第４６卷第３期 西南交通大学学报 Ｖｏ１．４６ ＮＯ．３ ２０１１年６月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＷＥＳＴ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｊｕｎ．２０１ｌ 文章编号：０２５８—２７２４（２０１１）０３－０４１５－０７ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８—２７２４．２０１１．０３．０１０ 压电陶瓷驱动微小型机器人的 运动分析与仿真 杜启亮 ， 张 勤 ， 田联房 ， 青山尚之 （１．华南理工大学电子与信息学院，广东广州５１０６４１；２，华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 ５１０６４１；３．华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州５１０６４１；４．电气通信大学智能工学科，东京１８２— ８５８５） 摘要：为满足桌面工厂对机器人在平面内大行程、高精度和全方位运动的要求，研制了一种压电陶瓷驱动的 微小型机器人．该机器人采用ｓｔｉｃｋ—ａｎｄ—ｓｌｉｐ运动原理，通过压电陶瓷和电磁铁的配合动作，在铁磁性工作表面上 实现了前进、后退、左转、右转和原地旋转运动．在假设平行配置的压电陶瓷驱动器在每一步的运动过程中保持 平行基础上，分析了一步运动中机器人的４个支撑脚的坐标变化情况，进而推导出在该条件下反映机器人位姿 变化的运动学差分模型．计算结果显示，机器人直线运动最大步长为０．０４２ ０ ｍｍ，旋转运动最大偏转角度为 ０．１８５。／步．通过开环轨迹控制、点一点位姿控制和路径跟踪闭环控制实验，验证了机器人应用于桌面工厂时的可 行性． 关键词：微小型机器人；压电陶瓷；运动学分析 中图分类号：０３１ｌ；ＴＰ３９１．９ 文献标志码：Ａ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｉｅｚｏ—Ｄｒｉｖｅｎ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｒｏｂｏｔ ＤＵ Ｑｉｌｉａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎ ，ＴＩＡＮ Ｌｉａ ｎｇ ，ＡＯＹＡＭＡ Ｈｉｓａｙｕｋｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１， Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６４１，Ｃｈｉｎａ；４．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ— Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｔｏｋｙｏ １８２—８５８５，Ｊａｐａｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ＰＺＴ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ）一ｄｒｉｖｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｒｏｂｏｔ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｆｕｌｉｆｌｌ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｍｎｉ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｄｅｓｋｔｏｐ ｆａｃｔｏｒｙ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｓ，ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｍｏｖｅ ｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄ，ｔｕｒｎ ｌｅｆｔ／ ｒｉｇｈｔ，ａｎｄ ｒｏｔａｔｅ ａｒｏｕｎｄ ｉｔｓ ｏｗｎ ｃｅｎｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｉｃｋ—ａｎｄ—ｓｌｉｐ ｍｏｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ａｓｓｕｍｐｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｗｏ ｐａｒａｌｌｅｌ—ｓｅｔｕｐ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｍａｉｎｔａｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｏ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ ｉｎ ｏｎｅ ｓｔｅｐ ｍｏｔｉｏｎ， ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｌｅｇｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｒｅｆｌｅｃｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｓ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｅｐ ｌｅｎｇｔｈ ｉｎ ｒｅｃｔｉｌｉｎｅａｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｗａｓ ０．０４２ ０ ｍｍ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｅｐ ｄｅｇｒｅｅ ｉｎ ｒｏｔａｒｙ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｗａｓ ０．１ ８５。／ｓｔｅｐ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｏｐｅｎ ｌｏｏｐ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏ１．ｐｏｉｎｔ—ｔｏ—ｐｏｉｎｔ ｐｏｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｐａｔｈ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｒｏｂｏｔ ｗｈｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ａ ｄｅｓｋｔｏｐ ｆａｃｔｏｒｙ． 收稿日期：２０１０４３６一ｌ３ 基金项目：中国博士后基金资助项目（２００１００４７０９０９）；２００９广东省国际合作资助项目（２ｏｏ９Ｂｏ５Ｏ７Ｏ０ｏ１８） 作者简介：杜启亮（１９８０一），男，博士，研究方向为微小型机器人和机器视觉，Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｕｑｉｌｉａｎｇ＠ｔｏｍ．ｃｏｒｎ ４１６ 西 南 交 通 大 学 学 报 第４６卷 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｒｏｂｏｔ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ；ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ 微型移动机器人以其体积小、机动灵活、廉价、 节约能源等优点，在工业检测、微型机电系统组装、 微外科手术、生物工程、光学工程和分布式传感器 网络等领域有着广阔的应用前景 ．各国开展了 微小机器人的研究，包括在平面上、管道内、液体中 和各种菲结构化环境下的移动结构．目前平面移动 微小机器人采用的驱动原理有：轮式驱动、振动驱 动、冲击驱动、尺蠖驱动、弹性变形驱动、碰撞驱动、 足式驱动等 ．文献［５］中采用了基于爬行原理的 移动机构，该机构由３根对称布置的压电陶瓷管组 成，最大速度可达２００ ｍｍ／ｓ，定位精度可达３０ ｎｎｌ， 可以实现Ｉｃ芯片的检测．近年又研制了ａｎｔｓ多个 微小机器人系统 ，该系统的微机器人采用履带 式行走机构，其上装备了１７个传感器，包括光传感 器、红外传感器、碰撞传感器和倾斜传感器等．文 献［７］中采用管装压电陶瓷驱动的三腿式机器人， 可以在显微镜下实现 ５００ ｍ微型行星齿轮减速 器的装配、花粉细胞分离等精密微作业．文献［８］ 中采用两个ＳＷＡＴＣＨ马达作为轮子和轮胎微控制 器，用塑料框架和可弯曲的模子来支撑所有的 ｆｌａｓｈ芯片、ＩＲ近距离传感器、遥控接受装置等电子 元器件和可充电电池．文献［９］中介绍的３一ＤＯＦ微 型机器人采用冲击驱动原理，惯性体通过压电元件 与移动体连在一起，利用压电元件的电压变化控制 压电元件的伸缩，从而使物体移动．哈尔滨工业大 学机器人研究所设计了一种三自由度基于尺蠖蠕 动原理工作的精密移动定位微小型机器人，可以沿 、 方向直线移动定位以及绕 轴转动定位 ；近 年又研究了新型谐振式微小型机器人移动机构，实 验样机在１０ Ｖ电压驱动下速度可达３７４ ｍｍ／ｓ，运 动分辨力为１．２４ ｍ，具有较高的移动速度和运动 分辨力 ” ．上海交通大学在自主研发直径为２ ｉｎｔｏ 电磁微马达的基础上，研制了全方位移动的毫米级 轮式机器人，可用于微型装配平台内的简单搬运和 装配任务 ．但上述的微小机器人普遍存在结构 复杂、成本高、或需要特种驱动部件等问题． 本文中研究的基于ｓｔｉｃｋ—ａｎｄ．ｓｌｉｐ原理的微小 型移动机器人 ．具有结构简单、容易控制、成本 低等优点，采用压电陶瓷 Ｈ 作为微驱动元件，在电 磁铁的配合下实现前后运动、左右转弯和原地旋 转，可满足桌面工厂” 对平面运动机器人运动范 围大、定位精度高、并有一定负载能力的要求．文中 介绍了驱动控制系统的结构，对其进行运动学分 析，建立了差分运动模型，并进行了仿真实验研究． １机器人模型与运动原理 图１为压电陶瓷驱动微小型机器人模型，尺寸 为４０ ｍｍ×３０ ｍｍ×１８ ｍｍ．由压电陶瓷、电磁铁、 簧片以及基体部件组成．２个Ｕ形导磁铁芯构成 ４个支撑脚，用于支撑和行走，可以在具有铁磁性 的工作平面或曲面上运动． 线 图１ 微小型机器人结构不意 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｒｏｂｏｔ 机器人根据尺蠖蠕动式运动原理来实现精密 微动定位，忽略压电陶瓷的磁滞、蠕变等非线性特 性，以前进方向微运动为例，结合图２来说明其运 动原理． 如图２所示： ①为原始状态；开始运动时，线圈４通电，在 电磁力的作用下，支撑脚 、 与工作台吸附，线 圈曰不通电，支撑脚 、日 可活动，压电陶瓷Ｐ 、 Ｐ 同时施加负电压，使Ｐ。、Ｐ：沿轴向收缩，带动 Ｂ 、Ｂ：向前输出微小位移，转到状态②；Ｂ通电， 、Ｂ 与工作台吸附，Ａ断电，４。、Ａ 可活动，Ｐ，、 Ｐ 上的电压逐渐增大至０，Ｐ 、Ｐ：逐渐恢复原长 度，推动 ，、 向前输出微小位移，转到状态③完 成前半步运动；类似地，Ｐ 、Ｐ：施加正电压，使其 先伸展再收缩，可完成后半步运动，转到状态⑤． 由上述分析可知： 改变前后两线圈的通电顺序，可以实现机器人 往前和往后运动； 改变两压电陶瓷的电压幅值，可以实现机器人 向左和向右转弯，电压差值越大，转弯半径越小； 第３期 杜启亮等：压电陶瓷驱动微小型机器人的运动分析与仿真研制的机器人实物如图３所示． ４１７ 给两压电陶瓷施加幅值相等、方向相反的驱动 信号，可以实现机器人原地顺时针和逆时针旋转． ① ② ③ ④ ⑤ 图２微小型机器人向前运动原理示意 Ｆｉｇ．２ Ａｄｖａｎｃｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｒｏｂｏｔ ２微小型机器人的驱动控制 驱动机器人按期望的方式运动需要四路有一 定相位要求的驱动信号．本研究采用计算机＋模拟 量输出卡的方式产生驱动信号，微小型机器人的驱 动控制示意如图４所示，其中ＮＩ ＰＣＩ－６７２３是美国 Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司生产的３２通道模拟量输出 卡，可输出±１０ Ｖ的任意波形信号，根据压电陶瓷 的电压．位移特性，为增强驱动能力，使用了功率放 图３微小型机器人实物 Ｆｉｇ．３ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｒｏｂｏｔ 大器进行信号的放大．在１００ Ｈｚ信号驱动下，该机 器人速度可达２ ｍｒｒｄｓ． 图４微小型机器人的驱动控制示意 Ｆｉｇ．４ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ３机器人运动分析 不失一般性，以机器人向前左转弯运动为例， 分析微小机器人运动一步的位姿变化情况． 由于四边形的不稳定性，在～步运动中，机器 己： Ｄ为机器人Ｕ形铁芯的长度； 为前后支撑脚的距离； 分别为左右两压电陶瓷的驱动电压幅 值，ＭＥ，ＭＲ∈［一１５０ Ｖ，１５０ Ｖ］； 和 表示 、 的变化引起前后 人各状态之间转移过程中的形态是不确定的，与压 电陶瓷的特性、装配的误差等因素有关． 在此假设： 支撑脚距离变化，其中 、 为比例系数，反映装 配误差、器件自身精度等因素． 设全局坐标系下当前机器人的位姿为 （Ｘ，Ｙ，０），４个支撑脚分别位于点Ｐ （ 。 ，Ｙ ）、 ＰｕＲ（ ｕＲ，ＹｕＲ）、ＰＬＬ（ ＬＬ，ＹＬＬ）、ＰＬＲ（ ＬＲ，ＹＬＲ），女口 （１）①～⑤各状态中两压电陶瓷始终保持 平行； （２）固定脚不打滑，忽略活动脚与支承面的摩 擦力． 以机器人４个支撑脚的中心为原点，前进方向 图５（ａ）所示，初始状态时，各点坐标为 为Ｙ轴，建立局部的平面直角坐标系． ４１８ 西 南 交 通 大 学 学 报 第４６卷 ＵＬ 一 ’ＹＵＬ 一２， ＝（Ｌ一 １ Ｍ 一Ｋ Ｍ ）ｓｉｎ芋一 （５） Ｄ ＵＲ 一２’ｙｕＲ 一２， Ｄ 一一２，ＹＬＬ （１） 一 ， （ ＋ １ Ｍ ＋Ｋ Ｍ ）ｓｉｎ挚＋ ２ Ｌｓｉｎ（２仅）， 札Ｌ Ｄ ＬＲ 一２， ＬＲ Ｌ 一 ’ 从状态①一②，由假设可知线段Ｐ Ｐ 。和 Ｐ Ｐ 保持平行，如图５（ｂ）所示，由平面几何关系 可得 ＵＬ１一 ＵＬ， ）ＵＬ１一 ＵＬ’ △ｙ＝詈一（Ｌ一 １ Ｋ Ｍ 一Ｋ Ｍ ）ｃ。ｓ Ｏ／＋ （Ｌ＋ １ Ｍ ＋ １一Ｍ）ｃｏｓ孥一 ｃ。ｓ（２ （６） 将位置变化转化到全局坐标系，有 ＝ＸＵＲ１ ｕＲ， ＹＵＲ１ ＹＵＲ， Ｒ ㈩ ＬＬ１：ＸＵＬ１＋（三一Ｋ Ｍ ）ｓｉ“ ＯＬ， ）， ＝ｙ 一（ —ＫＬＭ ）ｃ。ｓ— ， （２） 其中：Ｘ、Ｙ为全局坐标系；Ｒ为坐标旋转矩阵， Ｒ＝［ ㈩－ｏ）） ｉｎ（－ ０）ｌＪ＝ ＸＬＲＩ＝．ＸＵＬ１＋（ —ＫＲＭ ）ｓｉｎ詈， Ｙ 。＝ｙ 一（￡一ＫＲＭ ）ｃ。ｓ詈， 其中：Ｏｔ为Ｐｕ』Ｐ 相对Ｐ Ｐ 偏离的角度，逆时针 为正方向， ＫＲＭＲ—ＫＬＭＬ ，、 ．吕 】． ＫＲＭ Ｒ －ＫＬＭＬ△ ＝２ ＝４ ａｒｃｓｉｎ——． （８） 将式（５）、（６）代人式（７），可得描述机器人位置的 ｍ—— 一‘ （３） 差分方程为 Ｘ（ｋ＋１）＝Ｘ（ｋ）＋ＡＸ， （９） （１０） Ｙ（ｋ＋１）＝Ｙ（ｋ）＋△ 从状态②一③，同理可得 ｕｌ２ ＬＩ２一Ｌ ｓｉｎ Ｏｔ， ］ 全局坐标系下的姿态角变化与机器人坐标系 下变化相同，姿态描述的差分方程为 （４） ＹｕＬ２ ＹＬＬ２＋Ｌ ＣＯＳ ， ｕＲ２＝ ＬＲ２一￡ｓｉｎ ， ｌ ｌ（ ＋１）＝ （ ）＋４ ａｒｃｓｉｎＫ ＲＭＲ－ＫＬＭ￣．ＹｕＲ２ ＹＬＲ２＋Ｌ ＣＯＳ ， Ｉ ＸＬＬ２ ： ＸＬＬ１（１１） １ Ｒ２＝ ｌ －ｙ１Ｙ Ｒ２ Ｒ１ Ｒ转弯半径为 ２ ａｒｃｓｉｎ Ａ０ ｒ＝——二二二二二二二二 ， ｌ ＝ｙＩ ． 类似地可分析从状态③～⑤的后半步运动．完 成一步运动后在机器人坐标系下的位置变化为 Ｙ Ｌ Ｖ Ｊ 、／／△ ＋△ （１２） ＪＰＬＪ耻 １ Ｐ【ｊＬ ＰＩＪＲ１ Ｉ 一 。］ 尸ｕＲ ７ Ｐｌ Ｊｌ＿ｌ ‰＼ ＼ 。 尸Ｉ Ｒ — ｕＰＩ＿Ｌｌ Ｄ ＰＬＲ１ ｊ —＿＿＿ｆ ； 尸ｌ＿Ｌ２ 尸ｌ＿Ｉｊ ； 一 尸ＬＬ ＰＬＲ （ｂ）②一③ （ｃ）③一④ （ｄ）④一⑤ 图５微小型机器人一步运动分解示意 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅｒｂｌｉｇ ｏｆ ａ ｍｏｖｉｎｇ ｓｔｅｐ 第３期 杜启亮等：压电陶瓷驱动微小型机器人的运动分析与仿真４１９ ４仿真实验 桌面工厂对不同用途的微小型机器人的运动 图７（ａ）显示了从起始位姿（０，０，０。）到目标点 位姿（８０，１００，一９０。）的运动过程，图中每２００步画 一个矩形表示机器人的实时位姿． 图７（ｂ）显示运动过程中，在 坐标首次大于 能力有不同要求，如用作微零件搬运的机器人需要 跟随某一预定路径运动． 本文进行了仿真实验．在ＭＡＴＬＡＢ环境下建 ４０时，机器人受到（２０，一２Ｏ，一３０。）干扰时的情 况．由图７（ｂ）中可看出，当机器人受到干扰后，由 于 大于阈值，故原地调整好航向角后再往目标 点做直线运动． 立该微小型机器人的仿真模型，其中：Ｌ＝２７ ｍｍ； Ｄ＝２６ ｍｉｌｌ；Ｋ【＝ＫＲ＝０．０００ １４ ｍｍ／Ｖ均为测量 得出． 由上述各式可计算出机器人直线运动最大步 长为０．０４２ ０ ｍｍ，旋转运动最大偏转角度为 ０．１８５ ， ． 实验１开环轨迹控制实验．根据运动模型， 计算行走的步数，使机器人走出ＳＣＵＴ字样的轨迹 曲线，如图６所示，图中每２００步画一个矩形表示 机器人的实时位姿，矩形内小圆圈表示机器人的中 心．以字母“Ｃ”为例，机器人初始姿态角为３Ｏ。， ＭＥ＝５０ Ｖ，Ｍ ＝１５０ Ｖ，逆时针走出圆弧轨迹，转 弯半径为５２ ｍｍ，每一步使姿态角改变Ａ０＝ ０．０３０ ９。，走过４ ８６２步后，姿态角变为１８０．０００ ４。． 然后令ＭＬ＝１５０ Ｖ，Ｍ ＝１５０ Ｖ，走直线轨迹，每走 一步ＡＹ＝一０．０４２ ０ ｍｍ．２ ４７７步后，，，坐标累计 减少１０４．０３４ ０ ｍｍ，此时，再重复最初的走圆弧轨 迹的操作． 图６轨迹控制实验结果 Ｆｉｇ．６ Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌ 实验２ 点一点位姿控制实验．控制方法是每 走一步前，计算当前位置点与目标点的连线的倾角 和当前航向角（前进的方向角由姿态角逆时针旋 转９０。可得）的偏差△ ，如果△ＩＢ≥ （ 为阈值）， 则作原地旋转运动，调整航向角，使偏差变小，直到 △卢＜ ，才开始做直线运动，向目标点逼近．到达目 标点后，原地调整姿态角至期望姿态角． （ａ）未受干扰 （ｂ）受干扰 图７点一点位姿运动控制仿真结果 Ｆｉｇ．７ Ｐｏｉｎｔ—ｐｏｉｎｔ ｐｏｓｅ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 实验３路径跟踪实验．图８（ａ）为机器人进 行直线路径跟踪的仿真效果，图中机器人的初始位 置在所跟踪直线附近，初始航向角【１６１与直线倾角 相同．采用双比例系数的比例控制方法，Ｋ ＝１５， Ｋ２＝４．设机器人到直线的距离为ｅ 在直线上方时 ｅ ＞０；直线倾角到航向角的角度差为ｅ ，ｅｆｔ＞０表 示航向角往上偏离直线． 控制算法如下： ｄ＞０，ｅ８＞０， ｄ＞０，ｅ８＜０， ４２０ 西 南 交 通 大 学 学 报 第４６卷 Ｍ Ｌ＝Ｒ＝ ，１５０＋ ’Ｍ ：１５０ ，Ｊ） ｅｄ＜０，ｅ８＜０， Ｍ Ｌ＝Ｒ＝１５０＋ｅｄ＜０， ＞０ Ｍ ： ，１５０ ， Ｊ） 和 的输出曲线如图８（ｂ）所示，其中实 线为Ｍ 输出量，点划线为 输出量． （ａ）路径跟踪 Ｏ ５ １０ １５ 步数／×ｌ０３ （ｂ）控制量 图８路径跟踪仿真结果 Ｆｉｇ．８ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｐａｔｈ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ５ 结束语 文中给出２个平行配置的压电陶瓷作为驱动 器件的微小型机器人的运动原理和驱动控制方法． 在两压电陶瓷平行的假设条件下，对完整的一步运 动进行了详细分析和坐标计算，建立了该机器人的 平面运动模型．根据该模型的计算可知，机器人直 线运动最大步长为０．０４２ ０ ｍｍ，旋转运动最大偏 转角度为０．１８５。／步．在此基础上，进行了机器人开 环轨迹控制，点位姿运动控制和路径跟踪实验．结 果表明，该微小型移动机器人可有效地满足桌面工 厂的应用需求．下一步的研究将集中于对机器人在 全局摄像机下的视觉伺服控制，包括动态路径规 划、时间最优控制等方面． Ａ／ 壬 参考文献： 如 ∞ 如 ０ 如 ∞ ［１］孙立宁，周兆英，龚振邦．ＭＥＭＳ国内外发展状况及 我国ＭＥＭＳ发展战略的思考［Ｊ］．机器人技术与应 用，２００２（２）：２４． ＳＵＮ Ｌｉｎｉｎｇ，ＺＨＯＵ Ｚｈａｏｙｉｎｇ，ＧＯＮＧ Ｚｈｅｎｂａｎｇ． Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ＭＥＭＳ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ［Ｊ］． Ｒｏｂｏｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００２（２）：２＿４． ［２］葛文勋，丛鹏．微机电系统发展动向［Ｊ］．纳米技术 与精密工程，２００７，５（３）：１８２—１８９． ＧＥ Ｗｅｎｘｕ，ＣＯＮＧ Ｐｅｎｇ．Ｔｒｅｎｄｓ ａｎｄ ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｏｆ ＭＥＭＳ［Ｊ］．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００７，５（３）：１８２—１８９． ［３］ 陈卫东．微型移动机器人集群系统研究进展［Ｊ］．上 海电机学院学报，２００７，１０（２）：８１—８５． ＣＨＥＮ Ｗｅｉｄｏｎｇ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔ ｉｎ ｓｗａｒｌｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｄｉａｎｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００７，１０（２）：８１—８５． ［４］ 朱涛，谈大龙．微动机器人的致动机理研究综述 ［Ｊ］．机械设计，２００３，２０（７）：１—３． ＺＨＵ Ｔａｏ，ＴＡＮ Ｄａｌｏｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｃｔｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔｓ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ，２００３， ２０（７）：１—３． ［５］ＭＡＲＴＥＬ Ｓ，ＲＩＥＢＥＬ Ｓ，ＫＯＫＥＲ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｎａｎｏｒｏｂｏｔｉｃ ｆａｃｔｏｒｙ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＮａｎｏＷａｌｋｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ８ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｅｍｅｒｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｅｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔｉｃｓ ｉｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ． Ｎｉｃｅ： ＩＥＥＥ，２００ｌ：５９１—５９７． ［６］ ＭｃＬＵＲＫＩＮ Ｊ．Ｕｓｉｎｇ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔｓ ｆｏｒ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｏｒｄｉｎａｎｃｅ ｄｉｓｐｏｓａｌ［Ｒ］．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：ＭＩＴ Ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，２０００． ［７］ ＦＡＨＬＢＵＳＣＨ Ｓ，ＦＡＴＩＫＯＷ Ｓ，ＳＥＹＦＲＩＥＤ Ｊ，ｅｔ ａ１． Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ＭＩＮＩＭＡＮ：ｄｅｓｉｇｎ， ａｃｔｕａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １９９９ ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ．Ａｔｌａｎｔａ：ＩＥＥＥ，１９９９：１５６—１６１． ［８］ ＣＡＰＲＡＲＩ Ｇ，ＢＡＬＭＥＲ Ｐ，ＰＩＧＵＥＴ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｍｉｃｒｏ ｒｏｂｏｔ“Ａｌｉｃｅ”：ａ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ ａｎｄ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １９９８ Ｉｎｔ．Ｓｙｍ．ｏｎ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｈｕｍａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｎａｇｏｙａ：［Ｓ．ｎ．］，１９９８：２３１－２３５． ［９］ＰＡＲＫ Ｊ Ｙ，ＫＩＭ Ｄ Ｈ，ＫＩＭ Ｂ Ｙ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ３－ＤＯＦ ｍｏｂｉｌｅ ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＫＳＭＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ， ２００３，１７（９）：１２６８—１２７５． （下转第４３３页） 第３期 朱 军等：基于移动智能体的空间信息共享服务设计与实现４３３ （上接第４２０页） ［１Ｏ］ 陈海初，李满天，王振华，等．压电陶瓷驱动三自由 度精密移动定位微小机器人［Ｊ］．压电与声光， ２００５，２７（４）：３５６—３５８． ＣＨＥＮ Ｈａｉｃｈｕ，ＬＩ Ｍａｎｔｉａｎ，ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｈｕａ，ｅｔ ａ１． ３一Ｄ．Ｏ．Ｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｅ ｍｏｂｉｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｉｅｒｏｒｏｂｏｔ 魏泳涛．智能材料在土木工程中的应用［Ｊ］． ［１４］ 刘勇，西南交通大学学报，２００２，１１（增刊）：１０７—１０９． ＬＩＵ Ｙｏｎｇ，ＷＥＩ Ｙｏｎｇｔａｏ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｏ ｃｉｖｉｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００２，１１（Ｓｕｐ．）：１０７—１０９． ｗｉｔｈ ＰＺＴ ｄｒｉｖｅｒｓ［Ｊ］．Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｅｓ＆Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃｓ， ２００５，２７（４）：３５６—３５８． ［１５］ ＫＩＴＡＨＡＲＡ Ｔ，ＡＳＨＩＤＡ Ｋ，ＴＡＮＡＫＡ Ｍ．ｅｔ ａ１． ［１１］李伟达，孙立宁，蒋振字，等．一种新型谐振式微小 型机器人移动机构［Ｊ］．纳米技术与精密工程， ２００９，７（５）：４ｌ３＿４１８． ＬＩ Ｗｅｉｄａ，ＳＵＮ Ｌｉｎｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｚｈｅｎｙｕ，ｅｔ ａ１． Ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ａ ｎｏｖｅｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｍｉｅｒｏｆａｃｔｏｒｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｌａｔｈｅ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔ． Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｆａｃｔｏｒｙ．Ｔｓｕｋｕｂａ：［ｓ．ｎ．］，１９９８： １－８． ［１６］ 张显库．基于Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定性的船舶航向保持非线 性控制［Ｊ］．西南交通大学学报，２０１０，４５（１）：１４０— １４３． ｍｉｅｒｏｒｏｂｏｔ［Ｊ］． Ｎａｎｏｔｅｅｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，７（５）：４１３－４１８． ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎｋｕ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｓｈｉｐ ｃｏｕｒｓｅ— ［１２］ 葛翔．基于毫米级移动机器人的微装配系统研 究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００５． ［１３］ＡＯＹＡＭＡ Ｈ，ＩＷＡＳＡＫＩ Ｔ，ＳＡＳＡＫＩ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｍｉｃｒｏ ｋｅｅｐｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌｙａｐｕｎｏｖ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１０，４５（１）：１４０一 ｌ４３． ｃｌｉｍｂｅｒ ｗｉｔｈ ｐｉｅｚｏ ｔｈｒｕｓｔ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｏｃｋ［Ｃ］∥ Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔ．Ｓｙｍ．ｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ （中文编辑：秦瑜 英文编辑：兰俊思） Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ．Ｎａｇｏｙａ：［Ｓ．ｎ．］，１９９２：２８２—２８７．
