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变电站机器人开箱作业主动柔顺控制技术研究

变电站机器人开箱作业主动柔顺控制技术研究

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作者：徐伟伦东南大学

学位级别：硕士

随着电网设备规模的增大,具备移动巡视功能的电力机器人已推广应用在变电站设备的状态监测和管控等场景。但由于机器人巡视所能覆盖的非接触任务只占据运检工作的一部分,因此为提升其智能化作业水平,要求巡检机器人必须具备更强的操作... 详细信息

随着电网设备规模的增大,具备移动巡视功能的电力机器人已推广应用在变电站设备的状态监测和管控等场景。但由于机器人巡视所能覆盖的非接触任务只占据运检工作的一部分,因此为提升其智能化作业水平,要求巡检机器人必须具备更强的操作能力以适应巡检任务的多样性。而变电站设备箱柜门的开启作为柜内操作的前提,是作业任务中不可或缺的一环。本文以机器人在变电站巡检过程中需要解决的操作问题为背景展开研究,以开启电力箱柜门为任务目标,重点研究机器人开箱作业的主动柔顺控制问题,主要研究内容如下:首先,针对机器人开箱作业任务进行高层规划,并分析其任务控制中的柔顺需求。通过分析开箱作业任务在机器人巡检任务中的地位,明确其任务范畴。以标准电力屏柜作为研究对象,围绕屏柜门开启时机械部件的运动轨迹,将总任务划为子任务,并对子任务进行具体的动作规划。从安全性角度出发,根据动作实现的难点分析开箱作业过程中的柔顺控制需求。其次,以六自由度机械臂作为控制对象,结合具体的开箱作业任务研究机械臂的运动轨迹规划问题。基于Denavit-Hartenberg法进行机械臂建模,通过推导正逆运动学方程建立末端位姿与关节角度的运算关系。根据开箱作业任务的具体动作,在接触情况下通过闭链运动约束关系进行笛卡尔空间轨迹规划;在非接触情况下采用五次多项式插值法进行关节空间轨迹规划,为后续的机械臂控制提供了基础。再次,建立描述机械臂与环境的交互关系的动力学模型,设计基于阻抗控制的机器人开箱作业主动柔顺控制策略。建立机械臂的动力学模型以实现对关节驱动力矩的精确控制,保证作业的平稳柔顺;建立开箱作业任务关键阶段的环境动力学模型,以描述机械臂与环境的交互关系。在此基础上,提出基于阻抗控制的主动柔顺控制策略,从位置和力两个角度出发分别设计相应的阻抗控制器,通过仿真定性分析了阻抗参数对系统特性的影响。最后,搭建机器人开箱作业的综合仿真模型和实验平台,对阻抗控制器的控制效果进行测试验证。基于MATLAB搭建机械臂模型和阻抗控制系统模型,对开箱作业中的按压和旋转门把手子任务进行仿真分析。搭建变电站作业机器人实验平台,针对按钮按压过程进行实验,验证了阻抗控制器的控制效果。本文对电力屏柜柜门开启任务的动作进行规划,并采用基于阻抗控制的主动柔顺控制方法实现了机器人与屏柜接触时良好的柔顺性效果,保证了作业的有效性和安全性,为后续提高机器人操作能力提供了一种有效的解决思路。

关键词：机器人开箱作业运动学轨迹规划动力学柔顺控制

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