[发明专利]一种双臂巡检机器人质心自动调整控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及巡检机器人质心控制领域，具体地说是一种双臂巡检机器人质心自动调整控制系统和方法。

背景技术

轮臂复合结构的输电线巡检机器人是当前巡检机器人中的常见类型，这种机器人通过轮臂复合机构实现机器人在架空输电线上行走及跨越线路障碍。机器人在跨越障碍时需要在单臂挂线状态下调节各关节运动使脱线手臂跨越障碍物。机器人跨越障碍时的姿态变化使得机器人的质量分布发生变化，从而造成倾斜，导致机器人承受附加倾覆力矩而处于不稳定状态，尽管挂线手臂通过夹线机构能够提供一定的夹紧力，但是过大的夹紧力容易损坏挂线处的输电线路。由于机械结构限制，机器人倾斜还容易使脱线手臂与线路发生干涉。因此保持机器人越障时处于动态稳定状态是实现机器人越障的关键。

机器人的动态稳定状态是指在机器人单臂挂线运动时通过实时调整机器人质心位置而保持机器人处于水平姿态的状态。邬大为等人通过模型计算，规划配重块的位置以调整机器人质心实现机器人的稳定运动，这种方法对建模精度要求很高[邬大为，阮毅，任志斌.基于产生式系统和轨迹优化的巡线机器人控制[J].计算机工程与设计，2008，29(11)：2868-2870.]；朱兴龙等人提出一种通过控制配重块位置调整质心的方法，利用静力矩平衡方程初步估计配重块位置，当配重块到达估计位置后再利用倾角传感器的输出调整配重块位置使机器人稳定在水平姿态，这种方法可以保证机器人最终在稳定状态，但是无法保证运动过程中机器人始终处于稳定状态，即无法保证机器人质心的动态稳定[朱兴龙，王洪光，房立金，等.自主越障巡检机器人质心调节控制[J].机器人，2006，28(4)：385-388.]。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种双臂巡检机器人质心自动调整控制系统和方法，能在建模误差和干扰的情况下，使机器人双臂交错运动时保持稳定状态。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种双臂巡检机器人质心自动调整控制系统，倾角传感器设置于机器人的控制箱内，且通过A/D转换电路连接处理器，检测机器人的倾斜角度并输出对应的模拟电压信号，通过A/D转换电路转换为数字信号发送给处理器；

位移传感器设置于每个关节的运动电机上，且连接处理器，采集各个关节相对于各自零点的位移，发送到处理器；

处理器通过RS232通信转换器连接关节电机驱动器，发送控制命令到关节电机驱动器，驱动电机运动。

所述位移传感器包括前臂5关节位移传感器、后臂5关节位移传感器和6关节位移传感器。

所述关节电机驱动器包括前臂5关节电机驱动器、后臂5关节电机驱动器和6关节电机驱动器。

一种双臂巡检机器人质心自动调整控制方法，建立机器人单臂挂线的动力学模型；根据建立的动力学模型设计控制器，完成质心调整。

所述建立机器人单臂挂线的动力学模型包括以下过程：

在后臂挂线运动中，在后臂悬挂点中心建立基坐标X₀Y₀Z₀，假设该基坐标固定；

机器人有9个运动关节，设m_i(i＝0,1，…,9)为各连杆的质量，s_i为各连杆的质心在本连杆坐标系中的位置，l_i为机器人在初始位置时各质心之间的连接长度；θ为机器人水平倾斜角度，D为导轨总长；

在此基础上，建立机器人各连杆的D-H坐标系。

机器人在后臂挂线状态下运动时，后臂腕关节电机处于自由状态；施加在后臂腕关节处的力矩为：

τ₁＝¹Z₁¹n₁(1)式中：τ₁由后臂俯仰关节被动机构提供的阻尼决定；阻尼所提供的力矩与后臂俯仰角度θ-α成反比，其中α为输电导线与水平面的夹角，k为阻尼系数。则：

τ₁＝-k(θ-α)(2)由式(1)和式(2)得机器人绕关节1的z轴的力矩平衡方程为：

-k(θ-α)＝¹Z₁¹n₁(3)

机器人运动过程中，倾斜角度θ一般不会过大，设-10°≤θ≤10°，故可近似cosθ≈1，sinθ≈θ，将式(3)整理得：

式中：