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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

肖晓晖  
【摘要】: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


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