帶電搶修作業(yè)機器人運動分析與控制方法研究
本文選題：帶電搶修作業(yè)機器人 + 面向?qū)ο?/strong>��； 參考：《山東大學(xué)》2015年博士論文
【摘要】：隨著我國經(jīng)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(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(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)過帶電作業(yè)機器人的研究成果,但在本體結(jié)構(gòu)計、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(nèi)容和結(jié)果概況如下：(1)針對10kV及以下架空線路配電系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境,設(shè)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(jié)構(gòu),其主體結(jié)構(gòu)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(chǔ)上,設(shè)計了適合于野外復(fù)雜路況的工程化移動升降平臺,為帶電搶修作業(yè)機器人提供了平臺基礎(chǔ)。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(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)量負載要求。研制了多種具有標準機械、電氣接口的帶電作業(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(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),可實現(xiàn)機器人的任務(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(jié)合,利用加鎖機制和有序資源分配法,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�；赥RIO多軸運動控制器研制了從控系統(tǒng),驅(qū)動機械臂各關(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(xué)分析,使用拉格朗日方法建立了帶電作業(yè)機器人與作業(yè)對象的整體運動學(xué)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(xué)分析和逆向運動學(xué)方程的求解,結(jié)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(jié)構(gòu)。建立了機械臂的拉格朗日動力學(xué)方程,并針對機器人操作導(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(diào)操作柔性負載的柔順控制策略提供了基礎(chǔ)模型。使用ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真,得到各關(guān)節(jié)運動范圍、運動速度和關(guān)節(jié)驅(qū)動力等重要參數(shù),驗證了運動學(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器人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(jié)合的方式進行了自身重力補償,提高了關(guān)節(jié)力矩的接觸力測量的準確度。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(jié)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(diào)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(fù)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標對象,提出了一種包含連續(xù)調(diào)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(chǔ)。(6)為避免雙機械臂作業(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*搜索法的雙臂協(xié)調(diào)避碰控制方法。針對雙機械臂運動學(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(zhuǎn)化為雙臂無碰撞軌跡規(guī)劃問題,基于C空間法建立一個機械臂對另一機械臂的無碰撞空間庫,使用A*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)了雙臂避碰的協(xié)調(diào)控制,進一步提高了機器人作業(yè)過程中的安全性。
[Abstract]:With the development of China ' s economy , it is becoming more and more important to ensure the safe and stable operation of power system . ( 2 ) According to the special requirements of the control system of the electric emergency repair work robot , the multi - degree - of - freedom motion of the robot with multi - threaded concurrent and multi - port communication has been developed by using the architecture of hierarchical hierarchical order . ( 4 ) In order to guarantee the efficiency and reliability of the live operation , the control strategy of the robot master - slave control and the local autonomous control based on the multi - sensor is studied . In the master - slave control , the force reflection type servo control strategy is improved , the influence of the size scaling effect on the force control is reduced , and the accuracy of the contact force measurement of the joint moment is improved through experiments .
This paper presents a new method for controlling the robot ' s motion autonomy based on C - space method and A * search method .
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242
【參考文獻】
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，本文編號：2071995
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