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输电线路巡检机器人设计与实验研究

作　者: 凌烈
导　师: 李树军; 王洪光
学　校: 东北大学
专　业: 机械工程
关键词: 超高压输电线路巡检机器人机构设计变距越障机构恒力矩夹持机构
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

输电线路巡检机器人是机器人研究领域的热点课题之一。本文以863计划项目“超高压输电线路巡检机器人技术与系统”为依托,面向电力系统的实际需求,开展了输电线路巡检机器人的机械设计与实验研究,包括500kV超高压输电线路巡检作业环境的分析、巡检机器人机构设计、运动学建模与分析、静力学建模与力特性分析以及机器人结构设计等,基于研制出的巡检机器人样机系统,开展了实验室性能测试以及实际线路的现场巡检实验研究,具体研究内容如下：首先介绍了机器人巡检作业环境,根据典型工况进行了目标障碍的三维建模,根据作业环境及巡检作业任务要求确定了巡检机器人的总体方案,进行了巡检机器人的机构设计与分析。第二,建立了巡检机器人的运动学模型,将巡检机器人的行走过程分为跨越直线塔阶段、沿架空地线行走阶段以及跨越辅助耐张塔导轨等三个阶段,并对巡检机器人的越障特性进行了详细分析。另外针对输电线路障碍物尺寸变化的情况,分析了双臂变距越障机构对障碍物长度尺寸变化的适应性。第三,建立了巡检机器人的静力学模型,给出了机器人在线路上静止时力和力矩平衡方程,在分析了机器人爬坡能力的基础上设计了恒力矩夹持机构,提高了机器人的爬坡能力。另外根据机器人力特性的分析,计算出各个关节力矩及转速,选出适合的电机及减速器。第四,在机器人机构设计及力特性分析的基础上,根据实际需求进行了各个关节的传动系统设计,并基于行走越障任务设计了具体机器人结构,对关键的零部件进行了有限元分析校核,根据分析结果进一步对零部件进行了优化设计。最后,在实验室搭建的模拟架空输电线路上,对巡检机器人进行了典型障碍的跨越实验。在实际带电线路环境下,进行了直线塔和辅助耐张塔导轨的越障实验。实验结果表明,本文提出的巡检机器人机构是合理的,设计的机械结构符合输电线路巡检要求,制作的样机系统具备了500kV超高压输电线路巡检作业能力。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-19
  1.1 课题研究的目的和意义  11-12
  1.2 巡检机器人国内外研究概况  12-16
    1.2.1 国外研究概况  12-14
    1.2.2 国内研究概况  14-16
  1.3 巡检机器人机构的关键技术  16-17
  1.4 论文的主要研究内容及工作  17-19
第2章巡检机器人机构设计  19-31
  2.1 引言  19
  2.2 巡检作业环境及障碍物类型  19-22
  2.3 巡检机器人的作业内容及设计要求  22-23
    2.3.1 巡检机器人的作业内容  23
    2.3.2 巡检机器人的设计要求  23
  2.4 巡检机器人机构的设计分析  23-30
    2.4.1 巡检机器人机构方案比较  24-26
    2.4.2 行走机构  26
    2.4.3 越障机构  26-27
    2.4.4 双臂变距机构  27-28
    2.4.5 质心调整机构  28
    2.4.6 手臂夹持机构  28-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章机器人的运动学建模与分析  31-43
  3.1 引言  31
  3.2 巡检机器人运动学建模  31-36
    3.2.1 正向运动学分析  33-35
    3.2.2 逆向运动学分析  35-36
  3.3 巡检机器人行走特性分析  36-37
  3.4 巡检机器人越障特性分析  37-42
    3.4.1 典型直线塔障碍越障流程  38-39
    3.4.2 耐张塔下接辅助导轨越障流程  39-41
    3.4.3 巡检机器人双臂变距越障机构分析  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章机器人静力学建模与力特性分析  43-53
  4.1 引言  43
  4.2 静力学建模  43-44
  4.3 爬坡能力分析  44-47
    4.3.1 机器人爬坡时受力情况分析  44-46
    4.3.2 恒力矩行走夹持机构  46-47
  4.4 越障能力分析  47-49
  4.5 关节力矩及转速  49-52
  4.6 本章小结  52-53
第5章巡检机器人结构设计  53-63
  5.1 引言  53
  5.2 传动系统设计  53-55
    5.2.1 电机与传动轴直连  53-54
    5.2.2 梯形丝杠丝母传动  54
    5.2.3 蜗轮蜗杆副传动  54-55
    5.2.4 齿轮副传动  55
  5.3 巡检机器人结构设计  55-58
    5.3.1 行走驱动结构  55-56
    5.3.2 变距越障结构  56
    5.3.3 行走夹持结构  56-57
    5.3.4 质心调节结构  57-58
  5.4 零部件有限元分析  58-61
  5.5 本章小结  61-63
第6章巡检机器人实验  63-75
  6.1 引言  63
  6.2 实验室模拟实验  63-69
    6.2.1 实验室模拟线路越障实验  64-66
    6.2.2 实验室模拟大角度线路爬坡实验  66-69
  6.3 现场实验  69-73
    6.3.1 机器人跨越直线塔  70-71
    6.3.2 机器人跨越下接导轨  71-72
    6.3.3 机器人跨越侧接导轨  72-73
  6.4 本章小结  73-75
第7章结论与展望  75-77
  7.1 全文总结  75-76
  7.2 展望  76-77
参考文献  77-81
致谢  81-83
攻读学位期间发表的论著和科研、获奖情况  83-85
作者简介  85

输电线路巡检机器人设计与实验研究

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