絕緣子巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書學(xué) 院：機(jī)械與動力工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械電子工程學(xué) 生 姓 名：冉歷學(xué) 號：1102044251設(shè)計題目：絕緣子巡測機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計起 迄 日 期:2015年3 月9日 2015年6月10 日設(shè)計地點:瑞學(xué)樓410指 導(dǎo) 教 師:代小林 史源源負(fù) 責(zé) 人:趙俊生發(fā)任務(wù)書日期: 2015 年 3 月 9 日任務(wù)書填寫要求1畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在學(xué)院的負(fù)責(zé)人審查、負(fù)責(zé)人簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生；2任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便

2、涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；3任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫；4任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“學(xué)院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號（如0201140102,為10位數(shù)），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；5有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 740894數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書1畢業(yè)設(shè)計課題的任務(wù)和要求： 絕緣子是高壓架空導(dǎo)線與桿塔件的

3、支撐鏈接部件，絕緣子串中如出現(xiàn)劣化、污穢時容易出現(xiàn)閃絡(luò)，大電流流過劣化絕緣子時導(dǎo)致絕緣子掉串，嚴(yán)重影響輸電線路的安全。目前絕緣子檢測主要采用人工檢測方式、該方式勞動強(qiáng)度大、效率低，與電力生產(chǎn)的安全性要求仍有比較大的距離。絕緣子巡檢機(jī)器人能自動實現(xiàn)在絕緣子串上的行走與檢測，是當(dāng)前的電力系統(tǒng)機(jī)器人技術(shù)的研究熱點。本課題擬對500kv高壓電網(wǎng)絕緣子機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與分析。2畢業(yè)設(shè)計課題的具體工作內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：1）要求機(jī)器人重量總小于20kg，爬行速度不小于3m/min；2）要求機(jī)器人能適應(yīng)500kv高壓電網(wǎng)的單串、雙串、懸垂串、耐張串；3）完成導(dǎo)向裝置、行走裝置

4、、各電機(jī)及傳動裝置、以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與校核，并通過三維實體建模軟件solidworks建立機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型；4）查閱相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)15篇以上，其中至少有2篇外文相關(guān)文獻(xiàn)，并將其中1篇不少于2000詞的外文資料翻譯成漢語；5）撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書1篇。畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書3對畢業(yè)設(shè)計課題成果的要求包括畢業(yè)設(shè)計、圖紙、實物樣品等)：畢業(yè)設(shè)計說明書一份，所撰寫的說明書要求包含設(shè)計期間所完成的分析、設(shè)計、調(diào)試工作的全部內(nèi)容，說明書格式符合學(xué)校的相關(guān)規(guī)定，字?jǐn)?shù)不少于15000字，用計算機(jī)排版、打印。 4畢業(yè)設(shè)計課題工作進(jìn)度計劃：起 迄 日 期工 作 內(nèi) 容2015年3月9 日3月28日 3月29日4月

5、 4日4月 5日4月18日4月19日5月 9日5月10日5月30日5月 31 日6月10日調(diào)研、文獻(xiàn)檢索、制定技術(shù)方案 (第13周)撰告寫開題報 (第4周)完成導(dǎo)向裝置、行走裝置和驅(qū)動方式的選擇和傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 (第56周)完成校核計算 (第79周)完成實體建模 (第1012周)撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書 準(zhǔn)備和進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計答辯 (第1314周)學(xué)生所在學(xué)院審查意見：負(fù)責(zé)人： 年 月 日12 / 17文檔可自由編輯打印 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué) 生 姓 名：冉歷學(xué) 號：1102044251學(xué) 院：機(jī)械與動力工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械電子工程設(shè)計題目：絕緣子巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)教師:代小林 史源源2

6、015年 4 月 1 日開題報告填寫要求1開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師審查后生效；2開題報告內(nèi)容必須用按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；3文中應(yīng)用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號，文后“參考文獻(xiàn)”的書寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 771487文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則的要求書寫，不能有隨意性；4學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號（如0201140102,為10位數(shù)），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；5. 有關(guān)年月日等日期的填寫

7、，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 740894數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指導(dǎo)教師意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1選題依據(jù)：1.1選題背景架空輸電線路上的絕緣子（如圖1所示）作為導(dǎo)線與桿塔間的支撐連接部件，在保證電力系統(tǒng)正常生產(chǎn)，安全運行，可靠性供電方面占有極其重要的地位，絕緣子的可靠性和質(zhì)量直接影響輸電線路的運行安全。絕緣子的劣化不僅引起其機(jī)械性能的下降，也造成其電氣性能的喪失。絕緣子串中如有一定數(shù)量的劣化絕緣子存在，當(dāng)有污穢、雷擊或其他原因引起

8、閃絡(luò)時，大電流將流過劣化絕緣子的頂部，導(dǎo)致絕緣子掉串1。圖1 架空輸電線路和絕緣子1.2課題研究的目的、內(nèi)容及意義1.2.1 課題研究的目的為了保證輸電線路用的絕緣子運行安全，因此需要定期地進(jìn)行劣化絕緣子檢測2，從而確定絕緣子是否需要更換。1.2.2 課題研究的內(nèi)容 設(shè)計簡單便捷的機(jī)械裝置彌補(bǔ)現(xiàn)有絕緣子巡檢機(jī)器人的不足，實現(xiàn)對零值或低值絕緣子的巡檢工能。1.2.3課題研究的意義(1) 能有效檢測需要更換的零值或低值絕緣子目前絕緣子檢測主要采用人工檢測的方式，人工檢測的方式和技術(shù)與電力生產(chǎn)的安全性要求相比仍然有相當(dāng)?shù)木嚯x3。絕緣子串檢機(jī)器人的應(yīng)用范圍主要是停電或帶電的架空輸電線路的絕緣子，尤其是

9、超高壓、特高壓的輸電線路上，可有效替代人工絕緣子的的檢測工作。應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行巡檢作業(yè)，可以減少因人員疏忽、漏檢等帶來的經(jīng)濟(jì)損失，提高電網(wǎng)的運行質(zhì)量。(2) 可以改善檢測條件、避免安全事故的發(fā)生 國內(nèi)目前的檢測方法4主要有火花叉法、小球放電法，紅外熱像儀法、絕緣電阻法等。這些方法的原理不同，操作方法也不同， 經(jīng)過對比分析可知，由于大多數(shù)零值掉串事故發(fā)生在大霧天氣，濕度較大，因此，檢測絕緣子時，各種方法都存在較大缺陷。由于架空輸電線路一般設(shè)計在高空，加上高壓輸電對于高空檢測工作人員的危險性，因此設(shè)計一臺可以代替人工巡檢的機(jī)器可以顯著減少人工作業(yè)的安全隱患。(3) 可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 原

10、始的檢測方式不但耗費巨大的人力和財力， 而且檢測的質(zhì)量和效率也不盡人意。因此絕緣子巡檢機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)效益就得到了充分的體現(xiàn)，一旦投入批量生產(chǎn)，將為全人類帶來一筆巨大的財富5。 1.3 絕緣子巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景1.3.1 絕緣子巡檢機(jī)器人的概述絕緣子巡檢機(jī)器人是為實現(xiàn)輸電線路自動巡檢功能而設(shè)計的機(jī)電一體化設(shè)備，其目的是為了提高巡檢質(zhì)量和效率，減少巡檢死角，改善工人勞動強(qiáng)度。對保證輸電系統(tǒng)的安全可靠運行具有重要意義?；陔p臂聯(lián)動攀爬技術(shù)6的巡線機(jī)器人在線上運行時需要在復(fù)雜背景和環(huán)境下識別架空輸電線路相線和地線上安裝的絕緣子、懸垂線夾、耐張線夾等線路附件。同時要具有自鎖功能，以防在高空作業(yè)

11、的時候遇上掉電或者機(jī)器故障等因素失去平衡，導(dǎo)致機(jī)器人從高空下墜，從而造成安全事故。架空輸電線路絕緣子串檢測機(jī)器人的研制填補(bǔ)了國內(nèi)空白，架空輸電線路絕緣子檢測機(jī)器人為實現(xiàn)架空輸電線路全面的信息化、數(shù)字化、自動化、互動化的控制，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段和設(shè)備的支撐。目前絕緣子檢測機(jī)器人主要分為三部分，即驅(qū)動部分、橋接組件、支撐組建，如圖2所示。驅(qū)動部分能夠?qū)崿F(xiàn)在絕緣子上的攀爬和自主定位，能夠客服重力、摩擦力等外力的影響，實現(xiàn)在絕緣子設(shè)備上的自主移動、精確定位及位置鎖定；橋接組件承載電源、檢測組件、驅(qū)動控制電路、視屏傳輸電路等，通過絕緣子檢測儀在線路帶電或停電的情況下，定量測出每片絕緣子的絕緣電阻及分

12、布電壓。但這種機(jī)器人目前只能實現(xiàn)對于耐張串（如圖3所示）的檢測，無法實現(xiàn)實現(xiàn)在垂直絕緣子串（如圖4所示）上的爬行與檢測。如由寧夏電力公司超高壓分公司設(shè)計的紅外檢測方法紅外測溫儀7在750KV絕緣子串的檢測通過檢測絕緣子的溫度判定零值或低值的絕緣子同400KV8下采用火花叉法檢測相比，提高了高壓檢測的準(zhǔn)確性，但是不足之處依然是需要相當(dāng)大的人工勞動。 圖2 絕緣子串檢測機(jī)器人產(chǎn)品圖 圖4 絕緣子紅外測溫儀 圖3 耐張串 圖5 垂直絕緣子串 截止目前，已經(jīng)有很多科研單位研制了基于線路絕緣狀態(tài)的某個特征量的在線監(jiān)測系統(tǒng)，投入運行以來都取得了很大的成功，如為西安某公司研制的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的絕緣子污穢在

13、線遙測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用通用分組無線業(yè)務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了絕緣子狀態(tài)信息的遙測。然而這些先進(jìn)的系統(tǒng)必須與簡單精妙的機(jī)械裝置相配合才能體現(xiàn)機(jī)器為人類所帶來的價值。由深圳市北粵科技開發(fā)有限公司開發(fā)的盤式絕緣子檢測機(jī)器人設(shè)計結(jié)構(gòu)較為新穎，其爬行結(jié)構(gòu)包含升降裝置以及升降裝置的第一夾緊裝置和第二夾緊裝置；一個夾緊裝置夾住絕緣子的芯棒并運動時，另一夾緊裝置則松開并在升降裝置的驅(qū)動下反向運動。夾緊爪的外形與絕緣子芯棒的形狀相匹配，夾持座形狀與絕緣子衫裙外沿形狀相適配。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，但目前只有技術(shù)專利，并無樣機(jī)制造。圖6 絕緣子污穢在線監(jiān)測系統(tǒng) 綜上所述，要研發(fā)既能夠?qū)Υ怪苯^緣子串進(jìn)行檢測，又能采用簡單便捷

14、的方式控制機(jī)器人的運動，改進(jìn)現(xiàn)有的絕緣子檢測機(jī)器人的不足，就必須充分考慮機(jī)器人的各個部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計9，通過力學(xué)計算校核各個零件的剛度10，進(jìn)一步查閱相關(guān)資料選擇合適電機(jī)11，實現(xiàn)降低現(xiàn)有的機(jī)器人的基礎(chǔ)上重量的同時，又能夠提高檢測效率。1.3.2 絕緣子巡檢機(jī)器人的發(fā)展前景在智能化與信息化高速發(fā)展的現(xiàn)在，適用于各行各業(yè)的機(jī)器人應(yīng)運而生，目前，人工智能技術(shù)在美國、歐洲和日本依然飛速發(fā)展。在AI技術(shù)十分活躍的IBM公司已經(jīng)在人工智能方面取得了不朽的功績，并且為公司和全人類帶了巨大的財富，例如其公司制造的ASCIWhit電腦12，號稱具有人腦千分之一的智力能力。而正在開發(fā)的更為強(qiáng)大的新型超級電腦-“藍(lán)

15、色牛仔”（BlueJean）12則號稱可以與人的智力不相伯仲。在這種充滿挑戰(zhàn)與威脅的國際背景下，發(fā)展我國自己的適用性機(jī)器人是趕上甚至超越外國的必經(jīng)之路。所以在檢測失效絕緣子智能領(lǐng)域這塊基本上還未曾涉足的情況下，國內(nèi)關(guān)于絕緣子檢測的研究還處于起步階段，這不僅是一種挑戰(zhàn)，更是一個機(jī)會。絕緣子串檢測機(jī)器人是集合多傳感器融合技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、視覺識別技術(shù)、海量信息無線傳輸技術(shù)于一體的的復(fù)雜系統(tǒng)，可以有效檢測高壓輸電線路中的零值或低值的絕緣子。這就要求了該機(jī)器人必須與高速發(fā)展的人工智能接軌13-15。由于適用于全球各個國家，因此設(shè)計一款性價比優(yōu)于外國的該功能的機(jī)器人將為我國乃至全球帶來一

16、筆巨大的財富。參考文獻(xiàn)1 李中生，曹濤，王軍等.盤式瓷絕緣子智能檢測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計與研究J.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(15):4400-44012 林鳳羽.送電線路絕緣子性能綜述J.山東電力技術(shù)，1997(2):1-33 曹濤，孫大慶，趙德利等.盤式絕緣子檢測機(jī)器人在架空輸電線路的應(yīng)用研究J.電瓷避雷器，2013.4,2:11-124 盧明，姚德貴，張國民等.劣化絕緣子檢測方法的對比分析J.電瓷避雷器， 2006(5):10-115 朱虎，李衛(wèi)國，林冶.絕緣子檢測方法的現(xiàn)狀與發(fā)展J.電瓷避雷器，2006(6):166 Joon-Young Park,Jae-Kyung Lee,Byun

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18、g,1996(47):33-379 喬峰麗，鄭江.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)M.機(jī)械工業(yè)出版社，2011.110 關(guān)雪峰，郝鐵生，張建軍.簡明材料力學(xué)M北京:電子工業(yè)出版社，2011.611 趙俊生，樊文欣，張保成等.電機(jī)與電氣控制及PLCM.北京:電子工業(yè)出版社， 2009.1012 謝存禧，張鐵. 機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社，200513 蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)器人技術(shù)，2001,414 蔡自興.機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)M北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.5 15 肖南峰等.工業(yè)機(jī)器人M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:15 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告設(shè)計方案：1 課題設(shè)計具體的內(nèi)容1） 對絕緣子巡檢機(jī)器人作業(yè)環(huán)境進(jìn)行考察，了解其選題背景，設(shè)計目的及意義，以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并形成符合要求的設(shè)計方案；2） 進(jìn)行機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及機(jī)器人空間布局的設(shè)計，確定其自由度、坐標(biāo)形式、額定負(fù)載質(zhì)量、最大活動半徑、各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍等，并分析機(jī)器人的動作流程；3） 校核機(jī)器人各零件的強(qiáng)度，查閱電機(jī)相關(guān)資料選擇合適的電機(jī)。 4） 利用SolidWorks軟件繪制機(jī)器人各零部件以及運動學(xué)仿真，得出機(jī)器人在實際工作中運動軌跡圖；2 需要考慮的主要問題及解決方法1) 如何進(jìn)行機(jī)器人總體