绝缘子巡检机器人结构设计开题报告.doc

中 北 大 学毕业设计任务书学 院：机械与动力工程学院专 业：机械电子工程学 生 姓 名：冉历学 号：1102044251设计题目：绝缘子巡测机器人结构设计起 迄 日 期:2015年3 月9日 2015年6月10 日设计地点:瑞学楼410指 导 教 师:代小林 史源源负 责 人:赵俊生发任务书日期: 2015 年 3 月 9 日任务书填写要求1毕业设计任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在学院的负责人审查、负责人签字后生效。此任务书应在毕业设计开始前一周内填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及学院领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“学院”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号（如0201140102,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；5有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。毕 业 设 计 任 务 书1毕业设计课题的任务和要求： 绝缘子是高压架空导线与杆塔件的支撑链接部件，绝缘子串中如出现劣化、污秽时容易出现闪络，大电流流过劣化绝缘子时导致绝缘子掉串，严重影响输电线路的安全。目前绝缘子检测主要采用人工检测方式、该方式劳动强度大、效率低，与电力生产的安全性要求仍有比较大的距离。绝缘子巡检机器人能自动实现在绝缘子串上的行走与检测，是当前的电力系统机器人技术的研究热点。本课题拟对500kv高压电网绝缘子机器人的机械结构进行设计与分析。2毕业设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1）要求机器人重量总小于20kg，爬行速度不小于3m/min；2）要求机器人能适应500kv高压电网的单串、双串、悬垂串、耐张串；3）完成导向装置、行走装置、各电机及传动装置、以及整体结构的设计与校核，并通过三维实体建模软件solidworks建立机器人结构模型；4）查阅相关技术文献15篇以上，其中至少有2篇外文相关文献，并将其中1篇不少于2000词的外文资料翻译成汉语；5）撰写毕业设计说明书1篇。毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计课题成果的要求包括毕业设计、图纸、实物样品等)：毕业设计说明书一份，所撰写的说明书要求包含设计期间所完成的分析、设计、调试工作的全部内容，说明书格式符合学校的相关规定，字数不少于15000字，用计算机排版、打印。 4毕业设计课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 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日调研、文献检索、制定技术方案 (第13周)撰告写开题报 (第4周)完成导向装置、行走装置和驱动方式的选择和传动机构设计 (第56周)完成校核计算 (第79周)完成实体建模 (第1012周)撰写毕业设计说明书 准备和进行毕业设计答辩 (第1314周)学生所在学院审查意见：负责人： 年 月 日 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：冉历学 号：1102044251学 院：机械与动力工程学院专 业：机械电子工程设计题目：绝缘子巡检机器人的结构设计指导教师:代小林 史源源2015年 4 月 1 日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如0201140102,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：1.1选题背景架空输电线路上的绝缘子（如图1所示）作为导线与杆塔间的支撑连接部件，在保证电力系统正常生产，安全运行，可靠性供电方面占有极其重要的地位，绝缘子的可靠性和质量直接影响输电线路的运行安全。绝缘子的劣化不仅引起其机械性能的下降，也造成其电气性能的丧失。绝缘子串中如有一定数量的劣化绝缘子存在，当有污秽、雷击或其他原因引起闪络时，大电流将流过劣化绝缘子的顶部，导致绝缘子掉串1。图1 架空输电线路和绝缘子1.2课题研究的目的、内容及意义1.2.1 课题研究的目的为了保证输电线路用的绝缘子运行安全，因此需要定期地进行劣化绝缘子检测2，从而确定绝缘子是否需要更换。1.2.2 课题研究的内容 设计简单便捷的机械装置弥补现有绝缘子巡检机器人的不足，实现对零值或低值绝缘子的巡检工能。1.2.3课题研究的意义(1) 能有效检测需要更换的零值或低值绝缘子目前绝缘子检测主要采用人工检测的方式，人工检测的方式和技术与电力生产的安全性要求相比仍然有相当的距离3。绝缘子串检机器人的应用范围主要是停电或带电的架空输电线路的绝缘子，尤其是超高压、特高压的输电线路上，可有效替代人工绝缘子的的检测工作。应用机器人进行巡检作业，可以减少因人员疏忽、漏检等带来的经济损失，提高电网的运行质量。(2) 可以改善检测条件、避免安全事故的发生 国内目前的检测方法4主要有火花叉法、小球放电法，红外热像仪法、绝缘电阻法等。这些方法的原理不同，操作方法也不同， 经过对比分析可知，由于大多数零值掉串事故发生在大雾天气，湿度较大，因此，检测绝缘子时，各种方法都存在较大缺陷。由于架空输电线路一般设计在高空，加上高压输电对于高空检测工作人员的危险性，因此设计一台可以代替人工巡检的机器可以显著减少人工作业的安全隐患。(3) 可以减少人力，便于有节奏的生产 原始的检测方式不但耗费巨大的人力和财力， 而且检测的质量和效率也不尽人意。因此绝缘子巡检机器人的经济效益就得到了充分的体现，一旦投入批量生产，将为全人类带来一笔巨大的财富5。 1.3 绝缘子巡检机器人的研究现状及发展前景1.3.1 绝缘子巡检机器人的概述绝缘子巡检机器人是为实现输电线路自动巡检功能而设计的机电一体化设备，其目的是为了提高巡检质量和效率，减少巡检死角，改善工人劳动强度。对保证输电系统的安全可靠运行具有重要意义。基于双臂联动攀爬技术6的巡线机器人在线上运行时需要在复杂背景和环境下识别架空输电线路相线和地线上安装的绝缘子、悬垂线夹、耐张线夹等线路附件。同时要具有自锁功能，以防在高空作业的时候遇上掉电或者机器故障等因素失去平衡，导致机器人从高空下坠，从而造成安全事故。架空输电线路绝缘子串检测机器人的研制填补了国内空白，架空输电线路绝缘子检测机器人为实现架空输电线路全面的信息化、数字化、自动化、互动化的控制，提供了强有力的技术手段和设备的支撑。目前绝缘子检测机器人主要分为三部分，即驱动部分、桥接组件、支撑组建，如图2所示。驱动部分能够实现在绝缘子上的攀爬和自主定位，能够客服重力、摩擦力等外力的影响，实现在绝缘子设备上的自主移动、精确定位及位置锁定；桥接组件承载电源、检测组件、驱动控制电路、视屏传输电路等，通过绝缘子检测仪在线路带电或停电的情况下，定量测出每片绝缘子的绝缘电阻及分布电压。但这种机器人目前只能实现对于耐张串（如图3所示）的检测，无法实现实现在垂直绝缘子串（如图4所示）上的爬行与检测。如由宁夏电力公司超高压分公司设计的红外检测方法红外测温仪7在750KV绝缘子串的检测通过检测绝缘子的温度判定零值或低值的绝缘子同400KV8下采用火花叉法检测相比，提高了高压检测的准确性，但是不足之处依然是需要相当大的人工劳动。 图2 绝缘子串检测机器人产品图 图4 绝缘子红外测温仪 图3 耐张串 图5 垂直绝缘子串 截止目前，已经有很多科研单位研制了基于线路绝缘状态的某个特征量的在线监测系统，投入运行以来都取得了很大的成功，如为西安某公司研制的基于GPRS网络的绝缘子污秽在线遥测系统。该系统利用通用分组无线业务通信网络，实现了绝缘子状态信息的遥测。然而这些先进的系统必须与简单精妙的机械装置相配合才能体现机器为人类所带来的价值。由深圳市北粤科技开发有限公司开发的盘式绝缘子检测机器人设计结构较为新颖，其爬行结构包含升降装置以及升降装置的第一夹紧装置和第二夹紧装置；一个夹紧装置夹住绝缘子的芯棒并运动时，另一夹紧装置则松开并在升降装置的驱动下反向运动。夹紧爪的外形与绝缘子芯棒的形状相匹配，夹持座形状与绝缘子衫裙外沿形状相适配。这种机器人结构简单，但目前只有技术专利，并无样机制造。图6 绝缘子污秽在线监测系统 综上所述，要研发既能够对垂直绝缘子串进行检测，又能采用简单便捷的方式控制机器人的运动，改进现有的绝缘子检测机器人的不足，就必须充分考虑机器人的各个部位的结构设计9，通过力学计算校核各个零件的刚度10，进一步查阅相关资料选择合适电机11，实现降低现有的机器人的基础上重量的同时，又能够提高检测效率。1.3.2 绝缘子巡检机器人的发展前景在智能化与信息化高速发展的现在，适用于各行各业的机器人应运而生，目前，人工智能技术在美国、欧洲和日本依然飞速发展。在AI技术十分活跃的IBM公司已经在人工智能方面取得了不朽的功绩，并且为公司和全人类带了巨大的财富，例如其公司制造的ASCIWhit电脑12，号称具有人脑千分之一的智力能力。而正在开发的更为强大的新型超级电脑-“蓝色牛仔”（BlueJean）12则号称可以与人的智力不相伯仲。在这种充满挑战与威胁的国际背景下，发展我国自己的适用性机器人是赶上甚至超越外国的必经之路。所以在检测失效绝缘子智能领域这块基本上还未曾涉足的情况下，国内关于绝缘子检测的研究还处于起步阶段，这不仅是一种挑战，更是一个机会。绝缘子串检测机器人是集合多传感器融合技术、电磁兼容技术、自主导航技术、视觉识别技术、海量信息无线传输技术于一体的的复杂系统，可以有效检测高压输电线路中的零值或低值的绝缘子。这就要求了该机器人必须与高速发展的人工智能接轨13-15。由于适用于全球各个国家，因此设计一款性价比优于外国的该功能的机器人将为我国乃至全球带来一笔巨大的财富。参考文献1 李中生，曹涛，王军等.盘式瓷绝缘子智能检测机器人系统的设计与研究J.科学技术与工程，2013，13(15):4400-44012 林凤羽.送电线路绝缘子性能综述J.山东电力技术，1997(2):1-33 曹涛，孙大庆，赵德利等.盘式绝缘子检测机器人在架空输电线路的应用研究J.电瓷避雷器，2013.4,2:11-124 卢明，姚德贵，张国民等.劣化绝缘子检测方法的对比分析J.电瓷避雷器， 2006(5):10-115 朱虎，李卫国，林冶.绝缘子检测方法的现状与发展J.电瓷避雷器，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.红外测温仪在750KV绝缘子串中的应用J.宁夏电力,2011(2):9-108 Sandrik P.Measurement of voltage distribution of insulators in 400KV transmissions linesJ.electric engneering,1996(47):33-379 乔峰丽，郑江.机械设计基础M.机械工业出版社，2011.110 关雪峰，郝铁生，张建军.简明材料力学M北京:电子工业出版社，2011.611 赵俊生，樊文欣，张保成等.电机与电气控制及PLCM.北京:电子工业出版社， 2009.1012 谢存禧，张铁. 机器人技术及其应用M.机械工业出版社，200513 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001,414 蔡自兴.机器人学基础M北京:机械工业出版社，2009.5 15 肖南峰等.工业机器人M.北京：机械工业出版社，2011:15 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：1 课题设计具体的内容1） 对绝缘子巡检机器人作业环境进行考察，了解其选题背景，设计目的及意义，以及国内外研究现状和发展趋势，并形成符合要求的设计方案；2） 进行机器人总体结构的设计以及机器人空间布局的设计，确定其自由度、坐标形式、额定负载质量、最大活动半径、各关节回转范围等，并分析机器人的动作流程；3） 校核机器人各零件的强度，查阅电机相关资料选择合适的电机。 4） 利用SolidWorks软件绘制机器人各零部件以及运动学仿真，得出机器人在实际工作中运动轨迹图；2 需要考虑的主要问题及解决方法1) 如何进行机器人总体结构的设计和空间布局：查阅相关文献，参考机械设计以及机器人学基础设计等知识，对机器人进行分部设计，同时考察机器人结构，确定其工作范围，零件安装位置等；2) 怎么使用SolidWorks软件以及利用SolidWorks对机器人进行运动学仿真：查阅图书馆藏书，学习使用SolidWorks软件，同时熟悉其软件中的各部分作用，利用他对机器人各零部件进行三维建模，然后，利用软件进行运动学仿真；3 预期课题设计成果 毕业设计说明书一份，其中包括：课题研究的背景、目的、意义以及研究现状、发展趋势，设计机器人的理论分析，机器人各部分具体内容，机器人空间布局以及工作流程，机器人总体绘图模型（三维模型），SolidWorks运动学仿真步骤以及结果等。4 课题设计进度安排第一阶段2015年3月9日-2015年4月4日 查阅相关文献，完成毕业设计开题报告第二阶段2015年4月5日-2015年4月18日 分析机器人的各种设计方案并确定完成其最 优设计方案第三阶段2015年4月19日-2015年5月2日 完成机器人的总体结构设计第四阶段2015年5月3日-2015年5月16日 校核机器人各零部件的刚度，选择合适的材料及电机第五阶段2015年5月17日-2015年6月5日 撰写毕业设计说明书，对外文文献进行翻译第六阶段2015年6月6日-2015年6月10日 整理毕业设计说明书，进行毕业设计答辩 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见： 指导教师： 年 月 日http:/wenku.baidu.com/link?url=cS4M-kyVrNeBgm4_kNQcQJ9bEipth2xfTVUzNI4yXeUG1DXxAhIEXuvFbiZJ7abQ1x3H_mHerM_J9tWYFjBiok6DtLDnLZSEDZdUzOPul2q