機(jī)械畢業(yè)設(shè)計（論文）-巡線機(jī)器人的設(shè)計【全套圖紙】

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1、 目目 錄錄 第一章第一章 緒論緒論1 1.1 研究背景及意義1 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 1.2.1 架空線路巡線機(jī)器人研究概況.2 1.2.2 機(jī)器人仿真簡介.6 1.3 本文主要內(nèi)容7 第二章第二章 巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與三維建模8 2.1 線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計8 2.11 方案要求8 2.12 總體結(jié)構(gòu).10 2.13 柔性臂.10 2.14 驅(qū)動裝置.13 2.15 剎車制動裝置.14 2.16 手掌開合裝置.14 2.2 器人的建模.15 第三章第三章 巡線機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動學(xué)分析18 3.1 引言18 3.2 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論18 3.2.1 剛體位姿的表示

2、與齊次變換18 26 3.2.2 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程的 D-H 表示法20 3.3 巡線機(jī)器人四自由度機(jī)械手運(yùn)動學(xué)分析22 3.3.1 機(jī)械手的正運(yùn)動學(xué)分析.22 3.3.2 機(jī)械手的逆運(yùn)動學(xué)分析.24 3.3.3 機(jī)械手關(guān)節(jié)速度和雅可比矩陣.27 3.4 本章小結(jié).29 第四章第四章 總結(jié)與展望30 4.1 本文總結(jié)30 4.2 后續(xù)工作與展望30 致謝致謝31 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).32 第一章第一章 緒緒 論論 1.1 研究背景及意義研究背景及意義 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 電力系統(tǒng)最重要的任務(wù)是提供高質(zhì)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

3、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 力線及桿塔附件長期暴露在野外，會受到持續(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，如不及時修復(fù)更換，原來微小的破 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)重的社會影響。所以，必須對輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查，隨時 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，對輸電線 路的巡檢主要采用兩種方法，即地面人工目測法和直升飛機(jī)航測法。前者的巡 檢精

4、度低，勞動強(qiáng)度大，且存在巡檢盲區(qū)。部分地區(qū)大雪封山時，車輛和行人 無法進(jìn)入(如圖 1.1 所示)；在深山還有野獸出沒，這給巡視人員帶來了很大的安 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，則每 100 公里 1 年巡視費(fèi)用同塔雙回線需 217.92 萬元 （單回線 136 萬元） 。如果用直升機(jī)在整個東北電網(wǎng)覆蓋地區(qū)巡視則需超過 5000 萬元。費(fèi)用過于昂貴，直接限制了直升機(jī)巡視的廣泛推廣。 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) 域的一個研究熱點(diǎn)。巡線機(jī)器人不僅可以減輕工人巡線的勞動強(qiáng)度，降低高壓 輸電的運(yùn)行

5、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，對于 增強(qiáng)電力生產(chǎn)自動化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都具有重要意 義。 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，通過自動控制 方式完成輸電線路巡檢作業(yè)，及對線路的機(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。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)滾動爬行，跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防振錘、耐張線夾等結(jié)構(gòu)型 障礙物。 因此，機(jī)器人的本體設(shè)計是整機(jī)設(shè)計中一個相當(dāng)重要的部分，需經(jīng)過多次 反復(fù)才能完成；在進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時

6、，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)計的周期長、設(shè)計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。在競爭的市場條件下，基于物理樣機(jī)的設(shè)計驗(yàn)證過程 嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高、成本的降低及市場推廣應(yīng)用。 然而，利用仿真技術(shù)可以方便地建立機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型。在設(shè)計之初， 就可以實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的運(yùn)動分析、動力分析、載荷及應(yīng)力分析等，可大大提 高機(jī)器人本體設(shè)計的質(zhì)量和效率。而且，仿真軟件的應(yīng)用可以使設(shè)計更為優(yōu)化， 即在計算機(jī)上修改設(shè)計缺陷，仿真試驗(yàn)不同的設(shè)計方案，對整個系統(tǒng)進(jìn)行不斷 改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)

7、計方案。同時，通過計算機(jī)仿真可以代替己有的物理 1 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)場實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險。利用仿真數(shù)據(jù) 對模型進(jìn)行修改，綜合仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對所設(shè)計的虛擬樣機(jī)性能做出準(zhǔn)確 的評價及提出建議。 本文將仿真技術(shù)引入到巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)分析中，為研究巡線機(jī)器 人作業(yè)性能及運(yùn)動學(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，可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行修正，從而為 機(jī)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化、路徑規(guī)劃等做出鋪墊。 1.2 架空線路巡線機(jī)器人與機(jī)器人仿真文獻(xiàn)綜述架空線路巡線機(jī)器人與機(jī)器人仿真文獻(xiàn)綜述 1.2.1 架空線路巡線機(jī)器人研究概況架空線路巡線機(jī)器人研

8、究概況 國外巡線機(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì) 80 年代末，日本、加拿大、美國等發(fā) 達(dá)國家先后開展了巡線機(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)巡線移動機(jī)器人，如圖 1.3 所示。該機(jī)器 2 人利用一對驅(qū)動輪和一對夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上防振錘、螺旋減震 器等障礙物。遇到桿塔時，機(jī)器人采用仿人攀援機(jī)理，先展開攜帶的弧形手臂， 手臂兩端勾住線塔兩側(cè)的地線，構(gòu)成一個導(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)動控制有粗略和精確定位兩種模式，粗略控制是把線

9、塔 和地線的資料數(shù)據(jù)(線塔的高度、位置、電線長度、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單元采用渦流分析方法探測光 纖復(fù)合架空地線的損傷情況，并把探測數(shù)據(jù)記錄到磁帶上。但因其質(zhì)量過大， 達(dá)到 100kg，而不能推廣應(yīng)用。 加拿大魁北克水電研究院的 Serge Montambault 等人在 2000 年開始了 HQLineROVer 遙控小車(見圖 1.4)的研制工作，遙控小車起初用于線路巡檢、 4, 3 維護(hù)等多用途移動平臺。第三代原型機(jī)構(gòu)緊湊，僅重 25kg，驅(qū)動力大，抗電磁 干擾能力強(qiáng)，能

10、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)，安裝不同的工作頭即可完成架空線視覺和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評估、 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)場測試，但是 HQ LineROVer 沒有越障能力，只 能在兩線塔間的電力線上工作。 美國 TRC 公司 1999 年研制了一臺懸臂巡線機(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 檢查任務(wù)，對探測到的線路故障數(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，利用手臂采用仿人攀援的方法從側(cè)面越過

11、桿塔。其缺點(diǎn)是無法攀爬 30 度以上的斜坡而不能廣泛應(yīng)用。 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 6 機(jī)器人。文獻(xiàn)給出了一種新型移動機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由雙臂、四套執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手 7 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 8 種能夠沿架空地線行走并且跨越防振錘、桿塔、線夾等障礙物的移動機(jī)器人。 但上述機(jī)器人都具有 18 個以上的自由度，導(dǎo)致功耗過高而不能應(yīng)用到實(shí)際工作 中。 9 圖 1.6 是中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制出的具有自主知識產(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展了現(xiàn) 場帶電巡

12、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，但沒有越障能力。 綜合國內(nèi)外對于巡線機(jī)器人的研究情況，當(dāng)代巡線機(jī)器人的研究主要集中 于以下幾個方面： 11,10 (1)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，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)器人在各個領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富 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)器人由于其控制簡單、 運(yùn)動穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。 12 (2)運(yùn)動控制技術(shù) 穩(wěn)健的運(yùn)動控制技術(shù)是移動機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動機(jī)器人本身 是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅(qū)

13、動的零漂移的動力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng) 不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控 制以及混合策略，根據(jù)動力學(xué)模型和運(yùn)動學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí) 現(xiàn)車速和轉(zhuǎn)向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術(shù)的 核心內(nèi)容。 (3)路徑規(guī)劃技術(shù) 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)。由于自主式移動機(jī)器人在地面上行駛，必須避開它無法通過的 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)劃問題，顯得更為重要。 (4)實(shí)時視覺技術(shù) 該技術(shù)主要涉及到視覺信息的實(shí)時采集、預(yù)處理、特征提取和模式

14、識別。 而且，視覺信息處理的能力、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。 (5)定位和導(dǎo)航技術(shù) 該技術(shù)是現(xiàn)代輪式移動機(jī)器人研制所急需的關(guān)鍵技術(shù)，也是下一代無人戰(zhàn) 車的技術(shù)基礎(chǔ)。位置的測量可以分為相對位置測量和絕對位置測量，測量方法 有里程計、慣性導(dǎo)航、主動燈塔、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。 (6)多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù) 自主式移動機(jī)器人采用測距技術(shù)，GPS 定位技術(shù)和小型陀螺儀技術(shù)等多種 傳感技術(shù)來采集不同類型的環(huán)境信息。因此，準(zhǔn)確地處理和分析不同傳感器采 集到的信息，用于對所處環(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

15、傳感集成和數(shù)據(jù)融合研究的任務(wù)。 (7)檢測技術(shù) 一種是可見光檢測方法，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，故障點(diǎn)附近會出現(xiàn)局部溫升，產(chǎn)生熱輻射。這些故障難以通過視覺 檢查發(fā)現(xiàn)，我們可以采用紅外探測技術(shù)加以彌補(bǔ)。具體來說，就是熱成像技術(shù)， 這是一種廣泛用于輸變電系統(tǒng)的故障探測技術(shù)，可以攝取表面溫度超過周圍環(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，人工或自動判讀可

16、能的 故障器件。 (8)高性能計算技術(shù) 在移動機(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)時市場上的通用硬件不能滿足諸如實(shí)時圖像處理所需的計算能力。近 年來，隨著計算機(jī)計算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構(gòu)建 機(jī)器人系統(tǒng)。目前用于移動機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個高速通用處理器加 上幾個專用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)計算)，或者通 過實(shí)驗(yàn)確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來縮小體積，達(dá)到優(yōu)化的性 能。 (9)無線通信與因特網(wǎng)技術(shù) 這兩項技術(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。 1.2.2 機(jī)器人仿真簡介機(jī)器人

17、仿真簡介 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)知識為基礎(chǔ)， 以計算機(jī)和各種專用物理設(shè)備為工具，采用系統(tǒng)模型對真實(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)方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實(shí)過程或 者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識和 改造實(shí)際系統(tǒng)的目的。計算機(jī)仿真是在研究系統(tǒng)過程中根據(jù)相似原理，利用 15 計算機(jī)來逼真模擬研究對象。研究對象可以是實(shí)際的系統(tǒng)，也可以是設(shè)想中的 系統(tǒng)，是將研究對象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述、建模編程，且在計算機(jī)中允許實(shí)現(xiàn)。它不 怕破壞、易修改、可重用。計算機(jī)仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計系統(tǒng)的全過程 中，包括方案論證、技術(shù)指標(biāo)確定

18、、設(shè)計分析、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)測試、維護(hù)訓(xùn) 練、故障處理等各個階段。 機(jī)器人計算機(jī)仿真具有以下意義： 1)開發(fā)前期對設(shè)計思想論證和評優(yōu)，包括對各種方案的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)特 性進(jìn)行評估； 2)準(zhǔn)確的動力學(xué)模型為機(jī)器人控制提供參考依據(jù)； 3)最終設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)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 對其運(yùn)行狀況進(jìn)行評價； 4)有效的仿真模型還可以用來對最終產(chǎn)品性能進(jìn)行跟蹤、故障預(yù)測、診斷 等。 仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人，國外在 70 年代就開始了這一方面的研究工作。 P.N.sheth 和 J.J.Unicker 于 1972 年開發(fā)了機(jī)構(gòu)計算機(jī)輔助設(shè)計和分析系統(tǒng) IMP 用來分析閉環(huán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)、靜力

19、學(xué)、時間滯后及振動分析。隨后誕生了 ADAMS(Automatic DynamicAnalysis of Mechanical System)。兩者的功能擴(kuò)展到 對一般機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真。1978 年，西德 Warcoke 等人開發(fā)了機(jī)器人圖形仿真 程序包 IPA，該軟件包含一個 200 種機(jī)器人的數(shù)據(jù)庫。法國 Licgois 等人聯(lián) 17,16 合開發(fā)了一個包括機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計和動態(tài)分析的機(jī)器人 CAD 系統(tǒng)。美國 DAUGLAS 公司推出了 McAuto 軟件包，用于機(jī)器人工作站的設(shè)計與動態(tài)仿真。 John.J.MurrayCharles,PNuman 等人研制的 ARM 軟件包可自動生成機(jī)器

20、人操作 手末端相對于基座的位置矩陣和完整的拉格朗日動力學(xué)模型。 18 國內(nèi)機(jī)器人仿真的研究總體上來說起步較晚，基礎(chǔ)薄弱。國內(nèi)從 80 年代 后期，才開始從事機(jī)器人仿真技術(shù)的研究。清華大學(xué)、浙江大學(xué)、沈陽自動化 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 語言開發(fā) ROBGSS.ROLOPS 系統(tǒng)，逐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 個腕關(guān)節(jié)構(gòu)成的、且每個關(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，對通用程序進(jìn)行了簡化， 開發(fā)出工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)分析專用程序。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)周一鳴教授主持開發(fā) 19 了廣義機(jī)

21、構(gòu)計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng) GMCADS(Generalized Mechanisms Computer Aided Design System)，該系統(tǒng)用迭代方法計算機(jī)械系統(tǒng)的自由度，在靜力學(xué)分 析中用勢能極小原理求解系統(tǒng)的靜平衡位置，在動力學(xué)分析中采用了哈密爾 (Hamilton)正則方程。但是，國內(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。 20 1.3 本文主要內(nèi)容本文主要內(nèi)容 1、簡要闡述了巡線機(jī)器人技術(shù)及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。提出了本課 題巡線機(jī)器人的設(shè)計方案。 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)。 3、從

22、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。 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)動學(xué)仿真模型，對巡線機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動仿真，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)研究打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。 第二章第二章 巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與三維模型的建立巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與三維模型的建立 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)計軟件 CATIA 來建立機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型，基于 CATIA 軟件對機(jī)

23、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。 2.1 巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1.1 方案要求方案要求 要求研制一臺針對 500kv 電壓等級高壓架空輸電線路(其中：避雷線規(guī)格 為 LGJ500/45、懸垂線夾規(guī)格為 CGF-6X、防振錘規(guī)格為 FD-6)，具有自主越 22 障能力和爬坡能力的巡線機(jī)器人。機(jī)器人在分布式計算機(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，并能跨越防振錘、耐張線夾、懸垂線夾、 跳線等障礙，具有自動剎車自保功能，以避免從高空摔落。其巡線作業(yè)環(huán)境如 圖 2.1。 所以，本文中巡線機(jī)器人的工作原理和過程為： 1)機(jī)器人上線； 2)機(jī)器人本

24、體計算機(jī)在接收到運(yùn)行命令后，驅(qū)動機(jī)器人沿避雷線行走； 3)巡線機(jī)器人通過滾輪完成沿避雷線無障礙段的行進(jìn)。行進(jìn)過程中檢測裝 置不斷檢測前方障礙物的情況，同時攝像機(jī)對線路和機(jī)器人本身的工作狀態(tài)進(jìn) 行拍攝，拍到的圖像通過無線設(shè)備實(shí)時傳輸?shù)降孛婀ぷ骰荆瑳Q定是否對線路 進(jìn)行維護(hù)；同時對機(jī)器人本身的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，決定是否對機(jī)器人的運(yùn)動 給予干預(yù)； 4)機(jī)器人檢測到前方有防振錘時，由于手掌采用中空設(shè)計，因此機(jī)器人無 需做任何調(diào)整，即可直接爬越； 5)當(dāng)安裝在機(jī)械手前端的接近覺傳感器檢測到懸垂線夾時，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)動輪離開避雷線，然后手掌電機(jī)驅(qū) 動手掌張開；其開合度

25、要大于障礙寬度；之后，后面兩只手驅(qū)動電機(jī)繼續(xù)行走， 當(dāng)中間手接近懸垂線夾時，前臂回落，同時手掌合攏，直至掛線；然后中間手 電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條機(jī)構(gòu)使中間手上移，然后手掌張開，接通前后兩手的驅(qū)動電 機(jī)，繼續(xù)行走。當(dāng)后手接近懸垂線夾時，控制中間手回落，手掌合攏，直至驅(qū) 動輪掛線；之后，后肘關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動后小臂選轉(zhuǎn)，手掌張開，前兩驅(qū)動輪繼續(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)； 6)當(dāng)機(jī)器人跨越跳線時，手的脫線和抱線方法與跨越懸垂線夾時相同；首 先前手脫線，通過前端視覺傳感器，可檢測到避雷線與跳線角度，這時大臂電 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

26、住跳線，然后中間手脫 線，啟動前后手的驅(qū)動電機(jī)使機(jī)器人行走。中間手接近跳線時停止行走，調(diào)整 前后柔性臂，使中間手抓住跳線，啟動行走。當(dāng)后手接近跳線時，停止行走， 后手脫線；用前手和中間手驅(qū)動機(jī)器人繼續(xù)行走，越過跳線線夾后，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程相同，由于是一個上坡過程，為了使機(jī)器人不至于滑 下來，需使用剎車裝置； 7)檢測到轉(zhuǎn)彎跳線時，運(yùn)動過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，還需要水平調(diào)整，其余完全相同； 8)當(dāng)線路坡度較大、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)時，直接表現(xiàn)為 驅(qū)動輪打滑，此時

27、機(jī)器人三個制動器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動爬行 機(jī)構(gòu)，進(jìn)行蠕動行進(jìn)。 本課題對巡線機(jī)器人的主要技術(shù)指標(biāo)和要求是： 1)具有自主越障能力； 2)具有一定爬坡能力； 3)單機(jī)重量：小于 100 千克； 2.1.2 總體結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu) 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 具有一定坡度。為了達(dá)到上述要求，巡線機(jī)器人的機(jī)械手必須動作靈活，工作 范圍大，能完成規(guī)定的動作，應(yīng)有自由度 4-5 個，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)計出了適用于 500kv 輸電線路的自動巡線機(jī)器人， 其總體機(jī)構(gòu)二維簡圖如圖 2.2 所示，三維圖如圖 2.3 所示。主要

28、由五大部分組成： 驅(qū)動裝置、剎車制動裝置、手掌開合裝置、柔性臂、電源箱和控制箱。 2.1.3 柔性臂柔性臂 機(jī)械手的手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器， 并使它們能在空間運(yùn)動。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。手臂的結(jié)構(gòu)形 式有多種，常用的構(gòu)形如圖 2.4 所示. 23 本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置，同時要結(jié)構(gòu)簡單，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 的相對空間(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)和絕對工 作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)

29、節(jié)型機(jī)器人的動作和軌跡更靈活，因此該機(jī)器人采 用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 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。 B 表示彎曲結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動構(gòu)件的軸線在工作過程中相 互間角度有變化。R 表示轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動構(gòu)件的軸線在 工作過程中相互間角度不變。BBR 結(jié)構(gòu)由于采用了兩個彎曲結(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。 由于機(jī)械手的運(yùn)動軌跡要求機(jī)械手端面平行于避雷線，這樣用兩個旋轉(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)更加簡單，減輕了重量。綜合 考慮后確定

30、該機(jī)械手具有四個自由度，其中手臂兩個自由度確定機(jī)械手的位置， 后兩個自由度確定手的姿態(tài)，最后確定其結(jié)構(gòu)形式如圖 2.6 所示。 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)通過精密渦 輪蝸桿減速器帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)手臂水平方向和豎直方向的自如運(yùn)動。通過 控制電機(jī)的制動裝置，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、跳線時位置和姿態(tài)的要求。通過工作情況的需要，定出該巡線機(jī)器 人的機(jī)械手運(yùn)動參數(shù)如下： 大臂長：250mm 手腕長：7

31、2mm 小臂長：400mm 末端執(zhí)行器長：344mm 各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動范圍： 關(guān)節(jié) 1：90 關(guān)節(jié) 2：90 關(guān)節(jié) 3：90 關(guān)節(jié) 4：90 2.1.4 驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置 機(jī)器人驅(qū)動裝置是帶動各個關(guān)節(jié)到達(dá)指定位置的動力源。通常動力是直接 或經(jīng)電纜、齒輪箱或其他方法送至各個關(guān)節(jié)。目前使用的主要有三種驅(qū)動方式： 液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動。液壓驅(qū)動以高壓油作為工作介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn) 直線運(yùn)動或者是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以是閉環(huán)或者是開環(huán)的。液壓驅(qū)動的優(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，儲油罐，體積龐大。氣動 驅(qū)動的工作

32、介質(zhì)是高壓空氣，氣動控制閥簡單、便宜、操作簡單、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合。故本機(jī)械手采用電機(jī)驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動方式具有結(jié) 構(gòu)簡單、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)動具 有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動屬于開環(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，額定轉(zhuǎn)速高。 24 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)采用輪式移動機(jī)構(gòu)與步進(jìn)式蠕 動爬行機(jī)構(gòu)兩種方式。當(dāng)線路坡度較小、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人

33、移動時， 機(jī)器人采用輪式移動機(jī)構(gòu)；當(dāng)線路坡度較大、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人 行進(jìn)時，直接表現(xiàn)為驅(qū)動輪打滑，此時機(jī)器人三個制動器立即抓線，并與絲杠 螺旋副組成蠕動爬行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行蠕動行進(jìn)。 2.1.4.1 輪式移動機(jī)構(gòu)輪式移動機(jī)構(gòu) 輪式移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置由直流電機(jī)、傘齒輪減速器、傳動軸和驅(qū)動輪組成。 驅(qū)動輪采用高強(qiáng)度輕型材料，以減輕驅(qū)動裝置重量；驅(qū)動輪外表面采用高強(qiáng)度 耐磨材料，以增大驅(qū)動輪運(yùn)動時與線路的摩擦因數(shù)，防止打滑。驅(qū)動輪支撐架 (手掌)采用中空設(shè)計，使機(jī)器人遇到防振錘等障礙時，可直接越過，大大提高 了機(jī)器人巡線速度。 2.1.4.2 步進(jìn)式蠕動爬行機(jī)構(gòu)步進(jìn)式蠕動爬行機(jī)構(gòu) 步進(jìn)式蠕動爬行

34、機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置由直流電機(jī)、傘齒輪減速器、傳動軸、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，傳動過程中所受的摩擦力是 滾動摩擦，可極大地減小摩擦力，因此傳動效率高，可以達(dá)到 90%，只需要使 用極小的驅(qū)動力就能夠傳遞運(yùn)動。 25 2.1.5 剎車制動裝置剎車制動裝置 為了保證機(jī)器人在停止?fàn)顟B(tài)、有一只手打開或出現(xiàn)故障情況下不脫線和下 滑，設(shè)計了剎車裝置。它由活動制動爪、固定制動爪、銷軸、彈簧、彈簧上底 座、彈簧下底座和彈簧導(dǎo)向軸組成。 2.1.6 手掌開合裝置手掌開合裝置 手掌開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

35、桿驅(qū)動下帶動支 架開合。其中：驅(qū)動輪固定在右側(cè)支架上，制動機(jī)構(gòu)固定在左側(cè)支架上，如圖 2.7 所示。 2.2 機(jī)器人的建模機(jī)器人的建模 動力學(xué)分析要求獲得機(jī)器人各個零部件的質(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，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)動激 勵；最后對機(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)測機(jī)械結(jié) 構(gòu)的工作性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計，得到合理動作規(guī)劃。表 2.1 列出了各個 零件的相關(guān)質(zhì)量慣性

36、參數(shù)。圖 2.8 為 CATIA 中建立的巡線機(jī)器人裝配模型，從 圖中可以確定各個零部件的裝配關(guān)系。 表 2.1 各個零部件模型的質(zhì)量慣性參數(shù) 單位：質(zhì)量-千克；度-毫米；力-牛頓；時間-秒；角度-度。 第三章第三章巡線機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動學(xué)分析巡線機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動學(xué)分析 3.1 引言引言 本章首先分析了四自由度機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)特性，建立了機(jī)械手正、逆運(yùn)動 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?；谏鲜鲞\(yùn)動學(xué)模型，為仿真分析提供了理論 基礎(chǔ)。 3.2 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論 要建立機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)模型，首先要對機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析。

37、它涉及 到四自由度機(jī)械手運(yùn)動學(xué)正逆解問題的運(yùn)動學(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。 3.2.1 剛體位姿的表示與齊次變換剛體位姿的表示與齊次變換 26 為了描述機(jī)械手本身的各個連桿之間、機(jī)械手和環(huán)境之間的運(yùn)動關(guān)系，并 且忽略了機(jī)械手連桿的彈性形變，把機(jī)械手連桿作為剛體來研究。 空間點(diǎn) p 可以用它的相對于參考坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)來表示: 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)用向量形式寫出并且加入一個比例因子 w， 則 P 點(diǎn)表示為：，其中 變量 w 可以為任意數(shù)，如果 w=1 時，各分量的大小保持不變；

38、如果 w=0,x,y 和 z 都為無窮大，表示一個長度為無窮大的向 量，方向?yàn)樵撓蛄克硎镜姆较?。因此常?w=1,P 向量表示參考坐標(biāo)系中某一 方向。 一個剛體在笛卡爾空間表示可以這樣實(shí)現(xiàn)：通過在剛體上固連一個坐標(biāo)系， 再將該固連坐標(biāo)系在空間表示出來。只要這個坐標(biāo)系可以在空間表示出來，那 么這個物體相對于固定的參考坐標(biāo)系的位姿也就已知了，如圖 3.1 所示。 如果用表示剛體上的運(yùn)動坐標(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)動坐標(biāo)系 n 軸在參考坐 標(biāo)系中的方向，表示運(yùn)動坐標(biāo)系 o 軸在參考坐標(biāo)系中的方向， 表示運(yùn)動坐標(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

39、位姿可以表示成： （3.1） 且滿足三個向量相互垂直；每個單位向量的長度必須為 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： （3.2） 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 相對于固定參考坐標(biāo)系的新坐標(biāo)系的位置可以用原來運(yùn)動坐標(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)動坐標(biāo)系的表示可以通 過坐標(biāo)系左乘變換矩陣得到。新的坐標(biāo)系位置為： （3.3） 其中是平移向量 d 相對于參考坐標(biāo)系 x,y 和 z 軸的三個分量。 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 運(yùn)動坐標(biāo)系的表示也可以通過坐標(biāo)系左乘變換

40、矩陣得到。例如 ，其中 Rot (x,)表示運(yùn)動坐標(biāo)系繞參考坐標(biāo)系的 x 軸旋 轉(zhuǎn) 的變換矩陣。這里給出運(yùn)動坐標(biāo)系繞參考坐標(biāo)系的 x 軸，y 軸和 z 軸旋轉(zhuǎn) 的變換矩陣， （3.4） 為簡化書寫，習(xí)慣用符號 C 表示,S 表示 (以下表示方法相同)。cossin 復(fù)合變換是由固定參考坐標(biāo)系或當(dāng)前運(yùn)動坐標(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。 當(dāng)剛體做相對于運(yùn)動坐標(biāo)系或當(dāng)前坐標(biāo)系的軸的變換時，需要右乘變換 矩陣，而不是左乘變換矩陣，才能得到相對于運(yùn)動坐標(biāo)系變換后的剛體的新位 姿。 3.2.2 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程的 D-H

41、 表示法表示法 Denavit-Hartenberg(D-H)模型表示了對機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的 一種非常簡單的方法，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)雜 程度如何，并且在 D-H 模型的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)，例如雅可比矩陣 的計算和力分析等。 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(線性)的或旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn) 動)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，需要給每個關(guān) 節(jié)指定一個參考坐標(biāo)系，然后，確定從一個關(guān)節(jié)到下一個關(guān)節(jié)(一個坐標(biāo)系到下 一個坐標(biāo)系)來進(jìn)行變換的步驟。如果將從基座到

42、第一關(guān)節(jié)，再從第一關(guān)節(jié)到第 二關(guān)節(jié)直至到最后一個關(guān)節(jié)的所有變換結(jié)合起來，就得到了機(jī)器人的總變換矩 陣。 圖 3.2 表示了三個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都是可以轉(zhuǎn)動或平移的。第一個關(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。 連桿構(gòu)件坐標(biāo)系的選擇及參數(shù)的規(guī)定如下： (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。如果是滑動關(guān)節(jié)，z 軸為沿直線運(yùn)動的方向，坐標(biāo)軸是沿著 i+1 關(guān)節(jié) i z 的運(yùn)動軸

43、。 (2)x 是沿著的公垂線，指向離開，軸的方向。 ii z 1i z (3) 軸的方向按構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系來建立。 i y iii zyx (4) 公垂線長度是和兩軸間的最小距離，一般稱為連桿長度。 i a 1i z i z i a （5）兩公垂線和之間的距離稱為連桿距離。 1i a i a i d （6）軸與之間的夾角為，以繞軸右旋為正，一般稱為連桿的 1i x i 1i z i 夾角。 （7）和之間的夾角，以繞軸右旋為正, 稱為扭轉(zhuǎn)角。 1i z i z i a i x i a 根據(jù)上述規(guī)則，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)說明的是，盡管

44、通過關(guān)節(jié) i+1 的軸線，但坐標(biāo)系 i z 固定在連桿 i 上，隨連桿 i 運(yùn)動而一起運(yùn)動。 iii zyx 通過以下 4 個標(biāo)準(zhǔn)步驟將坐標(biāo)系移動到坐標(biāo)系： nn zx 11 nn zx 1. 繞軸旋轉(zhuǎn)，使得和相互平行。 n z 1n n x 1n x 2.沿軸平移距離，使得和共線。 n z 1n d n x 1n x 3. 沿軸平移的距離，使得和的原點(diǎn)重合。 1n x 1n a n x 1n x 4.將軸繞軸旋轉(zhuǎn)，使得軸與軸對準(zhǔn)。這時坐標(biāo)系 n 和 n+1 n z 1n x 1n a n z 1n z 完全重合。 通過依次右乘表示四個運(yùn)動的四個矩陣就可以得到變換矩陣 A，右乘的原 因是所有的

45、變換都是相對于運(yùn)動坐標(biāo)系(當(dāng)前坐標(biāo)系)的。 （3.5） 由此機(jī)械手的基座與手之間的總變換則為： （3.6） 其中 n 為關(guān)節(jié)數(shù)。 3.3 巡線機(jī)器人四自由度機(jī)械手運(yùn)動學(xué)分析巡線機(jī)器人四自由度機(jī)械手運(yùn)動學(xué)分析 當(dāng)已知機(jī)械手所有的關(guān)節(jié)變量時，可用正運(yùn)動學(xué)來確定機(jī)器人末端執(zhí)行器 的位姿。換言之，已知機(jī)械手所有連桿長度和關(guān)節(jié)角度，那么計算機(jī)器人手的 位姿就稱為正運(yùn)動學(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)動學(xué)來計算出每一關(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)動學(xué)分析。事實(shí)上，逆運(yùn)動學(xué)方程更為重要， 機(jī)械手控制器將用這些方程來計算關(guān)節(jié)值，并以此來

46、運(yùn)行機(jī)械手到達(dá)期望的位 姿。 3.3.1 機(jī)械手的正運(yùn)動學(xué)分析機(jī)械手的正運(yùn)動學(xué)分析 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)系的簡化線圖。表 3.1 是相應(yīng)的關(guān)節(jié)和連 桿參數(shù)表。 其中，坐標(biāo)系i設(shè)置于 i 十 1 號關(guān)節(jié)上并固結(jié)在 i 連桿上，坐標(biāo)系i與連 桿 i 無相對運(yùn)動。將參數(shù)表中的參數(shù)代入式(3.6)，可以得到每兩個相鄰關(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 i A i A 座坐標(biāo)系和手端面坐標(biāo)系(或手坐標(biāo)系)之間總變換。 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

47、坐標(biāo)系和手端面坐標(biāo)系間總交換。 下面給出變換矩陣、和的計算結(jié)果： i A 就是所求的機(jī)械手運(yùn)動學(xué)正解分析。對于中，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)。 3.3.2 機(jī)械手的逆運(yùn)動學(xué)分析機(jī)械手的逆運(yùn)動學(xué)分析 的運(yùn)動方程中有很多角度的耦合，比如： 、這就使得無法 23 S 23 C 從矩陣中提取足夠的元素來求解單個的正弦和余弦項以計算角度。為使角度解 耦，可例行地用單個矩陣左乘矩陣，使得方程右邊不再包括這個角度， 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： 可以通過求，等等，來進(jìn)行角度的解耦并 求出各角度。 通過

48、圖 3.3 和變換矩陣的定義分析可以得出，如果機(jī)械手連桿的長度一 定，由基座開始的前三個旋轉(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 簡單的幾何關(guān)系推導(dǎo)運(yùn)動學(xué)逆解。 如圖 3.4 所示，對于工作空間內(nèi)的某一靈巧點(diǎn)，由幾何關(guān)系可列得方程組 (3.9)： 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 方程組(3.10)可得： 3 3 （3.12） 4.求解， 4 由 A 中元素可知： 4 即： （3.

49、14） 要全面地定義空間的剛體，需要用 6 條獨(dú)立的信息來描述剛體原點(diǎn)在參考坐標(biāo) 系中相對于三個參考坐標(biāo)軸的位置以及物體關(guān)于這三個坐標(biāo)軸的姿態(tài)。而本機(jī) 械手只有四個自由度，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。因此不能再通過式(3.7)求解。經(jīng)過分析，該機(jī)械手運(yùn)動的軌跡 4 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 zyxo oo和 中應(yīng)改變求解方式。從而可以得到： 通過上述方法就可

50、以得到機(jī)械手的關(guān)節(jié)角度值。即機(jī)械手的逆解。 3.3.3 機(jī)械手關(guān)節(jié)速度和雅可比矩陣機(jī)械手關(guān)節(jié)速度和雅可比矩陣 雅可比矩陣表示機(jī)構(gòu)部件隨時間變化的幾何關(guān)系，它可以將單個關(guān)節(jié)的微 分運(yùn)動或速度轉(zhuǎn)換為某一點(diǎn)的微分運(yùn)動或速度，也可將單個關(guān)節(jié)的運(yùn)動與整個 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動聯(lián)系起來。由于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的值是隨時間變化的，從而雅可比矩陣各 元素的大小也隨時間變化，因此雅可比矩陣是與時間相關(guān)的。 27 JD D （3.14） 在式(314)中 D 為相對于參考坐標(biāo)系的微分運(yùn)動，而則為關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的 D 微分運(yùn)動，J 為相對于參考坐標(biāo)系的雅可比矩陣。 可以將相對于最后一個坐標(biāo)系的速度方程寫為： （3.15） 其中為相對于手坐

51、標(biāo)系的微分運(yùn)動，為相對于手坐標(biāo)系6(對于 6 自由度機(jī)械手)的雅可比矩陣的逆矩陣，為機(jī)械手此時各關(guān)節(jié)的微分運(yùn)動。 D 再通過，即可求出相對于運(yùn)動坐標(biāo)系下的速度引起 的各關(guān)節(jié)的速度。 四自由度機(jī)械手對于運(yùn)動坐標(biāo)系的雅可比矩陣： ，矩陣各列求解可以簡單如下過程： 第 1 列用，第 2 列用，第 3 列用 ，第 4 列用。 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： i A 經(jīng)過簡化之后可得到各元素依次為： 第一列： 第二列： 第三列： 第四列： 由于，在求解各轉(zhuǎn)角速度時需要先求。求逆 雅可比矩陣有兩種方法，兩者都十分困難，它們不僅計算量大而且費(fèi)時。一種 方法是求出符號形式的逆雅

52、可比矩陣，然后把數(shù)值代入其中并計算出速度；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他類似方法來求該 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，無法保證計算過程的高效 和快捷性。一種替代的方法是，用逆運(yùn)動學(xué)方程來計算關(guān)節(jié)的速度。步驟如下： （1）求解， （3.16） （2）求解，設(shè)則 （3.17） （3）求解， （3.18） 由于是和矩陣的微分變化，等都可以從矩陣中得到， 則： （3.19） 把中各元素代入上述(1)-(4)步驟中各轉(zhuǎn)角速度公式中即可求出 41 dd 相應(yīng)的關(guān)節(jié)角速度。 3.4 本章小結(jié)本章小

53、結(jié) 本章在深入研究四自由度機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)問題的基礎(chǔ)上，用 D-H 法建立了 四自由度機(jī)械手運(yùn)動學(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 學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。 第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 4.1 本文總結(jié)本文總結(jié) 本文針對 110kv 電壓等級高壓架空輸電線路設(shè)計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 文主要在以下幾個方面作出了一些工作： 1、簡要闡述了巡線機(jī)器人技術(shù)及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。提出了本課題 巡線機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 2、利用 CA

54、TIA 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)。 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。 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)動仿真模型，對巡線機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動仿真，得到了仿真曲 線。驗(yàn)證了巡線機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)動規(guī)劃的合理性和正確性，為機(jī)器人的后 續(xù)研究打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。 4.2 后續(xù)工作與展望后續(xù)工作與展望 巡線機(jī)器人及其工作環(huán)境是一個相當(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。 通過本文的工作

55、，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進(jìn)一步的探索和深入： 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)間的耦合勢必對機(jī)器人的動力學(xué)特性造成極大影響，故應(yīng)當(dāng)考慮導(dǎo) 線的柔性。對巡線機(jī)器人沿導(dǎo)線的無障礙段直線行走和手臂抬升動作建立完整 的動力學(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ζ鋭恿W(xué)特性的影 響規(guī)律。 2)考慮跨越跳線時各關(guān)節(jié)聯(lián)動時機(jī)器人過障的動作規(guī)劃，提高其過障效率。 3)巡線機(jī)器人沿導(dǎo)線滾動運(yùn)行的動力學(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) 動過程中

56、各關(guān)節(jié)的摩擦力/力矩，為計算有限元的分析提供必要及真實(shí)的動載荷 輸入。 4)在確定了一些關(guān)鍵的參數(shù)取值后，可以在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，建立巡線 機(jī)器人的全參數(shù)模型，引入相關(guān)設(shè)計變量，對關(guān)鍵部分的機(jī)構(gòu)或驅(qū)動進(jìn)行設(shè)計 試驗(yàn)，獲得巡線機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計模型，為今后將巡線機(jī)器人在高壓導(dǎo)線的巡 檢工作中擁有更好，更廣泛的應(yīng)用前景做鋪墊。 致致 謝謝 本文是在導(dǎo)師于化東教授的悉心指導(dǎo)下完成的。作者在本科的四年學(xué)習(xí)生 活 的基礎(chǔ)下，同時在導(dǎo)師無微不至的指導(dǎo)和關(guān)懷中完成的。在此，謹(jǐn)向?qū)熤乱?衷 心的感謝！導(dǎo)師淵博的學(xué)識、深邃的學(xué)術(shù)思想、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勤奮求學(xué)的 科 學(xué)精神及正直的品德，使我終身受益。在本文完成之

57、際，對導(dǎo)師的細(xì)心關(guān)懷和 培 養(yǎng)表示衷心的感謝！ 特別感謝許金凱老師，抽出了大量的寶貴時間對我的畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行解說和 指 導(dǎo)。他熱情的幫助和細(xì)心指導(dǎo)使我受益匪淺，讓我學(xué)到了許多在書本上學(xué)不到 的 東西。在此向許老師表示由衷的感謝！ 同時也要感謝司禹師姐，在完成畢業(yè)設(shè)計期間對我的幫助和關(guān)懷，并多次 幫 助我查找和修正畢業(yè)設(shè)計中的缺陷。謹(jǐn)在此對司禹師姐表示衷心的感謝！ 感謝班級全體同學(xué)和所有關(guān)心、幫助過我的其他老師、同學(xué)和朋友。 最后，要感謝家人和親友。在作者求學(xué)期間，他們給予了最大的關(guān)懷、理 解 和支持，在此向他們表示深深的謝意！ 作者：尹明洋 2009 年 6 月 4 日星期 四 參參 考考 文文

58、 獻(xiàn)獻(xiàn) 1.孫靖民,王新榮.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法選講.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)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 Development of a Teleoperated.Compact Trolley forLi

59、ve-line Working.In:Proceedings of IEEE 9thInternational Conference on Transmission and Distribution Construction,Operation and Live-line Maintenance.Piscataway(NJ),IEEE,2000:2127. 4.Montambault S.The HQ lineROVer:Contributing to Innovation in Transmission Line Maintenance.In:Proceedings ofIEEE 10thI

60、nternational Conference on Transmission and Distribution Construction Operation and Live-line Maintenance,Vol 4.Piscataway(NJ),IEEE,2003:3340. 5.Robots Repair and Examine Live Lines in Sever Condition.Electrical World,1989(5):7172. 6.Desai J,Ostrowski J P,Kumar V,et al.Controlling formations of mult

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