高压输电线巡检机器人机械设计【全套包含CAD图纸三维建模】
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本科生毕业论文（设计）中期检查表 学生姓名 学院 班级 指导 教师 论文（设计）题目 高压输电线巡检机器人机械设计 已 完 成 的 任 务 1） 国内外研究现状分析 2） 毕业设计的研究内容及技术路线的确定 3） 巡检机器人的工作原理分析 4） 巡检机器人的主体设计 5） 各零部件的确定 是 否 符合 任 务 书要 求进度 符合 尚 须 完 成 的 任 务 1） 运动分析与强度校核 2） 整体动画分析 3） 零件图设计计算说明书一份（ 字左右）。 4）绘制零件图和装配图 能 否 按期 完 成 任务 能 存在的问题和解决办法 在设计中需要查找很多数据，有些数据很难找到，通过询问老师，跟老师进行讨论，得出数据。 填 表 人 日期 教研室主任签字： 教学副院长 毕业论文（设计）任务书 班级： 姓名： 论文（设计）题目： 高压输电线巡检机器人的机械设计 专题： 要求完成的内容 : 1）调研快速高压输电线巡检机器人发展现状，进行 工作环境和原理分析 ； 2）逐步设计 巡检机器人的机械结构包括各个零部件的设计 ； 3）利用成 检机器人的机械结构 的所有零件建模及整机装配 4）进行机器人的运动分析和部分零件的强度校核 5)绘制完成高压输电线巡检机器人的装配图 1张，零件图 张； 6）毕业设计说明书一份（ 发题日期： 2017年 01月 05日 完成日期： 2017年 5月 31 日 实习实训单位 ： 洛阳一拖集团公司 地点： 洛阳 论文页数： 53 页；图纸张数 1 张， 2 张 指导教师 ： 教研室主任 ： 院长 （ 系主任 ）： 毕业论文 (设计 ) 题 目 ： 高压输电线巡检机器人机械设计 指导老师： 学生姓名： 所属院系： 专 业： 班 级： 完成日期： I 摘要 随着机器人的研发和应用范围逐渐扩大，将机器人技术使用于高压线的普通检测和修护受到技术学者的学习和研究。巡检机器人在复杂的输电线背景下完成检线任务，要具有自主完成跨越线路上的各种障碍能力。因此，巡检机器人的本体结构决定着巡检机器人的现实功能，也是决定着巡检机器人实用性和便捷性的关键技术之一。 所以本文对国外和国内刊登的巡检机器人的机械结构进行了汇总描述， 并在熟悉他们的研究后研究出了创新型的检线机器人的本体结构，本论文以输电线的相线为工作途径，使用三手臂加单独总体箱的形式，机器通过机械臂手轮抓结构悬吊于线路上，可以根据相线的线路实体，选择滚动的轮子为行驶方式或者递进爬行方式实现在线路上移动，遇到线路上的异物时，也可通过三手臂的相互交换运动越过障碍物，继续前行。 本论文采用了双臂在一侧的悬挂是本论文设计的另一特点，因此在工作时可将机器人悬挂于线路一侧，避免了线路上其他的设施对机器人线上作业进行阻扰。本设计所述巡检机器人本体结构较简单明了，容易实施操控和使用，对 线路工作的具体实施环境具有很好的能力去适应。 关键词： 高压输电线；巡检机器人；越障；强度校核；机械手臂； 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 录 第一章 绪论 . 1 计的背景和意义 . 1 内外研究现状分析 . 1 内的发展状况 . 4 器人本体结构需要解决的一些关键问题 . 6 文的主要研究内容 . 7 第二章巡检机器人的工作环境和原理分析 . 7 压输电线的特点和组成 . 8 压输电线路的特点 . 8 压输电线路的组成 . 8 压输电线的巡检内容及原理 . 10 压线巡检机器人的设计要求 . 12 检机器人整体设计方案的选择 . 12 章总结 . 15 第三章高压线巡检机器人的结构设计 . 16 检机器人整体设计方案的选择 . 16 性臂 . 17 动部件的选择 . 19 直导轨步进电机的计算选型 . 20 要部件的设计 . 21 轮部分 . 21 手腕部分 . 22 掌部分 . 23 臂部分 . 23 臂部分 . 24 体部分 . 25 子开合轴 . 26 腕部分 . 26 杆部分 . 27 体三维设计图 . 28 章总结 . 30 第四章高压线巡检机器人运动分析和强度校核 . 31 检机器人沿线爬行的运动分析 . 31 压线巡检机器人越障作业的运动分析 . 31 越防震锤的运动分析 . 32 臂转动的运动分析 . 34 要零部件的强度校核 . 36 杆的强度校核 . 36 轮的校核 . 37 臂的强度校核 . 39 第五章 总结与展望 . 41 文的主要工作和结论 . 41 望 . 41 致谢 . 43 参考文献 . 44 1 第一章 绪论 计的背景和意义 高压输电线 作为输电的主体设施，在国家的公共设施和社会生活发展中起着主要作用，承担着电力的传送任务，因为高压输电线是暴露在外的金属制成的线路，不断收到环境或者人类生活的损害，因为经常裸露在自然环境中，很容易造成各种故障，如果来不及发现和排除，很容易对电力系统造成伤害。所以为了保证输电线路安全和稳定的运行，对输电线路进行定期的巡查是很必要的。 以往的检线形式有人在地面上检测或通过直升机在空中检测，这些检测方法效率不高、也不可靠、工作内容不足而且费用高。而机器人技术很巧妙地解决了这个棘手的问题。把巡检机器人应用于高压输电线 路的巡检作业，是一种符合现代化作业需求的方案。高压线巡检机器人在检测高压输电线的工作中有着很大的优势，这个设计为检测高压线提出了人工智能化的机器设计，代替检测员对线路进行普通的检查和修复，从而减少检线工作的任务，也可以减少巡检的成本，并且能显著提高检测的可靠性，也提高作业的安全性，从而提高输电线的日常检测和修复的水平 【 1】 。将机器人用于巡检机器人可以近距离作业 . 作为巡检机器人最重要的部分，机器人的机械结构决定着机器人的性能。高压输电线巡检机器人复杂的工作环和工作内容对机器人的机械结构有着很高 的要求。机器人 要跨越高压线上的各种障碍物并带着仪器进行检测，机械结构决定着机器人的行走方式，储存空间，抗压能力，检测方式等等。所以机器人的机械结构也是近几年来国内外研究的热点。 内外研究现状分析 外籍中对高压输电线路巡检机器人的探讨开始于十九世纪八十年代。有西方的发达国家展开了对高压输电线路机器人的探讨。 1998 年，日本电气公司 工作的巡检机器人 【 5】 见图 1个机器人使用两个轮子，使用双轮同时行走的本体实现工作和在线路上行驶，这种机器人本体机构驱动力 矩大。能沿地线爬行，如果遇到线塔等异物时，该机器可以用像弓一样搞得结构，在没有人干扰情况下，能够实现自己越障。这个机器人很重，结构也比较大。而且，该机器人将检测到的数据记录在磁盘上，不利于储存，巡检完固定距离线路后就要停止工作记录数据，实际操作受到限制。 1988 年，由日本 司的 人发明的由多个单位组成的机器人 【 6】 。此机器人使用多个单位和“前部决定，后部跟随”的操控方式方式，几个具有伸降臂加轮子的单元组成机体，由转动环节接通每个单元，整个机器人 看起来像一个蛇的机体，如图 1示，通过巡检机器人机械体上的传感器，可 2 自动跨越线路上的障碍物，该机器人能够摄像出周围的情况 【 26】 ，并能具有多点和较为复杂的输电线上工作。该机器人有多个单位组接而成，每个小车自己具备动理力轮，由各个小车自己的运动加上与其他车体的运动进而组合运动。 图 1检机器人 1形巡检机器人 1-2 加拿大的亏北河电器工作室 人在 2001 年开始 控车 【 8】 的发明工作，如图 1系统开始的时用在扫除线路上的积雪，慢慢普及为用于输电线的检查和修复。 2003 年由巴巴西啦思大学的 人共同发明的一个检线机构 【 13】 如图 1机器人使用轮转机构，通过放置其他附属设施，能够在线路上去除障碍物，安装放学求等。但是这两个 3 机构都有一个缺点。那就是不具有越障功能，而且只能在两塔之间的线路上活动，所以他们的其应用范围受到限制。 图 1控小车 1988 年美国 构发明了如下机器人 5，如图 1示。该机器人用爬的方式进行作业，通过中间手臂悬吊，两侧手臂协调爬动实现行走，并且带着其他的设备进行检查和维护等相应工作，包括线路检测，绝缘锤检查，障碍去除等。但时该机器人因受结构的限制，只能以仿生的运动方式进行工作，工作范围有限。 图 1国 臂式巡检机器人 im 991 年日本 发的的电力巡检输送器使用了独立车体结构，如图 1 所示 【 4】 。能够在地面人员的操控下，沿电力线行走，将获取的数字和图片资料存在数据记录器中 ，而且能用机构里面的探测器进行损伤的检测，并且记录具体的位置，而工作人员可根据传回来的数据进行分析和处理，如需处理里面有足够多的信息和地理位置，处理起来很方便。但是这个类似探测器的机构不具备在线行驶和跨越障碍的能力，所以他的实用性受到限制。不过这个设计获得了很多奖项。 图 1本 司生产的巡检机器人 西米的那思大学于 2003 年由 明了如下机器人，如图1示 【 23】 。 这个机器人采用一个单独的机构加上其他不同的附属设备，可在线进行线路检测，障碍物的跨越和记录线路上的不同情况，可根据不同的环境启用不同的设备完成不同的功能。但是这种机器人也不具有越障功能，所以作业区域比较狭窄，而且只能在短距离进行检测，现实工作受到限制。 图 1警球安装作业机器人 of 内的发展状况 5 我国国内对于巡检机器人的研究起步相比于国外较晚，开展相应的研究所也并不多。在二十世纪末，我国国内的一些 大学进行了相应工作的开展，而且初具雏形，并且将很多实验室研究出来的样机在现实生活中进行了实用。有些学校开张的比较早，比如山东大学的武汉大学很早的进行了高压输电线的研究工作。受到国家的相关奖励政策，很多机构积极地相应，快速地进行了相关工作。武汉大学和中科院沈阳自动化所，山东大学和河南电气机构几乎同时进行了相关工作。 自隶属于中科院的动化研究所发明了一种三个手臂的机械机构，而且和山东大学共同研发所成，如图 112】 ，它能够在线上完成必备的巡检工作，可以越过线路上的障碍物，并且可以将巡检到的内容传回地面，进 行操控表。但这个机器人结构复杂，也比较重，行动笨重，不易于操控。 武汉大学设计的巡检机器人有两个巡检机械手臂，直接连到控制箱，可快速的传播信息。如图 14】 ，可通过臂上的滚轮在线路上行走，而且能满足线上的越障能力，而且行动灵敏，效率快，操控方便。但是该机器人在相线上行驶，而相线上的行动很复杂，机器人在行动过程中遇到比较多的困难，在相线上的行驶不如地线的方便，因为相线带电，线路复杂，并且机器人在相线上行驶安全性不高。所以该机器人的使用范围不广 【 14】 。 图 1东大学研制的三臂式巡检机器人机械结 构 a 6 图 1汉大学研制的双臂式巡检机器人的机械结构 by 上所述，上面的多个设计都是采取相线上运动的方式，而与机器人在地线上行驶相比，机构在相线上的作 的工作形式存在以下问题： （ 1）相线上带电，机器人行使比较危险。 （ 2）巡检机器人的巡检范围比较小，很多方向的检测不到位。 （ 3）相线上带电，机器人在相线上行驶，产生的热量较大，机体温度较多、大，长时间行驶时，对机体的损耗较大。 （ 4）在风雨雷电的情况下，相线容易放电，机器人在相线上时 比较危险。 器人本体结构需要解决的一些关键问题 由于巡检机器人研究的不断发展，人们对机器人的机械结构设计必然会提出更高的要求，主要是轻量化、操作简单化并且具有越障高效的功能。 （ 1） 体积简化，决定着机体重量的部分有： 机体的大小和本体结构等。所以机器人设计中应该在满足机器人性能的基础上，尽量减少其尺寸，并且有着简易的结构，从而满足轻量化的要求。 （ 2） 操作简单，执行效率高；在机器人的设计中在满足性能的技术上要尽量减少操作方式，使其便于操作，因为在复杂的高压输电环境下过多的操控会降低机器人的效率，所以需要尽量使机体简化，选择简易的本体结构可以实现其敏、高效率的越障能力。 7 文的主要研究内容 根据上文的引述，本设计提出了一种新型的机器结构，此机构在地线上行驶，并且可以完成高压输电线上的日常巡检任务，其主要工作分为以下几个方面 ： （ 1）讨论国内外现有的研究成果，并且分析存在的优点和不足，以及论述本次设计的意义和目的。 （ 2）简述高压输电线路的特点与组成，清晰分析出高压输电线路障碍物的结构类型和特点。并且分析巡检间机器人的工作原理、巡检机器人巡检越障作业特点和设计要求，从而为机器人的本体结构设计做准备。 （ 3）比较现有的设计方案的基础，提出并设计一种新的机器人的机械结构，以适应高压线地线作业环境。从开始的机构简图到具体的运动机构，并清晰讲述此机器人机械机构主要部件的零部件和功能作用。能够利用 术给出机器人的三维实体模型和零件 图，并且对机器人巡检作业和越障过程予以规划和分析。 （ 4）进行巡检机器人主要零部件的静力学分析和强度校核以及其运动学。 （ 5）整体动画分析并总结当前的主要工作，分析不足，并对进一步的设计工作提出展望。 第二章巡检机器人的工作环境和原理分析 序言： 8 研究高压输电线巡检机器人的工作环境是机器人设计的基础，分析巡检机器人的工作原理是机器人设计的核心。巡检机器人在野外工作，工作环境复杂多变，与之相应的要有缜密的原理分析，本章将就巡检机器人的工作环境和工作原理进行研究。 压输电线的特点和组成 压输电线路的特点 熟悉并了解高压输电线路的特点和组成才能更好地设计巡线机器人机械结构。现实中我国高压输电线的电压主要有 ； 102510023030050中以 100上的电压为主 【 23】 ， 其具有成本高，应用范围广，工程的任务重，而且在日常中，这些线路都裸露在自然环境中，很容易受到日积月累的风吹雨淋和雨雪的侵害，这些容易使高压输电线造成故障，从而为输电带来麻烦。这样的影响决定着人的生活用电和工业用电。对这些问题的及时检测和维修，能最大程度的保障日常生活的用电需求，所以是很有必要的。 高压输电线路主要有以下特点： （ 1）新疆的地理环境复杂，气候恶劣，输电线路必须穿过许多地质条件各异的地区，其地理环境和气象等条件相对比较复杂，地质条件变化很大。 （ 2）高压输电线的所在环境复杂，在荒野外，范围广定点 多，线路长，这些因素导致高压线很容易受到自然环境的侵害，从而导致输电障碍。 （ 3）我国输电线路对于国民经济是至关重要的，尤其超高压电力线路关系到一个地区的国防、工业、人民生活的用电安全，因此绝不能出现事故，并且在工程地质上对其稳定性有更高的要求。 压输电线路的组成 高压输电线路主要构成有：基础组成有比如由混凝土以及与其混合而成的底盘。输电线有相线，地线，还有避免遭受雷电的线路等等。电线杆由水泥杆、金属杆、及铁塔、绝缘子串和各种金具等。这些零部件构成完整的输电线，这些部件有机的组成了高压输电线路 【 12】 。导线用于传送电流；将电流引入大地的叫做避雷线，通过这种形式使线路保护线路从而避免遭到损害；杆塔是支撑诸如导线和相线以及地线，而且使上述这些线路保持距离，以及使导线和周围的地面，树木，公路水面，房屋等，保持安全距离。而绝缘子的作用是时杆塔和输电线之间保持绝对的安全距离； 110上的超高压输电线路的架空高度一般在 30 米左右。两个塔的距离一般在 300 到 500 米，一些复杂的地理环境，塔尖距离根据情况调整随时都有转换线路方向或者跳线等问题。而且相线上的其他设备也比较。，如图 22示。 9 图 2压输电线路组成 2输电线路的主要元器件 he of 为有高压电流通过相线，所以为了输电安全，相线要和周围的设施保持相应的距离，高压线路和周围的设施保持的最短间距见表 2此，出于安全考虑，机器人的尺寸不能太大。而且考虑到线路的增重变形，机器人也不能太重 【 23】 。 表 2电体与塔架最小间距 【 2】 （米） m） 10 压输电线的巡检内容及原理 巡检工作是输电线路检修维护的重要内容，涉及到线路的安全，在日常对线路的总体工作重占主导地位，如果线路的巡检没有到位，马虎大意，有些问题没有发现，不仅耽误了线路的检修维护工作，而且还会使输电工作不能满足日常需需求，更有造成重大电力灾害的可能，威胁到人身安全。使线路设备运行、维护以及管理工作滞后，安全运行水平降低。 能够使线路产生故障的原因繁多，比如输电线的有些部分长时间不用老化，而所处的环境又不断变化，这些都有可能导致障碍的出现。所以，高压输电线路的作业内容主要有以下几个方面： （ 1）沿线巡视有没有影响或者妨碍线路的其他物体，例如积雪，天线或附近居民堆积的一些农作物和比较高的树木等。 （ 2）有时候塔杆会倾斜，所以要检测杆塔的倾斜程度，幅度不能太大。构成塔架的混凝土有的会被腐蚀，根据资料，也不能能超过 且不能让太多的金属裸露在外，而有些特制的木杆也要进行进水腐朽检测，木杆的根部也要防水处理。 （ 3）各类输电 线有没有断股的问题、或者接头处有没有发热和放电的情况，而位于杆塔的绝缘子不能倾斜程度太大，一般不得超过 15。 （ 4）线路上的断路器安装牢靠与否，是否变形，一些标志指示能不能明显看出；输电线上的瓷件有没有开裂露出金属，从而有漏电放电的可能。各种线路之间距离是否合适，对周围物体是否有安全距离。 （ 5）用于避雷的装置是否受损，避雷器的保护套有没有受损；以及用于接地的装置是否裸露，或者放电可能，各个连引线有没有受损，接地引线是否完整，特别是是防雷线与输电线之间的距离是否在安全范围之内等。 机器人在现实中工作 有以下两个阶段 ： 在线上无障碍前进，在线上越障行驶。前者比较简单，沿线行驶即可，一般在坡度不是很大的路段上，可通过滚动的滚轮实现对速度的控制，这一阶段运行耗能也少。当坡度大时，三个机械手协调运动，采用类似蛇形一样爬行，两臂固定，第三臂运动，三臂相互协调，交替运动。第二个阶段，碰到比较小的障碍物，可通过小臂仰俯运动，使轮子抬高从而越障，碰到比较大的障碍物时，则需要固定前臂，然后后面两个手臂脱线，绕着前臂定轴转动，转过障碍物后重新悬挂在线上。巡检机器人必须要能够满足在线上工作的需求，也要使保障工作安全。机器人工作 时可以调节相关部件从而满足工作需求，所以在此过程中执行各种动作时，应避免出现以下情况： （ 1）巡检机器人在正常行驶时，主要靠轮子的滚动，高压线摩擦系数不高，所以不能使轮子打滑，从而导致机体不能正常运动。 11 （ 2）巡检机器人的固定轮必须有力，在行驶中能够抓紧线防止脱落。 （ 3）巡检机器人在正常工作时，要与输电线或者线路上的其他设备保持一定的安全距离，防止碰撞。 图 2压线巡检机器人的作业环境 s 文中高压巡线机器人的工作原理和过程可概括为： 1) 机器人上线； 2) 巡检机器人主体箱中的控制器接到工作命令时，驱动主体沿地线行驶； 3) 巡线机器人在没有障碍的路段行驶时主要靠滚轮滚动的方式驱动。在前进的过程中，要检测前方可能遇到的障碍物，并对障碍物通过摄像机拍摄，拍摄后将机体的运动状态位置和障碍物的情况传输到地面的控制基地，从而决定机器人如何应对； 4) 在机器人行驶过程中遇到比较小的障碍物时，因为轮子采用中空设计，轮子下方留有一定的空间，可通过小臂仰俯运动抬高轮子从而使机器人越过障碍物继续行驶。 5) 当巡检机器人检测到比较大的障碍物时，上升轮子不能满足要求，此时控制器就会驱动小臂仰俯运动使前臂上升，此过程跟遇到较小的障碍物一样，上升到最大高度是，打开轮子的开合装置，是轮子两边打开，这样可以形成很大的空间提供越障。前臂通过障碍物后，继续前进，中间手臂遇到障碍物，因为中间手臂不能上升，只能打开，从而越过障碍。在第三个机械臂运动到障碍物时跟前手臂遇到障碍物一样 ，可以上升然后打开开合装置，从而越障。越过障碍物后重新挂线，继续行驶； 6) 有些障碍物，比如及较大的悬线锤，小臂的上升加上手掌开合也不能满 12 足越障，此时只能通过第三种方式。第一个手臂遇到障碍物时，尽可能靠近，然后固定住。后面两个轮子打开，脱落，整个机体靠前臂的抓紧固定在线上，然后通过前臂的定轴转动，使机体绕着前臂进行定轴转动，旋转过障碍物 【 23】 。旋转过障碍物后，后面两只手臂重新挂线，从而实现对障碍物的跨越。 压线巡检机器人的设计要求 通过上文对高压输电线路的分析和对巡检机器人作业环境的分析，对巡 检机器人的机械机构的设计提出了如下要求： （ 1）高压线巡检机器人的本体结构和重量 因为巡检机器人在输电线上行驶，这种特殊的行驶载体，对其重量有很高的要求。因为机器人的重量和一些附属装备的重量都由高压线承担，而线路的承载能力肯定是有限的，查阅相关资料可得，高压输电线的承载能力大约在 200然，机器人本体的重量应远不及这个标准。 （ 2） 巡检机器人本体机构的相关功能和技术要求 机器人的本体机械设计决定着巡检机器人如何在巡检工作中运动，是适应高压输电线巡检环境和巡检人物的关键，为了满足实际要求，对机器 人提出以下要求： 1）移动能力：无论是在平缓的线路还是有坡度的线路，机器人都要有精确地移动位置，稳定的移动能力，并且能够保证移动的安全性，这是机器人最基本的能力。 3）越障能力：线路上有各种各样的障碍物，所以越障能力是机器人优越性的考量标准，也是实际作业的必然要求。所以说设计的机器人应该具有跨越一般障碍物的功能，是机器人顺利行驶。 4）承载能力：机器人的运行方式是悬挂在线上，而且有其他的附属设备，所以机器人必须要有相应的承载能力。有足够的空间和能力来携带相关设备。 检机器人整体设计方案的选择 （ 1）缆车式结构的设计方案 因为高压线路本身的性质决定了输电线有相应的承载能力，所以巡检机器人就可以直接在线路上行驶。而绝大部分线路上是没有障碍物的 【 14】 ，所以参考资料中可采用如图 2示的独立缆车的机构设计，滚轮悬挂在线路上承载机体，而控制箱携带相应的设备。行动的时候通过滚轮滚动前进。通过控制箱里面的相应设备完成线路检测，障碍物预警，线路信息传回等工作。最早的巡检机器人也是如此，但是类似这种设计没有越障能力，越到障碍物无法跨越，所以只能短线行驶，在两塔之间行驶，起作业范围有限，其实用性受到限制。 13 图 2车形式的结构 of 2）多自由度仿生手臂的设计方案 在上述方案的基础上，为满足机器人在线路上的各种作业需求，在的沿线作业的基础上增加了越障功能。越障功能的实现依靠多个手臂和手抓机构来执行，并且有相应的辅助机构，参考文献 10中 提有一种这样的设计，这种设计的机器人在两个手臂上设计两个转动关节和一个可以直线活动的关节，而通过机械臂末端的手抓悬挂在线路上。当机器人遇到障碍物时，一个手抓固定，另一个手抓脱落线路后通过相关部件的协调运动来实现跨越，如图 2示。这种设计方案能够越过线路上的一般障碍物 【 22】 ，缺点是，在越障的过程中机器然不太稳定，一个手臂抓线时集体 容易出现偏差，对这个缺点的改进可以通过增加手臂上的腕关节，如图 2示。这样改进后。机器人在运动中具有了良好的稳定性。 上述两种设计均使用了通过手臂摆动的方式实现运动，而手臂本身通过转动关节运动，缺点是手臂的运动范围不足，在实际的工作中应用范围有限，不太方便作业，而且在行驶时，手臂的转动关节承重过大，这样就使得手臂的设计要求很高，不容易实现。 14 图 2动臂式的手臂设计方案 2进后的摆动臂式的手臂设计方案 虑到上述两种方案的优缺点，和实际的要求，本文提出了如下的设计方案，高压 输电线路复杂，跨度较大，线路上有各种各样的障碍物，线路也具有一定的坡度和转弯等。考虑到这些需要克服的困难，为了达到相应的要求，安装在机器人本体上的机械手臂必须灵敏而且多变，从而应对不同的线路情况。其工作范围也要满足实际要求。能完成必备的相应动作，应有自由度四到五个个，尺寸适中，质量不大。所以我参考了已有的机器人结构，摒弃其缺点，保有其长处，设计出了适用于 500电线路 以下的高压输电线巡检机器人。示。机器人的主要组成有：机械手臂（大臂、小臂）、手腕手掌、驱动轮、传动丝杠、主体箱等。 15 图 2巡线机器人三维图 章总结 高压输电线是如今社会经济的主要生命线，对输电线有效的巡查以及监督是电力部门首要任务之一。而了解高压输电线的组成对机器人的设计起着尤为重要的作用，在高压线上，高压线的其他设备会对机器人的在线行驶进行阻碍。所以机器人在越障过程中，要考虑到这些障碍物的结构和特点。在行驶的过程中能够顺利跨越障碍物，并且保证安全和效率是设计巡检机器人的基本要求。 本章在主要分析了巡检机器人的工作环境即高压输电线的组成和所处的环境，并对相应的运动原理进行了简单分析。提出了两种简单的方案设计，并给出了总体的设计三维简图。 16 第三章高压线巡检机器人的结构设计 序言： 在分析了巡检机器人的工作环境和工作内容以及工作原理的基础上，需要进一步对机器人的机构进行细致的分析，包括每一个零部件的设计，包括机械手臂，滚动轮，控制箱等主体设计。并用 出机器人的三维建模。 检机器人整体设计方案的选择 （ 1）巡检机器人悬挂结构的设计方案 巡检机器人的手臂在行驶 路径的同一侧或者两侧，通过对称悬挂的方式在线上行驶。机器人的结构也是对称的，这样的稳定性比较好，也给机器人的设计提出了一些参考。但是这样的设计也有缺点，那就是行驶时容易受到线路的影响，因为悬挂在线路一侧时，一侧临近塔架一侧远离塔架，所以这种悬挂方式会受到塔架的影响，在靠近塔架的活动范围比较受限。本设计的机器人方案也是采用了同一侧悬挂的方式，如图 3示。如果在结构设计时遵循一定要求、保证结构稳定性的前提下，单侧悬挂的结构设计可以满足机器人线上作业的要求 。 图 臂位于两侧的悬挂。 .1 at 臂位于同侧的悬挂 3.2 at 2）作业路径的选择 机器人的工作路径是其设计的主要因素。正如上文中提到，机器人既可以选择沿相线行驶，也可以选择沿地线行驶。相线因为是输电线，质量比较高，也比较粗，而且在地线上行驶机器人取电也比较方便，地线的承载能力也很强。有很多设计也是参考了地线的设计。但是随着研究工作不断开展，有关结果表明 12， 17 机器人更适合在地线上行驶。 原因有以下几点：第一，地线上的线路情况比较简单，没有过多的附属设备。对机器人的设计要求也不是很苛刻；第二，地线在相线的上面，机器人的视野比较宽阔，摄像机在工作时能够更完整的拍摄真实的线路情况；第 三，机器人工作时，会或多或少的影响线路，对线路会造成或多或少的损伤，而地线非输电线，多输送电力不会造成太大的影响。与在相线上行驶相比，在地线上行驶虽然不能像在相线上行驶时取电比较方便，但却避免了对输电的影响，也避免了设计机械结构的复杂性。例如越障时取电装置可能也要参与越障，还有备用电源的切换问题等。 表 3检机器人的基本构型 he 构 运动方式 自由度个数 驱动方式 轮爪机构 腕臂机构 控制箱 滚轮转动 轮子开合 手腕转动 手臂转动 手臂升降 控制箱移动 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 电机直接驱动 电机直接驱动 电机直接驱动 电机直接驱动 丝杠螺母 丝杠螺母 性臂 巡检机器人的机械手臂是机器人主体结构最重要的组成部分，它的作用是通过滚动轮悬挂在线上，并且承担主要的运动。通过大臂和小臂的回转和仰俯运动来实现承载主体箱机和移动调节整体机构的功能。一般为了实现机器人在线行驶，机械手臂最少要三个自由度 【 14】 。当然少数的巡检机器人自由度比较少，有的只有两个，但是其行动受到限制。手臂的结构选择很多，查阅相关资料 【 2】 ，常用的构形如图 3示。 18 图 3种机器人手臂构型 3-3 检机器人要满足通过手臂能最大程度的运动到需要的位置，满足真实需求。同时机械机构要简洁，容易操控。在同等体积同等重量的要求下，具关节手臂要比不具关节的手臂拥有更多的活动空间。而且具关节机器人的运动轨迹相应比较灵活，动作更加灵敏，所以本设计的机器人手臂采用多关节的机械结构。 手臂的结构有多种形式，常见的三自由度一般有如下几种形式：如图 3 2】 。 图 3种三自由度手臂构形 19 of 中 B 表示手臂的弯曲结构，表示组成相关的部件能在相邻的运动组件上实现角度的变化。 R 表示转动结构，表示组成相关的部件能在相邻的运动组件上实现在轴线 上转动。其中 结构拥有两个弯曲结构，转向功能比较多，结构尺寸较大，活动范围较广。而 构相对结构比较紧凑。有两个转动机构，占用的空间也比较少。可用于手腕手的机构设计。 由于现实作业中，机械臂的运动要求机械臂整体要平行于地线，综合考虑后本设计采用的手臂拥有四个自由度，其中大臂小臂有两个自由度来完成机械手臂的位置变化，手抓轮的两个自由度来确定手轮的姿态，综上考虑后，最后手臂的其机械结构形式如图 3示 【 23】 。 图 3性臂的最终构形 3-3 of 上所述，机械手臂臂由地座、肩关节、大臂、肘关节、小臂 组成。机械臂水平方向由肩关节实现，竖直方向的运动由肘关节和小臂末端的手腕来实现。参考工作情况的需要 【 16】 ，确定出本设计的巡线机器人的具体的尺寸 ： 大臂长： 350 手腕边长： 70臂长： 400 末端执行器 70关节转动范围： 肩关节： 90 肘关节： 90 腕关节： 90 手掌关节： 90 动部件的选择 驱动机构为使机器人工作时提供了原始动力，目前的驱动方式主要有液压驱 20 动、气动驱动和电机驱动三种。 液压驱动，这种驱动方式力量比较大，有足够的输出力，其缺点是成本比价高；而相对于液压驱动，气动驱动造价成本低，而且比较容易操作，控制起来也比较方便，但是它的缺点也比较明显，就是精度不能达到要求，满足要求相对较难。只能在低精度的要求下工作。实际作业受限；相对于以上两种驱动方案的选择，电动驱动很容易控制，耗能不高，而且结构很简单，也不会污染环境。电动机控制的精度也相对较高，能满足一般的作业要求。是现代机器 人首选的驱动方式之一。由于受电源和功率的限制，交流伺服电机和交流电机一般不能适用于巡线机器人。 步进电机的工作方式使得步进电机的精度能够达到一定程度。稳定性高，不会长期积累误差 【 8】 。步进电机的启动方式也比较密，可以瞬时启动，短时间停止，对于机器人的控制提供了很大的便利。并且可以改变脉冲的顺序，也能对转动的方向进行调整。因此，从步进电机的特性和巡线机器人实际的作业过程考虑，各关节机构的驱动电机选择用步进电机 【 26】 。 直导轨步进电机的计算选型 电机力矩的计算： 360(3设计任务的精度 为 杠导程选为 5) 由公式得 (3电机的歩距角为 已知导程 料密度 337 . 8 5 1 0 /k g c m 滚珠丝杠转动惯量： 324 (3因此 224434 s (3成型缸折算到丝杠上的转动惯量： 222 2( (3步进电机轴上的总惯量 (3 21 电机轴上的惯性转矩 3因为作用在导轨上的正压力为 0 所以电机轴上的当量摩擦转矩 0 3 5 (2 2000 (3 M A 3 0 (3于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为 q (3 9 9 (3表 36 电机型号表 综上所述符合要求的电机有 861010电机，完全保证完全满足设计要求，本设计选用 110进电机进行控制，其机身长度为150扭矩为 20体参数如 电机型号 表 3示。可用的驱动器 要部件的设计 轮部分 滚轮机构是巡检机器人重要的悬挂和行走机构机构，实现机器人的在线行驶功能和承载主体功能。所以在设计中要有相应的承载能力和强度，以及灵活性。在设计的过程中应该考虑其强度的适应，轮槽的大小，吃线的深度等。 滚轮部分主要由滚轮、滚轮轴组成，如图 3中，轮子主体可用强度比o. 相数 步距角 保持转矩 额定电流 相电感 相电阻 引线数量 转子惯量 定位转矩 电机重量 机身长 ( ) g 10 2 6 6 115 110 0 6 15 11 6 50 110 8 2 01 22 较高的尼龙作为骨架，尼龙作为合成纤维有强度大，重量小的特点。可以减轻巡检机器人的重量。也可以满足滚轮与线路间的摩擦系数，可以提高轮在在行驶时与线路的摩擦系数，防止打滑 。采用以上设计使机器人更好地适应高压输电线的复杂环境。 图 3轮部分 中手腕部分 巡检机器人在行驶过程中，依靠中手腕部分承载箱体，连接大臂， 并与丝杠螺旋副组成蠕动系统 ，是巡检机器人重要的主体部分，通过下端联结主体箱带动主体箱运动，是连接手抓轮和主体箱承接部分。如图 3，实现机器人的直线运动。 23 图 3手腕部分 of 手掌部分 手腕部分是连接滚轮、手爪与手臂的机构。当巡检机器人在跨越防震锤和垂线夹等障碍物时，依靠手腕机构的翻转配合其它机构来越过障碍，如图 3，主要由电机及其底座、转轴箱、手臂与手腕连接件等构成。 图 3腕转动部分 of 大臂部分 大臂转动机构位于和小臂的连接部分，由转动电机及其底座、转动轴、轴承 24 座、转动连接件等组成，如图 3于耐张塔两侧的线路之间存在一定角度，所以当巡检机器人在跨越转角耐张塔障碍时，由大臂的驱动电机 驱动手臂转动机构做精确转动，调整大小臂与线路的角度和位置关系，保证大臂和小臂在合理的位置上。并且能够通过大臂回转和小臂仰俯运动实现相应位置调整。 图 3臂部分 rm 小臂部分 小臂本分主要由两个相同左右对称的结构及其驱动电机构成，如图 3电机驱动丝杠转动实现小臂的仰俯运动，连接在大臂和手腕之间，配合其它运动机构实现线路障碍的跨越。 25 图 3臂部分 包含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396摘要随着机器人的研发和应用范围逐渐扩大，将机器人技术使用于高压线的普通检测和修护受到技术学者的学习和研究。巡检机器人在复杂的输电线背景下完成检线任务，要具有自主完成跨越线路上的各种障碍能力。因此，巡检机器人的本体结构决定着巡检机器人的现实功能，也是决定着巡检机器人实用性和便捷性的关键技术之一。所以本文对国外和国内刊登的巡检机器人的机械结构进行了汇总描述，并在熟悉他们的研究后研究出了创新型的检线机器人的本体结构，本论文以输电线的相线为工作途径，使用三手臂加单独总体箱的形式，机器通过机械臂手轮抓结构悬吊于线路上，可以根据相线的线路实体，选择滚动的轮子为行驶方式或者递进爬行方式实现在线路上移动，遇到线路上的异物时，也可通过三手臂的相互交换运动越过障碍物，继续前行。本论文采用了双臂在一侧的悬挂是本论文设计的另一特点，因此在工作时可将机器人悬挂于线路一侧，避免了线路上其他的设施对机器人线上作业进行阻扰。本设计所述巡检机器人本体结构较简单明了，容易实施操控和使用，对线路工作的具体实施环境具有很好的能力去适应。 关键词：高压输电线；巡检机器人；越障；强度校核；机械手臂；IABSTRACT 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 robots 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;II目录第一章 绪论11.1设计的背景和意义11.2国内外研究现状分析11.3国内的发展状况41.4机器人本体结构需要解决的一些关键问题61.5本文的主要研究内容7第二章巡检机器人的工作环境和原理分析72.1高压输电线的特点和组成82.1.1高压输电线路的特点82.1.2高压输电线路的组成82.2高压输电线的巡检内容及原理102.3 高压线巡检机器人的设计要求122.4巡检机器人整体设计方案的选择122.5 本章总结15第三章 高压线巡检机器人的结构设计163.1巡检机器人整体设计方案的选择163.2柔性臂173.3驱动部件的选择193.3.1垂直导轨步进电机的计算选型203.4主要部件的设计213.4.1滚轮部分213.4.2中手腕部分223.4.3手掌部分233.4.4大臂部分233.4.5小臂部分243.4.6箱体部分253.4.7轮子开合轴263.4.8手腕部分263.4.9摇杆部分273.5.0总体三维设计图283.6本章总结30第四章 高压线巡检机器人运动分析和强度校核314.1巡检机器人沿线爬行的运动分析31III4.2高压线巡检机器人越障作业的运动分析314.2.1跨越防震锤的运动分析324.2.2定臂转动的运动分析344.3主要零部件的强度校核364.3.1丝杆的强度校核364.3.2齿轮的校核374.3.3大臂的强度校核39第五章 总结与展望415.1论文的主要工作和结论415.2展望41致谢43参考文献44VII第一章 绪论1.1设计的背景和意义高压输电线作为输电的主体设施，在国家的公共设施和社会生活发展中起着主要作用，承担着电力的传送任务，因为高压输电线是暴露在外的金属制成的线路，不断收到环境或者人类生活的损害，因为经常裸露在自然环境中，很容易造成各种故障，如果来不及发现和排除，很容易对电力系统造成伤害。所以为了保证输电线路安全和稳定的运行，对输电线路进行定期的巡查是很必要的。以往的检线形式有人在地面上检测或通过直升机在空中检测，这些检测方法效率不高、也不可靠、工作内容不足而且费用高。而机器人技术很巧妙地解决了这个棘手的问题。把巡检机器人应用于高压输电线路的巡检作业，是一种符合现代化作业需求的方案。高压线巡检机器人在检测高压输电线的工作中有着很大的优势，这个设计为检测高压线提出了人工智能化的机器设计，代替检测员对线路进行普通的检查和修复，从而减少检线工作的任务，也可以减少巡检的成本，并且能显著提高检测的可靠性，也提高作业的安全性，从而提高输电线的日常检测和修复的水平【1】。将机器人用于巡检机器人可以近距离作业.作为巡检机器人最重要的部分，机器人的机械结构决定着机器人的性能。高压输电线巡检机器人复杂的工作环和工作内容对机器人的机械结构有着很高的要求。机器人要跨越高压线上的各种障碍物并带着仪器进行检测，机械结构决定着机器人的行走方式，储存空间，抗压能力，检测方式等等。所以机器人的机械结构也是近几年来国内外研究的热点。1.2国内外研究现状分析 外籍中对高压输电线路巡检机器人的探讨开始于十九世纪八十年代。有西方的发达国家展开了对高压输电线路机器人的探讨。1998年，日本电气公司hawasa等工作人员发明出了能在高压输电线（OPUR）上工作的巡检机器人【5】见图1-1。这个机器人使用两个轮子，使用双轮同时行走的本体实现工作和在线路上行驶，这种机器人本体机构驱动力矩大。能沿地线爬行，如果遇到线塔等异物时，该机器可以用像弓一样搞得结构，在没有人干扰情况下，能够实现自己越障。这个机器人很重，结构也比较大。而且，该机器人将检测到的数据记录在磁盘上，不利于储存，巡检完固定距离线路后就要停止工作记录数据，实际操作受到限制。 1988年，由日本NTE公司的Khinichi hima等人发明的由多个单位组成的机器人【6】。此机器人使用多个单位和“前部决定，后部跟随”的操控方式方式，几个具有伸降臂加轮子的单元组成机体，由转动环节接通每个单元，整个机器人看起来像一个蛇的机体，如图1-2所示，通过巡检机器人机械体上的传感器，可自动跨越线路上的障碍物，该机器人能够摄像出周围的情况【26】，并能具有多点和较为复杂的输电线上工作。该机器人有多个单位组接而成，每个小车自己具备动理力轮，由各个小车自己的运动加上与其他车体的运动进而组合运动。图1-1 OPGW 巡检机器人Fig.1-1 OPGW inspection robot图1-2蛇形巡检机器人Fig. 1-2 snake inspection robot 由加拿大的亏北河电器工作室Serge kotambault等人在2001年开始HineRovr数控车【8】的发明工作，如图1-3。此系统开始的时用在扫除线路上的积雪，慢慢普及为用于输电线的检查和修复。2003年由巴巴西啦思大学的karo k.k.lamos等人共同发明的一个检线机构【13】如图1-3。此机器人使用轮转机构，通过放置其他附属设施，能够在线路上去除障碍物，安装放学求等。但是这两个机构都有一个缺点。那就是不具有越障功能，而且只能在两塔之间的线路上活动，所以他们的其应用范围受到限制。图1-3 HQLineRover 遥控小车 1988年美国Yhi机构发明了如下机器人5，如图1-4所示。该机器人用爬的方式进行作业，通过中间手臂悬吊，两侧手臂协调爬动实现行走，并且带着其他的设备进行检查和维护等相应工作，包括线路检测，绝缘锤检查，障碍去除等。但时该机器人因受结构的限制，只能以仿生的运动方式进行工作，工作范围有限。图1-4美国TRC悬臂式巡检机器人Fig.1-4 TRC Aim inspection1991年日本hato研发的的电力巡检输送器使用了独立车体结构，如图1-5所示【4】。能够在地面人员的操控下，沿电力线行走，将获取的数字和图片资料存在数据记录器中，而且能用机构里面的探测器进行损伤的检测，并且记录具体的位置，而工作人员可根据传回来的数据进行分析和处理，如需处理里面有足够多的信息和地理位置，处理起来很方便。但是这个类似探测器的机构不具备在线行驶和跨越障碍的能力，所以他的实用性受到限制。不过这个设计获得了很多奖项。图1-5 日本Sato公司生产的巡检机器人Fig.1-5 Damage detection robot巴西米的那思大学于2003年由Ihario .K.Lampos发明了如下机器人，如图1-6所示【23】。这个机器人采用一个单独的机构加上其他不同的附属设备，可在线进行线路检测，障碍物的跨越和记录线路上的不同情况，可根据不同的环境启用不同的设备完成不同的功能。但是这种机器人也不具有越障功能，所以作业区域比较狭窄，而且只能在短距离进行检测，现实工作受到限制。图1-6 预警球安装作业机器人Fig.1-6 Robot installation of early warning Ball1.3国内的发展状况我国国内对于巡检机器人的研究起步相比于国外较晚，开展相应的研究所也并不多。在二十世纪末，我国国内的一些大学进行了相应工作的开展，而且初具雏形，并且将很多实验室研究出来的样机在现实生活中进行了实用。有些学校开张的比较早，比如山东大学的武汉大学很早的进行了高压输电线的研究工作。受到国家的相关奖励政策，很多机构积极地相应，快速地进行了相关工作。武汉大学和中科院沈阳自动化所，山东大学和河南电气机构几乎同时进行了相关工作。自隶属于中科院的动化研究所发明了一种三个手臂的机械机构，而且和山东大学共同研发所成，如图1-12【12】，它能够在线上完成必备的巡检工作，可以越过线路上的障碍物，并且可以将巡检到的内容传回地面，进行操控表。但这个机器人结构复杂，也比较重，行动笨重，不易于操控。 武汉大学设计的巡检机器人有两个巡检机械手臂，直接连到控制箱，可快速的传播信息。如图1-13【4】，可通过臂上的滚轮在线路上行走，而且能满足线上的越障能力，而且行动灵敏，效率快，操控方便。但是该机器人在相线上行驶，而相线上的行动很复杂，机器人在行动过程中遇到比较多的困难，在相线上的行驶不如地线的方便，因为相线带电，线路复杂，并且机器人在相线上行驶安全性不高。所以该机器人的使用范围不广【14】。图1-12山东大学研制的三臂式巡检机器人机械结构Fig.1-12 Shandong University developed a three-arm inspection robot mechanical structure图1-13武汉大学研制的双臂式巡检机器人的机械结构Fig.1-13 Wuhan University-typeinspection robotarmdeveloped bythe mechanical structure综上所述，上面的多个设计都是采取相线上运动的方式，而与机器人在地线上行驶相比，机构在相线上的作的工作形式存在以下问题：（1）相线上带电，机器人行使比较危险。 （2）巡检机器人的巡检范围比较小，很多方向的检测不到位。（3）相线上带电，机器人在相线上行驶，产生的热量较大，机体温度较多、大，长时间行驶时，对机体的损耗较大。（4）在风雨雷电的情况下，相线容易放电，机器人在相线上时比较危险。1.4机器人本体结构需要解决的一些关键问题由于巡检机器人研究的不断发展，人们对机器人的机械结构设计必然会提出更高的要求，主要是轻量化、操作简单化并且具有越障高效的功能。（1） 体积简化，决定着机体重量的部分有：机体的大小和本体结构等。所以机器人设计中应该在满足机器人性能的基础上，尽量减少其尺寸，并且有着简易的结构，从而满足轻量化的要求。（2） 操作简单，执行效率高；在机器人的设计中在满足性能的技术上要尽量减少操作方式，使其便于操作，因为在复杂的高压输电环境下过多的操控会降低机器人的效率，所以需要尽量使机体简化，选择简易的本体结构可以实现其敏、高效率的越障能力。1.5本文的主要研究内容根据上文的引述，本设计提出了一种新型的机器结构，此机构在地线上行驶，并且可以完成高压输电线上的日常巡检任务，其主要工作分为以下几个方面：（1）讨论国内外现有的研究成果，并且分析存在的优点和不足，以及论述本次设计的意义和目的。（2）简述高压输电线路的特点与组成，清晰分析出高压输电线路障碍物的结构类型和特点。并且分析巡检间机器人的工作原理、巡检机器人巡检越障作业特点和设计要求，从而为机器人的本体结构设计做准备。（3）比较现有的设计方案的基础，提出并设计一种新的机器人的机械结构，以适应高压线地线作业环境。从开始的机构简图到具体的运动机构，并清晰讲述此机器人机械机构主要部件的零部件和功能作用。能够利用CAD技术给出机器人的三维实体模型和零件图，并且对机器人巡检作业和越障过程予以规划和分析。 （4）进行巡检机器人主要零部件的静力学分析和强度校核以及其运动学。（5）整体动画分析并总结当前的主要工作，分析不足，并对进一步的设计工作提出展望。 第二章巡检机器人的工作环境和原理分析 序言： 研究高压输电线巡检机器人的工作环境是机器人设计的基础，分析巡检机器人的工作原理是机器人设计的核心。巡检机器人在野外工作，工作环境复杂多变，与之相应的要有缜密的原理分析，本章将就巡检机器人的工作环境和工作原理进行研究。2.1高压输电线的特点和组成2.1.1高压输电线路的特点熟悉并了解高压输电线路的特点和组成才能更好地设计巡线机器人机械结构。现实中我国高压输电线的电压主要有；10Kv，25KV，100KV，230KV，300KV，550KV。其中以100kv以上的电压为主【23】，其具有成本高，应用范围广，工程的任务重，而且在日常中，这些线路都裸露在自然环境中，很容易受到日积月累的风吹雨淋和雨雪的侵害，这些容易使高压输电线造成故障，从而为输电带来麻烦。这样的影响决定着人的生活用电和工业用电。对这些问题的及时检测和维修，能最大程度的保障日常生活的用电需求，所以是很有必要的。高压输电线路主要有以下特点：（1）新疆的地理环境复杂，气候恶劣，输电线路必须穿过许多地质条件各异的地区，其地理环境和气象等条件相对比较复杂，地质条件变化很大。（2）高压输电线的所在环境复杂，在荒野外，范围广定点多，线路长，这些因素导致高压线很容易受到自然环境的侵害，从而导致输电障碍。（3）我国输电线路对于国民经济是至关重要的，尤其超高压电力线路关系到一个地区的国防、工业、人民生活的用电安全，因此绝不能出现事故，并且在工程地质上对其稳定性有更高的要求。2.1.2高压输电线路的组成高压输电线路主要构成有：基础组成有比如由混凝土以及与其混合而成的底盘。输电线有相线，地线，还有避免遭受雷电的线路等等。电线杆由水泥杆、金属杆、及铁塔、绝缘子串和各种金具等。这些零部件构成完整的输电线，这些部件有机的组成了高压输电线路【12】。导线用于传送电流；将电流引入大地的叫做避雷线，通过这种形式使线路保护线路从而避免遭到损害；杆塔是支撑诸如导线和相线以及地线，而且使上述这些线路保持距离，以及使导线和周围的地面，树木，公路水面，房屋等，保持安全距离。而绝缘子的作用是时杆塔和输电线之间保持绝对的安全距离；110KV以上的超高压输电线路的架空高度一般在30米左右。两个塔的距离一般在300到500米，一些复杂的地理环境，塔尖距离根据情况调整随时都有转换线路方向或者跳线等问题。而且相线上的其他设备也比较。，如图2-1、2-2所示。图2-1 高压输电线路组成Fig 2-1 High voltage transmission line environment图2-2高输电线路的主要元器件Fig.2-2 The main components of high voltage transmission line因为有高压电流通过相线，所以为了输电安全，相线要和周围的设施保持相应的距离，高压线路和周围的设施保持的最短间距见表2-1，因此，出于安全考虑，机器人的尺寸不能太大。而且考虑到线路的增重变形，机器人也不能太重【23】。表2-1 带电体与塔架最小间距【2】（米）Table2-1 Body charged with the minimum distance tower（m）2.2高压输电线的巡检内容及原理 巡检工作是输电线路检修维护的重要内容，涉及到线路的安全，在日常对线路的总体工作重占主导地位，如果线路的巡检没有到位，马虎大意，有些问题没有发现，不仅耽误了线路的检修维护工作，而且还会使输电工作不能满足日常需需求，更有造成重大电力灾害的可能，威胁到人身安全。使线路设备运行、维护以及管理工作滞后，安全运行水平降低。能够使线路产生故障的原因繁多，比如输电线的有些部分长时间不用老化，而所处的环境又不断变化，这些都有可能导致障碍的出现。所以，高压输电线路的作业内容主要有以下几个方面：（1）沿线巡视有没有影响或者妨碍线路的其他物体，例如积雪，天线或附近居民堆积的一些农作物和比较高的树木等。（2）有时候塔杆会倾斜，所以要检测杆塔的倾斜程度，幅度不能太大。构成塔架的混凝土有的会被腐蚀，根据资料，也不能能超过0.2mm，并且不能让太多的金属裸露在外，而有些特制的木杆也要进行进水腐朽检测，木杆的根部也要防水处理。（3）各类输电线有没有断股的问题、或者接头处有没有发热和放电的情况，而位于杆塔的绝缘子不能倾斜程度太大，一般不得超过15。（4）线路上的断路器安装牢靠与否，是否变形，一些标志指示能不能明显看出；输电线上的瓷件有没有开裂露出金属，从而有漏电放电的可能。各种线路之间距离是否合适，对周围物体是否有安全距离。（5）用于避雷的装置是否受损，避雷器的保护套有没有受损；以及用于接地的装置是否裸露，或者放电可能，各个连引线有没有受损，接地引线是否完整，特别是是防雷线与输电线之间的距离是否在安全范围之内等。 机器人在现实中工作有以下两个阶段：在线上无障碍前进，在线上越障行驶。前者比较简单，沿线行驶即可，一般在坡度不是很大的路段上，可通过滚动的滚轮实现对速度的控制，这一阶段运行耗能也少。当坡度大时，三个机械手协调运动，采用类似蛇形一样爬行，两臂固定，第三臂运动，三臂相互协调，交替运动。第二个阶段，碰到比较小的障碍物，可通过小臂仰俯运动，使轮子抬高从而越障，碰到比较大的障碍物时，则需要固定前臂，然后后面两个手臂脱线，绕着前臂定轴转动，转过障碍物后重新悬挂在线上。巡检机器人必须要能够满足在线上工作的需求，也要使保障工作安全。机器人工作时可以调节相关部件从而满足工作需求，所以在此过程中执行各种动作时，应避免出现以下情况：（1）巡检机器人在正常行驶时，主要靠轮子的滚动，高压线摩擦系数不高，所以不能使轮子打滑，从而导致机体不能正常运动。（2）巡检机器人的固定轮必须有力，在行驶中能够抓紧线防止脱落。（3）巡检机器人在正常工作时，要与输电线或者线路上的其他设备保持一定的安全距离，防止碰撞。图2-3高压线巡检机器人的作业环境Fig.2-3 Power lines inspection robots operating environment 本文中高压巡线机器人的工作原理和过程可概括为：1) 机器人上线；2) 巡检机器人主体箱中的控制器接到工作命令时，驱动主体沿地线行驶；3) 巡线机器人在没有障碍的路段行驶时主要靠滚轮滚动的方式驱动。在前进的过程中，要检测前方可能遇到的障碍物，并对障碍物通过摄像机拍摄，拍摄后将机体的运动状态位置和障碍物的情况传输到地面的控制基地，从而决定机器人如何应对；4) 在机器人行驶过程中遇到比较小的障碍物时，因为轮子采用中空设计，轮子下方留有一定的空间，可通过小臂仰俯运动抬高轮子从而使机器人越过障碍物继续行驶。 5) 当巡检机器人检测到比较大的障碍物时，上升轮子不能满足要求，此时控制器就会驱动小臂仰俯运动使前臂上升，此过程跟遇到较小的障碍物一样，上升到最大高度是，打开轮子的开合装置，是轮子两边打开，这样可以形成很大的空间提供越障。前臂通过障碍物后，继续前进，中间手臂遇到障碍物，因为中间手臂不能上升，只能打开，从而越过障碍。在第三个机械臂运动到障碍物时跟前手臂遇到障碍物一样，可以上升然后打开开合装置，从而越障。越过障碍物后重新挂线，继续行驶；6) 有些障碍物，比如及较大的悬线锤，小臂的上升加上手掌开合也不能满足越障，此时只能通过第三种方式。第一个手臂遇到障碍物时，尽可能靠近，然后固定住。后面两个轮子打开，脱落，整个机体靠前臂的抓紧固定在线上，然后通过前臂的定轴转动，使机体绕着前臂进行定轴转动，旋转过障碍物【23】。旋转过障碍物后，后面两只手臂重新挂线，从而实现对障碍物的跨越。2.3 高压线巡检机器人的设计要求通过上文对高压输电线路的分析和对巡检机器人作业环境的分析，对巡检机器人的机械机构的设计提出了如下要求：（1）高压线巡检机器人的本体结构和重量因为巡检机器人在输电线上行驶，这种特殊的行驶载体，对其重量有很高的要求。因为机器人的重量和一些附属装备的重量都由高压线承担，而线路的承载能力肯定是有限的，查阅相关资料可得，高压输电线的承载能力大约在200kg左右。当然，机器人本体的重量应远不及这个标准。（2） 巡检机器人本体机构的相关功能和技术要求 机器人的本体机械设计决定着巡检机器人如何在巡检工作中运动，是适应高压输电线巡检环境和巡检人物的关键，为了满足实际要求，对机器人提出以下要求：1）移动能力：无论是在平缓的线路还是有坡度的线路，机器人都要有精确地移动位置，稳定的移动能力，并且能够保证移动的安全性，这是机器人最基本的能力。3）越障能力：线路上有各种各样的障碍物，所以越障能力是机器人优越性的考量标准，也是实际作业的必然要求。所以说设计的机器人应该具有跨越一般障碍物的功能，是机器人顺利行驶。4）承载能力：机器人的运行方式是悬挂在线上，而且有其他的附属设备，所以机器人必须要有相应的承载能力。有足够的空间和能力来携带相关设备。2.4巡检机器人整体设计方案的选择（1）缆车式结构的设计方案因为高压线路本身的性质决定了输电线有相应的承载能力，所以巡检机器人就可以直接在线路上行驶。而绝大部分线路上是没有障碍物的【14】，所以参考资料中可采用如图2-4所示的独立缆车的机构设计，滚轮悬挂在线路上承载机体，而控制箱携带相应的设备。行动的时候通过滚轮滚动前进。通过控制箱里面的相应设备完成线路检测，障碍物预警，线路信息传回等工作。最早的巡检机器人也是如此，但是类似这种设计没有越障能力，越到障碍物无法跨越，所以只能短线行驶，在两塔之间行驶，起作业范围有限，其实用性受到限制。图2-4缆车形式的结构Fig.3-1 Form the structure of cable car（2）多自由度仿生手臂的设计方案在上述方案的基础上，为满足机器人在线路上的各种作业需求，在的沿线作业的基础上增加了越障功能。越障功能的实现依靠多个手臂和手抓机构来执行，并且有相应的辅助机构，参考文献10中提有一种这样的设计，这种设计的机器人在两个手臂上设计两个转动关节和一个可以直线活动的关节，而通过机械臂末端的手抓悬挂在线路上。当机器人遇到障碍物时，一个手抓固定，另一个手抓脱落线路后通过相关部件的协调运动来实现跨越，如图2-5所示。这种设计方案能够越过线路上的一般障碍物【22】，缺点是，在越障的过程中机器然不太稳定，一个手臂抓线时集体容易出现偏差，对这个缺点的改进可以通过增加手臂上的腕关节，如图2-6所示。这样改进后。机器人在运动中具有了良好的稳定性。上述两种设计均使用了通过手臂摆动的方式实现运动，而手臂本身通过转动关节运动，缺点是手臂的运动范围不足，在实际的工作中应用范围有限，不太方便作业，而且在行驶时，手臂的转动关节承重过大，这样就使得手臂的设计要求很高，不容易实现。图2-5摆动臂式的手臂设计方案Fig.2-5Armswingarmdesign图2-6 改进后的摆动臂式的手臂设计方案Fig.2-6 Improvedarmswingarmdesign 考虑到上述两种方案的优缺点，和实际的要求，本文提出了如下的设计方案，高压输电线路复杂，跨度较大，线路上有各种各样的障碍物，线路也具有一定的坡度和转弯等。考虑到这些需要克服的困难，为了达到相应的要求，安装在机器人本体上的机械手臂必须灵敏而且多变，从而应对不同的线路情况。其工作范围也要满足实际要求。能完成必备的相应动作，应有自由度四到五个个，尺寸适中，质量不大。所以我参考了已有的机器人结构，摒弃其缺点，保有其长处，设计出了适用于500kv输电线路以下的高压输电线巡检机器人。其总体机构三维图如图2.2所示。机器人的主要组成有：机械手臂（大臂、小臂）、手腕手掌、驱动轮、传动丝杠、主体箱等。图2-7 巡线机器人三维图Fig.3-5 patrol robot three-dimensional map2.5 本章总结高压输电线是如今社会经济的主要生命线，对输电线有效的巡查以及监督是电力部门首要任务之一。而了解高压输电线的组成对机器人的设计起着尤为重要的作用，在高压线上，高压线的其他设备会对机器人的在线行驶进行阻碍。所以机器人在越障过程中，要考虑到这些障碍物的结构和特点。在行驶的过程中能够顺利跨越障碍物，并且保证安全和效率是设计巡检机器人的基本要求。本章在主要分析了巡检机器人的工作环境即高压输电线的组成和所处的环境，并对相应的运动原理进行了简单分析。提出了两种简单的方案设计，并给出了总体的设计三维简图。第三章 高压线巡检机器人的结构设计序言： 在分析了巡检机器人的工作环境和工作内容以及工作原理的基础上，需要进一步对机器人的机构进行细致的分析，包括每一个零部件的设计，包括机械手臂，滚动轮，控制箱等主体设计。并用UG给出机器人的三维建模。3.1巡检机器人整体设计方案的选择（1）巡检机器人悬挂结构的设计方案巡检机器人的手臂在行驶路径的同一侧或者两侧，通过对称悬挂的方式在线上行驶。机器人的结构也是对称的，这样的稳定性比较好，也给机器人的设计提出了一些参考。但是这样的设计也有缺点，那就是行驶时容易受到线路的影响，因为悬挂在线路一侧时，一侧临近塔架一侧远离塔架，所以这种悬挂方式会受到塔架的影响，在靠近塔架的活动范围比较受限。本设计的机器人方案也是采用了同一侧悬挂的方式，如图3-1所示。如果在结构设计时遵循一定要求、保证结构稳定性的前提下，单侧悬挂的结构设计可以满足机器人线上作业的要求。图3.1手臂位于两侧的悬挂。Figure 3.1 arm suspension at both sides图3.2手臂位于同侧的悬挂Fig. 3.2 arm suspension at the same side（2）作业路径的选择机器人的工作路径是其设计的主要因素。正如上文中提到，机器人既可以选择沿相线行驶，也可以选择沿地线行驶。相线因为是输电线，质量比较高，也比较粗，而且在地线上行驶机器人取电也比较方便，地线的承载能力也很强。有很多设计也是参考了地线的设计。但是随着研究工作不断开展，有关结果表明12，机器人更适合在地线上行驶。 原因有以下几点：第一，地线上的线路情况比较简单，没有过多的附属设备。对机器人的设计要求也不是很苛刻；第二，地线在相线的上面，机器人的视野比较宽阔，摄像机在工作时能够更完整的拍摄真实的线路情况；第三，机器人工作时，会或多或少的影响线路，对线路会造成或多或少的损伤，而地线非输电线，多输送电力不会造成太大的影响。与在相线上行驶相比，在地线上行驶虽然不能像在相线上行驶时取电比较方便，但却避免了对输电的影响，也避免了设计机械结构的复杂性。例如越障时取电装置可能也要参与越障，还有备用电源的切换问题等。表3-1巡检机器人的基本构型Table3-1 The basic inspection robot arm configuration机构运动方式自由度个数驱动方式轮爪机构 腕臂机构 控制箱滚轮转动轮子开合手腕转动手臂转动手臂升降 控制箱移动12121212121电机直接驱动电机直接驱动电机直接驱动电机直接驱动丝杠螺母丝杠螺母3.2柔性臂 巡检机器人的机械手臂是机器人主体结构最重要的组成部分，它的作用是通过滚动轮悬挂在线上，并且承担主要的运动。通过大臂和小臂的回转和仰俯运动来实现承载主体箱机和移动调节整体机构的功能。一般为了实现机器人在线行驶，机械手臂最少要三个自由度【14】。当然少数的巡检机器人自由度比较少，有的只有两个，但是其行动受到限制。手臂的结构选择很多，查阅相关资料【2】，常用的构形如图3-3所示。图3-3 几种机器人手臂构型Fig. 3-3 several robot arm configuration 巡检机器人要满足通过手臂能最大程度的运动到需要的位置，满足真实需求。同时机械机构要简洁，容易操控。在同等体积同等重量的要求下，具关节手臂要比不具关节的手臂拥有更多的活动空间。而且具关节机器人的运动轨迹相应比较灵活，动作更加灵敏，所以本设计的机器人手臂采用多关节的机械结构。手臂的结构有多种形式，常见的三自由度一般有如下几种形式：如图3-4所示【2】。图3-4四种三自由度手臂构形Fig.3-7 three degrees of freedom wrist configuration其中B表示手臂的弯曲结构，表示组成相关的部件能在相邻的运动组件上实现角度的变化。R表示转动结构，表示组成相关的部件能在相邻的运动组件上实现在轴线上转动。其中BBR的结构拥有两个弯曲结构，转向功能比较多，结构尺寸较大，活动范围较广。而RBR结构相对结构比较紧凑。有两个转动机构，占用的空间也比较少。可用于手腕手的机构设计。由于现实作业中，机械臂的运动要求机械臂整体要平行于地线，综合考虑后本设计采用的手臂拥有四个自由度，其中大臂小臂有两个自由度来完成机械手臂的位置变化，手抓轮的两个自由度来确定手轮的姿态，综上考虑后，最后手臂的其机械结构形式如图3-5所示【23】。图3-5柔性臂的最终构形Fig. 3-3 final configuration of flexible arm综上所述，机械手臂臂由地座、肩关节、大臂、肘关节、小臂组成。机械臂水平方向由肩关节实现，竖直方向的运动由肘关节和小臂末端的手腕来实现。参考工作情况的需要【16】，确定出本设计的巡线机器人的具体的尺寸：大臂长：350mm 手腕边长：70mm小臂长：400mm 末端执行器70mm各关节转动范围：肩关节：90 肘关节：90腕关节：90 手掌关节：903.3驱动部件的选择驱动机构为使机器人工作时提供了原始动力，目前的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电机驱动三种。液压驱动，这种驱动方式力量比较大，有足够的输出力，其缺点是成本比价高；而相对于液压驱动，气动驱动造价成本低，而且比较容易操作，控制起来也比较方便，但是它的缺点也比较明显，就是精度不能达到要求，满足要求相对较难。只能在低精度的要求下工作。实际作业受限；相对于以上两种驱动方案的选择，电动驱动很容易控制，耗能不高，而且结构很简单，也不会污染环境。电动机控制的精度也相对较高，能满足一般的作业要求。是现代机器人首选的驱动方式之一。由于受电源和功率的限制，交流伺服电机和交流电机一般不能适用于巡线机器人。步进电机的工作方式使得步进电机的精度能够达到一定程度。稳定性高，不会长期积累误差【8】。步进电机的启动方式也比较密，可以瞬时启动，短时间停止，对于机器人的控制提供了很大的便利。并且可以改变脉冲的顺序，也能对转动的方向进行调整。因此，从步进电机的特性和巡线机器人实际的作业过程考虑，各关节机构的驱动电机选择用步进电机【26】。 3.3.1垂直导轨步进电机的计算选型电机力矩的计算： (3-1) 设计任务的精度为0.03mm(丝杠导程选为5)由公式得 (3-2) 电机的歩距角为已知导程Ph=5mm,材料密度滚珠丝杠转动惯量： (3-3) 因此(3-33) 成型缸折算到丝杠上的转动惯量： (3-4)步进电机轴上的总惯量 (3-5)电机轴上的惯性转矩 (3-6)因为作用在导轨上的正压力为0所以电机轴上的当量摩擦转矩 (3-7) (3-8)于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为 (3-9) (3-10)表3-2 86电机型号表Model No.相数步距角保持转矩额定电流相电感相电阻引线数量转子惯量定位转矩电机重量机身长()N.MAmHOhmKg.cm2Kg.cmKgmm110HS1221.81264.90.3747.236115110HS2021.8206150.841168.4150110HS2821.8286.5221.2416.27.511.7201综上所述符合要求的电机有86HS85,110HS12,110HS20等电机，完全保证完全满足设计要求，本设计选用110HS20步进电机进行控制，其机身长度为150mm静扭矩为20Nm，具体参数如电机型号表3-2所示。可用的驱动器M860和MA1080。3.4主要部件的设计3.4.1滚轮部分滚轮机构是巡检机器人重要的悬挂和行走机构机构，实现机器人的在线行驶功能和承载主体功能。所以在设计中要有相应的承载能力和强度，以及灵活性。在设计的过程中应该考虑其强度的适应，轮槽的大小，吃线的深度等。滚轮部分主要由滚轮、滚轮轴组成，如图3-6。其中，轮子主体可用强度比较高的尼龙作为骨架，尼龙作为合成纤维有强度大，重量小的特点。可以减轻巡检机器人的重量。也可以满足滚轮与线路间的摩擦系数，可以提高轮在在行驶时与线路的摩擦系数，防止打滑。采用以上设计使机器人更好地适应高压输电线的复杂环境。图3-6滚轮部分Fig.3-6 Wheel parts3.4.2中手腕部分巡检机器人在行驶过程中，依靠中手腕部分承载箱体，连接大臂，并与丝杠螺旋副组成蠕动系统，是巡检机器人重要的主体部分，通过下端联结主体箱带动主体箱运动，是连接手抓轮和主体箱承接部分。如图3-7示，实现机器人的直线运动。图3-7中手腕部分Fig3-7 Part of gripper3.4.3手掌部分手腕部分是连接滚轮、手爪与手臂的机构。当巡检机器人在跨越防震锤和垂线夹等障碍物时，依靠手腕机构的翻转配合其它机构来越过障碍，如图3-8示，主要由电机及其底座、转轴箱、手臂与手腕连接件等构成。图3-8手腕转动部分Fig.3-8 Rotating part of the wrist3.4.4大臂部分大臂转动机构位于和小臂的连接部分，由转动电机及其底座、转动轴、轴承座、转动连接件等组成，如图3-9。由于耐张塔两侧的线路之间存在一定角度，所以当巡检机器人在跨越转角耐张塔障碍时，由大臂的驱动电机驱动手臂转动机构做精确转动，调整大小臂与线路的角度和位置关系，保证大臂和小臂在合理的位置上。并且能够通过大臂回转和小臂仰俯运动实现相应位置调整。图3-9大臂部分Fig.3-9 Arm rotating body3.4.5小臂部分小臂本分主要由两个相同左右对称的结构及其驱动电机构成，如图3-10，由电机驱动丝杠转动实现小臂的仰俯运动，连接在大臂和手腕之间，配合其它运动机构实现线路障碍的跨越。图3-11小臂部分Figure 3-11 arm part3.4.6箱体部分 箱体部分是整个巡检机器人的核心部分，通过丝杠穿过中手腕而连接在中手腕的下方，丝杠两头与和主体箱为一体的方块连接。主体箱中有巡检机器人的摄像系统，感应系统，测量系统，判断系统，接受与发射信号系统和中央处理控制系统等，是机器人智能化的承载主体，其外壳坚硬，耐腐蚀，耐风雪，不易变形，对主体实现保护。图3-12箱体部分Figure 3-12box part3.4.7轮子开合轴 轮子开合轴由侧板和轴组成。在直线行驶时，承担连接手抓轮和中手腕的作用。在越障过程中，是实现手掌开合的主体。通过中手腕的电机带动转动轴是三角架带动侧板打开手抓轮，从而实现打开功能。在越过障碍时，在通过电机控制使三角架回到原来位置，重新复合，从而实现关闭手抓轮的功能。图3-13轮子开合轴Figure 3-13 wheel opening and closing axle3.4.8手腕部分 手腕部分在小臂的末端，连接小臂和手掌。与上面的中手腕不同，两边的手腕部分安装在两个小臂的末端，中间也没有通过丝杠的横向孔，而增加了与手掌连接的竖向孔。手腕与小臂组成的转动关节进行转动，实现手抓轮的方向转动功能，调节相应的位置。图3-14手腕部分Figure 3-14 wrist part3.4.9摇杆部分 摇杆部分连接手掌侧面和三脚架之间，承担连接手抓轮和承担手腕的功能。在越障时通过电机控制精密涡轮蜗杆实现转动，从而打开或关闭手掌开合装置。 图3-15摇杆部分Figure 3-15 rocker part3.5.0总体三维设计图图3-16总体三维设计图1Figure 3-16 overall 3D design 1图3-17总体三维设计图2Figure 3-17 overall 3D design 2图3-18总体三维设计图3Figure 3-18overall 3D design 33.6本章总结本章主要从巡检机器人的行走和越障功能原理进行分析，制定了机构简图，并细化、设计了巡检机器人的本体结构，对各部分的功能作用进行了论述，并讨论了驱动轮的点击选择和校核，初步完成了三手臂多关节轮爪式巡检机器人的机械结构设计。第四章 高压线巡检机器人运动分析和强度校核序言： 确定好机器人的总体结构设计后，机器人如何在线上行走越障是本章的研究内容，机器人在无障阶段如何前进，在有障碍的路段怎么跨越障碍等都是机器人的运动方式的研究。4.1巡检机器人沿线爬行的运动分析 巡检机器人工作阶段在两个塔架之间时，高压输电线自身有重量所以会有一定的垂度，导致线路有坡度。如果坡度比较大时，如下图所示，用AB表示。 图（1）手抓抓紧线路准备爬行 图（2）两臂移动，沿线路行驶 图（3）前臂手爪抓紧线路，后臂手抓松开调整 图（4）后臂手抓抓紧线路，主备下组运动图4-1 高压线巡检机器人沿线爬行过程Fig.4-1 Inspection robot crawling along the high-voltage process分析可得，爬行时的动作主要由三手臂的相互轮流交替运动实现前进，行驶过程中，机器人始终在线路的同一侧，三手臂的相对位置不发生变化，通过大臂和小臂之间的肘关节实现位置的调节，运动相对简单，机器人行使也比较稳定。4.2高压线巡检机器人越障作业的运动分析巡检机器人在输电线上行驶时，越障能力的大小影响着机器人的作业范围，以下选取线路上典型的小障碍物越障过程。4.2.1跨越防震锤的运动分析具有跨越线上较小障碍物的能力是巡检机器人机械机构设计的基本要求。跨障碍物的动作可以分解为如下简图所示的步骤： 图（1）机器人靠近障碍物，为越障做准备。 图（2）靠近障碍物的第一个手臂由小臂俯仰运动实现其上升，高于障碍物时驱动集体向前运动。 图（3）第一个手臂越过障碍物，再次由小臂俯仰运动使其落下，此时中间小臂靠近障碍物。 图（4）因为中间手臂不能实现升降，只能打开手掌，从而越过障碍物，机体继续前进。 图（5）当第三个手臂靠近障碍物时由第三个轮子的小臂仰俯运动使其升起。 图（6）当第三个小臂越过障碍物时由小臂仰俯运动使其下落，从而完成越障运动。 当巡检机器人遇到的障碍物比较大时，此时轮子的上升运动不能提供足够大的空间越障，故此时打开手掌开合装置，手掌打开，从而越过障碍物。综上6简图为高压线巡检机器人跨越防震锤等障碍物的过程在跨越小障碍物的过程中，三手臂的工作状态同样在发生着相互交换。其中在图（2）中，前臂为作业臂，控制箱根据具体的工作阶段来控制手臂的位置，在其他两个手臂作业时，承担主体的悬空任务，并且通过相应需求改变位置，要不断调节手臂和线路之间的相对角度，从而在挂线时不会出现偏差。使线路能准确卡入滚轮上的凹槽中。分析知，跨越小障碍物时的运动主要靠大小臂的回转来实现，其它关节无相对运动。4.2.2定臂转动的运动分析高压线是结构较为复杂的线路，有些障碍物远远大于一般障碍物诸如防震锤等，巡检机器人能有广阔的作业范围必须能够跨越更大的障碍物。这也是机器人优越性的重要参考。而机器人在跨越大障碍物的时候，因为障碍物本身的跨度大，机器人要完成更多的动作以完成跨越，所以这个过程与跨越小障碍物不同，也比较复杂，跨越过程如下：所采用的越障作业方式是利用巡检机器人三手臂的结构特点，巡检机器人第一个手臂靠近障碍物时通过制动装置固定住，然后后面两个手臂通过手掌开合装置打开，此时只有前臂悬挂在线路上，后面两个手臂悬空，然后控制前臂手掌腕的电机，使整个机身做定轴转动，从而旋转过障碍物，旋转过之后，再通过小臂俯仰和和手掌开合装置使后面两个手臂重新挂在线路上。致此，越障过程完毕。 图（1）巡检机器人靠近障碍物，前臂固定， 图（2）前臂固定，后两臂脱落，由前臂做定轴转动，转过障碍物。 图（3）转过障碍物后，通过小臂俯仰运动和手掌开合动作使手臂重新挂在线路上。前臂的中手腕部分通过电机控制齿轮进行转动，直到作业臂运动到相应的位置时，定位好之后通过调整大小臂的垂直位置来重新挂线。分析可知，跨越大障碍物的动作主要由手腕机构、手臂的仰俯机构和手臂移动机构的运动来实现，其它关节无相对运动。4.3主要零部件的强度校核4.3.1丝杆的强度校核 由于丝杠承受负载的重量 丝杠平均工作载荷 u取0.005（滚动摩擦）计算载荷Fc ：载荷系数 取1.2 ：硬度系数 取1.0 ：精度系数 取1.0计算额定动载荷 跟据选择滚珠丝杆副 按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于的原则选取以下下型号规格SFU12044 公称直径： 导 程： 螺旋角 ： 滚珠直径： 滚到半径： 偏 心 距： 丝杠内径： 稳定性验算 由于采用两端固定的支承方式，按最不利的情况 则丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为故其刚度可以满足要求。滚珠丝杠副的传动效率： 所以该丝杠副合格。 4.3.2齿轮的校核（1） 选定齿轮 1）由于检线机器人挂臂分为二节升降，分别依靠内外丝杆旋合固定在内外升降筒的螺母，从而引导内外升降筒的伸缩来实现，现在考虑将速度平均分配给内外升降筒。因此，该组齿轮啮合仅作传动作用，没有改变速度的要求，为了计算和制造的方便。2）用直齿圆柱齿轮。3）由于速度不高，载荷平稳，故选用7级精度。4）材料选择，齿轮属于机器零件，所以选择结构钢，要求强度较高，所以选择中碳钢，考虑到成本和质量的问题，所以选择优质钢，最后确定为45号钢（调质），查得疲劳极限是550Mpa，硬度是240HBS。5）选用齿轮齿数Z1=Z2=16。6）计算齿宽系数对于圆柱齿轮传动，齿宽系数根据公式得齿宽系数7）查得45钢材料的弹性影响系数Z=189.8MPa。8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，考虑到传动的可靠性，取安全系数S=1。1= K=0.95550Mpa=522.5Mpa2=K=0.95550Mpa=522.5Mpa（2）计算1）试计算两齿轮分度圆直径d，将1的值代入公式。计算分度圆直径初值： 2) 计算圆周速度v。V=3）计算齿宽b。根据公式，得齿宽b=mm4) 计算齿宽与齿高之比模数 齿高 齿宽与齿高之比bh=3.5565）计算载荷系数。载荷系数为K=6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得D =dmm7）计算模数m8）按齿根弯曲强度设计得弯曲强度的设计公式为确定公式内的各计算数值,查得齿轮材料45号钢的弯曲疲劳极限。根据弯曲疲劳寿命系数曲线，取弯曲疲劳强度系数S=1.3，得 计算载荷系数K：已知载荷系数=1.2546.查取齿形系数。根据两个齿轮的齿数，查得查取应力校核系数。查得Y。9）设计计算。4.3.3大臂的强度校核在巡线机器人工作时，机械手臂承担整个巡线机器人的重量负载，而且根据巡线机器人的动作要求，当机器人跨越障碍时，总是两个挂臂其中的一个，承担所有的负载，另一个手臂不动或者空载，因此，这只手臂所受的弯矩相对比较大。为了机械臂所受的应力不大于巡线机器人要求的许用强度，在信号控制上，必须限制巡线机器人在轨道上运动的行程，使巡线机器人有稳定的速度，接下来就是对巡线机器人平移的行程进行计算。主要技术指标要求挂臂所受弯矩不得大于50Nm。而大臂主要承受弯矩的，所以这里只对大臂进行校核。 测量质量，根据材料性质以及所占体积，得手掌手腕自重M1=4kg，主箱体自重M2约为15kg，单只挂臂自重根据各个零件的质量之和，估计约M3=7kg。测量长度，以下长度均为工作长度，主箱体的工作长度L1约为1m，单根平移轨道长度L2为1.2m，估计水平长度损失为0.2m， 即两臂水平距离为1m。另外，假设箱体重心位置到负载手臂的水平距离为L3。（1）两端位置强度校核先计算负载挂臂处于平移轨道两端时，在平衡状态下：根据要求写力平衡方程：负载挂臂所承受的总弯矩必须小于等于需用弯矩，即M。17kg9.81m+4kg9.80.6m-15kg9.80.5m=18.62Nm=50Nm.计算得的大臂所受的弯矩小于许用弯矩，并且数值不大，因此，当机械手臂都悬挂两端时符合大臂的弯矩要求。（2）极限位置计算当主箱体中心向另一端方向平移时，大臂承受的弯矩会逐渐增大，到某一位置外大臂所受的弯矩会达到最大要求弯矩。现在假定这时主箱体重心距离负载挂臂s的距离。根据弯矩平衡条件：9.87kg1m+4kg9.80.6-15kg9.8s=50计算得该长度为S=0.2867m,即主箱体达到大臂的最大要求弯矩的位置是主箱体的重心距离负载挂臂0.2867m,也就是在控制过程中主箱体到负载挂臂的距离不得大于0.2867m。（3）大臂弯曲强度校核根据公式得弯矩作用下的正应力：根据应力与应变分析拉应力最大的点位于危险截面的上下边缘，在单独悬挂时应力最大。弯矩M根据许用弯矩50Nm来计算。截面抗弯系数W=y应该根据y的最大值，即ymax来计算，查表知ymax=30.775mm。而经过计算得在外升降筒旋转至截面六角形的一边处于侧面时，截面的级惯性矩最大计算得I=192673mm4。计算得外升降筒的截面抗弯系数为：根据公式，得危险截面的弯曲应力为：= 该弯曲应力的值小于材料的许用应力，并且数值不大，在大臂的危险截面不会产生断裂等情况。第五章 总结与展望 本
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