论文部分内容阅读
随着社会发展对自动化需求的不断提高，机器人得到了巨大的发展以满足在特殊环境场合下的应用需求，能够在高空、强电磁、超高压输电线路环境完成维护检修作业的断股补修机器人正是其中的代表。特殊环境下作业的机器人既需要满足移动、越障、作业等性能需求，还要能够对复杂的外部环境状态进行检测，并完成合理的机器人行为规划，本文正是基于以上目标开展的。主要研究内容包括： ⑴介绍了机器人机构设计并建立其运动学模型。根据维护作业任务需求，初步完成机器人机构设计、结构设计及控制系统设计。在机构设计基础上，建立其运动学模型，并采用旋量方法完成机器人运动学正解计算。由于机器人手臂处安装有被动关节，其关节角与机器人受力状态相关，因而开展了机器人在力约束下的运动学逆解研究。通过几何解法完成力约束下的机器人运动学逆解计算，最终完成机器人的运动学研究。研究内容为后续的准静态分析、行为规划等工作奠定了基础。 ⑵通过考察机器人性能参数开展优化设计研究。针对机器人的爬坡、越障及维护任务需求开展性能分析研究，并根据性能分析结果进行优化设计研究。爬坡性能分析着重研究由驱动轮不等半径所造成的强制滑转对牵引附着力的影响;越障性能分析利用准静态力学分析方法计算了具备被动关节结构的机器人可跨越最大障碍高度;维护性能分析计算了动力学状态下压接工具的变形状态。在以上性能分析的基础上，建立最优化目标，分别对驱动轮、移动本体及压接工具的几何参数进行优化。实验结果证明，研究内容有效的提高了机器人的整体性能水平。 ⑶采用视觉方法进行环境状态检测研究。在对机器人采集图像进行图像裁剪、灰度化处理、边缘提取等预处理后，分别提取出图像梯度直方图与图像边缘梯度直方图作为图像特征，由于输电线正常线路、断股线路、金具障碍等环境状态在该图像特征上具备显著的差异，采用支持向量机建立了一种基于有向图的多分类器，通过特征分类的方法完成环境检测。研究内容可以为机器人提供当前的环境状态信息，是开展机器人行为规划研究的基础。 ⑷开展机器人的自主运动行为规划研究。针对机器人的自主控制需求，提出了一种基于有限状态机的行为规划方法。根据检测的各类环境状态，依次针对机器人的行走、越障及维护任务建立对应的行为状态，各行为状态通过由环境状态与传感器信息建立状态决策机制来完成转移;定义机器人特定位姿状态为子状态，行走、越障及维护任务等行为状态可以通过各子状态的转移来完成。方法的有效性得到了实验验证。 ⑸最后，在实验室与实际线路环境下依次完成了机器人的爬坡、越障、断股补修等子项功能测试实验，环境状态检测实验与行为规划实验。在此基础上，进行了综合作业实验，实验验证了文中所提方法的正确性与有效性。