高壓輸電線路巡線作業(yè)機(jī)器人中若干動(dòng)力學(xué)問題的研究.pdf

1、高壓輸電線路巡線機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的前沿課題之一，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的特種作業(yè)機(jī)器人。目前國內(nèi)外在這一方面的研究成果，特別是巡線機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方面的研究工作還十分有限。本論文提出了一種可攜帶檢測(cè)儀器和通訊裝置，以架空輸電線路為行駛路徑可自主完成輸電線路全路徑巡線的帶電作業(yè)機(jī)器人，對(duì)其剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性、與柔性作業(yè)環(huán)境間的耦合動(dòng)力學(xué)特性，以及結(jié)構(gòu)的彈性振動(dòng)特性三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，包括理論建模、數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要

2、研究內(nèi)容及創(chuàng)新如下： 首先，在分析了輸電線路結(jié)構(gòu)和巡線作業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，對(duì)六關(guān)節(jié)雙臂反對(duì)稱懸掛式巡線機(jī)器人沿直線線路段過障作業(yè)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，由此確定了機(jī)器人在全路徑巡線過程中的4種典型工況及相應(yīng)的典型位姿。 其次，系統(tǒng)地研究了巡線機(jī)器人的剛體動(dòng)力學(xué)特性。建立了巡線機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系，確定了各連桿參數(shù)；用Lagrange法建立了機(jī)器人的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了六自由度巡線機(jī)器人各連桿的慣量項(xiàng)、耦合慣量項(xiàng)、向心力項(xiàng)、

3、哥氏力項(xiàng)和重力項(xiàng)系數(shù)，得到巡線機(jī)器人完整的動(dòng)力學(xué)方程；并編制了多剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)機(jī)器人沿?zé)o障礙線路直線行駛、過障和變向行駛過程中的典型工況進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)正問題的數(shù)值仿真。仿真表明，雙臂反對(duì)稱懸掛式機(jī)器人在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩下能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)控制目標(biāo)。 第三，進(jìn)行了巡線機(jī)器人與柔性作業(yè)環(huán)境間的耦合動(dòng)力學(xué)建模和仿真，探索了機(jī)器人剛體運(yùn)動(dòng)與柔性作業(yè)環(huán)境間的耦合規(guī)律。結(jié)合多柔體動(dòng)力學(xué)與多剛體動(dòng)力學(xué)方法，通過邊界耦合建立了機(jī)器人與大垂度輸電

4、線路間的耦合動(dòng)力學(xué)模型；并在三種不同柔度的作業(yè)環(huán)境中，進(jìn)行了典型工況的動(dòng)力學(xué)逆問題數(shù)值仿真，探索了柔性作業(yè)環(huán)境對(duì)巡線機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)性能的影響規(guī)律：在柔性作業(yè)環(huán)境下，機(jī)器人在起動(dòng)區(qū)間的末端加速度、速度和相應(yīng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩波動(dòng)均較剛性作業(yè)環(huán)境下大；而且響應(yīng)參數(shù)的波動(dòng)幅值隨著作業(yè)環(huán)境柔性的增加呈上升趨勢(shì)；機(jī)器人末端速度、加速度的波動(dòng)隨時(shí)間呈近似指數(shù)衰減。 第四，在實(shí)驗(yàn)室220kV 1:1模擬架空輸電線路上，對(duì)巡線機(jī)器人Ⅲ型樣機(jī)進(jìn)行

5、了典型工況的動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)研究，通過數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了論文所建立的理論模型和數(shù)值仿真計(jì)算的有效性。 最后，結(jié)合有限元理論模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試，在剛性邊界條件下研究了巡線機(jī)器人彈性振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。首先，對(duì)巡線機(jī)器人Ⅲ型樣機(jī)在典型位姿下進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，得到相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。然后，用有限元法建立了機(jī)器人典型位姿下的三維實(shí)體有限元模型，通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)進(jìn)行有限元模型的修正，用子空間迭代法求解了典型位姿的固有