巡線機器人的設(shè)計說明書[帶圖紙]

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論................................................................................................1</p><p>　　§1.1研究背景及意義..............

2、........................................................................1</p><p>　　§1.2架空線路巡線機器人與機器人仿真文獻綜述......................................2</p><p>　　1.2.1架空線路巡線機器人研究概況................

3、...............................................2</p><p>　　1.2.2機器人仿真簡介.......................................................................................6</p><p>　　§1.3本文主要內(nèi)容...........

4、...............................................................................7</p><p>　　第二章 巡線機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與三維建?！?.8</p><p>　　§2.1線機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計........................................

5、..................................8</p><p>　　2.11方案要求....................................................................................................8</p><p>　　2.12總體結(jié)構(gòu)......................

6、.............................................................................10</p><p>　　2.13柔性臂.......................................................................................................10</p

7、><p>　　2.14驅(qū)動裝置...................................................................................................13</p><p>　　2.15剎車制動裝置.............................................................

8、..............................14</p><p>　　2.16手掌開合裝置...........................................................................................14</p><p>　　§2.2器人的建模.........................

9、....................................................................15</p><p>　　第三章 巡線機器人機械手運動學分析......................................................18</p><p>　　§3.1引言...................

10、.....................................................................................18</p><p>　　§3.2數(shù)學基礎(chǔ)理論........................................................................................18</

11、p><p>　　3.2.1剛體位姿的表示與齊次變換............................................................18</p><p>　　3.2.2機器人運動學方程的D-H表示法........................................................20</p><p>　

12、　§3.3巡線機器人四自由度機械手運動學分析............................................22</p><p>　　3.3.1機械手的正運動學分析.........................................................................22</p><p>　　3.3.2機械手的逆運

13、動學分析.........................................................................24</p><p>　　3.3.3機械手關(guān)節(jié)速度和雅可比矩陣.............................................................27</p><p>　　§3.4本章小結(jié).

14、..............................................................................................29</p><p>　　第四章 總結(jié)與展望....................................................................................30<

15、/p><p>　　§4.1本文總結(jié)................................................................................................30</p><p>　　§4.2后續(xù)工作與展望...................................................

16、.................................30</p><p>　　致謝..................................................................................................................31</p><p>　　參考文獻.................

17、..........................................................................................32</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　§1.1研究背景及意義</p><p>　　電力系統(tǒng)最重要的任務是提供高質(zhì)

18、量和高可靠性的電力。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。由于輸電線路分布點多、面廣，絕大部分遠離城鎮(zhèn)，所處地形復雜，自然環(huán)境惡劣，且電力線及桿塔附件長期暴露在野外，會受到持續(xù)的機械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時修復更換，原來微小的破損和缺陷就可能擴大，最終導致嚴重事故，造成大面積停電，從而造成極大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會影響。所以，必須對輸電線路進行定期巡視檢查，隨

19、時掌握和了解輸電線路的運行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護區(qū)的變化情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預防事故的發(fā)生，確保供電安全。目前，對輸電線路的巡檢主要采用兩種方法，即地面人工目測法和直升飛機航測法。前者的巡檢精度低，勞動強度大，且存在巡檢盲區(qū)。部分地區(qū)大雪封山時，車輛和行人無法進入(如圖1.1所示)；在深山還有野獸出沒，這給巡視人員帶來了很大的安全隱患；后者則存在飛行安全隱患且巡線費用昂貴(如圖1.2所示)。如果用直升機巡視替代地面巡視

20、，則每100公里1年巡視費用同塔雙回線需217.92萬元（單回線136萬元）。如果用直升機</p><p>　　由于巡線機器人可以克服上述缺陷，因此，巡線機器人已成為特種機器領(lǐng)域的一個研究熱點。巡線機器人不僅可以減輕工人巡線的勞動強度，降低高壓輸電的運行維護成本，還可以提高巡檢作業(yè)的質(zhì)量和科學管理技術(shù)水平，對于增強電力生產(chǎn)自動化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益和社會效益都具有重要意義。</p><

21、p>　　巡線機器人懸掛于架空避雷線上，并以此為行駛作業(yè)路徑，通過自動控制方式完成輸電線路巡檢作業(yè)，及對線路的機械電氣故障，包括絕緣子劣化和污穢、導線的機械破損、連接金具機械松脫等故障進行檢測。其特殊的作業(yè)環(huán)境要求機器人能夠沿輸電導線全程運行，包括沿輸電導線的直線段和耐張線段實現(xiàn)滾動爬行，跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防振錘、耐張線夾等結(jié)構(gòu)型障礙物。</p><p>　　因此，機器人的本體設(shè)計是整機設(shè)計中一

22、個相當重要的部分，需經(jīng)過多次反復才能完成；在進行機器人結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時，需要建立一定的實驗環(huán)境(導線物理模型、障礙物等)，對樣機進行多次實驗以檢驗其是否能達到預期的目標，這就導致其設(shè)計的周期長、設(shè)計效率低以及改型工作量大等缺點。此外，樣機的單機制造增加了成本。在競爭的市場條件下，基于物理樣機的設(shè)計驗證過程嚴重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高、成本的降低及市場推廣應用。</p><p>　　然而，利用仿真技術(shù)可以方便地建立機

23、器人的虛擬樣機模型。在設(shè)計之初，就可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的運動分析、動力分析、載荷及應力分析等，可大大提高機器人本體設(shè)計的質(zhì)量和效率。而且，仿真軟件的應用可以使設(shè)計更為優(yōu)化，即在計算機上修改設(shè)計缺陷，仿真試驗不同的設(shè)計方案，對整個系統(tǒng)進行不斷改進，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案。同時，通過計算機仿真可以代替己有的物理樣機進行各種狀態(tài)的仿真分析，降低物理樣機現(xiàn)場實驗的風險。利用仿真數(shù)據(jù)對模型進行修改，綜合仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對所設(shè)計的虛擬樣機性能做出準確

24、的評價及提出建議。</p><p>　　本文將仿真技術(shù)引入到巡線機器人機構(gòu)、運動學分析中，為研究巡線機器人作業(yè)性能及運動學特性，從虛擬樣機的角度，提供了一定的參考依據(jù)。本文所建立的巡線機器人全參數(shù)化模型，可以通過實驗數(shù)據(jù)對其進行修正，從而為機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化、路徑規(guī)劃等做出鋪墊。</p><p>　　§1.2架空線路巡線機器人與機器人仿真文獻綜述</p><p&g

25、t;　　1.2.1架空線路巡線機器人研究概況</p><p>　　國外巡線機器人的研究始于20世紀80年代末，日本、加拿大、美國等發(fā)達國家先后開展了巡線機器人的研究工作。1988年，東京電力公司的Swada等人研制了光纖復合架空地線(OPGW)巡線移動機器人，如圖1.3所示。該機器人利用一對驅(qū)動輪和一對夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上防振錘、螺旋減震器等障礙物。遇到桿塔時，機器人采用仿人攀援機理，先展開攜帶的弧形手

26、臂，手臂兩端勾住線塔兩側(cè)的地線，構(gòu)成一個導軌，然后本體順著導軌滑到線塔的另一側(cè)；待機器人夾持輪抱緊線塔另一側(cè)的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。機器人運動控制有粗略和精確定位兩種模式，粗略控制是把線塔和地線的資料數(shù)據(jù)(線塔的高度、位置、電線長度、線路上附件數(shù)量等)預先編制好程序輸入機器人，據(jù)此控制機器人的行走和越障；精確定位控制則根據(jù)傳感器反饋信息進行控制。機器人攜帶的損傷探測單元采用渦流分析方法探測光纖復合架空地線的損傷情況，

27、并把探測數(shù)據(jù)記錄到磁帶上。但因其質(zhì)量過大，達到100kg，而不能推廣應用。</p><p>　　加拿大魁北克水電研究院的Serge Montambault等人在2000年開始了HQLineROVer遙控小車(見圖1.4)的研制工作，遙控小車起初用于線路巡檢、維護等多用途移動平臺。第三代原型機構(gòu)緊湊，僅重25kg，驅(qū)動力大，抗電磁干擾能力強，能爬52度的斜坡，通信距離可達1000m，小車采用靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，安裝不

28、同的工作頭即可完成架空線視覺和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評估、導線和地線更換、導線清污和除冰等帶電作業(yè)，已在工作電流為800A的315kV電力線上進行了多次現(xiàn)場測試，但是HQ LineROVer沒有越障能力，只能在兩線塔間的電力線上工作。</p><p>　　美國TRC公司1999年研制了一臺懸臂巡線機器人原型，如圖1.5所示。它能沿架空導線長距離爬行，執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點、壓接頭等視覺檢查任務，對探測到的線路

29、故障數(shù)據(jù)預處理后，傳送給地面人員。當機器人遇到桿塔時，利用手臂采用仿人攀援的方法從側(cè)面越過桿塔。其缺點是無法攀爬30度以上的斜坡而不能廣泛應用。</p><p>　　文獻中，介紹了工作于66kV光纖架空地線，能夠跨越防振錘和線夾的機器人。文獻給出了一種新型移動機器人機構(gòu)，由雙臂、四套執(zhí)行機構(gòu)和手爪構(gòu)成，該機器人能夠沿架空地線行走，并且能夠跨越桿塔。文獻給出了一種能夠沿架空地線行走并且跨越防振錘、桿塔、線夾等障礙物

30、的移動機器人。但上述機器人都具有18個以上的自由度，導致功耗過高而不能應用到實際工作中。</p><p>　　圖1.6是中國科學院沈陽自動化研究所研制出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超高壓輸電線路巡檢機器人，并于2006年4月12日與錦州超高壓局合作開展了現(xiàn)場帶電巡檢試驗，在其所管轄的500kV超高壓輸電線(東遼二線)上成功地完成了沿線行走，但沒有越障能力。</p><p>　　綜合國內(nèi)外對于巡線機

31、器人的研究情況，當代巡線機器人的研究主要集中于以下幾個方面：</p><p><b>　　(1)機器人結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　機器人機械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，是根據(jù)實際需要進行的。在機器人機構(gòu)方面，結(jié)合機器人在各個領(lǐng)域及各種場合的應用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機器人由于其控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在

32、向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。</p><p><b>　　(2)運動控制技術(shù)</b></p><p>　　穩(wěn)健的運動控制技術(shù)是移動機器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動機器人本身是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅(qū)動的零漂移的動力學系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動力學模型和運動學模型，建立合理的反饋控制律，實現(xiàn)車速

33、和轉(zhuǎn)向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術(shù)的核心內(nèi)容。</p><p><b>　　(3)路徑規(guī)劃技術(shù)</b></p><p>　　該技術(shù)主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術(shù)和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)。由于自主式移動機器人在地面上行駛，必須避開它無法通過的或?qū)ζ浒踩旭倶?gòu)成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，

34、顯得更為重要。</p><p><b>　　(4)實時視覺技術(shù)</b></p><p>　　該技術(shù)主要涉及到視覺信息的實時采集、預處理、特征提取和模式識別。而且，視覺信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準確性是決定智能機器人整體性能的決定性因素。</p><p>　　(5)定位和導航技術(shù)</p><p>　　該技術(shù)是

35、現(xiàn)代輪式移動機器人研制所急需的關(guān)鍵技術(shù)，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術(shù)基礎(chǔ)。位置的測量可以分為相對位置測量和絕對位置測量，測量方法有里程計、慣性導航、主動燈塔、磁羅盤、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標導航等。</p><p>　　(6)多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)</p><p>　　自主式移動機器人采用測距技術(shù)，GPS定位技術(shù)和小型陀螺儀技術(shù)等多種傳感技術(shù)來采集不同類型的環(huán)境信息。因此，準確地

36、處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對所處環(huán)境作出準確可靠的描述并據(jù)此作出正確的決策和控制，是多傳感集成和數(shù)據(jù)融合研究的任務。</p><p><b>　　(7)檢測技術(shù)</b></p><p>　　一種是可見光檢測方法，采用高分辨率攝像機攝取目標圖像，一般能發(fā)現(xiàn)架空線大部分表面故障現(xiàn)象，精度和準確度取決于圖像質(zhì)量。如何讓巡線機器人自主控制攜帶的攝像設(shè)備，捕捉特定目

37、標，獲取多視角、高清晰度目標圖像是關(guān)鍵；另一種是紅外探測技術(shù)，當輸電導線存在諸如導線斷股、絕緣子破損等故障時，故障點附近會出現(xiàn)局部溫升，產(chǎn)生熱輻射。這些故障難以通過視覺檢查發(fā)現(xiàn)，我們可以采用紅外探測技術(shù)加以彌補。具體來說，就是熱成像技術(shù)，這是一種廣泛用于輸變電系統(tǒng)的故障探測技術(shù)，可以攝取表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點的紅外光譜圖像，然后根據(jù)圖像，人工或自動判讀可能的故障器件。</p><p>　　(8)高性

38、能計算技術(shù)</p><p>　　在移動機器人的早期研究工作中，專用硬件結(jié)構(gòu)為多數(shù)研究者所采用，這是因為當時市場上的通用硬件不能滿足諸如實時圖像處理所需的計算能力。近年來，隨著計算機計算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構(gòu)建機器人系統(tǒng)。目前用于移動機器人的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個高速通用處理器加上幾個專用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數(shù)學形態(tài)學計算)，或者通過實驗確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來

39、縮小體積，達到優(yōu)化的性能。</p><p>　　(9)無線通信與因特網(wǎng)技術(shù)</p><p>　　這兩項技術(shù)可以實現(xiàn)多機器人之間的通信和信息共享，以及機器人與外部的聯(lián)系。</p><p>　　1.2.2機器人仿真簡介</p><p>　　仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ)，以計算機和各種專用物理設(shè)備為工具，采用系統(tǒng)模

40、型對真實系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術(shù)。它利用物理或數(shù)學方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達到認識和改造實際系統(tǒng)的目的。計算機仿真是在研究系統(tǒng)過程中根據(jù)相似原理，利用計算機來逼真模擬研究對象。研究對象可以是實際的系統(tǒng)，也可以是設(shè)想中的系統(tǒng)，是將研究對象進行數(shù)學描述、建模編程，且在計算機中允許實現(xiàn)。它不怕破壞、易修改、可重用。計算機仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計系統(tǒng)的全過程中，包括方

41、案論證、技術(shù)指標確定、設(shè)計分析、生產(chǎn)制造、試驗測試、維護訓練、故障處理等各個階段。</p><p>　　機器人計算機仿真具有以下意義：</p><p>　　1)開發(fā)前期對設(shè)計思想論證和評優(yōu)，包括對各種方案的運動學及動力學特性進行評估；</p><p>　　2)準確的動力學模型為機器人控制提供參考依據(jù)；</p><p>　　3)最終設(shè)計的產(chǎn)品進

42、行性能校核，包括檢驗機器人能否完成預定目標，及對其運行狀況進行評價；</p><p>　　4)有效的仿真模型還可以用來對最終產(chǎn)品性能進行跟蹤、故障預測、診斷等。</p><p>　　仿真技術(shù)應用于機器人，國外在70年代就開始了這一方面的研究工作。P.N.sheth和J.J.Unicker于1972年開發(fā)了機構(gòu)計算機輔助設(shè)計和分析系統(tǒng)IMP用來分析閉環(huán)機構(gòu)運動學、靜力學、時間滯后及振動分析。

43、隨后誕生了ADAMS(Automatic DynamicAnalysis of Mechanical System)。兩者的功能擴展到對一般機構(gòu)的動力學仿真。1978年，西德Warcoke等人開發(fā)了機器人圖形仿真程序包IPA，該軟件包含一個200種機器人的數(shù)據(jù)庫。法國Licgois等人聯(lián)合開發(fā)了一個包括機器人機構(gòu)設(shè)計和動態(tài)分析的機器人CAD系統(tǒng)。美國DAUGLAS公司推出了McAuto軟件包，用于機器人工作站的設(shè)計與動態(tài)仿真。John.

44、J.MurrayCharles,PNuman等人研制的ARM軟件包可自動生成機器人操作手末端相對于基座的位置矩陣和完整的拉格朗日動力學模型。</p><p>　　國內(nèi)機器人仿真的研究總體上來說起步較晚，基礎(chǔ)薄弱。國內(nèi)從80年代后期，才開始從事機器人仿真技術(shù)的研究。清華大學、浙江大學、沈陽自動化研究所及上海交通大學等做了起步工作，取得了一定成果。南京理工大學于1994年用C語言開發(fā)ROBGSS.ROLOPS系統(tǒng)，逐

45、漸形成了較完善的機器人仿真系統(tǒng)。劉又午教授等人以底座、大臂、小臂和3個腕關(guān)節(jié)構(gòu)成的、且每個關(guān)節(jié)皆為圓柱鉸接的典型6自由度工業(yè)機器人為模型，對通用程序進行了簡化，開發(fā)出工業(yè)機器人動力學分析專用程序。中國農(nóng)業(yè)大學周一鳴教授主持開發(fā)了廣義機構(gòu)計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)GMCADS(Generalized Mechanisms Computer Aided Design System)，該系統(tǒng)用迭代方法計算機械系統(tǒng)的自由度，在靜力學分析中用勢能極小原理

46、求解系統(tǒng)的靜平衡位置，在動力學分析中采用了哈密爾(Hamilton)正則方程。但是，國內(nèi)的軟件都只停留在實驗室中，離軟件商品化還有很大距離。</p><p>　　§1.3本文主要內(nèi)容</p><p>　　1、簡要闡述了巡線機器人技術(shù)及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。提出了本課題巡線機器人的設(shè)計方案。</p><p>　　2、利用CATIA軟件，建立了巡線機器人基于

47、特征的參數(shù)化模型，以此為基礎(chǔ)建立了該機器人的虛擬樣機。</p><p>　　3、從機構(gòu)學的角度分析了巡線機器人操作臂的角位移、角速度等。</p><p>　　4、利用CAT/ADAMS模塊將虛擬樣機導入到ADAMS軟件中，基于ADAMS建立了運動學仿真模型，對巡線機器人進行了運動仿真，得到了仿真曲線。驗證了巡線機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和路徑規(guī)劃的合理性和正確性，為機器人的后續(xù)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。&

48、lt;/p><p>　　第二章 巡線機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與三維模型的建立</p><p>　　由于機器人本體結(jié)構(gòu)極其復雜，為了快速準確地建立其模型，并方便日后的修改和計算，利用代表目前機械CAD領(lǐng)域新標準的參數(shù)化設(shè)計軟件CATIA來建立機器人本體結(jié)構(gòu)模型，基于CATIA軟件對機器人本體結(jié)構(gòu)的主要零部件進行了準確的創(chuàng)建。</p><p>　　§2.1巡線機

49、器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　2.1.1方案要求</b></p><p>　　要求研制一臺針對500kv電壓等級高壓架空輸電線路(其中：避雷線規(guī)格為LGJ500/45、懸垂線夾規(guī)格為CGF-6X、防振錘規(guī)格為FD-6)，具有自主越障能力和爬坡能力的巡線機器人。機器人在分布式計算機控制系統(tǒng)的控制下，能夠以一定的速度沿架空線路運動，并能跨越防振錘、耐張線夾

50、、懸垂線夾、跳線等障礙，具有自動剎車自保功能，以避免從高空摔落。其巡線作業(yè)環(huán)境如圖2.1。</p><p>　　所以，本文中巡線機器人的工作原理和過程為：</p><p><b>　　1)機器人上線；</b></p><p>　　2)機器人本體計算機在接收到運行命令后，驅(qū)動機器人沿避雷線行走；</p><p>　　3)巡

51、線機器人通過滾輪完成沿避雷線無障礙段的行進。行進過程中檢測裝置不斷檢測前方障礙物的情況，同時攝像機對線路和機器人本身的工作狀態(tài)進行拍攝，拍到的圖像通過無線設(shè)備實時傳輸?shù)降孛婀ぷ骰?，決定是否對線路進行維護；同時對機器人本身的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，決定是否對機器人的運動給予干預；</p><p>　　4)機器人檢測到前方有防振錘時，由于手掌采用中空設(shè)計，因此機器人無需做任何調(diào)整，即可直接爬越；</p>&

52、lt;p>　　5)當安裝在機械手前端的接近覺傳感器檢測到懸垂線夾時，機器人控制肘關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)，使末端執(zhí)行器上移，直至驅(qū)動輪離開避雷線，然后手掌電機驅(qū)動手掌張開；其開合度要大于障礙寬度；之后，后面兩只手驅(qū)動電機繼續(xù)行走，當中間手接近懸垂線夾時，前臂回落，同時手掌合攏，直至掛線；然后中間手電機驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)使中間手上移，然后手掌張開，接通前后兩手的驅(qū)動電機，繼續(xù)行走。當后手接近懸垂線夾時，控制中間手回落，手掌合攏，直至驅(qū)動輪掛線；之

53、后，后肘關(guān)節(jié)電機驅(qū)動后小臂選轉(zhuǎn)，手掌張開，前兩驅(qū)動輪繼續(xù)行走；當后手跨越線夾后，手掌閉合回落，機器人完成跨越懸垂線夾的任務，繼續(xù)行進；</p><p>　　6)當機器人跨越跳線時，手的脫線和抱線方法與跨越懸垂線夾時相同；首先前手脫線，通過前端視覺傳感器，可檢測到避雷線與跳線角度，這時大臂電機按此角度旋轉(zhuǎn)，使末端執(zhí)行器位于跳線下方，前手抓住跳線，然后中間手脫線，啟動前后手的驅(qū)動電機使機器人行走。中間手接近跳線時停止

54、行走，調(diào)整前后柔性臂，使中間手抓住跳線，啟動行走。當后手接近跳線時，停止行走，后手脫線；用前手和中間手驅(qū)動機器人繼續(xù)行走，越過跳線線夾后，停止行走，調(diào)整柔性臂，使后手抓住跳線，完成從直線到跳線的跨越；機器人由跳線到直線的跨越方法與上述過程相同，由于是一個上坡過程，為了使機器人不至于滑下來，需使用剎車裝置；</p><p>　　7)檢測到轉(zhuǎn)彎跳線時，運動過程與跨越直線跳線不同的地方是柔性臂的姿態(tài)除了上下調(diào)整外，還需

55、要水平調(diào)整，其余完全相同；</p><p>　　8)當線路坡度較大、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動無法實現(xiàn)機器人行進時，直接表現(xiàn)為驅(qū)動輪打滑，此時機器人三個制動器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動爬行機構(gòu)，進行蠕動行進。</p><p>　　本課題對巡線機器人的主要技術(shù)指標和要求是：</p><p>　　1)具有自主越障能力；</p><p>　　2)具有一定

56、爬坡能力；</p><p>　　3)單機重量：小于100千克；</p><p><b>　　2.1.2總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　考慮到輸電線路具有防振錘、耐張線夾、懸垂線夾、跳線和轉(zhuǎn)彎等各種障礙、并</p><p>　　具有一定坡度。為了達到上述要求，巡線機器人的機械手必須動作靈活，工作范圍大，能完成規(guī)定的動

57、作，應有自由度4-5個，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。我們摒棄機器人常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出了適用于500kv輸電線路的自動巡線機器人，其總體機構(gòu)二維簡圖如圖2.2所示，三維圖如圖2.3所示。主要由五大部分組成：驅(qū)動裝置、剎車制動裝置、手掌開合裝置、柔性臂、電源箱和控制箱。</p><p><b>　　2.1.3柔性臂</b></p><p>　　機械手的手臂是執(zhí)行機構(gòu)中的主要運動部

58、件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，</p><p>　　并使它們能在空間運動。為了使手部能達到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機器人手臂自由度少于三個。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖2.4所示.</p><p>　　本課題要求機器人手臂能達到工作空間的任意位置，同時要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機器人比非關(guān)節(jié)型機器人有大得多的相對空間

59、(手腕可達到的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該機器人采用關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　手腕的構(gòu)形也有多種形式。三自由度的手腕通常有以下四種形式：BBR型、BRR型、RBR型和RRR型。如圖2.5所示。</p><p>　　B表示彎曲結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運動構(gòu)件的軸線在工作過程中相互間角度有變化。R表

60、示轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運動構(gòu)件的軸線在工作過程中相互間角度不變。BBR結(jié)構(gòu)由于采用了兩個彎曲結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)尺寸增加了，而RBR與前者相比結(jié)構(gòu)緊湊。</p><p>　　由于機械手的運動軌跡要求機械手端面平行于避雷線，這樣用兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)就可以使機械手的姿態(tài)滿足要求，且機械結(jié)構(gòu)更加簡單，減輕了重量。綜合考慮后確定該機械手具有四個自由度，其中手臂兩個自由度確定機械手的位置，后兩個自由度確定手的姿態(tài)，最后確定其結(jié)構(gòu)

61、形式如圖2.6所示。</p><p>　　綜上所述，柔性臂由機座、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器組成。共有四個自由度，依次為大臂回轉(zhuǎn)、小臂俯仰、手腕俯仰、手腕回轉(zhuǎn)。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)均由精密渦輪蝸桿減速器和轉(zhuǎn)盤組成。電機通過精密渦輪蝸桿減速器帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)手臂水平方向和豎直方向的自如運動。通過控制電機的制動裝置，還能夠?qū)崿F(xiàn)手臂剛性與柔性的平滑轉(zhuǎn)換，使機器人適應跨越轉(zhuǎn)彎、跳線時位置和姿態(tài)的要求。通過

62、工作情況的需要，定出該巡線機器人的機械手運動參數(shù)如下：</p><p>　　大臂長：250mm 手腕長：72mm</p><p>　　小臂長：400mm 末端執(zhí)行器長：344mm</p><p><b>　　各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動范圍：</b></p>

63、<p>　　關(guān)節(jié)1：±90° 關(guān)節(jié)2：±90°</p><p>　　關(guān)節(jié)3：±90° 關(guān)節(jié)4：±90°</p><p><b>　　2.1.4驅(qū)動裝置</b></p>&l

64、t;p>　　機器人驅(qū)動裝置是帶動各個關(guān)節(jié)到達指定位置的動力源。通常動力是直接或經(jīng)電纜、齒輪箱或其他方法送至各個關(guān)節(jié)。目前使用的主要有三種驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電機驅(qū)動。液壓驅(qū)動以高壓油作為工作介質(zhì)，可以實現(xiàn)直線運動或者是旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動機構(gòu)可以是閉環(huán)或者是開環(huán)的。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是能得到較大的出力，工作壓力通常達14Mpa，但是液壓元件造價高昂，而且容易泄露污染環(huán)境，而且必須配備專用的液壓閥，儲油罐，體積龐大。氣動驅(qū)動的工作介

65、質(zhì)是高壓空氣，氣動控制閥簡單、便宜、操作簡單、易于編程，可以完成大量的點位搬運操作任務，但是缺點是氣壓伺服難以實現(xiàn)高精度控制，只能用在滿足低精度的場合。故本機械手采用電機驅(qū)動。電機驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點，這也是現(xiàn)代機器人應用最多的驅(qū)動方式。電機可以選擇步進電機或直流伺服電機。步進電機驅(qū)動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點，但是步進電機驅(qū)動屬于開環(huán)控制，精度較低。而直流伺服電機能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額

66、定轉(zhuǎn)速高。</p><p>　　根據(jù)作業(yè)環(huán)境要求，本課題機器人行進機構(gòu)采用輪式移動機構(gòu)與步進式蠕動爬行機構(gòu)兩種方式。當線路坡度較小、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動可實現(xiàn)機器人移動時，機器人采用輪式移動機構(gòu)；當線路坡度較大、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動無法實現(xiàn)機器人行進時，直接表現(xiàn)為驅(qū)動輪打滑，此時機器人三個制動器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動爬行機構(gòu)，進行蠕動行進。</p><p>　　2.1.4.1輪式移動機構(gòu)&l

67、t;/p><p>　　輪式移動機構(gòu)驅(qū)動裝置由直流電機、傘齒輪減速器、傳動軸和驅(qū)動輪組成。驅(qū)動輪采用高強度輕型材料，以減輕驅(qū)動裝置重量；驅(qū)動輪外表面采用高強度耐磨材料，以增大驅(qū)動輪運動時與線路的摩擦因數(shù)，防止打滑。驅(qū)動輪支撐架(手掌)采用中空設(shè)計，使機器人遇到防振錘等障礙時，可直接越過，大大提高了機器人巡線速度。</p><p>　　2.1.4.2步進式蠕動爬行機構(gòu)</p><

68、;p>　　步進式蠕動爬行機構(gòu)驅(qū)動裝置由直流電機、傘齒輪減速器、傳動軸、滾珠絲杠、螺母和直線導軌組成。滾珠絲杠的摩擦力很小且運動響應速度快。由于滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠，傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦，可極大地減小摩擦力，因此傳動效率高，可以達到90%，只需要使用極小的驅(qū)動力就能夠傳遞運動。</p><p>　　2.1.5剎車制動裝置</p><p>　　為了保證機

69、器人在停止狀態(tài)、有一只手打開或出現(xiàn)故障情況下不脫線和下滑，設(shè)計了剎車裝置。它由活動制動爪、固定制動爪、銷軸、彈簧、彈簧上底座、彈簧下底座和彈簧導向軸組成。</p><p>　　2.1.6手掌開合裝置</p><p>　　手掌開合裝置由渦輪蝸桿機構(gòu)和平行四桿機構(gòu)組成。在蝸桿驅(qū)動下帶動支架開合。其中：驅(qū)動輪固定在右側(cè)支架上，制動機構(gòu)固定在左側(cè)支架上，如圖2.7所示。</p>&l

70、t;p>　　§2.2機器人的建模</p><p>　　動力學分析要求獲得機器人各個零部件的質(zhì)量參數(shù)、慣性參數(shù)、質(zhì)心坐標等參數(shù)，而三維實體建模并不是ADAMS的強項，故選擇在CATIA環(huán)境下建立所有機器人的零部件模型及完成巡線機器人虛擬樣機的裝配；然后將所建模型以cmd格式導入至ADAMS環(huán)境中，在模型上施加約束、力/力矩和運動激勵；最后對機械系統(tǒng)進行交互式的仿真分析，在系統(tǒng)水平上真實地預測機械結(jié)構(gòu)

71、的工作性能，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計，得到合理動作規(guī)劃。表2.1列出了各個零件的相關(guān)質(zhì)量慣性參數(shù)。圖2.8為CATIA中建立的巡線機器人裝配模型，從圖中可以確定各個零部件的裝配關(guān)系。</p><p>　　表2.1各個零部件模型的質(zhì)量慣性參數(shù)</p><p>　　單位：質(zhì)量-千克；度-毫米；力-牛頓；時間-秒；角度-度。</p><p>　　巡線機器人機械手運動學分析<

72、;/p><p><b>　　§3.1引言</b></p><p>　　本章首先分析了四自由度機械手的運動學特性，建立了機械手正、逆運動學所需的關(guān)節(jié)變量，用D-H法建立了四自由度機械手運動學模型。并分析了機械手的關(guān)節(jié)速度與雅可比矩陣。基于上述運動學模型，為仿真分析提供了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　§3.2數(shù)學基礎(chǔ)理論</

73、p><p>　　要建立機械手的運動學模型，首先要對機械手的運動學進行分析。它涉及到四自由度機械手運動學正逆解問題的運動學方程，特別是關(guān)節(jié)變量空間與機械手末行器位姿之間的關(guān)系。下面主要闡述將要用到的數(shù)學基礎(chǔ)理論。</p><p>　　3.2.1剛體位姿的表示與齊次變換</p><p>　　為了描述機械手本身的各個連桿之間、機械手和環(huán)境之間的運動關(guān)系，并且忽略了機械手連桿的

74、彈性形變，把機械手連桿作為剛體來研究。</p><p>　　空間點p可以用它的相對于參考坐標系的三個坐標來表示: 其中是參考坐標系中表示該點的坐標。這種表示方法也可以稍做變化：將P點用向量形式寫出并且加入一個比例因子w，則P點表示為：，其中</p><p>　　變量w可以為任意數(shù)，如果w=1時，各分量的大小保持不變；如果w=0,x,y和z都為無窮大，表示一個長度為無窮大的向量，方向為該向量

75、所表示的方向。因此常取w=1,P向量表示參考坐標系中某一方向。</p><p>　　一個剛體在笛卡爾空間表示可以這樣實現(xiàn)：通過在剛體上固連一個坐標系，再將該固連坐標系在空間表示出來。只要這個坐標系可以在空間表示出來，那么這個物體相對于固定的參考坐標系的位姿也就已知了，如圖3.1所示。</p><p>　　如果用表示剛體上的運動坐標系(當前坐標系)原點在參考坐標系中的位置向量，表示運動坐標系

76、n軸在參考坐標系中的方向，表示運動坐標系o軸在參考坐標系中的方向，表示運動坐標系a軸在參考坐標系中的方向。因此剛體在參考坐標系中的位姿可以表示成：</p><p><b>　　（3.1）</b></p><p>　　且滿足①三個向量相互垂直；②每個單位向量的長度必須為1。這種形式的矩陣稱為齊次矩陣。并且齊次矩陣的逆矩陣為：</p><p>&l

77、t;b>　?。?.2）</b></p><p>　　如果剛體保持現(xiàn)有的姿態(tài)不變，只是在參考坐標中的位置發(fā)生改變，那么相對于固定參考坐標系的新坐標系的位置可以用原來運動坐標系的原點位置向量加上表示位移的向量求得。用矩陣形式表述，新的運動坐標系的表示可以通過坐標系左乘變換矩陣得到。新的坐標系位置為：</p><p><b>　　（3.3）</b><

78、/p><p>　　其中是平移向量d相對于參考坐標系x,y和z軸的三個分量。</p><p>　　同理，如果剛體保持現(xiàn)有的位置不變，只是在參考坐標中的姿態(tài)發(fā)生改變，則新</p><p>　　運動坐標系的表示也可以通過坐標系左乘變換矩陣得到。例如，其中Rot (x,θ)表示運動坐標系繞參考坐標系的x軸旋轉(zhuǎn)θ的變換矩陣。這里給出運動坐標系繞參考坐標系的x軸，y軸和z軸旋轉(zhuǎn)θ的

79、變換矩陣，</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　為簡化書寫，習慣用符號Cθ表示,Sθ表示 (以下表示方法相同)。</p><p>　　復合變換是由固定參考坐標系或當前運動坐標系的一系列沿軸平移和繞軸旋轉(zhuǎn)變換所組成的，任何變換都可以分解為按一定順序的一組平移和旋轉(zhuǎn)變換。 </p><p>

80、　　當剛體做相對于運動坐標系或當前坐標系的軸的變換時，需要右乘變換矩陣，而不是左乘變換矩陣，才能得到相對于運動坐標系變換后的剛體的新位姿。 </p><p>　　3.2.2機器人運動學方程的D-H表示法 </p><p>　　Denavit-Hartenberg(D-H)模型表示了對機器人連桿和關(guān)節(jié)進行建模的一種非常簡單的方法，可用于任何機器人構(gòu)型，不論機器人的結(jié)構(gòu)順序和復

81、雜程度如何，并且在D-H模型的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)，例如雅可比矩陣的計算和力分析等。</p><p>　　假設(shè)機器人由一系列關(guān)節(jié)和連桿組成。這些關(guān)節(jié)可能是滑動(線性)的或旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)動)的，可以按任意的順序放置并處于任意的平面。連桿也可以是任意的長度(包括零)，可能被扭曲或彎曲，也可能位于任意平面上。為此，需要給每個關(guān)節(jié)指定一個參考坐標系，然后，確定從一個關(guān)節(jié)到下一個關(guān)節(jié)(一個坐標系到下一個坐標系)來進行變換的

82、步驟。如果將從基座到第一關(guān)節(jié)，再從第一關(guān)節(jié)到第二關(guān)節(jié)直至到最后一個關(guān)節(jié)的所有變換結(jié)合起來，就得到了機器人的總變換矩陣。 </p><p>　　圖3.2表示了三個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都是可以轉(zhuǎn)動或平移的。第一個關(guān)節(jié)指定為關(guān)節(jié)n，第二關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n+1，第三個關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n+2。在這些關(guān)節(jié)的前后可能還有其他關(guān)節(jié)。連桿也是如此表示，連桿n位于關(guān)節(jié)n與n+1之間，連桿n+1位于關(guān)節(jié)n+1與n+2之間。</p><

83、;p>　　連桿構(gòu)件坐標系的選擇及參數(shù)的規(guī)定如下：</p><p>　　(1)所有關(guān)節(jié)，都用z軸表示。如果是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，z軸位于按右手規(guī)則旋轉(zhuǎn)的方向。如果是滑動關(guān)節(jié)，z軸為沿直線運動的方向，坐標軸是沿著i+1關(guān)節(jié)的運動軸。</p><p>　　(2)x是沿著的公垂線，指向離開，軸的方向。</p><p>　　(3) 軸的方向按構(gòu)成右手直角坐標系來建立。</p

84、><p>　　(4) 公垂線長度是和兩軸間的最小距離，一般稱為連桿長度。</p><p>　?。?）兩公垂線和之間的距離稱為連桿距離。</p><p>　　（6）軸與之間的夾角為，以繞軸右旋為正，一般稱為連桿的夾角。</p><p>　?。?）和之間的夾角，以繞軸右旋為正, 稱為扭轉(zhuǎn)角。</p><p>　　根據(jù)上述規(guī)則，

85、給所有的連桿賦予坐標系，并且可以建立i-1和i坐標系之間的變換關(guān)系。應當說明的是，盡管通過關(guān)節(jié)i+1的軸線，但坐標系固定在連桿i上，隨連桿i運動而一起運動。</p><p>　　通過以下4個標準步驟將坐標系移動到坐標系：</p><p>　　1. 繞軸旋轉(zhuǎn)，使得和相互平行。</p><p>　　2.沿軸平移距離，使得和共線。</p><p>

86、　　3. 沿軸平移的距離，使得和的原點重合。</p><p>　　4.將軸繞軸旋轉(zhuǎn)，使得軸與軸對準。這時坐標系n和n+1完全重合。</p><p>　　通過依次右乘表示四個運動的四個矩陣就可以得到變換矩陣A，右乘的原因是所有的變換都是相對于運動坐標系(當前坐標系)的。</p><p><b>　?。?.5）</b></p><

87、;p>　　由此機械手的基座與手之間的總變換則為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　其中n為關(guān)節(jié)數(shù)。</b></p><p>　　§3.3巡線機器人四自由度機械手運動學分析</p><p>　　當已知機械手所有的關(guān)節(jié)變量時，可用正運動學來確定

88、機器人末端執(zhí)行器的位姿。換言之，已知機械手所有連桿長度和關(guān)節(jié)角度，那么計算機器人手的位姿就稱為正運動學分析。如果要使機器人末端手放在特定的點上并且具有特定的姿態(tài)，可用逆運動學來計算出每一關(guān)節(jié)變量的值，使機械手末端執(zhí)行器放置在期望的位姿，這就叫做逆運動學分析。事實上，逆運動學方程更為重要，機械手控制器將用這些方程來計算關(guān)節(jié)值，并以此來運行機械手到達期望的位姿。</p><p>　　3.3.1機械手的正運動學分析&l

89、t;/p><p>　　根據(jù)D-H表示法，為四自由度機械手建立必要的坐標系，并填寫相應的參數(shù)表。圖3.3是巡線機器人機械手坐標系的簡化線圖。表3.1是相應的關(guān)節(jié)和連桿參數(shù)表。</p><p>　　其中，坐標系{i}設(shè)置于i十1號關(guān)節(jié)上并固結(jié)在i連桿上，坐標系{i}與連桿i無相對運動。將參數(shù)表中的參數(shù)代入式(3.6)，可以得到每兩個相鄰關(guān)節(jié)之間的變換矩陣。然后將依次相乘，得到，為機器人的基座坐標系

90、和手端面坐標系(或手坐標系)之間總變換。</p><p>　　如果要得到工具坐標系和基座之間的總變換，則需要將右乘以，即：，其中為工具坐標系和手端面坐標系間總交換。</p><p>　　下面給出變換矩陣、和的計算結(jié)果：</p><p>　　就是所求的機械手運動學正解分析。對于中，P矢量是手端面坐標系原點在基座坐標系中的位置矢量，n、o、a矢量表示了手端面坐標系姿態(tài)。

91、</p><p>　　3.3.2機械手的逆運動學分析</p><p>　　的運動方程中有很多角度的耦合，比如： 、這就使得無法從矩陣中提取足夠的元素來求解單個的正弦和余弦項以計算角度。為使角度解耦，可例行地用單個矩陣左乘矩陣，使得方程右邊不再包括這個角度，于是可以找到產(chǎn)生角度的正弦值和余弦值的元素，并進而求得相應角度。例如：可以通過求，等等，來進行角度的解耦并求出各角度。</p>

92、;<p>　　通過圖3.3和變換矩陣的定義分析可以得出，如果機械手連桿的長度一定，由基座開始的前三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度決定了機械手末端手端面坐標系原點的位置，第四個關(guān)節(jié)決定了機械手末端手端面坐標系的姿態(tài)。因此可以通過簡單的幾何關(guān)系推導運動學逆解。</p><p>　　如圖3.4所示，對于工作空間內(nèi)的某一靈巧點，由幾何關(guān)系可列得方程組(3.9)：</p><p>　　求解，（2）

93、式|（1）式=>tan=\,=arctan(\)或=180+</p><p><b>　　求解，</b></p><p>　　3.求解，=B-A方程組(3.10)可得：</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b>　　4.求解，</b><

94、;/p><p><b>　　由A中元素可知：</b></p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　要全面地定義空間的剛體，需要用6條獨立的信息來描述剛體原點在參考坐標系中相對于三個參考坐標軸的位置以及物體關(guān)于這三個

95、坐標軸的姿態(tài)。而本機械手只有四個自由度，在工作空間內(nèi)機械手不能夠?qū)崿F(xiàn)所有的位姿。由此式(3.7) 給出的12條位姿信息中，3條位置信息是可知的，而其余9條姿態(tài)信息是部分己知的。因此不能再通過式(3.7)求解。經(jīng)過分析，該機械手運動的軌跡都要求機械手的手端面平行于某一固定工件平面，即手端面坐標系的Y軸方向總垂直于已知的工件平面，也就是式(3.7)的已知。所以在上述第(4)步中應改變求解方式。從而可以得到：</p><p

96、>　　通過上述方法就可以得到機械手的關(guān)節(jié)角度值。即機械手的逆解。</p><p>　　3.3.3機械手關(guān)節(jié)速度和雅可比矩陣</p><p>　　雅可比矩陣表示機構(gòu)部件隨時間變化的幾何關(guān)系，它可以將單個關(guān)節(jié)的微分運動或速度轉(zhuǎn)換為某一點的微分運動或速度，也可將單個關(guān)節(jié)的運動與整個機構(gòu)的運動聯(lián)系起來。由于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的值是隨時間變化的，從而雅可比矩陣各元素的大小也隨時間變化，因此雅可比矩陣是與

97、時間相關(guān)的。</p><p><b>　　（3.14）</b></p><p>　　在式(314)中D為相對于參考坐標系的微分運動，而則為關(guān)節(jié)坐標系的微分運動，J為相對于參考坐標系的雅可比矩陣。</p><p>　　可以將相對于最后一個坐標系的速度方程寫為：</p><p><b>　?。?.15）</b

98、></p><p>　　其中為相對于手坐標系的微分運動，為相對于手坐標系{6}(對于6自由度機械手)的雅可比矩陣的逆矩陣，為機械手此時各關(guān)節(jié)的微分運動。再通過，即可求出相對于運動坐標系下的速度引起的各關(guān)節(jié)的速度。</p><p>　　四自由度機械手對于運動坐標系的雅可比矩陣：</p><p>　　，矩陣各列求解可以簡單如下過程：</p><

99、p>　　第1列用，第2列用，第3列用，第4列用。</p><p>　　代入已知的各矩陣值，并且求出雅可比矩陣每一列的各行運算表達式：</p><p>　　經(jīng)過簡化之后可得到各元素依次為：</p><p><b>　　第一列：</b></p><p><b>　　第二列：</b></p&g

100、t;<p><b>　　第三列：</b></p><p><b>　　第四列：</b></p><p>　　由于，在求解各轉(zhuǎn)角速度時需要先求。求逆雅可比矩陣有兩種方法，兩者都十分困難，它們不僅計算量大而且費時。一種方法是求出符號形式的逆雅可比矩陣，然后把數(shù)值代入其中并計算出速度；另一種方法是將數(shù)據(jù)代入雅可比矩陣，然后用高斯消去法或其

101、他類似方法來求該逆數(shù)值矩陣。盡管這些方法都是可行的，但它們并不常用。而且是6 ×4的矩陣，這又給求取機器人逆雅可比矩陣增加困難，無法保證計算過程的高效和快捷性。一種替代的方法是，用逆運動學方程來計算關(guān)節(jié)的速度。步驟如下：</p><p>　?。?）求解， （3.16）</p><p>　?。?）求解，設(shè)則 （3.17）</p><

102、;p><b>　?。?）求解，</b></p><p><b>　　（3.18）</b></p><p>　　由于是和矩陣的微分變化，等都可以從矩陣中得到，則： （3.19）</p><p>　　把中各元素代入上述(1)--(4)步驟中各轉(zhuǎn)角

103、速度公式中即可求出相應的關(guān)節(jié)角速度。</p><p><b>　　§3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章在深入研究四自由度機械手的運動學問題的基礎(chǔ)上，用D-H法建立了四自由度機械手運動學模型，分析了機械手的關(guān)節(jié)速度與雅可比矩陣。為下面的仿真分析提供了理論基礎(chǔ)，也為今后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近巡線機器人機械手的運動學模型奠定了基礎(chǔ)。</p>&l

104、t;p>　　第四章 總結(jié)與展望</p><p><b>　　§4.1本文總結(jié)</b></p><p>　　本文針對110kv電壓等級高壓架空輸電線路設(shè)計了具有自主越障能力和爬坡能力的巡線機器人。并在CATIA環(huán)境下建立了巡線機器人虛擬樣機模型. 本文主要在以下幾個方面作出了一些工作：</p><p>　　1、簡要闡述

105、了巡線機器人技術(shù)及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。提出了本課題巡線機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。</p><p>　　2、利用CATIA軟件，建立了巡線機器人基于特征的參數(shù)化模型，以此為基礎(chǔ)建立了該機器人的虛擬樣機。</p><p>　　3、從機構(gòu)學的角度分析了巡線機器人操作臂的關(guān)節(jié)角位移、角速度等。</p><p>　　4、利用CAT/ADAMS模塊將虛擬樣機導入到ADAMS軟件

106、中，基于ADAMS建立了運動仿真模型，對巡線機器人進行了運動仿真，得到了仿真曲線。驗證了巡線機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動規(guī)劃的合理性和正確性，為機器人的后續(xù)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。</p><p>　　§4.2 后續(xù)工作與展望</p><p>　　巡線機器人及其工作環(huán)境是一個相當復雜的系統(tǒng)模型，本文所建立的模型只是其真實樣機的粗糙反映，不能夠完全真實的反映實際情況，有待進一步的完善。通過本

107、文的工作，發(fā)現(xiàn)在這一課題上還是有很多值得深入研究的地方。目前還可以在以下方面展開進一步的探索和深入：</p><p>　　1)巡線機器人以高壓輸電線路的全程為作業(yè)路徑，這一柔性環(huán)境與機器人多剛體系統(tǒng)間的耦合勢必對機器人的動力學特性造成極大影響，故應當考慮導線的柔性。對巡線機器人沿導線的無障礙段直線行走和手臂抬升動作建立完整的動力學模型，仿真分析機器人與作業(yè)環(huán)境間的剛?cè)狁詈蠈ζ鋭恿W特性的影響規(guī)律。</p&g

108、t;<p>　　2)考慮跨越跳線時各關(guān)節(jié)聯(lián)動時機器人過障的動作規(guī)劃，提高其過障效率。</p><p>　　3)巡線機器人沿導線滾動運行的動力學仿真中，接觸力模型的參數(shù)還需深入研究，有必要建立準確、精細的摩擦力模型，以真實的反映巡線機器人在運動過程中各關(guān)節(jié)的摩擦力/力矩，為計算有限元的分析提供必要及真實的動載荷輸入。</p><p>　　4)在確定了一些關(guān)鍵的參數(shù)取值后，可以在