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巡线机器人的设计说明书[带图纸].doc

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巡线机器人的设计说明书[带图纸].doc

目录第一章绪论................................................................................................1§1.1研究背景及意义......................................................................................1§1.2架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述......................................21.2.1架空线路巡线机器人研究概况...............................................................21.2.2机器人仿真简介.......................................................................................6§1.3本文主要内容..........................................................................................7第二章巡线机器人本体结构的设计与三维建模..8§2.1线机器人本体结构设计..........................................................................82.11方案要求....................................................................................................82.12总体结构...................................................................................................102.13柔性臂.......................................................................................................102.14驱动装置...................................................................................................132.15刹车制动装置...........................................................................................142.16手掌开合装置...........................................................................................14§2.2器人的建模.............................................................................................15第三章巡线机器人机械手运动学分析......................................................18§3.1引言........................................................................................................18§3.2数学基础理论........................................................................................183.2.1刚体位姿的表示与齐次变换26............................................................183.2.2机器人运动学方程的DH表示法........................................................20§3.3巡线机器人四自由度机械手运动学分析............................................223.3.1机械手的正运动学分析.........................................................................223.3.2机械手的逆运动学分析.........................................................................243.3.3机械手关节速度和雅可比矩阵.............................................................27§3.4本章小结...............................................................................................29第四章总结与展望....................................................................................30§4.1本文总结................................................................................................30§4.2后续工作与展望....................................................................................30致谢..................................................................................................................31参考文献...........................................................................................................32第一章绪论§1.1研究背景及意义电力系统最重要的任务是提供高质量和高可靠性的电力。电力传输必须依靠高压输电线路,它的安全稳定运行直接影响电力系统的可靠性。由于输电线路分布点多、面广,绝大部分远离城镇,所处地形复杂,自然环境恶劣,且电力线及杆塔附件长期暴露在野外,会受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤,如不及时修复更换,原来微小的破损和缺陷就可能扩大,最终导致严重事故,造成大面积停电,从而造成极大的经济损失和严重的社会影响。所以,必须对输电线路进行定期巡视检查,随时掌握和了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情况,以便及时发现和消除隐患,预防事故的发生,确保供电安全。目前,对输电线路的巡检主要采用两种方法,即地面人工目测法和直升飞机航测法。前者的巡检精度低,劳动强度大,且存在巡检盲区。部分地区大雪封山时,车辆和行人无法进入如图1.1所示在深山还有野兽出没,这给巡视人员带来了很大的安全隐患后者则存在飞行安全隐患且巡线费用昂贵如图1.2所示。如果用直升机巡视替代地面巡视,则每100公里1年巡视费用同塔双回线需217.92万元(单回线136万元)。如果用直升机在整个东北电网覆盖地区巡视则需超过5000万元。费用过于昂贵,直接限制了直升机巡视的广泛推广。由于巡线机器人可以克服上述缺陷,因此,巡线机器人已成为特种机器领域的一个研究热点。巡线机器人不仅可以减轻工人巡线的劳动强度,降低高压输电的运行维护成本,还可以提高巡检作业的质量和科学管理技术水平,对于增强电力生产自动化综合能力,创造更高的经济效益和社会效益都具有重要意义。巡线机器人悬挂于架空避雷线上,并以此为行驶作业路径,通过自动控制方式完成输电线路巡检作业,及对线路的机械电气故障,包括绝缘子劣化和污秽、导线的机械破损、连接金具机械松脱等故障进行检测。其特殊的作业环境要求机器人能够沿输电导线全程运行,包括沿输电导线的直线段和耐张线段实现滚动爬行,跨越及避让悬垂线夹、悬垂绝缘子、防振锤、耐张线夹等结构型障碍物。因此,机器人的本体设计是整机设计中一个相当重要的部分,需经过多次反复才能完成在进行机器人结构分析和设计时,需要建立一定的实验环境导线物理模型、障碍物等,对样机进行多次实验以检验其是否能达到预期的目标,这就导致其设计的周期长、设计效率低以及改型工作量大等缺点。此外,样机的单机制造增加了成本。在竞争的市场条件下,基于物理样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、成本的降低及市场推广应用。然而,利用仿真技术可以方便地建立机器人的虚拟样机模型。在设计之初,就可以实现对整个系统的运动分析、动力分析、载荷及应力分析等,可大大提高机器人本体设计的质量和效率。而且,仿真软件的应用可以使设计更为优化,即在计算机上修改设计缺陷,仿真试验不同的设计方案,对整个系统进行不断改进,直至获得最优设计方案1。同时,通过计算机仿真可以代替己有的物理样机进行各种状态的仿真分析,降低物理样机现场实验的风险。利用仿真数据对模型进行修改,综合仿真数据与理论数据对所设计的虚拟样机性能做出准确的评价及提出建议。本文将仿真技术引入到巡线机器人机构、运动学分析中,为研究巡线机器人作业性能及运动学特性,从虚拟样机的角度,提供了一定的参考依据。本文所建立的巡线机器人全参数化模型,可以通过实验数据对其进行修正,从而为机构的设计优化、路径规划等做出铺垫。§1.2架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述1.2.1架空线路巡线机器人研究概况国外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。1988年,东京电力公司的Swada等人研制了光纤复合架空地线OPGW巡线移动机器人2,如图1.3所示。该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线爬行,能跨越地线上防振锤、螺旋减震器等障碍物。遇到杆塔时,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。机器人运动控制有粗略和精确定位两种模式,粗略控制是把线塔和地线的资料数据线塔的高度、位置、电线长度、线路上附件数量等预先编制好程序输入机器人,据此控制机器人的行走和越障精确定位控制则根据传感器反馈信息进行控制。机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线的损伤情况,并把探测数据记录到磁带上。但因其质量过大,达到100kg,而不能推广应用。加拿大魁北克水电研究院的SergeMontambault等人在2000年开始了HQLineROVer遥控小车见图1.4的研制工作4,3,遥控小车起初用于线路巡检、维护等多用途移动平台。第三代原型机构紧凑,仅重25kg,驱动力大,抗电磁干扰能力强,能爬52度的斜坡,通信距离可达1000m,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HQLineROVer没有越障能力,只能在两线塔间的电力线上工作。美国TRC公司1999年研制了一台悬臂巡线机器人原型,如图1.5所示。它能沿架空导线长距离爬行,执行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务,对探测到的线路故障数据预处理后,传送给地面人员。当机器人遇到杆塔时,利用手臂采用仿人攀援的方法从侧面越过杆塔。其缺点是无法攀爬30度以上的斜坡而不能广泛应用。文献6中,介绍了工作于66kV光纤架空地线,能够跨越防振锤和线夹的机器人。文献7给出了一种新型移动机器人机构,由双臂、四套执行机构和手爪构成,该机器人能够沿架空地线行走,并且能够跨越杆塔。文献8给出了一种能够沿架空地线行走并且跨越防振锤、杆塔、线夹等障碍物的移动机器人。但上述机器人都具有18个以上的自由度,导致功耗过高而不能应用到实际工作中9。图1.6是中国科学院沈阳自动化研究所研制出的具有自主知识产权的超高压输电线路巡检机器人,并于2006年4月12日与锦州超高压局合作开展了现场带电巡检试验,在其所管辖的500kV超高压输电线东辽二线上成功地完成了沿线行走,但没有越障能力。综合国内外对于巡线机器人的研究情况,当代巡线机器人的研究主要集中于以下几个方面11,101机器人结构机器人机械结构形式的选型和设计,是根据实际需要进行的。在机器人机构方面,结合机器人在各个领域及各种场合的应用,研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。但大多数仍处于实验阶段,而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点,正在向实用化迅速发展12。2运动控制技术稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础,由于移动机器人本身是一个非完整约束系统,是一个欠驱动的零漂移的动力学系统,因此,该系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此,通过时变、不连续控制以及混合策略,根据动力学模型和运动学模型,建立合理的反馈控制律,实现车速和转向的自动控制,以及不同工作状态之间的平稳过渡,是该项技术的核心内容。3路径规划技术该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部路径规划技术。由于自主式移动机器人在地面上行驶,必须避开它无法通过的或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域,因此局部路径规划,尤其是复杂环境下的路径规划问题,显得更为重要。4实时视觉技术该技术主要涉及到视觉信息的实时采集、预处理、特征提取和模式识别。而且,视觉信息处理的能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定智能机器人整体性能的决定性因素。5定位和导航技术该技术是现代轮式移动机器人研制所急需的关键技术,也是下一代无人战

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