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毕业设计（论文）报告纸

第一章 绪论

1.1巡线机器人研究目的及意义

电力系统， 由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。在当代社会中是最为重要的一个工程，而保障其稳定性则尤为重要。保证输电线路的稳定性就可以有效保障电力系统的稳定性。然而，这些输电线长期暴露在野外，会产生一些磨损、腐蚀、材料老化等损坏。如果修理和更换不及时，原来的小破损和缺陷会扩大，久而久之，甚至会造成像是大面积停电这样严重的事故，显然这将带来巨大的经济损失和严重的社会负面影响。因此，我们必须定期检查传输线，以便监测输电线路的工作状况和环境的变化，发现并且及时消除隐患，防止事故的发生，保障电力供应的可靠。

目前，检查输电线路主要有两种方法：一种方法是人为地检查，如（图1.1），其缺陷有人工劳动强度大、工作效率低、可靠性差、存在检查的盲区；另一种方法是用直升机检查，如（图1.2），虽然这种方法有较高检测效率和精度，但是这种方法受一些环境因素的制约，同时不仅增加了巡检的技术难度，还将大大增加巡检的费用。

图1.1人工检查 图1.2直升机检查

移动机器人技术的发展为高压输电线的检查工作提供了新的手段。高压输电线路巡线机器人通过自动控制方式，可以实现沿着传输线以一定的速度爬行，跨越如配重、耐张线夹、悬垂线夹、隔离字符串的障碍和绝缘棒，检查杆塔、导线、打雷拦阻线、绝缘子、线路金具等，这样就可以很轻松的对输电线路进行检查工作，因此可以代替人工检查或直升机检查，必然会降低高压输电线路的维护成本，提高高压输电线路的检查效率和精度。因此，高压输电线路巡线机器人的研究成为特种机器人字段中的一个热点。

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1.2巡线机器人国内外研究现状

目前输电线路机器人主要应用于线路巡检[1-2] 巡线机器人的研究始于 20 世纪 80 年代末，日本、加拿大、美国等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作[3-5] 。90 年代末，国内的一些研究机构和高等学校陆续开展了巡线机器人的研究工作[6-9]，并取得一定的研究成果。

从20世纪80年代，国际上开始研制高压输电线路巡线机器人。早期日本、美国和加拿大等国相继开发了不同用途的巡线机器人，并取得了较大的进展，尤其是可在两个杆塔之间巡检的机器人技术较为成熟，有些已达到产品化的程度。1988年Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线巡检移动机器人，该机器人依靠内嵌的输电线路结构参数进行运动行为的规划。当遇到杆塔时，该机器人利用自身携带的导轨从杆塔侧面滑过，（图 1.3）因为没有安装外部环境感知传感器，因而适应性较差。而且导轨约 100kg，机器人自身过重，对电池供电有更高要求。

美国TRC公司1989年研制了一台悬臂自治巡检机器人模型，能沿架空导线进行较长距离的行走，可进行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务，并将探测到的线路故障参数进行预处理后传送给地面人员（图1.4）。

图1.3光纤架空地线巡检机器人 图1.4.TRC公司的悬臂机器人

然而仅在两个杆塔之间爬行的巡线机器人已远远不能满足实际线路巡检工作的要求，输电线路不仅存在着支撑杆塔，而且还存在着多种线路附件构成的障碍物，如防震锤、悬垂线夹、耐张线夹和绝缘子等。因此具有越障功能的巡线机器人成为该领域研究的重点。

由日本Sato公司生产的输电线路损伤探测器也采用了单体小车结构（图1.5），能在地面操作人员的遥控下，沿输电线路行走，利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置，将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工作人员可回放复查，进一步确定损伤情况。

加拿大魁北克水电研究院的Serge Montambault等人2000年开始了HQ LineROVer遥控小车（图1.6）的研制工作。遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰，逐渐发展为

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用于线路巡检、维护等多用途移动平台。该移动小车驱动力大，能爬上52°的斜坡，通信距离可达1km。小车采用灵活的模块化结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线清污和除冰等带电作业。但是，HQ LineROVer 无越障能力，只能在两线塔间的输电线路上工作。

图1.5.Sato公司的探伤车 图1.6 HQ LineROVer遥控车

此外，日本的Hideo Nakamura 等研制了蛇形运动机器人。泰国Peungsungwal等人2001 年设计的自给电巡线机器人，采用电流互感器从爬行的输电线路上获取感应电流作为机器人的工作电源，从而解决了巡线机器人长时间驱动的动力问题。

90年代末，国内的一些研究机构和高等学校开始巡线机器人的研究工作，并已经研制多种机构的巡线机器人样机。武汉大学和山东大学在这方面的研究起步最早。在“十五”国家高新技术发展计划（863 计划）的支持下，武汉大学和中科院自动化所、中科院沈阳自动化所等同时开展了对巡线机器人的研制工作。

1998年武汉水利电力大学的吴功平教授研制出了架空高压线路巡线小车，小车采用单体三驱动轮结构，具有稳定的行走功能和越障功能，能顺利越过绝缘子、防振锤、悬垂线夹等主要障碍物，并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的诊断。巡线小车的行走、越障通过人工遥控加机械控制器来实现。目前，该研究组正在进行智能化程度较高、越障能力强的自治巡线机器人的研制工作。在863计划的支持下，与汉阳供电公司合作，针对220kv单分裂相线，进行了巡线机器人关键技术的研究，在机器人越障机构、智能控制、移动导航、机器视觉技术、电能在线补给等方面取得了全面的突破。巡线机器人能够避让和跨越两档线路间的防震锤、悬垂和耐张绝缘子串和跳线等各种障碍物。利用机器人携带的摄像装置，实现线路及其安全通道的检测与巡视，将检测到的数据和图像信息经过无线传输系统发送到地面基站；通过地面基站接收、显示发回的数据和图像资料。

在863计划以及国电东北电网有限公司的支持下，中国科学院沈阳自动化研究所开展了“沿500kV地线巡检机器人”的研制，课题组攻克了机器人机构、自主控制、数据和图像的

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传输等关键技术，成功地开发出由巡检机器人和地面移动基站组成的系统，并与锦州超高压局合作进行了现场带电巡检试验，完成了超高压实际环境下的巡检试验。该机器人能够沿500kV地线行走、跨越障碍，利用携带的摄像机或红外热像仪等检测装置，检测了输电线、防震锤、绝缘子和杆塔等输电设备的损伤情况。实现机器人和地面基站远程通讯，基站对机器人运行状态的远程控制。该样机的成功研制，在系统电源、机器人本体、控制系统、检测设备和通讯设备，地面控制与数据后台处理等方面积累了丰富的经验。

“十五”期间，中科院自动化所开展了“110kV输电线路巡检机器人”的研究，其研究成果主要表现在：一是设计了三臂悬挂式移动机器人机构；二是采用“基于知识库的自动控制”和“基于视觉的远程遥控主从控制”的混合控制系统，实现了典型障碍的越障；三是采用多层神经元网络分类器，实现了实验室复杂环境下绝缘子开裂、破损视觉检查。

目前，中科院自动化所复杂系统与智能科学重点实验室新研制的110kv输电线路巡检机器人采用二臂回转式悬挂机构，增加了臂距调整机构、夹持轮抱线机构等，可实现旋转、俯仰等运动功能，爬坡能力强。开发的二臂巡线机器人样机在实验室模拟线路上，沿一档架空线自主行走，并且能够跨越两档线路间的防震锤、悬垂线夹等障碍物。机器人携带的检测用地摄像机，可进行障碍物的检测和越障时的辅助指导工作，有效地克服了三臂机器人的不足，当然两臂机器人的行为规划复杂，增加了控制电路设计及运动控制的难度。

与巡线机器人相比较，国内外对除冰机器人的研究报道较少，较早出现的输电线路除冰机器人装置包括加拿大魁北克水电研究院于2000年开始研制的Linerover遥控小车[10]。该遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰，后逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台，通过安装不同的工作头可完成架空线视觉、红外检查、压接头状态评估、导线清污和线路除冰[11] (图1.7)等不同作业任务，其缺点在于无越障能力，只能在两线塔之间作业。通过技术的不断改进[12-14]，研究组于 2006 年研制出结构更为复杂、功能更加完备，具备越障功能的 Linescout 输电线巡检机器人

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(图 1.8)，但该巡检机器人不具备除冰功能。

图1.7加拿大除冰机器人 图1.8加拿大巡线机器人

在国内，山东电力研究院与加拿大魁北克水电研究院进行合作，对 Linerover 小车在能

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源动力、远程通信与控制、防水性能等方面做了技术改进，完善了机构的性能，但仍不具备越障能力[16](图 1.9)。湖南大学在国家科技支撑计划的资助下，联合国防科技大学、武汉大学和山东大学等多家单位，研制开发了单体除冰机器人(图 1.10)和可越障除冰的两臂除冰机器人(图 1.11)、三臂除冰机器人(图 1.12)，积累了一定的研发经验。

图1.9改进的 linerover 图1.10 单体除冰机器人

图1.11 两臂机器人 图1.12 三臂机器人

从国内外已取得的研究成果可以看出，国外无越障功能的架空电力线路巡线机器人技术较为成熟，已处于实用阶段。这类机器人一般需人工参与只能完成两线塔之间电力线路的检查，作业范围小，自治程度低。自主巡线机器人能跨越线路附件、线塔等障碍物，可实施大范围、长时间的线路巡检作业，国内对具有自主越障功能的机器人研究投入力量大，取得了多项研究成果。

1.3本课题研究内容

本文是针对输电线路的检查与维护而设计的自主控制的新型三臂式巡线机器人，并且要求能够跨越输电线路上不同类别的障碍物，主要研究内容为对机械手臂进行运动学和动力学分析，设计巡线机器人的整体结构（包括总机箱、机械手臂、机械手指、行走轮等），设计巡线机器人的传动装置（包括减速器选用和电机选用）,对部分结构进行校核。本文的主要研究内容如下：

1 简要说明了巡线机器人的国内外研究现状和发展趋势。

2 分析巡线机器人工作环境，提出了一种新型三臂式巡线机器人的结构设计方案，并且应用solidworks三维软件设计工具设计了巡线机器人的总体结构和各个零部件，同时进行了

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