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。