配电线路维护机器人运动规划与实验研究

摘要

配电线路带电作业应用极其广泛，采用机器人代替人工进行配电线路维护作业，可使作业人员摆脱高空、高压和强磁场的危险作业环境，最大限度地保证作业人员的安全，具有重要的现实意义。本文围绕某带电作业机器人研发项目，对关节式机器人的运动学建模、路径规划、轨迹优化、双臂协同等方法开展理论与实验研究，以满足配电线路维护作业对机器人运动准确、平稳、柔顺和安全的要求。
　　本研究主要内容包括：⑴在介绍配电线路维护机器人系统整体结构的基础上，结合线路维护作业任务对机器人的控制要求，分析了机械臂的运动特点，设计了机械臂的动作方案。⑵以优傲机械臂为例，采用DH参数法建立了UR5机械臂的运动学模型，基于数值解析法给出了机械臂逆运动学求解方程。结合机械臂参数，求解出机械臂关节的运动范围;采用蒙特卡洛法仿真分析了机械臂的工作空间，给出了机械臂末端的工作区域。基于椭球包围盒的碰撞检测法，设计了机械臂的避碰算法。⑶针对配电线路维护机器人运动轨迹平滑性与精准性要求，开展机械臂轨迹优化研究。采用五次多项式插值与三次B样条插值法，在关节空间对机械臂运动轨迹进行规划。进一步，为优化B样条插值的时间点，提出了一种基于遗传算法的最小时间-加加速度优化算法，有效提高了作业效率。对任务空间轨迹规划可能出现的奇异点和关节速度过大问题，设计了相应的解决方案。⑷针对配电线路维护作业对机械臂避障功能的要求，为机械臂末端8字形运动轨迹设计了相应的轨迹规划算法，并在自行构建的机械臂运动编程软件平台上实现。实验结果表明，所设计的轨迹规划算法可使机械臂平稳地实现复杂轨迹的运动，可重复性好。设计了双机械臂协同拧瓶盖的模拟实验，并获得了理想的实验结果。针对配电线路维护中最为常见的安装和拆卸螺母操作，设计了机械臂拧螺母实验，实验结果表明机械臂运动规划能够实现拧螺母的基本动作。