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带电抢修作业机器人运动分析与控制方法研究

高焕兵  
【摘要】:随着我国经济的发展,保证电力系统安全稳定运行变得越来越重要,如何加强电网日常维护,防患于未然,以及出现问题时及时抢修,构建电力系统安全防御框架、应对各种挑战,成为亟待解决的问题。带电作业是指在高压电器设备上进行不停电检修、部件更换或测试,一直为世界各国所重视。配电网是电力网中与用户关系最直接、最紧密的网络,目前其带电作业主要是人工方式,危险程度高,劳动强度大。为避免人工带电作业中事故的发生,增强带电作业的安全性,提高作业效率,采用机器人代替人工进行作业有着迫切的现实意义和重要的研究价值。虽然国内已经出现过带电作业机器人的研究成果,但在本体结构计、驱动动力系统、动力学建模、控制方法等各方面还没有形成成熟的理论体系,仍处于探索阶段。基于以上现实背景,本文针对电力行业应急救援和安全抢修作业装备发展的需求,研究了一种带电抢修作业机器人,在不停电的情况下进行配电网的安全抢修和日常维护作业。本文的主要研究内容和结果概况如下:(1)针对10kV及以下架空线路配电系统的现场环境,设计了一种适用于10kV及以下配电线路的带电抢修作业机器人的机械结构,其主体结构包括移动升降平台、液压机械臂、专用带电作业工具。在绝缘斗臂车的基础上,设计了适合于野外复杂路况的工程化移动升降平台,为带电抢修作业机器人提供了平台基础。研制了大载荷、高绝缘强度、高功率密度的多自由度液压机械臂,适应了配电网带电抢修作业的复杂空间环境,满足了高压作业的高绝缘度要求和高空作业的低质量负载要求。研制了多种具有标准机械、电气接口的带电作业专用工具,实现了带电抢修和维护的标准化作业。(2)根据带电抢修作业机器人对控制系统的特殊要求,采用了分层递阶的体系结构,开发了一套可划分为顶层、中间层、底层三层结构的控制系统,通过合理的任务分配及协调,可实现机器人的任务管理、任务规划、主从控制和自主控制。基于UML使用面向对象技术分析和设计了电抢修作业机器人主控系统,将机器人运动参数检测、视觉定位跟踪、主手示教再现、信息处理与统计有机结合,利用加锁机制和有序资源分配法,开发了多线程并发、多端口通信的网络化带电抢修作业机器人主控软件,解决了多子系统并发交互的临界资源竞争问题。基于TRIO多轴运动控制器研制了从控系统,驱动机械臂各关节液压伺服阀,可灵活、可靠的控制带电抢修作业机器人的多自由度运动,并实时地处理多种传感器信息。为保证绝缘等级,主控制系统与运动控制系统间采用光纤通讯,供电线路采用隔离变压器进行电气隔离。(3)基于D-H方法对带电抢修作业机器人进行了运动学分析,使用拉格朗日方法建立了带电作业机器人与作业对象的整体运动学模型。对带电抢修作业机器人的六自由度液压机械臂进行了正向运动学分析和逆向运动学方程的求解,结合实际带电作业环境,分析作业运动空间,优化了机械臂结构。建立了机械臂的拉格朗日动力学方程,并针对机器人操作导线的作业场景,防止作业过程中因导线的反弹和惯性造成事故,将导线这种柔性负载与机械臂一起进行了整体动力分析,为研究机械臂协调操作柔性负载的柔顺控制策略提供了基础模型。使用ADAMS和MATLAB联合仿真,得到各关节运动范围、运动速度和关节驱动力等重要参数,验证了运动学模型和动力模型的有效性。(4)为保障带电作业的高效性和可靠性,研究了基于多传感器的机器人主从控制与局部自主控制相结合的控制策略。主从控制中,改进了力反射型伺服控制策略,减小了尺寸缩放效应对力控制的影响,通过实验验证了该主从控制策略的优越性。自主控制中,分析了机械臂各连杆的受力情况,使用系数法和曲线拟合法相结合的方式进行了自身重力补偿,提高了关节力矩的接触力测量的准确度。未接触目标前,基于视觉传感器对机器人接近速度进行控制,提高了机器人工作效率和安全性;在接触作业时,提出了一种新型的基于阻抗的力控制方法,实验结果证明该方法提高了机器人与高刚度环境接触时力跟踪的精度和稳定性。(5)针对架空线路配电网的实际环境情况,提出了一套基于自调整阈值Canny边缘检测和Hough变换三直线加圆检测计算的作业目标识别方法,克服了线路背景复杂、作业目标对比度低、光线干扰大等问题。针对六角螺母这一目标对象,提出了一种包含连续调整阈值进行Canny边缘检测、Hough变换搜寻三条夹角60°直线、Hough变换圆检测三个步骤的螺母定位方法,在光线不均匀的实验条件下验证了其有效性。运用运动目标的双目视觉定位方法,综合已知的作业目标所在世界平面在当前摄像机坐标系中参数标定方法,确定了作业目标在机器人坐标系中的三维坐标,为基于视觉伺服的机器人运动自主控制打好了基础。(6)为避免双机械臂作业过程中的力度配合不协调和可能发生的碰撞问题,建立了双臂力度控制柔顺模型,提出了一种基于C空间法和A*搜索法的双臂协调避碰控制方法。针对双机械臂运动学结构的不完全对称性,建立了非对称双臂柔顺控制模型,为非对称冗余驱动机器人力控制提供了理论参考。依据带电作业机器人的作业空间分布,为防止双机械臂作业工程可能发生的碰撞事故,将双臂避碰问题转化为双臂无碰撞轨迹规划问题,基于C空间法建立一个机械臂对另一机械臂的无碰撞空间库,使用A*搜索法在无碰撞空间库搜索到达目的地的运动路径,实现了双臂避碰的协调控制,进一步提高了机器人作业过程中的安全性。


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