智能清洗机器人的遥操作系统研究

摘要

冷凝器管口污垢智能清洗机器人能够有效解决冷凝器管口清洗时发电厂需要停机的问题，对于发电厂、核电站、化工厂等大型企业实现节能减排目标具有重要意义。针对冷凝器室内环境复杂、清洗机器人难以自主完成清洗任务的问题，本文深入研究了智能清洗机器人的遥操作系统，主要工作如下：
　　(1)设计了使用操纵杆进行力反馈控制智能清洗机器人的遥操作体系结构，详细介绍了各个模块的功能。该结构分为遥操作控制台端和智能清洗机器人端，它们之间通过无线局域网进行通信。遥操作系统的软件架构采用客户机/服务器模式(C/S模式)，其中遥操作控制台作为客户端，清洗机器人作为服务器端。同时分析了清洗机器人遥操作系统的主要任务，将其各项任务分配到清洗机器人端和遥操作控制台端，实现了清洗机器人与遥操作控制台之间的计算能力和网络负载的平衡。
　　(2)设计了遥操作控制台端的硬件架构和软件系统，包括遥操作控制台的人机交互界面设计和操纵杆力反馈控制器的软硬件设计。设计了智能清洗机器人的本体机械结构、机电控制系统、通信控制程序和图像处理程序，在机电控制系统中由工控机进行数据处理和运动控制。
　　(3)针对清洗机器人的遥操作系统的时延特性，提出了遥操作系统的滑模变结构阻抗控制方法。设计了操纵杆的阻抗控制器和机械臂的滑模控制器，重点分析了滑模控制系统的稳定性和透明性。仿真实验结果表明滑模变结构阻抗控制方法能够减小遥操作系统的时延对系统稳定性和透明性的影响。
　　(4)通过智能清洗机器人遥操作系统的实验，初步证明了遥操作清洗机器人具备良好的移动能力、机械臂旋转定位能力和管口定位能力。论文的研究成果有效的解决了智能清洗机器人遥操作系统的系统设计和控制问题，实现了对冷凝器管的在线高压水射清洗，保障了大型电厂冷凝器的高效安全运转。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 论文研究背景和意义

1.2 冷凝器清洗的重要性及清洗技术

1.2.1 冷凝器的工作原理

1.2.2 污垢产生原因及种类

1.2.3 冷凝器污垢的影响

1.2.4 冷凝器污垢清洗的主要技术

1.3 机器人的发展现状

1.3.1 清洗机器人的发展现状

1.3.2 遥操作机器人的发展现状

1.4 典型的遥操作系统结构和控制模式

1.5 论文的主要工作和结构安排

第2章 智能清洗机器人遥操作系统的体系结构设计

2.1 智能清洗机器人遥操作系统主要任务

2.2 智能清洗机器人遥操作系统系统需求

2.2.1 遥操作系统硬件系统要求

2.2.2 遥操作系统软件功能需求

2.3 智能清洗机器人遥操作体系结构

2.3.1 遥操作系统硬件架构

2.3.2 遥操作系统软件总体架构

2.3.3 遥操作系统的无线通信

2.4 遥操作系统的控制模式

2.5 小结

第3章 智能清洗机器人遥操作系统控制台端设计

3.1 遥操作控制台端硬件设计

3.1.1 遥操作控制台端硬件构成

3.1.2 主机械手操纵杆的设计

3.2 遥操作控制台端软件设计

3.2.1 遥操作控制台端程序功能

3.2.2 遥操作控制台端界面

3.2.3 操作安全性设计

3.2.4 操纵杆运动控制程序设计

3.3 小结

第4章 智能清洗机器人遥操作系统清洗机器人端设计

4.1 智能清洗机器人本体结构

4.2 智能清洗机器人机械结构

4.2.1 履带式行走机构

4.2.2 机械臂结构

4.3 智能清洗机器人机电控制系统设计

4.3.1 驱动轮控制子系统

4.3.2 喷枪电机控制子系统

4.3.3 机械臂控制子系统

4.3.4 总体控制系统

4.4 清洗机器人端程序功能和软件界面

4.4.1 程序功能

4.4.1 清洗机器人端界面

4.5 智能清洗机器人遥操作系统软件核心功能

4.5.1 通信控制程序设计

4.5.2 图像处理程序设计

4.6 小结

第5章 智能清洗机器人遥操作系统的滑模变结构控制

5.1 遥操作系统的物理模型

5.2 遥操作系统的控制结构

5.3 遥操作系统的滑模控制器设计

5.4 稳定性和透明性分析

5.5 仿真实验

5.6 总结

第6章 智能清洗机器人遥操作系统的实验验证

6.1 智能清洗机器人遥操作系统实验准备

6.2 智能清洗机器人遥操作系统实验方案

6.2.1 遥操作系统运动控制实验

6.2.2 遥操作系统机械臂控制实验

6.2.3 遥操作系统管口定位实验

6.3 总结

结论

参考文献

致 谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文和专利

附录B攻读学位期间参加的科研项目