为提高串联式输电线巡检机器人越障性能,针对其偏转关节运动范围受限问题,提出一种新型复合偏转关节。首先给出复合偏转关节构型,设计出具体结构;其次建立基于新型关节的机器人运动学模型;最后利用蒙特卡洛法进行基于两种关节的机器人工作空间仿真,并进行了对比分析。结果表明,采用新型关节可明显增加偏转角度及工作空间,进一步提升串联式输电线巡检机器人运动性能。

针对轨道巡检机器人驱动响应速度慢、稳定性差的问题,设计了基于模糊PID的速度环控制器,并提出一种基于模糊PID控制速度环的优化方法。仿真结果表明,所提方法在空载和负载干扰状态下,可提升机器人速度环的响应速度与稳定性,具有一定的合理性,将其应用于实际轨道巡检机器人进行速度调节测试,可快速调节机器人速度,且偏差在允许范围内,具有一定的实际应用价值。

为了准确对巡检机器人穿越预定杆塔所需要的能量进行SOC估计,通过分析线路工况和实验数据,建立巡检机器人能耗模型。考虑到巡检机器人从起始杆塔到预定杆塔之间的累计误差会逐渐增大,导致抵达预定杆塔时无法对巡检机器人锂电池SOC准确估计。因此,结合巡检机器人能耗状态方程和锂电池量测模型,并采用扩展卡尔曼滤波的方法对巡检机器人锂电池SOC能耗的理论值进行迭代,同时,也引入次优渐消因子降低不确定参数的误差,提高SOC估计精度,且SOC估计误差均在1.7%以下。

为实现巡检机器人与太阳能充电基站充电座的准确可靠对接,提出了一套压紧轮碰检C型线夹粗定位以及基于模糊PID的精确定位、霍尔传感器及充电电流反馈对接状态的自主充电对接控制方法。粗定位确定充电座的位置及未安装充电头机械臂的位置;基于模糊PID的精确定位通过分析两机械臂之间距离与充电座与未安装充电头机械臂之间距离的关系,得到精确定位目标。为提高定位精度,首先采用卡尔曼滤波算法对倾角值进行平滑处理;其次,为了实现平稳运动,提出了sin速度曲线作为展臂电机速度控制的目标曲线;以实际位移与理论位移的偏差作为模糊PID系统的输入,控制展臂电机运动速度的输出,实现精确定位。实验表明,该自主充电对接方法高效、可靠、准确,能够满足自主充电对接的任务需求。

输电线路巡检机器人越障是巡检过程的重难点之一,针对此问题分析了巡检机器人跨越式通过障碍物时的运动规划,采用五次多项式对关节空间路径点进行插值生成运动轨迹,基于运动学和动力学建立了面向时间与能耗的越障优化模型,指出了机器人无碰避障的运动条件。为平衡全局搜索能力与局部搜索能力,避免算法陷入局部最优,通过自适应调整记忆项惯性权重,对传统粒子群算法进行改进,迭代寻优求解目标函数。仿真结果表明,该方法能有效平衡越障时间与能耗,规划轨迹满足机器人的无碰避障运动条件。

为了实现变电站室内外一体化巡检,开发全向四驱结构的变电站巡检机器人。着重阐述该机器人运动控制系统的开发过程:介绍全向四驱移动平台的机械结构及运动控制系统结构,建立移动平台的运动学模型,探讨全向四驱机器人不同的运动模式并提出了控制方法。对研制的全向四驱变电站巡检机器人进行测试,验证了运动控制系统的可靠性以及控制方法的有效性。

为满足铁路变电所巡检无人化的发展要求,提高检验工作的质量和效率,设计了一种用于变电站室内巡检的机器人。其主要由移动小车、升降总成、操作总成、控制柜四大部分组成。介绍了各个部分的机械结构,对巡检机器人的工作流程进行了描述。该设计实现了机器人整体移动、平台升降、相机拍摄图像和机械手操作开关等功能。建立了坐标系,分析了各个坐标系之间的转换关系,进行了相机的参数标定和手眼标定,计算出机械手到目标点的位移值。测试结果表明:该机器人能够完成对电气控制柜的巡检工作,并能接收远程指令对电气开关进行开合操作。研制的巡检机器人可降低巡检人员的工作强度,提高巡检效率。

针对现有巡检机器人自动上下线系统作业风险高、无保护装置的特点,提出了一种巡检机器人自动上下线系统的制动装置,使自动上下线系统运行更加安全。设计了制动装置的三维模型,分析了制动装置的制动过程。建立制动装置的静力学模型,求解制动装置的制动稳定状态。使用ADAMS软件仿真制动装置制动过程中的动态特性,求解制动装置的制动时间与制动距离,证明了制动装置设计的合理性。通过现场实验,验证了该制动装置在机器人自动上下线过程中具有良好的可靠性与更高的安全性,具有工程应用和推广价值。

薄煤层综采工作面空间狭窄,环境恶劣,针对薄煤层综采工作面地形环境,设计了一种四摇臂结构的履带式巡检机器人辅助工人完成日常检修工作。由达朗伯原理和牛顿—欧拉方程,建立了机器人在越障前和越障爬升过程中的动力学模型,分析得到了不同地面摩擦系数和前摇臂倾角对主驱动电机输出力矩的影响规律,该规律可为该结构的机器人越障前的前摇臂倾角动作规划提供参考,同时为驱动电机的合理选型提供理论依据,有利于提高巡检机器人的越障性能。

针对现有的高压直流磁力驱动巡检机器人在大坡度线路段出现驱动力不足、承载能力低的问题,在原有磁力驱动物理模型参数不变的前提下,提出了一种双线圈磁力驱动方法。通过分析高压直流导线周围的磁场特性,建立了双线圈磁力驱动物理模型。分析了载流线圈所受安培力的大小与载流线圈匝数关系、线圈匝数与其在物理驱动模型中的几何位置的关系。通过对两种模型提供的磁力驱动力的理论计算,证明了在模型其他参数相同的前提下,双线圈模型可大大提高磁力驱动力。最后运用仿真软件对双线圈磁力驱动模型进行仿真,仿真结果与理论计算结果一致,证明了双线圈磁力驱动模型原理的正确性。