输电杆塔攀爬机器人控制系统研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘 要 近年来，国内外电力行业飞速发展，电能作为一种轻洁型能源因具有远距离低成 本输送的优点而被广泛应用。输电线路的远距离传输需要架空输电杆塔作为支撑，对 输电杆塔进行定期维护是保障电力传输系统安全稳定运行的必要措施。人工攀爬输电 杆塔进行维护是目前作业的主要方式，人工在攀爬过程中需借助安全防坠装置保障自 身安全，而首位/末位架空输电线路维护作业人员登塔/下塔过程中均无安全防护装置 保护。人工维护作业方式存在劳动强度大、作业效率低、周期长、危险系数高等弊端。 随着机器人等技术的发展，在电力领域迫切需要研制一款攀爬机器人协助或代替人工 进行作业，完成杆塔攀爬及防坠装置的挂拆等操作。 本文针对输电杆塔维护作业的需求，研究和设计了输电杆塔攀爬机器人控制系统， 能够携带安全防坠装置完成攀爬、越障、挂拆等任务。该输电杆塔攀爬机器人采用智 能控制与人机交互功能，协助人工攀爬杆塔完成安全防坠装置的挂拆，可保障电力系 统安全稳定运行，提高电力系统的智能化。本文的主要研究内容如下： (1)机械结构的设计。通过对国内外攀爬机器人技术的研究及分析，综合考虑本课 题输电杆塔攀爬机器人的任务需求和技术指标，依据仿生学原理完成了机器人机械结 构的设计，设计了九自由度的攀爬机器人攀爬机构和六自由度的挂拆机械臂。根据攀 爬控制系统的需求，完成了电机、驱动器等硬件选型及系统总体框架设计。 (2)运动学的建模与分析。根据输电杆塔攀爬机器人机械设计的结构和特点，采用 D-H 参数法对仿生攀爬机构和挂拆机械臂进行了运动学建模与仿真，重点对挂拆机械 臂进行了运动学正逆解的求取与分析。采用MATLAB 软件对运动轨迹、速度等进行了 仿真验证，为攀爬挂拆操作的控制及实现奠定了理论基础。 (3)避障控制系统的设计。针对攀爬机器人越障控制子系统运用模糊越障的方法实 现越障操作，根据攀爬越障的特点确定模糊控制器的输入/输出变量，通过各变量取值 范围确定模糊论域，建立隶属度函数，通过Mamdani 模糊推理法得出模糊控制规则， 然后运用重心法对其解模糊，最后通过MATLAB 仿真实验验证其可行性。 (4)总控系统的搭建。基于运动学建模与分析及越障控制系统的设计，综合考虑输 电杆塔攀爬机器人的机械结构、攀爬环境、作业任务及系统稳定性、安全性、灵活性 等需求，对攀爬机器人设计了分层式控制系统。采用trio basic 语言设计了电机运动控 制程序，用于实现夹持、外展、行进等操作；利用C#语言完成了控制系统的软件设计， I 山东建筑大学硕士学位论文 用于实现运动控制指令的下达、信息处理等功能，为操作者和机器人之间提供了性能 良好的操作界面，使攀爬机器人更加人性化、智能化。 (5)样机的组装与试验。通过对实际杆塔的研究与分析，完成模拟攀爬环境的搭建； 根据机械结构设计完成了攀爬机器人各部件的组装，测试了攀爬机器人单爪/双爪的夹 持力及单爪/双爪的承载力；完成整机组装，在搭建的模拟杆塔上开展输电杆塔攀爬机 器人样机的攀爬、越障、挂拆等实验，验证了攀爬机器人样机机械结构设计及运动控 制系统的合理性及可行性，可以满足技术指标和作业需求。 本课题设计了输电杆塔攀爬机器人控制系统，机器人携带安全防坠装置在输电杆 塔上实现攀爬、越障、挂拆等操作，最终代替人工完成安全防坠装置的挂拆。所研制 的攀爬机器人控制系统性能良好、安全可靠，可以提高电力系统作业的效率及安全性， 对于加快实现电力领域作业的智能化具有重要意义。 关键词：输电杆塔攀爬机器人，攀爬作业，控制系统，运动学模型，越障控制 II 山东建筑大学硕士学位论文 ABSTRACT With the rapid development of electric power industry at home and abroad in recent years, electric energy