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《东北大学》 2016年
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带柔索双臂巡检机器人本体结构研究与设计

魏永乐  
【摘要】:对架空高压输电线路进行定期巡检,是确保输电线路安全运行、预防供电事故的必要措施。目前线路巡检的主要方式仍旧是人工巡检,人工巡检存在工人劳动强度大、工作效率低、可靠性差等问题,对于架设在江河、湖泊等特殊地区的输电线路,人工巡检存在很大困难,甚至难以完成。随着机器人技术的快速发展,研制能够沿输电线路行走的巡检机器人代替人工完成巡检作业,可以减轻工人劳动强度、提高巡检作业效率和质量,因此研制巡检机器人对于输电线路巡检领域具有重要的现实意义和实用价值。本文介绍了目前已有的巡检机器人的结构特点,分析、总结了现有巡检机器人结构设计上存在的问题,并在此基础上提出了一款新型带柔索双臂式巡检机器人结构,并以500kV超高压输电线路作为工作环境,确定了机器人的结构尺寸,讨论了机器人越障机理以及越障过程中的受力情况,采用虚拟样机技术进行了机器人巡检行走和越障过程仿真。针对机器人巡检作业环境,详细分析了 500kV超高压输电线路上接续管、防振锤、间隔棒、悬垂绝缘子串、耐张绝缘子串等金具障碍物结构尺寸,建立了直线杆塔、耐张杆塔的障碍物环境实体模型;为解决现有双忾巡检机器人存在的问题,参照障碍物结构尺寸,讨论了带柔索双矜巡检机器人的构型,确定了巡检机器人手臂各部分结构尺寸,以及夹持机构的结构尺寸。根据输电线路上不同的障碍物环境,规划了机器人直接式越障、蠕动式越障以及旋转式越障三种越障方式,分析了机器人跨越不同类型障碍物的运动过程;通过总结机器人越障过程中的结构形式,确定了相应D-H参数,建立了相应的运动学方程。根据机器人在输电线路上巡检作业过程,分析了机器人正常行走巡检过程中处于不同运动状态时,两臂行走轮所需要提供的转矩,以及机器人跨越障碍物过程中处于不同阶段时,手臂各关节所需要提供的转矩以及柔索所产生的拉力;分析了机器人两臂夹持机构在正常行走巡检和跨越障碍物过程中所需要提供的夹持力。采用虚拟样机技术以地线作业环境为例,进行了机器人正常巡检行走作业仿真、直接越障仿真以及蠕动越障仿真。通过行走仿真分析了机器人正常巡检行走时,前后行走轮所需驱动转矩、前后行走轮轮距以及机器人的最大爬坡能力;通过直接越障仿真分析了机器人在不同线路坡度下,以不同越障速度直接越障时,行走轮的受力变化情况和行走轮的质心速度变化情况;通过蠕动越障仿真分析了机器人采用蠕动式越障时,机器人的越障能力、手臂柔索受力情况和手臂关节受力情况。通过对带柔索双臂巡检机器人的结构设计、越障机理分析、运动学方程建立、越障受力分析,以及虚拟样机仿真,证明该款机器人具有良好的线路适应能力和爬坡能力,具有较强的越障能力,正常巡检行走和越障过程中柔索承担了机器人主要重量,从而减轻了手臂关节的受力。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP242

【参考文献】
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