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中 北 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 學(xué) 院： 機械與動力工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械電子工程 學(xué) 生 姓 名： 冉歷 學(xué) 號： 1102044251 設(shè)計題目： 絕緣子巡測機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 起 迄 日 期: 2015年3 月9日~ 2015年6月10 日 設(shè)計地點: 瑞學(xué)樓410 指 導(dǎo) 教 師: 代小林 史源源 負(fù) 責(zé) 人: 趙俊生 發(fā)任務(wù)書日期: 2015 年 3 月 9 日  任務(wù)書填寫要求 1．畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在學(xué)院的負(fù)責(zé)人審查、負(fù)責(zé)人簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生； 2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼； 3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫； 4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“學(xué)院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號（如0201140102,為10位數(shù)），不能只寫最后2位或1位數(shù)字； 5．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書 1．畢業(yè)設(shè)計課題的任務(wù)和要求： 絕緣子是高壓架空導(dǎo)線與桿塔件的支撐鏈接部件，絕緣子串中如出現(xiàn)劣化、污穢時容易出現(xiàn)閃絡(luò)，大電流流過劣化絕緣子時導(dǎo)致絕緣子掉串，嚴(yán)重影響輸電線路的安全。目前絕緣子檢測主要采用人工檢測方式、該方式勞動強度大、效率低，與電力生產(chǎn)的安全性要求仍有比較大的距離。 絕緣子巡檢機器人能自動實現(xiàn)在絕緣子串上的行走與檢測，是當(dāng)前的電力系統(tǒng)機器人技術(shù)的研究熱點。本課題擬對500kv高壓電網(wǎng)絕緣子機器人的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與分析。 2．畢業(yè)設(shè)計課題的具體工作內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 1）要求機器人重量總小于20kg，爬行速度不小于3m/min； 2）要求機器人能適應(yīng)500kv高壓電網(wǎng)的單串、雙串、懸垂串、耐張串； 3）完成導(dǎo)向裝置、行走裝置、各電機及傳動裝置、以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與校核，并通過三維實體建模軟件solidworks建立機器人結(jié)構(gòu)模型； 4）查閱相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)15篇以上，其中至少有2篇外文相關(guān)文獻(xiàn)，并將其中1篇不 少于2000詞的外文資料翻譯成漢語； 5）撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書1篇。 畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書 3．對畢業(yè)設(shè)計課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計、圖紙、實物樣品等)： 畢業(yè)設(shè)計說明書一份，所撰寫的說明書要求包含設(shè)計期間所完成的分析、設(shè)計、調(diào)試工作的全部內(nèi)容，說明書格式符合學(xué)校的相關(guān)規(guī)定，字?jǐn)?shù)不少于15000字，用計算機排版、打印。 4．畢業(yè)設(shè)計課題工作進(jìn)度計劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2015年 3月9 日~3月28日 3月29日~4月 4日 4月 5日~4月18日 4月19日~5月 9日 5月10日~5月30日 5月 31 日~6月10日 調(diào)研、文獻(xiàn)檢索、制定技術(shù)方案 (第1~3周) 撰告寫開題報 (第4周) 完成導(dǎo)向裝置、行走裝置和驅(qū)動方式的選擇和傳動機構(gòu)設(shè)計 (第5~6周) 完成校核計算 (第7~9周) 完成實體建模 (第10~12周) 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書 準(zhǔn)備和進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計答辯 (第13~14周) 學(xué)生所在學(xué)院審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 中 北 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計開題報告 學(xué) 生 姓 名： 冉歷 學(xué) 號： 1102044251 學(xué) 院： 機械與動力工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械電子工程 設(shè)計題目： 絕緣子巡檢機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 指導(dǎo)教師: 代小林 史源源 2015年 4 月 1 日  開題報告填寫要求 1．開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師審查后生效； 2．開題報告內(nèi)容必須用按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．文中應(yīng)用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號，文后“參考文獻(xiàn)”的書寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714—87《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性； 4．學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號（如0201140102,為10位數(shù)），不能只寫最后2位或1位數(shù)字； 5. 有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”； 6. 指導(dǎo)教師意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 1．選題依據(jù)： 1.1選題背景 架空輸電線路上的絕緣子（如圖1所示）作為導(dǎo)線與桿塔間的支撐連接部件，在保證電力系統(tǒng)正常生產(chǎn)，安全運行，可靠性供電方面占有極其重要的地位，絕緣子的可靠性和質(zhì)量直接影響輸電線路的運行安全。絕緣子的劣化不僅引起其機械性能的下降，也造成其電氣性能的喪失。絕緣子串中如有一定數(shù)量的劣化絕緣子存在，當(dāng)有污穢、雷擊或其他原因引起閃絡(luò)時，大電流將流過劣化絕緣子的頂部，導(dǎo)致絕緣子掉串[1]。 圖1 架空輸電線路和絕緣子 1.2課題研究的目的、內(nèi)容及意義 1.2.1 課題研究的目的 為了保證輸電線路用的絕緣子運行安全，因此需要定期地進(jìn)行劣化絕緣子檢測[2]，從而確定絕緣子是否需要更換。 1.2.2 課題研究的內(nèi)容 設(shè)計簡單便捷的機械裝置彌補現(xiàn)有絕緣子巡檢機器人的不足，實現(xiàn)對零值或低值絕緣子的巡檢工能。 1.2.3課題研究的意義 (1) 能有效檢測需要更換的零值或低值絕緣子 目前絕緣子檢測主要采用人工檢測的方式，人工檢測的方式和技術(shù)與電力生產(chǎn)的安全性要求相比仍然有相當(dāng)?shù)木嚯x[3]。絕緣子串檢機器人的應(yīng)用范圍主要是停電或帶電的架空輸電線路的絕緣子，尤其是超高壓、特高壓的輸電線路上，可有效替代人工絕緣子的的檢測工作。應(yīng)用機器人進(jìn)行巡檢作業(yè)，可以減少因人員疏忽、漏檢等帶來的經(jīng)濟(jì)損失，提高電網(wǎng)的運行質(zhì)量。 (2) 可以改善檢測條件、避免安全事故的發(fā)生 國內(nèi)目前的檢測方法[4]主要有火花叉法、小球放電法，紅外熱像儀法、絕緣電阻法等。這些方法的原理不同，操作方法也不同， 經(jīng)過對比分析可知，由于大多數(shù)零值掉串事故發(fā)生在大霧天氣，濕度較大，因此，檢測絕緣子時，各種方法都存在較大缺陷。由于架空輸電線路一般設(shè)計在高空，加上高壓輸電對于高空檢測工作人員的危險性，因此設(shè)計一臺可以代替人工巡檢的機器可以顯著減少人工作業(yè)的安全隱患。 (3) 可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 原始的檢測方式不但耗費巨大的人力和財力， 而且檢測的質(zhì)量和效率也不盡人意。因此絕緣子巡檢機器人的經(jīng)濟(jì)效益就得到了充分的體現(xiàn)，一旦投入批量生產(chǎn)，將為全人類帶來一筆巨大的財富[5]。 1.3 絕緣子巡檢機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 1.3.1 絕緣子巡檢機器人的概述 絕緣子巡檢機器人是為實現(xiàn)輸電線路自動巡檢功能而設(shè)計的機電一體化設(shè)備，其目的是為了提高巡檢質(zhì)量和效率，減少巡檢死角，改善工人勞動強度。對保證輸電系統(tǒng)的安全可靠運行具有重要意義?；陔p臂聯(lián)動攀爬技術(shù)[6]的巡線機器人在線上運行時需要在復(fù)雜背景和環(huán)境下識別架空輸電線路相線和地線上安裝的絕緣子、懸垂線夾、耐張線夾等線路附件。同時要具有自鎖功能，以防在高空作業(yè)的時候遇上掉電或者機器故障等因素失去平衡，導(dǎo)致機器人從高空下墜，從而造成安全事故。架空輸電線路絕緣子串檢測機器人的研制填補了國內(nèi)空白，架空輸電線路絕緣子檢測機器人為實現(xiàn)架空輸電線路全面的信息化、數(shù)字化、自動化、互動化的控制，提供了強有力的技術(shù)手段和設(shè)備的支撐。 目前絕緣子檢測機器人主要分為三部分，即驅(qū)動部分、橋接組件、支撐組建，如圖2所示。驅(qū)動部分能夠?qū)崿F(xiàn)在絕緣子上的攀爬和自主定位，能夠客服重力、摩擦力等外力的影響，實現(xiàn)在絕緣子設(shè)備上的自主移動、精確定位及位置鎖定；橋接組件承載電源、檢測組件、驅(qū)動控制電路、視屏傳輸電路等，通過絕緣子檢測儀在線路帶電或停電的情況下，定量測出每片絕緣子的絕緣電阻及分布電壓。但這種機器人目前只能實現(xiàn)對于耐張串（如圖3所示）的檢測，無法實現(xiàn)實現(xiàn)在垂直絕緣子串（如圖4所示）上的爬行與檢測。如由寧夏電力公司超高壓分公司設(shè)計的紅外檢測方法紅外測溫儀[7]在750KV絕緣子串的檢測通過檢測絕緣子的溫度判定零值或低值的絕緣子同400KV[8]下采用火花叉法檢測相比，提高了高壓檢測的準(zhǔn)確性，但是不足之處依然是需要相當(dāng)大的人工勞動。 圖2 絕緣子串檢測機器人產(chǎn)品圖 圖4 絕緣子紅外測溫儀 圖3 耐張串 圖5 垂直絕緣子串 截止目前，已經(jīng)有很多科研單位研制了基于線路絕緣狀態(tài)的某個特征量的在線監(jiān)測系統(tǒng)，投入運行以來都取得了很大的成功，如為西安某公司研制的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的絕緣子污穢在線遙測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用通用分組無線業(yè)務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了絕緣子狀態(tài)信息的遙測。然而這些先進(jìn)的系統(tǒng)必須與簡單精妙的機械裝置相配合才能體現(xiàn)機器為人類所帶來的價值。由深圳市北粵科技開發(fā)有限公司開發(fā)的盤式絕緣子檢測機器人設(shè)計結(jié)構(gòu)較為新穎，其爬行結(jié)構(gòu)包含升降裝置以及升降裝置的第一夾緊裝置和第二夾緊裝置；一個夾緊裝置夾住絕緣子的芯棒并運動時，另一夾緊裝置則松開并在升降裝置的驅(qū)動下反向運動。夾緊爪的外形與絕緣子芯棒的形狀相匹配，夾持座形狀與絕緣子衫裙外沿形狀相適配。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單，但目前只有技術(shù)專利，并無樣機制造。 圖6 絕緣子污穢在線監(jiān)測系統(tǒng) 綜上所述，要研發(fā)既能夠?qū)Υ怪苯^緣子串進(jìn)行檢測，又能采用簡單便捷的方式控制機器人的運動，改進(jìn)現(xiàn)有的絕緣子檢測機器人的不足，就必須充分考慮機器人的各個部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計[9]，通過力學(xué)計算校核各個零件的剛度[10]，進(jìn)一步查閱相關(guān)資料選擇合適電機[11]，實現(xiàn)降低現(xiàn)有的機器人的基礎(chǔ)上重量的同時，又能夠提高檢測效率。 1.3.2 絕緣子巡檢機器人的發(fā)展前景 在智能化與信息化高速發(fā)展的現(xiàn)在，適用于各行各業(yè)的機器人應(yīng)運而生，目前，人工智能技術(shù)在美國、歐洲和日本依然飛速發(fā)展。在AI技術(shù)十分活躍的IBM公司已經(jīng)在人工智能方面取得了不朽的功績，并且為公司和全人類帶了巨大的財富，例如其公司制造的ASCIWhit電腦[12]，號稱具有人腦千分之一的智力能力。而正在開發(fā)的更為強大的新型超級電腦---“藍(lán)色牛仔”（BlueJean）[12]則號稱可以與人的智力不相伯仲。在這種充滿挑戰(zhàn)與威脅的國際背景下，發(fā)展我國自己的適用性機器人是趕上甚至超越外國的必經(jīng)之路。所以在檢測失效絕緣子智能領(lǐng)域這塊基本上還未曾涉足的情況下，國內(nèi)關(guān)于絕緣子檢測的研究還處于起步階段，這不僅是一種挑戰(zhàn)，更是一個機會。絕緣子串檢測機器人是集合多傳感器融合技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、視覺識別技術(shù)、海量信息無線傳輸技術(shù)于一體的的復(fù)雜系統(tǒng)，可以有效檢測高壓輸電線路中的零值或低值的絕緣子。這就要求了該機器人必須與高速發(fā)展的人工智能接軌[13-15]。由于適用于全球各個國家，因此設(shè)計一款性價比優(yōu)于外國的該功能的機器人將為我國乃至全球帶來一筆巨大的財富。 參考文獻(xiàn) [1] 李中生，曹濤，王軍等.盤式瓷絕緣子智能檢測機器人系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(15):4400-4401 [2] 林鳳羽.送電線路絕緣子性能綜述[J].山東電力技術(shù)，1997(2):1-3 [3] 曹濤，孫大慶，趙德利等.盤式絕緣子檢測機器人在架空輸電線路的應(yīng)用研究[J].電瓷避雷器，2013.4,2:11-12 [4] 盧明，姚德貴，張國民等.劣化絕緣子檢測方法的對比分析[J].電瓷避雷器， 2006(5):10-11 [5] 朱虎，李衛(wèi)國，林冶.絕緣子檢測方法的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電瓷避雷器，2006(6):16 [6] Joon-Young Park,Jae-Kyung Lee,Byung-Hak Cho etc..Development Advanced Insulator Inspection Robot for 345KV Suspention Insulator Strings.IEEE Transaction on Power Delivery,2012,27(2) [7] 曹志全.紅外測溫儀在750KV絕緣子串中的應(yīng)用[J].寧夏電力,2011(2):9-10 [8] Sandrik P.Measurement of voltage distribution of insulators in 400KV transmissions lines[J].electric engneering,1996(47):33-37 [9] 喬峰麗，鄭江.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].機械工業(yè)出版社，2011.1 [10] 關(guān)雪峰，郝鐵生，張建軍.簡明材料力學(xué)[M]北京:電子工業(yè)出版社，2011.6 [11] 趙俊生，樊文欣，張保成等.電機與電氣控制及PLC[M].北京:電子工業(yè)出版社， 2009.10 [12] 謝存禧，張鐵. 機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2005 [13] 蔡自興.機器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術(shù)，2001,4 [14] 蔡自興.機器人學(xué)基礎(chǔ)[M]北京:機械工業(yè)出版社，2009.5 [15] 肖南峰等.工業(yè)機器人[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011:15  畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 ２．設(shè)計方案： 1 課題設(shè)計具體的內(nèi)容 1） 對絕緣子巡檢機器人作業(yè)環(huán)境進(jìn)行考察，了解其選題背景，設(shè)計目的及意義，以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并形成符合要求的設(shè)計方案； 2） 進(jìn)行機器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及機器人空間布局的設(shè)計，確定其自由度、坐標(biāo)形式、額定負(fù)載質(zhì)量、最大活動半徑、各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍等，并分析機器人的動作流程； 3） 校核機器人各零件的強度，查閱電機相關(guān)資料選擇合適的電機。 4） 利用SolidWorks軟件繪制機器人各零部件以及運動學(xué)仿真，得出機器人在實際工作中運動軌跡圖； 2 需要考慮的主要問題及解決方法 1) 如何進(jìn)行機器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和空間布局：查閱相關(guān)文獻(xiàn)，參考機械設(shè)計以及機器人學(xué)基礎(chǔ)設(shè)計等知識，對機器人進(jìn)行分部設(shè)計，同時考察機器人結(jié)構(gòu)，確定其工作范圍，零件安裝位置等； 2) 怎么使用SolidWorks軟件以及利用SolidWorks對機器人進(jìn)行運動學(xué)仿真：查閱圖書館藏書，學(xué)習(xí)使用SolidWorks軟件，同時熟悉其軟件中的各部分作用，利用他對機器人各零部件進(jìn)行三維建模，然后，利用軟件進(jìn)行運動學(xué)仿真； 3 預(yù)期課題設(shè)計成果 畢業(yè)設(shè)計說明書一份，其中包括：課題研究的背景、目的、意義以及研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢，設(shè)計機器人的理論分析，機器人各部分具體內(nèi)容，機器人空間布局以及工作流程，機器人總體繪圖模型（三維模型），SolidWorks運動學(xué)仿真步驟以及結(jié)果等。 4 課題設(shè)計進(jìn)度安排 第一階段2015年3月9日-2015年4月4日 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，完成畢業(yè)設(shè)計開題報告 第二階段2015年4月5日-2015年4月18日 分析機器人的各種設(shè)計方案并確定完成其最 優(yōu)設(shè)計方案 第三階段2015年4月19日-2015年5月2日 完成機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 第四階段2015年5月3日-2015年5月16日 校核機器人各零部件的剛度，選擇合適的材料及電機 第五階段2015年5月17日-2015年6月5日 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，對外文文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯 第六階段2015年6月6日-2015年6月10日 整理畢業(yè)設(shè)計說明書，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計答辯  畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師： 年 月 日  http://wenku.baidu.com/link?url=cS4M-kyVrNeBgm4_kNQcQJ9bEipth2xfTVUzNI4yXeUG1DXxAhIEXuvFbiZJ7abQ1x3H_mHerM_J9tWYFjBiok6DtLDnLZSEDZdUzOPul2q