巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[帶圖紙]

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論................................................................................................1</p><p>　　§1.1研究背景及意義..............

2、........................................................................1</p><p>　　§1.2架空線路巡線機(jī)器人與機(jī)器人仿真文獻(xiàn)綜述......................................2</p><p>　　1.2.1架空線路巡線機(jī)器人研究概況................

3、...............................................2</p><p>　　1.2.2機(jī)器人仿真簡(jiǎn)介.......................................................................................6</p><p>　　§1.3本文主要內(nèi)容...........

4、...............................................................................7</p><p>　　第二章 巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與三維建?！?.8</p><p>　　§2.1線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)........................................

5、..................................8</p><p>　　2.11方案要求....................................................................................................8</p><p>　　2.12總體結(jié)構(gòu)......................

6、.............................................................................10</p><p>　　2.13柔性臂.......................................................................................................10</p

7、><p>　　2.14驅(qū)動(dòng)裝置...................................................................................................13</p><p>　　2.15剎車制動(dòng)裝置.............................................................

8、..............................14</p><p>　　2.16手掌開(kāi)合裝置...........................................................................................14</p><p>　　§2.2器人的建模.........................

9、....................................................................15</p><p>　　第三章 巡線機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析......................................................18</p><p>　　§3.1引言...................

10、.....................................................................................18</p><p>　　§3.2數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論........................................................................................18</

11、p><p>　　3.2.1剛體位姿的表示與齊次變換............................................................18</p><p>　　3.2.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的D-H表示法........................................................20</p><p>　

12、　§3.3巡線機(jī)器人四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析............................................22</p><p>　　3.3.1機(jī)械手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.........................................................................22</p><p>　　3.3.2機(jī)械手的逆運(yùn)

13、動(dòng)學(xué)分析.........................................................................24</p><p>　　3.3.3機(jī)械手關(guān)節(jié)速度和雅可比矩陣.............................................................27</p><p>　　§3.4本章小結(jié).

14、..............................................................................................29</p><p>　　第四章 總結(jié)與展望....................................................................................30<

15、/p><p>　　§4.1本文總結(jié)................................................................................................30</p><p>　　§4.2后續(xù)工作與展望...................................................

16、.................................30</p><p>　　致謝..................................................................................................................31</p><p>　　參考文獻(xiàn).................

17、..........................................................................................32</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　§1.1研究背景及意義</p><p>　　電力系統(tǒng)最重要的任務(wù)是提供高質(zhì)

18、量和高可靠性的電力。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。由于輸電線路分布點(diǎn)多、面廣，絕大部分遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，且電力線及桿塔附件長(zhǎng)期暴露在野外，會(huì)受到持續(xù)的機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時(shí)修復(fù)更換，原來(lái)微小的破損和缺陷就可能擴(kuò)大，最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故，造成大面積停電，從而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。所以，必須對(duì)輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查，隨

19、時(shí)掌握和了解輸電線路的運(yùn)行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護(hù)區(qū)的變化情況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，確保供電安全。目前，對(duì)輸電線路的巡檢主要采用兩種方法，即地面人工目測(cè)法和直升飛機(jī)航測(cè)法。前者的巡檢精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在巡檢盲區(qū)。部分地區(qū)大雪封山時(shí)，車輛和行人無(wú)法進(jìn)入(如圖1.1所示)；在深山還有野獸出沒(méi)，這給巡視人員帶來(lái)了很大的安全隱患；后者則存在飛行安全隱患且巡線費(fèi)用昂貴(如圖1.2所示)。如果用直升機(jī)巡視替代地面巡視

20、，則每100公里1年巡視費(fèi)用同塔雙回線需217.92萬(wàn)元（單回線136萬(wàn)元）。如果用直升機(jī)</p><p>　　由于巡線機(jī)器人可以克服上述缺陷，因此，巡線機(jī)器人已成為特種機(jī)器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。巡線機(jī)器人不僅可以減輕工人巡線的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低高壓輸電的運(yùn)行維護(hù)成本，還可以提高巡檢作業(yè)的質(zhì)量和科學(xué)管理技術(shù)水平，對(duì)于增強(qiáng)電力生產(chǎn)自動(dòng)化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都具有重要意義。</p><

21、p>　　巡線機(jī)器人懸掛于架空避雷線上，并以此為行駛作業(yè)路徑，通過(guò)自動(dòng)控制方式完成輸電線路巡檢作業(yè)，及對(duì)線路的機(jī)械電氣故障，包括絕緣子劣化和污穢、導(dǎo)線的機(jī)械破損、連接金具機(jī)械松脫等故障進(jìn)行檢測(cè)。其特殊的作業(yè)環(huán)境要求機(jī)器人能夠沿輸電導(dǎo)線全程運(yùn)行，包括沿輸電導(dǎo)線的直線段和耐張線段實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)爬行，跨越及避讓?xiě)掖咕€夾、懸垂絕緣子、防振錘、耐張線夾等結(jié)構(gòu)型障礙物。</p><p>　　因此，機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)中一

22、個(gè)相當(dāng)重要的部分，需經(jīng)過(guò)多次反復(fù)才能完成；在進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，需要建立一定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(導(dǎo)線物理模型、障礙物等)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)其是否能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，這就導(dǎo)致其設(shè)計(jì)的周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)效率低以及改型工作量大等缺點(diǎn)。此外，樣機(jī)的單機(jī)制造增加了成本。在競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)條件下，基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高、成本的降低及市場(chǎng)推廣應(yīng)用。</p><p>　　然而，利用仿真技術(shù)可以方便地建立機(jī)

23、器人的虛擬樣機(jī)模型。在設(shè)計(jì)之初，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力分析、載荷及應(yīng)力分析等，可大大提高機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。而且，仿真軟件的應(yīng)用可以使設(shè)計(jì)更為優(yōu)化，即在計(jì)算機(jī)上修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真試驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真可以代替己有的物理樣機(jī)進(jìn)行各種狀態(tài)的仿真分析，降低物理樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。利用仿真數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修改，綜合仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)性能做出準(zhǔn)確

24、的評(píng)價(jià)及提出建議。</p><p>　　本文將仿真技術(shù)引入到巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，為研究巡線機(jī)器人作業(yè)性能及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，從虛擬樣機(jī)的角度，提供了一定的參考依據(jù)。本文所建立的巡線機(jī)器人全參數(shù)化模型，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行修正，從而為機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、路徑規(guī)劃等做出鋪墊。</p><p>　　§1.2架空線路巡線機(jī)器人與機(jī)器人仿真文獻(xiàn)綜述</p><p&g

25、t;　　1.2.1架空線路巡線機(jī)器人研究概況</p><p>　　國(guó)外巡線機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，日本、加拿大、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家先后開(kāi)展了巡線機(jī)器人的研究工作。1988年，東京電力公司的Swada等人研制了光纖復(fù)合架空地線(OPGW)巡線移動(dòng)機(jī)器人，如圖1.3所示。該機(jī)器人利用一對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和一對(duì)夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上防振錘、螺旋減震器等障礙物。遇到桿塔時(shí)，機(jī)器人采用仿人攀援機(jī)理，先展開(kāi)攜帶的弧形手

26、臂，手臂兩端勾住線塔兩側(cè)的地線，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)軌，然后本體順著導(dǎo)軌滑到線塔的另一側(cè)；待機(jī)器人夾持輪抱緊線塔另一側(cè)的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制有粗略和精確定位兩種模式，粗略控制是把線塔和地線的資料數(shù)據(jù)(線塔的高度、位置、電線長(zhǎng)度、線路上附件數(shù)量等)預(yù)先編制好程序輸入機(jī)器人，據(jù)此控制機(jī)器人的行走和越障；精確定位控制則根據(jù)傳感器反饋信息進(jìn)行控制。機(jī)器人攜帶的損傷探測(cè)單元采用渦流分析方法探測(cè)光纖復(fù)合架空地線的損傷情況，

27、并把探測(cè)數(shù)據(jù)記錄到磁帶上。但因其質(zhì)量過(guò)大，達(dá)到100kg，而不能推廣應(yīng)用。</p><p>　　加拿大魁北克水電研究院的Serge Montambault等人在2000年開(kāi)始了HQLineROVer遙控小車(見(jiàn)圖1.4)的研制工作，遙控小車起初用于線路巡檢、維護(hù)等多用途移動(dòng)平臺(tái)。第三代原型機(jī)構(gòu)緊湊，僅重25kg，驅(qū)動(dòng)力大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能爬52度的斜坡，通信距離可達(dá)1000m，小車采用靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，安裝不

28、同的工作頭即可完成架空線視覺(jué)和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評(píng)估、導(dǎo)線和地線更換、導(dǎo)線清污和除冰等帶電作業(yè)，已在工作電流為800A的315kV電力線上進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但是HQ LineROVer沒(méi)有越障能力，只能在兩線塔間的電力線上工作。</p><p>　　美國(guó)TRC公司1999年研制了一臺(tái)懸臂巡線機(jī)器人原型，如圖1.5所示。它能沿架空導(dǎo)線長(zhǎng)距離爬行，執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點(diǎn)、壓接頭等視覺(jué)檢查任務(wù)，對(duì)探測(cè)到的線路

29、故障數(shù)據(jù)預(yù)處理后，傳送給地面人員。當(dāng)機(jī)器人遇到桿塔時(shí)，利用手臂采用仿人攀援的方法從側(cè)面越過(guò)桿塔。其缺點(diǎn)是無(wú)法攀爬30度以上的斜坡而不能廣泛應(yīng)用。</p><p>　　文獻(xiàn)中，介紹了工作于66kV光纖架空地線，能夠跨越防振錘和線夾的機(jī)器人。文獻(xiàn)給出了一種新型移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由雙臂、四套執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手爪構(gòu)成，該機(jī)器人能夠沿架空地線行走，并且能夠跨越桿塔。文獻(xiàn)給出了一種能夠沿架空地線行走并且跨越防振錘、桿塔、線夾等障礙物

30、的移動(dòng)機(jī)器人。但上述機(jī)器人都具有18個(gè)以上的自由度，導(dǎo)致功耗過(guò)高而不能應(yīng)用到實(shí)際工作中。</p><p>　　圖1.6是中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人，并于2006年4月12日與錦州超高壓局合作開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)帶電巡檢試驗(yàn)，在其所管轄的500kV超高壓輸電線(東遼二線)上成功地完成了沿線行走，但沒(méi)有越障能力。</p><p>　　綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)于巡線機(jī)

31、器人的研究情況，當(dāng)代巡線機(jī)器人的研究主要集中于以下幾個(gè)方面：</p><p><b>　　(1)機(jī)器人結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域及各種場(chǎng)合的應(yīng)用，研究人員開(kāi)展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在

32、向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。</p><p><b>　　(2)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)</b></p><p>　　穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動(dòng)機(jī)器人本身是一個(gè)非完整約束系統(tǒng)，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)的零漂移的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過(guò)連續(xù)可微的時(shí)不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過(guò)時(shí)變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)車速

33、和轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過(guò)渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容。</p><p><b>　　(3)路徑規(guī)劃技術(shù)</b></p><p>　　該技術(shù)主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術(shù)和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)。由于自主式移動(dòng)機(jī)器人在地面上行駛，必須避開(kāi)它無(wú)法通過(guò)的或?qū)ζ浒踩旭倶?gòu)成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問(wèn)題，

34、顯得更為重要。</p><p><b>　　(4)實(shí)時(shí)視覺(jué)技術(shù)</b></p><p>　　該技術(shù)主要涉及到視覺(jué)信息的實(shí)時(shí)采集、預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別。而且，視覺(jué)信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準(zhǔn)確性是決定智能機(jī)器人整體性能的決定性因素。</p><p>　　(5)定位和導(dǎo)航技術(shù)</p><p>　　該技術(shù)是

35、現(xiàn)代輪式移動(dòng)機(jī)器人研制所急需的關(guān)鍵技術(shù)，也是下一代無(wú)人戰(zhàn)車的技術(shù)基礎(chǔ)。位置的測(cè)量可以分為相對(duì)位置測(cè)量和絕對(duì)位置測(cè)量，測(cè)量方法有里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、主動(dòng)燈塔、磁羅盤、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標(biāo)導(dǎo)航等。</p><p>　　(6)多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)</p><p>　　自主式移動(dòng)機(jī)器人采用測(cè)距技術(shù)，GPS定位技術(shù)和小型陀螺儀技術(shù)等多種傳感技術(shù)來(lái)采集不同類型的環(huán)境信息。因此，準(zhǔn)確地

36、處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對(duì)所處環(huán)境作出準(zhǔn)確可靠的描述并據(jù)此作出正確的決策和控制，是多傳感集成和數(shù)據(jù)融合研究的任務(wù)。</p><p><b>　　(7)檢測(cè)技術(shù)</b></p><p>　　一種是可見(jiàn)光檢測(cè)方法，采用高分辨率攝像機(jī)攝取目標(biāo)圖像，一般能發(fā)現(xiàn)架空線大部分表面故障現(xiàn)象，精度和準(zhǔn)確度取決于圖像質(zhì)量。如何讓巡線機(jī)器人自主控制攜帶的攝像設(shè)備，捕捉特定目

37、標(biāo)，獲取多視角、高清晰度目標(biāo)圖像是關(guān)鍵；另一種是紅外探測(cè)技術(shù)，當(dāng)輸電導(dǎo)線存在諸如導(dǎo)線斷股、絕緣子破損等故障時(shí)，故障點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)局部溫升，產(chǎn)生熱輻射。這些故障難以通過(guò)視覺(jué)檢查發(fā)現(xiàn)，我們可以采用紅外探測(cè)技術(shù)加以彌補(bǔ)。具體來(lái)說(shuō)，就是熱成像技術(shù)，這是一種廣泛用于輸變電系統(tǒng)的故障探測(cè)技術(shù)，可以攝取表面溫度超過(guò)周圍環(huán)境溫度的異常溫升點(diǎn)的紅外光譜圖像，然后根據(jù)圖像，人工或自動(dòng)判讀可能的故障器件。</p><p>　　(8)高性

38、能計(jì)算技術(shù)</p><p>　　在移動(dòng)機(jī)器人的早期研究工作中，專用硬件結(jié)構(gòu)為多數(shù)研究者所采用，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)市場(chǎng)上的通用硬件不能滿足諸如實(shí)時(shí)圖像處理所需的計(jì)算能力。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的迅猛提高，研究者們開(kāi)始采用通用處理器來(lái)構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)。目前用于移動(dòng)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個(gè)高速通用處理器加上幾個(gè)專用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)計(jì)算)，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來(lái)

39、縮小體積，達(dá)到優(yōu)化的性能。</p><p>　　(9)無(wú)線通信與因特網(wǎng)技術(shù)</p><p>　　這兩項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人之間的通信和信息共享，以及機(jī)器人與外部的聯(lián)系。</p><p>　　1.2.2機(jī)器人仿真簡(jiǎn)介</p><p>　　仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種專用物理設(shè)備為工具，采用系統(tǒng)模

40、型對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)。它利用物理或數(shù)學(xué)方法來(lái)建立模型，類比模擬現(xiàn)實(shí)過(guò)程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過(guò)程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)和改造實(shí)際系統(tǒng)的目的。計(jì)算機(jī)仿真是在研究系統(tǒng)過(guò)程中根據(jù)相似原理，利用計(jì)算機(jī)來(lái)逼真模擬研究對(duì)象。研究對(duì)象可以是實(shí)際的系統(tǒng)，也可以是設(shè)想中的系統(tǒng)，是將研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述、建模編程，且在計(jì)算機(jī)中允許實(shí)現(xiàn)。它不怕破壞、易修改、可重用。計(jì)算機(jī)仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全過(guò)程中，包括方

41、案論證、技術(shù)指標(biāo)確定、設(shè)計(jì)分析、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)測(cè)試、維護(hù)訓(xùn)練、故障處理等各個(gè)階段。</p><p>　　機(jī)器人計(jì)算機(jī)仿真具有以下意義：</p><p>　　1)開(kāi)發(fā)前期對(duì)設(shè)計(jì)思想論證和評(píng)優(yōu)，包括對(duì)各種方案的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行評(píng)估；</p><p>　　2)準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型為機(jī)器人控制提供參考依據(jù)；</p><p>　　3)最終設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)

42、行性能校核，包括檢驗(yàn)機(jī)器人能否完成預(yù)定目標(biāo)，及對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)；</p><p>　　4)有效的仿真模型還可以用來(lái)對(duì)最終產(chǎn)品性能進(jìn)行跟蹤、故障預(yù)測(cè)、診斷等。</p><p>　　仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人，國(guó)外在70年代就開(kāi)始了這一方面的研究工作。P.N.sheth和J.J.Unicker于1972年開(kāi)發(fā)了機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析系統(tǒng)IMP用來(lái)分析閉環(huán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、時(shí)間滯后及振動(dòng)分析。

43、隨后誕生了ADAMS(Automatic DynamicAnalysis of Mechanical System)。兩者的功能擴(kuò)展到對(duì)一般機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真。1978年，西德Warcoke等人開(kāi)發(fā)了機(jī)器人圖形仿真程序包IPA，該軟件包含一個(gè)200種機(jī)器人的數(shù)據(jù)庫(kù)。法國(guó)Licgois等人聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一個(gè)包括機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)分析的機(jī)器人CAD系統(tǒng)。美國(guó)DAUGLAS公司推出了McAuto軟件包，用于機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真。John.

44、J.MurrayCharles,PNuman等人研制的ARM軟件包可自動(dòng)生成機(jī)器人操作手末端相對(duì)于基座的位置矩陣和完整的拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型。</p><p>　　國(guó)內(nèi)機(jī)器人仿真的研究總體上來(lái)說(shuō)起步較晚，基礎(chǔ)薄弱。國(guó)內(nèi)從80年代后期，才開(kāi)始從事機(jī)器人仿真技術(shù)的研究。清華大學(xué)、浙江大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所及上海交通大學(xué)等做了起步工作，取得了一定成果。南京理工大學(xué)于1994年用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)ROBGSS.ROLOPS系統(tǒng)，逐

45、漸形成了較完善的機(jī)器人仿真系統(tǒng)。劉又午教授等人以底座、大臂、小臂和3個(gè)腕關(guān)節(jié)構(gòu)成的、且每個(gè)關(guān)節(jié)皆為圓柱鉸接的典型6自由度工業(yè)機(jī)器人為模型，對(duì)通用程序進(jìn)行了簡(jiǎn)化，開(kāi)發(fā)出工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析專用程序。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)周一鳴教授主持開(kāi)發(fā)了廣義機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)GMCADS(Generalized Mechanisms Computer Aided Design System)，該系統(tǒng)用迭代方法計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的自由度，在靜力學(xué)分析中用勢(shì)能極小原理

46、求解系統(tǒng)的靜平衡位置，在動(dòng)力學(xué)分析中采用了哈密爾(Hamilton)正則方程。但是，國(guó)內(nèi)的軟件都只停留在實(shí)驗(yàn)室中，離軟件商品化還有很大距離。</p><p>　　§1.3本文主要內(nèi)容</p><p>　　1、簡(jiǎn)要闡述了巡線機(jī)器人技術(shù)及其國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。提出了本課題巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　2、利用CATIA軟件，建立了巡線機(jī)器人基于

47、特征的參數(shù)化模型，以此為基礎(chǔ)建立了該機(jī)器人的虛擬樣機(jī)。</p><p>　　3、從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度分析了巡線機(jī)器人操作臂的角位移、角速度等。</p><p>　　4、利用CAT/ADAMS模塊將虛擬樣機(jī)導(dǎo)入到ADAMS軟件中，基于ADAMS建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，對(duì)巡線機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，得到了仿真曲線。驗(yàn)證了巡線機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和路徑規(guī)劃的合理性和正確性，為機(jī)器人的后續(xù)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。&

48、lt;/p><p>　　第二章 巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與三維模型的建立</p><p>　　由于機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，為了快速準(zhǔn)確地建立其模型，并方便日后的修改和計(jì)算，利用代表目前機(jī)械CAD領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件CATIA來(lái)建立機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型，基于CATIA軟件對(duì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了準(zhǔn)確的創(chuàng)建。</p><p>　　§2.1巡線機(jī)

49、器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1.1方案要求</b></p><p>　　要求研制一臺(tái)針對(duì)500kv電壓等級(jí)高壓架空輸電線路(其中：避雷線規(guī)格為L(zhǎng)GJ500/45、懸垂線夾規(guī)格為CGF-6X、防振錘規(guī)格為FD-6)，具有自主越障能力和爬坡能力的巡線機(jī)器人。機(jī)器人在分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制下，能夠以一定的速度沿架空線路運(yùn)動(dòng)，并能跨越防振錘、耐張線夾

50、、懸垂線夾、跳線等障礙，具有自動(dòng)剎車自保功能，以避免從高空摔落。其巡線作業(yè)環(huán)境如圖2.1。</p><p>　　所以，本文中巡線機(jī)器人的工作原理和過(guò)程為：</p><p><b>　　1)機(jī)器人上線；</b></p><p>　　2)機(jī)器人本體計(jì)算機(jī)在接收到運(yùn)行命令后，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿避雷線行走；</p><p>　　3)巡

51、線機(jī)器人通過(guò)滾輪完成沿避雷線無(wú)障礙段的行進(jìn)。行進(jìn)過(guò)程中檢測(cè)裝置不斷檢測(cè)前方障礙物的情況，同時(shí)攝像機(jī)對(duì)線路和機(jī)器人本身的工作狀態(tài)進(jìn)行拍攝，拍到的圖像通過(guò)無(wú)線設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婀ぷ骰?，決定是否對(duì)線路進(jìn)行維護(hù)；同時(shí)對(duì)機(jī)器人本身的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，決定是否對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)給予干預(yù)；</p><p>　　4)機(jī)器人檢測(cè)到前方有防振錘時(shí)，由于手掌采用中空設(shè)計(jì)，因此機(jī)器人無(wú)需做任何調(diào)整，即可直接爬越；</p>&

52、lt;p>　　5)當(dāng)安裝在機(jī)械手前端的接近覺(jué)傳感器檢測(cè)到懸垂線夾時(shí)，機(jī)器人控制肘關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使末端執(zhí)行器上移，直至驅(qū)動(dòng)輪離開(kāi)避雷線，然后手掌電機(jī)驅(qū)動(dòng)手掌張開(kāi)；其開(kāi)合度要大于障礙寬度；之后，后面兩只手驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)行走，當(dāng)中間手接近懸垂線夾時(shí)，前臂回落，同時(shí)手掌合攏，直至掛線；然后中間手電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)使中間手上移，然后手掌張開(kāi)，接通前后兩手的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，繼續(xù)行走。當(dāng)后手接近懸垂線夾時(shí)，控制中間手回落，手掌合攏，直至驅(qū)動(dòng)輪掛線；之

53、后，后肘關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后小臂選轉(zhuǎn)，手掌張開(kāi)，前兩驅(qū)動(dòng)輪繼續(xù)行走；當(dāng)后手跨越線夾后，手掌閉合回落，機(jī)器人完成跨越懸垂線夾的任務(wù)，繼續(xù)行進(jìn)；</p><p>　　6)當(dāng)機(jī)器人跨越跳線時(shí)，手的脫線和抱線方法與跨越懸垂線夾時(shí)相同；首先前手脫線，通過(guò)前端視覺(jué)傳感器，可檢測(cè)到避雷線與跳線角度，這時(shí)大臂電機(jī)按此角度旋轉(zhuǎn)，使末端執(zhí)行器位于跳線下方，前手抓住跳線，然后中間手脫線，啟動(dòng)前后手的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使機(jī)器人行走。中間手接近跳線時(shí)停止

54、行走，調(diào)整前后柔性臂，使中間手抓住跳線，啟動(dòng)行走。當(dāng)后手接近跳線時(shí)，停止行走，后手脫線；用前手和中間手驅(qū)動(dòng)機(jī)器人繼續(xù)行走，越過(guò)跳線線夾后，停止行走，調(diào)整柔性臂，使后手抓住跳線，完成從直線到跳線的跨越；機(jī)器人由跳線到直線的跨越方法與上述過(guò)程相同，由于是一個(gè)上坡過(guò)程，為了使機(jī)器人不至于滑下來(lái)，需使用剎車裝置；</p><p>　　7)檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎跳線時(shí)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程與跨越直線跳線不同的地方是柔性臂的姿態(tài)除了上下調(diào)整外，還需

55、要水平調(diào)整，其余完全相同；</p><p>　　8)當(dāng)線路坡度較大、驅(qū)動(dòng)輪摩擦驅(qū)動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，直接表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)輪打滑，此時(shí)機(jī)器人三個(gè)制動(dòng)器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行蠕動(dòng)行進(jìn)。</p><p>　　本課題對(duì)巡線機(jī)器人的主要技術(shù)指標(biāo)和要求是：</p><p>　　1)具有自主越障能力；</p><p>　　2)具有一定

56、爬坡能力；</p><p>　　3)單機(jī)重量：小于100千克；</p><p><b>　　2.1.2總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　考慮到輸電線路具有防振錘、耐張線夾、懸垂線夾、跳線和轉(zhuǎn)彎等各種障礙、并</p><p>　　具有一定坡度。為了達(dá)到上述要求，巡線機(jī)器人的機(jī)械手必須動(dòng)作靈活，工作范圍大，能完成規(guī)定的動(dòng)

57、作，應(yīng)有自由度4-5個(gè)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。我們摒棄機(jī)器人常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)出了適用于500kv輸電線路的自動(dòng)巡線機(jī)器人，其總體機(jī)構(gòu)二維簡(jiǎn)圖如圖2.2所示，三維圖如圖2.3所示。主要由五大部分組成：驅(qū)動(dòng)裝置、剎車制動(dòng)裝置、手掌開(kāi)合裝置、柔性臂、電源箱和控制箱。</p><p><b>　　2.1.3柔性臂</b></p><p>　　機(jī)械手的手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部

58、件，它用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，</p><p>　　并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖2.4所示.</p><p>　　本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間

59、(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　手腕的構(gòu)形也有多種形式。三自由度的手腕通常有以下四種形式：BBR型、BRR型、RBR型和RRR型。如圖2.5所示。</p><p>　　B表示彎曲結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的軸線在工作過(guò)程中相互間角度有變化。R表

60、示轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的軸線在工作過(guò)程中相互間角度不變。BBR結(jié)構(gòu)由于采用了兩個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)尺寸增加了，而RBR與前者相比結(jié)構(gòu)緊湊。</p><p>　　由于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡要求機(jī)械手端面平行于避雷線，這樣用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)就可以使機(jī)械手的姿態(tài)滿足要求，且機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，減輕了重量。綜合考慮后確定該機(jī)械手具有四個(gè)自由度，其中手臂兩個(gè)自由度確定機(jī)械手的位置，后兩個(gè)自由度確定手的姿態(tài)，最后確定其結(jié)構(gòu)

61、形式如圖2.6所示。</p><p>　　綜上所述，柔性臂由機(jī)座、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器組成。共有四個(gè)自由度，依次為大臂回轉(zhuǎn)、小臂俯仰、手腕俯仰、手腕回轉(zhuǎn)。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)均由精密渦輪蝸桿減速器和轉(zhuǎn)盤組成。電機(jī)通過(guò)精密渦輪蝸桿減速器帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂水平方向和豎直方向的自如運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制電機(jī)的制動(dòng)裝置，還能夠?qū)崿F(xiàn)手臂剛性與柔性的平滑轉(zhuǎn)換，使機(jī)器人適應(yīng)跨越轉(zhuǎn)彎、跳線時(shí)位置和姿態(tài)的要求。通過(guò)

62、工作情況的需要，定出該巡線機(jī)器人的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下：</p><p>　　大臂長(zhǎng)：250mm 手腕長(zhǎng)：72mm</p><p>　　小臂長(zhǎng)：400mm 末端執(zhí)行器長(zhǎng)：344mm</p><p><b>　　各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：</b></p>

63、<p>　　關(guān)節(jié)1：±90° 關(guān)節(jié)2：±90°</p><p>　　關(guān)節(jié)3：±90° 關(guān)節(jié)4：±90°</p><p><b>　　2.1.4驅(qū)動(dòng)裝置</b></p>&l

64、t;p>　　機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置是帶動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)到達(dá)指定位置的動(dòng)力源。通常動(dòng)力是直接或經(jīng)電纜、齒輪箱或其他方法送至各個(gè)關(guān)節(jié)。目前使用的主要有三種驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)以高壓油作為工作介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)或者是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是閉環(huán)或者是開(kāi)環(huán)的。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能得到較大的出力，工作壓力通常達(dá)14Mpa，但是液壓元件造價(jià)高昂，而且容易泄露污染環(huán)境，而且必須配備專用的液壓閥，儲(chǔ)油罐，體積龐大。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的工作介

65、質(zhì)是高壓空氣，氣動(dòng)控制閥簡(jiǎn)單、便宜、操作簡(jiǎn)單、易于編程，可以完成大量的點(diǎn)位搬運(yùn)操作任務(wù)，但是缺點(diǎn)是氣壓伺服難以實(shí)現(xiàn)高精度控制，只能用在滿足低精度的場(chǎng)合。故本機(jī)械手采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，這也是現(xiàn)代機(jī)器人應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)可以選擇步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)屬于開(kāi)環(huán)控制，精度較低。而直流伺服電機(jī)能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額

66、定轉(zhuǎn)速高。</p><p>　　根據(jù)作業(yè)環(huán)境要求，本課題機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)與步進(jìn)式蠕動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)兩種方式。當(dāng)線路坡度較小、驅(qū)動(dòng)輪摩擦驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)；當(dāng)線路坡度較大、驅(qū)動(dòng)輪摩擦驅(qū)動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，直接表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)輪打滑，此時(shí)機(jī)器人三個(gè)制動(dòng)器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行蠕動(dòng)行進(jìn)。</p><p>　　2.1.4.1輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)&l

67、t;/p><p>　　輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置由直流電機(jī)、傘齒輪減速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)輪組成。驅(qū)動(dòng)輪采用高強(qiáng)度輕型材料，以減輕驅(qū)動(dòng)裝置重量；驅(qū)動(dòng)輪外表面采用高強(qiáng)度耐磨材料，以增大驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)時(shí)與線路的摩擦因數(shù)，防止打滑。驅(qū)動(dòng)輪支撐架(手掌)采用中空設(shè)計(jì)，使機(jī)器人遇到防振錘等障礙時(shí)，可直接越過(guò)，大大提高了機(jī)器人巡線速度。</p><p>　　2.1.4.2步進(jìn)式蠕動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)</p><

68、;p>　　步進(jìn)式蠕動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置由直流電機(jī)、傘齒輪減速器、傳動(dòng)軸、滾珠絲杠、螺母和直線導(dǎo)軌組成。滾珠絲杠的摩擦力很小且運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度快。由于滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠，傳動(dòng)過(guò)程中所受的摩擦力是滾動(dòng)摩擦，可極大地減小摩擦力，因此傳動(dòng)效率高，可以達(dá)到90%，只需要使用極小的驅(qū)動(dòng)力就能夠傳遞運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　2.1.5剎車制動(dòng)裝置</p><p>　　為了保證機(jī)

69、器人在停止?fàn)顟B(tài)、有一只手打開(kāi)或出現(xiàn)故障情況下不脫線和下滑，設(shè)計(jì)了剎車裝置。它由活動(dòng)制動(dòng)爪、固定制動(dòng)爪、銷軸、彈簧、彈簧上底座、彈簧下底座和彈簧導(dǎo)向軸組成。</p><p>　　2.1.6手掌開(kāi)合裝置</p><p>　　手掌開(kāi)合裝置由渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和平行四桿機(jī)構(gòu)組成。在蝸桿驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)支架開(kāi)合。其中：驅(qū)動(dòng)輪固定在右側(cè)支架上，制動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在左側(cè)支架上，如圖2.7所示。</p>&l

70、t;p>　　§2.2機(jī)器人的建模</p><p>　　動(dòng)力學(xué)分析要求獲得機(jī)器人各個(gè)零部件的質(zhì)量參數(shù)、慣性參數(shù)、質(zhì)心坐標(biāo)等參數(shù)，而三維實(shí)體建模并不是ADAMS的強(qiáng)項(xiàng)，故選擇在CATIA環(huán)境下建立所有機(jī)器人的零部件模型及完成巡線機(jī)器人虛擬樣機(jī)的裝配；然后將所建模型以cmd格式導(dǎo)入至ADAMS環(huán)境中，在模型上施加約束、力/力矩和運(yùn)動(dòng)激勵(lì)；最后對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行交互式的仿真分析，在系統(tǒng)水平上真實(shí)地預(yù)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)

71、的工作性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，得到合理動(dòng)作規(guī)劃。表2.1列出了各個(gè)零件的相關(guān)質(zhì)量慣性參數(shù)。圖2.8為CATIA中建立的巡線機(jī)器人裝配模型，從圖中可以確定各個(gè)零部件的裝配關(guān)系。</p><p>　　表2.1各個(gè)零部件模型的質(zhì)量慣性參數(shù)</p><p>　　單位：質(zhì)量-千克；度-毫米；力-牛頓；時(shí)間-秒；角度-度。</p><p>　　巡線機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析<

72、;/p><p><b>　　§3.1引言</b></p><p>　　本章首先分析了四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，建立了機(jī)械手正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)所需的關(guān)節(jié)變量，用D-H法建立了四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。并分析了機(jī)械手的關(guān)節(jié)速度與雅可比矩陣。基于上述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，為仿真分析提供了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　§3.2數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論</

73、p><p>　　要建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，首先要對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析。它涉及到四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，特別是關(guān)節(jié)變量空間與機(jī)械手末行器位姿之間的關(guān)系。下面主要闡述將要用到的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論。</p><p>　　3.2.1剛體位姿的表示與齊次變換</p><p>　　為了描述機(jī)械手本身的各個(gè)連桿之間、機(jī)械手和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并且忽略了機(jī)械手連桿的

74、彈性形變，把機(jī)械手連桿作為剛體來(lái)研究。</p><p>　　空間點(diǎn)p可以用它的相對(duì)于參考坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)來(lái)表示: 其中是參考坐標(biāo)系中表示該點(diǎn)的坐標(biāo)。這種表示方法也可以稍做變化：將P點(diǎn)用向量形式寫(xiě)出并且加入一個(gè)比例因子w，則P點(diǎn)表示為：，其中</p><p>　　變量w可以為任意數(shù)，如果w=1時(shí)，各分量的大小保持不變；如果w=0,x,y和z都為無(wú)窮大，表示一個(gè)長(zhǎng)度為無(wú)窮大的向量，方向?yàn)樵撓蛄?/p>

75、所表示的方向。因此常取w=1,P向量表示參考坐標(biāo)系中某一方向。</p><p>　　一個(gè)剛體在笛卡爾空間表示可以這樣實(shí)現(xiàn)：通過(guò)在剛體上固連一個(gè)坐標(biāo)系，再將該固連坐標(biāo)系在空間表示出來(lái)。只要這個(gè)坐標(biāo)系可以在空間表示出來(lái)，那么這個(gè)物體相對(duì)于固定的參考坐標(biāo)系的位姿也就已知了，如圖3.1所示。</p><p>　　如果用表示剛體上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(當(dāng)前坐標(biāo)系)原點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的位置向量，表示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

76、n軸在參考坐標(biāo)系中的方向，表示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系o軸在參考坐標(biāo)系中的方向，表示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系a軸在參考坐標(biāo)系中的方向。因此剛體在參考坐標(biāo)系中的位姿可以表示成：</p><p><b>　　（3.1）</b></p><p>　　且滿足①三個(gè)向量相互垂直；②每個(gè)單位向量的長(zhǎng)度必須為1。這種形式的矩陣稱為齊次矩陣。并且齊次矩陣的逆矩陣為：</p><p>&l

77、t;b>　?。?.2）</b></p><p>　　如果剛體保持現(xiàn)有的姿態(tài)不變，只是在參考坐標(biāo)中的位置發(fā)生改變，那么相對(duì)于固定參考坐標(biāo)系的新坐標(biāo)系的位置可以用原來(lái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置向量加上表示位移的向量求得。用矩陣形式表述，新的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的表示可以通過(guò)坐標(biāo)系左乘變換矩陣得到。新的坐標(biāo)系位置為：</p><p><b>　　（3.3）</b><

78、/p><p>　　其中是平移向量d相對(duì)于參考坐標(biāo)系x,y和z軸的三個(gè)分量。</p><p>　　同理，如果剛體保持現(xiàn)有的位置不變，只是在參考坐標(biāo)中的姿態(tài)發(fā)生改變，則新</p><p>　　運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的表示也可以通過(guò)坐標(biāo)系左乘變換矩陣得到。例如，其中Rot (x,θ)表示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系繞參考坐標(biāo)系的x軸旋轉(zhuǎn)θ的變換矩陣。這里給出運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系繞參考坐標(biāo)系的x軸，y軸和z軸旋轉(zhuǎn)θ的

79、變換矩陣，</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　為簡(jiǎn)化書(shū)寫(xiě)，習(xí)慣用符號(hào)Cθ表示,Sθ表示 (以下表示方法相同)。</p><p>　　復(fù)合變換是由固定參考坐標(biāo)系或當(dāng)前運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的一系列沿軸平移和繞軸旋轉(zhuǎn)變換所組成的，任何變換都可以分解為按一定順序的一組平移和旋轉(zhuǎn)變換。 </p><p>

80、　　當(dāng)剛體做相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系或當(dāng)前坐標(biāo)系的軸的變換時(shí)，需要右乘變換矩陣，而不是左乘變換矩陣，才能得到相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系變換后的剛體的新位姿。 </p><p>　　3.2.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的D-H表示法 </p><p>　　Denavit-Hartenberg(D-H)模型表示了對(duì)機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的一種非常簡(jiǎn)單的方法，可用于任何機(jī)器人構(gòu)型，不論機(jī)器人的結(jié)構(gòu)順序和復(fù)

81、雜程度如何，并且在D-H模型的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多技術(shù)，例如雅可比矩陣的計(jì)算和力分析等。</p><p>　　假設(shè)機(jī)器人由一系列關(guān)節(jié)和連桿組成。這些關(guān)節(jié)可能是滑動(dòng)(線性)的或旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)動(dòng))的，可以按任意的順序放置并處于任意的平面。連桿也可以是任意的長(zhǎng)度(包括零)，可能被扭曲或彎曲，也可能位于任意平面上。為此，需要給每個(gè)關(guān)節(jié)指定一個(gè)參考坐標(biāo)系，然后，確定從一個(gè)關(guān)節(jié)到下一個(gè)關(guān)節(jié)(一個(gè)坐標(biāo)系到下一個(gè)坐標(biāo)系)來(lái)進(jìn)行變換的

82、步驟。如果將從基座到第一關(guān)節(jié)，再?gòu)牡谝魂P(guān)節(jié)到第二關(guān)節(jié)直至到最后一個(gè)關(guān)節(jié)的所有變換結(jié)合起來(lái)，就得到了機(jī)器人的總變換矩陣。 </p><p>　　圖3.2表示了三個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都是可以轉(zhuǎn)動(dòng)或平移的。第一個(gè)關(guān)節(jié)指定為關(guān)節(jié)n，第二關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n+1，第三個(gè)關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n+2。在這些關(guān)節(jié)的前后可能還有其他關(guān)節(jié)。連桿也是如此表示，連桿n位于關(guān)節(jié)n與n+1之間，連桿n+1位于關(guān)節(jié)n+1與n+2之間。</p><

83、;p>　　連桿構(gòu)件坐標(biāo)系的選擇及參數(shù)的規(guī)定如下：</p><p>　　(1)所有關(guān)節(jié)，都用z軸表示。如果是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，z軸位于按右手規(guī)則旋轉(zhuǎn)的方向。如果是滑動(dòng)關(guān)節(jié)，z軸為沿直線運(yùn)動(dòng)的方向，坐標(biāo)軸是沿著i+1關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸。</p><p>　　(2)x是沿著的公垂線，指向離開(kāi)，軸的方向。</p><p>　　(3) 軸的方向按構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系來(lái)建立。</p

84、><p>　　(4) 公垂線長(zhǎng)度是和兩軸間的最小距離，一般稱為連桿長(zhǎng)度。</p><p>　?。?）兩公垂線和之間的距離稱為連桿距離。</p><p>　?。?）軸與之間的夾角為，以繞軸右旋為正，一般稱為連桿的夾角。</p><p>　?。?）和之間的夾角，以繞軸右旋為正, 稱為扭轉(zhuǎn)角。</p><p>　　根據(jù)上述規(guī)則，

85、給所有的連桿賦予坐標(biāo)系，并且可以建立i-1和i坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，盡管通過(guò)關(guān)節(jié)i+1的軸線，但坐標(biāo)系固定在連桿i上，隨連桿i運(yùn)動(dòng)而一起運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　通過(guò)以下4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步驟將坐標(biāo)系移動(dòng)到坐標(biāo)系：</p><p>　　1. 繞軸旋轉(zhuǎn)，使得和相互平行。</p><p>　　2.沿軸平移距離，使得和共線。</p><p>

86、　　3. 沿軸平移的距離，使得和的原點(diǎn)重合。</p><p>　　4.將軸繞軸旋轉(zhuǎn)，使得軸與軸對(duì)準(zhǔn)。這時(shí)坐標(biāo)系n和n+1完全重合。</p><p>　　通過(guò)依次右乘表示四個(gè)運(yùn)動(dòng)的四個(gè)矩陣就可以得到變換矩陣A，右乘的原因是所有的變換都是相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(當(dāng)前坐標(biāo)系)的。</p><p><b>　　（3.5）</b></p><

87、;p>　　由此機(jī)械手的基座與手之間的總變換則為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　其中n為關(guān)節(jié)數(shù)。</b></p><p>　　§3.3巡線機(jī)器人四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析</p><p>　　當(dāng)已知機(jī)械手所有的關(guān)節(jié)變量時(shí)，可用正運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)確定

88、機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿。換言之，已知機(jī)械手所有連桿長(zhǎng)度和關(guān)節(jié)角度，那么計(jì)算機(jī)器人手的位姿就稱為正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。如果要使機(jī)器人末端手放在特定的點(diǎn)上并且具有特定的姿態(tài)，可用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)計(jì)算出每一關(guān)節(jié)變量的值，使機(jī)械手末端執(zhí)行器放置在期望的位姿，這就叫做逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。事實(shí)上，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程更為重要，機(jī)械手控制器將用這些方程來(lái)計(jì)算關(guān)節(jié)值，并以此來(lái)運(yùn)行機(jī)械手到達(dá)期望的位姿。</p><p>　　3.3.1機(jī)械手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析&l

89、t;/p><p>　　根據(jù)D-H表示法，為四自由度機(jī)械手建立必要的坐標(biāo)系，并填寫(xiě)相應(yīng)的參數(shù)表。圖3.3是巡線機(jī)器人機(jī)械手坐標(biāo)系的簡(jiǎn)化線圖。表3.1是相應(yīng)的關(guān)節(jié)和連桿參數(shù)表。</p><p>　　其中，坐標(biāo)系{i}設(shè)置于i十1號(hào)關(guān)節(jié)上并固結(jié)在i連桿上，坐標(biāo)系{i}與連桿i無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。將參數(shù)表中的參數(shù)代入式(3.6)，可以得到每?jī)蓚€(gè)相鄰關(guān)節(jié)之間的變換矩陣。然后將依次相乘，得到，為機(jī)器人的基座坐標(biāo)系

90、和手端面坐標(biāo)系(或手坐標(biāo)系)之間總變換。</p><p>　　如果要得到工具坐標(biāo)系和基座之間的總變換，則需要將右乘以，即：，其中為工具坐標(biāo)系和手端面坐標(biāo)系間總交換。</p><p>　　下面給出變換矩陣、和的計(jì)算結(jié)果：</p><p>　　就是所求的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析。對(duì)于中，P矢量是手端面坐標(biāo)系原點(diǎn)在基座坐標(biāo)系中的位置矢量，n、o、a矢量表示了手端面坐標(biāo)系姿態(tài)。

91、</p><p>　　3.3.2機(jī)械手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析</p><p>　　的運(yùn)動(dòng)方程中有很多角度的耦合，比如： 、這就使得無(wú)法從矩陣中提取足夠的元素來(lái)求解單個(gè)的正弦和余弦項(xiàng)以計(jì)算角度。為使角度解耦，可例行地用單個(gè)矩陣左乘矩陣，使得方程右邊不再包括這個(gè)角度，于是可以找到產(chǎn)生角度的正弦值和余弦值的元素，并進(jìn)而求得相應(yīng)角度。例如：可以通過(guò)求，等等，來(lái)進(jìn)行角度的解耦并求出各角度。</p>

92、;<p>　　通過(guò)圖3.3和變換矩陣的定義分析可以得出，如果機(jī)械手連桿的長(zhǎng)度一定，由基座開(kāi)始的前三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度決定了機(jī)械手末端手端面坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置，第四個(gè)關(guān)節(jié)決定了機(jī)械手末端手端面坐標(biāo)系的姿態(tài)。因此可以通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。</p><p>　　如圖3.4所示，對(duì)于工作空間內(nèi)的某一靈巧點(diǎn)，由幾何關(guān)系可列得方程組(3.9)：</p><p>　　求解，（2）

93、式|（1）式=>tan=\,=arctan(\)或=180+</p><p><b>　　求解，</b></p><p>　　3.求解，=B-A方程組(3.10)可得：</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b>　　4.求解，</b><

94、;/p><p><b>　　由A中元素可知：</b></p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　　（3.14）</b></p><p>　　要全面地定義空間的剛體，需要用6條獨(dú)立的信息來(lái)描述剛體原點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中相對(duì)于三個(gè)參考坐標(biāo)軸的位置以及物體關(guān)于這三個(gè)

95、坐標(biāo)軸的姿態(tài)。而本機(jī)械手只有四個(gè)自由度，在工作空間內(nèi)機(jī)械手不能夠?qū)崿F(xiàn)所有的位姿。由此式(3.7) 給出的12條位姿信息中，3條位置信息是可知的，而其余9條姿態(tài)信息是部分己知的。因此不能再通過(guò)式(3.7)求解。經(jīng)過(guò)分析，該機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的軌跡都要求機(jī)械手的手端面平行于某一固定工件平面，即手端面坐標(biāo)系的Y軸方向總垂直于已知的工件平面，也就是式(3.7)的已知。所以在上述第(4)步中應(yīng)改變求解方式。從而可以得到：</p><p

96、>　　通過(guò)上述方法就可以得到機(jī)械手的關(guān)節(jié)角度值。即機(jī)械手的逆解。</p><p>　　3.3.3機(jī)械手關(guān)節(jié)速度和雅可比矩陣</p><p>　　雅可比矩陣表示機(jī)構(gòu)部件隨時(shí)間變化的幾何關(guān)系，它可以將單個(gè)關(guān)節(jié)的微分運(yùn)動(dòng)或速度轉(zhuǎn)換為某一點(diǎn)的微分運(yùn)動(dòng)或速度，也可將單個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)與整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。由于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的值是隨時(shí)間變化的，從而雅可比矩陣各元素的大小也隨時(shí)間變化，因此雅可比矩陣是與

97、時(shí)間相關(guān)的。</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　在式(314)中D為相對(duì)于參考坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)，而則為關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)，J為相對(duì)于參考坐標(biāo)系的雅可比矩陣。</p><p>　　可以將相對(duì)于最后一個(gè)坐標(biāo)系的速度方程寫(xiě)為：</p><p><b>　?。?.15）</b

98、></p><p>　　其中為相對(duì)于手坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)，為相對(duì)于手坐標(biāo)系{6}(對(duì)于6自由度機(jī)械手)的雅可比矩陣的逆矩陣，為機(jī)械手此時(shí)各關(guān)節(jié)的微分運(yùn)動(dòng)。再通過(guò)，即可求出相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的速度引起的各關(guān)節(jié)的速度。</p><p>　　四自由度機(jī)械手對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的雅可比矩陣：</p><p>　　，矩陣各列求解可以簡(jiǎn)單如下過(guò)程：</p><

99、p>　　第1列用，第2列用，第3列用，第4列用。</p><p>　　代入已知的各矩陣值，并且求出雅可比矩陣每一列的各行運(yùn)算表達(dá)式：</p><p>　　經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化之后可得到各元素依次為：</p><p><b>　　第一列：</b></p><p><b>　　第二列：</b></p&g

100、t;<p><b>　　第三列：</b></p><p><b>　　第四列：</b></p><p>　　由于，在求解各轉(zhuǎn)角速度時(shí)需要先求。求逆雅可比矩陣有兩種方法，兩者都十分困難，它們不僅計(jì)算量大而且費(fèi)時(shí)。一種方法是求出符號(hào)形式的逆雅可比矩陣，然后把數(shù)值代入其中并計(jì)算出速度；另一種方法是將數(shù)據(jù)代入雅可比矩陣，然后用高斯消去法或其

101、他類似方法來(lái)求該逆數(shù)值矩陣。盡管這些方法都是可行的，但它們并不常用。而且是6 ×4的矩陣，這又給求取機(jī)器人逆雅可比矩陣增加困難，無(wú)法保證計(jì)算過(guò)程的高效和快捷性。一種替代的方法是，用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來(lái)計(jì)算關(guān)節(jié)的速度。步驟如下：</p><p>　?。?）求解， （3.16）</p><p>　?。?）求解，設(shè)則 （3.17）</p><

102、;p><b>　?。?）求解，</b></p><p><b>　?。?.18）</b></p><p>　　由于是和矩陣的微分變化，等都可以從矩陣中得到，則： （3.19）</p><p>　　把中各元素代入上述(1)--(4)步驟中各轉(zhuǎn)角

103、速度公式中即可求出相應(yīng)的關(guān)節(jié)角速度。</p><p><b>　　§3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章在深入研究四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，用D-H法建立了四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了機(jī)械手的關(guān)節(jié)速度與雅可比矩陣。為下面的仿真分析提供了理論基礎(chǔ)，也為今后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近巡線機(jī)器人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。</p>&l

104、t;p>　　第四章 總結(jié)與展望</p><p><b>　　§4.1本文總結(jié)</b></p><p>　　本文針對(duì)110kv電壓等級(jí)高壓架空輸電線路設(shè)計(jì)了具有自主越障能力和爬坡能力的巡線機(jī)器人。并在CATIA環(huán)境下建立了巡線機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型. 本文主要在以下幾個(gè)方面作出了一些工作：</p><p>　　1、簡(jiǎn)要闡述

105、了巡線機(jī)器人技術(shù)及其國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。提出了本課題巡線機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　2、利用CATIA軟件，建立了巡線機(jī)器人基于特征的參數(shù)化模型，以此為基礎(chǔ)建立了該機(jī)器人的虛擬樣機(jī)。</p><p>　　3、從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度分析了巡線機(jī)器人操作臂的關(guān)節(jié)角位移、角速度等。</p><p>　　4、利用CAT/ADAMS模塊將虛擬樣機(jī)導(dǎo)入到ADAMS軟件

106、中，基于ADAMS建立了運(yùn)動(dòng)仿真模型，對(duì)巡線機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，得到了仿真曲線。驗(yàn)證了巡線機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的合理性和正確性，為機(jī)器人的后續(xù)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　§4.2 后續(xù)工作與展望</p><p>　　巡線機(jī)器人及其工作環(huán)境是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)模型，本文所建立的模型只是其真實(shí)樣機(jī)的粗糙反映，不能夠完全真實(shí)的反映實(shí)際情況，有待進(jìn)一步的完善。通過(guò)本

107、文的工作，發(fā)現(xiàn)在這一課題上還是有很多值得深入研究的地方。目前還可以在以下方面展開(kāi)進(jìn)一步的探索和深入：</p><p>　　1)巡線機(jī)器人以高壓輸電線路的全程為作業(yè)路徑，這一柔性環(huán)境與機(jī)器人多剛體系統(tǒng)間的耦合勢(shì)必對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性造成極大影響，故應(yīng)當(dāng)考慮導(dǎo)線的柔性。對(duì)巡線機(jī)器人沿導(dǎo)線的無(wú)障礙段直線行走和手臂抬升動(dòng)作建立完整的動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析機(jī)器人與作業(yè)環(huán)境間的剛?cè)狁詈蠈?duì)其動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律。</p&g

108、t;<p>　　2)考慮跨越跳線時(shí)各關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)時(shí)機(jī)器人過(guò)障的動(dòng)作規(guī)劃，提高其過(guò)障效率。</p><p>　　3)巡線機(jī)器人沿導(dǎo)線滾動(dòng)運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)仿真中，接觸力模型的參數(shù)還需深入研究，有必要建立準(zhǔn)確、精細(xì)的摩擦力模型，以真實(shí)的反映巡線機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各關(guān)節(jié)的摩擦力/力矩，為計(jì)算有限元的分析提供必要及真實(shí)的動(dòng)載荷輸入。</p><p>　　4)在確定了一些關(guān)鍵的參數(shù)取值后，可以在