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高压输电线路巡线作业机器人中若干动力学问题的研究
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上传时间: 2012-10-06
详细说明： 高压输电线路巡线机器人是机器人研究领域的前沿课题之一，是一种具有广阔应 用前景的特种作业机器人。目前国内外在这一方面的研究成果，特别是巡线机器人动 力学方面的研究工作还十分有限。本论文提出了一种可携带检测仪器和通讯装置，以 架空输电线路为行驶路径可自主完成输电线路全路径巡线的带电作业机器人，对其刚 体系统动力学特性、与柔性作业环境间的耦合动力学特性，以及结构的弹性振动特性 三个方面进行了系统深入的研究，包括理论建模、数值仿真与实验研究。本文的主要 研究内容及创新如下： 首先，在分析了输电线路结构和巡线作业特点的基础之上，对六关节双臂反对称 悬挂式巡线机器人沿直线线路段过障作业进行了运动规划，由此确定了机器人在全路 径巡线过程中的4种典型工况及相应的典型位姿。 其次，系统地研究了巡线机器人的刚体动力学特性。建立了巡线机器人的连杆坐 标系，确定了各连杆参数；用Lagrange 法建立了机器人的多刚体系统动力学模型， 推导了六自由度巡线机器人各连杆的惯量项、耦合惯量项、向心力项、哥氏力项和重 力项系数，得到巡线机器人完整的动力学方程；并编制了多刚体动力学仿真软件，对 机器人沿无障碍线路直线行驶、过障和变向行驶过程中的典型工况进行了动力学正问 题的数值仿真 。仿真表明，双臂反对称悬挂式机器人在关节驱动力矩下能实现预期的 运动控制目标。 第三，进行了巡线机器人与柔性作业环境间的耦合动力学建模和仿真，探索了机 器人刚体运动与柔性作业环境间的耦合规律。结合多柔体动力学与多刚体动力学方 法，通过边界耦合建立了机器人与大垂度输电线路间的耦合动力学模型；并在三种不 同柔度的作业环境中，进行了典型工况的动力学逆问题数值仿真，探索了柔性作业环 境对巡线机器人的动力学响应性能的影响规律：在柔性作业环境下，机器人在起动区 间的末端加速度、速度和相应的关节驱动力矩波动均较刚性作业环境下大；而且响应 参数的波动幅值随着作业环境柔性的增加呈上升趋势；机器人末端速度、加速度的波 动随时间呈近似指数衰减。 第四，在实验室 220kV 1:1模拟架空输电线路上，对巡线机器人Ⅲ型样机进行了 典型工况的动态响应试验研究，通过数值仿真结果和实验室测试结果的对比分析，验 证了论文所建立的理论模型和数值仿真计算的有效性。 最后，结合有限元理论模态分析和试验模态测试，在刚性边界条件下研究了巡线 机器人弹性振动的动态特性。首先，对巡线机器人Ⅲ型样机在典型位姿下进行了模态试验，得到相应的动态特性参数。然后，用有限元法建立了机器人典型位姿下的三维 实体有限元模型，通过试验模态参数进行有限元模型的修正，用子空间迭代法求解了 典型位姿的固有频率和振型。分析了巡线机器人的拓扑结构对其动态特性的影响规 律：由各阶模态振型可以看出，大部分振动均源于各关节特别是机械臂与滑台导轨的 关节处，其联接刚度极大程度地影响着机器人的固有特性。 以上几个方面的工作，为高压输电线路巡线机器人进一步的动力学和控制研究奠 定了基础。 ...展开收缩
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