双臂结构架空巡线机器人研究与设计

论文摘要

本文针对500kV超高压输电线路巡检作业,提出采用仿人臂轮式爬行机构的巡线机器人作业方案。根据该方案,进行了巡线机器人结构设计和运动学分析,利用三维造型软件Solidworks建立了该机器人的简化模型,利用机械系统动力学仿真软件Recurdyn对巡线机器人进行了直线行走及铅垂面抬升和水平面旋转的机构运动仿真,模拟机器人的实际运动状态,通过模拟和分析,寻求巡线机器人的合理结构,验证了结构设计与动作规划的合理性,得到高压输电线路巡线机器人的合理设计方案。在本文中：1、简要阐述巡线机器人技术及其国内外发展现状和趋势。总结出500kV高压地线输电线路的障碍环境,提出巡线机器人的机构设计方案。2、从机器人学的角度建立起机器人的连杆坐标系,建立该机器人的运动学方程,并求出其运动学的逆解和雅可比矩阵。利用Matlab软件进行机器人的运动学仿真。为以后机器人末端执行器的位置和速度分析提供理论基础。3、简要介绍计算多刚体动力学的方法,利用拉格朗日方法计算机器人铅垂面抬升过程的动力学方程。4、利用Solidworks软件,建立巡线机器人三维简化模型,并将其导入至Recurdyn软件中,基于Recurdyn软件建立运动仿真模型,对巡线机器人进行运动仿真,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,并指出其运动过程中的缺点和不足,为机器人的后续研究打下了坚实的基础。5、提出并联柔索机器人关节驱动方式,解决仿人手臂个别关节对驱动转矩要求过大的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究历程及现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 巡线机器人障碍环境研究及其结构设计
• 2.1 巡线机器人障碍环境研究
• 2.1.1 杆塔
• 2.1.2 防震锤
• 2.1.3 悬垂金具
• 2.1.4 压接管
• 2.2 巡线机器人结构设计
• 2.2.1 机器人设计方案要求
• 2.2.2 仿人手臂
• 2.2.3 驱动装置
• 2.2.4 夹持装置
• 2.3 巡线机器人越障过程
• 2.4 本章小结
• 第3章 巡线机器人运动学分析与研究
• 3.1 机器人运动学基础理论
• 3.1.1 位姿描述
• 3.1.2 直角坐标变换
• 3.1.3 齐次坐标变换
• 3.1.4 机器人运动学方程的D-H表示法
• 3.2 巡线机器人的运动学分析
• 3.2.1 正向运动学
• 3.2.2 巡线机器人运动学方程的逆解
• 3.3 铅垂面抬升过程后正向运动学分析
• 3.3.1 铅垂面连杆坐标及参数
• 3.3.2 连杆变换矩阵的推导
• 3.4 巡线机器人的雅可比矩阵研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 巡线机器人的多刚体动力学分析
• 4.1 巡线机器人多刚体系统动力学研究意义及常用方法
• 4.2 建立巡线机器人动力学方程
• 4.2.1 速度的计算
• 4.2.2 动能的计算
• 4.2.3 势能的计算
• 4.2.4 动力学方程的推导
• 4.3 巡线机器人的铅锤面抬升过程动力学方程的推导
• 4.3.1 伪惯量矩阵的推导
• 4.3.2 求连杆变换矩阵的偏导
• 4.3.3 惯量项系数的确定
• 4.4 驱动关节动力学模型的研究
• 4.4.1 串联驱动关节动力学模型
• 4.4.2 串并联混合驱动关节动力学模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 巡线机器人运动学及动力学仿真
• 5.1 巡线机器人运动学仿真
• 5.1.1 计算机Matlab仿真及robot工具箱简介
• 5.1.2 建立巡线机器人模型
• 5.2 应用软件平台—Solidworks
• 5.3 应用软件平台—Recurdyn
• 5.3.1 Recurdyn软件简介及环境设定
• 5.3.2 直线行进状态仿真
• 5.3.3 抬升旋转状态仿真
• 5.4 并联柔索混合驱动方式的仿真分析
• 5.4.1 串联驱动方式的matlab仿真
• 5.3.2 串并联混合驱动方式的mat lab仿真
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 后续工作与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文