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1、巡线机器人伸缩挂臂设计一、巡线机器人概述（一）课题来源，重要性和意义机器人技术的快速发展，为高压输电线路巡检工作提供了新的手段，应用智能机器人取代人工巡线不仅可以提高巡线的精度，也可以提高工作效率。20世纪80年代末，日本，美国，加拿大等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作。但是，大部分巡线机器人只具备在直线段行走或能够跨越部分障碍的功能。本课题研究的巡线机器人时在分析比较国内外几种巡线机器人的基础上，结合巡线机器人手臂动作的性能和要求，本设计主要目的是使其能够自主跨越输电线路上的所有障碍，完成巡线任务。超高压输电线担负着我国电力传输的重任，它的安全直接关系到一个国家经济的稳定发展。目前，高
2、压和超高压架空电力线路是长距离输配电力的主要方式，由于长期暴露在自然环境中，会承受到正常机械载荷和电力负载的内部压力，还要经受污秽，雷击，强风，滑坡，沉陷，鸟害等外界侵害。上述因素将会促使线路上各元件的老化，如不及时发现和消除，就可能发展成为各种故障，对电力系统的安全和稳定构成严重威胁。因此，线路巡检管理是有效保证输配电线路运行状况及周边环境的变化，及时发现设备缺陷和危机线路安全的隐患，提出具体检修意见，以便及时消除缺陷，预防事故发生，或将故障限制在最小范围，从而保证配电线路的安全和电力系统的稳定。随着我国经济的高速发展，超高压大容量输电线路越建越多，线路走廊穿越的地形环境更加复杂，如经过大面
3、积的水库，湖泊和崇山峻岭，给线路的维护带来很多困难。我国现又500kw超高压电线路约万公里，为保证其安全可靠的运行，定期检测和维护十分必要，传统的巡检方法普遍采用人工巡检，每年的人力物力费用较高。而且在恶劣危险环境下工作给检测人员的检测工作带来一定困难。同时，消费者对电能的质量和可靠性要求也进一步提高，电力部门必然要加强对输电线路的巡检工作。这样势必更进一步加大巡线工人的劳动强度。因此，为了保证电力系统的可靠性，提高巡线的效率，巡线机器人就孕育而生。由于巡线工作的重要性，只有采用先进的巡检方式和工具，才能有效的缩短巡检周期，及时发现存在的缺陷，有效地消除隐患，确保电力系统的安全稳定运行。巡检机
4、器人的研究成为目前该领域的热点之一。而巡线机器人的爬行方式，机械手臂的设计更是其中的重点，如何有效快捷地越过障碍，完成手臂动作成为广泛研究的焦点。因此开展基于机器人技术的自动巡线机器人挂臂及其相关技术研究，不仅有重大的理论意义，而且有显著的社会及经济效益。（二）巡线机器人的发展回顾与展望巡线机器人的发展历史巡线机器人的研究始于20世纪80年代末，日本，加拿大，美国等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作。1988年，东京电力公司的Sawada等人研制了光线复合架空地线（OPGW巡检移动机器人。该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线（OPGW爬行，能跨越地线上防震锤，螺旋减震器等障碍物。遇到线
5、塔时，机器人采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧；待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。该机器人运动控制又粗略和精确定位两种模式，粗略控制时把线塔和地线的资料数据（线塔的高度，位置，地线长度，线路上附件数量等）预先编制好程序输入机器人，据此控制机器人的行走和避障。精确定位控制则根据传感器反馈信息进行控制。机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线（OPGW铠装层的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上。美国TRC公司1989年研制了一台悬臂自治巡线机器人原型。他能沿架空
6、导线长距离爬行，执行电晕损耗，绝缘子，结合点，压接头等视觉检查任务，对探测到的线路故障数据预处理后，传送给地面人员。当机器人遇到杆塔时，利用手臂采用仿人攀缘的方法从侧面越过杆塔。1990年日本法政大学的HideoNakamura等人开发了电气列车馈电电缆巡检机器人。机器人采用多关节蛇形小车结构和“头部决策，尾部跟随”的仿生控制体系，以10cm/s的速度沿电缆平稳爬行，并能跨越分支线，绝缘子等障碍物。该机器人由六对左右对称，互相连接的小车组成，每个单体小车有两个电机，一个用于行走驱动，另一个用于控制连接前后小车的旋转关节的关节角；左右小车采用具有自保功能的磁连接。磁锁系统用永久磁铁将左右小车牢牢
7、锁紧，使两车橡胶驱动轮抱住馈电电缆，由行走电机驱动沿电缆平稳爬行。当机器人遇到分支线，绝缘子等障碍物时，每对小车上磁锁系统中的电磁铁通电，顺次将磁锁打开，机器人再改变两侧旋转关节的关节角，使左右小车分开；小车依次通过障碍物后，控制两测旋转关节使左右小车合拢，电磁铁断电，磁锁再次锁紧，机器人回复正常行走状态。国内关于架空电力线路巡线机器人研究的报道较少。1998年武汉水利电力大学的吴功平教授研制出了架空高压线路巡线小车，小车采用单体两臂驱动轮结构，具有稳定的行走功能和越障功能，在遥控器的控制下，能顺利越过绝缘子，防震锤，悬垂线等障碍物，并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的诊断。巡线小车的行
8、走，越障通过人工遥控加机械控制器来实现。目前，该研究组正在进行智能化程度较高越障能力强的自治巡线机器人的研制工作。中科院沈阳自动化所，中科院自动化所在国家863计划项目资助下也开展了架空电力线路巡线机器人的研究。从上述国内外已获取的的研究成果可以看出，无越障功能的架空电力线路巡线机器人技术较为成熟，已进于实用阶段，如日本Sato,Fujikura,美国Machtech,Charlotte,NC等公司开发的巡线机器人。这类机器人一般需人工参与，只能完成两线塔之间电力线路的检查，作业范围小，自治程度低。自主巡线机器人能跨越线路附件，线塔等障碍物，实施大范围，长时间的线路巡检作业，但研究缓慢。总之，
9、目前，国内外研究表明，所有自主越障机器人都处于实验室条件的研究，还没有一台自主越障巡线机器人运行应用于实际线路的巡检工作中。（三）巡线机器人的发展趋势1、机构轻巧，实用化随着对巡线机器人的越障功能不断的完善，其本体结构将会更加灵活，更加轻巧。巡线机器人的结构在今后的研究中更加注重机构的综合柔性化。结构仿生学的设计将会在巡线机器人结构中占有重要的位置。2、多传感巡线机器人随着自治巡线机器人机器人技术的成熟和线路故障探测仪器的小型化，在一台巡线机器人上集成多种线路故障探测仪器将成为可能。这样，机器人可用多种传感器同时扫描线路，运用传感器信息融合技术可以更高的分辨率和可靠性发现各种类型的早期故障并加
10、以评估，为维护人员实时提供架空电力线路设施的工作状态报告。3、分布式多巡线机器人系统多传感巡线机器人固然有其优点，但不可避免会带来体积较大及控制过于复杂的缺点。开发小型单传感器巡线机器人，通过多个携带不同线路故障探测器的机器人协调工作，同样也可完成线路巡检任务。由于功能的单一化，可减少机器人体积及功耗，降低了研制难度；同时，多机器人又组织的协作，可使机器人群体高性能的智能行为通过群体间的知识共享和交换，可进一步提高线路故障的探测灵敏度和可靠性。二、巡线机器人伸缩挂臂设计方案的选择（一）课题的原始数据与基本要求课题的基本内容：为满足机器人伸缩尺寸的要求，设计一个能够伸缩变化的挂臂，其挂臂副包括完
11、成手臂的垂直升降展开以及可进行手臂回转，这样两个自由度。目的要求和主要技术指标：要求：完成巡线机器人的机械图纸和主要设计计算和强刚度校核。机械手臂的自重要小，且要有好的刚度。手臂为二节伸缩，选用一个驱动电机驱动。主要技术指标：手臂绝对升降行程不小于480mm垂直载荷能力为25kg,所变弯矩为50Nm升降速度为0.015m/s。手臂上部可安装爪夹手及轮部件。（二）机械手臂的类型滑轮机构通过电机驱动滑轮，通过定滑轮的固定位置，带动动滑轮的升降，以达到升降的目的，但考虑到巡线机器人是长距离工作，而滑轮容易损坏，且传动比不稳定，所以不适合本设计。气压传动通过行程开关控制气压的动力顶升升降筒，气压元件质
12、量轻，体积小且实用安全，能够在恶劣环境下进行正常工作。但空气可压缩性大，运动速度的稳定性也就比较差。四连杆机构将机器人的挂臂设计为四连杆机构，通过四连杆机构的变形，控制巡线机器人的高度，但这样的挂臂的刚性和抗变形能力都比较差。（三）巡线机器人伸缩挂臂方案的确定巡线机器人须要自主跨越障碍，根据障碍的空间分布，机器人手臂要求有伸缩和回转两个自由度。巡线机器人为了保持平衡以及互相配合，需要左右各一个挂臂，当机器人需要升降时，当一个挂臂负责升降，负载拖动主箱体，攀附于电缆上，另一个挂臂空载，升降到同一高度，准备交替动作，交替的同时通过平移蜗箱，移动主箱体，两手臂互相配合，跨越障碍。选择用一个电机来作为
13、动力系统，考虑到手臂的升降行程的要求（即升降行程不小于480mm,以及挂臂升降的稳定性，本设计采用螺纹传动，用一对丝杠螺母副传动。由于要采用二节伸缩的升降形式，须要内升降筒与外升降筒同时运动，才可以有二节展开的效果，同时考虑到传动的稳定性，设计采用一对齿轮啮合带动内外升降筒同时运动，从而实现两节展开。负载的挂臂由电动机1带动内丝杠旋转，内丝杆与固定在内升降筒上的下螺母啮合，带动内升降筒的升降，又由减速箱中联轴器上的齿轮1啮合固定在外丝杠上的齿轮2，从而带动外丝杠旋转，考虑到二节伸缩，旋转方向应与内丝杠相反，又通过固定在涡轮箱体上的上螺母，带动外升降筒向上运动，使机器人挂臂两节展开。并在丝杆端部
14、设置挡板，限制升降筒的行程。这是手臂伸缩，也就是实现挂臂垂直方向的自由度。考虑到手臂可进行回转的要求，为了满足结构紧凑的要求，本设计采用涡轮蜗杆啮合的方式，动力系统采用一个电机，由电动机2来带动蜗杆的旋转，蜗杆与涡轮啮合，固定在涡轮上的上螺母同时与外丝杠啮合，从而带到整个手臂回转，这样既能够保证外升降筒垂直升降的要求，又可以实现机器人挂臂旋转的功能，同时，还大大提高了空间的运用，这就是xy平面旋转的自由度。由于本课题对挂臂旋转速度未做要求，因此此电机的选择不作为设计的重点。考虑到高压电缆的负载，巡线机器人有自重小，结构紧凑的要求，故将减速箱尽量压缩，根据外升降筒的形状，紧贴着外升降筒的内部固定
15、在外升降筒内，又因为安装电动机方便，所以将减速箱放置在外升降筒的尾部位置。在选用材料上尽可能选用密度小，刚性好的材料。考虑到强刚度和重量的要求，内外升降筒截面的形状设定为六角形，根据自重小的要求，升降筒作薄壁中空状。基于以上思路，设计出一种巡线机器人挂臂，其基本结构如下图所示。TL-TL-TL-TL-TL-TL-c一二U二CIccc1TMww始作mh!lsr?V*J，H-三、各零部件的选择与设计（一）丝杆的设计1、丝杆的结构设计1电机位置处于伸缩挂臂的尾部，通过齿轮箱内的带齿轮的联轴器与内丝杠想连接，从而带动内丝杠，作为垂直动力系统。主要技术指标中要求升降速度v为0.015m/s。由于该机器人挂臂采用二节伸缩，而外升降筒的伸缩是通过升降齿箱中升降齿轮的传动，带动外丝杠，又通过上螺母的啮合来实现的。因此，主电动机只须要提供v/2=0.0075m/s的动力就可以实现技术指标。具体传动原理图如下：Jia
