面向变电设备状态监测的爬杆机器人研究与设计

摘要

变电站属于电力系统支配电力流向和改变电压的电力系统设施，其变电设备工作状态关乎到电力系统运行的稳定性。变电站内部设有大型变压器、线路绝缘子、避雷针等电力设备，这些设备体型较大、位置较高，人工地面巡视存在许多视觉盲区，导致漏检误检的情况时有发生。目前，我国电力部门为了减小电力设备巡视时存在的视觉盲区，大多要求工作人员攀登至设备高处完成巡视作业任务。这种登高巡视工作不仅作业环境复杂，而且危险性也比较高。 为了解决上述登高作业问题，提高变电站大型电力设备巡视工作的安全性及效率，论文对攀爬机器人开展了相关研究。通过对变电站现场作业环境以及攀爬运动的实际需求进行分析，综合对比现有几种攀爬机器人的优缺点，利用仿生学原理研究并设计了一种可以沿竖直杆柱攀爬，并且通过机载摄像机居高临下大视角完成对变电设备工作状态视频监测任务的机器人。完成了爬杆机器人整体机械结构的设计，包括凸轮机构设计、抱杆手臂机构设计、柔性机构设计及躯体伸缩机构设计，重点介绍了凸轮机构和抱杆手臂机构的设计过程，利用Solidworks三维软件和ANSYS仿真软件完成了三维实体建模及凸轮应力学仿真，在空间上验证了机器人结构的可行性。分析了上、下双凸轮配合转动的规律，探讨了机器人攀爬杆柱时的运动策略，确定了机器人双凸轮协调控制方法。通过对机器人的静力学分析，建立了机器人重量、抱杆手臂摩擦力与电机输出扭矩之间的力学关系。利用ADAMS仿真软件对机器人的攀爬过程进行仿真，得出了时间与位移、攀爬速度、凸轮驱动电机输出扭矩、电动推杆负载力及抱杆手臂摩擦力的仿真结果，验证了机器人攀爬运动的可行性，也为动力系统电机选型提供了参考依据。针对爬杆机器人的实际任务需求，完成了机载控制系统和便携式地面工作站的软硬件设计。 通过对爬杆机器人样机室内调试和室外现场攀爬试验，测试了机器人的攀爬能力、视频监测能力和通信系统抗干扰能力，并记录了试验过程。试验结果表明爬杆机器人整体结构稳定，具备沿杆柱攀爬的能力，机载摄像机传输图像流畅，初步实现变电设备的视频监测功能。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题研究的背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1攀爬机器人国外研究现状

1．2．2攀爬机器人国内研究现状

1．2．3攀爬机器人研究现状总结

1．3论文主要工作及内容安排

第二章爬杆机器人整体结构设计

2．1爬杆机器人总体设计方案

2．2爬杆机器人的凸轮机构设计

2．2．1凸轮机构设计综述

2．2．2凸轮轮廓线设计

2．2．3凸轮有限元分析

2．3机器人抱杆手臂设计

2．3．1抱杆手臂结构设计

2．3．2抱杆手臂应力学分析

2．4变杆径柔性结构设计

2．4．1凸轮机构顶轮悬空设计

2．4．2抱杆手臂柔性接触面

2．4．3机器人躯体支撑轮

2．5机器人躯体伸缩机构设计

2．6机器人整体空间结构设计

2．7本章小结

第三章爬杆机器人运动建模及仿真

3．1上、下凸轮配合运动方法研究

3．2爬杆机器人的运动建模

3．2．1机器人沿杆柱攀爬步态分析

3．2．2静力学分析

3．2．3动力系统电机选型

3．3基于ADAMS软件的运动仿真

3．3．1 ADAMS软件简介

3．3．2机器人动力学仿真

3．4本章小结

第四章爬杆机器人控制系统设计

4．1机器人控制系统整体结构

4．2机器人控制系统硬件设计

4．2．1硬件电路的设计

4．2．2电源管理系统

4．2．3双向通信系统设计

4．2．4便携式地面工作站

4．3机器人控制系统软件设计

4．3．1机载控制系统软件设计

4．3．2地面站人机交互系统软件设计

4．4本章小结

第五章爬杆机器人样机试验与分析

5．1机器人样机室内调试

5．1．1调试条件

5．1．2调试过程

5．2机器人样机室外现场攀爬试验

5．2．1试验条件

5．2．2试验过程

5．2．3试验过程分析

5．3试验结果及评价

5．4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录