帶電搶修作業(yè)機(jī)器人運(yùn)動分析與控制方法研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行變得越來越重要，如何加強(qiáng)電網(wǎng)日常維護(hù)，防患于未然，以及出現(xiàn)問題時及時搶修，構(gòu)建電力系統(tǒng)安全防御框架、應(yīng)對各種挑戰(zhàn)，成為亟待解決的問題。帶電作業(yè)是指在高壓電器設(shè)備上進(jìn)行不停電檢修、部件更換或測試，一直為世界各國所重視。配電網(wǎng)是電力網(wǎng)中與用戶關(guān)系最直接、最緊密的網(wǎng)絡(luò)，目前其帶電作業(yè)主要是人工方式，危險(xiǎn)程度高，勞動強(qiáng)度大。為避免人工帶電作業(yè)中事故的發(fā)生，增強(qiáng)帶電作業(yè)的安全性，提高作業(yè)效率，采用機(jī)器人

2、代替人工進(jìn)行作業(yè)有著迫切的現(xiàn)實(shí)意義和重要的研究價值。
　　雖然國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)過帶電作業(yè)機(jī)器人的研究成果，但在本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動動力系統(tǒng)、動力學(xué)建模、控制方法等各方面還沒有形成成熟的理論體系，仍處于探索階段?；谝陨犀F(xiàn)實(shí)背景，本文針對電力行業(yè)應(yīng)急救援和安全搶修作業(yè)裝備發(fā)展的需求，研究了一種帶電搶修作業(yè)機(jī)器人，在不停電的情況下進(jìn)行配電網(wǎng)的安全搶修和日常維護(hù)作業(yè)。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果概況如下:
　　(1)針對10kV及以下架空線

3、路配電系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種適用于10kV及以下配電線路的帶電搶修作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)包括移動升降平臺、液壓機(jī)械臂、專用帶電作業(yè)工具。在絕緣斗臂車的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適合于野外復(fù)雜路況的工程化移動升降平臺，為帶電搶修作業(yè)機(jī)器人提供了平臺基礎(chǔ)。研制了大載荷、高絕緣強(qiáng)度、高功率密度的多自由度液壓機(jī)械臂，適應(yīng)了配電網(wǎng)帶電搶修作業(yè)的復(fù)雜空間環(huán)境，滿足了高壓作業(yè)的高絕緣度要求和高空作業(yè)的低質(zhì)量負(fù)載要求。研制了多種具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械、電氣接口

4、的帶電作業(yè)專用工具，實(shí)現(xiàn)了帶電搶修和維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。
　　(2)根據(jù)帶電搶修作業(yè)機(jī)器人對控制系統(tǒng)的特殊要求，采用了分層遞階的體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一套可劃分為頂層、中間層、底層三層結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，通過合理的任務(wù)分配及協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的任務(wù)管理、任務(wù)規(guī)劃、主從控制和自主控制?；赨ML使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)分析和設(shè)計(jì)了電搶修作業(yè)機(jī)器人主控系統(tǒng)，將機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)檢測、視覺定位跟蹤、主手示教再現(xiàn)、信息處理與統(tǒng)計(jì)有機(jī)結(jié)合，利用加鎖機(jī)制和有序資源分

5、配法，開發(fā)了多線程并發(fā)、多端口通信的網(wǎng)絡(luò)化帶電搶修作業(yè)機(jī)器人主控軟件，解決了多子系統(tǒng)并發(fā)交互的臨界資源競爭問題。基于TRIO多軸運(yùn)動控制器研制了從控系統(tǒng)，驅(qū)動機(jī)械臂各關(guān)節(jié)液壓伺服閥，可靈活、可靠的控制帶電搶修作業(yè)機(jī)器人的多自由度運(yùn)動，并實(shí)時地處理多種傳感器信息。為保證絕緣等級，主控制系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)間采用光纖通訊，供電線路采用隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離。
　　(3)基于D-H方法對帶電搶修作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，使用拉格朗日方法

6、建立了帶電作業(yè)機(jī)器人與作業(yè)對象的整體運(yùn)動學(xué)模型。對帶電搶修作業(yè)機(jī)器人的六自由度液壓機(jī)械臂進(jìn)行了正向運(yùn)動學(xué)分析和逆向運(yùn)動學(xué)方程的求解，結(jié)合實(shí)際帶電作業(yè)環(huán)境，分析作業(yè)運(yùn)動空間，優(yōu)化了機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。建立了機(jī)械臂的拉格朗日動力學(xué)方程，并針對機(jī)器人操作導(dǎo)線的作業(yè)場景，防止作業(yè)過程中因?qū)Ь€的反彈和慣性造成事故，將導(dǎo)線這種柔性負(fù)載與機(jī)械臂一起進(jìn)行了整體動力分析，為研究機(jī)械臂協(xié)調(diào)操作柔性負(fù)載的柔順控制策略提供了基礎(chǔ)模型。使用ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿

7、真，得到各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍、運(yùn)動速度和關(guān)節(jié)驅(qū)動力等重要參數(shù)，驗(yàn)證了運(yùn)動學(xué)模型和動力模型的有效性。
　　(4)為保障帶電作業(yè)的高效性和可靠性，研究了基于多傳感器的機(jī)器入主從控制與局部自主控制相結(jié)合的控制策略。主從控制中，改進(jìn)了力反射型伺服控制策略，減小了尺寸縮放效應(yīng)對力控制的影響，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該主從控制策略的優(yōu)越性。自主控制中，分析了機(jī)械臂各連桿的受力情況，使用系數(shù)法和曲線擬合法相結(jié)合的方式進(jìn)行了自身重力補(bǔ)償，提高了關(guān)節(jié)力矩的接觸力測

8、量的準(zhǔn)確度。未接觸目標(biāo)前，基于視覺傳感器對機(jī)器人接近速度進(jìn)行控制，提高了機(jī)器人工作效率和安全性;在接觸作業(yè)時，提出了一種新型的基于阻抗的力控制方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法提高了機(jī)器人與高剛度環(huán)境接觸時力跟蹤的精度和穩(wěn)定性。
　　(5)針對架空線路配電網(wǎng)的實(shí)際環(huán)境情況，提出了一套基于自調(diào)整閾值Canny邊緣檢測和Hough變換三直線加圓檢測計(jì)算的作業(yè)目標(biāo)識別方法，克服了線路背景復(fù)雜、作業(yè)目標(biāo)對比度低、光線干擾大等問題。針對六角螺母這一目

9、標(biāo)對象，提出了一種包含連續(xù)調(diào)整閾值進(jìn)行Canny邊緣檢測、Hough變換搜尋三條夾角60°直線、Hough變換圓檢測三個步驟的螺母定位方法，在光線不均勻的實(shí)驗(yàn)條件下驗(yàn)證了其有效性。運(yùn)用運(yùn)動目標(biāo)的雙目視覺定位方法，綜合已知的作業(yè)目標(biāo)所在世界平面在當(dāng)前攝像機(jī)坐標(biāo)系中參數(shù)標(biāo)定方法，確定了作業(yè)目標(biāo)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，為基于視覺伺服的機(jī)器人運(yùn)動自主控制打好了基礎(chǔ)。
　　(6)為避免雙機(jī)械臂作業(yè)過程中的力度配合不協(xié)調(diào)和可能發(fā)生的碰撞問

10、題，建立了雙臂力度控制柔順模型，提出了一種基于C空間法和A木搜索法的雙臂協(xié)調(diào)避碰控制方法。針對雙機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu)的不完全對稱性，建立了非對稱雙臂柔順控制模型，為非對稱冗余驅(qū)動機(jī)器人力控制提供了理論參考。依據(jù)帶電作業(yè)機(jī)器人的作業(yè)空間分布，為防止雙機(jī)械臂作業(yè)工程可能發(fā)生的碰撞事故，將雙臂避碰問題轉(zhuǎn)化為雙臂無碰撞軌跡規(guī)劃問題，基于C空間法建立一個機(jī)械臂對另一機(jī)械臂的無碰撞空間庫，使用A木搜索法在無碰撞空間庫搜索到達(dá)目的地的運(yùn)動路徑，實(shí)現(xiàn)了雙臂