（控制科学与工程专业论文）输电线路除冰机器人虚拟现实遥操作系统研究.pdf

r e s e a r c ho nt e l e o p e r a t i o ns y s t e mb a s e do nv i r t u a lr e a l i t yf o r t r a n s m i s s o nl i n ed e i c i n gr o b o t z h a 0g u o r u i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o n t r o l s c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs u nw d a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：爽目畸 日期：伽，j 年岁月切日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：劢jj 年r 月矽日 日期：厕1 年厂月矽e t 输电线路除冰机器人虚拟现实遥操作系统研究 摘要 近年来，随着计算机、机器人和信息技术的快速发展与交叉融合，机器人被 越来越多地应用到危险的环境中代替人工作。然而在目前的技术条件下，机器人 很难在危险、复杂的工作环境下完全自主地执行任务。因此，遥操作技术成为了 高压线输电线除冰机器人的关键技术之一，即利用人的智能以遥操作的方式参与 除冰机器人的工作。 虚拟现实技术集仿真技术、计算机技术和图形学技术于一体，可以创建虚拟 的、逼真的仿真环境，提供更友好的人机交互界面。本文针对基于虚拟现实技术 的机器人遥操作系统的设计与实现，主要开展了以下的研究： 1 、论文在分析虚拟现实技术在遥操作机器人中的应用和除冰机器人的机械结 构的基础上，对除冰机器人遥操作系统进行了总体设计，使虚拟现实的思想贯穿 于系统设计的整个过程； 2 、3 d 建模技术是虚拟现实一个关键技术。本文先用3 d sm a x 建立机器人 的局部几何模型，然后在v c + + 环境中借助o p e n g l 的强大图形库建立了虚拟除 冰机器人及其工作环境。而后，分析了机器人的运动学模型和三维交互技术，实 现了除冰机器人的平滑运动显示。实验显示：3 d sm a x 与o p e n g l 相结合完全 可以建立复杂的模型，并可实现人机交互。 3 、对系统的无线通信系统进行了研究。根据通信系统的技术要求，设计了基 于i e e e 8 0 2 1 1g 标准的无线局域通信网及通信协议。然后，运用w i ns o c k e t 网络 编程技术实现了控制命令的无线发送和远程图像的传输与显示。 关键词：虚拟现实；除冰机器人；遥操作；三维建模；无线通信 i i a b s t r a c t n o w a d a v s ，r o b o t sa r ea p p l i e d t ow o r k i n go nb e h a l fo fh u m a n l nd a n g e r o u s e n v i r o n m e n ti n c r e a s i n g l yw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r ， r o b o t sa n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i c s h o w e v e r ， i ti sd i f f i c u l t f o rr o b o t s t of i n i s ht a s k s i n d e p e n d e n t l yi nd a n g e r o u sa n dc o m p l i c a t e dw o r ke n v i r o n m e n t ，i n t h ec o n d l t l o no f p r e s e n tm a t u r i t yo fr o b o t st e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，t e l e o p e r a t i o nt e c h n o l o g y l so n eo f t h ek e vt e c h n 0 1 0 9 i e so fh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e d e i c i n gr o b o t ，w h i c hm e a n s h u m a np a r t i c i p a t ei nr o b o t sw o r kw i t ht e l e o p e r a t i o i n t e c h n o l o g y ，u s l n gh u m a n 3 s i n t e l l i g e n c e v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi n v o l v e ss i m u l a t i o n ，c o m p u t e ra n di m a g et e c h n o l 0 9 1 e s v i r t u a la n dv i v i ds i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tc a nb e s e tw i t hv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ， w h i c hp r o v i d e sm o r ef r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i nt h i st h e s i s ，t oa c c o m p l l s n t h et e l e o p e r a t i o ns y s t e mb a s e do nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ，m a i ns t u d l e s c a r n e do u t a r ea sb e l o w ： 、， 1 、t h ea p p l i c a t i o n o fv i r t u a lr e a l i t yi nt e l e o p e r a t i o ns y s t e ma n d m e c h a n l c a l s t r u c t u r e so fd e i c i n gr o b o ta r ed i s c u s s e df i r s t l y ，t h e n ，t h e t e l e o p e r a t l o ns y s t e m l s d e s i g n e di ng e n e r a lw h i c hm a k e sv i r t u a lr e a l i t yt h i n k i n gp e n e t r a t i n g t h ew h o l ed e s l g n p r o c e s s - 2 、3 dm o d e l i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yo f v i r t u a lr e a l i t y i nt h i st h e s i s ，t 戤l y r o b o t i sg r a p h i c a l l ym o d e l e dw i t h 3 d sm a xa n dv i r t u a ld e i c i n gr o b o t a n di t sw o r k e n v i r o n m e n ta r ed e v e l o p e db a s e do no p e n g li nv c + + e n v i r o n m e n t t h e n , k i n e m a t i c m o d e lo fr o b o ta n d3 di n t e r a c t i o nt e c h n o l o g ya r es t u d i e da n ds m o o t h m o v e m e n tl s b u i l t e x p e r i m e n t s h o w st h a tb yu s i n g3 d sm a xc o m b i n a t i o nw i t ho p e n g l c a n e s t a b l i s hc o m p l i c a t e dm o d e la n da c h i e v eh u m a n m a c h i n ei n t e r a c t l o n 3 、w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft e l e o p e r a t i o ns y s t e mi s s t u d l e d1 nt h l s t h e s i s a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t so f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w l a n b a s e do ni e e e 8 0 2 1lga n dp r o t o c o la r ed e s i g n e d t h e n ，u t i l i z i n gw i n s o c k e tn e t w o r k p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yt os e n dc o n t r o li n s t r u c t i o n sd a t a a n dt r a n s m i t ，d l s p l a y 姗a g e v i d e oo na b o v e p c t e s t i n gr e s u l t s s h o wt h a tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s am e tt h e d e m a n d so ft e l e o p e r a t i o ns y s t e mo fd e i c i n gr o b o tw i t h i ns p a c e l e s st h a n150 mw l t h o u t o b s t a c l e s k e y w o r d ：v i r t u a l r e a l i t y ；d e i c i n gr 。b o t ；t e l e 。p e r a t i o n ；3 d m o d e l i n g ；w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i i i 输电线路除冰机器人虚拟现实遥操作系统研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 论文研究背景和意义1 1 2 输电线路除冰机器人研究现状2 1 3 虚拟现实技术在机器人遥操作中的发展及应用3 1 3 1 虚拟现实技术的概念和特征3 1 3 2 虚拟现实技术在机器人遥操作系统中的应用4 1 4 论文的主要工作和结构安排一6 第2 章除冰机器人系统8 2 1 机器人机械结构8 2 2 机器人三臂结构设计一8 2 2 1 前臂和后臂8 2 2 2 中臂结构设计10 2 3 控制箱1 0 2 4 除冰机器人工作过程1 1 2 5 小结12 第3 章除冰机器人遥操作系统方案设计13 3 1 虚拟现实遥操作技术1 3 3 2 系统总体框架一1 4 3 3 系统层次结构1 6 3 4 系统各功能模块设计1 7 3 4 1 主端系统模块设计1 7 3 4 2 从端系统模块设计1 8 3 5 小结18 第4 章机器人虚拟建模与三维交互2 0 4 1 机器人运动学建模2 0 4 1 1 机器人运动方程的数学表示2 0 4 1 2 除冰机器人的运动学方程一2 2 4 2 机器人动力学分析2 3 4 3 机器人三维建模一2 3 i v 硕上学位论文 4 3 1 三维建模方法2 4 4 3 2 除冰机器人的三维模型的设计思路2 4 4 3 3 机器人及其工作环境的几何建模的实现2 5 4 4 虚拟模型的显示与处理一2 7 4 4 1o p e n g l 2 7 4 4 2 虚拟模型的显示2 8 4 4 3 虚拟模型的投影变换2 9 4 4 4 视点变换与视点控制3 2 4 5 小结3 3 第5 章遥操作系统的无线通信系统3 4 5 1 无线局域网技术3 4 5 1 1w l a n 的结构和特点3 4 5 1 2w l a n 的拓扑结构3 5 5 2 机器人遥操作系统的无线网络3 7 5 2 1 通信系统的设计要求3 7 5 2 2 无线通信系统方案设计一3 7 5 2 3 遥控通信的无线通信协议3 8 5 3 基于a i m b 7 6 3 的控制与无线数据通信的硬件架构3 9 5 3 1 主控机的选择及其配置3 9 5 3 2 机器人的感知系统4 1 5 3 3 传感器的位置分布及功能一4 l 5 4 遥操作系统上位机人机界面设计一4 2 5 4 1 人机界面功能需求分析一4 2 5 4 2 基于m f c 的上位机人机界面实现一4 3 5 5 客户端和服务器端之间网络通信程序的实现4 4 5 5 1 基于s o c k e t 的网络通信实现4 4 5 5 2s o c k e t 编程实现无线控制指令发送4 5 5 5 3 视频传输技术一4 8 5 5 4 实验4 8 5 6 j 、结5 0 总结与展望5 1 参考文献5 3 致谢5 7 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 8 v 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景和意义 随着我国国民经济的发展，超高压输电线路建设的越来越多，线路经过的地 理环境也越来越复杂，如经过大面积的湖泊、水库或崇山峻岭，给线路的维护造 就了很多困难，在我国的西北一带及两湖地区经常出现雨凇和雾凇现象，造成输 电线路的覆冰。尤其在2 0 0 8 年初，中国南方大部分地区和西北地区的1 3 个省市 连续遭受了冰冻雨雪的的极端天气袭击，大面积的冰雪灾害给国民经济和社会生 活带来了巨大的损失，受灾人口达1 亿之多。据国家电网公司统计数字表明，这 次冰雪灾害，造成了全国5 0 0 千伏的输电线路累计倒塌4 14 座，2 2 0 千伏的线路 倒塌4 l7 座线塔，直接经济损失超过11o o 亿元人民币，仅湖南省内损失就超过 1 4 亿元。线路大量结冰就是造成此次电力损失的主要原因，传统的人工除冰的方 法不仅效率低下，而且寻道员用带电操作杆或其他类似的绝缘棒只能为很少的一 部分线路除冰，具有很高的危险性。 在国外，由于一些国家的气候和地理情况与我国很相似，比如俄罗斯、加拿 大、美国、日本等国家也曾因输电线路覆冰引起安全事故，因此冰雪带来的电力 灾害已成为全世界面临的共同问题。为了保证电力系统的安全运行，提高输电线 路除冰的效率，维护除冰工人的安全，开发一种可以替代或者部分替代人工除冰 的新型设备是国内外相关研究的热点。这对于保护电网的安全运行和电力工人的 安全具有极其迫切的现实意义。 遥操作技术是输电线路除冰机器人走向应用实践应用的关键技术之一。机器 人的遥操作系统作为控制系统的一部分，具有非常重要的地位。移动机器人、特 别是一些进行危险作业的机器人，往往是脱离了人的直接控制，所以必须依靠远 程控制，以自主或半自主的方式完成指定的工作任务，可以说，机器人要走向实 用，必须拥有能够胜任的远程控制系统。通过搭建机器人与人之间的交互平台， 人们可以通过平台了解机器人周围的环境，同时可以给机器人下达命令。在现阶 段，移动机器人系统的发展趋势是不盲目追求全自主控制系统，而是着重于操作 者与机器人的人机交互，远程监控系统加上半自主系统构成完整、合理的功能控 制系统，使机器人走出实验室。 对于遥操作机器人系统，在消除或降低网络时延对系统的影响和提高系统的 控制性能上，大量的研究集中在机器人本体的自主性、网络通信协议与控制策略 三个方面。在机器人自主性能方面，由于控制理论以及信息处理等诸多技术的限 制，目前很难实现机器人完全的自主，尤其是野外工作的移动机器人。从通信协 输电线路除冰机器人虚拟现实遥操作系统研究 上看，虽然可以通过优化现有算法减小时延，或者通过增加数据发送的中断优 级，但也只能从一定程度上缓解时延。从对控制策略本身的研究上看，基于事 的控制方法是具体事件为变量，虽然避免了系统的稳定性问题心。3 1 ，但是由于基 事件的机制本身具有的被动性，导致了控制系统的实时性很难得到保证；预估 制能够通过系统模型输出抵消系统时延的影响，但为了保证系统稳定性需要模 的一致和时延为常数n 3 。综上所述，虽然之前的研究提供了一些控制策略和方 ，但是所取得控制效果远没有达到我们的要求，因此需要从一个新的角度来解 遥操作机器人的控制问题。 2 输电线路除冰机器人发展及现状 本文研究的除冰机器人是悬空工作在高压输电想上的复杂的机电系统，涉及 机械设计、通讯技术、电源技术以及自动控制等多项技术。要在输电线路上完 除冰任务，需要具有如下功能：( 1 ) 能在输电线路上平稳爬行；( 2 ) 具有越障 能( 如输电线上的防震锤、绝缘子等) ；( 3 ) 具有爬坡及制动能力；( 4 ) 具有除 能力。目前机器人在输电线路上的应用主要用于线路巡视。输电线路巡线机器 的国内外工作基础如下： 目前，世界范围内，主要的除冰方法有：电磁力除冰法、过电流融冰法、电 动铲冰法以及人工除冰法( “a dh o e 法) 等陆3 。电磁力除冰法是将输电线路在一 定的电压下短路，进而利用短路电流产生的电磁力使导线产生相互撞击，从而使 线路上的覆冰脱落；过电流融冰法主要依靠电力的调度来改变电网潮流分配，使 线路超过临界电流而产生热量以融冰，但是这种方法需要有大面积的停电；电动 铲冰法的典型代表是由加拿大的一家研究院研制的可移动的电动除冰装置哺1 ，该 装置上安装了特定形状的钢制刀片用于除冰，并且该系统有遥操作功能，其通讯 范围大概1 k m ；人工除冰法就是请操作人员在现场进行人工处理输电线路、避雷 线以及绝缘子上的覆冰，但是这种方法工作量大而且容易发生人员伤亡。 2 0 世纪8 0 年代，加拿大、日本和美国等发达国家先后开展了巡线机器人的 研究工作。19 8 8 年东京电力公司研制了架空地线巡检机器人，其利用夹持轮和驱 动轮在地线上自主爬行并跨越障碍物。美国t r c 公司19 8 9 年研制了自治巡线机 器人原型，它能悬挂在架空线上进行长距离的爬行并执行绝缘子、压接头等的视 觉检查任务；并可利用手臂采用仿人攀援的方法越塔。2 0 0 0 年加拿大魁北克水电 研究院开始了巡线机器人的研制，但无越障能力，能在两塔之间作业巡线操作。 9 0 年代，国内的一些研究机构和高等学校开始巡线机器人的研究工作。武汉 大学、山东大学、中科院自动化所、中科院沈阳自动化所等同时开始了对巡线机 器人的研制工作。 19 9 8 年武汉大学研制出了架空高压线路巡线小车；中国科学院沈阳自动化研 2 硕i ：学位论文 究所开展了“5 0 0 k v 地线巡检机器的研制”课题攻关，并研制出试验样机；“十五 期间，中科院自动化所开展了“1 10 k v 输电线路巡线机器人 的研究，也攻克了 一定的科学难题。 目前，山东大学和东南大学对输电线路巡线机器人也开展了研究工作，并取 得一定的研究成果和积累了一定的研发经验。从目前国内外对输电线路巡线机器 人的研究成果来看，巡线机器人主要工作在气象良好的环境中，通过搭载传感装 置对线路损伤进行检测。而除冰机器人是在恶劣环境中对输电线路进行无损除冰 作业，对其结构、功能、动力、通信等方面都有特殊的要求，现有巡线机器人技 术无法满足其要求。 随着现代计算机和人工智能技术的发展，机器人在技术层次和功能上都取得 了很大的进步，这样使机器人在危险、复杂的环境下代替人类去完成繁重的任务 得以实现，利用输电线路除冰机器人完成输电线路的在线除冰是目前输电线路除 冰技术的发展趋势之一，相对于传统的除冰方法，这种方法具有效率高、功耗小、 不需停电和低人员伤亡等优点。 1 3 虚拟现实技术在机器人遥操作中的发展及应用 1 3 1 虚拟现实技术的概念和特征 虚拟现实源于英文“v i r t u a lr e a l i t y ( v r ) ”阳3 ，是基于6 0 年代以来虚拟现实 技术的研究取得的一系列成就，由美国v p lr e s e a r c h 公司的创始人j a r o nl a n i e r 在8 0 年代初正式提出。近年来，v r 技术已成为十分活跃的技术研究领域，它囊 括了很多的高新技术，比如计算机图形学、人工智能、人机接口技术、传感器技 术和多媒体技术，还涉及到有关人的生理学特征和行为学研究等多项关键技术。 虚拟现实( v r ) 的严格的定义为：由交互计算机仿真组成的一种媒体，能够感知 参与者的位置和动作，替代或增强一种或多种感官反馈，从而产生一种精神沉浸 于或出现在仿真环境( 也称为虚拟环境) 中的感觉阳1 。g r i g o r e 和p h i l i p p ec o i f f e t 在他们的著作“v i r t u a lr e a l i t y ”一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征， 就是人们常说的v r 的3 个“i ，如图1 1 所示，即i n t e r a c t i v i t y 、i l l u s i o no f i m m e r s i o n 、i m a g i n a t i o n ，即交互、沉浸和想象。 图1 1 虚拟现实的3 “i ”特征 输电线路除冰机器人虚拟现实遥探作系统研究 从本质上讲，虚拟现实是一种高级的多通道人机交互系统，其概念模型如图 2 所示1 们。 i 反应系统 掘 够衣 作 虚拟环境 感官刺激信号 石 感知系统 图1 2 虚拟现实的概念模型 虚拟现实技术给用户提供的有：( 1 ) 给操作者提供三维现实世界的感觉，用 户能在其中动作，并能与虚拟环境实时地交互；( 2 ) 操作者能在虚拟环境中改变 物体的位置和方向，控制物体的行为和外形，而且能从任意的角度来观察他所想 看到的物体。从技术上讲，虚拟现实与我们通常所说的三维动画有本质的区别， 其区别见表1 1 。 表1 1 虚拟现实与三维动画的区别 虚拟现实三维动画 侧重点侧重系统的实时性和交互性，减少滞后时间。侧重视觉效果，注重细节，多 用于电视制作，动画片等 实时性每帧都是实时计算与渲染的，用户可以通过与无实时性，每帧都是预先渲染 系统的交互穿越场景好，并顺序播放的 帧频率振频率可以改变，系统的显示画面根据事实场频率恒定 景随机产生 交互性 与用户具有高度的交互性，用户可以参与到场 无交互性 景中控制场景 1 3 2 虚拟现实技术在机器人遥操作系统中的应用 虚拟现实技术在机器人领域的应用1 l ，主要集中在4 方面：1 、机器人遥操 作系统；2 、移动机器人的路径规划仿真平台；3 、机器人制造技术中机器人的虚 拟仿真；4 、机器人的设备训练平台。 目前，用于对海洋资源的开发与利用、太空探索或者其他对人身安全存在一 定的危害的环境中工作的遥操作机器人受到了研究者的广泛关注n 羽，遥操作技术 就应运而生，已经成为机器人上必备的功能，且已发展成熟。虚拟现实技术在很 大程度上拓展了遥操作的性能。因此基于虚拟现实的遥操作系统也得到了开发和 应用n 3 。1 引。其中，最具代表性的就是美国宇航局n a s a 的“火星探路者”s o j o u r n e r ( 索杰纳) ，如图1 3 所示，是19 9 6 年12 月4 日由德尔塔2 型运载火箭发射升空， 索杰纳火星车前部有两台黑白照相机，后部装有台彩色照相机可对附近目标 4 硕士学位论文 拍摄特写镜头，其上还有一个调制解调器，所获得的探测数据通过该装置传到着 陆器上，再由着陆器传回地面控制中心。地面工作者通过地面图形用户界面，利 用虚拟现实技术远程监控探测车，s o j o u r n e r 还采用了基于网络的遥操作接口。 图1 3 火星探路者s o j o u r n e r 美国南加州大学( u n i v e r s i t yo fs o u t hc a l i f o r n i a ) 于19 9 5 年研发了 t e l e g a r d e n n 63 机器人，如图1 4 所示。它也是一个遥操作机器人，它允许w e b 用 户观看到一个实时的模拟小型花园，并且用户可以通过一个机械手与其进行交互 管理，用户还可以进行种植、浇灌等活动。 图1 4t e l e g a r d e n 机器人 同样地，在2 0 0 2 年美国的加利福尼亚大学研究的远程医疗机器人也采用了虚 拟现实技术，远程操作的医生可以在手术的过程中清楚的看到实时的手术现场并 及时发送命令。 图1 5 , e l 球车进行沙漠实验 总结来说，虚拟现实技术在机器人遥操作中的应用主要体现在3 个方面：为 远程操作机器人提供友好和及时的操作界面的遥现技术；工作环境的三维实时建 模；建立具有真实感的仿真系统。 1 4 论文的主要工作和结构安排 本论文来源于国家科技支撑计划项目“输电线路新型融冰、除冰技术及装备 研究”，目的是研制出具有自主知识产权的输电线路在线除冰机器人，使其能够 满足冰雪灾害气象条件下的电力线在线除冰的要求，保障电力线的安全稳定运行。 主要的研究任务包括：架空线路、绝缘子除冰机器人本体研制、机器人在线除冰 装置、机器人自主行为控制与导航、越障方法、机器人远程通信、监测与遥操作、 机器人动力供给与能量优化管理。 本文着重研究了基于虚拟现实技术的输电线路除冰机器人的遥操作系统方案 设计，并对系统中的关键技术进行了研究。以湖南大学自行研制的在线除冰机器 人总体设计为背景，阐述机器人遥操作系统的方案设计，系统结构及关键技术的 研究和试验结果。针对该机器人本体，建立了机器人的遥操作实验平台，在该平 台基础上，实现了无线网络通讯，同时成功的将虚拟现实技术应用到机器人的遥 操作系统中，设计了友好的人机操作界面和方便的人机交互接口，建立了机器人 的具有临场感的遥操作系统。最后针对系统中的关键技术进行了深入的理论研究 6 硕上学位论文 和实验验证。 本文主要分5 个部分，其结构安排如下： 第一章绪论。介绍输电线路除冰机器人的研究背景及现状；研究虚拟现实技 术在机器人遥操作系统中的应用。 第二章除冰机器人系统。首先简述了机器人的总体结构及工作原理，然后分 别从硬件和软件方面对机器人做了详细的介绍。 第三章除冰机器人遥操作系统。对除冰机器人的遥操作系统进行了设计，并 详细介绍了各模块的功能及实现。 第四章机器人的虚拟建模与三维交互。建模与仿真技术是虚拟现实技术的核 心。在本章，分析了机器人的运动学与动力学模型，借助3 d sm a x 和o p e n g l 建模软件，建立了机器人及其工作环境的虚拟模型，让用户在控制室就能观察到 机器人的工作环境信息和工作状态，并且通过用户的输入可以可以实现与系统的 友好交互。 第五章遥操作系统的无线通信系统研究。对系统的数据通讯技术进行了研 究。针对遥操作系统中的无线遥控系统及视频传输系统，对其通信的方案及数据 结构进行了研究。 7 图2 1 实验室研制的除冰机器人本体 2 2 机器人三臂结构设计 整台机 个除冰 、一个 分别安 有接触 装有摄 2 2 1 前臂和后臂 机器人的前臂与后臂虽然安装形式不同，但是零部件结构完全一致，相对中 臂对称安装。前臂与后臂均安装有除冰装置( 包括切削除冰机构与敲击除冰机构) 、 行走机构、刹车装置、伸缩机构、竖直面转动关节与水平面转动关节。 ( 1 ) 除冰结构。机器人的除冰原理如图2 2 所示，除冰运动主要包括两个运动： 上半部分冰的切削运动和下半部分冰的敲击运动。切削运动由薄饼电机驱动组合 切削刀实现，敲击除冰运动由电机带动敲击棒旋转实现。 8 硕上学位论文 传动齿轮切削刀驱动轮 图2 2 除冰原理 ( 2 ) 行走机构。行走机构主要包括驱动电机与行走轮，驱动电机采用m a x o n 电机，具有编码器、制动器，可以在需要的时候停止。行走轮采用聚酯复合材料 增加与线路的摩擦力。当一个手臂( 比如前手臂) 进行除冰工作时，该手臂行走 机构对机器人的驱动作用很小，而是主要靠后两个手臂行走机构推动机器人前进， 实现前臂进给除冰运动。 ( 3 ) 刹车装置和伸缩机构。刹车装置主要由刹车片、连接部件、直线步进电机、 电机固定部件组成，刹车片选用橡胶，具有一定的柔性。直线步进电机是驱动部 件，选用海顿直线电机，型号为5 7 h 4 a 3 2 5 0 7 8 ，其主要性能参数如表4 1 ，具 有功耗小( 13 w ) 、重量小( 仅为o 5 1 1k g ) 、推力大( 3 0 k g 推力) ，体积小( 截面 尺寸5 6 4 m m x5 6 4 m m ，主体长为4 5 m m ，外形如图4 7 所示) 、精度高( 步长为 0 0 0 7 9 3 7 5 m m ) 的优点，而且输出轴是纯粹的直线运动，没有旋转运动，非常适 合刹车运动。 表2 1 选用的直线电机性能参数 步距角步长参考推力绕组类型工作电压每相电流每相电阻每相电感 1 8 。0 0 0 7 9 3 7 3 0 k ga t3 0 0 p p s双极性 3 2 5 v2 0 a1 6 3q5 8 m h 5 m m 功耗 温升绝缘电阻 转子惯量 重量工作温度 储存条件 其他 1 3 w7 5 2 0 mq16 6 9 e m5 11g- 4 0 一4 0 “+ 1 0 0 + 5 5 除冰机器人的伸缩机构主要由大伸缩杆、小伸缩杆与手臂架等三部分组成。 伸缩杆具有自锁功能，在手臂架上安装了大伸缩杆和小伸缩杆，其中，小伸缩杆 的活动部件与除冰装置、刹车装置的敲击运动机构连接；大伸缩杆的活动部件与 其切削运动机构连接，伸长距离约为2 0 0 m m 。 ( 4 ) 转动关节。借助水平和垂直转动关节，机器人的机械臂可以实现在越障或 9 输屯线路除冰机器人虚拟现实遥操作系统研究 动作时在水平面或者垂直面上的姿态的偏转。同时，这些关节均有带编码 a x o n 电机经蜗杆蜗轮机构传动后驱动，由于蜗杆蜗轮机构具有自锁作用， 手臂停在所需要的姿态，使机器人能够保持在某一个姿态。 中臂结构设计 器人的中臂安装有行走机构、刹车装置、伸缩机构、竖直面转动关节与水 动关节，如图2 3 所示。行走机构只是增加了一个被动行走轮，这样在越 中间手臂作用距离大，对重心的调整有很好的作用。除行走机构外，其它 结构与前臂、后臂的结构完全一样。 2 3 控制箱 酽移 锯 鳍， 毽： 貉 图2 3 中臂结构组成 样 鞭 才p f 关节 竖直 关节 安装在机器人底部的控制箱主要包括重心调整机构和电源控制箱，如图2 4 所示。重心调整机构主要由一个丝杠、两个导向杆组成，将控制箱向前或后运动， 实现机器人前后重心的调节，保证机器人越障时的安全和稳定性。电源控制箱用 于承装和管理机器人的供电系统。 图2 4 控制箱 1 0 重心调 整机构 控制箱 ( 电源) 硕十学位论文 2 4 除冰机器人工作过程 我们研究的除冰机器人是工作在野外高压输电线上，输电线上安装了防震锤、 绝缘子、悬垂线夹、耐张线夹等杆塔支撑附件n8 l 。除冰机器人需要越过这些障碍 在人的协助下半自主的完成除冰工作。如图2 5 为除冰机器人的工作方式和输电 线上的障碍物分布的概念模型。 图2 5 除冰机器人挂线工作及输电线的概念模型 机器人工作过程具体描述如下： ( 1 ) 上线前的准备工作，先将三臂中的小伸缩臂向下伸出，带动下切冰刀轮和 刹车装置下移，其行程控制在1 0 0 m m 左右。小伸缩臂的最大行程为2 0 0 m m ( 在小 伸缩臂的底部和项部装有限位开关，也可以通过驱动电机所带的编码器测量伸出 长度) 。中间手臂外摆4 5 度，手臂调整好后，调整控制箱处于中间位置。 ( 2 ) 机器人上线工作，通过人工方式将机器人挂上线路，然后调整小伸缩臂收 缩夹紧线路。中臂回摆到初始位置，调整控制箱处于中间位置。检查电源和各关 节是否处于初始位置。 ( 3 ) 机器人行走：启动电源开关，按下自动开关按钮，机器人刹车装置下移( 程 序控制刹车电机转动，刹车块下移直到碰到底部限位开关停止) ，然后机器人三个 手臂上的驱动电机同时启动( 其启动电流最大不超过8 a ) ，机器人沿线路行走。 摄像头开关打开，扫描线路周围，并通过图像处理判断前方是否有障碍或者线路 覆冰状况( 此时除冰装置不工作) 。 ( 4 ) 除冰工作：当遇到线路覆冰时，机器人自动启动除冰电机及装置，完成除 冰工作。除冰装置分为上、下两部分，上部对线路上覆冰进行旋转切除，下部进 行敲击除冰。 ( 5 ) 越障工作：当机器人检测到线路前方有障碍时，通过图像处理判断障碍种 类，同时通过超声波测距传感器、红外传感器测距障碍物的距离，当距离小于 2 0 0 m m 时，机器人减速运动，碰到障碍时停止( 有接触开关控制) ；根据程序指 示，进行越障。如障碍为防震锤时，机器人伸缩臂和小伸缩臂同时打开，驱动轮 输电线路除冰机器人虚拟现实遥操作系统研究 及上除冰装置向上运动直到对射传感器检测到手臂脱线( 上升距离约l o o m m ，大 伸缩臂最大行程3 0 0 m m ，顶部与下部按有限位开关，行驶距离可通过电机编码器 测量) 下除冰装置与刹车装置一起向下运动1o o m m ( 移动距离可通过电机编码器 测量) 同时，中心调整装置调整控制箱向后运动lo o m m 。然后，机器人前手臂在 后面两个手臂的推动下直接越过防震锤，中间手臂不用做任何调整，直接越过防 震锤后，机器人停止前进。控制箱向前移动2 0 0 m m ，前面手臂大小伸缩臂收缩直 至对射传感器检测到手臂挂线为止，抱住线路，然后手臂重复前手臂动作，当手 臂打开后，机器人继续前进，越过障碍。当机器人遇到悬垂线夹时，机器人手除 打开外，还要控制水平运动关节旋转3 0 度，方能越过障碍。遇到跳线时机器人还 要通过垂直摆动关节，抓取跳线。 ( 6 ) 机器人的安全保护措施，当机器人在线路上停止时，启动刹车电机实现抱 紧线路。该装置采用螺旋装置具有加紧力矩大，并自锁等功能。 2 5 小结 本章介绍了除冰机器人的硬件结构设计。针对除冰机器人的工作需求，给出 了三臂机械结构，设计了机器人本体，然后对三臂的机械设计进行了详细的介绍。 最后介绍了除冰机器人在三臂结构下的工作过程。 1 2 硕上学位论文 第3 章除冰机器人遥操作系统方案设计 除冰机器人结构复杂，且是悬挂在野外高压线上进行越障和除冰等工作，本 身的自主能力难以满足控制的要求，遥操作正是为了解决这一问题提出来的。所 谓机器人的遥操作，是指在人的参与下，机器人在人难以接近或对人体有害的环 境中完成操作的一种远距离控制系统。在高压线除冰机器人中，本文设计了一种 基于局域网的遥操作系统，通过该系统，可以远离除冰现场实时监视和控制除冰 机器人完成在高压线上的一系列动作，达到一种亲临现场的感觉。 3 1 虚拟现实遥操作技术 当前，机器人遥操作技术的研究已经成为一个重要的机器人研究课题。由于 遥操作任务的复杂性和作业环境的不确定性，以及当前计算机技术和控制技术等 的限制，目前尚难实现完全的机器人自主控制，还需要操作者根据远方的作业情 况对远方机器人进行运动控制和路径规划。自从第一台遥控机械手诞生那时起， 机器人的远程作业系统因为它的广泛的应用前景受到了世界各国的普遍关注。然 而，目前对遥操作技术的研究，大部分的研究都集中在远方机器人系统控制和传 感系统、主从系统的控制及其他相关应用的问题上，比较少得关心在遥操作过程 中上位机的虚拟环境的影响和人机交互合作的问题n9 | 。随着现代计算机和网络技 术的发展，计算机图形学、虚拟现实等技术为机器人学的研究、尤其是对在恶劣 环境中工作的遥操作机器人提高遥操作系统的性能提供了新的思想和思路。近年 来，虚拟现实技术与机器人技术的有机结合越来越成为机器人研究关注的焦点。 虚拟现实( v r ) 是一种可以创建和体验虚拟世界的多传感器融合与多媒体集 成的计算机系统心p 22 l 。人们可以利用该系统生成虚拟环境，借助各种现代输入、 输出设备( 如数据手套、数据头盔等) 使操作人员“投入”到该环境中，实现操 作人员与虚拟环境的自然交互。这里所谓的虚拟环境是指运用现代图形学、运动 控制学以及计算机学生成的具有真实感、临场感、可交互的立体图形，它可以直 观体现特定的现实世界，也可以是对世界的虚拟构想。概括地说，v r 具有四大 主要特征，即交互性、多感知、存在性、 机器人领域的应用主要体现在以下方面： 和自主性。目前，虚拟现实技术在遥控 1 、用于遥控水下机器人领域，在深海代 替潜水员进行维修和探险工作。2 、用于空间站遥控机器人，在危险的宇宙代替宇 航员进行舱外作业。3 、用于地面遥控维修机器人维修领域，如在危险核电站替代 维修员工做维修工作。 基于虚拟现实技术的遥操作系统的主要思想就是通过操作现场虚拟的机器人 输电线路除冰机器人虚拟现实遥操作系统研究 来实现对远方机器人的控制他引。在本文