絕緣子巡檢機器人結構設計開題報告.doc

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中 北 大 學畢業(yè)設計任務書學 院：機械與動力工程學院專 業(yè)：機械電子工程學 生 姓 名：冉歷學 號：1102044251設計題目：絕緣子巡測機器人結構設計起 迄 日 期:2015年3 月9日 2015年6月10 日設計地點:瑞學樓410指 導 教 師:代小林 史源源負 責 人:趙俊生發(fā)任務書日期: 2015 年 3 月 9 日任務書填寫要求1畢業(yè)設計任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學生所在學院的負責人審查、負責人簽字后生效。此任務書應在畢業(yè)設計開始前一周內填好并發(fā)給學生；2任務書內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；3任務書內填寫的內容，必須和學生畢業(yè)設計完成的情況相一致，若有變更，應當經(jīng)過所在專業(yè)及學院領導審批后方可重新填寫；4任務書內有關“學院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”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有關年月日等日期的填寫，應當按照國標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，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。畢 業(yè) 設 計 任 務 書1畢業(yè)設計課題的任務和要求： 絕緣子是高壓架空導線與桿塔件的支撐鏈接部件，絕緣子串中如出現(xiàn)劣化、污穢時容易出現(xiàn)閃絡，大電流流過劣化絕緣子時導致絕緣子掉串，嚴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。絕緣子巡檢機器人能自動實現(xiàn)在絕緣子串上的行走與檢測，是當前的電力系統(tǒng)機器人技術的研究熱點。本課題擬對500kv高壓電網(wǎng)絕緣子機器人的機械結構進行設計與分析。2畢業(yè)設計課題的具體工作內容（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：1）要求機器人重量總小于20kg，爬行速度不小于3m/min；2）要求機器人能適應500kv高壓電網(wǎng)的單串、雙串、懸垂串、耐張串；3）完成導向裝置、行走裝置、各電機及傳動裝置、以及整體結構的設計與校核，并通過三維實體建模軟件solidworks建立機器人結構模型；4）查閱相關技術文獻15篇以上，其中至少有2篇外文相關文獻，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)設計說明書1篇。畢 業(yè) 設 計 任 務 書3對畢業(yè)設計課題成果的要求包括畢業(yè)設計、圖紙、實物樣品等)：畢業(yè)設計說明書一份，所撰寫的說明書要求包含設計期間所完成的分析、設計、調試工作的全部內容，說明書格式符合學校的相關規(guī)定，字數(shù)不少于15000字，用計算機排版、打印。 4畢業(yè)設計課題工作進度計劃：起 迄 日 期工 作 內 容2015年3月9 日3月28日 3月29日4月 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日調研、文獻檢索、制定技術方案 (第13周)撰告寫開題報 (第4周)完成導向裝置、行走裝置和驅動方式的選擇和傳動機構設計 (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)設計說明書 準備和進行畢業(yè)設計答辯 (第1314周)學生所在學院審查意見：負責人： 年 月 日 中 北 大 學畢業(yè)設計開題報告學 生 姓 名：冉歷學 號：1102044251學 院：機械與動力工程學院專 業(yè)：機械電子工程設計題目：絕緣子巡檢機器人的結構設計指導教師:代小林 史源源2015年 4 月 1 日開題報告填寫要求1開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經(jīng)指導教師審查后生效；2開題報告內容必須用按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；3文中應用參考文獻處應標出文獻序號，文后“參考文獻”的書寫，應按照國標GB 771487文后參考文獻著錄規(guī)則的要求書寫，不能有隨意性；4學生的“學號”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. 有關年月日等日期的填寫，應當按照國標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，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指導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 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，當有污穢、雷擊或其他原因引起閃絡時，大電流將流過劣化絕緣子的頂部，導致絕緣子掉串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 課題研究的內容 設計簡單便捷的機械裝置彌補現(xiàn)有絕緣子巡檢機器人的不足，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與電力生產(chǎn)的安全性要求相比仍然有相當?shù)木嚯x3。絕緣子串檢機器人的應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。應用機器人進行巡檢作業(yè)，可以減少因人員疏忽、漏檢等帶來的經(jīng)濟損失，提高電網(wǎng)的運行質量。(2) 可以改善檢測條件、避免安全事故的發(fā)生 國內目前的檢測方法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，因此設計一臺可以代替人工巡檢的機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) 原始的檢測方式不但耗費巨大的人力和財力， 而且檢測的質量和效率也不盡人意。因此絕緣子巡檢機器人的經(jīng)濟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 絕緣子巡檢機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景1.3.1 絕緣子巡檢機器人的概述絕緣子巡檢機器人是為實現(xiàn)輸電線路自動巡檢功能而設計的機電一體化設備，其目的是為了提高巡檢質量和效率，減少巡檢死角，改善工人勞動強度。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6的巡線機器人在線上運行時需要在復雜背景和環(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)的時候遇上掉電或者機器故障等因素失去平衡，導致機器人從高空下墜，從而造成安全事故。架空輸電線路絕緣子串檢測機器人的研制填補了國內空白，架空輸電線路絕緣子檢測機器人為實現(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，提供了強有力的技術手段和設備的支撐。目前絕緣子檢測機器人主要分為三部分，即驅動部分、橋接組件、支撐組建，如圖2所示。驅動部分能夠實現(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布電壓。但這種機器人目前只能實現(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確性，但是不足之處依然是需要相當大的人工勞動。 圖2 絕緣子串檢測機器人產(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)絡的絕緣子污穢在線遙測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用通用分組無線業(yè)務通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)了絕緣子狀態(tài)信息的遙測。然而這些先進的系統(tǒng)必須與簡單精妙的機械裝置相配合才能體現(xiàn)機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器人設計結構較為新穎，其爬行結構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。這種機器人結構簡單，但目前只有技術專利，并無樣機制造。圖6 絕緣子污穢在線監(jiān)測系統(tǒng) 綜上所述，要研發(fā)既能夠對垂直絕緣子串進行檢測，又能采用簡單便捷的方式控制機器人的運動，改進現(xiàn)有的絕緣子檢測機器人的不足，就必須充分考慮機器人的各個部位的結構設計9，通過力學計算校核各個零件的剛度10，進一步查閱相關資料選擇合適電機11，實現(xiàn)降低現(xiàn)有的機器人的基礎上重量的同時，又能夠提高檢測效率。1.3.2 絕緣子巡檢機器人的發(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)的機器人應運而生，目前，人工智能技術在美國、歐洲和日本依然飛速發(fā)展。在AI技術十分活躍的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)的更為強大的新型超級電腦-“藍色牛仔”（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域這塊基本上還未曾涉足的情況下，國內關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)，更是一個機會。絕緣子串檢測機器人是集合多傳感器融合技術、電磁兼容技術、自主導航技術、視覺識別技術、海量信息無線傳輸技術于一體的的復雜系統(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，因此設計一款性價比優(yōu)于外國的該功能的機器人將為我國乃至全球帶來一筆巨大的財富。參考文獻1 李中生，曹濤，王軍等.盤式瓷絕緣子智能檢測機器人系統(tǒng)的設計與研究J.科學技術與工程，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，1997(2):1-33 曹濤，孫大慶，趙德利等.盤式絕緣子檢測機器人在架空輸電線路的應用研究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,Byung-Hak Cho etc.Development Advanced Insulator Inspection Robot for 345KV Suspention Insulator Strings.IEEE Transaction on Power Delivery,2012,27(2)7 曹志全.紅外測溫儀在750KV絕緣子串中的應用J.寧夏電力,2011(2):9-108 Sandrik P.Measurement of voltage distribution of insulators in 400KV transmissions linesJ.electric engneering,1996(47):33-379 喬峰麗，鄭江.機械設計基礎M.機械工業(yè)出版社，2011.110 關雪峰，郝鐵生，張建軍.簡明材料力學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. 機器人技術及其應用M.機械工業(yè)出版社，200513 蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術，2001,414 蔡自興.機器人學基礎M北京:機械工業(yè)出版社，2009.5 15 肖南峰等.工業(yè)機器人M.北京：機械工業(yè)出版社，2011:15 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告設計方案：1 課題設計具體的內容1） 對絕緣子巡檢機器人作業(yè)環(huán)境進行考察，了解其選題背景，設計目的及意義，以及國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并形成符合要求的設計方案；2） 進行機器人總體結構的設計以及機器人空間布局的設計，確定其自由度、坐標形式、額定負載質量、最大活動半徑、各關節(jié)回轉范圍等，并分析機器人的動作流程；3） 校核機器人各零件的強度，查閱電機相關資料選擇合適的電機。 4） 利用SolidWorks軟件繪制機器人各零部件以及運動學仿真，得出機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) 如何進行機器人總體結構的設計和空間布局：查閱相關文獻，參考機械設計以及機器人學基礎設計等知識，對機器人進行分部設計，同時考察機器人結構，確定其工作范圍，零件安裝位置等；2) 怎么使用SolidWorks軟件以及利用SolidWorks對機器人進行運動學仿真：查閱圖書館藏書，學習使用SolidWorks軟件，同時熟悉其軟件中的各部分作用，利用他對機器人各零部件進行三維建模，然后，利用軟件進行運動學仿真；3 預期課題設計成果 畢業(yè)設計說明書一份，其中包括：課題研究的背景、目的、意義以及研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢，設計機器人的理論分析，機器人各部分具體內容，機器人空間布局以及工作流程，機器人總體繪圖模型（三維模型），SolidWorks運動學仿真步驟以及結果等。4 課題設計進度安排第一階段2015年3月9日-2015年4月4日 查閱相關文獻，完成畢業(yè)設計開題報告第二階段2015年4月5日-2015年4月18日 分析機器人的各種設計方案并確定完成其最 優(yōu)設計方案第三階段2015年4月19日-2015年5月2日 完成機器人的總體結構設計第四階段2015年5月3日-2015年5月16日 校核機器人各零部件的剛度，選擇合適的材料及電機第五階段2015年5月17日-2015年6月5日 撰寫畢業(yè)設計說明書，對外文文獻進行翻譯第六階段2015年6月6日-2015年6月10日 整理畢業(yè)設計說明書，進行畢業(yè)設計答辯 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告指導教師意見： 指導教師： 年 月 日http:/wenku.baidu.com/link?url=cS4M-kyVrNeBgm4_kNQcQJ9bEipth2xfTVUzNI4yXeUG1DXxAhIEXuvFbiZJ7abQ1x3H_mHerM_J9tWYFjBiok6DtLDnLZSEDZdUzOPul2q