毕业设计（论文）-高压线巡检机器人的结构设计.pdf

1绪论1.1 课题的研究背景高压输电线路担负着我国电力传输的重任，它的安全可靠运行直接关系到 国家经济的稳定发展。目前，采用高压和超高压架空的电力线路是长距离输配 电力的主要方式，电力线路作为电力系统的重要组成部分，长期暴露在自然环 境中，不仅要受正常机械载荷和电力负荷的内部压力，还要经受污秽、雷击、强风、滑坡、沉陷等外界侵害，将会促使线路上各元件产生老化，如不及时发 现和消除，就可发展成为各种故障，对电力系统的安全和稳定运行构成威胁。因此，线路巡检是有效保证输配电线路及其设备安全运行的一项基础工作。线 路巡检工作就是通过对输配电线路的巡视检查来掌握线路运行状况及周围环境 的变化，及时发现设备缺陷和危及线路安全的隐患，提出具体检修意见，以便 及时消除缺陷、预防事故发生，或将故障限制在小范围，从而保证输配电线路 安全和电力系统的稳定。对高压输电线路传统的巡检方式有飞机巡检、车辆巡检和人工巡检。飞机巡检是指检测人员在直升飞机上利用望远镜或其它检测工具对线路进 行巡查，发现是否存在缺陷和故障，如图所示。一般安排在晴朗、能见度 较好的天气条件下进行，不过由于直升飞机飞行速度的影响，线路从巡检人员 的视野中快速经过，且巡检时一般要求直升飞机靠近高压线路飞行，因此这种 巡检方式对巡检人员和飞行员的技术要求都较高。止匕外，飞机巡检易受气候变 化、航空管制等影响，运行成本高，危险性大山，难以得到推广。高压线巡检机器人的结构设计图1-1飞机巡检方式Fig.1-1 Aircraft inspection methods车辆巡检是指在车辆等地面交通工具的配合下，巡检人员携带各种检测设 备对线路进行巡查，如图1-2所示。这种检测方法机动性较好，成本也较飞机 巡检低，在条件允许下，还可利用车辆承载能力强的特点，额外携带检修工具,根据需要就地开展检修。这种巡检方法的缺点是需要地面道路的支持，受地形 的限制，在高山、丛林或沼泽等地理条件复杂的区域，车辆无法到达，巡检工 作无法顺利开展。图1-2车辆巡检方式Fig.1-2 Vehicle inspection methods人工巡检是指巡检人员自身携带检测设备，沿线路行走，对线路开展巡查,如图1-3所示。但是由于输电线路分步广泛，巡检工人需要翻山越岭，徒步完2成作业任务，劳动强度大，危险性高，巡检效率和准确度较低，可靠性差，且 巡检结果受人为因素影响大，管理和监督存在着缺陷。图1-3人工巡检方式Fig.1-3 Manual inspection methods近年来，随着采用机器人来替代或协助人完成输电线路巡检作业的需求日 益增长，高压线巡检机器人成为国内外机器人领域研究的热点之一，也为高压 输电线路巡检提供了新的技术平台。巡线机器人能够带电工作，以一定的速度沿输电线路爬行，并能跨越防震 锤、耐张线夹、悬垂线夹、杆塔等障碍，利用携带的传感仪器对塔架、导线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测，代替人工进行电力线路的巡检 工作，不仅可以减轻人工地面巡检中工人的劳动强度，降低高压输电线路的运 行及维护成本，还可以进一步提高巡线的工作效率和巡检精度，保证输电线路 巡检工作的质量和管理水平，对增强电力系统的安全稳定运行，创造更高的经 济效益和社会效益都具有重要意义。其中，图像检测是巡检机器人采用的主要检测方法。在一般情况下，机器 人携带常用的可见光摄像仪和红外线热成像仪可满足检测的要求。对线路上外 表面可采用高分辨率的可见光摄像仪拍摄目标线路的图像，利用图像判断线路 是否有损害；对于线路内部的故障点，无法直接观察，这时可采用红外线热成 像仪进行检测，如图1-4所示。当线路内部存在故障点时，该处会出现局部温 升，向外辐射热量，利用红外线热成像仪，可直接拍摄异常温升处的红外图像,高压线巡检机器人的结构设计为后续的线路检修提供了依据。Fig.1-4 Thermal imaging detector1.2 国内外发展及研究状况1.2.1 国外的研究概况自20世纪80年代开始，日本、加拿大、美国、巴西等国家先后开展了巡 检机器人的研究工作，并取得了阶段性的成果，在两个杆塔之间巡检的机器人 技术相对成熟，有些已达到产品化的程度。1988年，东京电力公司的Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力 的光纤复合架空地线（0PGW）巡检移动机器人，如图1-5。当遇到杆塔时，该 机器人利用自身携带的导轨从杆塔侧面滑过，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。机器人携带的导轨约100kg,由于自身质量过大，对能源的要求较高。其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铠装层的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上，由于存储量有限，巡检完一段距离的线路后就需要读出数据，实际应用受到了 限制。4架空地线图1-5 OPGW巡检机器人Fig.1-5 Arc-shaped arm Inspection1989年，日本NTT公司的Shinichi Aoshima等人研制了一种由多个独立单 元组成的机器人，如图1-6所示。机器人采用了“头部决策，尾部跟随”的仿 生控制方式，类似一个蛇形机构，由六对左右对称、相互联结的小车组成，每 个单体小车有两个电机，一个用于行走驱动，另一个用于控制联结前后小车的 旋转关节的关节角；左右小车采用具有自保安功能的磁锁机构联结，磁锁机构 用永久磁铁将左右小车牢牢锁紧，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 上磁锁机构中的电磁铁通电，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，控制两侧旋转关节使左右 小车合拢，电磁铁断电，磁锁再次锁紧，机器人恢复正常行走状态。该机器人 本体的缺点是驱动关节较多，能耗大且控制复杂。高压线巡检机器人的结构设计图1-6蛇形巡检机器人Fig.1-6 Snake-like montion Inspection robot美国TRC公司1989年研制了一台悬臂式巡线机器人巴 如图1-7所示。在 架空线路上主要以爬行的方式运动，携带相关设备可以执行电晕损耗检查和绝 缘子、压接头等视觉检查的任务，将探测到的故障数据经预处理后传送给地面。当该机器人遇到杆塔时，还采用仿人攀援的方法从塔的侧面越过杆塔。图1-7美国TRC悬臂式巡检机器人Fig.1-7 TRC Aim inspection由日本Sato公司生产的电力线损伤探测器也采用了单体小车结构，如图1-8 所示。能够在地面人员的遥控下，沿电力线行走，利用车载探测仪器探测线路 6损伤程度及准确位置，将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工 作人员可回放复查，进一步确定损伤情况。探测器不具备越障功能，遇到线路 附件等障碍物时便自动停止前进。该损伤探测器于1993年赢得了 Shibusawa大 奖。图1-8日本Sato公司生产的巡检机器人Fig.1-8 Damage detection robot加拿大魁北克水电研究院的Serge Montambault等人2000年开始了 HQ LineROVer遥控小车的研制工作，如图1-9所示。该机器人起初用于清除输电线 上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。第三代原型机 结构紧凑，仅重25千克，驱动力大，抗电磁干扰能力强，能爬52的坡，通信 距离可达1千米。小车采用灵活的模块化结构，安装不同的工作头即可完成架 空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线和底线更换、导线清污和除冰带 电作业，已在工作电流为800A的315KV电力线上进行了多次现场测试。但是，HQ LineROVer无越障能力，只能在两线塔之间的电力线上工作。目前，研究组 正在开发具有越障功能的自治移动小车，实验结果表明，新一代HQ LineROVer 能在无人干预的情况下跨越障碍物，巡检范围达4KM。高压线巡检机器人的结构设计图1-9 HQ LineROVer遥控小车Fig.1-9 HQ LineROVer泰国 King Mongkut s University of Technology Thonburi 的 S.Peungsungwal 等人2001年设计了一台自给电巡检机器人原型，如图1-10所示。该机器人采 用电流互感器从爬行的电力线路上获取感应电流，作为机器人的工作电源，从 而解决了巡检机器人长时间驱动的动力问题，并初步实现了根据摄像机图像判 断电力线上绝缘子等障碍物位置的视觉导航功能。不过，该试验型巡检机器人 仅能在两线塔间的电力线上爬行，无越障能力。摄像机 机器人本体Fig.1-10 Self power-supply2002年，巴西米纳斯联邦大学的Mario F.M.Campos等人也研制了一种多功 能巡检机器人，如图1-11所示。该机器人采用缆车结构，通过安装不同的设备,8能实现线路巡检或在线路上安装、移除航空预警球等多种功能，但这种机器人 也不具有越障功能，只能在两塔间的线路上作业，其应用范围受到限制。图1-11预警球安装作业机器人Fig.1-11 Robot installation of early warning Ball122国内的发展状况相比于国外，国内对巡检机器人的研究起步相对较晚，开展相关研究的机 构也不多。90年代末，国内的一些研究机构和高等院校也开始了巡检机器人的 研究工作，并已经研制出多种机构类型的巡检机器人样机。武汉大学和山东大 学在这方面的研究起步较早。在“十五”国家高新技术发展计划（863计戈IJ）的 支持下，中科院沈阳自动化所、武汉大学与汉阳供电公司、中科院自动化所与 山东大学等同时开展了对架空输电线巡检机器人的研制工作。中国科学院自动化研究所、山东大学所研制的机器人采用了三臂结构，如 图1-12,能在线路上行进，并可自主跨越线路上防震锤等障碍物，但机器人结 构重，耗能多，作业控制复杂。武汉大学设计的机器人采用了双臂结构，如图 1-13,可利用臂上的滚轮在线路上行驶，并具有一定的越障作业的能力，但该 设计方案以相线作为机器人的作业路径，相线上相对复杂的环境给机器人的作 业控制带来了困难，且机器人在相线上带电作业的危险性较大。高压线巡检机器人的结构设计I电源箱I 便瓦箱I m丽图1-12山东大学研制的三臂式巡检机器人机械结构Fig.1-12 Shandong University developed a three-arm inspection robot mechanical structure图1-13武汉大学研制的双臂式巡检机器人的机械结构Fig.1-13 Wuhan University-type inspection robot arm developed by the mechanical structure综上所述，目前国内外设计的高压线巡检机器人多选取相线作为巡检作业 路径，与选取地线为作业路径的机器人设计方案相比，相线的作业模式主要存 10在以下问题：(1)机器人悬挂在相线上时，处于带电作业状态，危险性高。(2)巡视检测的范围小、视野窄。(3)相线的悬垂弧度较大，机器人在相线上运行时更耗时耗能。(4)机器人在相线上运行，容易损伤线路。(5)相比于地线，相线上的温度较高，一些线路故障段的温度可达100C 以上高温，机器人长期处于高温环境，会影响机体和电子设备的正常工作。(6)突遇雷电时，相线上运行的机器人容易产生放电现象，影响机器人本 体的安全性。1.3 机器人本体结构需要解决的一些关键问题随着对巡检机器人研究的不断深入，人们对机器人的结构设计必然会提出 更高的要求，主要表现在轻量化、操作简单化和越障高效化等方面。(1)轻量化 影响机器人重量的主要因素有：机械结构、材料及电池等。因此需要设计尽量简单的机构，采用性能好、密度小的高分子材料及更加科学 实用的能源供给。(2)操作简单化、越障高效化操作简单化不但可以减小控制的复杂性而 且还可以提高机器人的工作效率。因此需要进一步的机构优化，选择最简单有 效地机构形式实现其灵活、高效率的越障。1.4 本文的主要研究内容依据以上分析，本文提出并设计了一种以地线为作业路径、可完成巡检作 业任务的机器人本体机构，主要工作分为以下几个方面：(1)讨论国内外现有的研究成果，分析存在的优点和不足，论述本次设计 的意义和目的。(2)阐述高压输电线路的特点和组成，分析高压输电线路障碍物的类型和 结构特点，讨论巡检机器人巡检越障作业特点和设计要求，为机器人的本体结 构设计做准备。(3)在比较现有设计方案的基础上，提出并设计一种新的适合高压线地线 作业环境的机器人本体机构，从最初的机构简图到具体的运动机构，并阐述该 机器人本体机构主要部件的构成和功能作用，利用CAD技术给出机器人的三维 高压线巡检机器人的结构设计实体模型和零件图，并对机器人巡检作业和越障过程予以规划和分析。（4）总结当前的主要工作，分析不足，并对进一步的设计工作提出展望。122高压输电线路概述2.1 高压输电线路的特点和组成2.1.1 高压输电线路的特点了解和熟悉高压输电线的特点和组成是设计巡线机器人本体结构的前提。我国当前架空输电线路主要有10KV,35KV,110KV,220KV,30KV,500KV。其中，UOKV以上的超高压线路是主要的输电线路，造价高、工程影响大、覆 盖面广，这类线路长期暴露在外界环境中，更易遭受自然环境或外力影响而出 现故障，造成大面积停电，从而引起极大的经济损失和严重的社会影响，为保 证输电线路能连续安全的供电，需要加强这些线路的巡视和维护。高压输电线主要有以下特点：（1）输电线路要穿过许多地质条件不同的地区，其地理环境及气象等条件 比较复杂，地质条件变化大。（2）输电线路分布在荒郊野外，点多、线长、面广，遭受自然灾害袭击而 引起线路故障的机率比较大。（3）输电线路对于国民经济至关重要，尤其是超高压电力线路关系着一个 地区、一个重要的国防或工业区的用电安全，因此不能出现事故，在工程地质 上对其稳定性有较高的要求。2.1.2 高压输电线路的组成构成高压输电线路的主要元件有：基础（底盘、现浇或预制钢筋混凝土、岩石）、导线（输电线、避雷线、架空地线、接地网）、避雷线、电杆（水泥杆、金属杆、及铁塔）、绝缘子串、各种金具等，这些元件有机的组合在一起就形成 了一条高压输电线路。导线用来传导电流，输送电能；避雷线用于将雷电流引 入大地，以保护线路绝缘免遭大气过电压的破坏；杆塔用来支持导线和避雷线,并使导线和导线间，导线和避雷线间，导线和杆塔间以及导线和大地、公路、铁轨、水面等被跨越物之间保持一定的安全距离；绝缘子是用来使导线和杆塔 之间保持绝缘状态；金具是用来连接导线或避雷线，将导线固定在绝缘子上，以及将绝缘子固定在杆塔上的金属元件。UOKV以上的高压输电线路一般通过 高度为12-30m的铁塔架设在高处，两塔间距一般为200-600m,地线悬挂在塔高压线巡检机器人的结构设计顶位置，相线通过绝缘子串悬在塔身，塔架又分为直线塔和耐张转角塔，其中 相线上的线路情况较为复杂，存在着跳线等线路换向，而且线上附属设备种类 相对较多，如图2-1、2-2所示。图2-1高压输电线路组成Fig 2-1 High voltage transmission line environmentFig.2-2 The main components of high voltage transmission line由于相线上承载着超高压，处于安全考虑，相线与周围物体需要保持一定 的安全距离。带电线路与周围物体的最小间距见表2-1,因此，出于安全考虑，机器人本体的尺寸受到一定的限制。此外，为了减少对线路的损害，对机器人 的自重也有一定的要求。14表2-1带电体与塔架最小间距(米)Table2-1 Body charged with the minimum distance tower(m)电网电压kV110220500额定运行电压0.250551.25操作过电压0.71.453.7甯电过电压1.01.83.72.2 高压输电线的巡检内容巡检作业是输电线路维护工作的重要内容，关系线路设备的安全，在运行 维护工作中占有非常重要的地位，如果线路巡视工作不仔细、不到位，除了不 能给检修工作提供合理、准确、可靠的依据外，还会使线路设备运行、维护和 管理工作停滞不前，安全运行水平降低，甚至威胁人身安全。引起架空输电线路故障的原因很多，如构成线路的元件老化或周围环境不 断变化等引起的线路故障。因此，架空输电线路的巡检内容主要有以下几个方 面：(1)沿线路附近有无妨碍或危及输电线路安全运行的物体，如不够坚固的 烟筒、天线，线路附近的树木和堆积的柴草有无被风刮倒、刮飞，危及安全运 行的可能。(2)杆塔倾斜、横担歪斜不能超过规定的允许范围。普通钢筋混凝土线杆 保护层不得腐蚀脱落、钢筋外露，裂纹宽度不应超过0.2mm；木杆腐朽面积不 得超过30%,其根部要采取防腐措施。(3)拉线有无松驰、破股、锈蚀等现象；拉线金具是否齐全、是否缺螺丝。(4)导线及避雷线有无断股、接头发热、弧光放电痕迹等，直线杆塔绝缘 子串顺线路方向倾斜不得大于15。(5)线路上安装的各种断路器是否牢固，有无变形，指示标志是否明显正 确；瓷件有无裂纹、掉硝及放电的痕迹，各部引线之间，对地距离是否合乎要 求。(6)防雷及接地装置是否完整无损，避雷器瓷套是否完好；接地装置有无 被水冲刷，或破土外露，连引线是否齐全，接地引线是否破损折断，特别是防 高压线巡检机器人的结构设计雷间隙是否合乎要求。(7)防振锤、阻尼线有无变位、偏斜、变形；线路名称、杆号、相位的字 迹和标志是否正确、清晰；各种警告标志是否明显等。综合对输电线路的环境的特点以及巡检作业的任务分析，巡检机器人的线 上作业可以按塔间档距为单位，大致分为两个阶段：线上移动作业阶段和越障 作业阶段。如图2-3所示，在塔间档距的中间段，线上的附属设备较少，机器 人沿着线路移动，并携带检测设备，对沿途的线路进行检测，收集线路的相关 信息；在靠近塔架的线路段，较多存在着各种线上附属设备，机器人需要执行 越障作业，跨越这些障碍物，最终跨越塔架并重新悬挂在线路上后，进入下一 个档距的线路段。两种作业阶段交替进行，直至巡检机器人完成对整条线路的 巡检任务。图2-3高压线巡检机器人的作业环境Fig.2-3 Power lines inspection robots operating environment2.3高压线巡检机器人的设计要求通过以上对高压输电线路和巡检机器人作业环境的分析，也对巡检机器人 的本体机构的设计提出了要求：(1)高压线巡检机器人的结构和重量巡检机器人以输电线为作业路径，在高压线路上移动来完成线路的检测任 务，机器人本身以及所携带的设备重量都将由线路承担，高压线本身的承载能 16力有限，根据电路部门提供的技术要求，高压线的负载重量不应超过200kg,显 然，机器人本体的重量应低于这个标准。（2）高压线巡检机器人本体机构的功能和设计要求机械机构是巡检机器人能否适应高压线路的环境、完成作业要求的关键。巡检机器人的机械机构应满足以下设计要求：1）移动能力：能在坡度较为平缓的线路上以稳定的速度快速移动，并能保 障机器人本体的安全，沿线移动是巡检机器人的基本作业要求。2）爬坡能力：线路存在着弧垂效应，因此即使在水平地面架设的线路都存 在着一定的坡度，此外，在山区环境中，坡度将更为陡峭，如塔架分别位于山 顶与山谷，该档距段的线路坡度可能超过55,因此，巡检机器人应该具有一 定的爬坡能力。3）越障能力：越障能力的大小影响着机器人的作业范围，因此是巡检机器 人机械机构设计的重要指标，所设计的机械机构应能跨越线路上的阻碍机器人 移动的各种附属设备。4）承载能力：机器人悬挂在线路上，所承载的重量除自身机械机构的重量 外，还包括控制系统和检测设备的重量，机器人本体还应提供足够的空间用于 携带控制系统和检测设备。2.4总结高压输电线路是当今社会经济的生命线，对其有效的监督和巡查是电力部 门重要的任务之一。了解输电线路的组成对巡线机器人的研究设计起着重要作 用，输电线路中的各种附属设备对巡线机器人的在线行走起到了阻碍作用，因 此，在巡线机器人的越障结构设计中，必须考虑这些金具的特点和结构，机器 人在线路中行走时，不仅要能够跨越这些障碍，而且还要保证线路的安全。高压线巡检机器人的结构设计3高压线巡检机器人的结构设计3.1 巡检机器人整体设计方案的制定(1)缆车式结构的设计方案由于线路本身具有一定的承载能力，可作为巡检机器人的行走作业路径，大部分线路段上没有障碍物，因此可采用如图3-1所示的缆车形式的基本结构,利用滚轮机构将机器人本体悬挂在线路上，机器人本体携带控制系统、检测仪 器等相关设备，依靠滚轮驱动机构使得机器人沿线快速移动，并完成巡检作业 任务。早期的设计主要采用这种设计方案，但这种设计方案的缺点是无越障能 力，作业范围有限，只能在单个塔间距的线路段上执行作业任务。图3-1缆车形式的结构Fig.3-1 Form the structure of cable car(2)多自由度仿生手臂的设计方案为满足包括巡线机器人行走和越障作业在内的各种作业任务要求，需要在 原有缆车形式的结构上改进，目前主要采用增加多关节手臂机构和手爪机构等 辅助机构的方法，参考文献提出了一种巡检机器人的设计方案，该机器人手 臂上具有两个转动关节、一个移动关节，手爪机构设置在手臂的末端，将其中 一只手臂悬挂在线路上，另一个手臂脱离线路后通过各个关节的组合运动可跨 越障碍物，如图3-2所示。这种设计方案可基本满足线路上小型障碍物的越障 18需要，但是在越障过程中，机器人的姿态不稳定。对此一种改进的设计方案是 在手臂上增设腕关节，如图3-3所示。改进后的设计方案可提高线上作业姿态 稳定性。上述两种设计方案都是手臂采用摆臂式结构，手臂的运动通过转动关节的 运动实现，缺点在于两臂的活动范围存在着干涉，实际运动范围有限，不便于 作业，且运动时对手臂转动关节的负载过大，对手臂结构和驱动机构都提出了 较高的要求。图3-2摆动臂式的手臂设计方案Fig.3-2 Arm swing arm design图3-3改进后的摆动臂式的手臂设计方案Fig.3-3 Improved arm swing arm design通过以上儿种设计方案的分析和总结，本文的设计方案中提出了升降臂式 高压线巡检机器人的结构设计结构，用一个升降关节替代原来摆动臂中的一个转动关节，可实现机器人手臂 的抬升与下降，增大了机器人的运动范围和机器人动作的灵活性，如图3-4所 示，假设将手臂末端从A点运动到B点，在手臂上两个关节的运动下，两类设 计方案的手臂末端运动轨迹比较，如图3-5所示。显然升降臂式结构具有更大 的灵活性，控制也相对简单，更有利于巡检机器人执行线上作业。图3-4升降臂结构的设计方案Fig.3-4 Lift arm structure design图3-5升降臂结构与摆动臂结构的比较Fig.3-5 Lift arm swing arm structure and structure comparison(3)巡检机器人悬挂结构的设计方案巡检机器人利用手臂悬挂在线路上时，手臂可分布于线路的两侧或单侧。手臂位于两侧的结构设计特点是机器人的本体结构对称，稳定性好，因此很多 20设计方案都采用两侧悬挂方案，但是这类结构的缺点是容易受线路的影响。由 于输电线的线路分别架设在铁塔的两边，这种结构特点意味着线路有一侧会靠 近塔架，另一侧则背离塔架，受塔架的影响，机器人在靠近塔架侧的活动空间 有限，动作受到了限制。本文的设计方案采用单侧悬挂结构，机器人可选择悬 挂在塔架的外侧，这样受塔架的影响就较小，有利于开展作业，如图3-6所示。如果在结构设计时遵循一定要求、保证结构稳定性的前提下，单侧悬挂的结构 设计可以满足机器人线上作业的要求。手臂位于同一侧的悬挂图3-6机器人本体悬挂结构的比较Fig.3-6 Comparison of the structure of the robot body suspension(4)作业路径的选择选择巡检机器人的作业路径也是影响机器人设计的因素之一。相线和地线 都可以选择作为巡检机器人的作业路径。相线直径大、承载能力也较高，也是 巡检作业检测的主要对象，而且由于相线是输电线，如果在机器人上增加取电 装置的话，机器人就能从相线上直接获取电能，解决了机器人在线上长时间作 业电源不足的问题，有不少设计的方案都以相线作为机器人的作业路径，但随 着巡检机器人研究工作的开展，结果表明地线更适合作为机器人的作业线路。与相线相比，地线具有以下优点：地线上的附属设备少，例如没有绝缘子 串等金具，所以选择地线作为作业路径时，机器人越障作业相对相线难度低，结构也可相对进行简化；地线一般被架设在塔架的上方位置，相线位于地线的 下方，这样就为巡检机器人拍摄图像提供了良好的视角；机器人在线路上移动 的过程中，会或多或少的影响线路，可能造成一定的损伤，而地线非输电线路,不影响线路运行的安全。虽然巡检机器人选择以地线作为作业线路不能像在相 高压线巡检机器人的结构设计线上那样获取电能，但同时也避免了取电装置所造成的机器人本体机构的复杂 性，例如越障时取电装置可能也要参与越障，还有备用电源的切换问题等。3.2 巡检机器人整体结构的制定本次设计从巡检机器人要实现的功能原理开始，功能原理设计就是为了使 要设计的产品实现和满足预期的功能，或者说对于某一“功能目标”来寻找一 种物理效应和相应的作用原理，以实现要求的功能目标。因此，功能原理设计 的主要工作可归结为：先明确“功能目标”，然后经过构思，制定出实现它的解 法原理。巡线机器人属于在特殊环境下完成操作与作业的特种作业机器人。根据高 压线巡检机器人在线上作业及越障的要求分析，首先制定了巡检机器人的机构 简图，机器人本体具有两个对称的手臂，其中一个手臂为臂A,另一个手臂为 臂B,各个机构和关节的构成如图3-7所示。图3-7双臂轮爪式高压线巡检机器人的机构简图Fig.3-7 Arms round claw body of inspection robot for high-voltage diagram巡检机器人的整体结构由控制箱移动、手臂移动、手臂升降、手臂转动、手腕转动、滚轮、手爪共七部分组成，共13个自由度、13个电机驱动，为多关 节双臂轮爪式的对称结构，表3-1给出了巡检机器人的基本构型。22表3-1升降臂式巡检机器人的基本构型Table3-1 The basic inspection robot arm configuration机构运动方式自由度个数驱动方式滚轮转动1X2电机直接驱动轮爪机构手爪开合1X2螺母齿轮齿条手腕转动1X2电机直接驱动手臂转动1X2电机直接驱动腕臂机构手臂升降1X2丝杠螺母手臂移动1X2丝杠螺母控制箱控制箱移动1丝杠螺母下图3-8给出了巡检机器人的三维实体模型:图3-8巡检机器人的三维实体模型Fig.3-8 Three-dimensional solid model of inspection robot本文所设计的巡检机器人结构上具有以下特点：（1）采用了轮爪加关节手臂的多自由度仿生机构，能在输电线上以一定的 速度平稳运行。（2）手爪具有刹车制动功能，当发生故障或遇到恶劣天气的时候，机器人高压线巡检机器人的结构设计能可靠自锁，以免从输电线上摔落。（3）控制箱可以移动以调节重心，保证了越障作业时机器人本体的稳定。（4）采用单侧悬挂式结构，两个手臂位于线路的同一侧，受塔架的影响小,有利于开展作业。（5）手臂采用了移动、升降加转动的设计，能够适应地线的作业环境。（6）采用多样的线上运动方式，可完成沿线滚动、爬行等作业任务。3.3 机械结构的设计原则机械结构是机械功能的载体，机械结构设计的任务是依据所确定的功能原 理方案设计出实体结构，该结构能体现出所要求的功能，用结构设计图样表示。结构图应表示出结构件的形状、尺寸及所用的材料，同时还必须考虑加工工艺、强度、刚度、精度、寿命、可靠性及零件间的相互关系，有关造型设计及人机 工程等问题也应在这阶段解决。如果说功能原理设计决定了产品的先进性、新 颖性，那么结构设计则决定了产品的质量和成本的70%80%,因此结构设计 是机械设计中涉及问题最多，工作量最大的一个环节。完美的机械结构设计应充分满足技术功能要求，以最少的资源消耗实现设 计目标，而且对人和环境不构成危害。为满足以上几个条件，制定结构设计的 基本原则如下：（1）以人为本 一切机械产品都是为人服务的，也是由人操纵的，因此所 设计的机械结构必须适应人的生理和心理承受能力，不应使机械驱使人。此外,环境的优劣会直接影响到人的工作和生活，因此，所设计的机械结构要符合环 境保护的要求，以达到对人的损害减少到最小的程度。（2）明确功能要求和工作条件所设计的机械结构应能准确无误地体现产 品的各种要求。功能应当明确，总功能和各分功能都应有相应的机械结构来实 现，既不能少也不应多。（3）力求简单从机械可靠性来讲，应该力求结构简单，零件数量少，可 靠性就高，成本也能降低。（4）安全可靠安全可靠对机械结构的要求有三个方面。功能可靠：自身 结构安全可靠，工作时安全可靠不产生伤人等事故，对环境不产生危害。安全 技术分为三种：直接的、间接的、提示性的。直接安全技术是指在结构设计中 充分满足安全可靠的要求，使用中不存在危险性；间接安全技术主要有：一种 24是防护设备，如加罩、盖及加固结构等；另一种是防护系统，如过载保护系统、压力容器的安全阀等；提示性安全技术是指对一些重要的机构或设备，在出现 危害之前能提前报警，避免重大事故发生。在进行结构设计时，由于任务不同，因此人们追求的目标不同，有的优先 考虑最小制造成本，有的要求最小空间、最小重量、最小消耗、最佳操作环境 等，对于具体的某一结构设计，其中某一个目标起决定性作用，其余的只是期 望目标。决定性的目标确定后，在方法上选择何种载体形式和结构才能最好地 实现某一功能，就需要借助各自的结构设计原理，而这些原理也是各有其针对 性的，不可能对一切结构设计都是万能的。在机械结构设计中一般有以下设计 原理：(1)最有效力传导原理 机械结构一个重要的功能就是用来承受和传导 力，用最小的消耗来传递最大的力是设计者追求的目标。要求变形小的刚性结 构，应当尽量减少力的传递路线，使零件承受拉压应力为最好；而变形大的挠 性结构应尽量使力的传递路线长，使零件承受弯曲、扭转应力。在结构设计中 还应尽量避免横截面突变而产生应力集中或过大。常用的原理有强度和寿命设 计、机械系统内部的变形协调和系统内部作用力平衡等原理。(2)功能及载荷分配原理结构设计必须依据功能要求合理选择载体，即 使设计零件能完成规定的功能。功能分配有三种情况，一是一个零件完成几种 功能，如管道法兰能联接、分离、密封；二是一个零件完成一种功能；三是几 个零件完成一种功能，如受横向载荷的螺栓联接，一般都在螺栓外侧加套筒承 担剪力，螺栓只起预紧作用，这样既减轻了重量，工作又安全可靠。(3)结构自助原理通过选择构件及其在系统中的合理布置，使构件之间相 互支持以达到功能加强的作用称为自助。自助在正常状态下有加强功能、减载 或平衡的作用，在非正常状态下有保护和自救的作用。在自助结构中，总作用 是由初始作用和辅助作用共同完成的，而辅助作用是由初始作用伴随而生的，如斜齿啮合产生的轴向力等。3.4 驱动部件的选择驱动机构为使机器人工作时提供了原始动力，目前的驱动方式主要有液压 驱动、气动驱动和电机驱动三种。液压驱动，可以得到较大的输出力，但是液压元件一般都造价高昂，并且 高压线巡检机器人的结构设计容易泄露，污染环境；气动驱动成本低、操作简单、易于语言的编程，但是难 以对系统进行高精度的控制，只能用于低精度的系统要求；电机驱动具有结构 简单、易于控制且不污染环境等优点，也是现代机器人应用最多的驱动方式。电机可选用的主要有步进电机、伺服电机和直流电机,由于受电源和功率的限制,交流伺服电机和交流电机一般不能适用于巡线机器人。步进电机是一种将电脉冲信号变为相应的直线位移或角位移的数字/模拟 变换器，一般电动机是连续转动的，而步进电机则每当电动机绕组接受一个脉 冲，转子就转过一个相应的角度（称为步距）。步进电机的工作状态不易受各种 干扰因素（如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等）的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工 作；步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但 转子转过一转以后，其累积误差为“零”，不会长期积累；步进电机具有瞬间启 动和急速停止的优越特性，改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。因 此，从步进电机的特性和巡线机器人实际的作业过程考虑，各关节机构的驱动 电机选择用步进电机。3.5 主要部件的设计3.5.1 滚轮部分滚轮机构作为巡线机器人行走机构的部件，不仅要完成在线滚动的功能，而且还要承受整个机械手臂和控制箱的重量，因此要有足够的承载能力和强度。在其结构设计中应遵守强度设计准则、工艺设计准则、材料设计准则、可靠性 设计准则。滚轮部分主要由滚轮、滚轮驱动电机及其安装底座、滚轮轴、滚轮轴箱体 等部件组成，如图3-9。其中，滚轮可采用高强度尼龙作骨架，以减轻驱动装置 的重量。巡检机器人利用滚轮在线上移动时，其爬坡能力与启/停的加速度和滚 轮与线路间的摩擦系数直接相关，所以滚轮外表面采用高弹性、高强度的聚氨 酯耐磨材料，以增加驱动轮运动时与线路的摩擦系数，提高滚轮的爬坡能力，防止打滑，消除对导线的磨损，同时还吸收由于线路的不平整引起的巡检机器 人本体的振动，提高机器人对线路环境的适应能力。263.5.2手爪部分巡检机器人在坡度较大的线路段上，依靠滚轮行走可能会出现打滑现象，此时，需要改变线上移动方式，利用手爪抓紧线路，两臂交替运动的爬行方式 在线路上移动，还可在故障情况下可靠的安全制动，以免从输电线上摔落。手爪部分主要由手爪、轴、齿轮、螺母齿条、丝杠、电机、外壳等部件组 成，如图3-10示，由驱动电机带动丝杠转动，丝杠驱动螺母与齿条作直线运动,高压线巡检机器人的结构设计齿条与齿轮啮合带动手爪开合轴转动，以实现手爪的开合。FLSLbrL00图3-10手爪部分Fig.3-10 Part of gripperIIa3.5.3 手腕转动部分手腕部分是连接滚轮、手爪与手臂的机构。当巡检机器人在跨越防震锤和 垂线夹等障碍物时，依靠手腕机构的翻转配合其它机构来越过障碍，如图3-11 示，主要由电机及其底座、转轴、转轴箱、端盖、手臂与手腕连接件等构成。28图3-11手腕转动部分Fig.3-11 Rotating part of the wrist3.5.4 手臂转动部分手臂转动机构位于手臂升降部分和手腕转动部分之间，由手臂转动电机及 其底座、手臂升降螺母连接件、转动轴、轴承座、转动连接件等组成，如图3-12。由于耐张塔两侧的线路之间存在一定角度，所以当巡检机器人在跨越转角耐张 塔障碍时，由控制系统驱动手臂转动机构做精确转动，对线路进重新行定位，调整作业臂与线路的角度和位置关系，确保作业臂在重新悬挂在线路上，使滚 轮上的凹槽准确卡入线路中，便以使滚轮沿线路方向准确的行走。高压线巡检机器人的结构设计图3-12手臂转动机构Fig.3-12 Arm rotating body3.5.5 手臂升降部分手臂升降机构主要由手臂升降外壳、升降导向杆、丝杠螺母机构及其驱动 电机构成，如图3-13,由电机驱动丝杠转动实现螺母及其连接件的升降，配合 其它运动机构实现线路障碍的跨越。丝杠螺母机构可采用滚珠丝杠副，当丝杠旋转时时，螺母就会随丝杠的转 动作直线运动，被动工件可以通过和螺母连接而实现对应的直线运动。与普通 丝杠不同的是，滚珠丝杠的螺旋槽里放置有许多滚珠，在传动过程中，将普通 丝杠螺母的滑动摩擦转变为滚珠的滚动摩擦，大幅度减小摩擦力，传动效率高,对电机的输出要求也相应降低，有利于减轻整个结