除冰机器人的设计摘 要随着科技的发展，机器人技术也越来越普及。在各个领域的发展到一定阶段，机器也开始代替人的工作，对那些具有安全隐患的工作也是机器人应用最多的地方，如今西南地区随着天气的影响对输电线的破坏也越来越加重，本次设计是针对这种情况设计一种专门除冰的一种机器人，通过对内部的控制设计达到对机械的操作，进而达到除冰的效果。在根据运动学仿真，验证了动作规划的合理性。接下来，用Lagrange法建立了机器人的多刚体系统动力学模型，推导了机器人逆动力学方程的求解算法，并结合机器人的虚拟样机，并且考虑导线的柔性，对除冰机器人单臂越障的过程进行了仿真，根据结果，为除冰机器人最薄弱的关节选择了合适和电机，验证了除冰机器人本体结构设计的可行性。最后，研究了柔性导线的悬挂形状，并用Lagrange方程建立了机器人的刚柔耦合动力学模型，在ADAMS中用除冰机器人的虚拟样机模型和导线的柔性模型进行了仿真，得到机器人运动与导线变形间耦合特性。验证了即使在考虑导线柔性的情况下，因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的实用意义。关键词：除冰机器人 ；运动学；多刚体动力学；刚柔耦合动力学AbstractWith the development of science and technology, robotics is becoming increasingly popular. In various fields of development to a certain stage, machines began to replace the work of a place where most work is also a robot application security risks, and now the southwest with the weather damage to the transmission line more and more aggravated this design is a specialized de-icing for this case to design a robot, and internal control designed to meet the operation of machines, thus achieving the effect of de-icing.kinematics simulation to verify the rationality of the action plan. Next, using the Lagrange method, the robots multi-body dynamics model, the derivation of the algorithm of the robot inverse dynamics equations, combined with the virtual prototype of the robot, and to consider the flexibility of the wire de-icing robot single arm the more impaired the process of simulation, based on the results, the weakest de-icing robot joints to choose the right motor, verify the feasibility of de-icing design of the robot body structure. Finally, flexible wire hanging shape, and the Lagrange equations of the robot rigid-flexible coupling dynamic model, a flexible model of the virtual prototype model of the robot in ADAMS using de-icing and wire were simulated to get the robot motion coupling between the wire deformation features.verified even in the wire flexible, so the development of safe and effective de-icing machines to replace human conductors de-icing has practical significance.Key words：Deicing robot; kinematics; multi-body dynamics; rigid-flexible coupling dynamics目 录摘 要11 引言11.1 除冰机器人的研究11.2 研究现状11.3工业机器人的控制系统的分类22控制系统的设计32.1 工作电源及控制系统32.2 传感器的应用42.2.1 温度传感器42.2.2 光照传感器52.3 单片机的选用及硬件设计52.4 8255A芯片与AT89C51接口电路设计72.5时钟电路的设计82.6 ADC0809引脚配置及其接口电路设计93指令系统编程113.1运动及轴的指令系统113.2 输入/输出指令说明或编程123.2.1程序循环和结构循环123.2.2恒量143.3轴参数说明和编程144除冰机器人的运动模块164.1无线传输模块164.2 测控系统174.3控制功能模块184.4 系统软件的设计204.5 系统监控程序设定22参考文献24致 谢25附录26中国地质大学长城学院2012届毕业论文1 引言1.1 除冰机器人的研究2008年1月我国南方数省输电线路遭遇历史上罕见的冰雪灾害。长时间持续的高强度、大范围低温雨雪冰冻天气, 导致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的电网发生倒塔、断线、舞动、覆冰闪络等多种灾害。由于温度、湿度和风速与覆冰形成的最佳气象条件吻合, 南方各省的输电线路大范围严重覆冰。加之冰冻天气持续时间长、强度大, 导线和铁塔上的覆冰表现为生成发展保持消融再保持再发展的循环过程, 冰厚不断增加。雪灾造成国家电网公司直接财产损失达10415亿元, 灾后电网恢复重建和改造需要投入资金390亿元。由此可见, 如何破除输电线路覆冰成为一个亟待解决的很有实际意义的课题。为了达到除冰效率高、能耗小、安全性强、成本低、操作简便、适应力强的目的, 本文从机械除冰的角度出发, 设计了一种输电线路除冰机器人。特别是电力系统遭受毁灭性重创，冰灾引起了倒塔,现场调查了2008年湖南冰灾期间220kV输电线路的受损情况,发现倒塔线路覆冰厚度主要集中在2060mm,同时微地形和微气象造成覆冰加重和覆冰的不均匀性,档距、塔形等对线路倒塔也存在影响。分析倒杆断线的形式认为覆冰太厚超过设计值、垂直荷载压垮和不平衡张力拉垮是造成线路倒塔。专家解说，高压线高高的钢塔在下雪天时，可以承受2-3倍的重量。但如果下雨凇，可能会承受10-20倍的电线重量。电线结冰，遇冷收缩，风吹引起震荡，就使电线不胜重荷而断裂。1.2 研究现状目前，在国内还没有技术成熟的除冰机器人，但是，在外国这种除冰机器人技术相对比较成熟，其代表作品是加拿大的研究院设计的遥控小车，它主要用于清除电力传输线上的覆冰，但是该机器人质量过大，结构复杂，并且只能清除俩杆塔之间的覆冰，不具备越障功能，因此不完全的代替人工线上除冰，由于这些国家的地理与气候情况与我国相似，甚至一些国家的情况更加恶劣，为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人的安全，在借鉴国内外除冰机器人以及巡线机器人的优点，本文设计的是高压线路除冰机器人，这种机器人可以满足直导线上覆冰不是太厚情况下除冰要求。因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。全球气候正经历以变暖为主要特征的变化，气候变暖导致“厄尔尼诺”和“拉尼娜”等极端天气气候事件的频率与强度明显增加，输电线路所处地质条件复杂，容易遭受冰灾等极端天气的影响，目前国内外对已多次发生的输电线路冰灾事故进行了相关的研究。袭击湖南的持续低温、雨雪、冰冻天气过程来临之前，湖南温度偏高、空气干燥。湖南东、南、西部三面环山，向中部、北部过渡为丘陵和平地，冷空气袭击湖南后，湖南降温迅速，冷暖空气交汇形成的锋面逆温强度大，加上湖南北低南高的地势使逆温层得以加强，地势陡增处南下冷空气因推进受阻而徘徊驻留，随着暖湿气流不断补充，易形成长时间降雨、冰冻，形成持续的雨凇。由于降温迅速，湘西高海拔山区和纬度较高的湘北地区地表气温低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘东，且停留时间较长，导致湘南、湘中、湘东冰冻灾害强于湘北和湘西高海拔山区。湖南电网冰冻灾害是在大尺度天气形势控制下形成的，拉尼娜现象起到推波助浪的作用，冰冻灾害受损范围与程度具有较强的微地形影响特征。长时间的低温(05)、降水过程为覆冰提供了适宜条件。受冷暖空气共同影响，湖南从01-1102-07，共出现4次明显的雨雪天气过程，这次持续时间长的冻雨和冰冻天气给湖南电网带来了灾难性的影响。湖南省电力公司500 kV线路33条有14条线路倒塔182基，变形75基，导线断线或受损159处，地线断线或受损322处；220 kV有44条线路倒塔679基，110 kV有121条倒塔1864基；35 kV高压线路倒杆6万4千多基，发生断线超过5万处；低压线路倒杆断杆33万多基，断线近37万处，在整个冰冻期间，发生了多次电网解裂和衡阳、郴州等地区大面积停电事故，使湖南电网受了有史以来最严峻的威胁，直接经济损失数10亿元。1.3工业机器人的控制系统的分类工业机器人控制系统可以从不同角度分类，如控制运动的方式不同，可为关节控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式的不同，可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式的不同，可分为速度控制、加速度控制。程序控制系统：给每个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。因而本系统是一种自适应控制系统。2控制系统的设计2.1 工作电源及控制系统要保证除冰机器人在野外大范围内长时间工作，必须提供持续可靠的电源。机器人一般的功率一般为几百瓦，由于受体积和重量的限制，蓄电池组不能满足长时间供电要求。尝试采用小型汽油发电机为机器人供电，但汽油发电机需携带油箱，工作时受环境影响大，可靠性差。由于除冰机器人一般沿高压的电力线爬行，因此，最好能直接从电力线上获取能源，即耦合供电。