高壓輸電線巡檢機器人的機械設計【優(yōu)秀課程畢業(yè)設計+含ug三維3d建模及3張CAD圖紙+帶任務書+48頁加正文2.02萬字】-jxsj22

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摘要

隨著機器人的研發(fā)和應用范圍逐漸擴大，將機器人技術使用于高壓線的普通檢測和修護受到技術學者的學習和研究。巡檢機器人在復雜的輸電線背景下完成檢線任務，要具有自主完成跨越線路上的各種障礙能力。因此，巡檢機器人的本體結構決定著巡檢機器人的現實功能，也是決定著巡檢機器人實用性和便捷性的關鍵技術之一。

所以本文對國外和國內刊登的巡檢機器人的機械結構進行了匯總描述，并在熟悉他們的研究后研究出了創(chuàng)新型的檢線機器人的本體結構，本論文以輸電線的相線為工作途徑，使用三手臂加單獨總體箱的形式，機器通過機械臂手輪抓結構懸吊于線路上，可以根據相線的線路實體，選擇滾動的輪子為行駛方式或者遞進爬行方式實現在線路上移動，遇到線路上的異物時，也可通過三手臂的相互交換運動越過障礙物，繼續(xù)前行。

本論文采用了雙臂在一側的懸掛是本論文設計的另一特點，因此在工作時可將機器人懸掛于線路一側，避免了線路上其他的設施對機器人線上作業(yè)進行阻擾。本設計所述巡檢機器人本體結構較簡單明了，容易實施操控和使用，對線路工作的具體實施環(huán)境具有很好的能力去適應。

關鍵詞：高壓輸電線；巡檢機器人；越障；強度校核；機械手臂；

ABSTRACT

   With the development and application of the robot is gradually expanding, and repair the ordinary detection robot technology used in high-pressure line technology by scholars to study and research. The transmission line inspection robot in complex background check line to complete tasks, with independent ability of various obstacles on the line. Therefore, the body structure of robot's decision a practical function of the inspection robot, but also determines the key technology of inspection robot is practical and convenient.

  So the mechanical structure of the foreign and domestic published inspection robot are summarized and described in the familiar after their research .developed the body structure of wire inspection robot innovative, this paper takes phase transmission lines for the work, the use of three single arm and total body box in the form of the machine through the arm the hand wheel structure of catching suspended in the line, according to phase line entity, the choice of rolling wheels on the road for the realization of online mobile or progressive crawling driving, something on the line, but also through the three arm exchange movement over obstacles, move on.

This paper used the arms is another characteristic of this paper is on the side of the suspension, so the work can be hung on the side of the robot line, to avoid the line of other facilities to block the robot online homework. The design of inspection robot body structure is simple and clear, easy to control and use. The specific implementation environment on line work has a good ability to adapt.

 Key word：High voltage transmission line; inspection robot; obstacle surmounting; strength check; mechanical arm;

目錄

第一章 緒論 1

1.1設計的背景和意義 1

1.2國內外研究現狀分析 1

1.3國內的發(fā)展狀況 4

1.4機器人本體結構需要解決的一些關鍵問題 6

1.5本文的主要研究內容 7

第二章巡檢機器人的工作環(huán)境和原理分析 7

2.1高壓輸電線的特點和組成 8

2.1.1高壓輸電線路的特點 8

2.1.2高壓輸電線路的組成 8

2.2高壓輸電線的巡檢內容及原理 10

2.3 高壓線巡檢機器人的設計要求 12

2.4巡檢機器人整體設計方案的選擇 12

2.5 本章總結 15

第三章 高壓線巡檢機器人的結構設計 16

3.1巡檢機器人整體設計方案的選擇 16

3.2柔性臂 17

3.3驅動部件的選擇 19

3.3.1垂直導軌步進電機的計算選型 20

3.4主要部件的設計 21

3.4.1滾輪部分 21

3.4.2中手腕部分 22

3.4.3手掌部分 23

3.4.4大臂部分 23

3.4.5小臂部分 24

3.4.6箱體部分 25

3.4.7輪子開合軸 26

3.4.8手腕部分 26

3.4.9搖桿部分 27

3.5.0總體三維設計圖 28

3.6本章總結 30

第四章 高壓線巡檢機器人運動分析和強度校核 31

4.1巡檢機器人沿線爬行的運動分析 31

4.2高壓線巡檢機器人越障作業(yè)的運動分析 31

4.2.1跨越防震錘的運動分析 32

4.2.2定臂轉動的運動分析 34

4.3主要零部件的強度校核 36

4.3.1絲桿的強度校核 36

4.3.2齒輪的校核 37

4.3.3大臂的強度校核 39

第五章 總結與展望 41

5.1論文的主要工作和結論 41

5.2展望 41

致謝 43

參考文獻 44

大學畢業(yè)論文（設計） 大學畢業(yè)論文 (設計 ) 題 目： 高壓輸電線巡檢機器人機械設計 指導老師： 張小棟 學生姓名： 晁端陽 所屬院系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械工程 （礦山機電） 班 級： 機械 13成日期： 2017 年 05 月 31 日 大學畢業(yè)論文（設計） 聲明 鄭重聲明，本人 設計 的畢業(yè)論文《高壓輸電線巡檢機器人 的 機械設計》 系 本人在張小棟老師指導下獨立完成， 設計 中所引 述的其他學者 的無論以何種 行 式發(fā)表 的 內容或 研究成果， 本人都 在論文中 特 加說明。沒有抄襲、剽竊他人成果，由此造成的一切后果由本人負責。 學生簽名： 年 月 日 大學畢業(yè)論文（設計） 新 疆 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 班 級： 機械 13 姓 名： 晁端陽 論文（設計）題目： 高壓輸電線巡檢機器人的機械設計 專 題： 要求完成的內容 : 1）調研快速 高壓輸電線巡檢機器人 發(fā)展現狀， 進行 工作環(huán)境和原理分析 ； 2） 逐步設計 巡檢機器人的機械結構包括各個零部件的設計 ； 3）利用成 檢機器人的機械結構 的所有零件建模及整機裝配 4）進行機器人的運動分析和部分零件的強度校核 5)繪制完成 高壓輸電線巡檢機器人的裝配圖 長） 1 張，零件圖 3張； 6）畢業(yè)設計說明書一份（ 字左右）； 發(fā)題日期： 2017 年 01 月 05 日 完成日期： 2017 年 5 月 31 日 實習實訓單位 ： 洛陽一拖集團公司 地點： 洛陽 論文頁數： 53 頁； 圖紙張數 1 張， 2 張 指 導 教 師 ： 教研室主任 ： 院長 （ 系主任 ）： 大學畢業(yè)論文（設計） I 摘要 隨著機器人 的研發(fā) 和 應用范圍逐漸擴大 ， 將 機器人技術 使 用于 高壓 線的 普通檢測 和 修護 受到 技術 學者的 學習和研究。 巡檢機器人在復雜的 輸電線背景 下完成 檢線 任務，要具 有 自主完成跨越線路 上的 各種障礙能力。 因此， 巡檢機器人的本體 結構 決定 著巡檢機器人的 現實功能 ， 也是決定著 巡檢機器人 實用性和便捷性的關鍵技術之一。 所以 本 文 對 國外和國內刊登 的巡檢機器人的機械結構進行了 匯總描述 ， 并在熟悉他們的研究后研究出 了 創(chuàng)新型 的 檢線 機器人的 本體 結構 ，本論文以輸電線的相線為工作途徑，使用三手臂加單獨總體箱的形式，機器通過機械臂手輪抓結構懸吊于線路上，可以根據相線的線路實體，選擇滾動的輪子為行駛方式或者遞進爬行方式實現在線路上移動，遇到線路上的異物時，也可通過三手臂的相互交換運動越過障礙物，繼續(xù)前行。 本論文采用了雙臂在一側的懸掛是本論文設計的另一特點，因此在工作時可將機器人懸掛于線路一側，避免了線路上其他的設施對機器人線上作業(yè)進行阻擾。本設計所述巡檢機器人本體結構較簡單明了，容易實施操控 和使用，對線路工作的具體實施環(huán)境具有很好的能力去適應。 關鍵詞： 高壓輸電線；巡檢機器人；越障；強度校核；機械手臂； 大學畢業(yè)論文（設計） of is in by to in to of on of s a of of is So of in of of in of of in to of on of or on is of is on of so be on of to of to of is to on a to 疆大學畢業(yè)論文（設計） 錄 第一章 緒論 .................................................................. 1 計的背景和意義 ..................................................... 1 內外研究現狀分析 ................................................... 1 內的發(fā)展狀況 ....................................................... 4 器人本體結構需要解決的一些關鍵問題 ................................. 6 文的主要研究內容 ................................................... 7 第二章巡檢機器人的工作環(huán)境和原理分析 ......................................... 7 壓輸電線的特點和組成 ............................................... 8 壓輸電線路的特點 ............................................. 8 壓輸電線路的組成 ............................................. 8 壓輸電線的巡檢內容 及原理 .......................................... 10 壓線巡檢機器人的設計要求 .......................................... 12 檢機器人整體設計方案的 選擇 ........................................ 12 章 總結 ............................................................ 15 第三章 高壓線巡檢機器人 的結構設計 ........................................... 16 檢機器人整體設計方案的 選擇 ........................................ 16 性臂 .............................................................. 17 動部件的選擇 ...................................................... 19 直導軌步進電機的計算選型 .................................... 20 要部件的設計 ...................................................... 21 輪部分 ...................................................... 21 手腕 部分 .................................................... 22 掌 部分 ...................................................... 23 臂部分 ...................................................... 23 臂部分 ...................................................... 24 體 部分 ...................................................... 25 子開合軸 .................................................... 26 腕部分 ...................................................... 26 桿部分 ...................................................... 27 體三維設計圖 ................................................ 28 章 總結 ............................................................ 30 第四章 高壓線巡檢機器人 運動分析和強度校核 ................................... 31 檢機器人沿線爬行的運動分析 ........................................ 31 大學畢業(yè)論文（設計） 壓線巡檢機器人越障作業(yè)的運動分析 .................................. 31 越防震錘的運動分析 .......................................... 32 臂轉動 的運動分析 ............................................ 34 要零部件的 強度校核 ................................................ 36 桿的強度校核 ................................................ 36 輪的 校核 .................................................... 37 臂 的強度校核 ................................................ 39 第五章 總結與展望 ........................................................... 41 文的主要工作和結論 ................................................ 41 望 ................................................................ 41 致謝 ....................................................................... 43 參考文獻 .................................................................... 44 大學畢業(yè)論文（設計） 1 第一章 緒論 計的背景和意義 高壓輸電線 作為輸電的主體設施，在國家的公共設施和社會生活發(fā)展中起著主要作用，承擔著電力的傳送任務，因為高壓輸電線是暴露在外的金屬制成的線路，不斷收到環(huán)境或者人類生活的損害，因為經常裸露在自然環(huán)境中，很容易造成各種故障，如果來不及發(fā)現和排除，很容易對電力系統(tǒng)造成傷害。所以為了保證輸電線路安全和穩(wěn)定的運行，對輸電線路進行定期的巡查是很必要的。 以往 的 檢線形式 有 人在地面上檢測或通過直升機在空中檢測 ， 這些檢測方法 效率 不高 、 也不可靠 、 工作內容不足而且費用高 。 而機器人技術很巧妙地解決了這個棘手的問題。把巡檢機器人應用于高壓輸電線 路的巡檢作業(yè)，是一種符合現代化作業(yè)需求的方案。高壓線巡檢機器人在檢測高壓輸電線的工作中有著很大的優(yōu)勢，這個設計為檢測高壓線提出了人工智能化的機器設計，代替檢測員對線路進行普通的檢查和修復，從而減少檢線工作的任務，也可以減少巡檢的成本，并且能顯著提高檢測的可靠性，也提高作業(yè)的安全性，從而提高輸電線的日常檢測和修復的 水平 【 1】 。將機器人用于巡檢機器人可以近距離作業(yè) . 作為巡檢機器人最重要的部分，機器人的機械結構決定著機器人的性能。高壓輸電線巡檢機器人復雜的工作環(huán)和工作內容對機器人的機械結構有著很高 的要求。機器人 要跨越高壓線上的各種障礙物并帶著儀器進行檢測，機械結構決定著機器人的行走方式，儲存空間，抗壓能力，檢測方式等等。所以機器人的機械結構也是近幾年來國內外研究的熱點。 內外研究現狀分析 外籍中 對高壓輸電線路巡檢機器人的 探討開 始于 十九世紀八十年代。有西方的發(fā)達 國家展開了對高壓輸電線路機器人的 探討 。 1998 年，日本電氣公司 工作的巡檢機器人 【 5】 見圖 1個機器人使用兩個輪子，使用雙輪 同時行走 的本體 實現 工作和在線路上行駛 ，這種機器人 本體 機構驅動力矩大。 能 沿地線爬行，如果遇到線塔等異物時，該機器可以用像弓一樣搞得結構，在沒有人干擾情況下，能夠實現自己越障。這個機器人很重，結構也比較大。而且，該機器人將檢測到的數據記錄在磁盤上，不利于儲存，巡檢完固定距離線路后就要停止工作記錄數據，實際操作受到限制。 1988 年，由日本 司的 人發(fā)明的由多個單位組成的機器人 【 6】 。此機器人使用多個單位和“前部決定，后部跟隨” 的操控方式方式，幾個具有伸降臂加輪子的單元組成機體，由轉動環(huán)節(jié)接通每個單元，整個機器人 看起來像一個 蛇的機體，如圖 1示，通過巡檢機器人機械體上的傳感器，可大學畢業(yè)論文（設計） 2 自動跨越線路上的障礙物，該機器人能夠攝像出周圍的情況 【 26】 ，并能具有多點和較為復雜的輸電線上工作。 該機器人有 多個單位 組 接 而成，每個小車自 己具備動理力輪 ， 由 各個小車 自己的運動加上與其他車體的運動進而組合運動 。 圖 1檢機器人 1形 巡檢機器人 1-2 加拿大 的虧北河電器工作室 人在 2001 年開始 控車 【 8】 的發(fā)明工作，如圖 1系統(tǒng)開始的時用在掃除線路上的積雪，慢慢普及為用于輸電線的檢查和修復。 2003 年由巴巴西啦思大學的 人共同發(fā)明的一個檢線機構 【 13】 如圖 1機器人使用輪轉機構，通過放置其他附屬設施，能夠在線路上去除障礙物，安裝放學求等。但是這兩個大學畢業(yè)論文（設計） 3 機構都有一個缺點。那就是不具有越障功能，而且只能在兩塔之間的線路上活動，所以他們的其應用范圍受到限制。 圖 1控小車 1988 年美國 構發(fā)明了如下機器人 [5]，如圖 1示。 該機器人用爬的方式進行作業(yè)，通過中間手臂懸吊，兩側手臂協調爬動實現行走，并且?guī)е渌脑O備進行檢查和維護等相應工作 ， 包括線路檢測，絕緣錘檢查，障礙去除等。但時該機器人因受結構的限制，只能以仿生的運動方式進行工作，工作范圍有限。 圖 1國 臂式巡檢機器人 im 991 年 日本 發(fā)的 的 電力巡檢輸送器使用了獨立車體結構 ，如圖 1計） 4 所示 【 4】 。能夠在地面人員的 操控 下，沿電力線行走，將獲取的數 字 和圖片資料存在數據記錄器中 ，而且能用機構里面的探測器進行損傷的檢測，并且記錄具體的位置，而工作人員可根據傳回來的數據進行分析和處理，如需處理里面有足夠多的信息和地理位置，處理起來很方便 。 但是這個類似探測器的機構不具備在線行駛和跨越障礙的能力，所以他的實用性受到限制。不過這個設計獲得了很多獎項。 圖 1本 司生產的巡檢機器人 西米 的那思 大學 于 2003 年 由 明了如下機器人 ，如圖1示 【 23】 。 這個機器人采用一個單獨的機構加上其他不同的附屬設備，可在線進行線路檢測，障礙物的跨越和記錄線路上的不同情況，可根據不同的環(huán)境啟用不同的設備完成不同的功能。 但 是 這種機器人也不具有越障功能， 所以作業(yè)區(qū)域比較狹窄，而且只能在短距離進行檢測，現實工作受到限制。 圖 1警球安裝作業(yè)機器人 of 內的發(fā)展狀況 大學畢業(yè)論文（設計） 5 我 國 國 內對 于 巡檢機器人的研究起步相比于國外較晚，開展 相應的 研究 所 也并 不多。 在二十世紀 末， 我國國內的一些大學進行了相應工作的開展 ， 而且初具雛形，并且將很多實驗室研究出來的樣機在現實生活中進行了實用 。 有些學校開張的比較早，比如山東大學的武漢大學很早的進行了高壓輸電線的研究工作 。 受到國家的相關獎勵政策 ， 很多機構積極地相應，快速地進行了相關工作。 武漢大學 和 中科院沈陽自動化所 ， 山東大學 和河南電氣機構幾乎同時進行了相關工作。 自 隸屬于中科院的 動化研究所 發(fā)明了一種三個手臂的機械機構 ， 而且和山東大學共同研發(fā)所成， 如圖 112】 ， 它能夠在線上完成必備的巡檢工作，可以越過線路上的障礙物，并且可以將巡檢到的內容傳回地面，進行操控表。但這個機器人結構復雜，也比較重，行動笨重，不易于操控。 武漢大學設計的巡檢機器人有兩個巡檢機械手臂，直接連到控制箱，可快速的傳播信息。 如圖 14】 ，可 通過 臂上的滾輪在線路上 行走 ， 而且能滿足線上的越障能力 ， 而且行動靈敏，效率快，操控方便。但是該機器人在相線上行駛 ，而相線上的行動很復雜，機器人在行動過程中遇到比較多的困難，在相線上的行駛不如地線的方便，因為相線帶電，線路復雜，并且機器人在相線上行駛安全性不高。所以該機器人的使用范圍不廣 【 14】 。 圖 1東大學研制的三臂式巡檢機器人機械結構 a 疆大學畢業(yè)論文（設計） 6 圖 1漢大學研制的雙臂式巡檢機器人的機械結構 by 上所述， 上面的多個設計都是采取相線上運動的方式，而與機器人在地線上行駛相比，機構在 相線 上 的作 的工作形式 存在以下問題： （ 1） 相線上帶電，機器人行使比較危險。 （ 2） 巡檢機器人的巡檢范圍比較小，很多方向的檢測不到位。 （ 3） 相線上帶電，機器人在相線上行駛，產生的熱量較大，機體溫度較多、大，長時間行駛時，對機體的損耗較大。 （ 4） 在風雨雷電的情況下，相線容易放電，機器人在相線上時 比較危險。 器人本體結構需要解決的一些關鍵問題 由于 巡檢機器人研究的不斷 發(fā)展 ，人們對機器人的 機械 結構設計必然會提出更高的要求，主要 是 輕量化、操作簡單化 并且具有 越障高效 的功能 。 （ 1） 體積簡化，決定著機體 重量的 部分 有： 機體的大小和本體 結構等。 所以機器人設計中應該在滿足機器人性能的基礎上，盡量減少其尺寸，并且有著簡易的結構，從而滿足輕量化的要求。 （ 2） 操作簡單，執(zhí)行效率高；在機器人的設計中在滿足性能的技術上要盡量減少操作方式，使其便于操作，因為在復雜的高壓輸電環(huán)境下過多的操控會降低機器人的效率，所以 需要 盡量使機體簡化 ，選擇 簡易的本體結構可以 實現其 敏 、高效率的越障 能力 。 大學畢業(yè)論文（設計） 7 文的主要研究內容 根據上文的引述，本設計提出了一種新型的機器結構，此機構在地線上行駛，并且可以完成高壓輸電線上的日常巡檢任務 ， 其 主要工作分為以下幾個方面： （ 1）討論國內外現有的研究成果， 并且 分析存在的優(yōu)點和不足， 以及 論述本次設計的意義和目的。 （ 2） 簡述 高壓輸電線路的特點 與 組成， 清晰 分析 出 高壓輸電線路障礙物的結構 類型和特點 。并且分析巡檢間機器人的工作原理、 巡檢機器人巡檢越障作業(yè)特點和設計要求， 從而 為機器人的本體結構設計做準備。 （ 3）比較現有 的 設計方案的基礎，提出并設計一種新的機器人 的機械結構 ，以 適 應 高壓線地線作業(yè)環(huán)境 。 從 開始 的機構簡圖到具體的運動機構，并 清晰講 述此 機器人 機械 機構主要部件的 零部件 和功能作用 。能夠 利用 術給出機器人的三維實體模型和零件圖，并 且 對機器人巡檢作業(yè)和越障過程予以規(guī)劃和分析。 （ 4）進行巡檢機器人主要零部件的靜力學分析和強度校核以及其運動學。 （ 5）整體動畫分析并 總結當前的主要工作，分析不足，并對進一步的設計工作提出展望。 第二章巡檢機器人的工作環(huán)境和原理分析 序言： 大學畢業(yè)論文（設計） 8 研究高壓輸電線巡檢機器人的工作環(huán)境是機器人設計的基礎，分析巡檢機器人的工作原理是機器人設計的核心。巡檢機器人在野外工作，工作環(huán)境復雜多變，與之相應的要有縝密的原理分析，本章將就巡檢機器人的工作環(huán)境和工作原理進行研究。 壓輸電線的特點和組成 壓輸電線路的特點 熟悉并了解 高壓輸電線 路 的特點和組成 才能更好地 設計巡線機器人 機械 結構。 現實中我國高壓輸電線的電壓主要有 ； 102510023030050其中以 100上的電壓為主 【 23】 ， 其具有成本高，應用范圍廣，工程的任務重，而且在日常中，這些線路都裸露在自然環(huán)境中，很容易受到日積月累的風吹雨淋和雨雪的侵害，這些容易使高壓輸電線造成故障，從而為輸電帶來麻煩。這樣的影響決定著人的生活用電和工業(yè)用電。對這些問題的及時檢測和維修，能最大程度的保障日常生活的用電需求，所以是很有必要的。 高壓輸電線 路 主要有以下特點： （ 1） 的地理環(huán) 境復雜，氣候惡劣， 輸電線路 必須 穿過許多地質條件 各異 的地區(qū)，其地理環(huán)境 和 氣象等條件 相對 比較復雜，地質條件變化 很 大。 （ 2） 高壓輸電線的所在環(huán)境復雜，在荒野外，范圍廣定點多，線路長，這些因素導致高壓線很容易受到自然環(huán)境的侵害，從而導致輸電障礙。 （ 3） 我國 輸電線路對于國民經濟 是 至關重要 的 ，尤其超高壓電力線路關系到 一個地區(qū)的國防 、 工業(yè) 、人民生活 的用電安全， 因此絕 不能出現事故， 并且 在工程地質上對其穩(wěn)定性有 更 高的要求。 壓輸電線路的組成 高壓輸電線路主要 構成 有： 基礎組成有比如由混凝土以及與其混合而成的底盤。輸電線有相線，地線，還有避免遭受雷電的線路等等。 電 線 桿 由 水泥桿、金屬桿、及鐵塔、絕緣子串 和 各種金具等 。這些零部件構成完整的輸電線， 這些 部件 有機的 組 成了高壓輸電線路 【 12】 。 導線用于傳送電流 ； 將電流引入大地的叫做避雷線，通過這種形式使 線路 保護線路從而避免遭到損害 ；桿塔 是支撐諸如導線和相線以及地線，而且使上述這些線路保持距離，以及使導線和周圍的地面，樹木，公路水面，房屋等，保持安全距離。而絕緣子的作用是時桿塔和輸電線之間保持絕對的安全距離 ； 110上的 超 高壓輸電線路 的架空高度一般在 30 米左右 。兩個塔的距離一般在 300 到 500 米，一些復雜的地理環(huán)境，塔尖距離根據情況調整隨時都有轉換線路方向或者跳線等問題。而且相線上的其他設備也比較。 ，如圖 22示。 大學畢業(yè)論文（設計） 9 圖 2壓輸電線路組成 2輸電線路的主要元器件 he of 為有高壓 電流通過相線 ， 所以為了輸電安全 ， 相線要和周圍的設施保持相應的距離，高壓線路和周圍的設施保持的最短間距 見表 2此，出于安全考慮， 機器人的尺寸不能太大 。 而且考慮到線路的增重變形，機器人也不能太重 【 23】 。 表 2電體與塔架最小間距 【 2】 （米） m） 大學畢業(yè)論文（設計） 10 壓輸電線的巡檢內容 及原理 巡 檢工作是 輸電線路 檢修維護 的 重要 內容， 涉及到線路的安全 ， 在日常對線路的總體工作重占主導地位，如果線路的巡檢沒有到位，馬虎大意，有些問題沒有發(fā)現，不僅耽誤了線路的檢修維護工作，而且還會使輸電工作不能滿足日常需需求，更有造成重大電力災害的可能，威脅到人身安全。 使線路設備運行、維護以及 管理工作 滯后 ，安全運行水平降低 。 能夠使線路產生故障的原因繁多，比如輸電線的有些部分長時間不用老化，而所處的環(huán)境又不斷變化，這些都有可能導致障礙的出現。所以 ， 高壓 輸電線路的 作業(yè) 內容主要有以下幾個方面： （ 1） 沿線巡視有沒有影響或者妨礙線路的其他物體，例如積雪，天線或附近居民堆積的一些農作 物和比較高的樹木等 。 （ 2） 有時候塔桿會傾斜，所以要檢測 桿塔 的傾斜程度，幅度不能太大。構成塔架的混凝土有的會被腐蝕，根據資料，也不能能超過 且不能讓太多的金屬裸露在外，而有些特制的 木桿 也要進行進水 腐朽 檢測 ， 木桿的根部也要防水處理。 （ 3） 各類輸電線有沒有斷股的問題 、 或者接頭處有沒有發(fā)熱和放電的情況 ，而位于 桿塔 的 絕緣子 不能傾斜程度太大，一般 不得 超過 15°。 （ 4） 線路上的斷路器安裝牢靠與否，是否變形 ， 一些 標志指示 能不能明顯看出 ； 輸電線上的 瓷件有 沒有開裂露出金屬，從而有漏電放電的可能。各種線路之間距離是否合適，對周圍物體是否有安全距離。 （ 5） 用于避雷的裝置是否受損，避雷器的保護套有沒有受損 ； 以及用于 接地 的 裝置 是否裸露 ，或 者放電可能 ， 各個連引線有沒有受損 ，接地引線是否 完整 ，特別是 是防雷 線與輸電線之間的距離是否在安全范圍之內等 。 機器人在現實中工作有以下兩個階段 ： 在線上無障礙前進，在線上越障行駛。前者比較簡單，沿線行駛即可，一般在坡度不是很大的路段上，可通過滾動的滾輪實現對速度的控制，這一階段運行耗能也少。當坡度大時，三個機械手協調運動，采用類 似蛇形一樣爬行，兩臂固定，第三臂運動，三臂相互協調，交替運動。第二個階段，碰到比較小的障礙物，可通過小臂仰俯運動，使輪子抬高從而越障，碰到比較大的障礙物時，則需要固定前臂，然后后面兩個手臂脫線，繞著前臂定軸轉動，轉過障礙物后重新懸掛在線上 。 巡檢機器人必須要能夠滿足在線上工作的需求，也要使保障工作安全。機器人工作時可以調節(jié)相關部件從而滿足工作需求，所以 在此過程中執(zhí)行各種動作 時 ，應避免出現以下情況： （ 1） 巡檢機器人在正常行駛時，主要靠輪子的滾動，高壓線摩擦系數不高，所以不能使輪子打滑，從而導致機體不能正常運動。 大學畢業(yè)論文（設計） 11 （ 2） 巡檢機器人的固定輪必須有力，在行駛中能夠抓緊線防止脫落。 （ 3） 巡檢機器人在正常工作時，要與輸電線或者線路上的其他設備保持一定的安全距離，防止碰撞。 圖 2壓線巡檢機器人的作業(yè)環(huán)境 s 文中 高壓 巡線機器人的工作原理和過程 可概括 為： 1) 機器人上線； 2) 巡檢機器人主體箱中的控制器接到工作命令時，驅動主體沿地線行駛 ； 3) 巡線機器人 在沒有障礙的路段行駛時主要靠滾輪滾動的方式驅動。在前進的過程中，要檢測前方可能遇到的障礙物，并對障礙物通過攝像機拍攝，拍攝后將機體的運動狀態(tài)位置和障礙物的情況傳輸到地面的控制基地，從而決定機器人如何應對 ； 4) 在機器人行駛過程中遇到比較小的障礙物時，因為輪子采用中空設計，輪子下方留有一定的空間，可通過小臂仰俯運動抬高輪子從而使機器人越過障礙物繼續(xù)行駛。 5) 當巡檢機器人檢測到比較大的障礙物時，上升輪子不能滿足要求，此 時控制器就會驅動小臂仰俯運動使前臂上升，此過程跟遇到較小的障礙物一樣，上升到最大高度是，打開輪子的開合裝置，是輪子兩邊打開，這樣可以形成很大的空間提供越障。前臂通過障礙物后，繼續(xù)前進，中間手臂遇到障礙物，因為中間手臂不能上升，只能打開，從而越過障礙。在第三個機械臂運動到障礙物時跟前手臂遇到障礙物一樣，可以上升然后打開開合裝置，從而越障。越過障礙物后重新掛線，繼續(xù)行駛； 6) 有些障礙物，比如及較大的懸線錘，小臂的上升加上手掌開合也不能滿大學畢業(yè)論文（設計） 12 足越障，此時只能通過第三種方式。第一個手臂遇到障礙物時，盡可能靠近，然后 固定住。后面兩個輪子打開，脫落，整個機體靠前臂的抓緊固定在線上，然后通過前臂的定軸轉動，使機體繞著前臂進行定軸轉動，旋轉過障礙物 【 23】 。旋轉過障礙物后，后面兩只手臂重新掛線，從而實現對障礙物的跨越。 壓線巡檢機器人的設計要求 通過 上文 對高壓輸電線路 的分析 和 對 巡檢機器人作業(yè)環(huán)境的分析，對巡檢機器人的 機械 機構的設計提出了 如下 要求： （ 1）高壓線巡檢機器人的 本體 結構和重量 因為巡檢機器人在輸電線上行駛，這種特殊的行駛載體，對其重量有很高的要求。因為機器人的重量和一些附屬裝備的重量都由高壓線承擔，而線路的承載能力肯定是有限的，查閱相關資料可得 ， 高壓輸電線的承載能力大約在 200當然 ，機器人本體的重量應 遠不及 這個標準。 （ 2） 巡檢機器人本體機構的相關功能和技術要求 機器人的本體機械設計決定著巡檢機器人如何在巡檢工作中運動，是適應高壓輸電線巡檢環(huán)境和巡檢人物的關鍵，為了滿足實際要求，對機器人提出以下要求 ： 1）移動能力： 無論是在平緩的線路還是有坡度的線路，機器人都要有精 確地移動位置，穩(wěn)定的移動能力，并且能夠保證移動的安全性，這是機器人最基本的能力 。 3）越障能力： 線路上有各種各樣的障礙物，所以越障能力是機器人優(yōu)越性的考量標準，也是實際作業(yè)的必然要求。所以說設計的機器人應該具有跨越一般障礙物的功能，是機器人順利行駛。 4）承載能力： 機器人的運行方式是懸掛在線上，而且有其他的附屬設備，所以機器人必須要有相應的承載能力。有足夠的空間和能力來攜帶相關設備。 檢機器人整體設計方案的 選擇 （ 1）纜車式結構的設計方案 因為高壓線路本身的性質決定了輸電線有相應的承載能力，所以巡檢 機器人就可以直接在線路上行駛。而絕大部分線路上是沒有障礙物的 【 14】 ，所以參考資料中 可采用如圖 2示的 獨立 纜車 的機構設計 ， 滾輪懸掛在線路上承載機體，而控制箱攜帶相應的設備。行動的時候通過滾輪滾動前進。通過控制箱里面的相應設備完成線路檢測，障礙物預警，線路信息傳回等工作。最早的巡檢機器人也是如此，但是類似這種設計沒有越障能力，越到障礙物無法跨越，所以只能短線行駛，在兩塔之間行駛，起作業(yè)范圍有限，其實用性受到限制。 大學畢業(yè)論文（設計） 13 圖 2車形式的結構 of 2）多自由度仿生手臂的設計方案 在上述方案的基礎上，為滿足機器人在線路上的各種作業(yè)需求，在的沿線作業(yè)的基礎上增加了越障功能。越障功能的實現依靠多個手臂和手抓機構來執(zhí)行，并且有相應的輔助機構， 參考文獻 [10]中 提 有一種這樣的設計 ， 這種設計的 機器人在兩個手臂上設計 兩個轉動關節(jié) 和一個可以直線活動的關節(jié)，而通過機械臂末端的手抓懸掛在線路上。當機器人遇到障礙物時，一個手抓固定，另一個手抓脫落線路后通過相關部件的協調運動來實現跨越， 如圖 2示。這種設計方案 能夠越過線路上的一般障礙物 【 22】 ，缺點是，在越障的過程中機器然不太穩(wěn)定，一個手臂抓線時集體容易出現偏差，對這個缺點的改進可以通過增加手臂上的腕關節(jié)，如圖 2示。 這樣改進后。機器人在運動中具有了良好的穩(wěn)定性。 上述兩種設計 均使用了通過手臂擺動的方式實現運動，而手臂本身通過轉動關節(jié)運動，缺點是手臂的運動范圍不足，在實際的工作中應用范圍有限， 不 太方便作業(yè)， 而且在行駛時，手臂的轉動關節(jié)承重過大，這樣就使得手臂的設計要求很高，不容易實現。 大學畢業(yè)論文（設計） 14 圖 2動臂式的手臂設計方案 2進后的擺動臂式的手臂設計方案 慮到上述兩種方案的優(yōu)缺點，和實際的要求， 本文提出了 如下的設計方案，高壓 輸電線路 復雜，跨度較大，線路上有各種各樣的障礙物，線路也具有一定的坡度和轉彎等?？紤]到這些需要克服的困難， 為了達到 相應的 要求， 安裝在機器人本體上的機械手臂必須靈敏而且多變，從而應對不同的線路情況。其工作范圍也要滿足實際要求。 能完成 必備 的 相應 動作，應有自由度 四到五個 個， 尺寸適中，質量不大。所以 我 參考了已有的機器人結構 ， 摒棄其缺點，保有其長處， 設計出了適用于 500電線路 以下 的 高壓輸電線巡檢機器人。 其總體機構 三 維 圖 示。 機器人的主要組成有 ： 機械手臂（大臂、小臂） 、 手腕手掌、驅動輪、傳動絲杠、主體箱等 。 大學畢業(yè)論文（設計） 15 圖 2巡線機器人三維圖 章 總結 高壓輸電線是 如 今社會經濟的 主要 生命線，對 輸電線 有效的巡查 以及 監(jiān)督是電力部門 首要 任務之一。 而 了解 高壓 輸電線的組成對機器人的設計起著 尤為 重要的 作用， 在高壓線上，高壓線的其他設備會對機器人的在線行駛進行阻礙。所以機器人在越障過程中，要考慮到這些障礙物的結構和特點。在行駛的過程中能夠順利跨越障礙物，并且保證安全和效率是設計巡檢機器人的基本要求。 本章在主要分析了巡檢機器人的工作環(huán)境即高壓輸電線的組成和所處的環(huán)境，并對相應的運動原理進行了簡單分析。提出了兩種簡單的方案設計，并給出了總體的設計三維簡圖。 大學畢業(yè)論文（設計） 16 第三章 高壓線巡檢機器人 的結構設計 序言： 在分析了巡檢機器人的工作環(huán)境和工作內容以及工作原理的基礎上，需要進一步對機器人的機構進行細致的分析，包括每一個零部件的設計，包括機械手臂，滾動輪，控制箱等主體設計。并用 出機器人的三維建模。 檢機器人整體設計方案的 選擇 （ 1）巡檢機器人懸掛結構的設計方案 巡檢機器人的手臂在行駛路徑的同一側或者兩側，通過對稱懸掛的方式在線上行駛。機器人的結構也是對稱的，這樣的穩(wěn)定性比較好，也給機器人的設計提出了一些參考。但是這樣的設計也有缺點，那就是行駛時容易受到線路的影響，因為懸掛在線路一側時，一側臨近塔架一側遠離塔架，所以這種懸掛方式會受到塔架的影響，在靠近塔架的活動范圍比較受限 。 本設計的機器人 方案 也是采用了同一側懸掛的方式， 如圖 3示。如果在結構設計時遵循一定要求、保證結構穩(wěn)定性的前提下，單側懸掛的結構設計可以滿足機器人線上作業(yè)的要求 。 圖 臂位于兩側的懸掛。 .1 at 臂位于同側的懸掛 3.2 at 2）作業(yè)路徑的選擇 機器人的工作路徑是其設計的主要因素。正如上文中提到，機器人既可以選擇沿相線行駛，也可以選擇沿地線行駛。相線因為是輸電線，質量比較高，也比較粗，而且在地線上行駛機器人取電也比較方便，地線的承載能力也很強。有很多設計也是參考了地線的設計。但是隨著研究工作不斷開展，有關結果表明 [12]，大學畢業(yè)論文（設計） 17 機器人 更適合在地線上行駛 。 原因有以下幾點 ： 第一，地線上的線路情況比較簡單，沒有過多的附屬設備。對機器人的設計要求也不是很苛刻 ； 第二，地線在相線的上面，機器人的視野比較寬闊， 攝像機在工作時能夠更完整的拍攝真實的線路情況 ； 第三，機器人工作時 ，會或多或少的影響線路， 對線路會造成或多或少的損傷，而地線非輸電線，多輸送電力不會造成太大的影響。與在相線上行駛相比，在地線上行駛雖然不能像在相線上行駛時取電比較方便，但卻避免了對輸電的影響，也避免了設計機械結構的復雜性。 例如越障時取電裝置可能也要參與越障，還有備用電源的切換問題等。 表 3檢機器人的基本構型 he 構 運動方式 自由度個 數 驅動方式 輪爪機構 腕臂機構 控制箱 滾輪轉動 輪子 開合 手腕轉動 手臂轉動 手臂升降 控制箱移動 1× 2 1× 2 1× 2 1× 2 1× 2 1 電機直接驅動 電機直接驅動 電機直接驅動 電機直接驅動 絲杠螺母 絲杠螺母 性臂 巡檢機器人的機械手臂是機器人主體結構最重要的組成部分，它的作用是通過滾動輪懸掛在線上，并且承擔主要的運動。通過大臂和小臂的回轉和仰俯運動來實現承載主體箱 機 和移動調節(jié)整體機構的功能。一般為了實現機器人在線行駛 ，機械手臂最少要三個自由度 【 14】 。當然少數的巡檢機器人自由度比較少，有的只有兩個，但是其行動受到限制。手臂的結構選擇很多，查閱相關資料 【 2】 ， 常用的構形如圖 3示。 大學畢業(yè)論文（設計） 18 圖 3種機器人手臂構型 3-3 檢機器人要滿足通過手臂能最大程度的運動到需要的位置，滿足真實需求。同時機械機構要簡潔，容易操控。在同等體積同等重量的要求下，具關節(jié)手臂要比不具關節(jié)的手臂擁有更多的活動空間。而且具關節(jié)機器人的運動軌跡相應比較靈活，動作更加靈敏，所以本設計的機器人手臂采用多關節(jié)的機械結構。 手臂的結構有多種形式，常見的三自由度一般有如下幾種形式 ：如圖 3 2】 。 圖 3種三自由度手 臂 構形 大學畢業(yè)論文（設計） 19 of 中 B 表示 手臂的 彎曲結構， 表示組成相關的部件能在相鄰的運動組件上實現角度的變化 。 R 表示轉動結構， 表示組成相關的部件能在相鄰的運動組件上實現在 軸線 上轉動 。 其中 結構 擁有兩個彎曲結構，轉向功能比較多，結構尺寸較大，活動范圍較廣。而 構相對結構比較緊湊。有兩個轉動機構，占用的空間也比較少?？捎糜谑滞笫值臋C構設計。 由于 現實作業(yè)中，機械臂的運動要求機械臂整體要平行于地線， 綜合考慮后本設計采用的手臂擁 有四個自由度，其中 大臂小臂有 兩個自由度 來完成 機械手 臂的位置 變化 ， 手抓輪的 兩個自由度 來 確定手 輪 的姿態(tài) ，綜上考慮后， 最后 手臂的其 機械結構 形式如圖 3示 【 23】 。 圖 3性臂的最終構形 3-3 of 上所述， 機械手臂 臂由 地 座、肩關節(jié)、大臂、肘關節(jié)、小臂 組成。機械臂水平方向由肩關節(jié)實現，豎直方向的運動由肘關節(jié)和小臂末端的手腕來實現 。 參考 工作情況的需要 【 16】 ， 確 定出 本設計的 巡線機器人的 具體的尺寸 ： 大臂長： 350 手腕 邊長 ： 70臂長： 400 末端執(zhí)行器 70關節(jié)轉動范圍： 肩關節(jié)：± 90° 肘關節(jié)：± 90° 腕關節(jié)：± 90° 手掌關節(jié) ：± 90° 動部件的選擇 驅動機構為使機器人工作時提供了原始動力，目前的驅動方式主要有液壓驅大學畢業(yè)論文（設計） 20 動、氣動驅動和電機驅動三種。 液壓驅動， 這種驅動方式力量比較大，有足夠的 輸出力， 其缺點是成本比價高 ； 而相對于液壓驅動， 氣動驅動 造價成本低，而且比較容易操作，控制起來也比較方便，但是它的缺點也比較明顯 ， 就是精度不能達到要求，滿足要求相對較難。只能在低精度的要求下工作。實際作業(yè)受限 ； 相對于以上兩種驅動方案的選擇，電動驅動很容易控制，耗能不高， 而且結構很簡單，也不會污染環(huán)境。電動機控制的精度也相對較高，能滿足一般的作業(yè)要求。 是現代機器人 首選的 驅動方式 之一 。由于受電源和功率的限制，交流伺服電機和交流電機一般不能適用于巡線機器人。 步進電機 的工作方式使得 步進電機的 精度能夠達到一定程度。穩(wěn)定性高， 不會長期積累 誤差 【 8】 。步進電機的啟動方式也比較密，可以瞬時啟動，短時間停止，對于機器人的控制提供了很大的便利。并且可以 改變脈沖的順序， 也能對 轉動的方向 進行調整 。因此，從步進電機的特性和巡線機器人實際的作業(yè)過程考慮，各關節(jié)機構的驅動電機選擇用步進電機 【 26】 。 直導軌步進電機的計算選型 電機力矩的計算： 360????(3 設計任務的精度 ? 為 杠導程選為 5) 由公式得 ?? ?(3 電機的歩距角為 已知導程 料密度 337 . 8 5 1 0 /k g c m? ??? 滾珠絲杠轉動慣量： 324? (3 因