绝缘子带电更换作业机器人研究及应用

摘要

目前中国电网处于大型电网互联阶段，输电线路的安全可靠供电是中国经济快速发展的重要保障。由于输电线路处于24小时连续工作状态，随着时间的累计会出现一些故障，比如绝缘子损坏、耐张线夹螺栓松动、导线损坏等故障，如果不及时进行检修更换，会使得事故进一步的扩大，甚至导致电网解裂，造成巨大的经济损失和人员伤亡。绝缘子长期暴露在空气中，会受到酸雨和雷击等危害，会造成绝缘子损坏，需要经常进行更换。绝缘子带电更换带电作业是保证电网安全可靠运行的重要措施。
　　本文研制了一种新型的高压输电线路绝缘子带电更换作业机器人。首先通过分析人工带电更换绝缘子作业的方法和步骤，提出采用电动摇绞磨机将带电作业机器人从地面送至等电位区域，解决了机器人上线这一首要问题。介绍在带电作业中的等电位原理，并利用Ansoft Maxwell3D仿真软件，建立高压输电线路和带电作业机器人模型，对带电作业机器人在高压输电线路上的电场情况进行分析，并提出采用等电位环和等电位轮的措施解决机器人的电磁防护难题，提高机器人的抗电磁干扰能力。然后对绝缘子更换作业细节进行了分析，并利用仿真软件模拟绝缘子W销的拔取过程，确定了绝缘子带电更换作业机器人的总体构型。最后通过分析双机械臂的运动模型，研究了双机械臂的控制方法，采用基于图像的伺服控制方法，并对其进行了仿真及分析，仿真结果表明该种控制方法能很好的完成对机械臂的控制过程，且精度高，鲁棒性较强。其中基于视觉的伺服控制中对于目标物W销的定位识别，采用一种基于直方图凹度分析的灰度边缘检测方法，此方法是建立在常规Canny边缘检测算子的基础上的，通过软件仿真，在对目标物W销的识别效果表现极佳，能够精确的识别图像中W销的位置，使机械臂能够准确的进行绝缘子更换作业进行。机械臂末端装置抓取力的控制采用PI-模糊控制方法，能够完成W销的拔取。
　　最后对机器人的硬件系统和软件系统进行了设计，完成了绝缘子带电更换机器人样机的研制，并搭建了试验线路进行测试，测试结果表明该机器人能很好的对绝缘子进行更换作业。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究目的和意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 国外研究概况

1．2．2 国内研究概况

1．3 论文的主要研究内容

第二章 带电作业机器人进出电场分析

2．1 带电作业机器人等电位进入方式

2．1．1 等电位作业原理

2．1．2 带电作业人员进入等电位作业方法

2．1．3 高压输电线路带电作业机器人等电位进入方法

2．2 机器人运动过程分析

2．2．1 上线过程分析

2．2．2 线上过程分析

2．3 绝缘子带电更换作业机器人进出电场仿真

2．3．1 Ansoft Maxwell

2．3．2 输电线路和带电机器人ANSOFT 3D建模

2．3．3 实验仿真分析

2．4 本章小结

第三章 作业分析及机器人总体结构设计

3．1 绝缘子串的基本结构

3．2 绝缘子更换作业步骤

3．3 绝缘子更换作业机器人作业分析

3．4 机器人总体结构设计

3．5 本章小结

第四章 机械臂运动建模与控制

4．1 双机械臂系统

4．1．1 双机械臂系统的运动学模型

4．1．2 双机械臂的滑模PID控制器设计

4．1．3 稳定性分析

4．1．4 仿真分析

4．2 双机械臂视觉伺服控制

4．2．1 基于图像的双机械臂视觉伺服控制

4．2．2 图像检测方法

4．2．3 基于图像的视觉伺服控制仿真与分析

4．3 机械手臂末端力的控制

4．3．1 PI-模糊控制器

4．3．2 模糊逻辑推理系统原理

4．3．3 输入量与输出量的选择

4．3．4 输入输出变量的模糊化处理

4．4 基于PI-模糊控制的机械臂末端仿真及分析

4．5 本章小结

第五章 绝缘子带电更换作业机器人样机研制及实验分析

5．1 硬件系统

5．1．1 控制器

5．1．2 通信系统

5．1．3 图像采集模块

5．1．4 驱动器

5．1．5 电源

5．1．6 驱动电机

5．2 软件系统

5．3 实验平台搭建与调试

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录