巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)說明書[帶圖紙].doc

目錄第一章緒論.11.1研究背景及意義.11.2架空線路巡線機(jī)器人與機(jī)器人仿真文獻(xiàn)綜述.21.2.1架空線路巡線機(jī)器人研究概況.21.2.2機(jī)器人仿真簡介.61.3本文主要內(nèi)容.7第二章巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與三維建模.82.1線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).82.11方案要求.82.12總體結(jié)構(gòu).102.13柔性臂.102.14驅(qū)動(dòng)裝置.132.15剎車制動(dòng)裝置.142.16手掌開合裝置.142.2器人的建模.15第三章巡線機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.183.1引言.183.2數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論.183.2.1剛體位姿的表示與齊次變換26.183.2.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的D-H表示法.203.3巡線機(jī)器人四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.223.3.1機(jī)械手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.223.3.2機(jī)械手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.243.3.3機(jī)械手關(guān)節(jié)速度和雅可比矩陣.273.4本章小結(jié).29第四章總結(jié)與展望.304.1本文總結(jié).304.2后續(xù)工作與展望.30致謝.31參考文獻(xiàn).32第一章緒論1.1研究背景及意義電力系統(tǒng)最重要的任務(wù)是提供高質(zhì)量和高可靠性的電力。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。由于輸電線路分布點(diǎn)多、面廣，絕大部分遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，且電力線及桿塔附件長期暴露在野外，會(huì)受到持續(xù)的機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時(shí)修復(fù)更換，原來微小的破損和缺陷就可能擴(kuò)大，最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故，造成大面積停電，從而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。所以，必須對(duì)輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查，隨時(shí)掌握和了解輸電線路的運(yùn)行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護(hù)區(qū)的變化情況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，確保供電安全。目前，對(duì)輸電線路的巡檢主要采用兩種方法，即地面人工目測法和直升飛機(jī)航測法。前者的巡檢精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在巡檢盲區(qū)。部分地區(qū)大雪封山時(shí)，車輛和行人無法進(jìn)入(如圖1.1所示)；在深山還有野獸出沒，這給巡視人員帶來了很大的安全隱患；后者則存在飛行安全隱患且巡線費(fèi)用昂貴(如圖1.2所示)。如果用直升機(jī)巡視替代地面巡視，則每100公里1年巡視費(fèi)用同塔雙回線需217.92萬元（單回線136萬元）。如果用直升機(jī)在整個(gè)東北電網(wǎng)覆蓋地區(qū)巡視則需超過5000萬元。費(fèi)用過于昂貴，直接限制了直升機(jī)巡視的廣泛推廣。由于巡線機(jī)器人可以克服上述缺陷，因此，巡線機(jī)器人已成為特種機(jī)器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。巡線機(jī)器人不僅可以減輕工人巡線的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低高壓輸電的運(yùn)行維護(hù)成本，還可以提高巡檢作業(yè)的質(zhì)量和科學(xué)管理技術(shù)水平，對(duì)于增強(qiáng)電力生產(chǎn)自動(dòng)化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都具有重要意義。巡線機(jī)器人懸掛于架空避雷線上，并以此為行駛作業(yè)路徑，通過自動(dòng)控制方式完成輸電線路巡檢作業(yè)，及對(duì)線路的機(jī)械電氣故障，包括絕緣子劣化和污穢、導(dǎo)線的機(jī)械破損、連接金具機(jī)械松脫等故障進(jìn)行檢測。其特殊的作業(yè)環(huán)境要求機(jī)器人能夠沿輸電導(dǎo)線全程運(yùn)行，包括沿輸電導(dǎo)線的直線段和耐張線段實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)爬行，跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防振錘、耐張線夾等結(jié)構(gòu)型障礙物。因此，機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)相當(dāng)重要的部分，需經(jīng)過多次反復(fù)才能完成；在進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，需要建立一定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(導(dǎo)線物理模型、障礙物等)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)其是否能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，這就導(dǎo)致其設(shè)計(jì)的周期長、設(shè)計(jì)效率低以及改型工作量大等缺點(diǎn)。此外，樣機(jī)的單機(jī)制造增加了成本。在競爭的市場條件下，基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高、成本的降低及市場推廣應(yīng)用。然而，利用仿真技術(shù)可以方便地建立機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型。在設(shè)計(jì)之初，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力分析、載荷及應(yīng)力分析等，可大大提高機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。而且，仿真軟件的應(yīng)用可以使設(shè)計(jì)更為優(yōu)化，即在計(jì)算機(jī)上修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真試驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案1。同時(shí)，通過計(jì)算機(jī)仿真可以代替己有的物理樣機(jī)進(jìn)行各種狀態(tài)的仿真分析，降低物理樣機(jī)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。利用仿真數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修改，綜合仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)性能做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)及提出建議。本文將仿真技術(shù)引入到巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，為研究巡線機(jī)器人作業(yè)性能及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，從虛擬樣機(jī)的角度，提供了一定的參考依據(jù)。本文所建立的巡線機(jī)器人全參數(shù)化模型，可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行修正，從而為機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、路徑規(guī)劃等做出鋪墊。1.2架空線路巡線機(jī)器人與機(jī)器人仿真文獻(xiàn)綜述1.2.1架空線路巡線機(jī)器人研究概況國外巡線機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，日本、加拿大、美國等發(fā)達(dá)國家先后開展了巡線機(jī)器人的研究工作。1988年，東京電力公司的Swada等人研制了光纖復(fù)合架空地線(OPGW)巡線移動(dòng)機(jī)器人2，如圖1.3所示。該機(jī)器人利用一對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和一對(duì)夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上防振錘、螺旋減震器等障礙物。遇到桿塔時(shí)，機(jī)器人采用仿人攀援機(jī)理，先展開攜帶的弧形手臂，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。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制有粗略和精確定位兩種模式，粗略控制是把線塔和地線的資料數(shù)據(jù)(線塔的高度、位置、電線長度、線路上附件數(shù)量等)預(yù)先編制好程序輸入機(jī)器人，據(jù)此控制機(jī)器人的行走和越障；精確定位控制則根據(jù)傳感器反饋信息進(jìn)行控制。機(jī)器人攜帶的損傷探測單元采用渦流分析方法探測光纖復(fù)合架空地線的損傷情況，并把探測數(shù)據(jù)記錄到磁帶上。但因其質(zhì)量過大，達(dá)到100kg，而不能推廣應(yīng)用。加拿大魁北克水電研究院的SergeMontambault等人在2000年開始了HQLineROVer遙控小車(見圖1.4)的研制工作4,3，遙控小車起初用于線路巡檢、維護(hù)等多用途移動(dòng)平臺(tái)。第三代原型機(jī)構(gòu)緊湊，僅重25kg，驅(qū)動(dòng)力大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能爬52度的斜坡，通信距離可達(dá)1000m，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)場測試，但是HQLineROVer沒有越障能力，只能在兩線塔間的電力線上工作。美國TRC公司1999年研制了一臺(tái)懸臂巡線機(jī)器人原型，如圖1.5所示。它能沿架空導(dǎo)線長距離爬行，執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點(diǎn)、壓接頭等視覺檢查任務(wù)，對(duì)探測到的線路故障數(shù)據(jù)預(yù)處理后，傳送給地面人員。當(dāng)機(jī)器人遇到桿塔時(shí)，利用手臂采用仿人攀援的方法從側(cè)面越過桿塔。其缺點(diǎn)是無法攀爬30度以上的斜坡而不能廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)6中，介紹了工作于66kV光纖架空地線，能夠跨越防振錘和線夾的機(jī)器人。文獻(xiàn)7給出了一種新型移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由雙臂、四套執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手爪構(gòu)成，該機(jī)器人能夠沿架空地線行走，并且能夠跨越桿塔。文獻(xiàn)8給出了一種能夠沿架空地線行走并且跨越防振錘、桿塔、線夾等障礙物的移動(dòng)機(jī)器人。但上述機(jī)器人都具有18個(gè)以上的自由度，導(dǎo)致功耗過高而不能應(yīng)用到實(shí)際工作中9。圖1.6是中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人，并于2006年4月12日與錦州超高壓局合作開展了現(xiàn)場帶電巡檢試驗(yàn)，在其所管轄的500kV超高壓輸電線(東遼二線)上成功地完成了沿線行走，但沒有越障能力。綜合國內(nèi)外對(duì)于巡線機(jī)器人的研究情況，當(dāng)代巡線機(jī)器人的研究主要集中于以下幾個(gè)方面11,10：(1)機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展12。(2)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動(dòng)機(jī)器人本身是一個(gè)非完整約束系統(tǒng)，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)的零漂移的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時(shí)不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時(shí)變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)車速和轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容。(3)路徑規(guī)劃技術(shù)該技術(shù)主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術(shù)和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)。由于自主式移動(dòng)機(jī)器人在地面上行駛，必須避開它無法通