带电作业机器人机械臂动力学建模与运动规划

带电作业机器人机械臂动力学建模与运动规划

郑石二

广东金玻智能装备有限公司广东佛山528322

摘要：近年来展开的带电作业机器人研究表现出很强的安全性能和更高的作业效率，相对于传统的人工带电作业方式，带电作业机器人更加符合当代电力行业的要求。随着社会经济的发展和科技水平的提高，采用机器人代替人工进行高压带电作业成为必然趋势。基于此，本文主要对带电作业机器人机械臂动力学建模与运动规划进行分析探讨。

关键词：带电作业机器人；机械臂；动力学建模；运动规划

前言

机械臂的作业环境一般是在室外的高压线路或者变电站内，可以实现高压线剥皮，更换跌落开关等动作，为了完成这些作业内容，必须对机器人的两支机械臂的协调控制问题进行研究。在进行带电作业时，带电作业环境通常较为复杂，容易误碰到绝缘子或者现场中的其他带电设备，导致线路损坏或者断电故障因此，必须对机械臂在带电作业时的路径规划与避碰进行设计，这同样涉及到机械臂的协调控制问题。

1、带电作业机器人的实体结构

带电作业机器人的实体结构如图1所示．机器人主要由控制箱、双机械臂、双机械手及其末端、行走轮及其夹持机构、导轨等几个部分构成．机械臂1和机械臂2分别为三自由度和四自由度机构，机械臂1固定于机体上，机械臂2与机械臂1一样除具有旋转、伸缩和纵移三个关节外，还另有一横移关节，可沿机体横向移动．机器人作业末端由W销推送机构和绝缘子串取装机构构成．W销推送机构由三个关节构成，一个移动关节携带夹爪实现碗头挂板的夹持，另两个移动关节分别实现W销的推出和推入，绝缘子串取装机构由以曲柄摇杆机构为工作原理的夹爪对钢帽进行夹持，由横移关节的前后运动对绝缘子串推出和装入．

图1带电作业机器人实体结构图

2、基于多项式插值的机械臂运动轨迹规划

机器人在作业过程中，作业末端随着机械臂由初始位姿运动至工作位姿，在此过程中需要避让导线及线路上的各种障碍物，在已知机械臂各关节变量的初值和终值，要求末端执行机构按照预定的轨迹运动，这就是机器人机械臂轨迹规划问题．

2.1机械臂多项式插值运动规划算法基本原理

机械臂运动规划除了一些智能算法外，还有较常用的多项式插值算法．关节轨迹插值函数主要有三次多项式插值、高阶多项式插值、抛物线过渡线性插值、抛物线过渡路径点线性插值等．其中三次多项式插值方法只适用于关节起始、终止速度为零的运动情况，而高阶多项式插值适用于对路径的起始点和终止点都规定了关节的位置、速度和加速度的情况．结合对机械臂运动的控制要求及机械臂起点和终点的六个初始条件，本文采用五次多项式插值方法对每个动作规划单元的关节进行插值可以满足机器人机械臂的轨迹运动要求．

2.2机械臂2运动规划

机械臂2由初始位姿到绝缘子夹持位姿的运动规划为：机械臂2后转至传感器位，机械臂2伸长至传感器位，机械臂2横移至绝缘子钢帽位于绝缘子夹持末端正中间处，机械手2纵移内移，理想情况下此时机械手2末端可以执行夹紧操作实现绝缘子的夹持．本文主要研究机械臂2轨迹运动规划，因此省略机械臂1运动的时间段，设定机械臂2各关节的运动时序及相应的关节变量值如表1所示．

表1机械臂2运动时序及关节变量值

根据绝缘子串更换作业运动规划可知机械臂2由初始位姿至绝缘子夹持位姿，旋转关节后转角位移为π，伸缩关节伸长位移为150cm，横移关节前移位移为176cm，纵移关节位移为157.5cm．按照机器人关节五次多项式轨迹插值方法，结合表1中关节变量的初始条件及初始时刻和终点时刻加速度为零的六个初始条件，按照机械臂2基本动作的先后顺序可计算得到各关节的运动函数的数学表达式如下．

3、仿真实验与现场运行实验

3.1动力学仿真实验

各关节在驱动力的作用下，均能按照轨迹规划所确定的运动到达最终的位姿．对于旋转关节，所受的力矩主要为重力相对于旋转轴的转矩，在0s和5s，由于机械臂2均呈竖直状态，重力相对于旋转轴的转矩近似为零；在0～5s内，由于伸缩关节的运动，重力相对于旋转轴的力臂不断变化，因此受力存在波动的现象，且在机械臂处于水平姿态时，转矩最大．对于伸缩关节，所受的力主要为伸缩臂移动的摩擦力，由于旋转关节的运动，重力的分力呈正弦曲线变化，相应的摩擦力也呈正弦曲线的规律变化，与图3的受力曲线一致．对于横移关节，所受的力主要为横移滑台移动的摩擦力，在0～5s内，虽然横移关节没有运动，但是由于旋转关节和伸缩关节的运动对其产生耦合力，因此在0s就开始受力且受力存在波动的现象并呈对称分布．对于纵移关节，所受的力主要为纵移滑台移动的摩擦力，在0～5s内，虽然纵移关节没有运动，但是由于旋转关节的运动对其产生耦合力，中立的分力呈余弦规律变化，使得摩擦力相应变化．

由仿真结果还可得知旋转关节、伸缩关节、横移关节、纵移关节运动所需的力矩或力分别为431.837N?mm、27.8153N、47.1257N和10.6796N．而机械臂2伸缩、横移和纵移关节所选用电机可提供的工作转矩为1163.244N?mm．机械臂2旋转关节所选用电机可以提供的工作转矩为13815.36Nmm．经对比可知机械臂2几个关节处所选用电机的实际驱动力矩均大于在ADAMS仿真过程中所测得的力矩，满足实际要求，从而验证了本文各关节基本动作动力学模型的正确性．

3.2运动学仿真实验

按照既定的关节轨迹规划，在前5s，旋转关节和伸缩关节运动，使机械臂2的作业末端在X方向上产生位移，在其后的时间里，旋转关节和伸缩关节停止运动，故X方向的位移恒定不变；Z方向上产生的位移由旋转关节和横移关节的运动决定，在前5s旋转关节的转角为180°，相应的Z方向上的位移先增加而后减少，5～10s由于横移关节的运动，Z方向上的位移逐步增加，10s之后保持恒定不变；Y方向上产生的位移主要由纵移关节决定，在10～15s内，随着纵移关节的移动，Y方向上的位移发生变化．在机械手2运动的过程中质心同样也会产生微小的运动，前10s可以很清楚地观察到作业末端在Y方向上位移的抖动．

以上结果表明五次多项式插值轨迹规划方法，机械臂获得较平滑的运动轨迹，具有较好的连续性，同时各关节运动轨迹规划满足运动学要求，机器人的执行末端具有良好的稳定性，机器人在作业过程中各关节运行平稳，冲击力小，使得驱动器的控制较容易实现．根据所期望的运动轨迹规划，利用已建立的机器人动力学模型，可实现机器人的动态控制，完成绝缘子更换作业任务．

3.3现场作业实验

为验证五次多项式插值轨迹规划较三次多项式插值轨迹规划机械臂运动过程的稳定性，通过机器人携带的倾角传感器测量的倾角值变化范围来量化机械臂运动过程机器人的稳定程度，实际线路坡度为10°，在机械臂2由初始位姿运动到绝缘子夹持位姿的过程中所记录的倾角值变化范围如表2所示．

通过表2机器人基本动作所记录的倾角传感器所测得的倾角范围可知，在机器人奇臂行走轮定位到悬垂线夹时由于行走轮与悬垂线夹需要碰检，此时对机器人的振动冲击最大，此时倾角值范围最大，其次是旋转运动对机器人的稳定性有一定影响，伸缩、横移和纵移运动对机器人稳定性基本不产生影响．通过对比可以得知在相同动作情况下，五次多项式插值机械臂运动较三次多项式插值机械臂运动倾角范围更小，机器人运行更为稳定．三次多项式插值机械臂运动轨迹规划机器人倾角传感器所测的倾角值变化范围大，机器人抖动更厉害，此外五次多项式插值机械臂由初始位姿到绝缘子夹持位姿耗时较短，由此可见五次多项式插值算法机器人获得较好的稳定性和较高的作业效率．

表2机械臂2不同动作倾角值变化范围

参考文献：

[1]朱世强，刘松国，王宣银．机械手时间最优脉动连续轨迹规划算法．机械工程学报，2013，46（3）：47

[2]刘湘琪，秦臻，倪敬．三自由度液压伺服机械手轨迹优化．浙江大学学报（工学版），2015，19（3）：472