高壓輸電線巡檢機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)+含ug三維3d建模及3張CAD圖紙+帶任務(wù)書(shū)+48頁(yè)加正文2.02萬(wàn)字】-jxsj22

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摘要

隨著機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，將機(jī)器人技術(shù)使用于高壓線的普通檢測(cè)和修護(hù)受到技術(shù)學(xué)者的學(xué)習(xí)和研究。巡檢機(jī)器人在復(fù)雜的輸電線背景下完成檢線任務(wù)，要具有自主完成跨越線路上的各種障礙能力。因此，巡檢機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)決定著巡檢機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)功能，也是決定著巡檢機(jī)器人實(shí)用性和便捷性的關(guān)鍵技術(shù)之一。

所以本文對(duì)國(guó)外和國(guó)內(nèi)刊登的巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，本論文以輸電線的相線為工作途徑，使用三手臂加單獨(dú)總體箱的形式，機(jī)器通過(guò)機(jī)械臂手輪抓結(jié)構(gòu)懸吊于線路上，可以根據(jù)相線的線路實(shí)體，選擇滾動(dòng)的輪子為行駛方式或者遞進(jìn)爬行方式實(shí)現(xiàn)在線路上移動(dòng)，遇到線路上的異物時(shí)，也可通過(guò)三手臂的相互交換運(yùn)動(dòng)越過(guò)障礙物，繼續(xù)前行。

本論文采用了雙臂在一側(cè)的懸掛是本論文設(shè)計(jì)的另一特點(diǎn)，因此在工作時(shí)可將機(jī)器人懸掛于線路一側(cè)，避免了線路上其他的設(shè)施對(duì)機(jī)器人線上作業(yè)進(jìn)行阻擾。本設(shè)計(jì)所述巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單明了，容易實(shí)施操控和使用，對(duì)線路工作的具體實(shí)施環(huán)境具有很好的能力去適應(yīng)。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線；巡檢機(jī)器人；越障；強(qiáng)度校核；機(jī)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(shè)計(jì)的背景和意義 1

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 1

1.3國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r 4

1.4機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)需要解決的一些關(guān)鍵問(wèn)題 6

1.5本文的主要研究?jī)?nèi)容 7

第二章巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境和原理分析 7

2.1高壓輸電線的特點(diǎn)和組成 8

2.1.1高壓輸電線路的特點(diǎn) 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(nèi)容及原理 10

2.3 高壓線巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 12

2.4巡檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案的選擇 12

2.5 本章總結(jié) 15

第三章 高壓線巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16

3.1巡檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案的選擇 16

3.2柔性臂 17

3.3驅(qū)動(dòng)部件的選擇 19

3.3.1垂直導(dǎo)軌步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選型 20

3.4主要部件的設(shè)計(jì) 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(kāi)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(shè)計(jì)圖 28

3.6本章總結(jié) 30

第四章 高壓線巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析和強(qiáng)度校核 31

4.1巡檢機(jī)器人沿線爬行的運(yùn)動(dòng)分析 31

4.2高壓線巡檢機(jī)器人越障作業(yè)的運(yùn)動(dòng)分析 31

4.2.1跨越防震錘的運(yùn)動(dòng)分析 32

4.2.2定臂轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分析 34

4.3主要零部件的強(qiáng)度校核 36

4.3.1絲桿的強(qiáng)度校核 36

4.3.2齒輪的校核 37

4.3.3大臂的強(qiáng)度校核 39

第五章 總結(jié)與展望 41

5.1論文的主要工作和結(jié)論 41

5.2展望 41

致謝 43

參考文獻(xiàn) 44

大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 題 目： 高壓輸電線巡檢機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師： 張小棟 學(xué)生姓名： 晁端陽(yáng) 所屬院系： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械工程 （礦山機(jī)電） 班 級(jí)： 機(jī)械 13成日期： 2017 年 05 月 31 日 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 聲明 鄭重聲明，本人 設(shè)計(jì) 的畢業(yè)論文《高壓輸電線巡檢機(jī)器人 的 機(jī)械設(shè)計(jì)》 系 本人在張小棟老師指導(dǎo)下獨(dú)立完成， 設(shè)計(jì) 中所引 述的其他學(xué)者 的無(wú)論以何種 行 式發(fā)表 的 內(nèi)容或 研究成果， 本人都 在論文中 特 加說(shuō)明。沒(méi)有抄襲、剽竊他人成果，由此造成的一切后果由本人負(fù)責(zé)。 學(xué)生簽名： 年 月 日 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 新 疆 大 學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū) 班 級(jí)： 機(jī)械 13 姓 名： 晁端陽(yáng) 論文（設(shè)計(jì)）題目： 高壓輸電線巡檢機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì) 專 題： 要求完成的內(nèi)容 : 1）調(diào)研快速 高壓輸電線巡檢機(jī)器人 發(fā)展現(xiàn)狀， 進(jìn)行 工作環(huán)境和原理分析 ； 2） 逐步設(shè)計(jì) 巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括各個(gè)零部件的設(shè)計(jì) ； 3）利用成 檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) 的所有零件建模及整機(jī)裝配 4）進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和部分零件的強(qiáng)度校核 5)繪制完成 高壓輸電線巡檢機(jī)器人的裝配圖 長(zhǎng)） 1 張，零件圖 3張； 6）畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)單位 ： 洛陽(yáng)一拖集團(tuán)公司 地點(diǎn)： 洛陽(yáng) 論文頁(yè)數(shù)： 53 頁(yè)； 圖紙張數(shù) 1 張， 2 張 指 導(dǎo) 教 師 ： 教研室主任 ： 院長(zhǎng) （ 系主任 ）： 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） I 摘要 隨著機(jī)器人 的研發(fā) 和 應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大 ， 將 機(jī)器人技術(shù) 使 用于 高壓 線的 普通檢測(cè) 和 修護(hù) 受到 技術(shù) 學(xué)者的 學(xué)習(xí)和研究。 巡檢機(jī)器人在復(fù)雜的 輸電線背景 下完成 檢線 任務(wù)，要具 有 自主完成跨越線路 上的 各種障礙能力。 因此， 巡檢機(jī)器人的本體 結(jié)構(gòu) 決定 著巡檢機(jī)器人的 現(xiàn)實(shí)功能 ， 也是決定著 巡檢機(jī)器人 實(shí)用性和便捷性的關(guān)鍵技術(shù)之一。 所以 本 文 對(duì) 國(guó)外和國(guó)內(nèi)刊登 的巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)器人的 本體 結(jié)構(gòu) ，本論文以輸電線的相線為工作途徑，使用三手臂加單獨(dú)總體箱的形式，機(jī)器通過(guò)機(jī)械臂手輪抓結(jié)構(gòu)懸吊于線路上，可以根據(jù)相線的線路實(shí)體，選擇滾動(dòng)的輪子為行駛方式或者遞進(jìn)爬行方式實(shí)現(xiàn)在線路上移動(dòng)，遇到線路上的異物時(shí)，也可通過(guò)三手臂的相互交換運(yùn)動(dòng)越過(guò)障礙物，繼續(xù)前行。 本論文采用了雙臂在一側(cè)的懸掛是本論文設(shè)計(jì)的另一特點(diǎn)，因此在工作時(shí)可將機(jī)器人懸掛于線路一側(cè)，避免了線路上其他的設(shè)施對(duì)機(jī)器人線上作業(yè)進(jìn)行阻擾。本設(shè)計(jì)所述巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單明了，容易實(shí)施操控 和使用，對(duì)線路工作的具體實(shí)施環(huán)境具有很好的能力去適應(yīng)。 關(guān)鍵詞： 高壓輸電線；巡檢機(jī)器人；越障；強(qiáng)度校核；機(jī)械手臂； 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 錄 第一章 緒論 .................................................................. 1 計(jì)的背景和意義 ..................................................... 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 ................................................... 1 內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r ....................................................... 4 器人本體結(jié)構(gòu)需要解決的一些關(guān)鍵問(wèn)題 ................................. 6 文的主要研究?jī)?nèi)容 ................................................... 7 第二章巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境和原理分析 ......................................... 7 壓輸電線的特點(diǎn)和組成 ............................................... 8 壓輸電線路的特點(diǎn) ............................................. 8 壓輸電線路的組成 ............................................. 8 壓輸電線的巡檢內(nèi)容 及原理 .......................................... 10 壓線巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 .......................................... 12 檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案的 選擇 ........................................ 12 章 總結(jié) ............................................................ 15 第三章 高壓線巡檢機(jī)器人 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................... 16 檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案的 選擇 ........................................ 16 性臂 .............................................................. 17 動(dòng)部件的選擇 ...................................................... 19 直導(dǎo)軌步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選型 .................................... 20 要部件的設(shè)計(jì) ...................................................... 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(kāi)合軸 .................................................... 26 腕部分 ...................................................... 26 桿部分 ...................................................... 27 體三維設(shè)計(jì)圖 ................................................ 28 章 總結(jié) ............................................................ 30 第四章 高壓線巡檢機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)分析和強(qiáng)度校核 ................................... 31 檢機(jī)器人沿線爬行的運(yùn)動(dòng)分析 ........................................ 31 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 壓線巡檢機(jī)器人越障作業(yè)的運(yùn)動(dòng)分析 .................................. 31 越防震錘的運(yùn)動(dòng)分析 .......................................... 32 臂轉(zhuǎn)動(dòng) 的運(yùn)動(dòng)分析 ............................................ 34 要零部件的 強(qiáng)度校核 ................................................ 36 桿的強(qiáng)度校核 ................................................ 36 輪的 校核 .................................................... 37 臂 的強(qiáng)度校核 ................................................ 39 第五章 總結(jié)與展望 ........................................................... 41 文的主要工作和結(jié)論 ................................................ 41 望 ................................................................ 41 致謝 ....................................................................... 43 參考文獻(xiàn) .................................................................... 44 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 第一章 緒論 計(jì)的背景和意義 高壓輸電線 作為輸電的主體設(shè)施，在國(guó)家的公共設(shè)施和社會(huì)生活發(fā)展中起著主要作用，承擔(dān)著電力的傳送任務(wù)，因?yàn)楦邏狠旊娋€是暴露在外的金屬制成的線路，不斷收到環(huán)境或者人類(lèi)生活的損害，因?yàn)榻?jīng)常裸露在自然環(huán)境中，很容易造成各種故障，如果來(lái)不及發(fā)現(xiàn)和排除，很容易對(duì)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(yùn)行，對(duì)輸電線路進(jìn)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(cè)或通過(guò)直升機(jī)在空中檢測(cè) ， 這些檢測(cè)方法 效率 不高 、 也不可靠 、 工作內(nèi)容不足而且費(fèi)用高 。 而機(jī)器人技術(shù)很巧妙地解決了這個(gè)棘手的問(wèn)題。把巡檢機(jī)器人應(yīng)用于高壓輸電線 路的巡檢作業(yè)，是一種符合現(xiàn)代化作業(yè)需求的方案。高壓線巡檢機(jī)器人在檢測(cè)高壓輸電線的工作中有著很大的優(yōu)勢(shì)，這個(gè)設(shè)計(jì)為檢測(cè)高壓線提出了人工智能化的機(jī)器設(shè)計(jì)，代替檢測(cè)員對(duì)線路進(jìn)行普通的檢查和修復(fù)，從而減少檢線工作的任務(wù)，也可以減少巡檢的成本，并且能顯著提高檢測(cè)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(cè)和修復(fù)的 水平 【 1】 。將機(jī)器人用于巡檢機(jī)器人可以近距離作業(yè) . 作為巡檢機(jī)器人最重要的部分，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定著機(jī)器人的性能。高壓輸電線巡檢機(jī)器人復(fù)雜的工作環(huán)和工作內(nèi)容對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)有著很高 的要求。機(jī)器人 要跨越高壓線上的各種障礙物并帶著儀器進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)械結(jié)構(gòu)決定著機(jī)器人的行走方式，儲(chǔ)存空間，抗壓能力，檢測(cè)方式等等。所以機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)也是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 外籍中 對(duì)高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的 探討開(kāi) 始于 十九世紀(jì)八十年代。有西方的發(fā)達(dá) 國(guó)家展開(kāi)了對(duì)高壓輸電線路機(jī)器人的 探討 。 1998 年，日本電氣公司 工作的巡檢機(jī)器人 【 5】 見(jiàn)圖 1個(gè)機(jī)器人使用兩個(gè)輪子，使用雙輪 同時(shí)行走 的本體 實(shí)現(xiàn) 工作和在線路上行駛 ，這種機(jī)器人 本體 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩大。 能 沿地線爬行，如果遇到線塔等異物時(shí)，該機(jī)器可以用像弓一樣搞得結(jié)構(gòu)，在沒(méi)有人干擾情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)自己越障。這個(gè)機(jī)器人很重，結(jié)構(gòu)也比較大。而且，該機(jī)器人將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)記錄在磁盤(pán)上，不利于儲(chǔ)存，巡檢完固定距離線路后就要停止工作記錄數(shù)據(jù)，實(shí)際操作受到限制。 1988 年，由日本 司的 人發(fā)明的由多個(gè)單位組成的機(jī)器人 【 6】 。此機(jī)器人使用多個(gè)單位和“前部決定，后部跟隨” 的操控方式方式，幾個(gè)具有伸降臂加輪子的單元組成機(jī)體，由轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)節(jié)接通每個(gè)單元，整個(gè)機(jī)器人 看起來(lái)像一個(gè) 蛇的機(jī)體，如圖 1示，通過(guò)巡檢機(jī)器人機(jī)械體上的傳感器，可大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 自動(dòng)跨越線路上的障礙物，該機(jī)器人能夠攝像出周?chē)那闆r 【 26】 ，并能具有多點(diǎn)和較為復(fù)雜的輸電線上工作。 該機(jī)器人有 多個(gè)單位 組 接 而成，每個(gè)小車(chē)自 己具備動(dòng)理力輪 ， 由 各個(gè)小車(chē) 自己的運(yùn)動(dòng)加上與其他車(chē)體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而組合運(yùn)動(dòng) 。 圖 1檢機(jī)器人 1形 巡檢機(jī)器人 1-2 加拿大 的虧北河電器工作室 人在 2001 年開(kāi)始 控車(chē) 【 8】 的發(fā)明工作，如圖 1系統(tǒng)開(kāi)始的時(shí)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(fù)。 2003 年由巴巴西啦思大學(xué)的 人共同發(fā)明的一個(gè)檢線機(jī)構(gòu) 【 13】 如圖 1機(jī)器人使用輪轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)放置其他附屬設(shè)施，能夠在線路上去除障礙物，安裝放學(xué)求等。但是這兩個(gè)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 機(jī)構(gòu)都有一個(gè)缺點(diǎn)。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(dòng)，所以他們的其應(yīng)用范圍受到限制。 圖 1控小車(chē) 1988 年美國(guó) 構(gòu)發(fā)明了如下機(jī)器人 [5]，如圖 1示。 該機(jī)器人用爬的方式進(jìn)行作業(yè)，通過(guò)中間手臂懸吊，兩側(cè)手臂協(xié)調(diào)爬動(dòng)實(shí)現(xiàn)行走，并且?guī)е渌脑O(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)等相應(yīng)工作 ， 包括線路檢測(cè)，絕緣錘檢查，障礙去除等。但時(shí)該機(jī)器人因受結(jié)構(gòu)的限制，只能以仿生的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行工作，工作范圍有限。 圖 1國(guó) 臂式巡檢機(jī)器人 im 991 年 日本 發(fā)的 的 電力巡檢輸送器使用了獨(dú)立車(chē)體結(jié)構(gòu) ，如圖 1計(jì)） 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(shù) 字 和圖片資料存在數(shù)據(jù)記錄器中 ，而且能用機(jī)構(gòu)里面的探測(cè)器進(jìn)行損傷的檢測(cè)，并且記錄具體的位置，而工作人員可根據(jù)傳回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)很方便 。 但是這個(gè)類(lèi)似探測(cè)器的機(jī)構(gòu)不具備在線行駛和跨越障礙的能力，所以他的實(shí)用性受到限制。不過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)獲得了很多獎(jiǎng)項(xiàng)。 圖 1本 司生產(chǎn)的巡檢機(jī)器人 西米 的那思 大學(xué) 于 2003 年 由 明了如下機(jī)器人 ，如圖1示 【 23】 。 這個(gè)機(jī)器人采用一個(gè)單獨(dú)的機(jī)構(gòu)加上其他不同的附屬設(shè)備，可在線進(jìn)行線路檢測(cè)，障礙物的跨越和記錄線路上的不同情況，可根據(jù)不同的環(huán)境啟用不同的設(shè)備完成不同的功能。 但 是 這種機(jī)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(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)實(shí)工作受到限制。 圖 1警球安裝作業(yè)機(jī)器人 of 內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 我 國(guó) 國(guó) 內(nèi)對(duì) 于 巡檢機(jī)器人的研究起步相比于國(guó)外較晚，開(kāi)展 相應(yīng)的 研究 所 也并 不多。 在二十世紀(jì) 末， 我國(guó)國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)進(jìn)行了相應(yīng)工作的開(kāi)展 ， 而且初具雛形，并且將很多實(shí)驗(yàn)室研究出來(lái)的樣機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活中進(jìn)行了實(shí)用 。 有些學(xué)校開(kāi)張的比較早，比如山東大學(xué)的武漢大學(xué)很早的進(jìn)行了高壓輸電線的研究工作 。 受到國(guó)家的相關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)政策 ， 很多機(jī)構(gòu)積極地相應(yīng)，快速地進(jìn)行了相關(guān)工作。 武漢大學(xué) 和 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所 ， 山東大學(xué) 和河南電氣機(jī)構(gòu)幾乎同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)工作。 自 隸屬于中科院的 動(dòng)化研究所 發(fā)明了一種三個(gè)手臂的機(jī)械機(jī)構(gòu) ， 而且和山東大學(xué)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(guò)線路上的障礙物，并且可以將巡檢到的內(nèi)容傳回地面，進(jìn)行操控表。但這個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也比較重，行動(dòng)笨重，不易于操控。 武漢大學(xué)設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人有兩個(gè)巡檢機(jī)械手臂，直接連到控制箱，可快速的傳播信息。 如圖 14】 ，可 通過(guò) 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(dòng)靈敏，效率快，操控方便。但是該機(jī)器人在相線上行駛 ，而相線上的行動(dòng)很復(fù)雜，機(jī)器人在行動(dòng)過(guò)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?yàn)橄嗑€帶電，線路復(fù)雜，并且機(jī)器人在相線上行駛安全性不高。所以該機(jī)器人的使用范圍不廣 【 14】 。 圖 1東大學(xué)研制的三臂式巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu) a 疆大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 圖 1漢大學(xué)研制的雙臂式巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) by 上所述， 上面的多個(gè)設(shè)計(jì)都是采取相線上運(yùn)動(dòng)的方式，而與機(jī)器人在地線上行駛相比，機(jī)構(gòu)在 相線 上 的作 的工作形式 存在以下問(wèn)題： （ 1） 相線上帶電，機(jī)器人行使比較危險(xiǎn)。 （ 2） 巡檢機(jī)器人的巡檢范圍比較小，很多方向的檢測(cè)不到位。 （ 3） 相線上帶電，機(jī)器人在相線上行駛，產(chǎn)生的熱量較大，機(jī)體溫度較多、大，長(zhǎng)時(shí)間行駛時(shí)，對(duì)機(jī)體的損耗較大。 （ 4） 在風(fēng)雨雷電的情況下，相線容易放電，機(jī)器人在相線上時(shí) 比較危險(xiǎn)。 器人本體結(jié)構(gòu)需要解決的一些關(guān)鍵問(wèn)題 由于 巡檢機(jī)器人研究的不斷 發(fā)展 ，人們對(duì)機(jī)器人的 機(jī)械 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必然會(huì)提出更高的要求，主要 是 輕量化、操作簡(jiǎn)單化 并且具有 越障高效 的功能 。 （ 1） 體積簡(jiǎn)化，決定著機(jī)體 重量的 部分 有： 機(jī)體的大小和本體 結(jié)構(gòu)等。 所以機(jī)器人設(shè)計(jì)中應(yīng)該在滿足機(jī)器人性能的基礎(chǔ)上，盡量減少其尺寸，并且有著簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)，從而滿足輕量化的要求。 （ 2） 操作簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中在滿足性能的技術(shù)上要盡量減少操作方式，使其便于操作，因?yàn)樵趶?fù)雜的高壓輸電環(huán)境下過(guò)多的操控會(huì)降低機(jī)器人的效率，所以 需要 盡量使機(jī)體簡(jiǎn)化 ，選擇 簡(jiǎn)易的本體結(jié)構(gòu)可以 實(shí)現(xiàn)其 敏 、高效率的越障 能力 。 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 文的主要研究?jī)?nèi)容 根據(jù)上文的引述，本設(shè)計(jì)提出了一種新型的機(jī)器結(jié)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)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(wù) ， 其 主要工作分為以下幾個(gè)方面： （ 1）討論國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果， 并且 分析存在的優(yōu)點(diǎn)和不足， 以及 論述本次設(shè)計(jì)的意義和目的。 （ 2） 簡(jiǎn)述 高壓輸電線路的特點(diǎn) 與 組成， 清晰 分析 出 高壓輸電線路障礙物的結(jié)構(gòu) 類(lèi)型和特點(diǎn) 。并且分析巡檢間機(jī)器人的工作原理、 巡檢機(jī)器人巡檢越障作業(yè)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求， 從而 為機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。 （ 3）比較現(xiàn)有 的 設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)，提出并設(shè)計(jì)一種新的機(jī)器人 的機(jī)械結(jié)構(gòu) ，以 適 應(yīng) 高壓線地線作業(yè)環(huán)境 。 從 開(kāi)始 的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖到具體的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并 清晰講 述此 機(jī)器人 機(jī)械 機(jī)構(gòu)主要部件的 零部件 和功能作用 。能夠 利用 術(shù)給出機(jī)器人的三維實(shí)體模型和零件圖，并 且 對(duì)機(jī)器人巡檢作業(yè)和越障過(guò)程予以規(guī)劃和分析。 （ 4）進(jìn)行巡檢機(jī)器人主要零部件的靜力學(xué)分析和強(qiáng)度校核以及其運(yùn)動(dòng)學(xué)。 （ 5）整體動(dòng)畫(huà)分析并 總結(jié)當(dāng)前的主要工作，分析不足，并對(duì)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作提出展望。 第二章巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境和原理分析 序言： 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 研究高壓輸電線巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，分析巡檢機(jī)器人的工作原理是機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心。巡檢機(jī)器人在野外工作，工作環(huán)境復(fù)雜多變，與之相應(yīng)的要有縝密的原理分析，本章將就巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境和工作原理進(jìn)行研究。 壓輸電線的特點(diǎn)和組成 壓輸電線路的特點(diǎn) 熟悉并了解 高壓輸電線 路 的特點(diǎn)和組成 才能更好地 設(shè)計(jì)巡線機(jī)器人 機(jī)械 結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)實(shí)中我國(guó)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(yīng)用范圍廣，工程的任務(wù)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(fēng)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(lái)麻煩。這樣的影響決定著人的生活用電和工業(yè)用電。對(duì)這些問(wèn)題的及時(shí)檢測(cè)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(diǎn)： （ 1） 的地理環(huán) 境復(fù)雜，氣候惡劣， 輸電線路 必須 穿過(guò)許多地質(zhì)條件 各異 的地區(qū)，其地理環(huán)境 和 氣象等條件 相對(duì) 比較復(fù)雜，地質(zhì)條件變化 很 大。 （ 2） 高壓輸電線的所在環(huán)境復(fù)雜，在荒野外，范圍廣定點(diǎn)多，線路長(zhǎng)，這些因素導(dǎo)致高壓線很容易受到自然環(huán)境的侵害，從而導(dǎo)致輸電障礙。 （ 3） 我國(guó) 輸電線路對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì) 是 至關(guān)重要 的 ，尤其超高壓電力線路關(guān)系到 一個(gè)地區(qū)的國(guó)防 、 工業(yè) 、人民生活 的用電安全， 因此絕 不能出現(xiàn)事故， 并且 在工程地質(zhì)上對(duì)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(gòu)成 有： 基礎(chǔ)組成有比如由混凝土以及與其混合而成的底盤(pán)。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(gòu)成完整的輸電線， 這些 部件 有機(jī)的 組 成了高壓輸電線路 【 12】 。 導(dǎo)線用于傳送電流 ； 將電流引入大地的叫做避雷線，通過(guò)這種形式使 線路 保護(hù)線路從而避免遭到損害 ；桿塔 是支撐諸如導(dǎo)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(dǎo)線和周?chē)牡孛?，?shù)木，公路水面，房屋等，保持安全距離。而絕緣子的作用是時(shí)桿塔和輸電線之間保持絕對(duì)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(gè)塔的距離一般在 300 到 500 米，一些復(fù)雜的地理環(huán)境，塔尖距離根據(jù)情況調(diào)整隨時(shí)都有轉(zhuǎn)換線路方向或者跳線等問(wèn)題。而且相線上的其他設(shè)備也比較。 ，如圖 22示。 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(guò)相線 ， 所以為了輸電安全 ， 相線要和周?chē)脑O(shè)施保持相應(yīng)的距離，高壓線路和周?chē)脑O(shè)施保持的最短間距 見(jiàn)表 2此，出于安全考慮， 機(jī)器人的尺寸不能太大 。 而且考慮到線路的增重變形，機(jī)器人也不能太重 【 23】 。 表 2電體與塔架最小間距 【 2】 （米） m） 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 壓輸電線的巡檢內(nèi)容 及原理 巡 檢工作是 輸電線路 檢修維護(hù) 的 重要 內(nèi)容， 涉及到線路的安全 ， 在日常對(duì)線路的總體工作重占主導(dǎo)地位，如果線路的巡檢沒(méi)有到位，馬虎大意，有些問(wèn)題沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，不僅耽誤了線路的檢修維護(hù)工作，而且還會(huì)使輸電工作不能滿足日常需需求，更有造成重大電力災(zāi)害的可能，威脅到人身安全。 使線路設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)以及 管理工作 滯后 ，安全運(yùn)行水平降低 。 能夠使線路產(chǎn)生故障的原因繁多，比如輸電線的有些部分長(zhǎng)時(shí)間不用老化，而所處的環(huán)境又不斷變化，這些都有可能導(dǎo)致障礙的出現(xiàn)。所以 ， 高壓 輸電線路的 作業(yè) 內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面： （ 1） 沿線巡視有沒(méi)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(nóng)作 物和比較高的樹(shù)木等 。 （ 2） 有時(shí)候塔桿會(huì)傾斜，所以要檢測(cè) 桿塔 的傾斜程度，幅度不能太大。構(gòu)成塔架的混凝土有的會(huì)被腐蝕，根據(jù)資料，也不能能超過(guò) 且不能讓太多的金屬裸露在外，而有些特制的 木桿 也要進(jìn)行進(jìn)水 腐朽 檢測(cè) ， 木桿的根部也要防水處理。 （ 3） 各類(lèi)輸電線有沒(méi)有斷股的問(wèn)題 、 或者接頭處有沒(méi)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(guò) 15°。 （ 4） 線路上的斷路器安裝牢靠與否，是否變形 ， 一些 標(biāo)志指示 能不能明顯看出 ； 輸電線上的 瓷件有 沒(méi)有開(kāi)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(duì)周?chē)矬w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(hù)套有沒(méi)有受損 ； 以及用于 接地 的 裝置 是否裸露 ，或 者放電可能 ， 各個(gè)連引線有沒(méi)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(nèi)等 。 機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)中工作有以下兩個(gè)階段 ： 在線上無(wú)障礙前進(jìn)，在線上越障行駛。前者比較簡(jiǎn)單，沿線行駛即可，一般在坡度不是很大的路段上，可通過(guò)滾動(dòng)的滾輪實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制，這一階段運(yùn)行耗能也少。當(dāng)坡度大時(shí)，三個(gè)機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，采用類(lèi) 似蛇形一樣爬行，兩臂固定，第三臂運(yùn)動(dòng)，三臂相互協(xié)調(diào)，交替運(yùn)動(dòng)。第二個(gè)階段，碰到比較小的障礙物，可通過(guò)小臂仰俯運(yùn)動(dòng)，使輪子抬高從而越障，碰到比較大的障礙物時(shí)，則需要固定前臂，然后后面兩個(gè)手臂脫線，繞著前臂定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)障礙物后重新懸掛在線上 。 巡檢機(jī)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(jī)器人工作時(shí)可以調(diào)節(jié)相關(guān)部件從而滿足工作需求，所以 在此過(guò)程中執(zhí)行各種動(dòng)作 時(shí) ，應(yīng)避免出現(xiàn)以下情況： （ 1） 巡檢機(jī)器人在正常行駛時(shí)，主要靠輪子的滾動(dòng)，高壓線摩擦系數(shù)不高，所以不能使輪子打滑，從而導(dǎo)致機(jī)體不能正常運(yùn)動(dòng)。 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 （ 2） 巡檢機(jī)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(jī)器人在正常工作時(shí)，要與輸電線或者線路上的其他設(shè)備保持一定的安全距離，防止碰撞。 圖 2壓線巡檢機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境 s 文中 高壓 巡線機(jī)器人的工作原理和過(guò)程 可概括 為： 1) 機(jī)器人上線； 2) 巡檢機(jī)器人主體箱中的控制器接到工作命令時(shí)，驅(qū)動(dòng)主體沿地線行駛 ； 3) 巡線機(jī)器人 在沒(méi)有障礙的路段行駛時(shí)主要靠滾輪滾動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)。在前進(jìn)的過(guò)程中，要檢測(cè)前方可能遇到的障礙物，并對(duì)障礙物通過(guò)攝像機(jī)拍攝，拍攝后將機(jī)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)位置和障礙物的情況傳輸?shù)降孛娴目刂苹兀瑥亩鴽Q定機(jī)器人如何應(yīng)對(duì) ； 4) 在機(jī)器人行駛過(guò)程中遇到比較小的障礙物時(shí)，因?yàn)檩喿硬捎弥锌赵O(shè)計(jì)，輪子下方留有一定的空間，可通過(guò)小臂仰俯運(yùn)動(dòng)抬高輪子從而使機(jī)器人越過(guò)障礙物繼續(xù)行駛。 5) 當(dāng)巡檢機(jī)器人檢測(cè)到比較大的障礙物時(shí)，上升輪子不能滿足要求，此 時(shí)控制器就會(huì)驅(qū)動(dòng)小臂仰俯運(yùn)動(dòng)使前臂上升，此過(guò)程跟遇到較小的障礙物一樣，上升到最大高度是，打開(kāi)輪子的開(kāi)合裝置，是輪子兩邊打開(kāi)，這樣可以形成很大的空間提供越障。前臂通過(guò)障礙物后，繼續(xù)前進(jìn)，中間手臂遇到障礙物，因?yàn)橹虚g手臂不能上升，只能打開(kāi)，從而越過(guò)障礙。在第三個(gè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到障礙物時(shí)跟前手臂遇到障礙物一樣，可以上升然后打開(kāi)開(kāi)合裝置，從而越障。越過(guò)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(kāi)合也不能滿大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 足越障，此時(shí)只能通過(guò)第三種方式。第一個(gè)手臂遇到障礙物時(shí)，盡可能靠近，然后 固定住。后面兩個(gè)輪子打開(kāi)，脫落，整個(gè)機(jī)體靠前臂的抓緊固定在線上，然后通過(guò)前臂的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)體繞著前臂進(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)過(guò)障礙物 【 23】 。旋轉(zhuǎn)過(guò)障礙物后，后面兩只手臂重新掛線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的跨越。 壓線巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 通過(guò) 上文 對(duì)高壓輸電線路 的分析 和 對(duì) 巡檢機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的分析，對(duì)巡檢機(jī)器人的 機(jī)械 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了 如下 要求： （ 1）高壓線巡檢機(jī)器人的 本體 結(jié)構(gòu)和重量 因?yàn)檠矙z機(jī)器人在輸電線上行駛，這種特殊的行駛載體，對(duì)其重量有很高的要求。因?yàn)闄C(jī)器人的重量和一些附屬裝備的重量都由高壓線承擔(dān)，而線路的承載能力肯定是有限的，查閱相關(guān)資料可得 ， 高壓輸電線的承載能力大約在 200當(dāng)然 ，機(jī)器人本體的重量應(yīng) 遠(yuǎn)不及 這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 （ 2） 巡檢機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)的相關(guān)功能和技術(shù)要求 機(jī)器人的本體機(jī)械設(shè)計(jì)決定著巡檢機(jī)器人如何在巡檢工作中運(yùn)動(dòng)，是適應(yīng)高壓輸電線巡檢環(huán)境和巡檢人物的關(guān)鍵，為了滿足實(shí)際要求，對(duì)機(jī)器人提出以下要求 ： 1）移動(dòng)能力： 無(wú)論是在平緩的線路還是有坡度的線路，機(jī)器人都要有精 確地移動(dòng)位置，穩(wěn)定的移動(dòng)能力，并且能夠保證移動(dòng)的安全性，這是機(jī)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(jī)器人優(yōu)越性的考量標(biāo)準(zhǔn)，也是實(shí)際作業(yè)的必然要求。所以說(shuō)設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該具有跨越一般障礙物的功能，是機(jī)器人順利行駛。 4）承載能力： 機(jī)器人的運(yùn)行方式是懸掛在線上，而且有其他的附屬設(shè)備，所以機(jī)器人必須要有相應(yīng)的承載能力。有足夠的空間和能力來(lái)攜帶相關(guān)設(shè)備。 檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案的 選擇 （ 1）纜車(chē)式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案 因?yàn)楦邏壕€路本身的性質(zhì)決定了輸電線有相應(yīng)的承載能力，所以巡檢 機(jī)器人就可以直接在線路上行駛。而絕大部分線路上是沒(méi)有障礙物的 【 14】 ，所以參考資料中 可采用如圖 2示的 獨(dú)立 纜車(chē) 的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ， 滾輪懸掛在線路上承載機(jī)體，而控制箱攜帶相應(yīng)的設(shè)備。行動(dòng)的時(shí)候通過(guò)滾輪滾動(dòng)前進(jìn)。通過(guò)控制箱里面的相應(yīng)設(shè)備完成線路檢測(cè)，障礙物預(yù)警，線路信息傳回等工作。最早的巡檢機(jī)器人也是如此，但是類(lèi)似這種設(shè)計(jì)沒(méi)有越障能力，越到障礙物無(wú)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(shí)用性受到限制。 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 圖 2車(chē)形式的結(jié)構(gòu) of 2）多自由度仿生手臂的設(shè)計(jì)方案 在上述方案的基礎(chǔ)上，為滿足機(jī)器人在線路上的各種作業(yè)需求，在的沿線作業(yè)的基礎(chǔ)上增加了越障功能。越障功能的實(shí)現(xiàn)依靠多個(gè)手臂和手抓機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行，并且有相應(yīng)的輔助機(jī)構(gòu)， 參考文獻(xiàn) [10]中 提 有一種這樣的設(shè)計(jì) ， 這種設(shè)計(jì)的 機(jī)器人在兩個(gè)手臂上設(shè)計(jì) 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) 和一個(gè)可以直線活動(dòng)的關(guān)節(jié)，而通過(guò)機(jī)械臂末端的手抓懸掛在線路上。當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，一個(gè)手抓固定，另一個(gè)手抓脫落線路后通過(guò)相關(guān)部件的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)跨越， 如圖 2示。這種設(shè)計(jì)方案 能夠越過(guò)線路上的一般障礙物 【 22】 ，缺點(diǎn)是，在越障的過(guò)程中機(jī)器然不太穩(wěn)定，一個(gè)手臂抓線時(shí)集體容易出現(xiàn)偏差，對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)的改進(jìn)可以通過(guò)增加手臂上的腕關(guān)節(jié)，如圖 2示。 這樣改進(jìn)后。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中具有了良好的穩(wěn)定性。 上述兩種設(shè)計(jì) 均使用了通過(guò)手臂擺動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而手臂本身通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是手臂的運(yùn)動(dòng)范圍不足，在實(shí)際的工作中應(yīng)用范圍有限， 不 太方便作業(yè)， 而且在行駛時(shí)，手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)承重過(guò)大，這樣就使得手臂的設(shè)計(jì)要求很高，不容易實(shí)現(xiàn)。 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 圖 2動(dòng)臂式的手臂設(shè)計(jì)方案 2進(jìn)后的擺動(dòng)臂式的手臂設(shè)計(jì)方案 慮到上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，和實(shí)際的要求， 本文提出了 如下的設(shè)計(jì)方案，高壓 輸電線路 復(fù)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(zhuǎn)彎等。考慮到這些需要克服的困難， 為了達(dá)到 相應(yīng)的 要求， 安裝在機(jī)器人本體上的機(jī)械手臂必須靈敏而且多變，從而應(yīng)對(duì)不同的線路情況。其工作范圍也要滿足實(shí)際要求。 能完成 必備 的 相應(yīng) 動(dòng)作，應(yīng)有自由度 四到五個(gè) 個(gè)， 尺寸適中，質(zhì)量不大。所以 我 參考了已有的機(jī)器人結(jié)構(gòu) ， 摒棄其缺點(diǎn)，保有其長(zhǎng)處， 設(shè)計(jì)出了適用于 500電線路 以下 的 高壓輸電線巡檢機(jī)器人。 其總體機(jī)構(gòu) 三 維 圖 示。 機(jī)器人的主要組成有 ： 機(jī)械手臂（大臂、小臂） 、 手腕手掌、驅(qū)動(dòng)輪、傳動(dòng)絲杠、主體箱等 。 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 圖 2巡線機(jī)器人三維圖 章 總結(jié) 高壓輸電線是 如 今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的 主要 生命線，對(duì) 輸電線 有效的巡查 以及 監(jiān)督是電力部門(mén) 首要 任務(wù)之一。 而 了解 高壓 輸電線的組成對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)起著 尤為 重要的 作用， 在高壓線上，高壓線的其他設(shè)備會(huì)對(duì)機(jī)器人的在線行駛進(jìn)行阻礙。所以機(jī)器人在越障過(guò)程中，要考慮到這些障礙物的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。在行駛的過(guò)程中能夠順利跨越障礙物，并且保證安全和效率是設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人的基本要求。 本章在主要分析了巡檢機(jī)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(duì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。提出了兩種簡(jiǎn)單的方案設(shè)計(jì)，并給出了總體的設(shè)計(jì)三維簡(jiǎn)圖。 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 第三章 高壓線巡檢機(jī)器人 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 序言： 在分析了巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境和工作內(nèi)容以及工作原理的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的分析，包括每一個(gè)零部件的設(shè)計(jì)，包括機(jī)械手臂，滾動(dòng)輪，控制箱等主體設(shè)計(jì)。并用 出機(jī)器人的三維建模。 檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案的 選擇 （ 1）巡檢機(jī)器人懸掛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案 巡檢機(jī)器人的手臂在行駛路徑的同一側(cè)或者兩側(cè)，通過(guò)對(duì)稱懸掛的方式在線上行駛。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)也是對(duì)稱的，這樣的穩(wěn)定性比較好，也給機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出了一些參考。但是這樣的設(shè)計(jì)也有缺點(diǎn)，那就是行駛時(shí)容易受到線路的影響，因?yàn)閼覓煸诰€路一側(cè)時(shí)，一側(cè)臨近塔架一側(cè)遠(yuǎn)離塔架，所以這種懸掛方式會(huì)受到塔架的影響，在靠近塔架的活動(dòng)范圍比較受限 。 本設(shè)計(jì)的機(jī)器人 方案 也是采用了同一側(cè)懸掛的方式， 如圖 3示。如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)遵循一定要求、保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，單側(cè)懸掛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足機(jī)器人線上作業(yè)的要求 。 圖 臂位于兩側(cè)的懸掛。 .1 at 臂位于同側(cè)的懸掛 3.2 at 2）作業(yè)路徑的選擇 機(jī)器人的工作路徑是其設(shè)計(jì)的主要因素。正如上文中提到，機(jī)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?yàn)槭禽旊娋€，質(zhì)量比較高，也比較粗，而且在地線上行駛機(jī)器人取電也比較方便，地線的承載能力也很強(qiáng)。有很多設(shè)計(jì)也是參考了地線的設(shè)計(jì)。但是隨著研究工作不斷開(kāi)展，有關(guān)結(jié)果表明 [12]，大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 機(jī)器人 更適合在地線上行駛 。 原因有以下幾點(diǎn) ： 第一，地線上的線路情況比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有過(guò)多的附屬設(shè)備。對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求也不是很苛刻 ； 第二，地線在相線的上面，機(jī)器人的視野比較寬闊， 攝像機(jī)在工作時(shí)能夠更完整的拍攝真實(shí)的線路情況 ； 第三，機(jī)器人工作時(shí) ，會(huì)或多或少的影響線路， 對(duì)線路會(huì)造成或多或少的損傷，而地線非輸電線，多輸送電力不會(huì)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(shí)取電比較方便，但卻避免了對(duì)輸電的影響，也避免了設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。 例如越障時(shí)取電裝置可能也要參與越障，還有備用電源的切換問(wèn)題等。 表 3檢機(jī)器人的基本構(gòu)型 he 構(gòu) 運(yùn)動(dòng)方式 自由度個(gè) 數(shù) 驅(qū)動(dòng)方式 輪爪機(jī)構(gòu) 腕臂機(jī)構(gòu) 控制箱 滾輪轉(zhuǎn)動(dòng) 輪子 開(kāi)合 手腕轉(zhuǎn)動(dòng) 手臂轉(zhuǎn)動(dòng) 手臂升降 控制箱移動(dòng) 1× 2 1× 2 1× 2 1× 2 1× 2 1 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 絲杠螺母 絲杠螺母 性臂 巡檢機(jī)器人的機(jī)械手臂是機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)最重要的組成部分，它的作用是通過(guò)滾動(dòng)輪懸掛在線上，并且承擔(dān)主要的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)大臂和小臂的回轉(zhuǎn)和仰俯運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)承載主體箱 機(jī) 和移動(dòng)調(diào)節(jié)整體機(jī)構(gòu)的功能。一般為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線行駛 ，機(jī)械手臂最少要三個(gè)自由度 【 14】 。當(dāng)然少數(shù)的巡檢機(jī)器人自由度比較少，有的只有兩個(gè)，但是其行動(dòng)受到限制。手臂的結(jié)構(gòu)選擇很多，查閱相關(guān)資料 【 2】 ， 常用的構(gòu)形如圖 3示。 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 圖 3種機(jī)器人手臂構(gòu)型 3-3 檢機(jī)器人要滿足通過(guò)手臂能最大程度的運(yùn)動(dòng)到需要的位置，滿足真實(shí)需求。同時(shí)機(jī)械機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)潔，容易操控。在同等體積同等重量的要求下，具關(guān)節(jié)手臂要比不具關(guān)節(jié)的手臂擁有更多的活動(dòng)空間。而且具關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡相應(yīng)比較靈活，動(dòng)作更加靈敏，所以本設(shè)計(jì)的機(jī)器人手臂采用多關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 手臂的結(jié)構(gòu)有多種形式，常見(jiàn)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(gòu)形 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 of 中 B 表示 手臂的 彎曲結(jié)構(gòu)， 表示組成相關(guān)的部件能在相鄰的運(yùn)動(dòng)組件上實(shí)現(xiàn)角度的變化 。 R 表示轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)， 表示組成相關(guān)的部件能在相鄰的運(yùn)動(dòng)組件上實(shí)現(xiàn)在 軸線 上轉(zhuǎn)動(dòng) 。 其中 結(jié)構(gòu) 擁有兩個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向功能比較多，結(jié)構(gòu)尺寸較大，活動(dòng)范圍較廣。而 構(gòu)相對(duì)結(jié)構(gòu)比較緊湊。有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，占用的空間也比較少。可用于手腕手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 由于 現(xiàn)實(shí)作業(yè)中，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)要求機(jī)械臂整體要平行于地線， 綜合考慮后本設(shè)計(jì)采用的手臂擁 有四個(gè)自由度，其中 大臂小臂有 兩個(gè)自由度 來(lái)完成 機(jī)械手 臂的位置 變化 ， 手抓輪的 兩個(gè)自由度 來(lái) 確定手 輪 的姿態(tài) ，綜上考慮后， 最后 手臂的其 機(jī)械結(jié)構(gòu) 形式如圖 3示 【 23】 。 圖 3性臂的最終構(gòu)形 3-3 of 上所述， 機(jī)械手臂 臂由 地 座、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂 組成。機(jī)械臂水平方向由肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，豎直方向的運(yùn)動(dòng)由肘關(guān)節(jié)和小臂末端的手腕來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 參考 工作情況的需要 【 16】 ， 確 定出 本設(shè)計(jì)的 巡線機(jī)器人的 具體的尺寸 ： 大臂長(zhǎng)： 350 手腕 邊長(zhǎng) ： 70臂長(zhǎng)： 400 末端執(zhí)行器 70關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍： 肩關(guān)節(jié)：± 90° 肘關(guān)節(jié)：± 90° 腕關(guān)節(jié)：± 90° 手掌關(guān)節(jié) ：± 90° 動(dòng)部件的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為使機(jī)器人工作時(shí)提供了原始動(dòng)力，目前的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20 動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種。 液壓驅(qū)動(dòng)， 這種驅(qū)動(dòng)方式力量比較大，有足夠的 輸出力， 其缺點(diǎn)是成本比價(jià)高 ； 而相對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)， 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 造價(jià)成本低，而且比較容易操作，控制起來(lái)也比較方便，但是它的缺點(diǎn)也比較明顯 ， 就是精度不能達(dá)到要求，滿足要求相對(duì)較難。只能在低精度的要求下工作。實(shí)際作業(yè)受限 ； 相對(duì)于以上兩種驅(qū)動(dòng)方案的選擇，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)很容易控制，耗能不高， 而且結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，也不會(huì)污染環(huán)境。電動(dòng)機(jī)控制的精度也相對(duì)較高，能滿足一般的作業(yè)要求。 是現(xiàn)代機(jī)器人 首選的 驅(qū)動(dòng)方式 之一 。由于受電源和功率的限制，交流伺服電機(jī)和交流電機(jī)一般不能適用于巡線機(jī)器人。 步進(jìn)電機(jī) 的工作方式使得 步進(jìn)電機(jī)的 精度能夠達(dá)到一定程度。穩(wěn)定性高， 不會(huì)長(zhǎng)期積累 誤差 【 8】 。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)方式也比較密，可以瞬時(shí)啟動(dòng)，短時(shí)間停止，對(duì)于機(jī)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(duì) 轉(zhuǎn)動(dòng)的方向 進(jìn)行調(diào)整 。因此，從步進(jìn)電機(jī)的特性和巡線機(jī)器人實(shí)際的作業(yè)過(guò)程考慮，各關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇用步進(jìn)電機(jī) 【 26】 。 直導(dǎo)軌步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選型 電機(jī)力矩的計(jì)算： 360????(3 設(shè)計(jì)任務(wù)的精度 ? 為 杠導(dǎo)程選為 5) 由公式得 ?? ?(3 電機(jī)的歩距角為 已知導(dǎo)程 料密度 337 . 8 5 1 0 /k g c m? ??? 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 324? (3 因