除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)摘要隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也越來越普及。在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展到一定階段，機(jī)器也開始代替人的工作，對(duì)那些具有安全隱患的工作也是機(jī)器人應(yīng)用最多的地方，如今西南地區(qū)隨著天氣的影響對(duì)輸電線的破壞也越來越加重，本次設(shè)計(jì)是針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)一種專門除冰的一種機(jī)器人，通過對(duì)內(nèi)部的控制設(shè)計(jì)達(dá)到對(duì)機(jī)械的操作，進(jìn)而達(dá)到除冰的效果。在根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了動(dòng)作規(guī)劃的合理性。接下來，用Lagrange法建立了機(jī)器人的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)方程的求解算法，并結(jié)合機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，并且考慮導(dǎo)線的柔性，對(duì)除冰機(jī)器人單臂越障的過程進(jìn)行了仿真，根據(jù)結(jié)果，為除冰機(jī)器人最薄弱的關(guān)節(jié)選擇了合適和電機(jī)，驗(yàn)證了除冰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。最后，研究了柔性導(dǎo)線的懸掛形狀，并用Lagrange方程建立了機(jī)器人的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，在ADAMS中用除冰機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型和導(dǎo)線的柔性模型進(jìn)行了仿真，得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)線變形間耦合特性。驗(yàn)證了即使在考慮導(dǎo)線柔性的情況下，因此，研制安全有效的除冰機(jī)械以代替人進(jìn)行導(dǎo)線除冰具有較好的實(shí)用意義。關(guān)鍵詞：除冰機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)；多剛體動(dòng)力學(xué)；剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,roboticsisbecomingincreasinglypopular.Invariousfieldsofdevelopmenttoacertainstage,machinesbegantoreplacetheworkofaplacewheremostworkisalsoarobotapplicationsecurityrisks,andnowthesouthwestwiththeweatherdamagetothetransmissionlinemoreandmoreaggravatedthisdesignisaspecializedde-icingforthiscasetodesignarobot,andinternalcontroldesignedtomeettheoperationofmachines,thusachievingtheeffectofde-icing.kinematicssimulationtoverifytherationalityoftheactionplan.Next,usingtheLagrangemethod,therobotsmulti-bodydynamicsmodel,thederivationofthealgorithmoftherobotinversedynamicsequations,combinedwiththevirtualprototypeoftherobot,andtoconsidertheflexibilityofthewirede-icingrobotsinglearmthemoreimpairedtheprocessofsimulation,basedontheresults,theweakestde-icingrobotjointstochoosetherightmotor,verifythefeasibilityofde-icingdesignoftherobotbodystructure.Finally,flexiblewirehangingshape,andtheLagrangeequationsoftherobotrigid-flexiblecouplingdynamicmodel,aflexiblemodelofthevirtualprototypemodeloftherobotinADAMSusingde-icingandwireweresimulatedtogettherobotmotioncouplingbetweenthewiredeformationfeatures.verifiedeveninthewireflexible,sothedevelopmentofsafeandeffectivede-icingmachinestoreplacehumanconductorsde-icinghaspracticalsignificance.Keywords：Deicingrobot；kinematics；multi-bodydynamics；rigid-flexiblecouplingdynamics目錄摘要.11引言.11.1除冰機(jī)器人的研究.11.2研究現(xiàn)狀.11.3工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的分類.22控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).32.1工作電源及控制系統(tǒng).32.2傳感器的應(yīng)用.42.2.1溫度傳感器.42.2.2光照傳感器.52.3單片機(jī)的選用及硬件設(shè)計(jì).52.48255A芯片與AT89C51接口電路設(shè)計(jì).72.5時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì).82.6ADC0809引腳配置及其接口電路設(shè)計(jì).93指令系統(tǒng)編程.113.1運(yùn)動(dòng)及軸的指令系統(tǒng).113.2輸入/輸出指令說明或編程.123.2.1程序循環(huán)和結(jié)構(gòu)循環(huán).123.2.2恒量.143.3軸參數(shù)說明和編程.144除冰機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模塊.164.1無線傳輸模塊.164.2測(cè)控系統(tǒng).174.3控制功能模塊.184.4系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì).204.5系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)定.22參考文獻(xiàn).24致謝.25附錄.26中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院2012屆畢業(yè)論文11引言1.1除冰機(jī)器人的研究2008年1月我國南方數(shù)省輸電線路遭遇歷史上罕見的冰雪災(zāi)害。長時(shí)間持續(xù)的高強(qiáng)度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣,導(dǎo)致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動(dòng)、覆冰閃絡(luò)等多種災(zāi)害。由于溫度、濕度和風(fēng)速與覆冰形成的最佳氣象條件吻合,南方各省的輸電線路大范圍嚴(yán)重覆冰。加之冰凍天氣持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)度大,導(dǎo)線和鐵塔上的覆冰表現(xiàn)為生成發(fā)展保持消融再保持再發(fā)展的循環(huán)過程,冰厚不斷增加。雪災(zāi)造成國家電網(wǎng)公司直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)10415億元,災(zāi)后電網(wǎng)恢復(fù)重建和改造需要投入資金390億元。由此可見,如何破除輸電線路覆冰成為一個(gè)亟待解決的很有實(shí)際意義的課題。為了達(dá)到除冰效率高、能耗小、安全性強(qiáng)、成本低、操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)力強(qiáng)的目的,本文從機(jī)械除冰的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一種輸電線路除冰機(jī)器人。特別是電力系統(tǒng)遭受毀滅性重創(chuàng)，冰災(zāi)引起了倒塔,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了2008年湖南冰災(zāi)期間220kV輸電線路的受損情況,發(fā)現(xiàn)倒塔線路覆冰厚度主要集中在2060mm,同時(shí)微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性,檔距、塔形等對(duì)線路倒塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認(rèn)為覆冰太厚超過設(shè)計(jì)值、垂直荷載壓垮和不平衡張力拉垮是造成線路倒塔。專家解說，高壓線高高的鋼塔在下雪天時(shí)，可以承受2-3倍的重量。但如果下雨凇，可能會(huì)承受10-20倍的電線重量。電線結(jié)冰，遇冷收縮，風(fēng)吹引起震蕩，就使電線不勝重荷而斷裂。1.2研究現(xiàn)狀目前，在國內(nèi)還沒有技術(shù)成熟的除冰機(jī)器人，但是，在外國這種除冰機(jī)器人技術(shù)相對(duì)比較成熟，其代表作品是加拿大的研究院設(shè)計(jì)的遙控小車，它主要用于清除電力傳輸線上的覆冰，但是該機(jī)器人質(zhì)量過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且只能清除倆桿塔之間的覆冰，不具備越障功能，因此不完全的代替人工線上除冰，由于這些國家的地理與氣候情況與我國相似，甚至一些國家的情況更加惡劣，為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維護(hù)工人的安全，在借鑒國內(nèi)外除冰機(jī)器人以及巡線機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的是高壓線路除冰機(jī)器人，這種機(jī)器人可以滿足直導(dǎo)線上覆冰不是太厚情況下除冰要求。因此，研制安全有效的除冰機(jī)械以代替人進(jìn)行導(dǎo)線除冰具有較好的應(yīng)用前景和實(shí)用意義。全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的變化，氣候變暖導(dǎo)致“厄爾尼諾”和“拉尼娜”等極端天氣氣候事件的頻率與強(qiáng)度明顯增加，輸電線路所處地質(zhì)條件復(fù)雜，容易遭受冰災(zāi)等極端天氣的影響，目前國內(nèi)外對(duì)已多次發(fā)生的輸電線路冰災(zāi)事故進(jìn)行了相關(guān)的研究。襲擊湖南的持續(xù)低溫、雨雪、冰凍天氣過程來臨之前，湖南溫度偏高、空氣干燥。湖南東、南、西部三面環(huán)山，向中部、北部過渡為丘陵和平地，冷空氣襲擊湖南后，湖南降溫迅速，冷暖空氣交匯形成的鋒面逆溫強(qiáng)度大，加上湖南北低南高的地勢(shì)使逆溫層得以加強(qiáng)，地勢(shì)陡增處南下冷空氣因推進(jìn)受阻而徘徊駐留，隨著暖濕氣流不斷補(bǔ)充，易形成長時(shí)間降雨、冰凍，形成持續(xù)的雨凇。由于降溫迅速，湘西高海拔山區(qū)和緯度較高的湘北地區(qū)地表氣溫除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)2低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘東，且停留時(shí)間較長，導(dǎo)致湘南、湘中、湘東冰凍災(zāi)害強(qiáng)于湘北和湘西高海拔山區(qū)。湖南電網(wǎng)冰凍災(zāi)害是在大尺度天氣形勢(shì)控制下形成的，拉尼娜現(xiàn)象起到推波助浪的作用，冰凍災(zāi)害受損范圍與程度具有較強(qiáng)的微地形影響特征。長時(shí)間的低溫(05)、降水過程為覆冰提供了適宜條件。受冷暖空氣共同影響，湖南從01-1102-07，共出現(xiàn)4次明顯的雨雪天氣過程，這次持續(xù)時(shí)間長的凍雨和冰凍天氣給湖南電網(wǎng)帶來了災(zāi)難性的影響。湖南省電力公司500kV線路33條有14條線路倒塔182基，變形75基，導(dǎo)線斷線或受損159處，地線斷線或受損322處；220kV有44條線路倒塔679基，110kV有121條倒塔1864基；35kV高壓線路倒桿6萬4千多基，發(fā)生斷線超過5萬處；低壓線路倒桿斷桿33萬多基，斷線近37萬處，在整個(gè)冰凍期間，發(fā)生了多次電網(wǎng)解裂和衡陽、郴州等地區(qū)大面積停電事故，使湖南電網(wǎng)受了有史以來最嚴(yán)峻的威脅，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)10億元。1.3工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的分類工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類，如控制運(yùn)動(dòng)的方式不同，可為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運(yùn)動(dòng)控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制。程序控制系統(tǒng)：給每個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要求的空間軌跡。自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的