畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：自動檢線機構(gòu)功能與結(jié)構(gòu)設計系別機電信息系專業(yè)機械設計制造及其自動化班級姓名學號導師2012年12月24日1畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）1.1課題的背景在電力輸送過程當中，往往會出現(xiàn)由于局部電阻過大而導致線路局部過熱等會對輸電線路造成致命危害的故障，因此需要對超高壓線路進行人工沿線逐塔巡視，危險性極大。針對這一情況，本課題旨在設計一種檢線機器人，以改善工程測量人員特別是高壓輸電線路監(jiān)測人員的工作條件、提高工作效率。1.1.2研究的意義高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的動脈，其安全運行越來越受到各級部門的重視。輸電線路不僅要承受固有機械載荷和電力負荷的內(nèi)部壓力，而且還要經(jīng)受自然環(huán)境的各種外部侵害，如：腐蝕、污穢、雷擊、強風、洪水、滑坡、沉陷、地震和鳥害等，以及人為的破壞。隨著時間的日積月累，勢必造成線路上出現(xiàn)各種故障，如：接觸電阻增大、導線斷股、避雷線斷裂、桿塔傾斜、絕緣子閃爍、金具脫落，如不及時發(fā)現(xiàn)和消除，將對電力系統(tǒng)構(gòu)成災難性的危害。為保證輸電線路安全穩(wěn)定運行，需要對輸電線路進行仔細的巡查以防止意外情況發(fā)生。在我國，超高壓輸電線路的巡檢、維護基本上采用人工沿線逐塔巡視的作業(yè)方式，勞動強度大，費用多且危險性較高。電力部門迫切需要取代人力進行線路維護的巡檢設備。研制巡檢機器人應用于超高壓輸電線路的巡檢作業(yè)，不僅可以減輕巡檢作業(yè)強度，降低費用，而且可以提高巡檢作業(yè)質(zhì)量和管理技術(shù)水平。迄今為止，國內(nèi)外對于超高壓輸電線巡檢機器人的研究還處于研制階段，尚無成熟的產(chǎn)品應用于輸電線路巡檢作業(yè)。本項目擬完成一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的110kV超高壓輸電線路巡檢機器人實用樣機，本項目的研究對于提高電力部門自動化作業(yè)程度，獲得更高的經(jīng)濟效益和社會效益具有重要的意義。該樣機可以應用于110kV超高壓輸電線路巡檢作業(yè)，其主要功能包括：巡檢機器人能夠在線路上一擋內(nèi)沿架空地線自主行走，其上攜帶的攝像機和紅外熱像儀作為檢測裝置，用于檢測輸電設備(輸電線、防震錘、絕緣子及桿塔)的損傷情況，并將檢測到的數(shù)據(jù)及圖像信息經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面基站，地面基站可以接收、存儲及顯示巡檢機器人發(fā)回來的數(shù)據(jù)和圖像資料，對機器人的運行狀態(tài)具有遠程控制和檢測能力。超高壓線路維護的費用昂貴，以1lOkV的超高壓線路為例，輸電線路全長已超過27000公里，在現(xiàn)行的維護管理模式下，超高壓線路的運行費用由人員工資及工資附加費、日常維護費、大修費和技改費組成。根據(jù)國家電力公司1999年對國內(nèi)超高壓運行單位的調(diào)查報告，線路巡視成本為每公里每年為n13780-4680元，若以4200元計算，則常規(guī)巡檢年巡檢總費用約為11340萬元。在2010年前后，隨著三峽電力外送、西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)工程的實施，我國中部、北部、南部三個跨大區(qū)電網(wǎng)和全國聯(lián)網(wǎng)已基本形成。2010年以后，按照國家“西電東送”電力可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略部署，適時開發(fā)金沙江流域的水電站，并建設直流輸電系統(tǒng)送至華東、華中電網(wǎng)和南方電網(wǎng)。隨著電力體制改革和電力運營市場化程度的提高，研制技術(shù)先進，性能優(yōu)越的輸電線路巡檢裝備已成為急需解決的問題，因而超高壓輸電線路巡檢機器人具有強烈的市場需求，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。1.3國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀高壓輸電線路檢測主要包括人工巡檢、高空巡檢和機器人巡檢三種。在我國目前大部分的巡檢任務都是通過人工巡檢來完成的。人工巡檢主要是依靠人工沿輸電線路步行或借助其他交通工具巡檢，其缺點包括：a)人工沿線巡檢受地形條件限制。b)巡檢的數(shù)據(jù)由于是人工注釋，因此數(shù)據(jù)不是很充分。c)執(zhí)行檢測任務花費的時間很長，每次巡檢還需要攀越各類塔架。d)在今天的技術(shù)條件下，一些技術(shù)被用來作為檢測方法，最大的進步就是利用熱敏照相機來檢測過熱點。在人工巡檢情況下，偶爾的光線會誤導巡檢者，另外，塔的高度限制了能夠檢測到更詳細的過熱點。高空巡檢是采用借助直升機或無人航天飛機在高空來完成巡檢任務，這種巡檢方式可以降低由于地形所帶來的影響。但缺點也很明顯，主要包括：a)記錄檢測數(shù)據(jù)仍然比較困難。b)所有的檢測工作都是在飛行階段完成的，因此增加了飛行的時間從而增加了檢測的成本。此外，對于無人航天飛機巡檢造價更高，要求的技術(shù)問題更為復雜，國內(nèi)在這一領(lǐng)域暫時還沒有研究。由于這種巡檢方式成本過高，技術(shù)復雜，因此不具有可推廣性。高壓巡檢機器人的顯著特點是可以自動跨越桿塔實現(xiàn)桿塔間的連續(xù)巡檢，完成跨越線路障礙物，這種機器人可以節(jié)省大量的物力和人力，而且安全系數(shù)更高。巡檢機器人的研究始于20世紀80年代末，日本、加拿大、美國等發(fā)達國家先后開展了巡檢機器人的研究工作。1.3.1國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前國內(nèi)關(guān)于巡檢機器人的研究主要集中在高校和研究所內(nèi)。這其中包括有武漢大學、山東大學、中科院自動化研究所和沈陽自動化研究所等。山東大學申請的專利200510042569517J(申請日：20050318)為沿110kV輸電線路自主行走的機器人及其工作方法，由機器人本體、控制裝置、傳感器、檢測裝置和無線圖像傳輸設備組成；控制裝置和無線圖像傳輸設備安裝在機器人本體中間的控制箱內(nèi)，位置傳感器安裝在機器人的各個關(guān)節(jié)電機的末端，測距傳感器和檢測障礙用的視覺傳感器CCD安裝在每只手的前方，檢測裝置包括高速球攝像機和熱成像儀通過云臺與機器人本體相連。能夠在110kV輸電線路上平穩(wěn)行走，自主地跨越輸電線上的各種障礙，代替人進行輸電線路的巡檢工作，減輕輸電線路巡檢的工作量，提高工作效率和檢測的精度，達到確保輸電線路安全運行的突出特點。這種機構(gòu)的缺點是：由于采用了三臂的結(jié)構(gòu)，這樣無形地增加了機器人的重量；此外，該機器人所實現(xiàn)的跨越障礙物的跨距有限，因此不能爬越耐張塔這種桿塔。中國科學院沈陽自動化研究所申請的發(fā)明專利200410020490818J(申請日：20040430)涉及一種超高壓輸電線巡檢機器人機構(gòu)。它由移動車體、后手臂、前手臂組成，其中：移動車體由本體和行走輪組成，行走輪通過水平轉(zhuǎn)動副和移動副安裝在本體上，并與線路相抓持，本體通過轉(zhuǎn)動副分別與前、后手臂相連，手臂末端為手爪；所述前手臂、后手臂結(jié)構(gòu)相同，其中每一手臂由上臂、下臂兩部分組成，上臂為連桿及滾珠絲杠與滑塊組合結(jié)構(gòu)，通過水平轉(zhuǎn)動副與下臂相連接，下臂為大行程伸縮機構(gòu)。該發(fā)明工作空間大、重量輕、能耗低且越障能力強。這種機構(gòu)的缺點也是由于采用了三臂結(jié)構(gòu)，所實現(xiàn)的跨越障礙物的跨距有限，因此不能爬越耐張塔這種桿塔。1.3.2國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢巡檢移動機器人利用一對驅(qū)動輪和一對夾持輪沿地線(OPOW)爬行，能跨越地線上防震錘、螺旋減震器等障礙物。遇到線塔時，機器人采用仿人攀援機理，先展開攜帶的弧形手臂，手臂兩端勾住線塔兩側(cè)的地線，構(gòu)成一個導軌，然后本體順著導軌滑到線塔的另一側(cè)；待機器人夾持輪抱緊線塔另一側(cè)的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。該機器人運動控制是把線塔和地線的資料數(shù)據(jù)(線塔的高度、位置，地線長度，線路上附件數(shù)量等)預先編制好程序輸入機器人，因此不具有很好的自主性；此外該機器人是將探測數(shù)據(jù)記錄到磁帶上，等巡檢完一個階段再取下進行分析數(shù)據(jù)，也不具有控制的實時性。1990年日本法政大學的HideNa等人開發(fā)了電氣列車饋電電纜巡檢機器人，機器人采用多關(guān)節(jié)小車結(jié)構(gòu)和“頭部決策，尾部跟隨”的仿生控制體系，以10om/s的速度沿電纜平穩(wěn)爬行，并能跨越分支線，絕緣子等障礙物。機器人由六對左右對稱、相互聯(lián)結(jié)的小車組成，每個單體小車有兩個電機，一個用于行走驅(qū)動，另一個用于控制聯(lián)結(jié)前后小車的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角；左右小車采用具有自保安功能的磁鎖系統(tǒng)聯(lián)結(jié)。磁鎖系統(tǒng)永久磁鐵將左右小車牢牢鎖緊，使兩車橡膠驅(qū)動輪抱住饋電電纜，由行走電機驅(qū)動沿電纜平穩(wěn)爬行。當機器人遇到分支線，絕緣子等障礙物時，每對小車上磁鎖系統(tǒng)中的電磁鐵通電，順次將磁鎖打開，機器人再改變兩側(cè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角，使左右小車分開。小車依次通過障礙物后，控制兩側(cè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使左右小車合攏，電磁鐵斷電，磁鎖再次鎖緊，機器人恢復正常行走狀態(tài)。東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復合架空地線一的直線型桿塔間的巡檢是比較方便的，但不具有在多種類型桿塔間爬行的功能。加拿大魁北克水電研究院的SergeMontambault等人2000年開始了HQLineROVer遙控小車16J的研制工作。遙控小車起初用于清除電力傳輸線地線上的積冰，逐漸發(fā)展為用于線路巡檢、維護等多用途移動平臺。第三代原型機結(jié)構(gòu)緊湊(23X17X12cm)，僅重25kg，驅(qū)動力大，抗電磁干擾能力強，能爬52。的斜坡，通信距離可達1km。小車采用靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，安裝不同的工作頭即可完成架空線視覺和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評估、導線和地線更換、導線清污和除冰等帶電作業(yè)，已在工作電流為800A的315kV電力線上進行了多次現(xiàn)場測試。但是，HQLineROVer無越障能力，只能在兩線塔間的電力線上工作。目前，研究組正在開發(fā)具有越障功能的自治移動小車。2本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1主要內(nèi)容和要求針對目前的高壓輸電線路容易出現(xiàn)的問題，所設計的巡檢機器人要求能以一定的速度沿地線爬行，并能跨越防振錘、耐張線夾、懸垂線夾等常規(guī)障礙物，還必須能翻越各種類型的桿塔，利用機器人攜帶的傳感儀器對輸電線路實施接近檢測。其主要收集的信息包括：2.1.1輸電線路組件(包括線跨距和桿塔)的狀態(tài)信息：包括絕緣子、防振錘等。通過分析來判斷其是否處于異常狀態(tài)或已經(jīng)損壞。2.1.2沿高壓線路通道信息(平行、交差、環(huán)境)：沿線植物、建筑物、地上