【《变电站四轮巡检机器人的机械结构设计》6800字】

变电站四轮巡检机器人的机械结构设计摘要变电站是输送电力的关键部分，对变电站设备进行及时的巡检是一项确保变电站的设备正常工作、提高供电稳定性的一项基础工作。传统的人工巡检方式效率低、检测松散、容易漏检、存在误检等诸多缺陷。伴随着移动机器人技术的发展，变电站巡检机器人已经成为变电站的巡检最普遍的方式。使用巡检机器人巡检，能够有效对更多的设备进行巡检，也能更加节省人力来扩建变电站和铺设更广的电网。本篇论文设计了一种自由转向的独立驱动四轮巡检机器人的机械系统。该系统主要包括行走、动力、升降云台、外壳等。巡检机器人的主要巡检对象为室外变电站，需要携带各种检测元件来检测变电站是否正常运行。能够自由转向的独立行走系统，可以灵活的对变电站进行检测；云台升降系统采用丝杠和绳排组合传动，形成一个三级伸缩臂，使得云台传感器的巡检视角和范围得到提升，这让机器人更加的小巧灵活；机器人机体采用桁架结构，提高了载重能力；外壳设计成密闭外壳，有效的防止沙尘或者水进入壳体影响设备。本篇论文还在设计方案的基础上绘制了相关图纸，同时研究了行走系统和升降系统的动力学。关键词：四轮巡检机器人；自由转向；三级伸缩臂；结构设计目录第一章绪论 I第一章 绪论1.1背景与意义1.1.1 机器人巡检的必要性电力是一个国家发展的基础工业，变电站是供电与传输基础设施。我国还处在快速发展的阶段，对于电力的需求也在日益的增长，因此对于供电系统的稳定性和持续性的要求也在不断提高，所以完善对变电站的巡检是非常重要的一项工程。现在的巡检方式为技术员实地巡检，但是中国幅员辽阔，单靠人力无法覆盖全国各地变电站的巡检，同时，人工巡视还存在劳动强度大、工作效率低、检测质量差、当天气极其恶劣时无法检查是否出现故障的缺陷。随着科技的发展，机器人的应用也越来越广泛，由机器人代替人工巡检是不可逆的趋势。1.1.2 机器人巡检的可行性机器人主要用于重复劳动的场合，某些特殊机器人被设计出来完成特殊的工作，机器人能够按照设计的程序来完成大部分人类的工作，效率也比人工高。移动机器人作为机器人重要分支之一，稳定性和适应性也在不断的提高，在各个领域应用十分广泛。巡检机器人一般用于巡检环境恶劣的变电站，可以有程序员操控机器人来检查变电站的运行，这使得巡检变得更加高效。机器人由工控系统控制运行，操作人员可以手动控制或者设定程序自动检查变电站的异常问题。由机器人巡检变电站，既节省了人力，又大大提高了工作效率。1.2发展趋势1.2.1 发展趋势巡检机器人随着时代的发展不断的在完善，无论是稳定性，还是适应性，都达到了一定的高度，由智能化系统代替人工巡检是避不开的历史进程，单单这些还不够，未来必然发展的方向如下：1.传感器适应性高2.移动平台灵活化3.功能多样化4.区域互联网络化1.3课题研究内容针对目前的人工巡检变电站的艰难环境，本课题以智能化代替人工巡检变电站为目的，设计一种专门为变电站服务的偏转转向四轮巡检机器人。课题具体任务内容如下：（1）收集、阅读资料，熟悉结构设计理论与方法。（2）提出工作原理，构建设计方案与机构组成。（3）完成整体布局的方案设计，选择合适的动力及传动机构。（4）完成结构设计。（5）进行运动学、力学分析和作业过程仿真。第二章 巡检机器人方案设计2.1对于需求的分析2.1.1 设计技术要求本文设计一种专门为变电站服务的巡检机器人，主要负责检查变电站的故障以及采集数据。该机器人的运动方式为自由转向，采用独立驱动，带有一个可升降的云台。巡检机器人的一般在室外工作，防护等级为IP65，一般采用随身携带电池来持续供电；行走与升降都有直流伺服电机驱动，机器人的内部应该尽量紧凑，重量要尽可能的轻。2.1.2 需要分析的功能和关键问题机器人的主要工作是检测变电站设施的安全运行以及采集一些仪表数据。一个巡检机器人要独立完成这项任务，良好的运动系统，控制系统，信息采集和传输系统，充电系统是必不可少的。信息采集系统由彩色摄像头和红外摄像头组成，这些都可以利用现成的设备进行安装。而控制部分以及信息采集部分这两个部分都安装在稳定的运动平台上，本文主要设计的是机器人运动平台的机械结构部分，有下面几个问题需要细细考量：（1）机器人的灵活性。（2）机器人的稳定性。（3）机器人的简洁。（4）机器人外壳的密封性。2.2整体结构的组成巡检机器人可分为控制系统和机械系统两部分。本文主要分析与设计巡检机器人的机械层结构。机械层包括行走系统、云台升降系统、框架以及外壳三个部分。2.2.1 行走系统方案该机器人的行走系统由两个被动万向轮和两个偏置轮组成，转向只能通过差速转向。结构虽然简单，单灵活性很差，精度普遍不高且难以控制，已经不能使用在智能变电站的巡检。为提高巡检机器人的灵活性，设计一种能自由转向的行走系统，现有以下两种方案：（1）独立行进，独立转向该方案的原理如图所示，在该方案中轮子的独立存在的。（2）使用麦克纳母轮该方案的原理如图所示，该方案中有四个麦克纳母轮，可以通过控制麦克纳母轮来实现自由运动。 (a) 独立前进和转向行走系统(b) 麦克纳母轮全向运动系统全向行走系统这两种方案均能实现自由转向运动，麦克纳母轮的行走系统前进和转向靠一个电机来保证，这种控制方式难以实现，控制精度上也难以保证，麦克纳母轮在路面状况不好的行进也有很大的问题；第一种方案结构虽然复杂，电机较多，但是自由度越多，调节方向就越方便，便于搭载设备的运行，该方案控制简单，精度高，因此本文将采用第一种方案进行设计。2.2.2 云台升降系统云台设备拥有俯仰和偏航两个自由度，这两个自由度不考虑设计。传统的巡检机器人的云台的竖直方向是固定的，因此云台上的设备巡检范围有限，不能满足越来越多的变电站巡检。本次设计需要设计可以升降的云台。现有的一种方案是在一个两个自由度串联机械臂的末端搭载云台，如图所示：二自由度机械臂其优点是灵活，但缺点是要两个电机才能驱动，占用的空间大，驱动力矩颇大，其末端云台需要额外的结构来保持水平。现有以下三种方案：（1）模拟结构，升降部分分级，实现联动。（2）二自由度机械臂与平行四边形机构结合。（3）利用丝杠实现云台的升降利用丝杠来实现云台的升降，使得升降系统的占用空间大，所以方案三是行不通的，虽然平行四边形二自由度机械臂既保证了灵活性，还能保持垂直状态，但是缺点依旧明显；而伸缩臂式结构各级是联动的，只要一个动力源就能实现云台的升降。伸缩臂可以自由调整级数，以适应不同需求。伸缩臂还可以缩到第一级里面，节省空间，安装方便，故根据第一种方案进行具体设计。2.2.3 底盘、布局及外壳为了保证巡检机器人的紧凑性，提高稳定性与承载能力，采用桁架结构就是非常不错的选择。采用型材构建的骨架可以保证承载能力，外部采用较薄的材料保证良好的密封性能。巡检机器人的布局，结构尽量简洁，重心应该位于中间，要尽可能的降低重心来保证运动的稳定。巡检机器人的底盘尺寸及相对布局示意图如图所示：巡检机器人布局示意图在示意图中，500*800的矩形代表底盘边缘，四个圆代表四个轮，中间的小矩形代表云台升降。在底盘及各零部件的布局确定之后，根据情况确定外壳的形状以及考虑密封等。2.3本章小结本章对设计要求进行了分析整理，将设计进行模块化，描述了每一个模块需要实现的功能，针对每一个模块提出了不同的解决方案，分析与讨论方案，最终确定行走系统应该独立偏转、独立前进，升降系统采用丝杠与绳排传动组合。

第三章 行走系统设计3.1两自由度行走系统结构设计根据2.2.1的方案设计，机器人的行走采用独立前进和偏转，每一个轮需要由两个电机进行控制，一个控制行走，一个控制转向。巡检机器人在运动中可以通过四个轮子的协调动作来提高机器人的灵活性。这种结构缺点是体积非常大，不便于小空间巡检，虽然可以通过轮毂电机来解决，但是轮毂电机的控制技术还不够成熟，需要安装额外的编码器来控制。这里采用最新的伺服轮系统。传统方案是直流伺服电机搭配行星减速器，这种方案连接复杂，因此采用法兰盘输出直角减速器。综上所述，本文所设计的巡检机器人的行走轮系统采用图所示的结构方案，三维模型如图所示，其中，1为伺服轮，2为连接板，3为直角减速器，4为直流伺服电机，所有零部件的连接均采用内六角螺钉。行走系统二维图行走系统三维模型伺服轮系统是一个由集成机械、电气、编码器、驱动等多学科组成的创新产品，具有高性价比且可靠。伺服轮的优点在于其结构简洁、安装简单、传动精度高且维护方便。在本设计方案中，减速器与伺服轮的连接与固定采用了一个直角板，其形状如图所示，三维模型如图所示：伺服轮固定板二维图图3-7 伺服轮固定板三维图板上面与减速器法兰盘连接，板中间的沉孔和法兰盘凸台配合，便于定位，板下面与伺服轮上法兰连接，安装十分简单。巡检机器人主要行走路面为水泥或沥青路面，也会存在一些震动，该板的材料可选为弹簧钢，使得连接板具有一定弹性，起到减震效果。3.2强度校核与检验这里主要对伺服轮固定板进行校核，为了便于计算，其简化模型及受力情况如图所示：伺服轮固定板受力分析，，任意截面的弯矩为:当时最大值为任意截面的弯矩为：零件的弯矩图如图所示：伺服轮固定板弯矩图由弯矩图可以发现，该零件在直角处存在应力集中，其最大正应力：式中： 板宽，板厚，查资料得厚钢板的许用应力，故能够满足强度要求。对该零件进行分析，划分网格如图所示：伺服轮固定板网格划分得到的位移分布情况如图所示：伺服轮固定板位移分布通过分析最大位移为，变形很小，满足设计要求。3.3本章小结本章主要描述了四轮巡检机器人的行走系统，根据上一章的方案设计对行走进行了优化，分别设计了前行与转向，提出了采用伺服轮和法兰盘输出直角减速器行走，对两部分的连接件进行了设计，并校核该连接件的力学分析与强度等。

第四章云台升降系统设计4.1升降系统结构设计三级液压缸结构目前伸缩臂的主要解决方案是多级液压缸，如上图所示。液压缸需要专门的液压系统，包括油路、油泵、油箱等，体积庞大且沉重，液体介质容易泄露影响工作。多级液压缸是不适用于这种小型机械上的。针对多级液压缸无法使用的问题，采用绳排的安装方式来实现多级伸缩。绳排系统臂长结构简单，力臂种类多。利用绳排系统设计的伸缩机构原理图如图所示：原理图升降系统的具体结构如下图所示。升降系统结构二维图升降系统结构三维图升降机构的第一级底部横梁孔与巡检机器人的连接。丝杠轴的连接部分如下图。丝杠轴连接电机与丝杠轴之间只要传递扭矩，而传统的联轴器体积大，采用一种特殊的结构来实现连接，该联轴器如下图所示，该联轴器结构简单，体积小，安装方便。联轴器结构二维图联轴器结构三维图升降机构的第二级的结构相对复杂，第二级要安装丝杠螺母和滑轮，是最为核心的部分。滑轮安装部分的细节如图所示第二级中用于固定丝杠螺母的是一块板，如图所示，通过焊接与第二级相连，支撑滑轮的柱子及加强筋均焊接在该板上，如图所示。板中间的大孔以及周围的六个螺纹孔用于固定丝杠螺母，螺母外围的孔用于拉索穿过。升降系统滑轮安装丝杠螺母固定板第二级筋板第三级的结构简单，在底部有固定拉索的杆，通过螺纹与框架连接，顶部是顶板，通过螺栓与第三级相连，用来搭载云台。机构的优点是只需要一个驱动电机，就可以带动云台升降，稳定性非常好。4.3强度校核与检验滑轮轴尺寸较小但是载荷较大，因此滑轮轴的强度需要校核与检验。受力如图所示：图滑轮轴受力分析，，。。弯矩图如图所示：图滑轮轴弯矩图最大正应力在BC段，为：为轴的直径，许用疲劳应力，滑轮轴强度满足条件。对该滑轮轴进行分析，如图所示：滑轮轴网格划分得到的位移分布如图所示：滑轮轴位移分布通过分析得到滑轮轴的最大变形为，滑轮轴中部位置变形小，满足使用要求。4.4本章小结本章主要描述了三级伸缩式云台升降系统的设计，提出丝杠与绳排传动组合来实现多级伸缩。本章确定并细化了升降系统的原理，详细的描述了每一级的设计，再描述了该机构的动力传动部分。

第五章 框架、布局及外壳设计5.1底盘设计巡检机器人的底盘如图所示：底盘结构图框架用空心方管焊接而成，大大提高了载荷能力。连接板位于框架的四个角上使得机器人的支撑面积变大，提高了底盘的稳定性；下凸的框架有利于底盘重心的降低。升降系统是通过螺钉固定在尾部中间的梁上的，所以需要在尾部的两条梁预留通孔，并要在下侧焊接带螺纹孔的块，以便于安装并牢固固定升降系统。

5.2布局设计巡检机器人的整体布局如图所示：整体布局图

5.3外壳及密封设计大部分巡检机器人的工作环境处于恶劣的室外环境中，防水、防尘尤为重要，因此需要设计一个密封性好的外壳。顶罩外形如下图所示，顶罩尾部中间下凹是留给升降系统的，尾部两侧凸起是适应布局中两侧的电机的。在顶罩与底壳和车架之间以及顶罩与伸缩臂的外壳放入密封垫，用来提高防水防尘性能，如下图所示。巡检机器人的整体设计如下图所示。机壳顶罩密封处细节整体外形5.4本章小结主要设计了底盘和布局，简单阐述机体外壳的密封性。

结束语本篇论文设计了变电站巡检机器人的机械结构部分，主要包括行走系统、云台升降系统、框架外壳以及密封布局。文中对巡检机器人的机械结构进行了建立了三维模型，对关键的零件进行了强度分析，对巡检机器人各运动部分进行了运动学的设计与仿真。本文介绍了变电站巡检机器人的意义；然后对本巡检机器人的具体设计要求进行了分析，分块确定方案的设计；之后分别对巡检机器人的各个模块的进行细化，并建立相关零部件的三维模型，并对所需的动力及传动部分进行了分析与选型，校核关键零部件，最后对巡检机器人的运动部分进行了简单的运动学的设计及仿真以及巡检机器人的路径规划。在该巡检机器人的设计过程，完成了以下任务：（1）根据实际的设计要求设计建模。（2）计算动力及传动进行设计及选型。（3）分析规划主要运动模块。本巡检机器人的创新点如下：（1）独立驱动与自由转向，提高灵活性。（2）设计云台升降系统，扩大了巡检覆盖的范围。（3）模块设计，拆装便利。笔者认为还需从这两个方面来提高巡检机器人的工作效率：（1）自动充电机构。（2）散热设计。参考文献 [1] 谭富民.无人值班变电站巡检机器人的研究及应用[D].长沙理工大学,2018.[2] 王凯.变电站巡检机器人关键技术及系统的研究与实现[D].电子科技大学,2018.[3] 宋晓明.变电站智能巡检机器人关键技术研究[D].长沙理工大学,2018.[4] 张成巍,岳湘.智能巡检机器人研究现状与发展趋势[J].电工文摘,2019,(01):9-12.[5] J.Sawada,K.Kusumoto,T.Munakata,Y.Maikawa,andY.Ishikawa,Amobilerobotforinspectionofpowertransmissionlines[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,2018,6(1),309-315.[6] Robotsrepairandexaminelivelinesinsevercondition[J].ElectricalW0rld,2019(5)71-72.[7] H.Kobayashi,H.Nakamura,andT.Shimada,AnInspectionRobotforFeederCablesBasicStructureandControl[C].Iecon2019.992-995.[8] K.Toussaint,N.Pouliot,andS.Montamboult,Transmissionlinemaintenancerobotscapableofcrossingobstacles:stateoftheartreviewandchallengesahead[J].JournalofFieldRobotics,2018,26(5).477-499[9] T.Moyo,andF.DuPlessis,TheuseoftheTravellingSalesmanProblemtooptimisepowerlineinspections[C]Proceedings-20136thRoboticsandMechatronicsConference,RobMech2019:99-104.[10] 龚勤慧.变电站智能巡检机器人研究综述[J].泸州职业技术学院学报,2020,(02):56-61.[11] 胡桐.四轮独立驱动和转向移动机器人的设计与控制[D].合肥工业大学,2020.[12] 李沁泠.人形机器人设计及步行控制研究[D].东南大学,2019.[13] 余志生.汽车理论(第三版)[M],机械工业出版社,2019.6.[14] 杨政.四轮独立转向车辆系统控制及运动学仿真[D].国防科学技术大学,2020.[15] 尚君.四轮转向智能车辆的避障自适应控制研究[D].重庆交通大学,2020.[16] 杨旭东,黄玉柱,李继刚,等.变电站巡检机器人研究现状综述[J].山东电力技术,2018,42(1):30-34.[17] 刘睿,聂鸿宇,薛志航,等.变电站巡检机器人车体底盘:,CN103754080A[P].2018.[18] 刘毅,曾汀,廖孝勇,等.一种变电站巡检机器人:CN201897822U[P].2019[19] 罗俊豪,颜雨薇.变电站自动巡检机器人系统及其关键技术[J].电气应用,2018(13):80-84.[20] 曹涛,王明瑞,郭锐,等.变电站智能巡检机器人:CN200910016781[P].2018.[21] 许春山,兰新力.一种全转向机器人车轮系统:CN205168167U[P],2019-04-20.[22] 唐炜,刘勇,李忠国,顾金凤,刘操,于香志