【正文】 9第四章 總結(jié)與展望....................................................................................30167。....................................................................................30致謝..................................................................................................................31參考文獻(xiàn)...........................................................................................................32第一章 緒 論167。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。所以，必須對輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查，隨時掌握和了解輸電線路的運(yùn)行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護(hù)區(qū)的變化情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，確保供電安全。前者的巡檢精度低，勞動強(qiáng)度大，且存在巡檢盲區(qū)。如果用直升機(jī)巡視替代地面巡視，（單回線136萬元）。費(fèi)用過于昂貴，直接限制了直升機(jī)巡視的廣泛推廣。巡線機(jī)器人不僅可以減輕工人巡線的勞動強(qiáng)度，降低高壓輸電的運(yùn)行維護(hù)成本，還可以提高巡檢作業(yè)的質(zhì)量和科學(xué)管理技術(shù)水平，對于增強(qiáng)電力生產(chǎn)自動化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都具有重要意義。其特殊的作業(yè)環(huán)境要求機(jī)器人能夠沿輸電導(dǎo)線全程運(yùn)行，包括沿輸電導(dǎo)線的直線段和耐張線段實(shí)現(xiàn)滾動爬行，跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防振錘、耐張線夾等結(jié)構(gòu)型障礙物。此外，樣機(jī)的單機(jī)制造增加了成本。然而，利用仿真技術(shù)可以方便地建立機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型。而且，仿真軟件的應(yīng)用可以使設(shè)計(jì)更為優(yōu)化，即在計(jì)算機(jī)上修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真試驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對整個系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。利用仿真數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修改，綜合仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對所設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)性能做出準(zhǔn)確的評價及提出建議。本文所建立的巡線機(jī)器人全參數(shù)化模型，可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行修正，從而為機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、路徑規(guī)劃等做出鋪墊。國外巡線機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，日本、加拿大、美國等發(fā)達(dá)國家先后開展了巡線機(jī)器人的研究工作。該機(jī)器人利用一對驅(qū)動輪和一對夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上防振錘、螺旋減震器等障礙物。機(jī)器人運(yùn)動控制有粗略和精確定位兩種模式，粗略控制是把線塔和地線的資料數(shù)據(jù)(線塔的高度、位置、電線長度、線路上附件數(shù)量等)預(yù)先編制好程序輸入機(jī)器人，據(jù)此控制機(jī)器人的行走和越障；精確定位控制則根據(jù)傳感器反饋信息進(jìn)行控制。但因其質(zhì)量過大，達(dá)到100kg，而不能推廣應(yīng)用。第三代原型機(jī)構(gòu)緊湊，僅重25kg，驅(qū)動力大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能爬52度的斜坡，通信距離可達(dá)1000m，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(dǎo)線和地線更換、導(dǎo)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(jìn)行了多次現(xiàn)場測試，但是HQ LineROVer沒有越障能力，只能在兩線塔間的電力線上工作。它能沿架空導(dǎo)線長距離爬行，執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點(diǎn)、壓接頭等視覺檢查任務(wù)，對探測到的線路故障數(shù)據(jù)預(yù)處理后，傳送給地面人員。其缺點(diǎn)是無法攀爬30度以上的斜坡而不能廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)給出了一種新型移動機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由雙臂、四套執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手爪構(gòu)成，該機(jī)器人能夠沿架空地線行走，并且能夠跨越桿塔。但上述機(jī)器人都具有18個以上的自由度，導(dǎo)致功耗過高而不能應(yīng)用到實(shí)際工作中。綜合國內(nèi)外對于巡線機(jī)器人的研究情況，當(dāng)代巡線機(jī)器人的研究主要集中于以下幾個方面：(1)機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡單、運(yùn)動穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動力學(xué)模型和運(yùn)動學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)車速和轉(zhuǎn)向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容。由于自主式移動機(jī)器人在地面上行駛，必須避開它無法通過的或?qū)ζ浒踩旭倶?gòu)成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，顯得更為重要。而且，視覺信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準(zhǔn)確性是決定智能機(jī)器人整體性能的決定性因素。位置的測量可以分為相對位置測量和絕對位置測量，測量方法有里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、主動燈塔、磁羅盤、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標(biāo)導(dǎo)航等。因此，準(zhǔn)確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對所處環(huán)境作出準(zhǔn)確可靠的描述并據(jù)此作出正確的決策和控制，是多傳感集成和數(shù)據(jù)融合研究的任務(wù)。如何讓巡線機(jī)器人自主控制攜帶的攝像設(shè)備，捕捉特定目標(biāo)，獲取多視角、高清晰度目標(biāo)圖像是關(guān)鍵；另一種是紅外探測技術(shù)，當(dāng)輸電導(dǎo)線存在諸如導(dǎo)線斷股、絕緣子破損等故障時，故障點(diǎn)附近會出現(xiàn)局部溫升，產(chǎn)生熱輻射。具體來說，就是熱成像技術(shù)，這是一種廣泛用于輸變電系統(tǒng)的故障探測技術(shù)，可以攝取表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點(diǎn)的紅外光譜圖像，然后根據(jù)圖像，人工或自動判讀可能的故障器件。近年來，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)。(9)無線通信與因特網(wǎng)技術(shù)這兩項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人之間的通信和信息共享，以及機(jī)器人與外部的聯(lián)系。它利用物理或數(shù)學(xué)方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實(shí)過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識和改造實(shí)際系統(tǒng)的目的。研究對象可以是實(shí)際的系統(tǒng)，也可以是設(shè)想中的系統(tǒng)，是將研究對象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述、建模編程，且在計(jì)算機(jī)中允許實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全過程中，包括方案論證、技術(shù)指標(biāo)確定、設(shè)計(jì)分析、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)測試、維護(hù)訓(xùn)練、故障處理等各個階段。仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人，國外在70年代就開始了這一方面的研究工作。隨后誕生了ADAMS(Automatic DynamicAnalysis of Mechanical System)。1978年，西德Warcoke等人開發(fā)了機(jī)器人圖形仿真程序包IPA，該軟件包含一個200種機(jī)器人的數(shù)據(jù)庫。美國DAUGLAS公司推出了McAuto軟件包，用于機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)與動態(tài)仿真。國內(nèi)機(jī)器人仿真的研究總體上來說起步較晚，基礎(chǔ)薄弱。清華大學(xué)、浙江大學(xué)、沈陽自動化研究所及上海交通大學(xué)等做了起步工作，取得了一定成果。劉又午教授等人以底座、大臂、小臂和3個腕關(guān)節(jié)構(gòu)成的、且每個關(guān)節(jié)皆為圓柱鉸接的典型6自由度工業(yè)機(jī)器人為模型，對通用程序進(jìn)行了簡化，開發(fā)出工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)分析專用程序。但是，國內(nèi)的軟件都只停留在實(shí)驗(yàn)室中，離軟件商品化還有很大距離。簡要闡述了巡線機(jī)器人技術(shù)及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。利用CATIA軟件，建立了巡線機(jī)器人基于特征的參數(shù)化模型，以此為基礎(chǔ)建立了該機(jī)器人的虛擬樣機(jī)。利用CAT/ADAMS模塊將虛擬樣機(jī)導(dǎo)入到ADAMS軟件中，基于ADAMS建立了運(yùn)動學(xué)仿真模型，對巡線機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動仿真，得到了仿真曲線。第二章 巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與三維模型的建立由于機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，為了快速準(zhǔn)確地建立其模型，并方便日后的修改和計(jì)算，利用代表目前機(jī)械CAD領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件CATIA來建立機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型，基于CATIA軟件對機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了準(zhǔn)確的創(chuàng)建。要求研制一臺針對500kv電壓等級高壓架空輸電線路(其中：避雷線規(guī)格為LGJ500/4懸垂線夾規(guī)格為CGF6X、防振錘規(guī)格為FD6)，具有自主越障能力和爬坡能力的巡線機(jī)器人。 所以，本文中巡線機(jī)器人的工作原理和過程為：1)機(jī)器人上線；2)機(jī)器人本體計(jì)算機(jī)在接收到運(yùn)行命令后，驅(qū)動機(jī)器人沿避雷線行走；3)巡線機(jī)器人通過滾輪完成沿避雷線無障礙段的行進(jìn)。當(dāng)后手接近懸垂線夾時，控制中間手回落，手掌合攏，直至驅(qū)動輪掛線；之后，后肘關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動后小臂選轉(zhuǎn)，手掌張開，前兩驅(qū)動輪繼續(xù)行走；當(dāng)后手跨越線夾后，手掌閉合回落，機(jī)器人完成跨越懸垂線夾的任務(wù)，繼續(xù)行進(jìn)；6)當(dāng)機(jī)器人跨越跳線時，手的脫線和抱線方法與跨越懸垂線夾時相同；首先前手脫線，通過前端視覺傳感器，可檢測到避雷線與跳線角度，這時大臂電機(jī)按此角度旋轉(zhuǎn)，使末端執(zhí)行器位于跳線下方，前手抓住跳線，然后中間手脫線，啟動前后手的驅(qū)動電機(jī)使機(jī)器人行走。當(dāng)后手接近跳線時，停止行走，后手脫線；用前手和中間手驅(qū)動機(jī)器人繼續(xù)行走，越過跳線線夾后，停止行走，調(diào)整柔性臂，使后手抓住跳線，完成從直線到跳線的跨越；機(jī)器人由跳線到直線的跨越方法與上述過程相同，由于是一個上坡過程，為了使機(jī)器人不至于滑下來，需使用剎車裝置；7)檢測到轉(zhuǎn)彎跳線時，運(yùn)動過程與跨越直線跳線不同的地方是柔性臂的姿態(tài)除了上下調(diào)整外，還需要水平調(diào)整，其余完全相同；8)當(dāng)線路坡度較大、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)時，直接表現(xiàn)為驅(qū)動輪打滑，此時機(jī)器人三個制動器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動爬行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行蠕動行進(jìn)。為了達(dá)到上述要求，巡線機(jī)器人