六自由度带电作业机器人的运动仿真及动力特性分析

摘要

电力供应是维持社会生产和居民生活的基本保障，是国民经济发展的重要支柱。然而，随着国家经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，导致了电网系统逐渐庞大，电网使用更为频繁，供电故障更为频发，这都对电力供应提出了越来越高的挑战。为了解决上述问题，自动化、智能化逐渐成为现代电力供应的主要发展方向。 机器人技术作为智能化技术的重要分支，其在电力系统的应用得到了越来越高的关注。特别是随着电力供应负荷的逐渐提高，人工带电作业的局限性日渐突出，研究能够在持续供电环境下，代替人工操作的机器人技术已经成为电力供应智能化研究的重要分支。 带电作业机器人技术研究的目的就是在持续供电环境中，代替人工作业，完成电网有关的维护和检修工作。课题来源于带电作业机器人项目对配网特种机器人的研究。该机器人主要有移动平台、升降平台和机械臂三部分组成，采用远程遥感控制，具有视觉反馈和力反馈系统。该机器人系统涉及多领域技术，论文主要是对机器人机械结构进行仿真和动力特性分析。 论文通过对机器人机构的分析，依据刚度代换理论建立了机器人整体三维样机模型，从而采用虚拟样机技术，利用虚拟样机模型代替物理样机模型，实现后续的运动学仿真以及动力特性分析。在分析机器人运动学的过程中，论文依据机器人分级控制模式，对关键部件六自由度液压机械臂进行了运动学分析，建立了机械臂运动学正逆解模型。同时论文通过建立的虚拟样机模型对机械臂的正逆解进行了仿真检验，由此验证所建立的运动学模型的可靠性，为控制编程提供了运动模型。 对于机器人动力特性的研究，论文主要采用模态分析的方法，依托有限元分析程序，得到了机器人的模态参数。在此过程中，论文还是参考运动学分析过程，先对液压机械臂单独进行了动力特性分析。首先对机械臂进行了简单的结构优化，在此基础上，完成了对机械臂的自由模态分析和预载模态分析，得到了机械臂的模态振型及振动频率，另外还完成了对机械臂的静力学分析，验证了机械臂结构的合理性。 机器人整体机械系统动力特性分析过程与机械臂分析一致，在分析之前，考虑到移动平台本身的重量以及分级控制模式，论文在对机器人整体进行动力特性分析时忽略了移动平台，只是对机器人上装进行动力特性分析。在分析过程中完成了对上装静力学结构分析以及自由模态分析和预载模态分析。通过分析结果为机器人的振动控制提供支持，同时论文也依据模态分析结果对机器人上装进行了谐响应分析，通过模态频率范围内的谐响应分析，论文研究了升降平台连接总成等效应力频率，并对该频率下的整体应力进行了仿真，进一步检测整个机器人的动力特性，为机器人结构优化以及控制系统的研究提供技术支持。 论文最后通过建立的机器人三维实体模型和工作环境实体模型，依托虚拟现实软件，建立了机器人虚拟现实工作平台。为机器人在虚拟环境下进行虚拟现实同步控制和虚拟现实环境下的有关仿真研究提供支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 带电作业机器人的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 计算机仿真技术

1．3．1 计算机仿真技术的发展

1．3．2 计算机仿真技术的实现

1．4 论文研究主要内容

第2章 带电作业机器人样机模型的建立

2．1 虚拟样机技术

2．2 三维建模技术

2．3 带电作业机器人机构介绍

2．4 带电作业机器人模型建立

2．5 本章小结

第3章 带电作业机器人运动学分析

3．1 机器人运动学概述

3．2 六自由度液压机械臂运动学建模及仿真方案

3．3 六自由度液压机械臂各关节参考坐标系

3．4 六自由度液压机械臂D—H模型参数

3．5 六自由度液压机械臂D—H模型关节变换矩阵

3．6 六自由度液压机械臂正向运动学模型

3．7 六自由度液压机械臂正向运动学仿真

3．8 六自由度液压机械臂逆向运动学模型

3．9 六自由度液压机械臂逆向运动学仿真

3．10 本章小结

第4章 带电作业机器人动力特性分析

4．1 结构动力特性概述

4．2 线性静态结构分析概述

4．3 模态分析概述

4．4 谐响应分析概述

4．5 带电作业机器人动力特性分析

4．6 六自由度液压机械臂模态分析

4．6．1 机械臂模态分析前处理

4．6．2 基于自由模态分析的机械臂优化

4．6．3 机械臂静力学分析

4．6．4 最大水平伸展位姿机械臂模态仿真

4．6．5 最大垂直伸展位姿机械臂模态仿真

4．7 带电作业机器人模态分析

4．7．1 仿真前处理

4．7．2 线性静态结构分析

4．7．3 带电作业机器人模态仿真

4．7．4 带电作业机器人模态仿真总结

4．8 基于模态仿真的带电作业机器人谐响应分析

4．9 本章小结

第5章 带电作业机器人虚拟现实技术实现

5．1 虚拟现实技术概论

5．2 创建虚拟带电作业环境

5．3 虚拟场景交互

5．4 智能控制系统的实现

5．5 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况