絕緣子巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開題報(bào)告.doc

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中 北 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué) 院： 機(jī)械與動力工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 學(xué) 生 姓 名： 冉歷 學(xué) 號： 1102044251 設(shè)計(jì)題目： 絕緣子巡測機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 起 迄 日 期: 2015年3 月9日~ 2015年6月10 日 設(shè)計(jì)地點(diǎn): 瑞學(xué)樓410 指 導(dǎo) 教 師: 代小林 史源源 負(fù) 責(zé) 人: 趙俊生 發(fā)任務(wù)書日期: 2015 年 3 月 9 日  任務(wù)書填寫要求 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在學(xué)院的負(fù)責(zé)人審查、負(fù)責(zé)人簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生； 2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)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(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫； 4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“學(xué)院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)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(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的任務(wù)和要求： 絕緣子是高壓架空導(dǎo)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(shí)容易出現(xiàn)閃絡(luò)，大電流流過劣化絕緣子時(shí)導(dǎo)致絕緣子掉串，嚴(yán)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(qiáng)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(jī)器人能自動實(shí)現(xiàn)在絕緣子串上的行走與檢測，是當(dāng)前的電力系統(tǒng)機(jī)器人技術(shù)的研究熱點(diǎn)。本課題擬對500kv高壓電網(wǎng)絕緣子機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。 2．畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的具體工作內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 1）要求機(jī)器人重量總小于20kg，爬行速度不小于3m/min； 2）要求機(jī)器人能適應(yīng)500kv高壓電網(wǎng)的單串、雙串、懸垂串、耐張串； 3）完成導(dǎo)向裝置、行走裝置、各電機(jī)及傳動裝置、以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核，并通過三維實(shí)體建模軟件solidworks建立機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型； 4）查閱相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)15篇以上，其中至少有2篇外文相關(guān)文獻(xiàn)，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(shè)計(jì)說明書1篇。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 3．對畢業(yè)設(shè)計(jì)課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)、圖紙、實(shí)物樣品等)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一份，所撰寫的說明書要求包含設(shè)計(jì)期間所完成的分析、設(shè)計(jì)、調(diào)試工作的全部內(nèi)容，說明書格式符合學(xué)校的相關(guān)規(guī)定，字?jǐn)?shù)不少于15000字，用計(jì)算機(jī)排版、打印。 4．畢業(yè)設(shè)計(jì)課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 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(diào)研、文獻(xiàn)檢索、制定技術(shù)方案 (第1~3周) 撰告寫開題報(bào) (第4周) 完成導(dǎo)向裝置、行走裝置和驅(qū)動方式的選擇和傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) (第5~6周) 完成校核計(jì)算 (第7~9周) 完成實(shí)體建模 (第10~12周) 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 準(zhǔn)備和進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 (第13~14周) 學(xué)生所在學(xué)院審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 中 北 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 冉歷 學(xué) 號： 1102044251 學(xué) 院： 機(jī)械與動力工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 設(shè)計(jì)題目： 絕緣子巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師: 代小林 史源源 2015年 4 月 1 日  開題報(bào)告填寫要求 1．開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師審查后生效； 2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)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(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．文中應(yīng)用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號，文后“參考文獻(xiàn)”的書寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714—87《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性； 4．學(xué)生的“學(xué)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(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”； 6. 指導(dǎo)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(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 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(dǎo)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(yùn)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(zhì)量直接影響輸電線路的運(yùn)行安全。絕緣子的劣化不僅引起其機(jī)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(dāng)有污穢、雷擊或其他原因引起閃絡(luò)時(shí)，大電流將流過劣化絕緣子的頂部，導(dǎo)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(nèi)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(yùn)行安全，因此需要定期地進(jìn)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(nèi)容 設(shè)計(jì)簡單便捷的機(jī)械裝置彌補(bǔ)現(xiàn)有絕緣子巡檢機(jī)器人的不足，實(shí)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(shù)與電力生產(chǎn)的安全性要求相比仍然有相當(dāng)?shù)木嚯x[3]。絕緣子串檢機(jī)器人的應(yīng)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(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行巡檢作業(yè)，可以減少因人員疏忽、漏檢等帶來的經(jīng)濟(jì)損失，提高電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。 (2) 可以改善檢測條件、避免安全事故的發(fā)生 國內(nèi)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(shí)，各種方法都存在較大缺陷。由于架空輸電線路一般設(shè)計(jì)在高空，加上高壓輸電對于高空檢測工作人員的危險(xiǎn)性，因此設(shè)計(jì)一臺可以代替人工巡檢的機(jī)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(fèi)巨大的人力和財(cái)力， 而且檢測的質(zhì)量和效率也不盡人意。因此絕緣子巡檢機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)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(cái)富[5]。 1.3 絕緣子巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 1.3.1 絕緣子巡檢機(jī)器人的概述 絕緣子巡檢機(jī)器人是為實(shí)現(xiàn)輸電線路自動巡檢功能而設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化設(shè)備，其目的是為了提高巡檢質(zhì)量和效率，減少巡檢死角，改善工人勞動強(qiáng)度。對保證輸電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。基于雙臂聯(lián)動攀爬技術(shù)[6]的巡線機(jī)器人在線上運(yùn)行時(shí)需要在復(fù)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(shí)要具有自鎖功能，以防在高空作業(yè)的時(shí)候遇上掉電或者機(jī)器故障等因素失去平衡，導(dǎo)致機(jī)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(jī)器人的研制填補(bǔ)了國內(nèi)空白，架空輸電線路絕緣子檢測機(jī)器人為實(shí)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(qiáng)有力的技術(shù)手段和設(shè)備的支撐。 目前絕緣子檢測機(jī)器人主要分為三部分，即驅(qū)動部分、橋接組件、支撐組建，如圖2所示。驅(qū)動部分能夠?qū)崿F(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(shí)現(xiàn)在絕緣子設(shè)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(qū)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(jī)器人目前只能實(shí)現(xiàn)對于耐張串（如圖3所示）的檢測，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)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(shè)計(jì)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400KV[8]下采用火花叉法檢測相比，提高了高壓檢測的準(zhǔn)確性，但是不足之處依然是需要相當(dāng)大的人工勞動。 圖2 絕緣子串檢測機(jī)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(gè)特征量的在線監(jiān)測系統(tǒng)，投入運(yùn)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(luò)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(wù)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了絕緣子狀態(tài)信息的遙測。然而這些先進(jìn)的系統(tǒng)必須與簡單精妙的機(jī)械裝置相配合才能體現(xiàn)機(jī)器為人類所帶來的價(jià)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(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為新穎，其爬行結(jié)構(gòu)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(gè)夾緊裝置夾住絕緣子的芯棒并運(yùn)動時(shí)，另一夾緊裝置則松開并在升降裝置的驅(qū)動下反向運(yùn)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(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，但目前只有技術(shù)專利，并無樣機(jī)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?qū)Υ怪苯^緣子串進(jìn)行檢測，又能采用簡單便捷的方式控制機(jī)器人的運(yùn)動，改進(jìn)現(xiàn)有的絕緣子檢測機(jī)器人的不足，就必須充分考慮機(jī)器人的各個(gè)部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]，通過力學(xué)計(jì)算校核各個(gè)零件的剛度[10]，進(jìn)一步查閱相關(guān)資料選擇合適電機(jī)[11]，實(shí)現(xiàn)降低現(xiàn)有的機(jī)器人的基礎(chǔ)上重量的同時(shí)，又能夠提高檢測效率。 1.3.2 絕緣子巡檢機(jī)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(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，目前，人工智能技術(shù)在美國、歐洲和日本依然飛速發(fā)展。在AI技術(shù)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(cái)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(qiáng)大的新型超級電腦---“藍(lán)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(jī)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(lǐng)域這塊基本上還未曾涉足的情況下，國內(nèi)關(guān)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(gè)機(jī)會。絕緣子串檢測機(jī)器人是集合多傳感器融合技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、視覺識別技術(shù)、海量信息無線傳輸技術(shù)于一體的的復(fù)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(jī)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(gè)國家，因此設(shè)計(jì)一款性價(jià)比優(yōu)于外國的該功能的機(jī)器人將為我國乃至全球帶來一筆巨大的財(cái)富。 參考文獻(xiàn) [1] 李中生，曹濤，王軍等.盤式瓷絕緣子智能檢測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(15):4400-4401 [2] 林鳳羽.送電線路絕緣子性能綜述[J].山東電力技術(shù)，1997(2):1-3 [3] 曹濤，孫大慶，趙德利等.盤式絕緣子檢測機(jī)器人在架空輸電線路的應(yīng)用研究[J].電瓷避雷器，2013.4,2:11-12 [4] 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):10-11 [5] 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對絕緣子巡檢機(jī)器人作業(yè)環(huán)境進(jìn)行考察，了解其選題背景，設(shè)計(jì)目的及意義，以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并形成符合要求的設(shè)計(jì)方案； 2） 進(jìn)行機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及機(jī)器人空間布局的設(shè)計(jì)，確定其自由度、坐標(biāo)形式、額定負(fù)載質(zhì)量、最大活動半徑、各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍等，并分析機(jī)器人的動作流程； 3） 校核機(jī)器人各零件的強(qiáng)度，查閱電機(jī)相關(guān)資料選擇合適的電機(jī)。 4） 利用SolidWorks軟件繪制機(jī)器人各零部件以及運(yùn)動學(xué)仿真，得出機(jī)器人在實(shí)際工作中運(yùn)動軌跡圖； 2 需要考慮的主要問題及解決方法 1) 如何進(jìn)行機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和空間布局：查閱相關(guān)文獻(xiàn)，參考機(jī)械設(shè)計(jì)以及機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等知識，對機(jī)器人進(jìn)行分部設(shè)計(jì)，同時(shí)考察機(jī)器人結(jié)構(gòu)，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(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真：查閱圖書館藏書，學(xué)習(xí)使用SolidWorks軟件，同時(shí)熟悉其軟件中的各部分作用，利用他對機(jī)器人各零部件進(jìn)行三維建模，然后，利用軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真； 3 預(yù)期課題設(shè)計(jì)成果 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)機(jī)器人的理論分析，機(jī)器人各部分具體內(nèi)容，機(jī)器人空間布局以及工作流程，機(jī)器人總體繪圖模型（三維模型），SolidWorks運(yùn)動學(xué)仿真步驟以及結(jié)果等。 4 課題設(shè)計(jì)進(jìn)度安排 第一階段2015年3月9日-2015年4月4日 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 第二階段2015年4月5日-2015年4月18日 分析機(jī)器人的各種設(shè)計(jì)方案并確定完成其最 優(yōu)設(shè)計(jì)方案 第三階段2015年4月19日-2015年5月2日 完成機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第四階段2015年5月3日-2015年5月16日 校核機(jī)器人各零部件的剛度，選擇合適的材料及電機(jī) 第五階段2015年5月17日-2015年6月5日 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，對外文文獻(xiàn)進(jìn)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(shè)計(jì)說明書，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師： 年 月 日  http://wenku.baidu.com/link?url=cS4M-kyVrNeBgm4_kNQcQJ9bEipth2xfTVUzNI4yXeUG1DXxAhIEXuvFbiZJ7abQ1x3H_mHerM_J9tWYFjBiok6DtLDnLZSEDZdUzOPul2q