高压输电线路巡线机器人动力学研究：刚体、耦合与弹性振动分析

"高压输电线路巡线作业机器人中若干动力学问题的研究" 本文主要探讨了高压输电线路巡线作业机器人在动力学方面的一系列关键问题，为该领域提供了深入的理论研究和实践验证。作者肖晓晖在导师史铁林的指导下，针对这种特种作业机器人的刚体动力学特性、与柔性作业环境间的耦合动力学以及结构弹性振动特性进行了系统研究。 首先，文章介绍了六关节双臂反对称悬挂式的巡线机器人，该机器人能够携带检测仪器和通信设备，沿着架空输电线路进行自主巡检。通过对输电线路结构和作业特性的分析，定义了机器人在全路径巡检过程中的四种典型工况和相应的位姿，为运动规划打下了基础。 其次，论文深入研究了巡线机器人的刚体动力学特性。采用连杆坐标系构建了机器人的动力学模型，利用Lagrange方法推导出六自由度机器人的完整动力学方程，包含了惯量项、耦合惯量项、向心力项、哥氏力项和重力项。通过编写多刚体动力学仿真软件，对机器人在不同工况下的动力学行为进行了数值仿真，验证了机器人能够在预定的关节驱动力矩下实现预期的运动控制。 接着，研究了机器人与柔性作业环境（如输电线）之间的耦合动力学。结合多柔体和多刚体动力学理论，建立了机器人与大垂度输电线路的耦合模型，并在不同柔度的作业环境中进行数值仿真，揭示了柔性环境如何影响机器人的动力学响应性能。仿真结果显示，柔性环境会增加机器人的末端速度和加速度波动，且波动幅度随环境柔性增强而增大，波动随时间呈指数衰减。 此外，还在实验室的220kV 1:1模拟架空输电线上对巡线机器人进行了动态响应试验，对比数值仿真和实测结果，证实了所建立的理论模型和仿真计算的准确性。 最后，通过有限元理论的模态分析和试验模态测试，研究了巡线机器人的弹性振动特性。通过模态试验得到动态特性参数，并使用有限元法建立三维实体模型进行修正，找出机器人的固有频率和振型。分析表明，机器人的振动主要源自各关节，尤其是机械臂与滑台导轨的连接处，这些部位的连接刚度对机器人的固有特性有显著影响。 这项研究为高压输电线路巡线机器人的动力学优化和控制策略提供了理论支撑，为进一步开发高效、稳定的巡检机器人奠定了坚实基础。