资源描述：
《电磁驱动微小型机器人控制系统的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第6卷第4期光学精密工程Vol.6,No.41998年8月OPTICSANDPRECISIONENGINEERINGAugust,1998电磁驱动微小型机器人控制系统的研究陈寅颜国正戎荣林良明(上海交通大学信息检测与仪器系上海200030)摘要介绍了一种新研制的电磁驱动微小型机器人的原理和控制系统,阐述了如何通过计算机来控制微机器人的运动参数,对数据进行采集分析,并较好地实现了人机通信。该系统主控制器是一台内插PC-6315模入模出接口卡的计算机,用来产生驱动机器人的波形信号,并同时对运动参数进行采集分析处理,实时改变驱动信号以达到最优控制。关键词微机电
2、系统电磁驱动微机器人1引言近年来,微机电系统(MEMS)发展迅猛,在精密机械工程、生物医学、核工业及宇航等方面有着广泛的应用,是二十一世纪末的新型前沿学科。就一个微小型系统而言,是集微型驱动器、微型执行机构、微型传感以及信号处理、控制电路、甚至接口、通信等于一体的微型机电系统。其中对于微小型驱动器的研究和开发受到了国际机电领域的广泛重视,目前微小型驱动器采用的驱动原理大致有这么几种:电磁型、压电晶体型、SMA(形状记忆合金)型、静电型、气动型和热膨胀型。本文介绍的电磁驱动微小型机器人,采用电磁力驱动,蠕动爬行,具有结构简单、体积尺寸小(7mm×60mm
3、)、重量轻(5g)、进退操作方便、控制灵活等特点。该微型机器人通过计算机来控制,由计算机产生驱动信号,机器人的各项运动参数经A/D卡采集后反馈给计算机,进行分析处理。2电磁驱动微小型机器人的运动原理该微小型机器人采用电磁式驱动,由四节驱动单元构成,如图1所示。其中驱动单元1、2、3上绕着线圈,利用通电线圈和磁芯之间会产生相对运动来实现机器人的动作。即借助于驱动收稿日期:1998-04-214期陈寅等:电磁驱动微小型机器人控制系统的研究71器与所爬行界面间的摩擦作用,通过给线圈加一系列时序脉冲的控制,依次使各单元动作,以多拖少而达到蠕动式爬行的运动形式。在
4、驱动单元中,永久磁铁棒作为线圈的磁芯,由于放置Fig.1Frameworkofmicrorobotdrive在外磁场中的载流导体会受到安培力的作用,则线圈处于永久磁铁所产生的磁场中。当线圈中通以激励电流时,由于磁场的存在会使线圈受到安培力的作用,从而使线圈与磁棒之间产生相对运动,这就是驱动器的基本驱动原理。电磁驱动器的四节驱动单元之间采用万向节联接,增加了驱动器的空间自由度,使整个驱动器的运行状态更接近于软体动物的蠕动爬行。设线圈未通电时为原始状态1,如图2所示。此时分别在驱动单元件的线圈1、2和3中通以如图3所示的控制信号。在t1时刻,线圈1内通正向电
5、平,线圈2、线圈3为零电平。此时,绕有线圈1的驱动单元件受到安培力作用产生与磁芯间的相对运动,带动驱动单元件0往右运动,而线圈2、3所在的驱动单元位置保持不变,如图2的状态2所示。在t2时刻,线圈1中电平回复到零电平、线圈2跳变为正、线圈3保持零电平,则驱动单元件2与磁棒间有相对运动,由于驱动单元件1的线圈中此时没有控制电流,线圈与磁棒间不存在相互作用力,线圈1所在的驱动单元被很容易地沿磁芯向右移动,成为状态3。在t3时刻,线圈1电平保持为零,线圈2回复到零电平,而线圈3则跳变为正电平,同样的原理,驱动单元件3和磁芯间的相对作用力,带动驱动单元件2往右移
6、动,形成如图的状态4。在t4时刻,线圈1、线圈2中电压保持为0不变,线圈3内跳变为负电平将驱动单元件3向右边推出,处于状态5。从t1到t5时刻的一个周期内,该驱动器实现向右运动了一小段位移,则微型机器人移动了等于这段位移的步距长。重复在各线圈内通以如上的控制电流,就可以实现微机器人的连续动作,类似于蠕动式的爬行运动。如果改变通给线圈1、2、3的三路驱动控制信号的时序和频率,就能改变驱动器的运动方向及驱动速度,达到微机器人的运动要求。Fig.2MovingprincipleofdriveFig.3Schedulingofcontrolsignal72光学精
7、密工程6卷图3所示为理想的驱动控制信号波形。在实际操作中,驱动器的运动特性将受到界面的摩擦力、粘附力大小及分布不均匀性等的影响。因此,驱动信号的幅值及其频率应具有可调节功能,以使驱动在界面上的运动达到最佳状态。驱动信号的产生和控制由计算机来实现。3驱动信号的产生与系统的控制从驱动器的运动原理来看,只要在线圈中周期性地通以图3所示的控制信号,就能够实现微机器人的反复动作,即微机器人的运动由一系列方波来控制。这些方波由计算机通过D/A卡来产生。本系统采用了PC-6315模入模出接口卡,它安装使用方便,其模入模出信号均由卡上的扁平带缆插头与外部信号源及设备连接
8、。它的D/A变化可以产生0～10V的可调电压范围,作为信号源用以控制微机器人驱动
