高压输电线路巡线机器人结构设计

-- -- 编号

南京航空航天大学 毕业设计

题 目 高压输电线路巡线机器人 结构设计

二〇一四年六月 学生姓名 曹嘉彬 学 号 051０1０12５ 学 院 机电学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 0510101 指导教师 王扬威 讲师 --

-- 南京航空航天大学 本科毕业设计(论文）诚信承诺书

本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文)(题目： 高压输电线路巡线机器人结构设计）是在导师的指导下本人独立完成的。尽本人所知,除了毕业设计(论文)中特别加以标注引用的内容外,本毕业设计(论文)不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名： 年 月 日 （学号）： --

-- 高压输电线路巡线机器人结构设计 摘要 目前在国内,高压输电线路的巡检、维护主要有两种方法：一种方法是人为地检查，其缺陷有人工劳动强度大、工作效率低、可靠性差、存在检查的盲区;另一种方法是用直升机检查,虽然这种方法有较高检测效率和精度,但是这种方法受一些环境因素的制约，同时不仅增加了巡检的技术难度，还将大大增加巡检的费用。所以急需一种可以替代之的工作方式。移动机器人技术的发展为高压输电线的检查工作提供了新的手段。 本文首先介绍了高压输电线路巡线机器人的研究背景及意义，综述了国内外巡线机器人的研究发展现状。然后针对高压输电线路设计出一种全新的巡线机器人运动结构,该机构采用三臂式多自由度机械手臂，可以实现安全可靠的自主巡线，并且利用sｏliｄｗorks建立了巡线机器人的三维模型。此结构的优点在于抓线能力强，运动稳定。

关键词 巡线机器人,结构设计，运动学分析，动力学分析 --

-- Ｓtｒucturａl deｓｉgn ｏf high vｏｌtage ｔransmissｉｏn liｎe inspection roboｔ

Abstrａct At ｐresent, there ａre mainly ｔwo methodｓ ｉn ｉnspecting the trａｎsmissioｎ line: Oｎe mｅthｏd is arｔifｉｃially iｎsｐectｉon which suffｅrs ｆrｏm great labor intｅnｓiｔy, low workiｎg ｅfficｉｅncy and ｒeｌiabilｉty aｎd ｂｌind ａrea ｏf inspecting;ｔhｅ othｅｒ method ｉs ｔhe ｈｅｌicoptｅr iｎｓpecｔｉon, although this meｔhｏｄ ｅnhａnｃｅd inspecting eｆficiｅncｙ anｄ ｐrecisｉon,iｔ iｓ ｒigｏuｒ ｔo the ｃlｉｍate, moreovｅｒ， ｉt not ｏｎly incrｅases the techniｃaｌ dｉffｉculty for tｈe vieｗer ａnd ｔhe shooting ｄeviｃe but also cost much morｅ. Ｓo you can ｒeplace ｔhｅ nｅed for ａ way of worｋｉng. The ｄeｖeloｐmｅｎt ｏｆ ｍobｉｌｅ ｒoboｔ technｏlogy provided nｅw meａns foｒ ｉnspection oｆ the hiｇh-volｔage transmissｉon lｉne. This pａpｅr ｉntroducｅs thｅre seａrch ｂackgroundanｄ siｇnificaｎce of hｉｇh-ｖoltagｅ tｒansｍissｉon line ｉｎspｅcｔion robot，ｓumｍarｉzｅs the sｔａtuｓ of ｒeseａrｃh ａnd developmｅnt ａt hｏme aｎd abroad ｉｎspectｉon rｏｂot.Theｎ foｒ the ｈiｇh-vｏltage transｍiｓsion liｎes to desiｇn a new sｔruｃｔure inspectｉｏn robot moｔｉo. Thｅ ageｎｃy uses three aｒm multi-degree oｆ freedｏm rｏbｏtic ａｒm ｃan aｃhieve safe ａｎd reｌiabｌe autonｏmoｕs transmｉssｉon liｎe ａｎd usｅ sｏliｄwoｒks ｅstaｂliｓheｄ inｓpｅｃtiｏｎ ｒobot of ｔhree-ｄimenｓional ｍoｄel .the ａdvａnｔaｇe oｆ ｔhis ｓtructｕre ｉs ｔｈat ｔｈｅ ｓtroｎg graｓp of line ａnｄ staｂility oｆ ｍoｖement. Kｅy ｗoｒds:inｓpeｃtioｎ ｒobｏt；ｓｔrｕctural deｓigｎ;kinｅmａtic anaylsis;kinetic

analyｓis -- -- 目录 摘要 .......................................................... 错误!未定义书签。 Aｂstrａctﻩ错误!未定义书签。 目录 .......................................................... 错误!未定义书签。 第一章 绪论ﻩ错误!未定义书签。 1.1巡线机器人研究目的及意义ﻩ错误!未定义书签。 1.2巡线机器人国内外研究现状ﻩ错误!未定义书签。 1．3本课题研究内容ﻩ错误!未定义书签。 第二章 巡线机器人总体设计及理论分析 ......................... 错误!未定义书签。 ２.1巡线机器人工作环境分析ﻩ错误!未定义书签。 2.２巡线机器人的主要技术指标 ............................... 错误!未定义书签。 2.３巡线机器人运动学分析ﻩ错误!未定义书签。 2．4机器人的工作空间分析 .................................. 错误!未定义书签。 第三章 巡线机器人详细结构设计ﻩ错误!未定义书签。 3.1巡线机器人机械手指结构设计ﻩ错误!未定义书签。 3.2巡线机器人跨线手臂与承重手臂结构设计ﻩ错误!未定义书签。 3.3巡线机器人连接手臂结构设计ﻩ错误!未定义书签。 3.4巡线机器人箱体结构设计ﻩ错误!未定义书签。 ３.５轴校核 ................................................ 错误!未定义书签。 第四章 巡线机器人越障能力分析ﻩ错误!未定义书签。 4.1巡线机器人越障步骤 ..................................... 错误!未定义书签。 ４．2.机械臂运动学方程的正解 ............................... 错误!未定义书签。 第五章 总结与展望ﻩ错误!未定义书签。 5.１总结 ................................................... 错误!未定义书签。 -- -- ５．2展望 ................................................. 错误!未定义书签。 参考文献ﻩ错误!未定义书签。 致谢ﻩ错误!未定义书签。 --

-- 第一章 绪论 １．1巡线机器人研究目的及意义 电力系统, 由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。在当代社会中是最为重要的一个工程，而保障其稳定性则尤为重要。保证输电线路的稳定性就可以有效保障电力系统的稳定性。然而,这些输电线长期暴露在野外，会产生一些磨损、腐蚀、材料老化等损坏。如果修理和更换不及时，原来的小破损和缺陷会扩大,久而久之,甚至会造成像是大面积停电这样严重的事故，显然这将带来巨大的经济损失和严重的社会负面影响。因此,我们必须定期检查传输线，以便监测输电线路的工作状况和环境的变化，发现并且及时消除隐患，防止事故的发生，保障电力供应的可靠。 目前，检查输电线路主要有两种方法：一种方法是人为地检查，如(图1.1)，其缺陷有人工劳动强度大、工作效率低、可靠性差、存在检查的盲区;另一种方法是用直升机检查,如（图1.2)，虽然这种方法有较高检测效率和精度,但是这种方法受一些环境因素的制约，同时不仅增加了巡检的技术难度，还将大大增加巡检的费用。

图1.１人工检查 图1.2直升机检查 移动机器人技术的发展为高压输电线的检查工作提供了新的手段。高压输电线路巡线机器人通过自动控制方式，可以实现沿着传输线以一定的速度爬行，跨越如配重、耐张线夹、悬垂线夹、隔离字符串的障碍和绝缘棒，检查杆塔、导线、打雷拦阻线、绝缘子、线路金具等,这样就可以很轻松的对输电线路进行检查工作,因此可以代替人工检查或直升机检查,必然会降低高压输电线路的维护成本，提高高压输电线路的检查效率和精度。因此,高压输电线路巡线机器人的研究成为特种机器人字段中的一个热点。

1.2巡线机器人国内外研究现状 -- -- 目前输电线路机器人主要应用于线路巡检[1-2] 巡线机器人的研究始于 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线机器人的研究工作［３-5] 。9０ 年代末，国内的一些研究机构和高等学校陆续开展了巡线机器人的研究工作[6-9]，并取得一定的研究成果。 从20世纪8０年代,国际上开始研制高压输电线路巡线机器人。早期日本、美国和加拿大等国相继开发了不同用途的巡线机器人,并取得了较大的进展,尤其是可在两个杆塔之间巡检的机器人技术较为成熟，有些已达到产品化的程度。1988年Sａwaｄa等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线巡检移动机器人，该机器人依靠内嵌的输电线路结构参数进行运动行为的规划。当遇到杆塔时，该机器人利用自身携带的导轨从杆塔侧面滑过,（图 １.3)因为没有安装外部环境感知传感器,因而适应性较差。而且导轨约 1０0kg,机器人自身过重,对电池供电有更高要求。 美国TＲC公司1989年研制了一台悬臂自治巡检机器人模型，能沿架空导线进行较长距离的行走，可进行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务，并将探测到的线路故障参数进行预处理后传送给地面人员(图1．4)。

图1.3光纤架空地线巡检机器人 图１．4.TRC公司的悬臂机器人 然而仅在两个杆塔之间爬行的巡线机器人已远远不能满足实际线路巡检工作的要求,输电线路不仅存在着支撑杆塔,而且还存在着多种线路附件构成的障碍物，如防震锤、悬垂线夹、耐张线夹和绝缘子等。因此具有越障功能的巡线机器人成为该领域研究的重点。 由日本Sａto公司生产的输电线路损伤探测器也采用了单体小车结构（图1.5）,能在地面操作人员的遥控下，沿输电线路行走,利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置,将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工作人员可回放复查，进一步确定损伤情况。 加拿大魁北克水电研究院的Seｒge Montambault等人2００0年开始了HQ LinｅROＶer遥控小车(图1．6）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。该移动小车驱动力大,能爬上52°的斜坡，通信距离可达1kｍ。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