输电线路巡检机器人的机构、建模与实验研究

输电线路巡检机器人是一种特种作业机器人，具有广阔的输电线路巡检的应用背景，该项研究是机器人学研究领域的前沿课题之一，而越障机构又是巡检机器人的关键技术之一。本文在863课题《超高压输电线路巡检机器人》的资助下，系统地研究了输电线路巡检机器人的移动越障机构及其理论建模，目的是分析综合越障巡检机构，研制新型的越障巡检机构；通过结构优化减小能耗提高机器人巡检线路的实用性。 本文首先系统研究了巡检作业的典型工况，建立巡检目标障碍空间的数学模型，为巡检机器人的越障巡检机构研究与越障规划奠定基础。 第二、建立特殊工况下的设计原则，研究越障巡检机构的分析与综合方法。1、提出一种基于障碍空间分析的越障巡检机构综合方法，在分析多种越障机构的越障原理与越障性能的基础上，基于螺旋理论进行越障巡检机构的型综合与数综合，优化越障巡检机构的自由度与构型，并且设计两种新型越障巡检机构。2、用影响系数法，建立机器人运动学模型，探讨越障巡检机构的运动综合。3、提出线上操作的打滑稳定裕度与摆动稳定裕度，且给出相应的判据。在建立静力学与动力学模型、探讨越障巡检机构的动力性能、分析操作手夹持姿态的稳定性的基础上，拓展夹持稳定性量度，提出打滑裕度与摆动裕度。 第三、建立特殊风载荷工况下，结构参数受风向和风压影响的数学模型，得到不同风荷载的风压对尺寸参数的影响；由风载荷影响操作手夹持稳定性，从而影响行走轮包角参数，分析得到相应的行走轮外缘包络包角范围。根据风荷载阻力与尺寸参数的关系，基于最小能量理论采用积分有限元分析，对机器人的重要零件与部件进行了结构参数优化。 第四、根据环境模型制定越障流程；分析越障过程的三个难点：机构平衡、导线辨识与定位可知，导线定位是越障的关键；并就如何定位导线的越障关键问题，提出一种解析定位方法，对比搜索定位方法可知，解析定位方法优于搜索定位方法。 第五、通过实验验证越障原理、越障规划、定位方法、及系统性能等。在调试和考机合格的基础上，分别在实验环境下验证了线上行走巡检原理的有效性和连续越障的可行性；在野外现场实验验证了越障巡检机器人系统的原理可靠性与越障定位的有效性。