帶電搶修作業(yè)機器人運動分析與控制方法研究.pdf

1、隨著我國經濟的發(fā)展，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行變得越來越重要，如何加強電網(wǎng)日常維護，防患于未然，以及出現(xiàn)問題時及時搶修，構建電力系統(tǒng)安全防御框架、應對各種挑戰(zhàn)，成為亟待解決的問題。帶電作業(yè)是指在高壓電器設備上進行不停電檢修、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)中與用戶關系最直接、最緊密的網(wǎng)絡，目前其帶電作業(yè)主要是人工方式，危險程度高，勞動強度大。為避免人工帶電作業(yè)中事故的發(fā)生，增強帶電作業(yè)的安全性，提高作業(yè)效率，采用機器人

2、代替人工進行作業(yè)有著迫切的現(xiàn)實意義和重要的研究價值。
　　雖然國內已經出現(xiàn)過帶電作業(yè)機器人的研究成果，但在本體結構設計、驅動動力系統(tǒng)、動力學建模、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)實背景，本文針對電力行業(yè)應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)機器人，在不停電的情況下進行配電網(wǎng)的安全搶修和日常維護作業(yè)。本文的主要研究內容和結果概況如下:
　　(1)針對10kV及以下架空線

3、路配電系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境，設計了一種適用于10kV及以下配電線路的帶電搶修作業(yè)機器人的機械結構，其主體結構包括移動升降平臺、液壓機械臂、專用帶電作業(yè)工具。在絕緣斗臂車的基礎上，設計了適合于野外復雜路況的工程化移動升降平臺，為帶電搶修作業(yè)機器人提供了平臺基礎。研制了大載荷、高絕緣強度、高功率密度的多自由度液壓機械臂，適應了配電網(wǎng)帶電搶修作業(yè)的復雜空間環(huán)境，滿足了高壓作業(yè)的高絕緣度要求和高空作業(yè)的低質量負載要求。研制了多種具有標準機械、電氣接口

4、的帶電作業(yè)專用工具，實現(xiàn)了帶電搶修和維護的標準化作業(yè)。
　　(2)根據(jù)帶電搶修作業(yè)機器人對控制系統(tǒng)的特殊要求，采用了分層遞階的體系結構，開發(fā)了一套可劃分為頂層、中間層、底層三層結構的控制系統(tǒng)，通過合理的任務分配及協(xié)調，可實現(xiàn)機器人的任務管理、任務規(guī)劃、主從控制和自主控制?；赨ML使用面向對象技術分析和設計了電搶修作業(yè)機器人主控系統(tǒng)，將機器人運動參數(shù)檢測、視覺定位跟蹤、主手示教再現(xiàn)、信息處理與統(tǒng)計有機結合，利用加鎖機制和有序資源分

5、配法，開發(fā)了多線程并發(fā)、多端口通信的網(wǎng)絡化帶電搶修作業(yè)機器人主控軟件，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多軸運動控制器研制了從控系統(tǒng)，驅動機械臂各關節(jié)液壓伺服閥，可靈活、可靠的控制帶電搶修作業(yè)機器人的多自由度運動，并實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行電氣隔離。
　　(3)基于D-H方法對帶電搶修作業(yè)機器人進行了運動學分析，使用拉格朗日方法

6、建立了帶電作業(yè)機器人與作業(yè)對象的整體運動學模型。對帶電搶修作業(yè)機器人的六自由度液壓機械臂進行了正向運動學分析和逆向運動學方程的求解，結合實際帶電作業(yè)環(huán)境，分析作業(yè)運動空間，優(yōu)化了機械臂結構。建立了機械臂的拉格朗日動力學方程，并針對機器人操作導線的作業(yè)場景，防止作業(yè)過程中因導線的反彈和慣性造成事故，將導線這種柔性負載與機械臂一起進行了整體動力分析，為研究機械臂協(xié)調操作柔性負載的柔順控制策略提供了基礎模型。使用ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿

7、真，得到各關節(jié)運動范圍、運動速度和關節(jié)驅動力等重要參數(shù)，驗證了運動學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器入主從控制與局部自主控制相結合的控制策略。主從控制中，改進了力反射型伺服控制策略，減小了尺寸縮放效應對力控制的影響，通過實驗驗證了該主從控制策略的優(yōu)越性。自主控制中，分析了機械臂各連桿的受力情況，使用系數(shù)法和曲線擬合法相結合的方式進行了自身重力補償，提高了關節(jié)力矩的接觸力測

8、量的準確度。未接觸目標前，基于視覺傳感器對機器人接近速度進行控制，提高了機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，實驗結果證明該方法提高了機器人與高剛度環(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)的實際環(huán)境情況，提出了一套基于自調整閾值Canny邊緣檢測和Hough變換三直線加圓檢測計算的作業(yè)目標識別方法，克服了線路背景復雜、作業(yè)目標對比度低、光線干擾大等問題。針對六角螺母這一目

9、標對象，提出了一種包含連續(xù)調整閾值進行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，在光線不均勻的實驗條件下驗證了其有效性。運用運動目標的雙目視覺定位方法，綜合已知的作業(yè)目標所在世界平面在當前攝像機坐標系中參數(shù)標定方法，確定了作業(yè)目標在機器人坐標系中的三維坐標，為基于視覺伺服的機器人運動自主控制打好了基礎。
　　(6)為避免雙機械臂作業(yè)過程中的力度配合不協(xié)調和可能發(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)調避碰控制方法。針對雙機械臂運動學結構的不完全對稱性，建立了非對稱雙臂柔順控制模型，為非對稱冗余驅動機器人力控制提供了理論參考。依據(jù)帶電作業(yè)機器人的作業(yè)空間分布，為防止雙機械臂作業(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空間法建立一個機械臂對另一機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目的地的運動路徑，實現(xiàn)了雙臂