自动检线机器人毕业设计论文开题报告.docx

1、自动检线机器人毕业设计论文开题报告毕业设计(论文)开题报告 题目：自动检线机构功能与结构设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 12 月 24 日 1毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况） 1.1课题的背景在电力输送过程当中，往往会出现由于局部电阻过大而导致线路局部过热等会对输电线路造成致命危害的故障，因此需要对超高压线路进行人工沿线逐塔巡视，危险性极大。针对这一情况，本课题旨在设计一种检线机器人，以改善工程测量人员特别是高压输电线路监测人员的工作条件、提高工作效率 。1. 1.2研究的意义高压输电线路是电

2、力系统的动脉，其安全运行越来越受到各级部门的重视。输电线路不仅要承受固有机械载荷和电力负荷的内部压力，而且还要经受自然环境的各种外部侵害，如：腐蚀、污秽、雷击、强风、洪水、滑坡、沉陷、地震和鸟害等，以及人为的破坏。随着时间的日积月累，势必造成线路上出现各种故障，如：接触电阻增大、导线断股、避雷线断裂、杆塔倾斜、绝缘子闪烁、金具脱落，如不及时发现和消除，将对电力系统构成灾难性的危害。为保证输电线路安全稳定运行，需要对输电线路进行仔细的巡查以防止意外情况发生。在我国，超高压输电线路的巡检、维护基本上采用人工沿线逐塔巡视的作业方式，劳动强度大，费用多且危险性较高。电力部门迫切需要取代人力进行线路维护

3、的巡检设备。研制巡检机器人应用于超高压输电线路的巡检作业，不仅可以减轻巡检作业强度，降低费用，而且可以提高巡检作业质量和管理技术水平。迄今为止，国内外对于超高压输电线巡检机器人的研究还处于研制阶段，尚无成熟的产品应用于输电线路巡检作业。本项目拟完成一台具有自主知识产权的110kV超高压输电线路巡检机器人实用样机，本项目的研究对于提高电力部门自动化作业程度，获得更高的经济效益和社会效益具有重要的意义。该样机可以应用于110kV超高压输电线路巡检作业，其主要功能包括：巡检机器人能够在线路上一挡内沿架空地线自主行走，其上携带的摄像机和红外热像仪作为检测装置，用于检测输电设备(输电线、防震锤、绝缘子及

4、杆塔)的损伤情况，并将检测到的数据及图像信息经过无线传输系统发送到地面基站，地面基站可以接收、存储及显示巡检机器人发回来的数据和图像资料，对机器人的运行状态具有远程控制和检测能力。超高压线路维护的费用昂贵，以1lOkV的超高压线路为例，输电线路全长已超过27000公里，在现行的维护管理模式下，超高压线路的运行费用由人员工资及工资附加费、日常维护费、大修费和技改费组成。根据国家电力公司1999年对国内超高压运行单位的调查报告，线路巡视成本为每公里每年为n13780-4680元，若以4200元计算，则常规巡检年巡检总费用约为11340万元。在2010年前后，随着三峡电力外送、西电东送、全国联网工程

5、的实施，我国中部、北部、南部三个跨大区电网和全国联网已基本形成。2010年以后，按照国家“西电东送”电力可持续发展的战略部署，适时开发金沙江流域的水电站，并建设直流输电系统送至华东、华中电网和南方电网。随着电力体制改革和电力运营市场化程度的提高，研制技术先进，性能优越的输电线路巡检装备已成为急需解决的问题，因而超高压输电线路巡检机器人具有强烈的市场需求，产业化前景广阔。 1.3国内外的发展现状 高压输电线路检测主要包括人工巡检、高空巡检和机器人巡检三种。在我国目前大部分的巡检任务都是通过人工巡检来完成的。人工巡检主要是依靠人工沿输电线路步行或借助其他交通工具巡检，其缺点包括：a)人工沿线巡检受

6、地形条件限制。b)巡检的数据由于是人工注释，因此数据不是很充分。c)执行检测任务花费的时间很长，每次巡检还需要攀越各类塔架。d)在今天的技术条件下，一些技术被用来作为检测方法，最大的进步就是利用热敏照相机来检测过热点。在人工巡检情况下，偶尔的光线会误导巡检者，另外，塔的高度限制了能够检测到更详细的过热点。高空巡检是采用借助直升机或无人航天飞机在高空来完成巡检任务，这种巡检方式可以降低由于地形所带来的影响。但缺点也很明显，主要包括：a)记录检测数据仍然比较困难。b)所有的检测工作都是在飞行阶段完成的，因此增加了飞行的时间从而增加了检测的成本。此外，对于无人航天飞机巡检造价更高，要求的技术问题更为

7、复杂，国内在这一领域暂时还没有研究。由于这种巡检方式成本过高，技术复杂，因此不具有可推广性。 高压巡检机器人的显著特点是可以自动跨越杆塔实现杆塔间的连续巡检，完成跨越线路障碍物，这种机器人可以节省大量的物力和人力，而且安全系数更高。巡检机器人的研究始于20世纪80年代末，日本、加拿大、美国等发达国家先后开展了巡检机器人的研究工作。 1.3.1国内现状及发展趋势 目前国内关于巡检机器人的研究主要集中在高校和研究所内。这其中包括有武汉大学、山东大学、中科院自动化研究所和沈阳自动化研究所等。山东大学申请的专利200510042569517J(申请日：20050318)为沿110kV输电线路自主行走的

8、机器人及其工作方法，由机器人本体、控制装置、传感器、检测装置和无线图像传输设备组成；控制装置和无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱内，位置传感器安装在机器人的各个关节电机的末端，测距传感器和检测障碍用的视觉传感器CCD安装在每只手的前方，检测装置包括高速球摄像机和热成像仪通过云台与机器人本体相连。能够在110kV输电线路上平稳行走，自主地跨越输电线上的各种障碍，代替人进行输电线路的巡检工作，减轻输电线路巡检的工作量，提高工作效率和检测的精度，达到确保输电线路安全运行的突出特点。这种机构的缺点是：由于采用了三臂的结构，这样无形地增加了机器人的重量；此外，该机器人所实现的跨越障碍物的跨距有

9、限，因此不能爬越耐张塔这种杆塔。中国科学院沈阳自动化研究所申请的发明专利200410020490818J(申请日：20040430)涉及一种超高压输电线巡检机器人机构。它由移动车体、后手臂、前手臂组成，其中：移动车体由本体和行走轮组成，行走轮通过水平转动副和移动副安装在本体上，并与线路相抓持，本体通过转动副分别与前、后手臂相连，手臂末端为手爪；所述前手臂、后手臂结构相同，其中每一手臂由上臂、下臂两部分组成，上臂为连杆及滚珠丝杠与滑块组合结构，通过水平转动副与下臂相连接，下臂为大行程伸缩机构。该发明工作空间大、重量轻、能耗低且越障能力强。这种机构的缺点也是由于采用了三臂结构，所实现的跨越障碍物的

10、跨距有限，因此不能爬越耐张塔这种杆塔。 1.3.2国外现状及发展趋势 巡检移动机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线(OPOW)爬行，能跨越地线上防震锤、螺旋减震器等障碍物。遇到线塔时，机器人采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧；待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。该机器人运动控制是把线塔和地线的资料数据(线塔的高度、位置，地线长度，线路上附件数量等)预先编制好程序输入机器人，因此不具有很好的自主性；此外该机器人是将探测数据记录到磁带上，等巡检完一个阶段再取下进行分析数据，也不具有

11、控制的实时性。1990年日本法政大学的Hide Na等人开发了电气列车馈电电缆巡检机器人，机器人采用多关节小车结构和“头部决策，尾部跟随”的仿生控制体系，以10om/s的速度沿电缆平稳爬行，并能跨越分支线，绝缘子等障碍物。 机器人由六对左右对称、相互联结的小车组成，每个单体小车有两个电机，一个用于行走驱动，另一个用于控制联结前后小车的旋转关节的关节角；左右小车采用具有自保安功能的磁锁系统联结。磁锁系统永久磁铁将左右小车牢牢锁紧，使两车橡胶驱动轮抱住馈电电缆，由行走电机驱动沿电缆平稳爬行。当机器人遇到分支线，绝缘子等障碍物时，每对小车上磁锁系统中的电磁铁通电，顺次将磁锁打开，机器人再改变两侧旋转

12、关节的关节角，使左右小车分开。小车依次通过障碍物后，控制两侧旋转关节使左右小车合拢，电磁铁断电，磁锁再次锁紧，机器人恢复正常行走状态。东京电力公司的Sawada等人研制了光纤复合架空地线一的直线型杆塔间的巡检是比较方便的，但不具有在多种类型杆塔间爬行的功能。加拿大魁北克水电研究院的Serge Montambault等人2000年开始了HQLineROVer遥控小车16J的研制工作。 遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。第三代原型机结构紧凑(23X 17X12cm)，仅重25kg，驱动力大，抗电磁干扰能力强，能爬52。的斜坡，通信距离可达1k

13、m。小车采用灵活的模块化结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线和地线更换、导线清污和除冰等带电作业，已在工作电流为800A的315kV电力线上进行了多次现场测试。但是，HQ LineROVer无越障能力，只能在两线塔间的电力线上工作。目前，研究组正在开发具有越障功能的自治移动小车。2本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施 2.1主要内容和要求针对目前的高压输电线路容易出现的问题，所设计的巡检机器人要求能以一定的速度沿地线爬行，并能跨越防振锤、耐张线夹、悬垂线夹等常规障碍物，还必须能翻越各种类型的杆塔，利用机器人携带的传感仪器对输电线路实施接近检

14、测。其主要收集的信息包括： 2.1.1输电线路组件(包括线跨距和杆塔)的状态信息：包括绝缘子、防振锤等。通过分析来判断其是否处于异常状态或已经损坏。 2.1.2沿高压线路通道信息(平行、交差、环境)：沿线植物、建筑物、地上的运动物，以此来判断这些是否靠近输电线而使其处于危险状态中。 2.1.3热信息：检测出可能的局部过热点，来推断线路的不同载荷水平。以建立线路的高性能。所设计的巡检机器人必须遵循三原则：提高检测的效率、降低成本和提高检测质量。 2.2拟采用的研究方案 2.2.1检线机器人必须满足的技术要求滚动行驶速度：5km/h滚动坡度： 150爬行速度： 200m/h爬行坡度： 900跨越防

15、振锤的时间：约3min跨越直线夹的时间：约3min跨越耐张线夹的时间：约8min总重量(不含地面遥控接收移动站)：30kg 2.2.2分析检线机器人的工作原理分析检线机器人的工作原理从而进行结构设计，研究的主要内容包括机械人的自由度的确定，坐标形式的选择、驱动方式的选择，以及手爪，手臂，连接架等执行机构的设计。 2.3拟采用方案 2.3.1传动方式的选择 直接连接传动：驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连；远距离连接传动：驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。间接驱动：驱动源经一个速比远大于一的机械传动装置与关节相连。直接驱动：驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于一的机械传动这样的中间环节

16、与关节相连。根据设计要求选用直接驱动，没有远距离传动的必要。 2.3.2驱动方式的选择机器人驱动装置是带动各个关节到达指定位置的动力源。通常动力是直接或经电缆、齿轮箱或其他方法送至各个关节。目前使用的主要有三种驱动方式：液压驱动、气动驱动和电机驱动。液压驱动以高压油作为工作介质，可以实现直线运动或者是旋转运动，驱动机构可以是闭环或者是开环的。液压驱动的优点是能得到较大的出力，工作压力通常达14Mpa，但是液压元件造价高昂，而且容易泄露污染环境，而且必须配备专用的液压阀，储油罐，体积庞大。气动驱动的工作介质是高压空气，气动控制阀简单、便宜、操作简单、易于编程，可以完成大量的点位搬运操作任务，但是

17、缺点是气压伺服难以实现高精度控制，只能用在满足低精度的场合。故本机械手采用电机驱动。电机驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。电机可以选择步进电机或直流伺服电机。步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点，但是步进电机驱动属于开环控制，精度较低。而直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高。根据作业环境要求，本课题机器人行进机构采用轮式移动机构与步进式蠕动爬行机构两种方式。 2.3.3传动件定位 电气开关定位：利用电气开关作行程检测元件，当机械人运行到定位点时，行程开关发出信号，切断动力源或接通制动器，从而使机械人获得定位。机械

18、挡块定位：在行程终点设置机械挡块，当机械手减速运动到终点时，紧靠挡块而定位。伺服定位系统：电气开关定位于机械挡块定位只适用于两点或多点定位，而伺服定位可以实现任意点定位，适用于连续轨迹控制。经过比较，选用伺服定位。 2.3.4连接杆设计 连接机构主要是用来将手爪机构与手轮机构连接起来并且可以调节手爪机构的高度姿态，由于高压线属于柔性体，这样在机器人运行阶段可以适当调节该连接机构以使夹爪能抓紧导线。在这里我采用了一对蜗轮蜗杆连接，在该传动机构中，蜗轮固定，蜗杆跟电机减速器连接，蜗杆在电机的驱动下沿蜗轮转动。从而带动夹紧机构沿手轮机构水平轴旋转。 2.3.5手部的设计手部既直接与工件接触的部分，一

19、般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。 2.3.6臂部的设计手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才

20、能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。 本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置，同时要结构简单，容易控制。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该机器人采用关节型机器人的结构。3完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写） 13周：调研并收集资料； 36周：确定设计方案和整体结构特点； 711周：完成结构设计计算； 1215周：完成检线机构的设计总装配图； 16-18周：完成论文撰写，准备答辩。 5 指导教师意见（对课题的深度、

21、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 参考文献1.贾延林模块化设计北京：机械工业出版社，1993.2.施进发，游理华，梁锡昌机械模块学重庆出版社，1997.3.单以才机器人机械操作臂的模块化设计及其控制的研究2003.4.熊有伦机器人学北京；机械工业出版社，1993.5.熊有伦，机器人技术基础：武汉：华中理工大学出版社，1996：1594.6.蔡自兴机器入学北京：清华大学出版社，2000：89105.7.(美)克拉格(Craig，JJ)机器人学导论(英文版第三版)北京：机械工出版社，2005.8.(美)Saeed BNiku机器人学导论一分析、系统和应用孙富春，朱纪红，刘国栋上 海大学

22、硕士学位论文译电子工业出版社，2004.9.熊光愣协同仿真与虚拟样机技术北京：清华大学出版社。2004.10.张茂军虚拟现实系统北京：科学出版社，2001.11.王国强，张进平，马若丁虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践 陕西：西北工业大 学出版社，2002. 12 Fred.G.Martin. 机器人探索M. 北京: 电子工业出版社, 2004.13 Robin R.Murphy. 人工智能机器人学导论M. 北京: 电子工业出版社, 2004.14 Saeed B.Niku. 机器人学导论M. 北京: 电子工业出版社, 2004.15 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京: 机械工业出版

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24、nternational Conference on Transmission and Distribution Construction,Operation and Live-line Maintenance.Piscataway(NJ),IEEE,2000:2127.18.Montambault S.The HQ lineROVer:Contributing to Innovation in Transmission Line Maintenance.In:Proceedings ofIEEE 10thInternational Conference on Transmission and Distribution Construction Operation and Live-line Maintenance,Vol 4.Piscataway(NJ),IEEE,2003:3340.