【毕业论文】巡线机器人毕业设计说明书

但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展。

运动控制技术稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础，由于移动机器人本身是个非完整约束系统，是个欠驱动的零漂移的动力学系统，因此，该系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。

为此，通过时变不连续控制以及混合策略，根据动力学模型和运动学模型，建立合理的反馈控制律，实现车速和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术的核心内容。

路径规划技术该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部路径规划技术。

由于自主式移动机器人在地面上行驶，必须避开它无法通过的或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域，因此局部路径规划，尤其是复杂环境下的路径规划问题，显得更为重要。

实时视觉技术该技术主要涉及到视觉信息的实时采集预处理特征提取和模式识别。

而且，视觉信息处理的能力处理速度处理的可靠性和准确性是决定智能机器人整体性能的决定性因素。

定位和导航技术该技术是现代轮式移动机器人研制所急需的关键技术，也是下代无人战车的技术基础。

位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量，测量方法有里程计惯性导航主动灯塔磁罗盘全球定位系统地图模型匹配和自然路标导航等。

多传感集成和数据融合技术自主式移动机器人采用测距技术，定位技术和小型陀螺仪技术等多种传感技术来采集不同类型的环境信息。

因此，准确地处理和分析不同传感器采集到的信息，用于对所处环境作出准确可靠的描述并据此作出正确的决策和控制，是多传感集成和数据融合研究的任务。

检测技术种是可见光检测方法，采用高分辨率摄像机摄取目标图像，般能发现架空线大部分表面故障现象，精度和准确度取决于图像质量。

如何让巡线机器人自主控制携带的摄像设备，捕捉特定目标，获取多视角高清晰度目标图像是关键另种是红外探测技术，当输电导线存在诸如导线断股绝缘子破损等故障时，故障点附近会出现局部温升，产生热辐射。

这些故障难以通过视觉检查发现，我们可以采用红外探测技术加以弥补。

具体来说，就是热成像技术，这是种广泛用于输变电系统的故障探测技术，可以摄取表面温度超过周围环境温度的异常温升点的红外光谱图像，然后根据图像，人工或自动判读可能的故障器件。

高性能计算技术在移动机器人的早期研究工作中，专用硬件结构为多数研究者所采用，这是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需的计算能力。

近年来，随着计算机计算能力的迅猛提高，研究者们开始采用通用处理器来构建机器人系统。

目前用于移动机器人的硬件结构多数采用个高速通用处理器加上几个专用板卡或芯片用于颜色查表模板匹配或数学形态学计算，或者通过实验确定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系统来缩小体积，达到优化的性能。

无线通信与因特网技术这两项技术可以实现多机器人之间的通信和信息共享，以及机器人与外部的联系。

机器人仿真简介仿真是以相似性原理控制论信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，采用系统模型对真实系统进行试验研究的门综合性技术。

它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。

计算机仿真是在研究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模拟研究对象。

研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统，是将研究对象进行数学描述建模编程，且在计算机中允许实现。

它不怕破坏易修改可重用。

计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程中，包括方案论证技术指标确定设计分析生产制造试验测试维护训练故障处理等各个阶段。

机器人计算机仿真具有以下意义开发前期对设计思想论证和评优，包括对各种方案的运动学及动力学特性进行评估准确的动力学模型为机器人控制提供参考依据最终设计的产品进行性能校核，包括检验机器人能否完成预定目标，及对其运行状况进行评价有效的仿真模型还可以用来对最终产品性能进行跟踪故障预测诊断等。

仿真技术应用于机器人，国外在年代就开始了这方面的研究工作。

和于年开发了机构计算机辅助设计和分析系统用来分析闭环机构运动学静力学时间滞后及振动分析。

随后诞生了。

两者的功能扩展到对般机构的动力学仿真。

年，西德等人开发了机器人图形仿真程序包，该软件包含个种机器人的数据库，。

法国大小也随时间变化，因此雅可比矩阵是与时间相关的。

在式中为相对于参考坐标系的微分运动，而则为关节坐标系的微分运动，为相对于参考坐标系的雅可比矩阵。

可以将相对于最后个坐标系的速度方程写为其中为相对于手坐标系的微分运动，为相对于手坐标系对于自由度机械手的雅可比矩阵的逆矩阵，为机械手此时各关节的微分运动。

再通过，即可求出相对于运动坐标系下的速度引起的各关节的速度。

四自由度机械手对于运动坐标系的雅可比矩阵，矩阵各列求解可以简单如下过程第列用，第列用，第列用，第列用。

代入已知的各矩阵值，并且求出雅可比矩阵每列的各行运算表达式经过简化之后可得到各元素依次为第列第二列第三列第四列由于，在求解各转角速度时需要先求。

求逆雅可比矩阵有两种方法，两者都十分困难，它们不仅计算量大而且费时。

种方法是求出符号形式的逆雅可比矩阵，然后把数值代入其中并计算出速度另种方法是将数据代入雅可比矩阵，然后用高斯消去法或其他类似方法来求该逆数值矩阵。

尽管这些方法都是可行的，但它们并不常用。

而且是的矩阵，这又给求取机器人逆雅可比矩阵增加困难，无法保证计算过程的高效和快捷性。

种替代的方法是，用逆运动学方程来计算关节的速度。

步骤如下求解，求解，设则求解，由于是和矩阵的微分变化，等都可以从矩阵中得到，则把中各元素代入上述步骤中各转角速度公式中即可求出相应的关节角速度。

本章小结本章在深入研究四自由度机械手的运动学问题的基础上，用法建立了四自由度机械手运动学模型，分析了机械手的关节速度与雅可比矩阵。

为下面的仿真分析提供了理论基础，也为今后神经网络逼近巡线机器人机械手的运动学模型奠定了基础。

第四章总结与展望本文总结本文针对电压等级高压架空输电线路设计了具有自主越障能力和爬坡能力的巡线机器人。

并在环境下建立了巡线机器人虚拟样机模型本文主要在以下几个方面作出了些工作简要阐述了巡线机器人技术及其国内外发展现状和趋势。

提出了本课题巡线机器人的结构设计方案。

利用软件，建立了巡线机器人基于特征的参数化模型，以此为基础建立了该机器人的虚拟样机。

从机构学的角度分析了巡线机器人操作臂的关节角位移角速度等。

利用模块将虚拟样机导入到软件中，基于建立了运动仿真模型，对巡线机器人进行了运动仿真，得到了仿真曲线。

验证了巡线机器人结构设计和运动规划的合理性和正确性，为机器人的后续研究打下了坚实的基础。

后续工作与展望巡线机器人及其工作环境是个相当复杂的系统模型，本文所建立的模型只是其真实样机的粗糙反映，不能够完全真实的反映实际情况，有待进步的完善。

通过本文的工作，发现在这课题上还是有很多值得深入研究的地方。

目前还可以在以下方面展开进步的探索和深入巡线机器人以高压输电线路的全程为作业路径，这柔性环境与机器人多刚体系统间的耦合势必对机器人的动力学特性造成极大影响，故应当考虑导线的柔性。

对巡线机器人沿导线的无障碍段直线行走和手臂抬升动作建立完整的动力学模型，仿真分析机器人与作业环境间的刚柔耦合对其动力学特性的影响规律。

考虑跨越跳线时各关节联动时机器人过障的动作规划，提高其过障效率。

巡线机器人沿导线滚动运行的动力学仿真中，接触力模型的参数还需深入研究，有必要建立准确精细的摩擦力模型，以真实的反映巡线机器人在运动过程中各关节的摩擦力力矩，为计算有限元的分析提供必要及真实的动载荷输入。

在确定了些关键的参数取值后，可以在现有模型的基础上，建立巡线机器人的全参数模型，引入相关设计变量，对关键部分的机构或驱动进行设计试验，获得巡线机器人的优化设计模型，为今后将巡线机器人在高压导线的巡检工作中拥有更好，更广泛的应用前景做铺垫。

致谢本文是在导师于化东教授的悉心指导下完成的。

作者在本科的四年学习生活的基础下，同时在导师无微不至的指导和关怀中完成的。

在此，谨向导师致以衷心的感谢，导师渊博的学识深邃的学术思想严谨的治学态度勤奋求学的科学精神及正直的品德，使我终身受益。

在本文完成之际，对导师的细心关怀和培养表示衷心的感谢，特别感谢许金凯老师，抽出了大量的宝贵时间对我的毕业设计进行解说和指导。

他热情的帮助和细心指导使我受益匪浅，让我学到了许多在书本上学不到的东西。

在此向许老师表示由衷的感谢，同时也要感谢司禹师姐，在完成毕业设计期间对我的帮助和关怀，并多次帮助我查找和修正毕业设计中的缺陷。

谨在此对司禹师姐表示衷心的感谢，感谢班级全体同学和所有关心帮助过我的其他老师同学和朋友。

最后，要感谢家人和亲友。

在作者求学期间，他们给予了最大的关怀理解和支持，在此向他们表示深深的谢意，作者尹明洋年月日星期四参考文献孙靖民，王新荣现代机械设计方法选讲哈尔滨哈尔滨工业大学出版社张运楚，梁自泽，谭民架空电力线路巡线机器人的研究综述机器人郭洪红工业机器人技术西安西安电子科技大学出版社姚俊，马松辉建模与仿真西安西安电子科技大学出版社李元宗机器人转动惯性张量的坐标变换机器人，温熙森，邱静，陶俊勇机电系统分析动力学及其应用北京科学出版社龙春风机械设计北京清华大学出版社，董吉谔电力金具手册北京中国电力出版社费仁元，张慧慧机器人机械设计和分析北京北京工业大学出版社周延泽巡线机器人的爬行方案设计机器人技术与应用龚振邦机器人机械设计北京北京电子工业出版社付京逊，冈萨雷斯，李机器人学北京中国科学技术出版社赵锡芳机器人动力学上海上海交通大学出版社目录第章绪论研究背景及意义架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述架空线路巡线机器人研究概况机器人仿真简介本文主要内容第二章巡线机器人本体结构的设计与三维建模线机器人本体结构设计方案要求总体结构柔性臂驱动装置刹车制动装置手掌开合装置器人的建模第三章巡线机器人机械手运动学分析引言数学基础理论刚体位姿的表示