高压双分裂输电线路四轮机器人动力学 建模与仿真研究

电力机器人服役于超高压强电磁特种作业环境下,机器人动力学模型是机器人机械结构设计、电气系统设计及控制器设计的关键,且动力学模型的精确度和复杂度直接影响机器人控制性能和机器人的运行速度。针对高压双分裂输电线路四轮移动带电作业机器人常规动力学建模方法计算量大、复杂、不利于机器人机构和控制器设计的问题,提出了一种基于分层递推结构的机器人动力学建模方法。通过分解作业过程中机械臂的运动,利用拉格朗日动力学建模方法对机器人的机械臂基本动作进行了动力学建模,得到了机械臂基本动作的统一动力学模型,通过递推得出了四轮移动机器人的完整动力学模型,最后,通过机器人作业现场获取的关节电机实时数据,在MATLAB软件中进行仿真实验,结果验证了本文机器人动力学模型的正确性,为机器人物理样机开发、控制器和关节驱动机构的设计与选型提供了理论依据。     

高压输电线路模块可重构移动作业机器人的设计及实现

在智能巡检机器人技术基础上,通过对作业环境的综合分析,针对高压输电线路的金具安装与拆卸、破损导线修补、导/地线除冰和线路巡检等检修维护作业任务,提出了面向多作业任务的模块可重构移动作业机器人的机构构型,通过对构型的分析与综合,对移动作业机器人进行了单元模块的划分并提出了可重构的解决方案.其中,单元模块包括移动机器人载体平台单元、作业机械臂单元、末端执行器单元及其连接单元等类型,面向不同作业任务的机器人均由这4类模块构成.设计了各单元模块,按照前述可重构方案给出了各面向具体作业任务的移动作业机器人虚拟样机及其运动规划仿真.研制了单元模块,分别给出了面向线路巡检和面向线路除冰作业的移动作业机器人应用例,模块划分以及重构方案正确可行.     

输电线带电作业机械臂末端位姿误差补偿方法研究

输电线路带电作业机械臂辅助并代替人工进行线路检修作业与维护,具有广阔的应用前景。但自身与 外部扰动等多重因素会使得机械臂末端位姿存在一定偏差,直接影响作业对象定位精度,为了提升机械臂末端 在作业过程中的位姿精度,并使得机械臂能够自适应补偿扰动带来的影响,本文首先建立了机械臂作业过程的 运动学模型,基于该运动学模型建立了机械臂关节连杆参数和关节转角存在摄动时的末端位姿误差数学模型, 在上述基础上提出了一种机器人机械臂末端位姿误差补偿方法,并通过仿真实验验证了误差模型和补偿方法的 有效性。最后,在带电线路上,以机械臂实现输电线路引流板螺栓紧固为例进行了检修作业,试验验证了本文 所提出的机械臂末端位姿误差补偿方法的工程实用性,本文的研究对于输电线路智能运维管理具有重要理论意 义和实际应用价值。     

基于移动机载平台的输电线绝缘子激光 除冰机构设计

为了解决冬季严寒时期对输电线路及其金具的除冰作业任务,综合分析现有的除冰技术,本文提出一 种基于激光技术的新型输电线路除冰方法,设计了能够在地面行走并搭载激光除冰器的激光除冰装备的基本构 型和虚拟样机模型,通过合理的作业运动规划,利用激光头的旋转和俯仰运动对输电覆冰处定点激光照射使覆 冰脱落,和常规除冰作业方式相比,该除冰装备移动平台采用四轮行走模式能够灵活移动,同时激光可以实现 无接触式的除冰作业,再配合激光头的多自由度运动对覆冰处实现无盲区除冰,其作业效率和作业可靠性得到 一定保证,该研究对于输电线路智能运维管理具有重要理论意义和实际应用价值。     

基于模糊PID算法的输电线路除冰机器人智能控制系统设计

输电线路覆冰会引起断线、跳闸以及电网通信中断等事故。人工除冰的作业劳动强度大、效率低，且危险度较高，除冰机器人的应用越来越广泛。为有效提升除冰机器人控制误差，优化机器人越障能力，应用模糊PID算法设计新的输电线路除冰机器人智能控制系统。系统硬件由数据采集模块和控制模块组成，采集模块选用型号为BD73-DAQ970A的数据采集器，利用数据扫描得到相关信息，控制模块选用型号为RW-C901-00-08-HL-T的PID控制器。利用模糊PID算法计算越障参数和规则参数，通过选取偏差参数调节安全系数，根据控制参数结合控制系统软件，调节机器人的控制指令参数，将控制参数全部转移至调节空间中执行集中控制操作，实现对除冰机器人的智能控制。实验结果表明，将模糊PID算法应用在输电线路除冰机器人智能控制上可以更好地实现越障。与传统控制方法相比，所设计系统的控制误差更低，除冰效果较为理想。     

超高压输电线路巡线机器人结构设计与运动学仿真

针对500kv超高压输电线路巡检作业,提出采用步进式与轮式混合爬行机构的巡线机器人作业方案,建立了巡线机器人基于特征的参数化模型,以此为基础建立了该机器人的虚拟样机;从机构学的角度分析了巡线机器人操作臂的关节角位移、角速度等参数;基于ADAMS建立了运动仿真模型,对巡线机器人进行了运动仿真,验证了巡线机器人结构设计和运动规划的合理性和正确性.     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

高压多分裂输电线路自主巡检机器人及其应用

介绍了一种沿(超)高压多分裂输电线路行驶的自主巡检机器人,包括自主巡检机器人本体、地面基站、巡检后台管理系统.机器人机械结构的设计针对多分裂线路特色的障碍物如均压环、间隔棒的结构特点以及线路受到多种作用力后复杂变形的几何特点完成,使得机器人能顺利通过各种障碍物,完成线路的全程自主巡检.通过介绍本系统的关键技术:移动机器人机构、控制系统设计、基于电磁导航与机器视觉的自主巡检系统,给出自主巡检机器人的一个典型实例.不同环境下的现场运行试验表明,该巡检机器人系统正确、实用.     

四足磁吸附爬壁机器人稳定性与动力学分析

动力学分析是机器人评估运动性能以及实施运动控制的关键,由于四足爬壁机器人的多运动链结构和闭链约束,运动学分析较为困难.为此,本文提出以虚功原理求解四足磁吸附爬壁机器人的稳定性与动力学.求解动力学方程,利用优化理论设计驱动力二次规划方法,通过最小功率原则计算关节驱动力,并验证其合理性.设计仿真实验,通过PID控制,采用M...     

输电线路机械除冰作业过程中抑制脱冰跳跃方法的研究

机械除冰作业时输电线路因外力冲击作用和覆冰突然脱落而发生大幅振动,会对线路结构产生潜在危害,从而阻碍了机械除冰技术的推广。为抑制机械除冰时电线的脱冰跳跃,通过分别采用绝缘绳或绝缘杆约束电线,分别保持约束点固定或可移动,及改变约束点位置等共组合产生了16种抑制方案;以某输电线路机械除冰试验为例,通过有限元仿真,研究了各种方案对机械除冰过程中除冰率、电线跳跃高度和最大张力的影响。结果表明,当采用绝缘绳施加在档距中点并固定约束点上跳位移的方案时,对抑制机械除冰中电线脱冰跳跃的综合效果最好,在工程中应优先选用。     

平面五杆并联机器人动力学分析

用拉格朗日法推导出平面五杆并联机器人的动力学模型,得出驱动力矩的表达式.通过对平面五杆并联机器人模型的分析,得出了平面五杆并联机器人的主动关节等效惯量、耦合惯量和驱动力矩的变化规律.结果表明,对于给定的运动规律,机构的位形对系统的主动关节等效惯量、耦合惯量和驱动力矩的影响较大.     

驱动冗余重型并联机构的动力学性能

针对重型并联机构构型不足的问题,提出了一种适合重载加工的2自由度龙门式驱动冗余并联机构。首先,在运动学分析的基础上,利用虚功原理建立了系统的动力学模型。其次,以动力学模型中驱动力的范数最小为目标,对驱动力进行优化,并给出了一种加速度性能评价指标。最后,基于驱动力优化方法以及加速性能评价指标分析比较了在相同运动条件下该冗余重型并联机构与其对应的非冗余并联机构的动力学性能。本文研究结果对其他重型关联机构的构型设计以及加速度评价具有重要的参考价值。     

高压输电线路覆冰清除爆破参数研究

针对高压输电线路覆冰严重威胁到国家电网稳定正常运行的问题,对高压输电线路覆冰爆破除冰进行了研究.应用LS-DYNA计算最优控爆参数,确定输电线路覆冰最佳装药量、以及装药与输电线路最优间隔值,并通过缩比爆破除冰实验验证了仿真计算结果.结果表明,有效覆冰参数,以及高压输电线与覆冰表面摩擦系数的确定为爆破除冰控爆参数的计算提供了有力保证;通过高速相机全程拍摄可知,缩比爆破除冰实验研究获得了较好的除冰效果,表明高压输电线路覆冰爆破除冰控爆参数具有可靠性及可行性,可为高压输电线路爆破除冰方案设计提供依据.     

采用模糊逻辑的移动机器人轨迹跟踪

针对差动轮驱动的移动机器人动力学的高度非线性和运动环境的不确定性,提出了基于模糊逻辑的移动机器人路径跟踪控制方法。该方法通过合理选择模糊控制器的参数和优化规则库,使其输出合适的线速度和角速度,从而控制移动机器人准确地跟踪预规划的路径。提出了两轮差动式移动机器人的动力学模型,使得该模糊控制器对不同几何参数的差动式机器人具有普遍的适应性。在实际场地试验和亚太机器人大赛中验证该方法的有效性。     

绝缘子串激光除冰机器人人机交互控制系统设计

冬季严寒气候输电线路绝缘子串覆冰严重影响绝缘子的绝缘性能,特别是绝缘子间形成的冰凌更是会造成绝缘子片间短路事故的发生,利用激光进行绝缘子除冰作业是电力运维管理新思路和新方法的有益探索,其具有除冰效果好、对线路无损伤、能源利用清洁高效等显著优点。除冰机器人控制系统是完成除冰作业的关键,传统的激光除冰机器人,激光器和搭载装备相互独立,控制分散,难以做到二者协同控制。基于此,本文充分分析搭载装备和激光器在绝缘子除冰作业中各自的功能,针对完整的激光除冰作业任务提出了无人机-激光器的复合式和集成式控制系统解决方案,并设计了操控简单、界面友好的人机交互协同控制界面,实现了同一控制平台上对搭载装备无人机和激光器的双重控制功能,从而有利于提升除冰作业效率和作业可靠性,同时该集成式控制方法具有较强的推广性,其对于多系统分散控制的集成化具有重要的参考价值。     

220kV 高压电力极端环境下带电作业 机器人控制方法研究

针对高压电缆极端环境下的大柔索输电导线、高空随机风载荷、高压输电线路超强电磁场干扰对于机器人控制的影响机制进行了探索研究,建立了大柔索输电导线和风载荷作用下机器人的控制模型,分析了高压输电线路的电磁场的基本特性,构建了机器人进出强电磁场的等效电路模型,通过对大柔性、风载荷、超强电磁场三种主要极端环境进行了有效的信息融合,并设计了相应的机器人控制算法,最后,通过仿真实验和现场作业试验验证了算法的有效性和工程实用性,与常规控制算法相比,该方法能够有效抑制大柔性强电磁输电线路及风载荷对于机器人运动控制的影响,机器人位姿检测与作业控制得到了进一步优化,机器人对于高压电力极端作业环境的自适应能力得到了进一步加强。     

高压输电线路带电更换防振锤机器人的研制

针对人工带电更换防振锤作业劳动强度大、效率低、危险性高的问题,研制具有双作业末端的带电更换防振锤机器人。首先,设计机器人行走轮、夹持机构、作业末端等构型,完成本体测控平台及远程管理主机控制平台的集成设计。其次,制定机器人更换防振锤的作业规划,并提出一种易于扩展、通用性强的多臂多动作机器人关节运动模型及其H∞控制方法,增强机器人关节运动的鲁棒性及其对作业环境的自适应能力。最后,通过对机器人进行工频耐压试验与实际线路作业试验,验证了该机器人结构设计合理,完成跨越防振锤及拆取、安装防振锤等作业任务连贯流畅,关键动作满足定位要求。     

面向配电系统的带电抢修作业机器人

面向电力行业应急救援和安全抢修作业装备发展的需求,设计了一种配电系统带电抢修作业机器人,并对其机械结构与控制系统进行了介绍。提出一种基于液压伺服驱动的6自由度机械臂的系统解决方案,通过运动学、动力学和有限元分析优化了部件结构和动力学性能,使其有效负载能力达到最大。针对作业过程中机器人本体与导线发生碰撞等引起的震荡问题,使用非对称控制方法,建立了机械臂的柔顺控制模型,降低了震荡的影响。将整体单目视觉的静态测量与双目手眼视觉系统的动态测量相结合,设计了复杂环境下目标点的高精度动态定位系统,实现了机械臂的局部自主路径规划与运动控制。通过实验验证了所开发的带电抢修作业机器人在10 kV以下配电线路应用的有效性和可行性。     

多运动状态下移动机器人的动力学建模与分析

通过对关节履带式移动机器人越障过程的运动分析,基于履带车辆行驶力学分析及牛顿-欧拉方程,建立了机器人复合越障运动状态的动力学模型.并以车体的运动为控制目标,分析计算了车体、摆臂的运动变化以及驱动力矩的变化.仿真图形验证了机器人具有良好的运动稳定性,为机器人越障过程的控制奠定了基础.     

输电线路带电更换绝缘子串机器人的研制

输电线路带电更换绝缘子串危险性大、事故率高。为便于带电更换,该文对等电位作业人员动作分解和模拟,设计可以取代等电位作业人员自主完成输电线路上绝缘子串更换作业的机器人。机器人包括非越障平台、控制平台和地面基地,其中非越障平台主要由机体、机械臂、机械手及执行末端等机构构成,控制平台由运动控制、通信、图像采集和电源管理系统组成,地面基站系统包含无线网卡和3G上网卡的PC机。地面基地通过无线网络对非越障平台和控制平台遥控。研制的机器人操作方便、灵活,通过了工频耐压试验、模拟线路作业试验及现场带电线路作业试验,满足110~220kV输电线路上绝缘子串更换作业的需求,减轻了作业人员的劳动强度,提高了带电作业的安全系数。