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畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題目：自動檢線機構(gòu)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2012 年 12 月 24 日
1．畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1課題的背景
在電力輸送過程當(dāng)中，往往會出現(xiàn)由于局部電阻過大而導(dǎo)致線路局部過熱等會對輸電線路造成致命危害的故障，因此需要對超高壓線路進行人工沿線逐塔巡視，危險性極大。針對這一情況，本課題旨在設(shè)計一種檢線機器人，以改善工程測量人員特別是高壓輸電線路監(jiān)測人員的工作條件、提高工作效率 。
1. 1.2研究的意義
高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的動脈，其安全運行越來越受到各級部門的重視。輸電線路不僅要承受固有機械載荷和電力負(fù)荷的內(nèi)部壓力，而且還要經(jīng)受自然環(huán)境的各種外部侵害，如：腐蝕、污穢、雷擊、強風(fēng)、洪水、滑坡、沉陷、地震和鳥害等，以及人為的破壞。隨著時間的日積月累，勢必造成線路上出現(xiàn)各種故障，如：接觸電阻增大、導(dǎo)線斷股、避雷線斷裂、桿塔傾斜、絕緣子閃爍、金具脫落，如不及時發(fā)現(xiàn)和消除，將對電力系統(tǒng)構(gòu)成災(zāi)難性的危害。為保證輸電線路安全穩(wěn)定運行，需要對輸電線路進行仔細(xì)的巡查以防止意外情況發(fā)生。在我國，超高壓輸電線路的巡檢、維護基本上采用人工沿線逐塔巡視的作業(yè)方式，勞動強度大，費用多且危險性較高。電力部門迫切需要取代人力進行線路維護的巡檢設(shè)備。研制巡檢機器人應(yīng)用于超高壓輸電線路的巡檢作業(yè)，不僅可以減輕巡檢作業(yè)強度，降低費用，而且可以提高巡檢作業(yè)質(zhì)量和管理技術(shù)水平。迄今為止，國內(nèi)外對于超高壓輸電線巡檢機器人的研究還處于研制階段，尚無成熟的產(chǎn)品應(yīng)用于輸電線路巡檢作業(yè)。本項目擬完成一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的110kV超高壓輸電線路巡檢機器人實用樣機，本項目的研究對于提高電力部門自動化作業(yè)程度，獲得更高的經(jīng)濟效益和社會效益具有重要的意義。該樣機可以應(yīng)用于110kV超高壓輸電線路巡檢作業(yè)，其主要功能包括：巡檢機器人能夠在線路上一擋內(nèi)沿架空地線自主行走，其上攜帶的攝像機和紅外熱像儀作為檢測裝置，用于檢測輸電設(shè)備(輸電線、防震錘、絕緣子及桿塔)的損傷情況，并將檢測到的數(shù)據(jù)及圖像信息經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面基站，地面基站可以接收、存儲及顯示巡檢機器人發(fā)回來的數(shù)據(jù)和圖像資料，對機器人的運行狀態(tài)具有遠(yuǎn)程控制和檢測能力。超高壓線路維護的費用昂貴，以1lOkV的超高壓線路為例，輸電線路全長已超過27000公里，在現(xiàn)行的維護管理模式下，超高壓線路的運行費用由人員工資及工資附加費、日常維護費、大修費和技改費組成。根據(jù)國家電力公司1999年對國內(nèi)超高壓運行單位的調(diào)查報告，線路巡視成本為每公里每年為n13780-4680元，若以4200元計算，則常規(guī)巡檢年巡檢總費用約為11340萬元。在2010年前后，隨著三峽電力外送、西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)工程的實施，我國中部、北部、南部三個跨大區(qū)電網(wǎng)和全國聯(lián)網(wǎng)已基本形成。2010年以后，按照國家“西電東送”電力可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略部署，適時開發(fā)金沙江流域的水電站，并建設(shè)直流輸電系統(tǒng)送至華東、華中電網(wǎng)和南方電網(wǎng)。隨著電力體制改革和電力運營市場化程度的提高，研制技術(shù)先進，性能優(yōu)越的輸電線路巡檢裝備已成為急需解決的問題，因而超高壓輸電線路巡檢機器人具有強烈的市場需求，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。
1.3國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
高壓輸電線路檢測主要包括人工巡檢、高空巡檢和機器人巡檢三種。在我國目前大部分的巡檢任務(wù)都是通過人工巡檢來完成的。人工巡檢主要是依靠人工沿輸電線路步行或借助其他交通工具巡檢，其缺點包括：
a)人工沿線巡檢受地形條件限制。
b)巡檢的數(shù)據(jù)由于是人工注釋，因此數(shù)據(jù)不是很充分。
c)執(zhí)行檢測任務(wù)花費的時間很長，每次巡檢還需要攀越各類塔架。
d)在今天的技術(shù)條件下，一些技術(shù)被用來作為檢測方法，最大的進步就是利用熱敏照相機來檢測過熱點。在人工巡檢情況下，偶爾的光線會誤導(dǎo)巡檢者，另外，塔的高度限制了能夠檢測到更詳細(xì)的過熱點。高空巡檢是采用借助直升機或無人航天飛機在高空來完成巡檢任務(wù)，這種巡檢方式可以降低由于地形所帶來的影響。但缺點也很明顯，主要包括：
a)記錄檢測數(shù)據(jù)仍然比較困難。
b)所有的檢測工作都是在飛行階段完成的，因此增加了飛行的時間從而增加了檢測的成本。此外，對于無人航天飛機巡檢造價更高，要求的技術(shù)問題更為復(fù)雜，國內(nèi)在這一領(lǐng)域暫時還沒有研究。由于這種巡檢方式成本過高，技術(shù)復(fù)雜，因此不具有可推廣性。
高壓巡檢機器人的顯著特點是可以自動跨越桿塔實現(xiàn)桿塔間的連續(xù)巡檢，完成跨越線路障礙物，這種機器人可以節(jié)省大量的物力和人力，而且安全系數(shù)更高。巡檢機器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，日本、加拿大、美國等發(fā)達(dá)國家先后開展了巡檢機器人的研究工作。
1.3.1國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
目前國內(nèi)關(guān)于巡檢機器人的研究主要集中在高校和研究所內(nèi)。這其中包括有武漢大學(xué)、山東大學(xué)、中科院自動化研究所和沈陽自動化研究所等。山東大學(xué)申請的專利200510042569．517J(申請日：2005．03．18)為沿110kV輸電線路自主行走的機器人及其工作方法，由機器人本體、控制裝置、傳感器、檢測裝置和無線圖像傳輸設(shè)備組成；控制裝置和無線圖像傳輸設(shè)備安裝在機器人本體中間的控制箱內(nèi)，位置傳感器安裝在機器人的各個關(guān)節(jié)電機的末端，測距傳感器和檢測障礙用的視覺傳感器CCD安裝在每只手的前方，檢測裝置包括高速球攝像機和熱成像儀通過云臺與機器人本體相連。能夠在110kV輸電線路上平穩(wěn)行走，自主地跨越輸電線上的各種障礙，代替人進行輸電線路的巡檢工作，減輕輸電線路巡檢的工作量，提高工作效率和檢測的精度，達(dá)到確保輸電線路安全運行的突出特點。這種機構(gòu)的缺點是：由于采用了三臂的結(jié)構(gòu)，這樣無形地增加了機器人的重量；此外，該機器人所實現(xiàn)的跨越障礙物的跨距有限，因此不能爬越耐張塔這種桿塔。
中國科學(xué)院沈陽自動化研究所申請的發(fā)明專利200410020490．818J(申請日：2004．04．30)涉及一種超高壓輸電線巡檢機器人機構(gòu)。它由移動車體、后手臂、前手臂組成，其中：移動車體由本體和行走輪組成，行走輪通過水平轉(zhuǎn)動副和移動副安裝在本體上，并與線路相抓持，本體通過轉(zhuǎn)動副分別與前、后手臂相連，手臂末端為手爪；所述前手臂、后手臂結(jié)構(gòu)相同，其中每一手臂由上臂、下臂兩部分組成，上臂為連桿及滾珠絲杠與滑塊組合結(jié)構(gòu)，通過水平轉(zhuǎn)動副與下臂相連接，下臂為大行程伸縮機構(gòu)。該發(fā)明工作空間大、重量輕、能耗低且越障能力強。這種機構(gòu)的缺點也是由于采用了三臂結(jié)構(gòu)，所實現(xiàn)的跨越障礙物的跨距有限，因此不能爬越耐張塔這種桿塔。
1.3.2國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
巡檢移動機器人利用一對驅(qū)動輪和一對夾持輪沿地線(OPOW)爬行，能跨越地線上防震錘、螺旋減震器等障礙物。遇到線塔時，機器人采用仿人攀援機理，先展開攜帶的弧形手臂，手臂兩端勾住線塔兩側(cè)的地線，構(gòu)成一個導(dǎo)軌，然后本體順著導(dǎo)軌滑到線塔的另一側(cè)；待機器人夾持輪抱緊線塔另一側(cè)的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。該機器人運動控制是把線塔和地線的資料數(shù)據(jù)(線塔的高度、位置，地線長度，線路上附件數(shù)量等)預(yù)先編制好程序輸入機器人，因此不具有很好的自主性；此外該機器人是將探測數(shù)據(jù)記錄到磁帶上，等巡檢完一個階段再取下進行分析數(shù)據(jù)，也不具有控制的實時性。1990年日本法政大學(xué)的Hide Na等人開發(fā)了電氣列車饋電電纜巡檢機器人，機器人采用多關(guān)節(jié)小車結(jié)構(gòu)和“頭部決策，尾部跟隨”的仿生控制體系，以10om/s的速度沿電纜平穩(wěn)爬行，并能跨越分支線，絕緣子等障礙物。 機器人由六對左右對稱、相互聯(lián)結(jié)的小車組成，每個單體小車有兩個電機，一個用于行走驅(qū)動，另一個用于控制聯(lián)結(jié)前后小車的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角；左右小車采用具有自保安功能的磁鎖系統(tǒng)聯(lián)結(jié)。磁鎖系統(tǒng)永久磁鐵將左右小車?yán)卫捂i緊，使兩車橡膠驅(qū)動輪抱住饋電電纜，由行走電機驅(qū)動沿電纜平穩(wěn)爬行。當(dāng)機器人遇到分支線，絕緣子等障礙物時，每對小車上磁鎖系統(tǒng)中的電磁鐵通電，順次將磁鎖打開，機器人再改變兩側(cè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角，使左右小車分開。小車依次通過障礙物后，控制兩側(cè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使左右小車合攏，電磁鐵斷電，磁鎖再次鎖緊，機器人恢復(fù)正常行走狀態(tài)。東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復(fù)合架空地線一的直線型桿塔間的巡檢是比較方便的，但不具有在多種類型桿塔間爬行的功能。加拿大魁北克水電研究院的Serge Montambault等人2000年開始了HQLineROVer遙控小車16J的研制工作。 遙控小車起初用于清除電力傳輸線地線上的積冰，逐漸發(fā)展為用于線路巡檢、維護等多用途移動平臺。第三代原型機結(jié)構(gòu)緊湊(23X 17X12cm)，僅重25kg，驅(qū)動力大，抗電磁干擾能力強，能爬52。的斜坡，通信距離可達(dá)1km。小車采用靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，安裝不同的工作頭即可完成架空線視覺和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評估、導(dǎo)線和地線更換、導(dǎo)線清污和除冰等帶電作業(yè)，已在工作電流為800A的315kV電力線上進行了多次現(xiàn)場測試。但是，HQ LineROVer無越障能力，只能在兩線塔間的電力線上工作。目前，研究組正在開發(fā)具有越障功能的自治移動小車。
2．本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1主要內(nèi)容和要求
針對目前的高壓輸電線路容易出現(xiàn)的問題，所設(shè)計的巡檢機器人要求能以一定的速度沿地線爬行，并能跨越防振錘、耐張線夾、懸垂線夾等常規(guī)障礙物，還必須能翻越各種類型的桿塔，利用機器人攜帶的傳感儀器對輸電線路實施接近檢測。其主要收集的信息包括：
2.1.1輸電線路組件(包括線跨距和桿塔)的狀態(tài)信息：包括絕緣子、防振錘等。通過分析來判斷其是否處于異常狀態(tài)或已經(jīng)損壞。
2.1.2沿高壓線路通道信息(平行、交差、環(huán)境)：沿線植物、建筑物、地上的運動物，以此來判斷這些是否靠近輸電線而使其處于危險狀態(tài)中。
2.1.3熱信息：檢測出可能的局部過熱點，來推斷線路的不同載荷水平。以建立線路的高性能。
所設(shè)計的巡檢機器人必須遵循三原則：提高檢測的效率、降低成本和提高檢測質(zhì)量。
2.2擬采用的研究方案
2.2.1檢線機器人必須滿足的技術(shù)要求
滾動行駛速度：5km/h
滾動坡度： 150
爬行速度： 200m/h
爬行坡度： 900
跨越防振錘的時間：約3min
跨越直線夾的時間：約3min
跨越耐張線夾的時間：約8min
總重量(不含地面遙控／接收移動站)：30kg
2.2.2分析檢線機器人的工作原理
分析檢線機器人的工作原理從而進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究的主要內(nèi)容包括機械人的自由度的確定，坐標(biāo)形式的選擇、驅(qū)動方式的選擇，以及手爪，手臂，連接架等執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。
2.3擬采用方案
2.3.1傳動方式的選擇
直接連接傳動：驅(qū)動源或帶有機械傳動裝置直接與關(guān)節(jié)相連；遠(yuǎn)距離連接傳動：驅(qū)動源通過遠(yuǎn)距離機械傳動后與關(guān)節(jié)相連。間接驅(qū)動：驅(qū)動源經(jīng)一個速比遠(yuǎn)大于一的機械傳動裝置與關(guān)節(jié)相連。直接驅(qū)動：驅(qū)動源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個速比等于一的機械傳動這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。根據(jù)設(shè)計要求選用直接驅(qū)動，沒有遠(yuǎn)距離傳動的必要。
2.3.2驅(qū)動方式的選擇
機器人驅(qū)動裝置是帶動各個關(guān)節(jié)到達(dá)指定位置的動力源。通常動力是直接或經(jīng)電纜、齒輪箱或其他方法送至各個關(guān)節(jié)。目前使用的主要有三種驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電機驅(qū)動。液壓驅(qū)動以高壓油作為工作介質(zhì)，可以實現(xiàn)直線運動或者是旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動機構(gòu)可以是閉環(huán)或者是開環(huán)的。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是能得到較大的出力，工作壓力通常達(dá)14Mpa，但是液壓元件造價高昂，而且容易泄露污染環(huán)境，而且必須配備專用的液壓閥，儲油罐，體積龐大。氣動驅(qū)動的工作介質(zhì)是高壓空氣，氣動控制閥簡單、便宜、操作簡單、易于編程，可以完成大量的點位搬運操作任務(wù)，但是缺點是氣壓伺服難以實現(xiàn)高精度控制，只能用在滿足低精度的場合。故本機械手采用電機驅(qū)動。電機驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點，這也是現(xiàn)代機器人應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。電機可以選擇步進電機或直流伺服電機。步進電機驅(qū)動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點，但是步進電機驅(qū)動屬于開環(huán)控制，精度較低。而直流伺服電機能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額定轉(zhuǎn)速高。
根據(jù)作業(yè)環(huán)境要求，本課題機器人行進機構(gòu)采用輪式移動機構(gòu)與步進式蠕動爬行機構(gòu)兩種方式。
2.3.3傳動件定位
電氣開關(guān)定位：利用電氣開關(guān)作行程檢測元件，當(dāng)機械人運行到定位點時，行程開關(guān)發(fā)出信號，切斷動力源或接通制動器，從而使機械人獲得定位。機械擋塊定位：在行程終點設(shè)置機械擋塊，當(dāng)機械手減速運動到終點時，緊靠擋塊而定位。伺服定位系統(tǒng)：電氣開關(guān)定位于機械擋塊定位只適用于兩點或多點定位，而伺服定位可以實現(xiàn)任意點定位，適用于連續(xù)軌跡控制。
經(jīng)過比較，選用伺服定位。
2.3.4連接桿設(shè)計
連接機構(gòu)主要是用來將手爪機構(gòu)與手輪機構(gòu)連接起來并且可以調(diào)節(jié)手爪機構(gòu)的高度姿態(tài)，由于高壓線屬于柔性體，這樣在機器人運行階段可以適當(dāng)調(diào)節(jié)該連接機構(gòu)以使夾爪能抓緊導(dǎo)線。在這里我采用了一對蝸輪蝸桿連接，在該傳動機構(gòu)中，蝸輪固定，蝸桿跟電機減速器連接，蝸桿在電機的驅(qū)動下沿蝸輪轉(zhuǎn)動。從而帶動夾緊機構(gòu)沿手輪機構(gòu)水平軸旋轉(zhuǎn)。
2.3.5手部的設(shè)計
手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。
傳力機構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。
2.3.6臂部的設(shè)計
手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。
臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降運動。
本課題要求機器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置，同時要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機器人比非關(guān)節(jié)型機器人有大得多的相對空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該機器人采用關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)。
3．完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）
1—3周：調(diào)研并收集資料；
3—6周：確定設(shè)計方案和整體結(jié)構(gòu)特點；
7—11周：完成結(jié)構(gòu)設(shè)計計算；
12—15周：完成檢線機構(gòu)的設(shè)計總裝配圖；
16-18周：完成論文撰寫，準(zhǔn)備答辯。
5 指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
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