基于力反馈的带电作业机器人智能交互控制系统

摘要

随着社会经济和科技的发展，生产自动化水平不断提高，机器人在现代生产生活中的地位越来越重要，特别是在一些危险系数高、劳动强度大的领域内。带电作业是在高压电气设备上进行不停电检修、部件测试或更换的一项特殊的工程技术。一直以来我国都采用人工带电作业方式，人工带电作业可以根据人的工作经验对线路进行检修和测试，能够准确找到线路的故障点，并且及时解决。但是作业对象是10KV及以下的高压架空线路，人工带电作业意味着操作人员要处在高空、高压、强电磁场环境中，劳动强度大，人体姿态不容易控制，即使严格遵守安全操作规范并增加绝缘防护措施，也无法缓解作业人员的精神压力和体力损耗，稍不注意就会发生人身伤亡事故，给家人带来极大的伤痛，给社会带来严重的损失。为了避免悲剧的发生，使带电作业更加安全，提高作业效率，采用机器人代替人工进行作业已经迫在眉睫，也符合时代的要求。
　　 高压带电作业机器人由机械结构（包括移动升降平台、主手、作业机械臂）、运动控制系统、视觉伺服控制系统、专用工具、绝缘防护装置等组成。移动升降平台使机械臂到达指定的作业区域和高度;操作人员通过控制主手，使从手能够实时地、准确地完成相应的动作;运动控制系统能够实现对机械臂末端位置和姿态的控制，同时将机械臂的当前信息反馈至主手控制装置;专用工具能够协助机器人更好的完成作业任务;绝缘防护装置保证了操作的安全性。高压带电作业机器人不仅可以将工作人员从危险的、繁重的、精神紧张的工作中解放出来，而且可以带来巨大的经济效益和社会效益，所以说，高压带电作业机器人是代替人工从事带电作业的必然趋势。
　　 为此，2012年国家“十二五”高新技术发展规划（“863计划”）先进制造技术领域“公共安全与救援机器人”重点项目课题，对“面向电力带电抢修作业机器人研究开发与应用”进行了立项研究。
　　 本文对国内外带电作业技术以及机器人已取得的成果进行了调研，并在此基础上进行了深入的研究和实践。主要工作有以下几个方面:
　　 一、在对我国带电作业需求进行详细调研和分析的基础上，全面阐述了带电作业机器人的工作原理和技术特点，详细介绍了国内外的发展情况，较好的将力反馈技术应用于带电作业领域。
　　 二、完成了机械臂的运动学建模和动力学建模。通过建立空间坐标系和坐标变换得到了系统D-H模型，运用MATLAB软件进行了仿真验证，并深入地研究了运动学的正解和逆解问题;采用机器人的雅克比矩阵进行动力学分析，详细叙述了用拉格朗日法建立动力学模型的基本步骤，并推导出系统的动力学方程，最后用ADAMS机械系统动力学自动分析软件对动力学相关问题进行了分析。
　　 三、以TRIOMC464为运动控制器，完成了带电作业机器人运动控制系统的设计。通过TRIO控制伺服阀，进而控制各个关节的运动，并且能够将复杂程序分成几个子任务同时执行，使控制过程变得简单明了。
　　 四、实现了主从手之间的双向控制，一是主手到从手的位置控制，使机械臂按照主手装置的指令而运动;二是从手到主手的力反馈控制，使得操作人员获得真实的力觉临场感。分析了主手控制信号采集和信号输出电路，以及人机交互的实现方法，并对下一步的工作提出了合理化建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 带电作业机器人的技术特点

1．3 国内外带电作业机器人的发展现状

1．3．1 国内发展现状

1．3．2 国外发展现状

1．4 力反馈技术研究与发展

1．4．1 力反馈技术发展现状

1．4．2 力反馈在带电作业机器人中的应用

1．5 本文主要研究内容

第2章 带电作业机器人系统概述

2．1 机械结构

2．1．1 移动升降平台

2．1．2 主手

2．1．3 作业机械臂

2．2 运动控制系统

2．3 视觉伺服控制系统

2．4 专用工具

2．5 绝缘防护

2．6 本章小结

第3章 带电作业机器人运动学分析

3．1 D-H建模分析

3．1．1 基础知识

3．1．2 D-H建模方法

3．2 正运动学分析

3．3 正运动学仿真

3．4 逆运动学分析

3．5 本章小结

第4章 带电作业机器人动力学分析

4．1 建模方法

4．2 雅克比矩阵

4．3 动力学方程

4．4 动力学方程的计算

4．4．1 质点速度的计算

4．4．2 质点动能和位能的计算

4．4．3 拉格朗日函数求导

4．5 基于ADAMS的动力学模型

4．5．1 ADAMS简介

4．5．2 ADAMS核心模块

4．5．3 模型的建立

4．5．4 仿真分析

4．6 本章小结

第5章 带电作业机器人运动控制系统设计

5．1 硬件设计

5．1．1 多轴运动控制器

5．1．2 液压马达选型

5．1．3 传感器选型

5．1．4 电液伺服阀选型

5．1．5 控制系统接线图

5．2 软件设计

5．2．1 主程序

5．2．2 示教子程序

5．2．3 位置子程序

5．2．4 从手运动子程序

5．2．5 力反馈子程序

5．2．6 保护子程序

5．3 控制策略的研究

5．3．1 阀控液压马达系统的传递函数

5．3．2 设计参数

5．3．3 位置伺服控制

5．3．4 力位置混合控制

5．4 试验分析

5．4．1 位置跟踪实验

5．4．2 空载试验

5．4．3 负载实验

5．5 本章小结

第6章 智能交互控制系统设计

6．1 常见的智能交互方式

6．1．1 基于力觉临场感的交互方式

6．1．2 基于增强现实的交互方式

6．1．3 基于虚拟现实的交互方式

6．2 系统结构

6．2．1 结构形式

6．2．2 设计要求

6．2．3 驱动方式

6．2．4 检测与控制方式

6．3 电路设计

6．3．1 电源模块

6．3．2 A／D采样模块

6．3．3 主处理器模块

6．3．4 开关量设计

6．3．5 模拟量设计

6．3．6 通信模块

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 本文总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况