机械毕业设计（论文）-巡线机器人的设计【全套图纸】

目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 研究背景及意义1 1.2 架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述2 1.2.1 架空线路巡线机器人研究概况.2 1.2.2 机器人仿真简介.6 1.3 本文主要内容7 第二章第二章 巡线机器人本体结构的设计与三维建模8 2.1 线机器人本体结构设计8 2.11 方案要求8 2.12 总体结构.10 2.13 柔性臂.10 2.14 驱动装置.13 2.15 刹车制动装置.14 2.16 手掌开合装置.14 2.2 器人的建模.15 第三章第三章 巡线机器人机械手运动学分析18 3.1 引言18 3.2 数学基础理论18 3.2.1 刚体位姿的表示与齐次变换18 26 3.2.2 机器人运动学方程的 D-H 表示法20 3.3 巡线机器人四自由度机械手运动学分析22 3.3.1 机械手的正运动学分析.22 3.3.2 机械手的逆运动学分析.24 3.3.3 机械手关节速度和雅可比矩阵.27 3.4 本章小结.29 第四章第四章 总结与展望30 4.1 本文总结30 4.2 后续工作与展望30 致谢致谢31 参考文献参考文献.32 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 电力系统最重要的任务是提供高质量和高可靠性的电力。电力传输必须依 靠高压输电线路，它的安全稳定运行直接影响电力系统的可靠性。由于输电线 路分布点多、面广，绝大部分远离城镇，所处地形复杂，自然环境恶劣，且电 力线及杆塔附件长期暴露在野外，会受到持续的机械张力、电气闪络、材料老 化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，原来微小的破 损和缺陷就可能扩大，最终导致严重事故，造成大面积停电，从而造成极大的 经济损失和严重的社会影响。所以，必须对输电线路进行定期巡视检查，随时 掌握和了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情况， 以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。目前，对输电线 路的巡检主要采用两种方法，即地面人工目测法和直升飞机航测法。前者的巡 检精度低，劳动强度大，且存在巡检盲区。部分地区大雪封山时，车辆和行人 无法进入(如图 1.1 所示)；在深山还有野兽出没，这给巡视人员带来了很大的安 全隐患；后者则存在飞行安全隐患且巡线费用昂贵(如图 1.2 所示)。如果用直升 机巡视替代地面巡视，则每 100 公里 1 年巡视费用同塔双回线需 217.92 万元 （单回线 136 万元） 。如果用直升机在整个东北电网覆盖地区巡视则需超过 5000 万元。费用过于昂贵，直接限制了直升机巡视的广泛推广。 由于巡线机器人可以克服上述缺陷，因此，巡线机器人已成为特种机器领 域的一个研究热点。巡线机器人不仅可以减轻工人巡线的劳动强度，降低高压 输电的运行维护成本，还可以提高巡检作业的质量和科学管理技术水平，对于 增强电力生产自动化综合能力，创造更高的经济效益和社会效益都具有重要意 义。 巡线机器人悬挂于架空避雷线上，并以此为行驶作业路径，通过自动控制 方式完成输电线路巡检作业，及对线路的机械电气故障，包括绝缘子劣化和污 秽、导线的机械破损、连接金具机械松脱等故障进行检测。其特殊的作业环境 要求机器人能够沿输电导线全程运行，包括沿输电导线的直线段和耐张线段实 现滚动爬行，跨越及避让悬垂线夹、悬垂绝缘子、防振锤、耐张线夹等结构型 障碍物。 因此，机器人的本体设计是整机设计中一个相当重要的部分，需经过多次 反复才能完成；在进行机器人结构分析和设计时，需要建立一定的实验环境(导 线物理模型、障碍物等)，对样机进行多次实验以检验其是否能达到预期的目标， 这就导致其设计的周期长、设计效率低以及改型工作量大等缺点。此外，样机 的单机制造增加了成本。在竞争的市场条件下，基于物理样机的设计验证过程 严重地制约了产品质量的提高、成本的降低及市场推广应用。 然而，利用仿真技术可以方便地建立机器人的虚拟样机模型。在设计之初， 就可以实现对整个系统的运动分析、动力分析、载荷及应力分析等，可大大提 高机器人本体设计的质量和效率。而且，仿真软件的应用可以使设计更为优化， 即在计算机上修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断 改进，直至获得最优设计方案。同时，通过计算机仿真可以代替己有的物理 1 样机进行各种状态的仿真分析，降低物理样机现场实验的风险。利用仿真数据 对模型进行修改，综合仿真数据与理论数据对所设计的虚拟样机性能做出准确 的评价及提出建议。 本文将仿真技术引入到巡线机器人机构、运动学分析中，为研究巡线机器 人作业性能及运动学特性，从虚拟样机的角度，提供了一定的参考依据。本文 所建立的巡线机器人全参数化模型，可以通过实验数据对其进行修正，从而为 机构的设计优化、路径规划等做出铺垫。 1.2 架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述 1.2.1 架空线路巡线机器人研究概况架空线路巡线机器人研究概况 国外巡线机器人的研究始于 20 世纪 80 年代末，日本、加拿大、美国等发 达国家先后开展了巡线机器人的研究工作。1988 年，东京电力公司的 Swada 等 人研制了光纤复合架空地线(OPGW)巡线移动机器人，如图 1.3 所示。该机器 2 人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线爬行，能跨越地线上防振锤、螺旋减震 器等障碍物。遇到杆塔时，机器人采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂， 手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的 另一侧；待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以 备下次使用。机器人运动控制有粗略和精确定位两种模式，粗略控制是把线塔 和地线的资料数据(线塔的高度、位置、电线长度、线路上附件数量等)预先编 制好程序输入机器人，据此控制机器人的行走和越障；精确定位控制则根据传 感器反馈信息进行控制。机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光 纤复合架空地线的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上。但因其质量过大， 达到 100kg，而不能推广应用。 加拿大魁北克水电研究院的 Serge Montambault 等人在 2000 年开始了 HQLineROVer 遥控小车(见图 1.4)的研制工作，遥控小车起初用于线路巡检、 4, 3 维护等多用途移动平台。第三代原型机构紧凑，仅重 25kg，驱动力大，抗电磁 干扰能力强，能爬 52 度的斜坡，通信距离可达 1000m，小车采用灵活的模块化 结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、 导线和地线更换、导线清污和除冰等带电作业，已在工作电流为 800A 的 315kV 电力线上进行了多次现场测试，但是 HQ LineROVer 没有越障能力，只 能在两线塔间的电力线上工作。 美国 TRC 公司 1999 年研制了一台悬臂巡线机器人原型，如图 1.5 所示。 它能沿架空导线长距离爬行，执行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉 检查任务，对探测到的线路故障数据预处理后，传送给地面人员。当机器人遇 到杆塔时，利用手臂采用仿人攀援的方法从侧面越过杆塔。其缺点是无法攀爬 30 度以上的斜坡而不能广泛应用。 文献中，介绍了工作于 66kV 光纤架空地线，能够跨越防振锤和线夹的 6 机器人。文献给出了一种新型移动机器人机构，由双臂、四套执行机构和手 7 爪构成，该机器人能够沿架空地线行走，并且能够跨越杆塔。文献给出了一 8 种能够沿架空地线行走并且跨越防振锤、杆塔、线夹等障碍物的移动机器人。 但上述机器人都具有 18 个以上的自由度，导致功耗过高而不能应用到实际工作 中。 9 图 1.6 是中国科学院沈阳自动化研究所研制出的具有自主知识产权的超高 压输电线路巡检机器人，并于 2006 年 4 月 12 日与锦州超高压局合作开展了现 场带电巡检试验，在其所管辖的 500kV 超高压输电线(东辽二线)上成功地完成 了沿线行走，但没有越障能力。 综合国内外对于巡线机器人的研究情况，当代巡线机器人的研究主要集中 于以下几个方面： 11,10 (1)机器人结构 机器人机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进行的。在机器人机 构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富 有创造性的工作。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、 运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展。 12 (2)运动控制技术 稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础，由于移动机器人本身 是一个非完整约束系统，是一个欠驱动的零漂移的动力学系统，因此，该系统 不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此，通过时变、不连续控 制以及混合策略，根据动力学模型和运动学模型，建立合理的反馈控制律，实 现车速和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术的 核心内容。 (3)路径规划技术 该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部 路径规划技术。由于自主式移动机器人在地面上行驶，必须避开它无法通过的 或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域，因此局部路径规划，尤其是复杂环 境下的路径规划问题，显得更为重要。 (4)实时视觉技术 该技术主要涉及到视觉信息的实时采集、预处理、特征提取和模式识别。 而且，视觉信息处理的能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定智能机 器人整体性能的决定性因素。 (5)定位和导航技术 该技术是现代轮式移动机器人研制所急需的关键技术，也是下一代无人战 车的技术基础。位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量，测量方法 有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗盘、全球定位系统、地图模型匹配和自 然路标导航等。 (6)多传感集成和数据融合技术 自主式移动机器人采用测距技术，GPS 定位技术和小型陀螺仪技术等多种 传感技术来采集不同类型的环境信息。因此，准确地处理和分析不同传感器采 集到的信息，用于对所处环境作出准确可靠的描述并据此作出正确的决策和控 制，是多传感集成和数据融合研究的任务。 (7)检测技术 一种是可见光检测方法，采用高分辨率摄像机摄取目标图像，一般能发现 架空线大部分表面故障现象，精度和准确度取决于图像质量。如何让巡线机器 人自主控制携带的摄像设备，捕捉特定目标，获取多视角、高清晰度目标图像 是关键；另一种是红外探测技术，当输电导线存在诸如导线断股、绝缘子破损 等故障时，故障点附近会出现局部温升，产生热辐射。这些故障难以通过视觉 检查发现，我们可以采用红外探测技术加以弥补。具体来说，就是热成像技术， 这是一种广泛用于输变电系统的故障探测技术，可以摄取表面温度超过周围环 境温度的异常温升点的红外光谱图像，然后根据图像，人工或自动判读可能的 故障器件。 (8)高性能计算技术 在移动机器人的早期研究工作中，专用硬件结构为多数研究者所采用，这 是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需的计算能力。近 年来，随着计算机计算能力的迅猛提高，研究者们开始采用通用处理器来构建 机器人系统。目前用于移动机器人的硬件结构多数采用一个高速通用处理器加 上几个专用板卡或芯片(用于颜色查表、模板匹配或数学形态学计算)，或者通 过实验确定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系统来缩小体积，达到优化的性 能。 (9)无线通信与因特网技术 这两项技术可以实现多机器人之间的通信和信息共享，以及机器人与外部 的联系。 1.2.2 机器人仿真简介机器人仿真简介 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础， 以计算机和各种专用物理设备为工具，采用系统模型对真实系统进行试验研究 的一门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或 者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和 改造实际系统的目的。计算机仿真是在研究系统过程中根据相似原理，利用 15 计算机来逼真模拟研究对象。研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的 系统，是将研究对象进行数学描述、建模编程，且在计算机中允许实现。它不 怕破坏、易修改、可重用。计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程 中，包括方案论证、技术指标确定、设计分析、生产制造、试验测试、维护训 练、故障处理等各个阶段。 机器人计算机仿真具有以下意义： 1)开发前期对设计思想论证和评优，包括对各种方案的运动学及动力学特 性进行评估； 2)准确的动力学模型为机器人控制提供参考依据； 3)最终设计的产品进行性能校核，包括检验机器人能否完成预定目标，及 对其运行状况进行评价； 4)有效的仿真模型还可以用来对最终产品性能进行跟踪、故障预测、诊断 等。 仿真技术应用于机器人，国外在 70 年代就开始了这一方面的研究工作。 P.N.sheth 和 J.J.Unicker 于 1972 年开发了机构计算机辅助设计和分析系统 IMP 用来分析闭环机构运动学、静力学、时间滞后及振动分析。随后诞生了 ADAMS(Automatic DynamicAnalysis of Mechanical System)。两者的功能扩展到 对一般机构的动力学仿真。1978 年，西德 Warcoke 等人开发了机器人图形仿真 程序包 IPA，该软件包含一个 200 种机器人的数据库。法国 Licgois 等人联 17,16 合开发了一个包括机器人机构设计和动态分析的机器人 CAD 系统。美国 DAUGLAS 公司推出了 McAuto 软件包，用于机器人工作站的设计与动态仿真。 John.J.MurrayCharles,PNuman 等人研制的 ARM 软件包可自动生成机器人操作 手末端相对于基座的位置矩阵和完整的拉格朗日动力学模型。 18 国内机器人仿真的研究总体上来说起步较晚，基础薄弱。国内从 80 年代 后期，才开始从事机器人仿真技术的研究。清华大学、浙江大学、沈阳自动化 研究所及上海交通大学等做了起步工作，取得了一定成果。南京理工大学于 1994 年用 C 语言开发 ROBGSS.ROLOPS 系统，逐渐形成了较完善的机器人仿 真系统。刘又午教授等人以底座、大臂、小臂和 3 个腕关节构成的、且每个关 节皆为圆柱铰接的典型 6 自由度工业机器人为模型，对通用程序进行了简化， 开发出工业机器人动力学分析专用程序。中国农业大学周一鸣教授主持开发 19 了广义机构计算机辅助设计系统 GMCADS(Generalized Mechanisms Computer Aided Design System)，该系统用迭代方法计算机械系统的自由度，在静力学分 析中用势能极小原理求解系统的静平衡位置，在动力学分析中采用了哈密尔 (Hamilton)正则方程。但是，国内的软件都只停留在实验室中，离软件商品化还 有很大距离。 20 1.3 本文主要内容本文主要内容 1、简要阐述了巡线机器人技术及其国内外发展现状和趋势。提出了本课 题巡线机器人的设计方案。 2、利用 CATIA 软件，建立了巡线机器人基于特征的参数化模型，以此为 基础建立了该机器人的虚拟样机。 3、从机构学的角度分析了巡线机器人操作臂的角位移、角速度等。 4、利用 CAT/ADAMS 模块将虚拟样机导入到 ADAMS 软件中，基于 ADAMS 建立了运动学仿真模型，对巡线机器人进行了运动仿真，得到了仿真 曲线。验证了巡线机器人结构设计和路径规划的合理性和正确性，为机器人的 后续研究打下了坚实的基础。 第二章第二章 巡线机器人本体结构的设计与三维模型的建立巡线机器人本体结构的设计与三维模型的建立 由于机器人本体结构极其复杂，为了快速准确地建立其模型，并方便日后 的修改和计算，利用代表目前机械 CAD 领域新标准的参数化设计软件 CATIA 来建立机器人本体结构模型，基于 CATIA 软件对机器人本体结构的主要零部件 进行了准确的创建。 2.1 巡线机器人本体结构设计巡线机器人本体结构设计 2.1.1 方案要求方案要求 要求研制一台针对 500kv 电压等级高压架空输电线路(其中：避雷线规格 为 LGJ500/45、悬垂线夹规格为 CGF-6X、防振锤规格为 FD-6)，具有自主越 22 障能力和爬坡能力的巡线机器人。机器人在分布式计算机控制系统的控制下， 能够以一定的速度沿架空线路运动，并能跨越防振锤、耐张线夹、悬垂线夹、 跳线等障碍，具有自动刹车自保功能，以避免从高空摔落。其巡线作业环境如 图 2.1。 所以，本文中巡线机器人的工作原理和过程为： 1)机器人上线； 2)机器人本体计算机在接收到运行命令后，驱动机器人沿避雷线行走； 3)巡线机器人通过滚轮完成沿避雷线无障碍段的行进。行进过程中检测装 置不断检测前方障碍物的情况，同时摄像机对线路和机器人本身的工作状态进 行拍摄，拍到的图像通过无线设备实时传输到地面工作基站，决定是否对线路 进行维护；同时对机器人本身的工作状态进行监控，决定是否对机器人的运动 给予干预； 4)机器人检测到前方有防振锤时，由于手掌采用中空设计，因此机器人无 需做任何调整，即可直接爬越； 5)当安装在机械手前端的接近觉传感器检测到悬垂线夹时，机器人控制肘 关节电机旋转，使末端执行器上移，直至驱动轮离开避雷线，然后手掌电机驱 动手掌张开；其开合度要大于障碍宽度；之后，后面两只手驱动电机继续行走， 当中间手接近悬垂线夹时，前臂回落，同时手掌合拢，直至挂线；然后中间手 电机驱动齿轮齿条机构使中间手上移，然后手掌张开，接通前后两手的驱动电 机，继续行走。当后手接近悬垂线夹时，控制中间手回落，手掌合拢，直至驱 动轮挂线；之后，后肘关节电机驱动后小臂选转，手掌张开，前两驱动轮继续 行走；当后手跨越线夹后，手掌闭合回落，机器人完成跨越悬垂线夹的任务， 继续行进； 6)当机器人跨越跳线时，手的脱线和抱线方法与跨越悬垂线夹时相同；首 先前手脱线，通过前端视觉传感器，可检测到避雷线与跳线角度，这时大臂电 机按此角度旋转，使末端执行器位于跳线下方，前手抓住跳线，然后中间手脱 线，启动前后手的驱动电机使机器人行走。中间手接近跳线时停止行走，调整 前后柔性臂，使中间手抓住跳线，启动行走。当后手接近跳线时，停止行走， 后手脱线；用前手和中间手驱动机器人继续行走，越过跳线线夹后，停止行走， 调整柔性臂，使后手抓住跳线，完成从直线到跳线的跨越；机器人由跳线到直 线的跨越方法与上述过程相同，由于是一个上坡过程，为了使机器人不至于滑 下来，需使用刹车装置； 7)检测到转弯跳线时，运动过程与跨越直线跳线不同的地方是柔性臂的姿 态除了上下调整外，还需要水平调整，其余完全相同； 8)当线路坡度较大、驱动轮摩擦驱动无法实现机器人行进时，直接表现为 驱动轮打滑，此时机器人三个制动器立即抓线，并与丝杠螺旋副组成蠕动爬行 机构，进行蠕动行进。 本课题对巡线机器人的主要技术指标和要求是： 1)具有自主越障能力； 2)具有一定爬坡能力； 3)单机重量：小于 100 千克； 2.1.2 总体结构总体结构 考虑到输电线路具有防振锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线和转弯等各种障碍、 并 具有一定坡度。为了达到上述要求，巡线机器人的机械手必须动作灵活，工作 范围大，能完成规定的动作，应有自由度 4-5 个，结构紧凑，重量轻。我们摒 弃机器人常规结构形式，设计出了适用于 500kv 输电线路的自动巡线机器人， 其总体机构二维简图如图 2.2 所示，三维图如图 2.3 所示。主要由五大部分组成： 驱动装置、刹车制动装置、手掌开合装置、柔性臂、电源箱和控制箱。 2.1.3 柔性臂柔性臂 机械手的手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器， 并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至 少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形 式有多种，常用的构形如图 2.4 所示. 23 本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置，同时要结构简单，容 易控制。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多 的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工 作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该机器人采 用关节型机器人的结构。 手腕的构形也有多种形式。三自由度的手腕通常有以下四种形式：BBR 型、BRR 型、RBR 型和 RRR 型。如图 2.5 所示。 B 表示弯曲结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相 互间角度有变化。R 表示转动结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在 工作过程中相互间角度不变。BBR 结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增 加了，而 RBR 与前者相比结构紧凑。 由于机械手的运动轨迹要求机械手端面平行于避雷线，这样用两个旋转关 节就可以使机械手的姿态满足要求，且机械结构更加简单，减轻了重量。综合 考虑后确定该机械手具有四个自由度，其中手臂两个自由度确定机械手的位置， 后两个自由度确定手的姿态，最后确定其结构形式如图 2.6 所示。 综上所述，柔性臂由机座、肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和末端 执行器组成。共有四个自由度，依次为大臂回转、小臂俯仰、手腕俯仰、手腕 回转。肩关节和肘关节均由精密涡轮蜗杆减速器和转盘组成。电机通过精密涡 轮蜗杆减速器带动转盘转动，实现手臂水平方向和竖直方向的自如运动。通过 控制电机的制动装置，还能够实现手臂刚性与柔性的平滑转换，使机器人适应 跨越转弯、跳线时位置和姿态的要求。通过工作情况的需要，定出该巡线机器 人的机械手运动参数如下： 大臂长：250mm 手腕长：72mm 小臂长：400mm 末端执行器长：344mm 各关节转动范围： 关节 1：90 关节 2：90 关节 3：90 关节 4：90 2.1.4 驱动装置驱动装置 机器人驱动装置是带动各个关节到达指定位置的动力源。通常动力是直接 或经电缆、齿轮箱或其他方法送至各个关节。目前使用的主要有三种驱动方式： 液压驱动、气动驱动和电机驱动。液压驱动以高压油作为工作介质，可以实现 直线运动或者是旋转运动，驱动机构可以是闭环或者是开环的。液压驱动的优 点是能得到较大的出力，工作压力通常达 14Mpa，但是液压元件造价高昂，而 且容易泄露污染环境，而且必须配备专用的液压阀，储油罐，体积庞大。气动 驱动的工作介质是高压空气，气动控制阀简单、便宜、操作简单、易于编程， 可以完成大量的点位搬运操作任务，但是缺点是气压伺服难以实现高精度控制， 只能用在满足低精度的场合。故本机械手采用电机驱动。电机驱动方式具有结 构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应 用最多的驱动方式。电机可以选择步进电机或直流伺服电机。步进电机驱动具 有成本低，控制系统简单的优点，但是步进电机驱动属于开环控制，精度较低。 而直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高。 24 根据作业环境要求，本课题机器人行进机构采用轮式移动机构与步进式蠕 动爬行机构两种方式。当线路坡度较小、驱动轮摩擦驱动可实现机器人移动时， 机器人采用轮式移动机构；当线路坡度较大、驱动轮摩擦驱动无法实现机器人 行进时，直接表现为驱动轮打滑，此时机器人三个制动器立即抓线，并与丝杠 螺旋副组成蠕动爬行机构，进行蠕动行进。 2.1.4.1 轮式移动机构轮式移动机构 轮式移动机构驱动装置由直流电机、伞齿轮减速器、传动轴和驱动轮组成。 驱动轮采用高强度轻型材料，以减轻驱动装置重量；驱动轮外表面采用高强度 耐磨材料，以增大驱动轮运动时与线路的摩擦因数，防止打滑。驱动轮支撑架 (手掌)采用中空设计，使机器人遇到防振锤等障碍时，可直接越过，大大提高 了机器人巡线速度。 2.1.4.2 步进式蠕动爬行机构步进式蠕动爬行机构 步进式蠕动爬行机构驱动装置由直流电机、伞齿轮减速器、传动轴、滚珠 丝杠、螺母和直线导轨组成。滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于 滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，传动过程中所受的摩擦力是 滚动摩擦，可极大地减小摩擦力，因此传动效率高，可以达到 90%，只需要使 用极小的驱动力就能够传递运动。 25 2.1.5 刹车制动装置刹车制动装置 为了保证机器人在停止状态、有一只手打开或出现故障情况下不脱线和下 滑，设计了刹车装置。它由活动制动爪、固定制动爪、销轴、弹簧、弹簧上底 座、弹簧下底座和弹簧导向轴组成。 2.1.6 手掌开合装置手掌开合装置 手掌开合装置由涡轮蜗杆机构和平行四杆机构组成。在蜗杆驱动下带动支 架开合。其中：驱动轮固定在右侧支架上，制动机构固定在左侧支架上，如图 2.7 所示。 2.2 机器人的建模机器人的建模 动力学分析要求获得机器人各个零部件的质量参数、惯性参数、质心坐标 等参数，而三维实体建模并不是 ADAMS 的强项，故选择在 CATIA 环境下建 立所有机器人的零部件模型及完成巡线机器人虚拟样机的装配；然后将所建模 型以 cmd 格式导入至 ADAMS 环境中，在模型上施加约束、力/力矩和运动激 励；最后对机械系统进行交互式的仿真分析，在系统水平上真实地预测机械结 构的工作性能，实现系统的最优设计，得到合理动作规划。表 2.1 列出了各个 零件的相关质量惯性参数。图 2.8 为 CATIA 中建立的巡线机器人装配模型，从 图中可以确定各个零部件的装配关系。 表 2.1 各个零部件模型的质量惯性参数 单位：质量-千克；度-毫米；力-牛顿；时间-秒；角度-度。 第三章第三章巡线机器人机械手运动学分析巡线机器人机械手运动学分析 3.1 引言引言 本章首先分析了四自由度机械手的运动学特性，建立了机械手正、逆运动 学所需的关节变量，用 D-H 法建立了四自由度机械手运动学模型。并分析了机 械手的关节速度与雅可比矩阵。基于上述运动学模型，为仿真分析提供了理论 基础。 3.2 数学基础理论数学基础理论 要建立机械手的运动学模型，首先要对机械手的运动学进行分析。它涉及 到四自由度机械手运动学正逆解问题的运动学方程，特别是关节变量空间与机 械手末行器位姿之间的关系。下面主要阐述将要用到的数学基础理论。 3.2.1 刚体位姿的表示与齐次变换刚体位姿的表示与齐次变换 26 为了描述机械手本身的各个连杆之间、机械手和环境之间的运动关系，并 且忽略了机械手连杆的弹性形变，把机械手连杆作为刚体来研究。 空间点 p 可以用它的相对于参考坐标系的三个坐标来表示: 其中是参考坐标系中表示该点的坐标。这种 表示方法也可以稍做变化：将 P 点用向量形式写出并且加入一个比例因子 w， 则 P 点表示为：，其中 变量 w 可以为任意数，如果 w=1 时，各分量的大小保持不变；如果 w=0,x,y 和 z 都为无穷大，表示一个长度为无穷大的向 量，方向为该向量所表示的方向。因此常取 w=1,P 向量表示参考坐标系中某一 方向。 一个刚体在笛卡尔空间表示可以这样实现：通过在刚体上固连一个坐标系， 再将该固连坐标系在空间表示出来。只要这个坐标系可以在空间表示出来，那 么这个物体相对于固定的参考坐标系的位姿也就已知了，如图 3.1 所示。 如果用表示刚体上的运动坐标系(当前坐标系)原点 在参考坐标系中的位置向量，表示运动坐标系 n 轴在参考坐 标系中的方向，表示运动坐标系 o 轴在参考坐标系中的方向， 表示运动坐标系 a 轴在参考坐标系中的方向。因此刚体在参 考坐标系中的位姿可以表示成： （3.1） 且满足三个向量相互垂直；每个单位向量的长度必须为 1。这种形式的矩 阵称为齐次矩阵。并且齐次矩阵的逆矩阵为： （3.2） 如果刚体保持现有的姿态不变，只是在参考坐标中的位置发生改变，那么 相对于固定参考坐标系的新坐标系的位置可以用原来运动坐标系的原点位置向 量加上表示位移的向量求得。用矩阵形式表述，新的运动坐标系的表示可以通 过坐标系左乘变换矩阵得到。新的坐标系位置为： （3.3） 其中是平移向量 d 相对于参考坐标系 x,y 和 z 轴的三个分量。 同理，如果刚体保持现有的位置不变，只是在参考坐标中的姿态发生改变，则 新 运动坐标系的表示也可以通过坐标系左乘变换矩阵得到。例如 ，其中 Rot (x,)表示运动坐标系绕参考坐标系的 x 轴旋 转 的变换矩阵。这里给出运动坐标系绕参考坐标系的 x 轴，y 轴和 z 轴旋转 的变换矩阵， （3.4） 为简化书写，习惯用符号 C 表示,S 表示 (以下表示方法相同)。cossin 复合变换是由固定参考坐标系或当前运动坐标系的一系列沿轴平移和绕轴 旋转变换所组成的，任何变换都可以分解为按一定顺序的一组平移和旋转变换。 当刚体做相对于运动坐标系或当前坐标系的轴的变换时，需要右乘变换 矩阵，而不是左乘变换矩阵，才能得到相对于运动坐标系变换后的刚体的新位 姿。 3.2.2 机器人运动学方程的机器人运动学方程的 D-H 表示法表示法 Denavit-Hartenberg(D-H)模型表示了对机器人连杆和关节进行建模的 一种非常简单的方法，可用于任何机器人构型，不论机器人的结构顺序和复杂 程度如何，并且在 D-H 模型的基础上，已经开发了许多技术，例如雅可比矩阵 的计算和力分析等。 假设机器人由一系列关节和连杆组成。这些关节可能是滑动(线性)的或旋转(转 动)的，可以按任意的顺序放置并处于任意的平面。连杆也可以是任意的长度 (包括零)，可能被扭曲或弯曲，也可能位于任意平面上。为此，需要给每个关 节指定一个参考坐标系，然后，确定从一个关节到下一个关节(一个坐标系到下 一个坐标系)来进行变换的步骤。如果将从基座到第一关节，再从第一关节到第 二关节直至到最后一个关节的所有变换结合起来，就得到了机器人的总变换矩 阵。 图 3.2 表示了三个关节，每个关节都是可以转动或平移的。第一个关节 指定为关节 n，第二关节为关节 n+1，第三个关节为关节 n+2。在这些关节的前 后可能还有其他关节。连杆也是如此表示，连杆 n 位于关节 n 与 n+1 之间，连 杆 n+1 位于关节 n+1 与 n+2 之间。 连杆构件坐标系的选择及参数的规定如下： (1)所有关节，都用 z 轴表示。如果是旋转关节，z 轴位于按右手规则旋转 的方向。如果是滑动关节，z 轴为沿直线运动的方向，坐标轴是沿着 i+1 关节 i z 的运动轴。 (2)x 是沿着的公垂线，指向离开，轴的方向。 ii z 1i z (3) 轴的方向按构成右手直角坐标系来建立。 i y iii zyx (4) 公垂线长度是和两轴间的最小距离，一般称为连杆长度。 i a 1i z i z i a （5）两公垂线和之间的距离称为连杆距离。 1i a i a i d （6）轴与之间的夹角为，以绕轴右旋为正，一般称为连杆的 1i x i 1i z i 夹角。 （7）和之间的夹角，以绕轴右旋为正, 称为扭转角。 1i z i z i a i x i a 根据上述规则，给所有的连杆赋予坐标系，并且可以建立 i-1 和 i 坐标系 之间的变换关系。应当说明的是，尽管通过关节 i+1 的轴线，但坐标系 i z 固定在连杆 i 上，随连杆 i 运动而一起运动。 iii zyx 通过以下 4 个标准步骤将坐标系移动到坐标系： nn zx 11 nn zx 1. 绕轴旋转，使得和相互平行。 n z 1n n x 1n x 2.沿轴平移距离，使得和共线。 n z 1n d n x 1n x 3. 沿轴平移的距离，使得和的原点重合。 1n x 1n a n x 1n x 4.将轴绕轴旋转，使得轴与轴对准。这时坐标系 n 和 n+1 n z 1n x 1n a n z 1n z 完全重合。 通过依次右乘表示四个运动的四个矩阵就可以得到变换矩阵 A，右乘的原 因是所有的变换都是相对于运动坐标系(当前坐标系)的。 （3.5） 由此机械手的基座与手之间的总变换则为： （3.6） 其中 n 为关节数。 3.3 巡线机器人四自由度机械手运动学分析巡线机器人四自由度机械手运动学分析 当已知机械手所有的关节变量时，可用正运动学来确定机器人末端执行器 的位姿。换言之，已知机械手所有连杆长度和关节角度，那么计算机器人手的 位姿就称为正运动学分析。如果要使机器人末端手放在特定的点上并且具有特 定的姿态，可用逆运动学来计算出每一关节变量的值，使机械手末端执行器放 置在期望的位姿，这就叫做逆运动学分析。事实上，逆运动学方程更为重要， 机械手控制器将用这些方程来计算关节值，并以此来运行机械手到达期望的位 姿。 3.3.1 机械手的正运动学分析机械手的正运动学分析 根据 D-H 表示法，为四自由度机械手建立必要的坐标系，并填写相应的参 数表。图 3.3 是巡线机器人机械手坐标系的简化线图。表 3.1 是相应的关节和连 杆参数表。 其中，坐标系i设置于 i 十 1 号关节上并固结在 i 连杆上，坐标系i与连 杆 i 无相对运动。将参数表中的参数代入式(3.6)，可以得到每两个相邻关节之 间的变换矩阵。然后将依次相乘，得到，为机器人的基 i A i A 座坐标系和手端面坐标系(或手坐标系)之间总变换。 如果要得到工具坐标系和基座之间的总变换，则需要将右乘以， 即：，其中为工具坐标系和手端面坐标系间总交换。 下面给出变换矩阵、和的计算结果： i A 就是所求的机械手运动学正解分析。对于中，P 矢量是手端面坐标 系原点在基座坐标系中的位置矢量，n、o、a 矢量表示了手端面坐标系姿态。 3.3.2 机械手的逆运动学分析机械手的逆运动学分析 的运动方程中有很多角度的耦合，比如： 、这就使得无法 23 S 23 C 从矩阵中提取足够的元素来求解单个的正弦和余弦项以计算角度。为使角度解 耦，可例行地用单个矩阵左乘矩阵，使得方程右边不再包括这个角度， 于是可以找到产生角度的正弦值和余弦值的元素，并进而求得相应角度。例如： 可以通过求，等等，来进行角度的解耦并 求出各角度。 通过图 3.3 和变换矩阵的定义分析可以得出，如果机械手连杆的长度一 定，由基座开始的前三个旋转关节旋转角度决定了机械手末端手端面坐标系原 点的位置，第四个关节决定了机械手末端手端面坐标系的姿态。因此可以通过 简单的几何关系推导运动学逆解。 如图 3.4 所示，对于工作空间内的某一灵巧点，由几何关系可列得方程组 (3.9)： 1. 求解， （2）式|（1）式 =tan=,=arctan()或=180 + 1 1 y p x p 1 y p x p 1 . 1 2. 求解， 2 3.求解，=B-A 方程组(3.10)可得： 3 3 （3.12） 4.求解， 4 由 A 中元素可知： 4 即： （3.14） 要全面地定义空间的刚体，需要用 6 条独立的信息来描述刚体原点在参考坐标 系中相对于三个参考坐标轴的位置以及物体关于这三个坐标轴的姿态。而本机 械手只有四个自由度，在工作空间内机械手不能够实现所有的位姿。由此式(3.7) 给出的 12 条位姿信息中，3 条位置信息是可知的，而其余 9 条姿态信息是 部分己知的。因此不能再通过式(3.7)求解。经过分析，该机械手运动的轨迹 4 都要求机械手的手端面平行于某一固定工件平面，即手端面坐标系的 Y 轴方向 总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 zyxo oo和 中应改变求解方式。从而可以得到： 通过上述方法就可以得到机械手的关节角度值。即机械手的逆解。 3.3.3 机械手关节速度和雅可比矩阵机械手关节速度和雅可比矩阵 雅可比矩阵表示机构部件随时间变化的几何关系，它可以将单个关节的微 分运动或速度转换为某一点的微分运动或速度，也可将单个关节的运动与整个 机构的运动联系起来。由于关节转角的值是随时间变化的，从而雅可比矩阵各 元素的大小也随时间变化，因此雅可比矩阵是与时间相关的。 27 JD D （3.14） 在式(314)中 D 为相对于参考坐标系的微分运动，而则为关节坐标系的 D 微分运动，J 为相对于参考坐标系的雅可比矩阵。 可以将相对于最后一个坐标系的速度方程写为： （3.15） 其中为相对于手坐标系的微分运动，为相对于手坐标系6(对于 6 自由度机械手)的雅可比矩阵的逆矩阵，为机械手此时各关节的微分运动。 D 再通过，即可求出相对于运动坐标系下的速度引起 的各关节的速度。 四自由度机械手对于运动坐标系的雅可比矩阵： ，矩阵各列求解可以简单如下过程： 第 1 列用，第 2 列用，第 3 列用 ，第 4 列用。 代入已知的各矩阵值，并且求出雅可比矩阵每一列的各行运算表达式： i A 经过简化之后可得到各元素依次为： 第一列： 第二列： 第三列： 第四列： 由于，在求解各转角速度时需要先求。求逆 雅可比矩阵有两种方法，两者都十分困难，它们不仅计算量大而且费时。一种 方法是求出符号形式的逆雅可比矩阵，然后把数值代入其中并计算出速度；另 一种方法是将数据代入雅可比矩阵，然后用高斯消去法或其他类似方法来求该 逆数值矩阵。尽管这些方法都是可行的，但它们并不常用。而且是 6 4 的矩阵，这又给求取机器人逆雅可比矩阵增加困难，无法保证计算过程的高效 和快捷性。一种替代的方法是，用逆运动学方程来计算关节的速度。步骤如下： （1）求解， （3.16） （2）求解，设则 （3.17） （3）求解， （3.18） 由于是和矩阵的微分变化，等都可以从矩阵中得到， 则： （3.19） 把中各元素代入上述(1)-(4)步骤中各转角速度公式中即可求出 41 dd 相应的关节角速度。 3.4 本章小结本章小结 本章在深入研究四自由度机械手的运动学问题的基础上，用 D-H 法建立了 四自由度机械手运动学模型，分析了机械手的关节速度与雅可比矩阵。为下面 的仿真分析提供了理论基础，也为今后神经网络逼近巡线机器人机械手的运动 学模型奠定了基础。 第四章第四章 总结与展望总结与展望 4.1 本文总结本文总结 本文针对 110kv 电压等级高压架空输电线路设计了具有自主越障能力和爬 坡能力的巡线机器人。并在 CATIA 环境下建立了巡线机器人虚拟样机模型. 本 文主要在以下几个方面作出了一些工作： 1、简要阐述了巡线机器人技术及其国内外发展现状和趋势。提出了本课题 巡线机器人的结构设计方案。 2、利用 CATIA 软件，建立了巡线机器人基于特征的参数化模型，以此为 基础建立了该机器人的虚拟样机。 3、从机构学的角度分析了巡线机器人操作臂的关节角位移、角速度等。 4、利用 CAT/ADAMS 模块将虚拟样机导入到 ADAMS 软件中，基于 ADAMS 建立了运动仿真模型，对巡线机器人进行了运动仿真，得到了仿真曲 线。验证了巡线机器人结构设计和运动规划的合理性和正确性，为机器人的后 续研究打下了坚实的基础。 4.2 后续工作与展望后续工作与展望 巡线机器人及其工作环境是一个相当复杂的系统模型，本文所建立的模型只是 其真实样机的粗糙反映，不能够完全真实的反映实际情况，有待进一步的完善。 通过本文的工作，发现在这一课题上还是有很多值得深入研究的地方。目前还 可以在以下方面展开进一步的探索和深入： 1)巡线机器人以高压输电线路的全程为作业路径，这一柔性环境与机器人 多刚体系统间的耦合势必对机器人的动力学特性造成极大影响，故应当考虑导 线的柔性。对巡线机器人沿导线的无障碍段直线行走和手臂抬升动作建立完整 的动力学模型，仿真分析机器人与作业环境间的刚柔耦合对其动力学特性的影 响规律。 2)考虑跨越跳线时各关节联动时机器人过障的动作规划，提高其过障效率。 3)巡线机器人沿导线滚动运行的动力学仿真中，接触力模型的参数还需深 入研究，有必要建立准确、精细的摩擦力模型，以真实的反映巡线机器人在运 动过程中各关节的摩擦力/力矩，为计算有限元的分析提供必要及真实的动载荷 输入。 4)在确定了一些关键的参数取值后，可以在现有模型的基础上，建立巡线 机器人的全参数模型，引入相关设计变量，对关键部分的机构或驱动进行设计 试验，获得巡线机器人的优化设计模型，为今后将巡线机器人在高压导线的巡 检工作中拥有更好，更广泛的应用前景做铺垫。 致致 谢谢 本文是在导师于化东教授的悉心指导下完成的。作者在本科的四年学习生 活 的基础下，同时在导师无微不至的指导和关怀中完成的。在此，谨向导师致以 衷 心的感谢！导师渊博的学识、深邃的学术思想、严谨的治学态度、勤奋求学的 科 学精神及正直的品德，使我终身受益。在本文完成之际，对导师的细心关怀和 培 养表示衷心的感谢！ 特别感谢许金凯老师，抽出了大量的宝贵时间对我的毕业设计进行解说和 指 导。他热情的帮助和细心指导使我受益匪浅，让我学到了许多在书本上学不到 的 东西。在此向许老师表示由衷的感谢！ 同时也要感谢司禹师姐，在完成毕业设计期间对我的帮助和关怀，并多次 帮 助我查找和修正毕业设计中的缺陷。谨在此对司禹师姐表示衷心的感谢！ 感谢班级全体同学和所有关心、帮助过我的其他老师、同学和朋友。 最后，要感谢家人和亲友。在作者求学期间，他们给予了最大的关怀、理 解 和支持，在此向他们表示深深的谢意！ 作者：尹明洋 2009 年 6 月 4 日星期 四 参参 考考 文文 献献 1.孙靖民,王新荣.现代机械设计方法选讲.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1998:8996. 2.Sawada J,Kusumoto K,Munakata T.A Mobile Robot for Inspection of Power Transmission Lines.IEEE Trans on owerDelivery,1991,6(1):309315. 3.Montambault S,Cote J,St Louis M.Preliminary Results on the D