光伏组件移动式清扫机械臂运动学及轨迹规划研究

摘要

目前，光伏组件发电为太阳能发电的主要方式。自然条件下光伏组件上的积灰较大的影响了发电效率，采用合理的方式清扫光伏组件上的积灰，将有效地提高发电效率。人工清扫与板上机器人清扫的方式存在费用高、管理难等缺点，而采用移动式清扫机器人能有效的避免以上缺点。移动式清扫机器人在大型光伏电站工作时，其清扫机械臂的运动轨迹将直接影响到整个清扫机器人的工作效率。本文对清扫机械臂的运动学、动力学、轨迹规划及时间最短的轨迹优化进行了研究，本中研究的具体内容如下： 首先，本文介绍了光伏组件干式清扫机器人的整体结构，并对其清扫的具体过程进行了分析。建立移动平台前后车轮的约束矩阵并进行了完整性分析，之后采用速度表示法建立了移动平台的运动学模型。将清扫机器人结构模型简化为结构简图并建立空间坐标系，在此基础上计算各变量间的数学关系，得出模型中几个特征点间的几何关系，最终建立了清扫机器人的整机运动学模型。 其次，采用D-H参数法建立了清扫机械臂的运动学模型，通过坐标变换得出清扫机械臂系统的总变换矩阵，即清扫机械臂的运动学模型。基于运动学模型与参数条件求解清扫机械臂运动学正解和逆解，并在MATLAB中验证了运动学模型、运动学正解和逆解的正确性。 然后，采用拉格朗日方程法建立清扫机械臂的动力学模型，基于动力学方程计算了各关节的广义力与力矩。之后利用Adams进行动力学仿真得出各关节（角）速度、（角）加速度、关节力和力矩的变化曲线，并具体分析了仿真结果。 最后，采用CAD图解法与元胞数组类型的数值法分别求解了清扫机械臂的工作空间。基于直线与圆弧插补算法设计相应的MATLAB程序，规划出清扫机械臂笛卡尔空间的直线与圆弧轨迹。以时间最短为目标，选用遗传算法（GA）对清扫机械臂关节空间的运动轨迹进行优化，得出时间最短的运动轨迹。利用已研发的清扫机器人进行实验，实验所得运动轨迹与速度基本满足清扫工作的运动要求。 总之，本文建立清扫机械臂的运动学、动力学模型的方法可行，也为该类机器人的研究提供了理论基础和借鉴。通过清扫机械臂的轨迹规划研究，为清扫任务的执行提供了理论依据。

目录

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 课题的研究意义与背景

1.2 国内外光伏组件清扫机器人研究现状

1.3 移动式机械臂研究现状

1.3.1 移动式机械臂运动学现状

1.3.2 移动式机械臂动力学现状

1.3.3 移动式机械臂轨迹规划现状

1.4 课题来源

1.5 本文主要研究内容

第2章 光伏组件清扫机器人建模

2.1 引言

2.2 清扫机器人的结构模型及动作实现

2.2.1 清扫机器人的结构分析

2.2.2 清扫机器人的动作实现

2.3 清扫机器人整机运动学建模

2.3.1 机器人运动学建模方法

2.3.2移动平台运动学模型的构建

2.3.3清扫机器人整机运动学模型的构建

2.4 本章小结

第3章 光伏组件清扫机械臂运动学研究

3.1 引言

3.2 清扫机械臂运动学基础

3.2.1 点的空间位姿与坐标变换

3.2.2 连杆坐标系与D-H参数法

3.3 清扫机械臂运动学建模

3.3.1 机械臂连杆坐标系与D-H参数计算

3.3.2 机械臂运动学模型的建立

3.4 清扫机械臂运动学分析

3.4.1 清扫机械臂运动学正解

3.4.2 清扫机械臂运动学逆解

3.4.3 清扫机械臂雅克比矩阵的计算

3.5 清扫机械臂运动学仿真分析

3.5.1 清扫机械臂仿真模型的构建

3.5.2 清扫机械臂运动学正、逆解的验证

3.6 本章小结

第4章 光伏组件清扫机械臂动力学建模与分析

4.1 引言

4.2 动力学建模方法

4.3 清扫机械臂动力学模型的建立

4.3.1 拉格朗日动力学建模法

4.3.2 清扫机械臂动能与势能计算

4.3.3 清扫机械臂动力学方程的求解

4.4 清扫机械臂动力学仿真分析

4.4.1 清扫机械臂仿真模型的构建

4.4.2 清扫机械臂动力学仿真结果与分析

4.5 本章小结

第5章 光伏组件清扫机械臂轨迹规划研究

5.1 引言

5.2 机械臂轨迹规划方法

5.2.1 关节空间中的轨迹规划方法

5.2.2 笛卡尔空间中的轨迹规划方法

5.3 清扫机械臂工作空间分析

5.3.1 工作空间求解方法概述

5.3.2 基于图解法的工作空间分析

5.3.3 基于数值法的工作空间分析

5.4 清扫机械臂的轨迹规划

5.4.1 清扫机械臂笛卡尔空间轨迹规划

5.4.2 清扫机械臂关节空间轨迹规划

5.4.3 基于遗传算法的时间最短轨迹优化

5.5 清扫机械臂的实验及结果分析

5.5.1 实验平台的搭建

5.5.2 实验与结果分析

5.6 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 论文中涉及的MATLAB程序