高壓輸電線路巡線作業(yè)機器人中若干動力學問題的研究.pdf

1、高壓輸電線路巡線機器人是機器人研究領域的前沿課題之一，是一種具有廣闊應用前景的特種作業(yè)機器人。目前國內(nèi)外在這一方面的研究成果，特別是巡線機器人動力學方面的研究工作還十分有限。本論文提出了一種可攜帶檢測儀器和通訊裝置，以架空輸電線路為行駛路徑可自主完成輸電線路全路徑巡線的帶電作業(yè)機器人，對其剛體系統(tǒng)動力學特性、與柔性作業(yè)環(huán)境間的耦合動力學特性，以及結(jié)構的彈性振動特性三個方面進行了系統(tǒng)深入的研究，包括理論建模、數(shù)值仿真與實驗研究。本文的主要

2、研究內(nèi)容及創(chuàng)新如下： 首先，在分析了輸電線路結(jié)構和巡線作業(yè)特點的基礎之上，對六關節(jié)雙臂反對稱懸掛式巡線機器人沿直線線路段過障作業(yè)進行了運動規(guī)劃，由此確定了機器人在全路徑巡線過程中的4種典型工況及相應的典型位姿。 其次，系統(tǒng)地研究了巡線機器人的剛體動力學特性。建立了巡線機器人的連桿坐標系，確定了各連桿參數(shù)；用Lagrange法建立了機器人的多剛體系統(tǒng)動力學模型，推導了六自由度巡線機器人各連桿的慣量項、耦合慣量項、向心力項、

3、哥氏力項和重力項系數(shù)，得到巡線機器人完整的動力學方程；并編制了多剛體動力學仿真軟件，對機器人沿無障礙線路直線行駛、過障和變向行駛過程中的典型工況進行了動力學正問題的數(shù)值仿真。仿真表明，雙臂反對稱懸掛式機器人在關節(jié)驅(qū)動力矩下能實現(xiàn)預期的運動控制目標。 第三，進行了巡線機器人與柔性作業(yè)環(huán)境間的耦合動力學建模和仿真，探索了機器人剛體運動與柔性作業(yè)環(huán)境間的耦合規(guī)律。結(jié)合多柔體動力學與多剛體動力學方法，通過邊界耦合建立了機器人與大垂度輸電

4、線路間的耦合動力學模型；并在三種不同柔度的作業(yè)環(huán)境中，進行了典型工況的動力學逆問題數(shù)值仿真，探索了柔性作業(yè)環(huán)境對巡線機器人的動力學響應性能的影響規(guī)律：在柔性作業(yè)環(huán)境下，機器人在起動區(qū)間的末端加速度、速度和相應的關節(jié)驅(qū)動力矩波動均較剛性作業(yè)環(huán)境下大；而且響應參數(shù)的波動幅值隨著作業(yè)環(huán)境柔性的增加呈上升趨勢；機器人末端速度、加速度的波動隨時間呈近似指數(shù)衰減。 第四，在實驗室220kV 1:1模擬架空輸電線路上，對巡線機器人Ⅲ型樣機進行

5、了典型工況的動態(tài)響應試驗研究，通過數(shù)值仿真結(jié)果和實驗室測試結(jié)果的對比分析，驗證了論文所建立的理論模型和數(shù)值仿真計算的有效性。 最后，結(jié)合有限元理論模態(tài)分析和試驗模態(tài)測試，在剛性邊界條件下研究了巡線機器人彈性振動的動態(tài)特性。首先，對巡線機器人Ⅲ型樣機在典型位姿下進行了模態(tài)試驗，得到相應的動態(tài)特性參數(shù)。然后，用有限元法建立了機器人典型位姿下的三維實體有限元模型，通過試驗模態(tài)參數(shù)進行有限元模型的修正，用子空間迭代法求解了典型位姿的固有