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《山东建筑大学》 2013年
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基于力反馈的带电作业机器人智能交互控制系统

吕骁  
【摘要】:随着社会经济和科技的发展,生产自动化水平不断提高,机器人在现代生产生活中的地位越来越重要,特别是在一些危险系数高、劳动强度大的领域内。带电作业是在高压电气设备上进行不停电检修、部件测试或更换的一项特殊的工程技术。一直以来我国都采用人工带电作业方式,人工带电作业可以根据人的工作经验对线路进行检修和测试,能够准确找到线路的故障点,并且及时解决。但是作业对象是10KV及以下的高压架空线路,人工带电作业意味着操作人员要处在高空、高压、强电磁场环境中,劳动强度大,人体姿态不容易控制,即使严格遵守安全操作规范并增加绝缘防护措施,也无法缓解作业人员的精神压力和体力损耗,稍不注意就会发生人身伤亡事故,给家人带来极大的伤痛,给社会带来严重的损失。为了避免悲剧的发生,使带电作业更加安全,提高作业效率,采用机器人代替人工进行作业已经迫在眉睫,也符合时代的要求。 高压带电作业机器人由机械结构(包括移动升降平台、主手、作业机械臂)、运动控制系统、视觉伺服控制系统、专用工具、绝缘防护装置等组成。移动升降平台使机械臂到达指定的作业区域和高度;操作人员通过控制主手,使从手能够实时地、准确地完成相应的动作;运动控制系统能够实现对机械臂末端位置和姿态的控制,同时将机械臂的当前信息反馈至主手控制装置;专用工具能够协助机器人更好的完成作业任务;绝缘防护装置保证了操作的安全性。高压带电作业机器人不仅可以将工作人员从危险的、繁重的、精神紧张的工作中解放出来,而且可以带来巨大的经济效益和社会效益,所以说,高压带电作业机器人是代替人工从事带电作业的必然趋势。 为此,2012年国家“十二五”高新技术发展规划(“863计划”)先进制造技术领域“公共安全与救援机器人”重点项目课题,对“面向电力带电抢修作业机器人研究开发与应用”进行了立项研究。 本文对国内外带电作业技术以及机器人已取得的成果进行了调研,并在此基础上进行了深入的研究和实践。主要工作有以下几个方面: 一、在对我国带电作业需求进行详细调研和分析的基础上,全面阐述了带电作业机器人的工作原理和技术特点,详细介绍了国内外的发展情况,较好的将力反馈技术应用于带电作业领域。 二、完成了机械臂的运动学建模和动力学建模。通过建立空间坐标系和坐标变换得到了系统D-H模型,运用MATLAB软件进行了仿真验证,并深入地研究了运动学的正解和逆解问题;采用机器人的雅克比矩阵进行动力学分析,详细叙述了用拉格朗日法建立动力学模型的基本步骤,并推导出系统的动力学方程,最后用ADAMS机械系统动力学自动分析软件对动力学相关问题进行了分析。 三、以TRIO MC464为运动控制器,完成了带电作业机器人运动控制系统的设计。通过TRIO控制伺服阀,进而控制各个关节的运动,并且能够将复杂程序分成几个子任务同时执行,使控制过程变得简单明了。 四、实现了主从手之间的双向控制,一是主手到从手的位置控制,使机械臂按照主手装置的指令而运动;二是从手到主手的力反馈控制,使得操作人员获得真实的力觉临场感。分析了主手控制信号采集和信号输出电路,以及人机交互的实现方法,并对下一步的工作提出了合理化建议。
【学位授予单位】:山东建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TP242

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