带电作业机器人主从控制的研究

摘要

近几年来，变电站、高压架空线路和输电线上开始进行不断电检修以满足人们对不间断电力的强烈需求，然而传统的人工带电作业面临着触电、高空跌落、高磁场辐射等诸多危险。为了消除人工带电作业的局限性，提高带电作业的自动化水平，遥操作技术逐渐发展起来，然而由于目前技术发展的限制和复杂多变的环境以及没有标准的作业设备，完全实现其自主作业还不太现实，国内外带电作业机器人仍主要采用主从控制的方式来进行作业。 主从控制是指在人机交互控制系统下，位于安全场所的操作者通过控制主手来驱动远端的从手进入危险区进行作业，从手跟随主手运动的同时将其与环境的相互作用力反馈给操作者。同时位于作业平台上的全景摄像机、下位摄像机为操作者提供图像信息，从手各个轴传感器信息、双目相机解析到的目标点位姿、从手末端位姿等都上传到人机交互控制系统中反馈给操作者，实时监测作业状况。只有给操作者提供完善的人机交互控制系统，才能保障复杂精细任务的顺利进行。本文的主要研究内容为: 1、针对主从控制高精度的要求，对主手系统进行搭建，包括紧凑的结构设计、高精度的A/D转换、力反馈信号的产生等问题的处理。采用高效率的处理器使得主手位置信息与力矩信息的处理更加迅速和精准。 2、针对国内主从控制算法上的不足与带电作业机器人主从手尺寸比例不同的问题，引入了缩放比例效应，提出了适合带电作业机器人系统的主从控制策略，该算法能够消除操作者和外界环境带来的不稳定因素的影响，通过与力反射伺服型控制策略进行实验比较，验证了该算法的优越性。 3、针对主从控制局限性的问题，提出采用局部自主的方式来完善人机交互控制系统，对涉及到的逆运动学问题，提出了一种简便有效的求解算法，并通过ADAMS和MATLAB仿真软件验证了该算法的正确性。 4、针对带电作业机器人软件实现的要求，阐述了主从运动控制子系统和基于视觉伺服自主运动控制子系统的原理架构，设计了带电作业机器人运行主程序、主从运动控制子程序和基于视觉伺服自主运动子程序，保障系统能够正常的运行。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外带电作业机器人研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主从控制算法

1．4 国内外主从控制的研究现状

1．5 本文主要研究内容

第2章 带电作业机器人系统架构

2．1 带电作业机器人系统结构

2．2 主手系统的搭建

2．2．1 主手的结构设计

2．2．2 主手信息的采集与处理

2．3 从手系统的搭建

2．4 带电作业机器人人机交互系统组成

2．4．1 人机交互显示区

2．4．2 带电作业机器人视觉伺服系统

2．5 本章小结

第3章 带电作业机器人主从控制策略的研究

3．1 主从控制系统动力学模型

3．2 主从控制策略的一股形式

3．2．1 主从控制系统的二端口网络

3．2．2 完全透明的主从控制系统

3．3 Y Yokokohji提出的主从控制策略

3．4 带电作业机器人主从控制策略

3．4．1 位移比例参数和驱动力比例系数的设定

3．4．2 主从控制系统的稳定性

3．4．3 带电作业机器人主从控制策略

3．5 带电作业机器人主从控制策略的验证

3．5．1 力反射伺服控制策略

3．5．2 带电作业机器人主从控制系统组成

3．5．3 带电作业机器人主从控制策略与力反射伺服控制策略实验仿真比较

3．6 本章小结

第4章 带电作业机器人人机交互控制的研究

4．1 人机交互控制系统的实现

4．2 基于人机交互的作业任务流程

4．3 带电作业机器人运动学分析

4．3．1 带电作业机器人正运动学分析

4．3．2 带电作业机器人逆运动学分析

4．3．3 逆运动学验证

4．4 本章小结

第5章 带电作业机器人运动控制系统实现

5．1 主从运动控制子系统

5．2 基于视觉伺服的自主运动控制子系统

5．3 带电作业机器人运动控制系统软件设计

5．3．1 主程序设计

5．3．2 主从运动控制子程序

5．3．3 基于视觉伺服的自主运动控制子程序

5．4 带电作业机器人运动控制系统软件实现

5．4．1 主从运动控制子程序软件实现

5．4．2 自主运动控制子程序软件实现

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 研究中的不足与展望

参考文献

附录

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况