巡检机器人机械结构系统设计与制作(附件)
摘 要摘 要 由于人工巡检比较艰苦且巡检机器人在市场的需求越来越高，因此，为了满足市场需求且减少工作人员在现场巡检的可能性，设计与制作了一种巡检机器人的机械结构。该巡检机器人是由头部结构、车体框架以及驱动方式三大部分组成。头部结构采用混合式步进电机驱动，利用两对相互啮合的齿轮机构根据其传动比传递转矩，可实现头部两自由度的运动“点头”、“摇头”，即水平方向的旋转和竖直方向的俯仰，本文的工作任务也包括对头部内部的齿轮、轴承、轴等零部件进行设计并校核，必须满足强度要求。另，参考网上搜索的许多巡检机器人的外形图片以及智能小车外形，本文对巡检机器人的车身结构进行了简化设计，以便后期的加工制作。此外，本文也设计比较了巡检机器人的多种驱动方案，最终确定其由两减速电机驱动两前轮运动并由两全向轮控制方向的方案。本文在设计了巡检机器人的整体机械结构的基础上，为了检测其设计机构的可行性，利用Pro/E软件对其各个零件进行了三维绘图并装配，之后给予驱动力实现其运动仿真。根据以上实验结果的可行性，我对该巡检机器人进行了实物制作，并确认其结构的可行性。该巡检机器人的结构设计合理，且加工制作成本低廉，能够配合控制系统较好的完成相应的任务。关键词：巡检机器人；头部结构；驱动方式；三维模型；运动仿真目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 国内外发展状况 2
1.3 课题研究的目标和内容 3
第二章 巡检机器人头部结构设计 4
2.1 头部结构的设计方案 4
2.2 头部结构的设计及校核 6
2.2.1 俯仰电机的选择 6
2.2.2 水平旋转电机的选择 10
2.2.3 水平旋转齿轮的设计及校核 11
2.2.4 俯仰齿轮的设计及校核 17
2.2.5 俯仰轴的设计及校核 22
2.2.6 轴承的选择及其校核 28
2.3 头部结构的组装 30
2.4 本章小结 31
第三章 巡检机器人框架结构设计 32
3.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
3 水平旋转齿轮的设计及校核 11
2.2.4 俯仰齿轮的设计及校核 17
2.2.5 俯仰轴的设计及校核 22
2.2.6 轴承的选择及其校核 28
2.3 头部结构的组装 30
2.4 本章小结 31
第三章 巡检机器人框架结构设计 32
3.1 巡检机器人各部分的连接 32
3.2 巡检机器人身体框架的造型设计 33
3.2.1 巡检机器人外观造型的设计 33
3.2.2 巡检机器人内部结构的设计 34
3.3 本章小结 35
第四章 巡检机器人驱动方式的选择 36
4.1 巡检机器人驱动方式的种类及定案 36
4.2 巡检机器人减速电机的选择 36
4.3 巡检机器人轮胎的选型 37
4.4 本章小结 38
第五章 巡检机器人的三维模型仿真及制作 39
5.1 PRO/E软件的简介 39
5.2 巡检机器人零件的绘制及渲染 39
5.3 巡检机器人三维模型的装配及仿真 41
5.4 巡检机器人实物的制作 46
5.5 本章小结 47
结论 48
致谢 50
参考文献 51
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着输电技术的发展，人们对于长距离输电的要求越来越高，且很多电力线及杆塔附件不能安装在室内，这必然造成线路长期受到环境的腐蚀以及机械张力的影响而不断老化、磨损。这就造成了输电公司的一大难题：如果这些电路的老化和磨损等缺陷不及时修复，可能造成更加严重的后果，例如大面积的停电，电力事故，人员损伤及经济损失等。所以这必须要求及时检查电路的问题以得到反馈，从而解决。目前，在国内对于输电线路的检测方法主要有3种：（1）变电站人工巡视[1]：变电站的工人用眼睛对线路进行观察，充分利人体五官对线路情况做出简单的判断，其中直接可以观察到的如参数是否正确、是否漏水等；通过触摸感受的如设备振动大小、温升等；或是通过声音来判断的如振动的响声和设备运行时的声音是否异常等；也可以通过气味的特殊性进行判断等。往往，这些都是需要有经验的工作人员才能完成，对于巡检的人员要求较高。（2）“五遥”微机监控：“五遥”是指遥测、遥信、遥控、遥调以及遥视。传统的变电站只具备其中的四遥，即遥测、遥信、遥控和遥调，忽视了发生事故之后对于事故发展的准确判断以及不能对事故进行快速的处理，一旦有事故发生，调集人员非常困难，需要一级一级向下传达且人员不在现场，无法对于事故的具体状况进行准确的判断。而遥视的作用即是利用变电站内的探头对线路的情况进行远程监控，便于先了解情况再对人员进行调动。（3）航测法：利用直升飞机进行巡视，即工作人员在直升飞机上以肉眼或是摄像机探头对输电线路进行检测并记录下线路的异常点，从而进行分析评估。这种方法虽然缩短了人眼和线路之间的观察距离，但是由于直升机有一定的速度，线路在眼前快速滑过，很容易造成异常点被忽视掉，不能较大的保证输电线路运行的稳定性，且技术难度较高，检测费用较昂贵。
鉴于工作人员对于输电线路检测的艰苦性以及输电线路的重要性[2]，很多国家都开始研究电路的巡检机器人。巡检机器人可以代替人工巡检，可以自主巡检。它可以根据操作人员预先设定的程序完成相应的任务，以自身携带的各种传感器和红外感应仪对变电站的设备进行检查并记录相应的设备状态等，可以全部替代或部分替代巡检的工作人员。巡检机器人满足工作需求，起到的作用越来越大，具有重要意义。此外，开发巡检机器人相当于是提供一种经济可靠的方式对变电站输电线路进行检测,不仅可以减小工人劳动强度，提高工作效率和质量，还能降低巡检费用,使变电站在无人值守是正常工作。
1.2 国内外发展状况
最早是一些如美国等发达国家展开了对巡检机器人的研究，其中架空地线巡线机器人[3]在1988年研制成功，它是由东京的一个著名教授Sawada研制的。该巡检机器人能够跨越障碍物，它是用圆弧形机械臂勾住两侧边的地线仿人攀援，然后滑到杆塔的另一侧，形成一个导轨，同时，用于夹持的工具，简称夹持轮，夹紧地线并将机械臂收起，这样来完成一个完整的越障动作，整个的主体机构是采用“两轮”：夹持轮和行走轮。1989年，TRC公司（总公司在美国）也研发了一台自主巡线机器人样机[4]。该巡线机器人可通过视觉设备检测并能沿架空输电线路行走。当巡线机器人检测到线路故障后，先进行预处理，然后再将数据传送给工作人员；当前方出现障碍物时，它也是利用仿人攀援原理从侧面跨越障碍。1990年，一种新型电力巡线机器人[5]研制成功，它是由日本法政大学的Hideo Nakamura教授等人研制的。2006年，位于加拿大魁北克的水电研究院（IREQ）研制出另一种新型巡检机器人，取名LineScout[6]，之所以称为LineScout是因为它能在315kV以上的带电的导线上巡检，且能够跨越常见的线路金具如防振锤等，检测的光强度范围包括可见光和红外光，该巡检机器人的机械臂可从事带电作业任务，如压接管电阻测量、断股修补、防振锤拖回等。
20世纪90年代，随着巡检机器人的需求越来越迫切，中国的一些科学院、研究院也相继展开了对于巡检机器人的研究工作，其中包括中国科学院沈阳自动化研究所在国家科技部“十五” 、“十一五” 863计划、国家电网和南方电网等重点项目支持下，研制开发一种机器人系统，即“AApe”系列电力检测与作业机器人系统[7，8]，相比于LineScout的315kV以上带电作业，该系统的巡检机器人能够在高出185kV超高压环境下工作，其功能包括自主控制并进行数据和图像传输，
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 国内外发展状况 2
1.3 课题研究的目标和内容 3
第二章 巡检机器人头部结构设计 4
2.1 头部结构的设计方案 4
2.2 头部结构的设计及校核 6
2.2.1 俯仰电机的选择 6
2.2.2 水平旋转电机的选择 10
2.2.3 水平旋转齿轮的设计及校核 11
2.2.4 俯仰齿轮的设计及校核 17
2.2.5 俯仰轴的设计及校核 22
2.2.6 轴承的选择及其校核 28
2.3 头部结构的组装 30
2.4 本章小结 31
第三章 巡检机器人框架结构设计 32
3.
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3 水平旋转齿轮的设计及校核 11
2.2.4 俯仰齿轮的设计及校核 17
2.2.5 俯仰轴的设计及校核 22
2.2.6 轴承的选择及其校核 28
2.3 头部结构的组装 30
2.4 本章小结 31
第三章 巡检机器人框架结构设计 32
3.1 巡检机器人各部分的连接 32
3.2 巡检机器人身体框架的造型设计 33
3.2.1 巡检机器人外观造型的设计 33
3.2.2 巡检机器人内部结构的设计 34
3.3 本章小结 35
第四章 巡检机器人驱动方式的选择 36
4.1 巡检机器人驱动方式的种类及定案 36
4.2 巡检机器人减速电机的选择 36
4.3 巡检机器人轮胎的选型 37
4.4 本章小结 38
第五章 巡检机器人的三维模型仿真及制作 39
5.1 PRO/E软件的简介 39
5.2 巡检机器人零件的绘制及渲染 39
5.3 巡检机器人三维模型的装配及仿真 41
5.4 巡检机器人实物的制作 46
5.5 本章小结 47
结论 48
致谢 50
参考文献 51
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着输电技术的发展，人们对于长距离输电的要求越来越高，且很多电力线及杆塔附件不能安装在室内，这必然造成线路长期受到环境的腐蚀以及机械张力的影响而不断老化、磨损。这就造成了输电公司的一大难题：如果这些电路的老化和磨损等缺陷不及时修复，可能造成更加严重的后果，例如大面积的停电，电力事故，人员损伤及经济损失等。所以这必须要求及时检查电路的问题以得到反馈，从而解决。目前，在国内对于输电线路的检测方法主要有3种：（1）变电站人工巡视[1]：变电站的工人用眼睛对线路进行观察，充分利人体五官对线路情况做出简单的判断，其中直接可以观察到的如参数是否正确、是否漏水等；通过触摸感受的如设备振动大小、温升等；或是通过声音来判断的如振动的响声和设备运行时的声音是否异常等；也可以通过气味的特殊性进行判断等。往往，这些都是需要有经验的工作人员才能完成，对于巡检的人员要求较高。（2）“五遥”微机监控：“五遥”是指遥测、遥信、遥控、遥调以及遥视。传统的变电站只具备其中的四遥，即遥测、遥信、遥控和遥调，忽视了发生事故之后对于事故发展的准确判断以及不能对事故进行快速的处理，一旦有事故发生，调集人员非常困难，需要一级一级向下传达且人员不在现场，无法对于事故的具体状况进行准确的判断。而遥视的作用即是利用变电站内的探头对线路的情况进行远程监控，便于先了解情况再对人员进行调动。（3）航测法：利用直升飞机进行巡视，即工作人员在直升飞机上以肉眼或是摄像机探头对输电线路进行检测并记录下线路的异常点，从而进行分析评估。这种方法虽然缩短了人眼和线路之间的观察距离，但是由于直升机有一定的速度，线路在眼前快速滑过，很容易造成异常点被忽视掉，不能较大的保证输电线路运行的稳定性，且技术难度较高，检测费用较昂贵。
鉴于工作人员对于输电线路检测的艰苦性以及输电线路的重要性[2]，很多国家都开始研究电路的巡检机器人。巡检机器人可以代替人工巡检，可以自主巡检。它可以根据操作人员预先设定的程序完成相应的任务，以自身携带的各种传感器和红外感应仪对变电站的设备进行检查并记录相应的设备状态等，可以全部替代或部分替代巡检的工作人员。巡检机器人满足工作需求，起到的作用越来越大，具有重要意义。此外，开发巡检机器人相当于是提供一种经济可靠的方式对变电站输电线路进行检测,不仅可以减小工人劳动强度，提高工作效率和质量，还能降低巡检费用,使变电站在无人值守是正常工作。
1.2 国内外发展状况
最早是一些如美国等发达国家展开了对巡检机器人的研究，其中架空地线巡线机器人[3]在1988年研制成功，它是由东京的一个著名教授Sawada研制的。该巡检机器人能够跨越障碍物，它是用圆弧形机械臂勾住两侧边的地线仿人攀援，然后滑到杆塔的另一侧，形成一个导轨，同时，用于夹持的工具，简称夹持轮，夹紧地线并将机械臂收起，这样来完成一个完整的越障动作，整个的主体机构是采用“两轮”：夹持轮和行走轮。1989年，TRC公司（总公司在美国）也研发了一台自主巡线机器人样机[4]。该巡线机器人可通过视觉设备检测并能沿架空输电线路行走。当巡线机器人检测到线路故障后，先进行预处理，然后再将数据传送给工作人员；当前方出现障碍物时，它也是利用仿人攀援原理从侧面跨越障碍。1990年，一种新型电力巡线机器人[5]研制成功，它是由日本法政大学的Hideo Nakamura教授等人研制的。2006年，位于加拿大魁北克的水电研究院（IREQ）研制出另一种新型巡检机器人，取名LineScout[6]，之所以称为LineScout是因为它能在315kV以上的带电的导线上巡检，且能够跨越常见的线路金具如防振锤等，检测的光强度范围包括可见光和红外光，该巡检机器人的机械臂可从事带电作业任务，如压接管电阻测量、断股修补、防振锤拖回等。
20世纪90年代，随着巡检机器人的需求越来越迫切，中国的一些科学院、研究院也相继展开了对于巡检机器人的研究工作，其中包括中国科学院沈阳自动化研究所在国家科技部“十五” 、“十一五” 863计划、国家电网和南方电网等重点项目支持下，研制开发一种机器人系统，即“AApe”系列电力检测与作业机器人系统[7，8]，相比于LineScout的315kV以上带电作业，该系统的巡检机器人能够在高出185kV超高压环境下工作，其功能包括自主控制并进行数据和图像传输，
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