巡線機器人的設(shè)計說明書[帶圖紙].doc

目錄第一章緒論.11.1研究背景及意義.11.2架空線路巡線機器人與機器人仿真文獻綜述.21.2.1架空線路巡線機器人研究概況.21.2.2機器人仿真簡介.61.3本文主要內(nèi)容.7第二章巡線機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與三維建模.82.1線機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計.82.11方案要求.82.12總體結(jié)構(gòu).102.13柔性臂.102.14驅(qū)動裝置.132.15剎車制動裝置.142.16手掌開合裝置.142.2器人的建模.15第三章巡線機器人機械手運動學分析.183.1引言.183.2數(shù)學基礎(chǔ)理論.183.2.1剛體位姿的表示與齊次變換26.183.2.2機器人運動學方程的D-H表示法.203.3巡線機器人四自由度機械手運動學分析.223.3.1機械手的正運動學分析.223.3.2機械手的逆運動學分析.243.3.3機械手關(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.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)定運行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。由于輸電線路分布點多、面廣，絕大部分遠離城鎮(zhèn)，所處地形復雜，自然環(huán)境惡劣，且電力線及桿塔附件長期暴露在野外，會受到持續(xù)的機械張力、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，如不及時修復更換，原來微小的破損和缺陷就可能擴大，最終導致嚴重事故，造成大面積停電，從而造成極大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會影響。所以，必須對輸電線路進行定期巡視檢查，隨時掌握和了解輸電線路的運行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護區(qū)的變化情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預防事故的發(fā)生，確保供電安全。目前，對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航測法。前者的巡檢精度低，勞動強度大，且存在巡檢盲區(qū)。部分地區(qū)大雪封山時，車輛和行人無法進入(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用昂貴(如圖1.2所示)。如果用直升機巡視替代地面巡視，則每100公里1年巡視費用同塔雙回線需217.92萬元（單回線136萬元）。如果用直升機在整個東北電網(wǎng)覆蓋地區(qū)巡視則需超過5000萬元。費用過于昂貴，直接限制了直升機巡視的廣泛推廣。由于巡線機器人可以克服上述缺陷，因此，巡線機器人已成為特種機器領(lǐng)域的一個研究熱點。巡線機器人不僅可以減輕工人巡線的勞動強度，降低高壓輸電的運行維護成本，還可以提高巡檢作業(yè)的質(zhì)量和科學管理技術(shù)水平，對于增強電力生產(chǎn)自動化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益和社會效益都具有重要意義。巡線機器人懸掛于架空避雷線上，并以此為行駛作業(yè)路徑，通過自動控制方式完成輸電線路巡檢作業(yè)，及對線路的機械電氣故障，包括絕緣子劣化和污穢、導線的機械破損、連接金具機械松脫等故障進行檢測。其特殊的作業(yè)環(huán)境要求機器人能夠沿輸電導線全程運行，包括沿輸電導線的直線段和耐張線段實現(xiàn)滾動爬行，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，機器人的本體設(shè)計是整機設(shè)計中一個相當重要的部分，需經(jīng)過多次反復才能完成；在進行機器人結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時，需要建立一定的實驗環(huán)境(導線物理模型、障礙物等)，對樣機進行多次實驗以檢驗其是否能達到預期的目標，這就導致其設(shè)計的周期長、設(shè)計效率低以及改型工作量大等缺點。此外，樣機的單機制造增加了成本。在競爭的市場條件下，基于物理樣機的設(shè)計驗證過程嚴重地制約了產(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)可以方便地建立機器人的虛擬樣機模型。在設(shè)計之初，就可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的運動分析、動力分析、載荷及應(yīng)力分析等，可大大提高機器人本體設(shè)計的質(zhì)量和效率。而且，仿真軟件的應(yīng)用可以使設(shè)計更為優(yōu)化，即在計算機上修改設(shè)計缺陷，仿真試驗不同的設(shè)計方案，對整個系統(tǒng)進行不斷改進，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案1。同時，通過計算機仿真可以代替己有的物理樣機進行各種狀態(tài)的仿真分析，降低物理樣機現(xiàn)場實驗的風險。利用仿真數(shù)據(jù)對模型進行修改，綜合仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對所設(shè)計的虛擬樣機性能做出準確的評價及提出建議。本文將仿真技術(shù)引入到巡線機器人機構(gòu)、運動學分析中，為研究巡線機器人作業(yè)性能及運動學特性，從虛擬樣機的角度，提供了一定的參考依據(jù)。本文所建立的巡線機器人全參數(shù)化模型，可以通過實驗數(shù)據(jù)對其進行修正，從而為機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化、路徑規(guī)劃等做出鋪墊。1.2架空線路巡線機器人與機器人仿真文獻綜述1.2.1架空線路巡線機器人研究概況國外巡線機器人的研究始于20世紀80年代末，日本、加拿大、美國等發(fā)達國家先后開展了巡線機器人的研究工作。1988年，東京電力公司的Swada等人研制了光纖復合架空地線(OPGW)巡線移動機器人2，如圖1.3所示。該機器人利用一對驅(qū)動輪和一對夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上防振錘、螺旋減震器等障礙物。遇到桿塔時，機器人采用仿人攀援機理，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)成一個導軌，然后本體順著導軌滑到線塔的另一側(cè)；待機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。機器人運動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)預先編制好程序輸入機器人，據(jù)此控制機器人的行走和越障；精確定位控制則根據(jù)傳感器反饋信息進行控制。機器人攜帶的損傷探測單元采用渦流分析方法探測光纖復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、維護等多用途移動平臺。第三代原型機構(gòu)緊湊，僅重25kg，驅(qū)動力大，抗電磁干擾能力強，能爬52度的斜坡，通信距離可達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)評估、導線和地線更換、導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年研制了一臺懸臂巡線機器人原型，如圖1.5所示。它能沿架空導線長距離爬行，執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點、壓接頭等視覺檢查任務(wù)，對探測到的線路故障數(shù)據(jù)預處理后，傳送給地面人員。當機器人遇到桿塔時，利用手臂采用仿人攀援的方法從側(cè)面越過桿塔。其缺點是無法攀爬30度以上的斜坡而不能廣泛應(yīng)用。文獻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器人。文獻7給出了一種新型移動機器人機構(gòu)，由雙臂、四套執(zhí)行機構(gòu)和手爪構(gòu)成，該機器人能夠沿架空地線行走，并且能夠跨越桿塔。文獻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機器人。但上述機器人都具有18個以上的自由度，導致功耗過高而不能應(yīng)用到實際工作中9。圖1.6是中國科學院沈陽自動化研究所研制出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超高壓輸電線路巡檢機器人，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，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)外對于巡線機器人的研究情況，當代巡線機器人的研究主要集中于以下幾個方面11,10：(1)機器人結(jié)構(gòu)機器人機械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，是根據(jù)實際需要進行的。在機器人機構(gòu)方面，結(jié)合機器人在各個領(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)仍處于實驗階段，而輪式機器人由于其控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展12。(2)運動控制技術(shù)穩(wěn)健的運動控制技術(shù)是移動機器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動機器人本身是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅(qū)動的零漂移的動力學系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動力學模型和運動學模型，建立合理的反饋控制律，實現(xiàn)車速和轉(zhuǎn)向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術(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)。由于自主式移動機器人在地面上行駛，必須避開它無法通