间的通信。

因为RS_232．C没有规定应用层
协议，所以这一部分根据要求自行设计。

通信信息分成两大类：命令和视觉信息。

前者计算机作为普通的上位机主要担任控制系统和操作人员之间的人机界面，后者计算机作为视觉系统的核心负责
图像处理计算。

命令和信息以不同的开头字符进行区分。

5 实验结果
利用该微装配机器人系统进行了微轴／轴孔的装配实验。

根据上位机视觉系统通过RS-232接口传过来的微机器人位姿信息，上述控制系统能够控制机器人先快速接近目标，然后通过高精度的单步运动进行轴孔／轴的对准操作，最后控制微夹钳释放轴孔，将其套在轴上。

实验过程中一些具体数据如表1所示
该系统主要由主机Host(配有图像采集卡)、两CCD摄像头(其中一个为显微摄像头)、微移动装配平台、微机器人和系统控制电路板等部分组成，实物如图9所示，左上角为放大的微平台附近场景．
普通CCD摄像头被固定在微装配系统的天花板上，负责采集除了微移动平台之外的整个工作区图像(全局场景)．显微CCD摄像头被固定在微移动平台上待装配的零件正上方，负责采集待装配零件附近的图像(局部场景)．由两个摄像头作为传感器，结合运行图像识别程序的主机，它们组成了一个微机器人的计算机视觉控制系统。

主机处理软件用Visual C++编写，通过微机器人图像处理算法，计算出其在全局场景中的位姿或局部场景下的坐标，再根据具体任务进行路径规划，控制命令经RS232接口传送到本地控制电路板上，实现对微机器人的驱动控制。

5 微机器人定位
准确定位是对微机器人进行精确控制的前提，全局和局部场景中的定位方法不同。

为便于视觉系统识别机器人，在夹钳手臂的转动轴上安装了一个白色的圆形盖子(见图2)，视觉系统实际观察到的是这个白色盖子，而不是机器人本身。

盖子的圆心坐标即代表微机器人本体中心位置。

此外，夹钳手臂的后面安装了一个白色的“尾巴”，“尾巴”位于手臂的延长线上，和微机器人前进的方向相反。

微装配手臂涂成黑色，这样在采集到的图像中，微机器人只有圆形的本体和“尾巴”可见，规定“尾巴”的反向延长线到y轴正方向的顺时针夹角即为机器人的方向角0。

宏观场景的机器人位置信息包含机器人本体的中心坐标和机器人的方向角度，它们是通过由粗到精的定位方法计算得到的。

粗定位主要获得包含机器人的矩形，然后再在这个矩形中精确计算机器人的位置。

这种分级定位的方法计算速度快，定位准确度高。

机器人角度是通过Hough变换结合加权迭代的最小二乘法拟合直线得到的，这种方法克服了Hough变换检测直线结果精度不高，以及最小二乘法拟合直线抗干扰性差的缺点，有效地提高了直线的拟合精度，并且迭代次数少，计算速度快。

全局场景中，为了便于视觉系统识别机器人，在其顶部安装了一个白色的圆形盖子，其后面安装了一条白色的“尾巴”(实物见图2)．影像如图l0(a) 所示，盖子的圆心即代表微机器人的坐标，而“尾巴”的反向延长线到y轴正方向的顺时针夹角即为机器人的方向角(0． )．而在范围很小的局部场景中，只提供夹钳的中心点(即4个黑色钳齿所围成的矩形对角线交点)到原点的坐标，如图10(b)所示，中间的圆环是微零件。

全局场景中，和y方向上的定位误差分别小于0．7 Him和0．5 mm，角度误差小于0．5。

．局部场景中，X和Y方向上的定位误差分别小于0．O12 mm 和0．008 mm。

微装配场景范围很小，仅能包含微机器人夹钳手臂前端以及所夹取的零件。

因此在此区域中，视觉系统只提供微夹钳的中心点(即4个钳齿所围成的矩形
对角线交点)和区域原点的坐标，如图4所示。

为了方便视觉系统快速准确地识别，
两个微夹钳前端用透明材料制作，而钳齿涂成黑色，图中黑色矩形块即为钳齿，中间的圆环是待装配的工件(宝石轴承)
考虑到机器人从宏观场景进入到微装配场景过程中，图像上会出现标识点不规则和计算点数量不足的情况，因此在微夹钳的位置信息上附加一条“信息特征”属性，并根据“单点块形标识”情况、“两点异臂”、“两点左臂”、“两点右臂”，以及“双臂全部”情况分别计算，最后一同输出到装配控制设备，以作为其控制机器人行动的参考。

实验证明，该方法能够准确地识别出目标物体，并能快速计算出目标位置；和y方向上的定位误差可分别小于0．012 mlTl和0．008 mlYl，也满足应用要求。

5．2 微机器人驱动
微机器人采用了4个如图3所示的电磁微马达，以适应不同的驱动方式．当需要微机器人快速前进时，微马达用作直流电机使用，可采用常规的通电方式(2-2、3—3或2—3)驱动．当采用2—3方式时，马达转动360。

电角度(一对磁极)需要12
步，此时微机器人运动速度可表示为：
其中D为轮直径，N为马达磁极对数,Tm为换相周期．通过调节Tm就可以控制微机器人的速度在0～10 ㎝／s之间变化。

微机器人轮直径为3．3㎜，磁极对数为4，采用2-3方式每步前进0．22 ㎜。

当需要进行微操作时，该步进值不能满足要求．此时微马达将采用步进电机工作方式和基于PWM的转矩矢量驱动方法，使微马达旋转360。

电角度可达到36步．目前微机器人最小步进值为：3．3,rr／(36×4)=0．07㎜，最小转向角度为：360。

／(144×3)=0．83。

机械角度(齿轮传动比为1：3)，步进值(角度)较2—3 式减小了3倍。

6 微机器人系统实验
为测试微机器人的驱动能力，进行了负重实验。

实验在一个非导磁的铝合金平台上进行，能量通过金属线由外部供给．图1 1给出了不同驱动电压下的负重实验结果。

在l2 V最大工作电压下，可负载约7．5 g的重物，能够满足应用要求。

此外，进行r微机器人穿越障碍(硬币)区的实验。

微机器人需要穿过两个障碍物之间的空隙到达操作区域。

视觉系统对微机器人进行定位，发送控制命令，调整其运动速度和运动方式。

在驶向和驶离障碍区的过程中，微机器人的运动速度、单次运动距离等参数设定为较大数值，以节省时问；在进入障碍区后，要降低速度，减小单次运动的距离，增加方向调整次数，以避免与障碍物相碰。

实验从一个方面说明了微机器人的机动性，验证了控制系统的有效性(如定位、驱动方法等)。

实验中，微机器人通过8根极细的金属导线传递控制信号，其中有2根用于做夹钳控制，有3根用于转向微马达控制，另3根用于并联的线驱动微马达控制，微马达驱动电压为12 V。

7 结论
微齿轮组的设计实现了微机器人的全方位转向，结构简洁、有效；利用微马达的三明治结构，将其直接作为驱动轮，有效地减小了设计窄问．以上两点是在1 CIII 空间内实现全方位移动微机器人设计的
关键．
以现有的技术条件，还无法在微机器人上安装定位、运动控制等传感器，所以外部计算机视觉监控系统也是一种较好的解决方案。

微机器人的驱动、定位方法设计要考虑一些实际因素，如驱动器类型、微机器人结构特点以及应用场合等。

对于微机器人本身，有一些问题值得进一步研究，如转向运动与直线运动的整合，以及减小转向时轮与地面的摩擦等。

目录微型装配机器人设计书
1. 移动微机器人结构
2. 微机器人运动学分析
3. 微机器人控制系统
4. 微机器人定位
5. 微机器人系统实验
6.参考文献。