自動(dòng)檢線機(jī)構(gòu)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告題目：自動(dòng)檢線機(jī)構(gòu)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系別機(jī)電信息系專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)姓名學(xué)號(hào)導(dǎo)師2012年12月24日1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況）1.1課題的背景在電力輸送過(guò)程當(dāng)中，往往會(huì)出現(xiàn)由于局部電阻過(guò)大而導(dǎo)致線路局部過(guò)熱等會(huì)對(duì)輸電線路造成致命危害的故障，因此需要對(duì)超高壓線路進(jìn)行人工沿線逐塔巡視，危險(xiǎn)性極大。針對(duì)這一情況，本課題旨在設(shè)計(jì)一種檢線機(jī)器人，以改善工程測(cè)量人員特別是高壓輸電線路監(jiān)測(cè)人員的工作條件、提高工作效率。1.1.2研究的意義高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的動(dòng)脈，其安全運(yùn)行越來(lái)越受到各級(jí)部門(mén)的重視。輸電線路不僅要承受固有機(jī)械載荷和電力負(fù)荷的內(nèi)部壓力，而且還要經(jīng)受自然環(huán)境的各種外部侵害，如：腐蝕、污穢、雷擊、強(qiáng)風(fēng)、洪水、滑坡、沉陷、地震和鳥(niǎo)害等，以及人為的破壞。隨著時(shí)間的日積月累，勢(shì)必造成線路上出現(xiàn)各種故障，如：接觸電阻增大、導(dǎo)線斷股、避雷線斷裂、桿塔傾斜、絕緣子閃爍、金具脫落，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除，將對(duì)電力系統(tǒng)構(gòu)成災(zāi)難性的危害。為保證輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)輸電線路進(jìn)行仔細(xì)的巡查以防止意外情況發(fā)生。在我國(guó)，超高壓輸電線路的巡檢、維護(hù)基本上采用人工沿線逐塔巡視的作業(yè)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)用多且危險(xiǎn)性較高。電力部門(mén)迫切需要取代人力進(jìn)行線路維護(hù)的巡檢設(shè)備。研制巡檢機(jī)器人應(yīng)用于超高壓輸電線路的巡檢作業(yè)，不僅可以減輕巡檢作業(yè)強(qiáng)度，降低費(fèi)用，而且可以提高巡檢作業(yè)質(zhì)量和管理技術(shù)水平。迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)于超高壓輸電線巡檢機(jī)器人的研究還處于研制階段，尚無(wú)成熟的產(chǎn)品應(yīng)用于輸電線路巡檢作業(yè)。本項(xiàng)目擬完成一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的110kV超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人實(shí)用樣機(jī)，本項(xiàng)目的研究對(duì)于提高電力部門(mén)自動(dòng)化作業(yè)程度，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重要的意義。該樣機(jī)可以應(yīng)用于110kV超高壓輸電線路巡檢作業(yè)，其主要功能包括：巡檢機(jī)器人能夠在線路上一擋內(nèi)沿架空地線自主行走，其上攜帶的攝像機(jī)和紅外熱像儀作為檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)輸電設(shè)備(輸電線、防震錘、絕緣子及桿塔)的損傷情況，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)及圖像信息經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面基站，地面基站可以接收、存儲(chǔ)及顯示巡檢機(jī)器人發(fā)回來(lái)的數(shù)據(jù)和圖像資料，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)具有遠(yuǎn)程控制和檢測(cè)能力。超高壓線路維護(hù)的費(fèi)用昂貴，以1lOkV的超高壓線路為例，輸電線路全長(zhǎng)已超過(guò)27000公里，在現(xiàn)行的維護(hù)管理模式下，超高壓線路的運(yùn)行費(fèi)用由人員工資及工資附加費(fèi)、日常維護(hù)費(fèi)、大修費(fèi)和技改費(fèi)組成。根據(jù)國(guó)家電力公司1999年對(duì)國(guó)內(nèi)超高壓運(yùn)行單位的調(diào)查報(bào)告，線路巡視成本為每公里每年為n13780-4680元，若以4200元計(jì)算，則常規(guī)巡檢年巡檢總費(fèi)用約為11340萬(wàn)元。在2010年前后，隨著三峽電力外送、西電東送、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)工程的實(shí)施，我國(guó)中部、北部、南部三個(gè)跨大區(qū)電網(wǎng)和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)已基本形成。2010年以后，按照國(guó)家“西電東送”電力可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略部署，適時(shí)開(kāi)發(fā)金沙江流域的水電站，并建設(shè)直流輸電系統(tǒng)送至華東、華中電網(wǎng)和南方電網(wǎng)。隨著電力體制改革和電力運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)化程度的提高，研制技術(shù)先進(jìn)，性能優(yōu)越的輸電線路巡檢裝備已成為急需解決的問(wèn)題，因而超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人具有強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。1.3國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀高壓輸電線路檢測(cè)主要包括人工巡檢、高空巡檢和機(jī)器人巡檢三種。在我國(guó)目前大部分的巡檢任務(wù)都是通過(guò)人工巡檢來(lái)完成的。人工巡檢主要是依靠人工沿輸電線路步行或借助其他交通工具巡檢，其缺點(diǎn)包括：a)人工沿線巡檢受地形條件限制。b)巡檢的數(shù)據(jù)由于是人工注釋，因此數(shù)據(jù)不是很充分。c)執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)，每次巡檢還需要攀越各類塔架。d)在今天的技術(shù)條件下，一些技術(shù)被用來(lái)作為檢測(cè)方法，最大的進(jìn)步就是利用熱敏照相機(jī)來(lái)檢測(cè)過(guò)熱點(diǎn)。在人工巡檢情況下，偶爾的光線會(huì)誤導(dǎo)巡檢者，另外，塔的高度限制了能夠檢測(cè)到更詳細(xì)的過(guò)熱點(diǎn)。高空巡檢是采用借助直升機(jī)或無(wú)人航天飛機(jī)在高空來(lái)完成巡檢任務(wù)，這種巡檢方式可以降低由于地形所帶來(lái)的影響。但缺點(diǎn)也很明顯，主要包括：a)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)仍然比較困難。b)所有的檢測(cè)工作都是在飛行階段完成的，因此增加了飛行的時(shí)間從而增加了檢測(cè)的成本。此外，對(duì)于無(wú)人航天飛機(jī)巡檢造價(jià)更高，要求的技術(shù)問(wèn)題更為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域暫時(shí)還沒(méi)有研究。由于這種巡檢方式成本過(guò)高，技術(shù)復(fù)雜，因此不具有可推廣性。高壓巡檢機(jī)器人的顯著特點(diǎn)是可以自動(dòng)跨越桿塔實(shí)現(xiàn)桿塔間的連續(xù)巡檢，完成跨越線路障礙物，這種機(jī)器人可以節(jié)省大量的物力和人力，而且安全系數(shù)更高。巡檢機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，日本、加拿大、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家先后開(kāi)展了巡檢機(jī)器人的研究工作。1.3.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)關(guān)于巡檢機(jī)器人的研究主要集中在高校和研究所內(nèi)。這其中包括有武漢大學(xué)、山東大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所和沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等。山東大學(xué)申請(qǐng)的專利200510042569517J(申請(qǐng)日：20050318)為沿110kV輸電線路自主行走的機(jī)器人及其工作方法，由機(jī)器人本體、控制裝置、傳感器、檢測(cè)裝置和無(wú)線圖像傳輸設(shè)備組成；控制裝置和無(wú)線圖像傳輸設(shè)備安裝在機(jī)器人本體中間的控制箱內(nèi)，位置傳感器安裝在機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的末端，測(cè)距傳感器和檢測(cè)障礙用的視覺(jué)傳感器CCD安裝在每只手的前方，檢測(cè)裝置包括高速球攝像機(jī)和熱成像儀通過(guò)云臺(tái)與機(jī)器人本體相連。能夠在110kV輸電線路上平穩(wěn)行走，自主地跨越輸電線上的各種障礙，代替人進(jìn)行輸電線路的巡檢工作，減輕輸電線路巡檢的工作量，提高工作效率和檢測(cè)的精度，達(dá)到確保輸電線路安全運(yùn)行的突出特點(diǎn)。這種機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：由于采用了三臂的結(jié)構(gòu)，這樣無(wú)形地增加了機(jī)器人的重量；此外，該機(jī)器人所實(shí)現(xiàn)的跨越障礙物的跨距有限，因此不能爬越耐張塔這種桿塔。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所申請(qǐng)的發(fā)明專利200410020490818J(申請(qǐng)日：20040430)涉及一種超高壓輸電線巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)。它由移動(dòng)車體、后手臂、前手臂組成，其中：移動(dòng)車體由本體和行走輪組成，行走輪通過(guò)水平轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副安裝在本體上，并與線路相抓持，本體通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副分別與前、后手臂相連，手臂末端為手爪；所述前手臂、后手臂結(jié)構(gòu)相同，其中每一手臂由上臂、下臂兩部分組成，上臂為連桿及滾珠絲杠與滑塊組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)水平轉(zhuǎn)動(dòng)副與下臂相連接，下臂為大行程伸縮機(jī)構(gòu)。該發(fā)明工作空間大、重量輕、能耗低且越障能力強(qiáng)。這種機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)也是由于采用了三臂結(jié)構(gòu)，所實(shí)現(xiàn)的跨越障礙物的跨距有限，因此不能爬越耐張塔這種桿塔。1.3.2國(guó)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)巡檢移動(dòng)機(jī)器人利用一對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和一對(duì)夾持輪沿地線(OPOW)爬行，能跨越地線上防震錘、螺旋減震器等障礙物。遇到線塔時(shí)，機(jī)器人采用仿人攀援機(jī)理，先展開(kāi)攜帶的弧形手臂，手臂兩端勾住線塔兩側(cè)的地線，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)軌，然后本體順著導(dǎo)軌滑到線塔的另一側(cè)；待機(jī)器人夾持輪抱緊線塔另一側(cè)的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制是把線塔和地線的資料數(shù)據(jù)(線塔的高度、位置，地線長(zhǎng)度，線路上附件數(shù)量等)預(yù)先編制好程序輸入機(jī)器人，因此不具有很好的自主性；此外該機(jī)器人是將探測(cè)數(shù)據(jù)記錄到磁帶上，等巡檢完一個(gè)階段再取下進(jìn)行分析數(shù)據(jù)，也不具有控制的實(shí)時(shí)性。1990年日本法政大學(xué)的HideNa等人開(kāi)發(fā)了電氣列車饋電電纜巡檢機(jī)器人，機(jī)器人采用多關(guān)節(jié)小車結(jié)構(gòu)和“頭部決策，尾部跟隨”的仿生控制體系，以10om/s的速度沿電纜平穩(wěn)爬行，并能跨越分支線，絕緣子等障礙物。機(jī)器人由六對(duì)左右對(duì)稱、相互聯(lián)結(jié)的小車組成，每個(gè)單體小車有兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)用于行走驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)用于控制聯(lián)結(jié)前后小車的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角；左右小車采用具有自保安功能的磁鎖系統(tǒng)聯(lián)結(jié)。磁鎖系統(tǒng)永久磁鐵將左右小車?yán)卫捂i緊，使兩車橡膠驅(qū)動(dòng)輪抱住饋電電纜，由行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿電纜平穩(wěn)爬行。當(dāng)機(jī)器人遇到分支線，絕緣子等障礙物時(shí)，每對(duì)小車上磁鎖系統(tǒng)中的電磁鐵通電，順次將磁鎖打開(kāi)，機(jī)器人再改變兩側(cè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角，使左右小車分開(kāi)。小車依次通過(guò)障礙物后，控制兩側(cè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使左右小車合攏，電磁鐵斷電，磁鎖再次鎖緊，機(jī)器人恢復(fù)正常行走狀態(tài)。東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復(fù)合架空地線一的直線型桿塔間的巡檢是比較方便的，但不具有在多種類型桿塔間爬行的功能。加拿大魁北克水電研究院的SergeMontambault等人2000年開(kāi)始了HQLineROVer遙控小車16J的研制工作。遙控小車起初用于清除電力傳輸線地線上的積冰，逐漸發(fā)展為用于線路巡檢、維護(hù)等多用途移動(dòng)平臺(tái)。第三代原型機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊(23X17X12cm)，僅重25kg，驅(qū)動(dòng)力大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能爬52。的斜坡，通信距離可達(dá)1km。小車采用靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，安裝不同的工作頭即可完成架空線視覺(jué)和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評(píng)估、導(dǎo)線和地線更換、導(dǎo)線清污和除冰等帶電作業(yè)，已在工作電流為800A的315kV電力線上進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。但是，HQLineROVer無(wú)越障能力，只能在兩線塔間的電力線上工作。目前，研究組正在開(kāi)發(fā)具有越障功能的自治移動(dòng)小車。2本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1主要內(nèi)容和要求針對(duì)目前的高壓輸電線路容易出現(xiàn)的問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人要求能以一定的速度沿地線爬行，并能跨越防振錘、耐張線夾、懸垂線夾等常規(guī)障礙物，還必須能翻越各種類型的桿塔，利用機(jī)器人攜帶的傳感儀器對(duì)輸電線路實(shí)施接近檢測(cè)。其主要收集的信息包括：2.1.1輸電線路組件(包括線跨距和桿塔)的狀態(tài)信息：包括絕緣子、防振錘等。通過(guò)分析來(lái)判斷其是否處于異常狀態(tài)或已經(jīng)損壞。2.1.2沿高壓線路通道信息(平行、交差、環(huán)境)：沿線植物、建筑物、地上