高同跃[1]2004年在《带电作业机器人冗余臂的分析与控制》文中研究表明本文对冗余度机器人运动学逆解进行了详细的分析和研究，提出了极值法确定优化因子、加速度校正的阻尼投影梯度法；通过分析现有的几个优化性能指标的优缺点，本文确定了其中较合理的优化指标；采用线性加权法实现冗余度机器人的多目标融合控制，其中，对单一指标的梯度矢量采用了规范化方法进行了处理，对权系数的确定采用了模糊推理法，并新提出了运动预测法，该方法能动态的确定各个单一性能指标的优先级，通过这种优先级的调整，线性加权法能较好在各个单一目标之间进行协调的优化，实现多目标融合优化控制；针对冗余度机器人的工作空间分析，本文提出了定面—定位—定向的分析思路，并以该分析思路为基础，采用“叁视图”法确定了带电作业机器人的工作空间；针对冗余度机器人关节范围求解，本文提出了以工作平面分类为基础的求解方法，该方法把机器人关节运动范围的叁维分析转化到二维空间内，并根据各个工作平面内机器人各个关节受到约束情况，对工作平面进行分类，最终把机器人关节运动范围分析简化为只在几个工作平面内，对少数关节的运动范围的求解；最后采用该方法对带电作业机器人的关节运动范围进行了求解。
赵玲亚[2]2007年在《高压带电作业机器人运动学分析与仿真》文中研究说明高压带电作业机器人是近期出现的一种新型特种作业机器人。由于工作环境恶劣,使得作业复杂,而机器人很难自主完成。虚拟现实技术在机器人领域的应用,使得复杂动作可以在虚拟仿真系统中重现,既可以检验机器人的结构设计是否合理,又可以训练操作人员。本文就是针对这一问题,设计和开发了高压带电机器人叁维仿真系统,为设计研发人员提供了机器人机械手运动仿真的虚拟研究平台,也为机器人操作人员提供了一个虚拟培训平台。本系统是以VC++6.0为软件开发环境,利用开放式图形库OpenGL搭建了虚拟环境仿真平台,完成了机器人机械臂的建模、碰撞检测、人机交互界面、模型渲染等程序模块的设计,实现了带电作业机器人模型在虚拟空间中的复杂运动的控制和动态仿真。首先,利用VC++6.0和OpenGL搭建的平台构建了高压带电机器人叁维仿真系统的基本框架,完成了人机交互界面、模型渲染等功能模块的开发。然后,本文根据带电作业机器人双臂结构类型特点以及工作空间特点,通过进行几何分析确定了工作空间。根据带电作业机器人机械臂运动特点进行了运动学分析。从而为虚拟模型的物理建模和计算建模提供了基础。本文利用3D建模软件Pro/E对机器人机械手进行了几何建模,并通过接口程序,在OpenGL环境下,基于模型的几何特征,采用叁角形网络造型法构造带电作业机器人的“面模型”,进而实现机器人运动的动画仿真。本文还对机器人双臂之间以及机械臂与被操作对象之间的碰撞检测问题进行了深入研究。分析了层次包围盒碰撞检测算法的实现流程和基本几何元素间的相交测试计算。本文基于AABB包围盒设计了一套碰撞检测法,从而实现了模型的碰撞检测和包围盒更新。以本带电作业机器人仿真系统为基础,还可以实现了人工远程监测、控制以及与虚拟对象间的实时交互作用。本文的研究成果,对于深入研究多自由度串联机器人的动态仿真、碰撞检测研究以及进一步的开发研究具有重要的理论意义。
高焕兵[3]2015年在《带电抢修作业机器人运动分析与控制方法研究》文中提出随着我国经济的发展,保证电力系统安全稳定运行变得越来越重要,如何加强电网日常维护,防患于未然,以及出现问题时及时抢修,构建电力系统安全防御框架、应对各种挑战,成为亟待解决的问题。带电作业是指在高压电器设备上进行不停电检修、部件更换或测试,一直为世界各国所重视。配电网是电力网中与用户关系最直接、最紧密的网络,目前其带电作业主要是人工方式,危险程度高,劳动强度大。为避免人工带电作业中事故的发生,增强带电作业的安全性,提高作业效率,采用机器人代替人工进行作业有着迫切的现实意义和重要的研究价值。虽然国内已经出现过带电作业机器人的研究成果,但在本体结构计、驱动动力系统、动力学建模、控制方法等各方面还没有形成成熟的理论体系,仍处于探索阶段。基于以上现实背景,本文针对电力行业应急救援和安全抢修作业装备发展的需求,研究了一种带电抢修作业机器人,在不停电的情况下进行配电网的安全抢修和日常维护作业。本文的主要研究内容和结果概况如下：(1)针对10kV及以下架空线路配电系统的现场环境,设计了一种适用于10kV及以下配电线路的带电抢修作业机器人的机械结构,其主体结构包括移动升降平台、液压机械臂、专用带电作业工具。在绝缘斗臂车的基础上,设计了适合于野外复杂路况的工程化移动升降平台,为带电抢修作业机器人提供了平台基础。研制了大载荷、高绝缘强度、高功率密度的多自由度液压机械臂,适应了配电网带电抢修作业的复杂空间环境,满足了高压作业的高绝缘度要求和高空作业的低质量负载要求。研制了多种具有标准机械、电气接口的带电作业专用工具,实现了带电抢修和维护的标准化作业。(2)根据带电抢修作业机器人对控制系统的特殊要求,采用了分层递阶的体系结构,开发了一套可划分为顶层、中间层、底层叁层结构的控制系统,通过合理的任务分配及协调,可实现机器人的任务管理、任务规划、主从控制和自主控制。基于UML使用面向对象技术分析和设计了电抢修作业机器人主控系统,将机器人运动参数检测、视觉定位跟踪、主手示教再现、信息处理与统计有机结合,利用加锁机制和有序资源分配法,开发了多线程并发、多端口通信的网络化带电抢修作业机器人主控软件,解决了多子系统并发交互的临界资源竞争问题。基于TRIO多轴运动控制器研制了从控系统,驱动机械臂各关节液压伺服阀,可灵活、可靠的控制带电抢修作业机器人的多自由度运动,并实时地处理多种传感器信息。为保证绝缘等级,主控制系统与运动控制系统间采用光纤通讯,供电线路采用隔离变压器进行电气隔离。(3)基于D-H方法对带电抢修作业机器人进行了运动学分析,使用拉格朗日方法建立了带电作业机器人与作业对象的整体运动学模型。对带电抢修作业机器人的六自由度液压机械臂进行了正向运动学分析和逆向运动学方程的求解,结合实际带电作业环境,分析作业运动空间,优化了机械臂结构。建立了机械臂的拉格朗日动力学方程,并针对机器人操作导线的作业场景,防止作业过程中因导线的反弹和惯性造成事故,将导线这种柔性负载与机械臂一起进行了整体动力分析,为研究机械臂协调操作柔性负载的柔顺控制策略提供了基础模型。使用ADAMS和MATLAB联合仿真,得到各关节运动范围、运动速度和关节驱动力等重要参数,验证了运动学模型和动力模型的有效性。(4)为保障带电作业的高效性和可靠性,研究了基于多传感器的机器人主从控制与局部自主控制相结合的控制策略。主从控制中,改进了力反射型伺服控制策略,减小了尺寸缩放效应对力控制的影响,通过实验验证了该主从控制策略的优越性。自主控制中,分析了机械臂各连杆的受力情况,使用系数法和曲线拟合法相结合的方式进行了自身重力补偿,提高了关节力矩的接触力测量的准确度。未接触目标前,基于视觉传感器对机器人接近速度进行控制,提高了机器人工作效率和安全性；在接触作业时,提出了一种新型的基于阻抗的力控制方法,实验结果证明该方法提高了机器人与高刚度环境接触时力跟踪的精度和稳定性。(5)针对架空线路配电网的实际环境情况,提出了一套基于自调整阈值Canny边缘检测和Hough变换叁直线加圆检测计算的作业目标识别方法,克服了线路背景复杂、作业目标对比度低、光线干扰大等问题。针对六角螺母这一目标对象,提出了一种包含连续调整阈值进行Canny边缘检测、Hough变换搜寻叁条夹角60°直线、Hough变换圆检测叁个步骤的螺母定位方法,在光线不均匀的实验条件下验证了其有效性。运用运动目标的双目视觉定位方法,综合已知的作业目标所在世界平面在当前摄像机坐标系中参数标定方法,确定了作业目标在机器人坐标系中的叁维坐标,为基于视觉伺服的机器人运动自主控制打好了基础。(6)为避免双机械臂作业过程中的力度配合不协调和可能发生的碰撞问题,建立了双臂力度控制柔顺模型,提出了一种基于C空间法和A*搜索法的双臂协调避碰控制方法。针对双机械臂运动学结构的不完全对称性,建立了非对称双臂柔顺控制模型,为非对称冗余驱动机器人力控制提供了理论参考。依据带电作业机器人的作业空间分布,为防止双机械臂作业工程可能发生的碰撞事故,将双臂避碰问题转化为双臂无碰撞轨迹规划问题,基于C空间法建立一个机械臂对另一机械臂的无碰撞空间库,使用A*搜索法在无碰撞空间库搜索到达目的地的运动路径,实现了双臂避碰的协调控制,进一步提高了机器人作业过程中的安全性。
罗俊[4]2016年在《绝缘子带电更换作业机器人研究及应用》文中研究说明目前我国电网处于大型电网互联阶段,输电线路的安全可靠供电是我国经济快速发展的重要保障。由于输电线路处于24小时连续工作状态,随着时间的累计会出现一些故障,比如绝缘子损坏、耐张线夹螺栓松动、导线损坏等故障,如果不及时进行检修更换,会使得事故进一步的扩大,甚至导致电网解裂,造成巨大的经济损失和人员伤亡。绝缘子长期暴露在空气中,会受到酸雨和雷击等危害,会造成绝缘子损坏,需要经常进行更换。绝缘子带电更换带电作业是保证电网安全可靠运行的重要措施。本文研制了一种新型的高压输电线路绝缘子带电更换作业机器人。首先通过分析人工带电更换绝缘子作业的方法和步骤,提出采用电动摇绞磨机将带电作业机器人从地面送至等电位区域,解决了机器人上线这一首要问题。介绍在带电作业中的等电位原理,并利用Ansoft Maxwell3D仿真软件,建立高压输电线路和带电作业机器人模型,对带电作业机器人在高压输电线路上的电场情况进行分析,并提出采用等电位环和等电位轮的措施解决机器人的电磁防护难题,提高机器人的抗电磁干扰能力。然后对绝缘子更换作业细节进行了分析,并利用仿真软件模拟绝缘子W销的拔取过程,确定了绝缘子带电更换作业机器人的总体构型。最后通过分析双机械臂的运动模型,研究了双机械臂的控制方法,采用基于图像的伺服控制方法,并对其进行了仿真及分析,仿真结果表明该种控制方法能很好的完成对机械臂的控制过程,且精度高,鲁棒性较强。其中基于视觉的伺服控制中对于目标物W销的定位识别,采用一种基于直方图凹度分析的灰度边缘检测方法,此方法是建立在常规Canny边缘检测算子的基础上的,通过软件仿真,在对目标物W销的识别效果表现极佳,能够精确的识别图像中W销的位置,使机械臂能够准确的进行绝缘子更换作业进行。机械臂末端装置抓取力的控制采用PI-模糊控制方法,能够完成W销的拔取。最后对机器人的硬件系统和软件系统进行了设计,完成了绝缘子带电更换机器人样机的研制,并搭建了试验线路进行测试,测试结果表明该机器人能很好的对绝缘子进行更换作业。
王公旺[5]2010年在《高压带电作业机器人运动控制系统的研究与实现》文中认为运动控制系统的核心部分是运动控制器,随着微电子技术与半导体工艺的发展,DSP芯片的性能不断提高,成本不断下降,目前高性能运动控制器大都采用DSP芯片为核心。基于DSP的运动控制器不但能使复杂的算法和功能得以实现,而且采用软硬件配合开发方便,有一定的灵活性。本论文以国家863项目“10KV电力线路带电作业机器人”为背景,以该项目带电作业机器人产品样机为研究对象,通过对当前运动控制器发展现状的调研和分析,结合带电作业机器人控制系统实际需求,提出了采用DSP+CPLD为核心设计运动控制器的方案。该方案将DSP和CPLD相结合,一方面DSP作为运动控制器的核心处理器,具有灵活的编程功能,能实时方便地实现复杂的速度控制算法,提高了控制性能：另一方面将大量的逻辑控制功能和外围接口电路集成在CPLD中,提高了运动控制器的可靠性和稳定性。同时,因为CPLD具有在现场可重构的特性,保证了运动控制器具有良好的开放性,也大大方便了系统的设计和调试。本文对控制器的各功能模块如DSP最小系统、驱动器及其它接口电路、CPLD功能设计的实现进行了详细介绍。对控制系统的关键技术进行了研究,主要包括交流伺服电机控制技术、位置闭环伺服PID控制算法和改进的梯形加减速控制技术,在此基础上开发了控制器的软件系统。采用模块化的程序设计方法,完成DSP主程序和各中断服务子程序设计。同时运用VC软件设计了上位机监控界面,用于试验阶段对电机运行状态的监控,及对系统控制参数的整定。
王庆修[6]2008年在《基于FPGA的遥操作机器人运动控制器的研究》文中认为机器人的运动控制器是机器人的一个非常重要的组成部分。随着一些新技术的出现和发展,机器人的控制技术也得到了整体的进步。本论文以山东科技大学机器人研究中心承担的国家863计划课题“配电带电作业机器人”为立项背景,通过对机器人运动控制的研究,设计了一款基于FPGA的遥操作机器人运动控制器,实现了网络遥控机器人手臂的运动。本论文采用D-H表示法建立了带电作业机器人机械臂的运动学模型。提出了遥操作机器人的总体系统结构,并对主控芯片的内部组成做了简要分析。采用FPGA来充当的主控功能的运动控制结构,在FPGA内部主要是实现了NoisⅡ处理器、Avalon总线、PWM核、编码读取器核及网络控制器核等。通过SOPC系统的构建,将各个功能组件挂载到Avalon总线上构成伺服控制主芯片。其中对PWM组件、光电编码组件和网络控制组件进行了详细的分析和实现。通过对伺服电机控制信号、反馈信号的研究实现了基于FPGA的伺服电机控制所需要的脉冲发生IP核和光电编码器读取IP核。硬件的实现主要是FPGA运动控制器与伺服驱动器之间接口电路,主要包括PWM信号、光电编码反馈信号和控制信号接口与伺服驱动器的连接。针对控制台与运动控制器之间信息传递,本文采用了外接网络芯片来实现。系统的软件设计主要分为控制器的控制软件和控制台监控软件进的实现,两者基于网络通信来交换信息。控制器通过网络接收控制台发送的运动命令从而完成相应的动作并反馈给控制台相应的运行状态。控制器的控制软件采用了梯形曲线控制算法对速度的柔性实现,定时器中断程序主要是对光电编码信号进行采样和给定值进行比较,经过PID控制算法产生脉冲序列来驱动电机。
曹涛[7]2015年在《盘式绝缘子串检测机器人设计与运动学仿真》文中指出绝缘子是架空输电线路的一个重要组成部分,随着运行时间的增加,绝缘子的绝缘性能和机械性能均有所下降,从而产生劣质(零值或低值)绝缘子,劣质绝缘子将严重威胁电网输送的安全。传统的人工检测方法效率低,安全性不高,所以研究采用绝缘子检测机器人代替传统的人工检测的方式变得十分迫切。本课题意义在于通过绝缘子串检测机器人代替人工检测,通过检测机器人携带检测设备在绝缘子串上运动,实现检测绝缘子绝缘电阻、绝缘子表面缺陷等的检测。为了实现对架空线路绝缘子的检测,本课题主要研究绝缘子串检测机器人运动系统,包括检测机器人运行机构,运动学仿真及其分析等,随后阐述了机器人控制系统、信息处理系统及检测系统等。检测机器人通过运动机构来实现其在待检测绝缘子串上的物理运动;检测机器人的信息处理系统,实现图像传输、图像处理、信息收集和边缘检测等功能。本课题创新部分,主要体现在对采用双臂交替攀登技术,易更换可调节伸缩结构技术,绝缘子串状态模式识别检测技术、多传感器数据融合技术、绝缘子串同步检测技术的应用研究。本课题通过大量的现场试验,验证了本研究课题内容,实现检测设备在绝缘子上检测技术上应用,并具有较好的效果。本课题采用关键技术的工作、工艺利用机器人探索和解决的架空输电线路检测技术,成功研制并顺利实施绝缘子串检测机器人,不仅可以减轻工人的劳动强度,以降低运营成本。研究内容为架空输电线路绝缘子串检测设备能在今后的技术发展中指明方向,为未来的行业发展奠定基础,保障了智能电网的安全运行。
王梦[8]2016年在《多自由度串联机器人运动学分析与仿真》文中研究说明本文研究的主要内容为7自由度串联机器人运动学的分析与仿真。在查看大量文献的基础上学习并运用D-H参数法和旋量法分别建立机器人运动学正解的方法。利用D-H参数法计算运动学正解时,首先根据连杆之间的相互关系和关节类型建立D-H坐标系,在此基础上确定各个坐标系的参数并建立坐标转换矩阵,最后把各个坐标转换矩阵相迭加得到该机器人的运动学正解。利用旋量法计算运动学正解时,首先建立基坐标系并确定各个关节轴线的单位向量,再根据连杆的位置找出各个连杆上的点,带入到运动旋量的指数矩阵中,根据机器人的初始位姿建立其末端的初始位姿矩阵,最后把得到的运动旋量的指数矩阵与初始位姿矩阵依次连乘得到该机器人的运动学正解。在得到的两组正解的基础上进行运动学的仿真,以对比D-H参数法和旋量法的异同和各自的优缺点:两者需要建立坐标系的个数不同;一般情况下两种方法建立的基坐标系位置不同;D-H参数法建立初始位置关节转角可能不为零,而旋量法必为零;D-H参数法不能描述相对应的坐标系沿y轴方向的转动和移动;旋量法在后续计算过程中造成的累计误差较小。通过分析得出旋量法在运动学正解计算时具有一定的优势。运动学的逆解分析与仿真部分以旋量法建立的运动学正解为基础,采用位姿分离法与几何法以及最短行程原则相结合的方法,分析计算其运动学逆解。这种算法能够得到第2,3,4,5,6,7个关节的解析解以及第1个关节的数值解,集计算和优化为一体,计算过程也比较简单,效率及精度高。逆解的仿真采用单点仿真和连续点仿真两种方法,其中单点的仿真能够估算该方法的计算精度,连续点仿真证实该方法的连续性。基于运动学的结构参数优化分析部分,首先运用蒙特卡罗法计算得到工作空间点云图,根据工作空间点云图进行分层计算,采用子空间体积的迭加方法得到该机器人工作空间的总体积,然后以工作空间体积为分析基础,在单个连杆长度以及组合连杆长度改变的情况下分析工作空间体积的变化规律,为后续综合各方面因素确定优化方案提供参考。
姜雷杰[9]2018年在《自绝缘仿生柔性并联关节的设计与控制》文中指出当前带电作业主要依赖人工手段,难以有效保障带电作业人员的人身安全、提高作业效率。通过采用带电作业机器人代替人工手段开展带电作业任务可有效防止人身伤亡事故的发生并且能够提高带电作业效率。传统的带电作业机器人由于采用内嵌电机或液压的串联驱动方式,使得带电作业机器人具有自重大和绝缘成本高的缺点。由解剖学和生物运动学可知,人类臂膀的生物运动是由骨骼作为支撑、肌肉进行驱动实现的;灵活的肩关节和腕关节是并联驱动的方式。鉴于此,本课题面向带电作业的应用,通过仿生人类臂膀,尝试研究一种包含肩关节、肘关节和腕关节的自绝缘仿生机器人臂。通过绳索远程驱动模拟人的肌肉驱动,将驱动电机等导电单元从机器人臂中分离出来,机器人臂本体采用绝缘材料进行设计和构造,从而保证仿生机器人臂自身具有绝缘特性。自绝缘仿生机器人臂是一个包含腕关节机构、肘关节机构和肩关节机构的复杂多体系统,但其最关键的组成部分是各个仿生关节。由于人类手臂肘关节可以等效为1个自由度(1-DOF)的旋转运动,该关节自由度可通过一个2根绳索驱动的转动关节机构模拟,研究机理较为简单,故不予考虑。人类手臂的腕关节和肩关节可等效为3-DOF旋转运动,均可以通过一个由多根绳索驱动的带有柔性支撑体的3-DOF(Roll、Pitch and Yaw)并联机构模拟;针对具有柔性支撑脊柱的3-DOF绳索驱动并联机构,其横滚(Roll)和俯仰(Pitch)运动与偏航(Yaw)运动是可以通过机构设计解耦实现,而横滚(Roll)和俯仰(Pitch)运动的绳索驱动并联机构动力学及其运动控制较为根本。因此,本文主要的研究对象是绳索驱动的具有柔性支撑脊椎的2-DOF(Roll and Pitch)仿生柔性并联关节,重点研究模拟人类手臂腕关节/肩关节运动的机构,并深入探究该机构的设计、动力学、控制与绝缘特性等问题。首先,考虑到柔性支撑体具有侧向弯曲特征,提出一种运动学与静力学相结合的方法同时求解系统的运动学与静力学。通过仿真分析可知,所建的运动学和静力学模型是合理的和正确的。为了降低驱动器规模和减少能源消耗,基于系统的运动学和静力学并结合绳索位置的限制和绳索单向驱动输入两个约束优化了绳索的布局。优化结果表明,将绳索两端放置在越靠近驱动绳索与定平台和动平台连接半径上限的位置越好。此外,为了获得良好的运动性能,基于绳索拉力为正的约束分析了系统的工作空间。仿真结果表明,机构的平移工作空间是一个倒立的锥体并且它的体积随半径比(驱动绳索与定平台的连接半径对与动平台的连接半径的比值)值的增加而增大。通过分析仿真结果可知仿生柔性并联关节机构的绳索布局优化设计和工作空间分析方法是合理的。其次,基于拉格朗日方程,将刚体大范围运动和柔性体小变形耦合相结合,构建了考虑柔性振动因素、仅考虑径向柔性振动因素以及忽略柔性振动因素的叁种系统动力学模型。为了能够用较小的能量实现柔性系统的最小误差,基于第一种系统动力学模型设计了线性二次型最优控制(Linear Quadratic Optimal Control,简称LQOC)器。为了在抑制系统柔性振动的同时能够使系统位置跟踪误差较小,基于第二种系统动力学模型设计了非线性控制(Nonlinear Control,简称NC)器。为了使闭环系统稳定的同时能够及时地消除系统的干扰以及减少系统的跟踪误差,基于第叁种系统动力学模型设计了带有前馈控制的比例微分控制(PD with Feed-forward Control,简称PD-FC)器。由于绳索不能提供推力,因此将PD-FC方法与绳索内力原则相结合以保证绳索拉力始终为正。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果证实了设计的控制器能够跟踪理想轨迹的同时抑制系统的柔性振动。为了进一步验证仿真结果的合理性,设计并搭建了一个仿生柔性并联关节实验平台,主要包括系统机械平台和系统电气平台两个部分。在实验平台上开展了考虑柔性振动因素、仅考虑径向柔性振动因素以及忽略柔性振动因素的系统控制实验。研究结果表明每种系统控制策略的实验结果均与相应的仿真结果较为接近,从而证明了相应系统控制策略的合理性同时也证实了相应系统动力学建模的正确性。最后,针对仿生机器人臂的自绝缘特征,开展了仿生柔性并联关节绝缘特性理论仿真和实验研究。采用有限元方法计算额定电压作用下系统机械结构表面和周围空间的电位和电场分布,结果表明了最大电场强度远低于空气和绝缘材料的击穿场强,因此电场环境不具备电弧产生条件。为进一步验证仿真结果,本文采用3D打印技术搭建了一个与仿真模型具有相同材质、相同形状以及相同尺寸的实验模型并通过搭建的系统绝缘测试平台开展了绝缘耐压试验,采用逐级升压的方法测试被试样本击穿特性。由系统绝缘特性测试实验现象可知,在当前的电压等级下,绝缘并联关节未被击穿且不具备电弧产生的条件,即绝缘并联关节具有良好的绝缘特性且能够在较宽范围电压下保持自身的绝缘特性,并同时也证实了绝缘仿真结论的正确性。
印峰[10]2013年在《输电线路除冰机器人逆运动学问题研究》文中提出线路覆冰对电网及电力设备的危害在于:随着积雪、冰凌载荷增加,会引起线路舞动、雾闪等现象;当输电线覆冰超过设计标准规定水平时,可能导致杆塔变形、甚至倾覆,从而造成整个电网结构性的破坏。在电网安全事故中,以输电线路的抢修难度最大,其影响也最为严重。目前,国内外主要采用的输电线路除冰技术包括热融法和机械破冰法。热融法通过提高线路电流以增加线路发热,从而达到融冰目的。热融除冰效率较高,但能耗高,操作成本相当可观;机械破冰法主要依靠人工上线除冰方式实现,其危险性高,劳动强度大,并且除冰效果非常有限。围绕着如何实现低功耗、低成本、高效率、人员零伤亡、可连续在线的输电线路除冰作业,本项目组创造性地提出以机器人代替人工等其它除冰方式的新思路。与传统除冰方式相比,采用机器人除冰优势明显,发展前景非常广泛。控制除冰机器人沿输电线路平稳、可靠地运行是确保机器人正常工作的前提和基础,而机器人逆运动学问题作为机器人技术领域的基础性问题之一,直接影响到机器人机械设计与优化、轨迹规划与跟踪控制、虚拟现实以及视觉伺服控制等各项关键技术的解决。为此,本论文针对除冰机器人逆运动学问题展开了较深入的研究,全文主要工作包括以下几个方面。论文首先介绍了冰灾天气对于电网的危害,以及目前存在的主要输电线路除冰方法;系统分析了现有除冰方法的优缺点,提出采用机器人除冰的可能性;阐述了国内外对于输电线路机器人和串联机器人逆运动问题的研究现状。本文设计并研制的输电线路除冰机器人采用叁机械臂结构,其结构复杂,要建立较精确的运动学模型非常困难。为此,针对设计的叁臂式除冰机器人结构,在本论文的第二章提出分时控制策略,即使各个机械臂逐次分时运动,从而可将机器人运动学模型简化为串联机械手模型进行分析。在此基础上,建立了除冰机器人连杆坐标系,并获取了其结构的D-H参数。同时,建立了以操作手末端执行器位置误差与姿态误差表示的优化方程。根据旋转关节和平移关节的特点,推导了逆运动学优化方程的梯度计算公式,该梯度式可用于迭代算法的最优搜索方向计算;另外,由机器人旋转方程和运动微分方程出发,推导了迭代计算中最优搜索步长的近似计算公式。综上,论文得出了用于计算任意自由度串联机器人逆运动学问题的最优化方法的一般性计算公式。基于导数的最优化方法,类如牛顿迭代法,是用于计算机器人逆运动学问题的重要方法之一。虽然论文第二章给出了最优搜索步长的近似计算公式,但该公式需要计算机器人雅克比矩阵,并且涉及到向量运算,其计算过程比较复杂。为此,在第二章的基础上,论文第叁章提出一种改进的拟牛顿方法,其基本思想是:如果最优搜索方向已知,在起初始值已充分接近真实解的条件下,可以以一个指定的较小搜索步长逼近问题的最优解。由于搜索步长通过随机方式指定,因此大大降低了计算复杂度,提高了算法的可执行性。另外,为了提高初始值的搜索效率,本文将类电磁算法首次应用于机械手运动学问题的求解,并且取得了非常理想的计算效果。虽然将串联机器人逆运动学问题转化为一个多元函数优化问题进行计算,可得到较为精确的逆运动学解。但是,当机器人结构复杂,其结构参数较难获取时,采用前述方法求解存在困难。由于神经网络具有较强的泛化能力和非线性映射能力,因此,利用神经网络方法求解机器人逆运动学问题并不依赖于机器人结构参数。然而,采用神经网络方法求解机器人逆运动学问题一直存在两个技术瓶颈有待突破,即:训练集获取与网络训练速度问题。针对该问题,论文第四章提出将逆运动学求解过程转化到关节子空间内完成以及对训练样本进行筛选分类两种新的计算思路,并采用极限学习机算法训练网络,在一定程度上较好的解决了上述两个技术问题。在前述各个章节中,实际研究的是无约束条件下机器人逆运动学的计算问题,然而现实中许多优化问题往往是带有约束条件的。例如,本文研究的叁臂式除冰机器人在越障过程中,通常在其悬点处存在由其它关节运动引起的附加的转动自由度,该被动关节的转动量由机器人的结构参数和其它关节的转动量共同决定。而前述的方法一般不再适用于带约束优化问题。为此,论文第五章提出一种改进的类电磁算法。该算法基于原始类电磁算法和适合度规则,可用于求解带有约束关系的机器人逆运动学问题,并可推广到其它带约束函数优化问题的计算。论文第六章总结了在输电线路除冰机器人的研制过程中,需要解决的关键与难点技术问题。介绍了本项目组研制的叁臂式除冰机器人机械结构和控制系统组成。最后总结了全文的主要创新性研究成果,并对下一步研究工作进行了展望。
参考文献：
[1]. 带电作业机器人冗余臂的分析与控制[D]. 高同跃. 山东科技大学. 2004
[2]. 高压带电作业机器人运动学分析与仿真[D]. 赵玲亚. 天津大学. 2007
[3]. 带电抢修作业机器人运动分析与控制方法研究[D]. 高焕兵. 山东大学. 2015
[4]. 绝缘子带电更换作业机器人研究及应用[D]. 罗俊. 长沙理工大学. 2016
[5]. 高压带电作业机器人运动控制系统的研究与实现[D]. 王公旺. 山东科技大学. 2010
[6]. 基于FPGA的遥操作机器人运动控制器的研究[D]. 王庆修. 山东科技大学. 2008
[7]. 盘式绝缘子串检测机器人设计与运动学仿真[D]. 曹涛. 齐鲁工业大学. 2015
[8]. 多自由度串联机器人运动学分析与仿真[D]. 王梦. 北京理工大学. 2016
[9]. 自绝缘仿生柔性并联关节的设计与控制[D]. 姜雷杰. 东南大学. 2018
[10]. 输电线路除冰机器人逆运动学问题研究[D]. 印峰. 湖南大学. 2013
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