·868· 工程科学学报，第38卷，第6期 保稳定供电具有极其重要的意义.绝缘子串更换是 走轮及其夹持机构、导轨等几个部分构成.机械臂1 电力部门带电作业的重要内容之一，传统更换方 和机械臂2分别为三自由度和四自由度机构，机械 法4主要是通过携带工器具登塔完全依靠人工独 臂1固定于机体上，机械臂2与机械臂1一样除具有 立完成，然而高空和高压环境使得完全依靠人工不 旋转、伸缩和纵移三个关节外，还另有一横移关节， 仅劳动强度大和作业效率低，而且危险性高.基于此 可沿机体横向移动.机器人作业末端由W销推送机 本文研制出一种高压线路绝缘子串更换带电作业机 构和绝缘子串取装机构构成.W销推送机构由三个 器人，通过搭载的双机械臂及其作业末端完成关键 关节构成，一个移动关节携带夹爪实现碗头挂板的 位置的定位，并在人工辅助下实现绝缘子串的更换. 夹持，另两个移动关节分别实现W销的推出和推入， 机器人机械臂动力学模型是机械臂运动控制的基 绝缘子串取装机构由以曲柄摇杆机构为工作原理的 础，目前国内外学者利用不同的方法对机械臂动力 夹爪对钢帽进行夹持，由横移关节的前后运动对绝 学建模进行相关研究.文献78]基于拉格朗日方 缘子串推出和装入. 程分别与有限元法、假设模态法和奇异摄动法相结 碗头挂板夹持机构 绝缘子夹持机构 W销推块 合得到不同形式的双连杆机械臂动力学模型.文献 机械手1 机械手2 9-lO]利用Newton--Euler法推导多连杆可重构机 机械臂2 械臂的动力学模型，该方法利用动量矩定理，物理意 奇睁行走轮 机械臂1· ·夹爪 义明确，能够清晰地表征系统完整受力关系，但该方 奇臂· 偶臂 法方程数量较多且计算效率较低.文献1]基于 Kane方程在惯性参考坐标系中建立刚柔机械臂的动 力学模型，Kane方程其特点是建模过程中不出现内 力项，实现了动力学方程的计算机推导.文献2] 导轨控制箱 基于Hamilton原理并结合假设模态法建立了具有旋 图1带电作业机器人实体结构图 转关节的单连杆机械臂动力学模型，Hamilton原理采 Fig.1 Entity structure of the live working robot 用能量方式建模，避免建模过程中的内力项，适合结 构较简单的机械臂系统，对于结构复杂的系统 1.2绝缘子串更换作业原理 Hamilton函数变分运算计算量将大幅增加.因此，机 单分裂导线上的悬垂绝缘子串联接结构如图2所 械臂的动力学建模大多是利用上述方法并结合系统 示.实现绝缘子串更换作业的关键是推出位于碗头挂 特征而形成的一种复合建模方法.针对带电作业机 板凹槽内的联接部件W销，然后将绝缘子串的球头从 器人特定作业环境，为尽可能地减小作业环境对机 碗头挂板凹槽内推出，使得绝缘子串的下端处于自由 械臂运动的影响，本文将机械臂作业动作分解，利用 状态以便于人工辅助更换，更换完毕后将下端处于自 拉格朗日法并结合关节电机的电枢方程，建立了机 由状态的新绝缘子串球头推入碗头挂板凹槽，并推入 械臂的动力学模型.该模型考虑了高压电磁环境对 W销即完成一次完整更换.在作业过程中机器人主要 机械臂关节电机的影响，在一定程度上可以提高机 负责碗头挂板的夹持、绝缘子的夹持、W销的推进与 械臂运动控制的精度.基于该模型提出五次多项式 推出、球头的推进与推出，人工主要负责收紧放松导 插值的机械臂运动规划方法.该方法与三次多项式 线、更换绝缘子串，通过这种人机协调工作的方式实现 插值相比，除了满足关节位移和速度性能要求外，进 绝缘子串的更换 一步满足了关节加速度的动态性能要求，消除了在 起始点和终止点加速度的突变对各关节冲击的影 2带电作业机器人机械臂动力学建模 响，提高了机器人作业过程的稳定性 在绝缘子串更换作业过程中机械臂的基本动作有 1带电作业机器人的实体结构与绝缘子更 旋转、伸缩、横移和机械手的纵移，由于机械臂2比机 换作业原理 械臂1多一个横移关节，因此本文将以机械臂2为例 1.1带电作业机器人的实体结构 对基本动作进行动力学建模 带电作业机器人的实体结构如图1所示.机器 2.1机械臂的横移 人主要由控制箱、双机械臂、双机械手及其末端、行 设x是机械臂2质心横坐标，m,为其质量，则机械工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 保稳定供电具有极其重要的意义． 绝缘子串更换是 电力部门带电作业的重要内容之一，传 统 更 换 方 法［4--6］主要是通过携带工器具登塔完全依靠人工独 立完成，然而高空和高压环境使得完全依靠人工不 仅劳动强度大和作业效率低，而且危险性高． 基于此 本文研制出一种高压线路绝缘子串更换带电作业机 器人，通过搭载的双机械臂及其作业末端完成关键 位置的定位，并在人工辅助下实现绝缘子串的更换． 机器人机 械 臂 动 力 学 模 型 是 机 械 臂 运 动 控 制 的 基 础，目前国内外学者利用不同的方法对机械臂动力 学建模进行相关研究． 文献［7--8］基于拉格朗日方 程分别与有限元法、假设模态法和奇异摄动法相结 合得到不同形式的双连杆机械臂动力学模型． 文献 ［9 － 10］利用 Newton--Euler 法推导多连杆可重构机 械臂的动力学模型，该方法利用动量矩定理，物理意 义明确，能够清晰地表征系统完整受力关系，但该方 法方程数量 较 多 且 计 算 效 率 较 低． 文 献［11］基 于 Kane 方程在惯性参考坐标系中建立刚柔机械臂的动 力学模型，Kane 方程其特点是建模过程中不出现内 力项，实现了动力学方程的计算机推导． 文献［12］ 基于 Hamilton 原理并结合假设模态法建立了具有旋 转关节的单连杆机械臂动力学模型，Hamilton 原理采 用能量方式建模，避免建模过程中的内力项，适合结 构较 简 单 的 机 械 臂 系 统，对于结构复杂的系统 Hamilton函数变分运算计算量将大幅增加． 因此，机 械臂的动力学建模大多是利用上述方法并结合系统 特征而形成的一种复合建模方法． 针对带电作业机 器人特定作业环境，为尽可能地减小作业环境对机 械臂运动的影响，本文将机械臂作业动作分解，利用 拉格朗日法并结合关节电机的电枢方程，建立了机 械臂的动力学模型． 该模型考虑了高压电磁环境对 机械臂关节电机的影响，在一定程度上可以提高机 械臂运动控制的精度． 基于该模型提出五次多项式 插值的机械臂运动规划方法． 该方法与三次多项式 插值相比，除了满足关节位移和速度性能要求外，进 一步满足了关节加速度的动态性能要求，消除了在 起始点和 终 止 点 加 速 度 的 突 变 对 各 关 节 冲 击 的 影 响，提高了机器人作业过程的稳定性． 1 带电作业机器人的实体结构与绝缘子更 换作业原理 1. 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 Fig． 1 Entity structure of the live working robot 1. 2 绝缘子串更换作业原理 单分裂导线上的悬垂绝缘子串联接结构如图 2 所 示． 实现绝缘子串更换作业的关键是推出位于碗头挂 板凹槽内的联接部件 W 销，然后将绝缘子串的球头从 碗头挂板凹槽内推出，使得绝缘子串的下端处于自由 状态以便于人工辅助更换，更换完毕后将下端处于自 由状态的新绝缘子串球头推入碗头挂板凹槽，并推入 W 销即完成一次完整更换． 在作业过程中机器人主要 负责碗头挂板的夹持、绝缘子的夹持、W 销的推进与 推出、球头的推进与推出，人工主要负责收紧放松导 线、更换绝缘子串，通过这种人机协调工作的方式实现 绝缘子串的更换． 2 带电作业机器人机械臂动力学建模 在绝缘子串更换作业过程中机械臂的基本动作有 旋转、伸缩、横移和机械手的纵移，由于机械臂 2 比机 械臂 1 多一个横移关节，因此本文将以机械臂 2 为例 对基本动作进行动力学建模． 2. 1 机械臂的横移 设 x 是机械臂 2 质心横坐标，m2为其质量，则机械 · 868 ·