第第頁共43頁1緒論1.1研究背景及意義1.1.1研究背景隨著科技的快速發(fā)展和智能化時代的到來，人類社會對機器人技術的應用越來越廣泛。其中，軌道巡檢機器人作為一種重要的特種機器人，在諸多領域都有廣泛的應用前景。軌道巡檢機器人可以在各種復雜環(huán)境中進行無人值守、全天候、自動化的巡檢任務，如煤礦、地鐵港口、輕軌等地點，以及石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)線的管道、設備等。目前變電站巡檢任務絕大部分是通過人工巡檢來完成，通常需要較多的巡檢人員和較高的運行成本，而人工巡檢的工作效率和工作質(zhì)量也受多種因素的影響，如巡查員的工作經(jīng)驗、技術水平等。每年由于工作人員的失誤或過失造成的檢測問題時常發(fā)生，2021年國家電力科學院的全國電網(wǎng)運營統(tǒng)計報告表明，由于變電站設備巡檢問題造成的總損失超過17億元，亟需一種經(jīng)濟、安全、科學、高效的全新運維模式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)運維模式。近年來，隨著自動化技術與信息技術的革新，圍繞機器人的新概念和新技術不斷涌現(xiàn)，以智能巡檢機器人代替人工巡檢的智慧運維模式成為人們關注和研究的焦點，它旨在消除傳統(tǒng)運維模式的弊端，以一種自動化巡檢方式來持續(xù)監(jiān)測電力設備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對變電站內(nèi)電力設備的科學管理和預測性維護，提高變電站的自動化和智慧化運維水平。智能巡檢機器人以一種靈活移動的機械平臺為基礎，搭載多種先進的傳感器裝置，如可見光攝像機、紅外攝像儀、激光雷達和局放檢測儀等，集成網(wǎng)絡通信技術、自動控制技術、圖像識別技術和多傳感器融合技術等，具有自主定位導航、高清視頻監(jiān)控、智能安全防護、實時數(shù)據(jù)傳輸和智能診斷分析等功能。它突破了傳統(tǒng)運維模式的限制，代替人工進行巡檢，解放了運維人員的工作壓力，且不受各種主客觀因素的影響，具有很強的環(huán)境適應性，可實現(xiàn)全過程、全天候、全方位的自主巡檢，切實提高了變電站的巡檢效率和巡檢質(zhì)量。針對智能變電站巡檢機器人的研究中，地面式巡檢機器人和懸掛軌道式巡檢機器人均取得了一定的效果。地面式巡檢機器人主要以輪式機器人為主，具有機動靈活、活動范圍廣等優(yōu)點，但定位導航技術仍不成熟，在狹小、復雜的環(huán)境下，很難做到精確定位和全覆蓋巡視，且研發(fā)成本昂貴，安全性能和續(xù)航能力較差。懸掛軌道式巡檢機器人具有控制簡單、定位精準、適應性強、安全可靠和持續(xù)工作等優(yōu)點，但其運行路徑較為單一，靈活性較差。相比較而言，懸掛軌道式巡檢機器人更適用于變電站這種環(huán)境較為復雜、空間較為狹小和巡檢路線固定的場景。目前，關于變電站軌道式巡檢機器人的研究，國內(nèi)工程師和科研人員已取得了重大成就，但仍存在著集成化程度不高、圖像識別準確率不高、智能化程度不足和技術標準體系尚不完善等問題，亟需進一步改進和完善。為此，必須加強變電站軌道巡檢機器人設計的系統(tǒng)性、科學性、規(guī)范性和拓展性，進一步明確巡檢機器人的功能定位，根據(jù)變電站的實際運維需求實施功能疊加，保障變電站自動化巡檢的效率和質(zhì)量，以促進傳統(tǒng)運維模式向智慧運維模式的快速過渡，使無人值守變電站成為未來發(fā)展的主流。1.1.2研究意義變電站軌道巡檢機器人可以在無人操作的情況下，自主完成巡檢任務。相比于人工巡檢，機器人可以更加高效地執(zhí)行任務，減少任務執(zhí)行時間，提高任務執(zhí)行效率。另外，巡檢人員進行巡檢存在一定的風險，不僅需要承受環(huán)境的極端條件，還可能遭遇意外事故。而使用機器人進行巡檢可以有效降低人員風險，將危險任務交給機器人完成，保障巡檢人員的安全。由上可知本次設計的變電站軌道巡檢機器人具有以下重要的理論和實踐意義：（1）推動機器人技術的發(fā)展：變電站軌道巡檢機器人的研究涉及機器人學、機械設計、人工智能等多個學科領域，開展這一領域的研究有助于推動相關學科的發(fā)展。（2）提升特種機器人的應用水平：變電站軌道巡檢機器人作為一種特種機器人，其設計和應用水平的提升將帶動其他類型特種機器人的發(fā)展。（3）保障公共安全和生產(chǎn)安全：變電站軌道巡檢機器人的廣泛應用可以幫助我們更好地監(jiān)測和保障變電站安全，如對設備故障進行及時發(fā)現(xiàn)和處理。（4）促進智能化生產(chǎn)和社會服務的發(fā)展：變電站軌道巡檢機器人的推廣應用將促進智能化生產(chǎn)和社會服務的發(fā)展，提高生產(chǎn)效率和生活品質(zhì)。（5）降低成本：人類進行變電站軌道巡檢需要耗費大量的時間和資源，而機器人可以長時間穩(wěn)定地執(zhí)行任務，減少了人力資源的投入和相關成本。機器人的運營和維護成本相對較低，可以有效降低變電站巡檢的總體成本。綜上所述，變電站軌道巡檢機器人的研究設計具有重要的背景和意義，它將提高任務執(zhí)行效率、降低人員風險、擴展任務范圍、降低成本，并推動智能技術的發(fā)展。隨著技術的不斷發(fā)展，變電站軌道巡檢機器人必將成為變電站巡檢的重要工具。本課題所設計的基于電機驅(qū)動原理且配備伸縮機構的變電站軌道巡檢機器人，能夠代替人工完成變電站機房全覆蓋巡檢作業(yè)，滿足變電站巡檢范圍需求，對變電站的安全、穩(wěn)定運行以及智能化發(fā)展具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀變電站巡檢是電力系統(tǒng)運行和安全的重要保障，國外對于變電站巡檢機器人的研究始于20世紀80年代末，早期的變電站巡檢機器人可以分為越障型和非越障型兩類。越障型變電站巡檢機器人結(jié)構尺寸大、質(zhì)量重，技術不成熟，多用于實驗室研究，不能用于在線巡檢。非越障型變電站巡檢機器人無越障能力，只能直線巡檢，應用范圍也受到很大的限制。1988年，Sawada等人設計了一種巡檢機器人，如圖1.1所示，該機器人主要由移動機體、半弧形導軌以及驅(qū)動輪和控制箱等構成。當該機器人巡檢到線塔時，導軌分別掛住線塔兩側(cè)，機器人移動機體沿其導軌滑動越過線塔。該巡檢機器人整體質(zhì)量為100kg，配備11kg的燃油發(fā)動機和24V的供電電池。雖然整機質(zhì)量較大，巡檢行程不足，但是該機器人的提出為后來研究變電站巡檢機器人在爬坡、越障等功能上具有深遠的意義[1-2]。圖1.1巡檢機器人概念圖2006年加拿大魁北克水電研究所研制出可以越障（懸垂線夾和防震錘）、遠程遙控的變電站巡檢機器人LineScout，如圖1.2所示。截止到2010年，該變電站巡檢機器人第三代試驗樣機已經(jīng)通過實驗室測試和現(xiàn)場測試階段。該巡檢機器人線上行走機構是與電力線（OPGW）相接觸的行走輪，使巡檢機器人快速、高效地在障礙物上滾動（例如防震錘）。該巡檢機器人的機械結(jié)構主要有：兩個線上行走的驅(qū)動輪、支撐驅(qū)動輪的機械臂部分和保護裝置。機械臂上安裝紅外相機和CCD相機（ChargeCoupledDevice）和其他檢測設備對電力線路進行檢測。線上越障過程如下圖1.2（b）所示[3-4]。（a）LineScout機器人結(jié)構圖；（b）LineScout機器人越障示意圖圖1.2LineScout巡檢機器人2008年，日本電力系統(tǒng)公司（JPS）和日本關西電力公司（KEPCO）開發(fā)研制了名為“Expliner”的變電站巡檢機器人試驗樣機，如圖1.3所示。該巡檢機器人的主要結(jié)構包括在電力線上移動單元（驅(qū)動電機、行走輪）、連接機體和移動單元的機械臂、調(diào)整機體的配重箱以及可旋轉(zhuǎn)的操縱臂等組成。樣機在模擬現(xiàn)場環(huán)境下的測試試驗，如圖1.3（b）所示，沿電力線行進速度為40m/min，通過調(diào)整自身攜帶的配重箱可跨越懸垂線夾和間隔棒。該巡檢機器人爬坡試驗如圖1.3（c）所示，試驗結(jié)果表明該巡檢機器人可以在坡度為30°的電力線上行進。該巡檢機器人的缺點是不能跨越耐張線塔[5-6]。（a）Expliner機器人結(jié)構圖；（b）Expliner機器人樣機；（c）Expliner機器人越障示意圖和爬坡測試圖1.3Expliner機器人2018年，在IEEE機器人和自動化國際會議（ICRA）上，加拿大魁北克水電研究所（IREQ-QuebecResearchInstituteonElectricity）的Fran?oisMirallès等人提出了一種混合式（飛-滑）變電站巡檢機器人，如圖1.4所示。主要介紹一種混合式巡檢機器人的設計，該混合式巡檢機器人機械結(jié)構主要分為兩部分：飛行部分和線上行走部分。它能夠在攜帶有效載荷的情況下半自動地降落在電力線上，然后該巡檢機器人沿電力線路滾動，執(zhí)行電力線巡檢任務。特別注意的是該巡檢機器人搭載視覺系統(tǒng)，它由一個單眼相機和LiDAR組成，共同用于計算巡檢機器人相對于電力線的姿勢。基于位置的視覺控制器為飛行員提供著陸幫助，該控制器將飛-滑巡檢機器人與電力線對準并保持在中心位置。該機器人對電力巡檢行業(yè)具有較高價值的應用前景（比如輸電線路的無損檢測等方面）[7-9]。圖1.4混合式（飛-滑）電力線巡檢機器人國外巡檢機器人技術雖然發(fā)展較早，但是應用主要在電力行業(yè)，并沒有國內(nèi)廣泛，而且研究成果也逐漸被國內(nèi)反超。國外巡檢機器人多是以傳統(tǒng)輪式、懸線式為主，輪式機器人可以適應復雜的地面環(huán)境且路線不固定，多用于復雜巡檢路線或救災工作；而懸線式多依托于電力系統(tǒng)本身，線路固定且平穩(wěn)性差，多用于火災事故的監(jiān)控。這兩種巡檢方式對于變電站機房巡檢建設成本高、平穩(wěn)性差、難以大規(guī)模推廣，針對變電站機房監(jiān)測的巡檢機器人應該向著自動化、小型化、集成化和無人化的方向發(fā)展。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀與國外發(fā)達國家相比而言，國內(nèi)自動化水平發(fā)展相對遲一些，巡檢機器人的研究在國內(nèi)開始的較晚一些，但是近十多年以來發(fā)展比較迅速。尤其是近幾年，有很多新興機器人企業(yè)研制出了比較成熟的巡檢機器人，大多應用在電力行業(yè)、煤礦行業(yè)、石油運輸行業(yè)等，主要是分為無軌巡檢和有軌巡檢兩種形式，其中無軌巡檢形式主要分為輪式和履帶式巡檢機器人，而有軌巡檢形式主要分為軌道式和鋼索式巡檢機器人。電力行業(yè)是國有經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國家對電力發(fā)展的極力重視和支持下，山東魯能公司成立了專門的機器人實驗室，著重開展電力機器人領域的研究，從2004年開始陸續(xù)研制出了一系列變電站巡檢機器人。巡檢機器人主要采用輪式和履帶式設計，無需人為操控，可在全區(qū)域完成自主運行，并且實現(xiàn)了熱點監(jiān)測預警、儀表讀數(shù)、開關狀態(tài)識別、設備外觀故障監(jiān)測、聲音異常識別等多種功能，很大程度上保障了變電站的安全運行和提高了國家整個電力行業(yè)的自動化水平[10]。2006年，中國科學院沈陽自動化研究所開展了變電站巡檢機器人的研究工作，設計研發(fā)了雙臂旋轉(zhuǎn)機器人，并進行了現(xiàn)場帶電巡檢試驗。該款機器人的箱體可以在手臂下方的導軌上左右移動，通過這樣的方式保持機器人的平衡，但是機器人越障功能不完善。該巡檢機器人的結(jié)構如圖1.5所示[11]。圖1.5沈陽自動化研究所巡檢機器人武漢大學在進行了諸多技術研究以及模擬實驗后，成功研發(fā)出可以沿地線行駛越障機器人和穿越越障機器人，還研制了變電站巡檢機器人及單檔段微型巡線機器人。2010年武漢大學提出一種新的越障機器人，如圖1.6所示，該機器人可以實現(xiàn)在越障期間，通過對地線上的金具結(jié)構進行改造，使機器人的機械臂與線路始終保持接觸不分離，直接從障礙物上穿越而過，和跨越越障機器人相比，該機器人的作業(yè)效率和安全性得到了大大的提升[12]。圖1.6武漢大學沿地線行駛穿越越障型機器人自2012年起，南方電網(wǎng)開始進行隧道巡檢機器人的研制工作，并于2013年推出了解決方案。他們開發(fā)了掛軌式電纜隧道軌道式機器人原理樣機，實現(xiàn)了對長約2公里的隧道的自主巡檢作業(yè)。這一研究成果為后來的隧道機器人研究提供了新的思路和方向。南方電網(wǎng)的電纜隧道巡檢機器人如圖1.7所示。圖1.7南方電網(wǎng)研制的隧道巡檢機器人2016年，合肥市信同信息科技有限公司研發(fā)了一款多功能軌道式巡檢機器人，如圖1.8所示。這款機器人能夠長距離運動，監(jiān)測發(fā)熱物體溫度變化，進行動態(tài)圖像分析，并且配備了自動預警系統(tǒng)。它主要用于配電房的實時監(jiān)控和查表使用。該機器人采用了電力載波技術，無需為其提供專門的供電線，避免了為機器人充電的過程。圖1.8信同信息科技有限公司研發(fā)的軌道機器人2017年，西安科技大學提出了一種針對井下巷道地面凹凸不平、安裝設備較多等特點的懸掛式巡檢機器人，如圖1.9所示。該機器人是以鋼絲繩為軌道，架設于巷道側(cè)壁上的。它采用了以兩個交互配合的U形架為主體結(jié)構的輪式行走和越障機構，以實現(xiàn)在鋼絲繩上的行進和越障。圖1.9西安科技大學所研制的懸掛式巡檢機器人2018年南京蘇京智能機器人科技有限公司研制出了一種鋼索式軌道巡檢機器人，如圖1.10所示。該鋼索機器人移動軌道為兩條并行鋼制軟體繩索，其云臺搭載高清可見光相機和紅外熱像儀，實現(xiàn)現(xiàn)場畫面實時采集和熱點監(jiān)測。有別于其他大多數(shù)巡檢機器人的是，該機器人采用自主滑觸式充電，能夠在巡檢作業(yè)的時候進行充電，不需要停止作業(yè)專門進行充電，同時運用較為先進的防打火安全充電技術，使充電更為高效、可靠，同時若出現(xiàn)特殊情況比如滑觸充電出現(xiàn)故障，可人工對機器人進行手動充電[13]。圖1.10南京蘇京智能研制的鋼索式巡檢機器人華夏天信智能低碳技術研究院研制開發(fā)的礦用軌道巡檢機器人，現(xiàn)已應用在華能集團伊敏電廠，如圖1.11所示。巡檢機器人吊掛在軌道上沿著輸送帶往復行駛，攜帶相應的傳感器實時采集現(xiàn)場的信息，代替人工對現(xiàn)場運行狀態(tài)進行高頻率監(jiān)測，巡檢效率快速得到提升，同時極大地減輕了巡檢人員的工作量，能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障問題，保障企業(yè)的安全生產(chǎn)。圖1.11華夏天信研制的軌道式巡檢機器人2019年國網(wǎng)江蘇省電力公司研制了一種可升降式巡檢機器人，如圖1.12所示，應用在蘇通輸電線路（GIL）管廊工程。該巡檢機器人的最大特點是本體的升降機構，內(nèi)部采用尼龍材料帶傳動完成云臺的升降，升降高度差可達4m，外部采用碳纖維材料制成的剪叉機構，重量輕而且剛度較大，能夠很好地保證升降機構工作時的穩(wěn)定性，從而避免云臺出現(xiàn)較大范圍的晃動，使檢測設備能夠更好地采集數(shù)據(jù)[14]。圖1.12國網(wǎng)江蘇省電力公司研制的軌道式巡檢機器人從國內(nèi)的研究成果可以看出，國內(nèi)巡檢機器人的研究起初主要也是電力行業(yè)的需要，近幾年逐漸大量應用于煤礦行業(yè)，其中電力行業(yè)是以輪式巡檢機器人為主，煤礦行業(yè)是以軌道式巡檢機器人為主，相比較而言，軌道式巡檢機器人更適用于巡檢路線固定且距離較遠的巡檢作業(yè)。而且不難發(fā)現(xiàn)，巡檢機器人的設計并不存在固定的模式，具體結(jié)構怎么設計、應該完成什么樣的功能、達到什么樣的效果是和巡檢機器人的應用場合和工作人員的需求息息相關的，因此在設計過程中，須多多結(jié)合實際應用。軌道式巡檢機器人是一種特殊的機器人設備，主要用于在工業(yè)生產(chǎn)線上進行巡檢和維修。它采用掛軌式設計，可以在生產(chǎn)線上自由行走，并通過升降臂實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的巡檢和維護。本設計根據(jù)變電站機房運行特點，設計了軌道式巡檢機器人的機械結(jié)構，不同部分之間相互配合，共同實現(xiàn)對機房設備的巡檢和維護[15-16]。1.3課題研究內(nèi)容本課題主要研究了變電站軌道巡檢機器人的設計，主要包含有以下內(nèi)容：第一章為緒論，主要對本課題研究背景及意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容進行概述。第二章為變電站軌道巡檢機器人總體結(jié)構設計，明確了變電站軌道巡檢機器人設計參數(shù)與總體結(jié)構。第三章為變電站軌道巡檢機器人核心機構設計，包括機器人的行走機構、伸縮機構、箱體結(jié)構。第四章變電站軌道巡檢機器人其他部件設計，包含有零部件設計、傳感模塊設計、電源模塊設計。第五章為變電站軌道巡檢機器人仿真分析，對變電站軌道巡檢機器人在各種工作狀態(tài)下的情況進行受力分析，驗證其可靠性。最后為結(jié)論。

2變電站軌道巡檢機器人總體結(jié)構設計2.1巡檢機器人設計要求針對變電站軌道巡檢機器人的巡檢環(huán)境，巡檢機器人的設計需滿足以下要求：（1）安全性：變電站軌道巡檢機器人應具備防撞、防水、防塵等功能，以保證在變電站機房環(huán)境中的安全運行，并能夠應對突發(fā)情況，如火災、泄漏等。（2）穩(wěn)定性：主體結(jié)構是變電站軌道巡檢機器人的基本支撐部分，需要具備良好的承載能力和穩(wěn)定性，避免發(fā)生傾斜，確保機器人安全穩(wěn)定地行駛。（3）適應性：變電站軌道巡檢機器人應能夠適應不同的環(huán)境，比如高溫、低溫等。（4）兼容性：變電站軌道巡檢機器人應能夠與各種設備兼容，滿足不同系統(tǒng)的需求。（5）數(shù)據(jù)傳輸：變電站軌道巡檢機器人應能夠與變電站機房網(wǎng)絡進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和遠程控制，同時要保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護。（6）智能性：變電站軌道巡檢機器人應具備智能感知、智能控制、自主決策等能力，能夠根據(jù)變電站環(huán)境變化做出相應調(diào)整。（7）維護方便：變電站軌道巡檢機器人的維護應盡可能簡單方便，方便工作人員進行日常維護和檢修。2.2巡檢機器人方案選擇變電站室內(nèi)環(huán)境通常具備各種儀器設備與開關柜排列整齊規(guī)律的特點，如圖2.1所示。變電站軌道巡檢機器人在進行巡檢作業(yè)時可按照固定的路線進行巡檢，但對巡檢高度有一定的要求。通常巡檢機器人利用自身攜帶的檢測設備和傳感器對變電站室內(nèi)設備進行自動檢測，主要檢測內(nèi)容包括室內(nèi)環(huán)境的圖像監(jiān)控、開關柜內(nèi)的儀表讀數(shù)、各項指示燈的顯示狀態(tài)以及局部放電檢測等[17]。圖2.1變電站室內(nèi)環(huán)境目前，巡檢機器人大多按照工作要求攜帶相應的參數(shù)檢測裝置和攝像頭，完成環(huán)境及設備的檢測與信息傳輸?shù)热蝿?。目前比較常見的形式主要有兩種，一種是地面式的，如圖2.2（a）所示，而另一種則是軌道式的，如圖2.2（b）所示。（a）地面式巡檢機器人（b）軌道式巡檢機器人圖2.2地面式與軌道式巡檢機器人對于地面式巡檢機器人來說，是指能夠在地面上自由移動的機器人，通過攜帶的傳感器和攝像頭對變電站機房內(nèi)的環(huán)境和設備進行檢測和監(jiān)測。它具有以下特點：（1）自主導航能力：地面式巡檢機器人具備自主導航能力，能夠在復雜的地面環(huán)境中進行路徑規(guī)劃、避障和定位，實現(xiàn)自動巡檢。（2）靈活性：地面式巡檢機器人可以靈活地適應不同的地形和工作環(huán)境，具備較高的機動性和適應性。（3）多功能性：地面式巡檢機器人可以攜帶多種傳感器和攝像頭，實現(xiàn)對設備狀態(tài)、溫度、濕度、氣體等參數(shù)的檢測和監(jiān)測。（4）實時數(shù)據(jù)傳輸：地面式巡檢機器人可以通過無線通信技術將檢測到的數(shù)據(jù)和圖像實時傳輸給操作人員或中央控制系統(tǒng)，以便及時分析和處理。（5）適用范圍廣：地面式巡檢機器人適用于各種規(guī)模的變電站，可以靈活應對不同的巡檢任務和需求。但同時地面式巡檢機器人也具有以下缺點：（1）地形限制：地面式巡檢機器人在不平坦或復雜的地形上移動時可能會受到限制，例如在坡道、樓梯或不規(guī)則表面上的移動能力較差。（2）避障困難：地面式巡檢機器人在遇到復雜的障礙物或狹窄的通道時，可能會面臨避障困難，需要特殊的避障算法和傳感器來應對。（3）限制高度：地面式巡檢機器人的高度受到限制，無法輕松訪問較高的設備或檢測點，可能需要其他輔助設備或人工干預。（4）覆蓋范圍有限：由于地面式巡檢機器人的移動受限于地面條件和電池壽命等因素，其覆蓋范圍可能受到限制，需要進行充電或人工干預以延長工作時間。而軌道式巡檢機器人是指在變電站內(nèi)部設有軌道或?qū)к壪到y(tǒng)的機器人，通過沿軌道運行完成巡檢任務。軌道式巡檢機器人通過軌道系統(tǒng)的引導，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的定位和路徑規(guī)劃，保證巡檢過程的準確性。此外，軌道式巡檢機器人在軌道上行駛，具備較高的穩(wěn)定性和精確度，軌道機器人通過承載較大的巡檢設備和傳感器，滿足對設備參數(shù)和狀態(tài)進行全面檢測的需求。最后，軌道式巡檢機器人在運行過程中受到軌道系統(tǒng)的限制，能夠減少對其他設備和人員的干擾，提高巡檢過程的安全性[18]。兩種移動方式的對比如表2.1所示。表2.1兩種移動方式對比對比項目地面巡檢機器人軌道巡檢機器人運行路線靈活性高，易更改單一對傳感器依賴程度高低對地形依賴程度高較高控制難度高低考慮到地面巡檢機器人移動安全性具有不確定性，而軌道巡檢機器人結(jié)構簡單，移動安全性高，結(jié)合變電站室內(nèi)巡檢路線較為固定，有利于軌道鋪設的特點，本設計最終采用軌道式巡檢機器人的整體方案。2.3巡檢機器人設計指標本課題設計的變電站軌道巡檢機器人的主要參數(shù)如表2.2。表2.2變電站軌道巡檢機器人設計參數(shù)項目參數(shù)長×寬×高0.3m×0.25m×0.65m機器人總重（包含電氣硬件）25kg最大負載25kg行走最大速度≤0.5m/s最大爬坡斜度30°最小轉(zhuǎn)彎半徑300mm伸縮系統(tǒng)最大行程720mm最大伸縮速度70mm/s待機工作時間8h長度0.5m變軌時間10s2.4巡檢機器人總體結(jié)構設計本變電站軌道巡檢機器人主要結(jié)構組成如圖2.3所示，主要由行走機構、控制艙、伸縮作業(yè)臂和檢測平臺四大部分組成?？刂婆撚煽刂瓢?、24V鋰電池、調(diào)試接頭、I/O采集模塊和無線接收模塊組成。檢測平臺固定在伸縮作業(yè)臂底部，跟隨伸縮作業(yè)臂上下移動，搭載紅外熱成像儀、可見光攝像機和多種傳感器。變電站軌道巡檢機器人采用了模塊化設計，行走機構、控制艙、伸縮作業(yè)臂、檢測平臺都可以拆分為各個獨立的模塊。如圖2.2所示，控制艙安裝在行走機構內(nèi)，伸縮作業(yè)臂安裝在行走機構底部，檢測平臺安裝在伸縮作業(yè)臂的下方，模塊之間采用螺釘螺母連接，易于組裝和維修，同時也具有高擴展性。圖2.3變電站軌道巡檢機器人總體結(jié)構圖根據(jù)模塊化設計思路，將變電站軌道巡檢機器人的機械系統(tǒng)分為行走模塊、伸縮模塊、本體模塊和供電模塊。下面對每個模塊進行具體描述：（1）行走模塊行走模塊是變電站軌道巡檢機器人的基礎模塊，負責機器人在變電站內(nèi)部移動和導航。行走模塊包括驅(qū)動系統(tǒng)和軌道配合。行走模塊的底盤一般采用堅固的金屬材料，具備足夠的承載能力和穩(wěn)定性。（2）伸縮模塊伸縮模塊用于調(diào)節(jié)變電站軌道巡檢機器人的高度，以適應不同高度的設備和巡檢點。伸縮裝置可以采用電動方式，實現(xiàn)機器人的升降操作。（3）本體模塊本體模塊就是變電站軌道巡檢機器人的主體部分，用于承載各種傳感器、攝像頭和工具，完成巡檢任務。傳感器包括攝像頭、氣體傳感器等，用于檢測設備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。本體通常由堅固的外殼和內(nèi)部支撐結(jié)構組成，還兼于采集巡檢數(shù)據(jù)、圖像和視頻。（4）供電模塊供電模塊負責為變電站軌道巡檢機器人提供電源，以保證其正常運行和工作時間。其采用鋰電池負責存儲能量，充電系統(tǒng)用于給電池組充電。充電系統(tǒng)采用有線的方式進行充電，以方便變電站軌道巡檢機器人的充電和維護。2.5本章小結(jié)本章主要進行變電站軌道巡檢機器人總體結(jié)構設計，結(jié)合巡檢機器人工作環(huán)境給出了設計參數(shù)，明確了變電站軌道巡檢機器人總體結(jié)構，并繪制了相應的二維結(jié)構圖，為后文變電站軌道巡檢機器人核心部件設計奠定了基礎。

3變電站軌道巡檢機器人核心機構設計3.1巡檢機器人行走機構設計3.1.1軌道梁截面形狀確定變電站軌道巡檢機器人通過在固定的軌道上行駛，進行自動化巡檢。這種機器人的行走模塊采用了軌道作為其載體，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的巡檢工作，提高工作效率，降低人工成本，并減少人為錯誤。軌道的應用方案則有工字鋼和H型鋼兩種。工字鋼軌道的應用方案具有較高的穩(wěn)定性，且強度高，能夠承受較大的荷載，并且可以適應各種復雜的環(huán)境。此外，工字鋼截面尺寸相對較高、較窄，對截面兩個主軸軸承的抗彎剛度相距較大，因此一般只適用于在其梁端平面內(nèi)受彎的預制構件或?qū)⑵浣M合成格構式受壓預制構件。工字鋼軌道的制造和安裝也相對容易，因此被廣泛應用于各種軌道巡檢機器人的行走模塊中。但工字鋼在垂直于梁端平面的彎折部件上，工字鋼不適合使用，這使得其在應用范圍上有較大的限制[19]。H型鋼軌道的應用方案則具有較高的抗彎強度和抗扭性能，能夠承受更大的彎曲和扭曲力矩。這種軌道適用于一些特殊的環(huán)境，如機場、港口等需要承受較大載荷的場所。H型鋼軌道屬于高效經(jīng)濟截面型材。截面形狀有效，能更好地發(fā)揮不銹鋼板材的效率，提升機器人的承裁工作能力。與一般工字鋼不同，H型鋼的翼緣進行了擴寬，內(nèi)、外表面一般是平行，這樣有利于使用高強螺栓和其他預制構件進行連接。其規(guī)格組成有效系列，型號規(guī)格齊備，且具有較大的慣性矩，在承受彎曲和扭轉(zhuǎn)時具有更好的剛性。H型鋼的強度通常比同尺寸的工字鋼更高，能夠承受更大的荷載，其強度是同尺寸工字鋼的1.5-2倍。圖3.1兩種軌道方案對比從軌道材料來看，本設計最終選擇H型鋼鋁合金材料，因為H型鋼具有較高的強度和剛性，適用于軌道巡檢機器人的結(jié)構設計。同時，鋁合金H型鋼材料具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等特點，能夠滿足變電站軌道巡檢機器人的使用需求。3.1.2齒輪傳動結(jié)構設計變電站軌道巡檢機器人的行走機構采用齒輪齒條傳動，具有承載力大、傳動精度高等優(yōu)點，并考慮變電站機房環(huán)境空間高度高，不能對齒輪進行周期性潤滑，因此對齒輪齒條傳動進行軟硬搭配優(yōu)化設計，在齒輪材料的選擇上進行研究，尼龍材料是一種高分子聚合物，具有結(jié)晶度高、強度高等特點，通過該種材料制作的齒輪載荷承受能力強，通過查閱對比常用的材料參數(shù)，行走機構的傳動齒輪的制作材料最終選取為尼龍PA1010，材料特性如表3.1所示。表3.1PA1010尼龍材料參數(shù)材料型號抗拉強度σb/MPa沖擊韌性值αk（J/cm2）彈性模量E/MPa硬度HB馬丁耐熱溫度℃PA101067.7～176.5帶缺口：≥8.3486～12812～1590～180尼龍齒輪與常見金屬齒輪相比較，具有質(zhì)量輕、密度低、回彈特性、彎曲面不會發(fā)生永久變形、能保持齒輪齒條強度和韌性等優(yōu)點，能夠有效避免由于行走沖擊造成的齒面斷裂[20]。變電站軌道巡檢機器人行走機構采用齒輪齒條傳動設計，傳動機構組成有電機底座、電機、傳動齒輪、齒條、電機減速器。電機固定在支撐底板的電機座上，通過電機軸與齒輪連接，采用齒輪齒條傳動方式，實現(xiàn)機器人行走。如圖3.2所示。圖3.2變電站軌道巡檢機器人齒輪傳動行走結(jié)構設計根據(jù)實際應用需求，變電站軌道巡檢機器人總重量約為25kg，最大行走速度為0.5m/s。結(jié)合變電站軌道巡檢機器人整體結(jié)構進行設計及參數(shù)優(yōu)化，最終齒輪齒條參數(shù)設計如表3.2所示。表3.2齒輪齒條設計參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值模數(shù)m3齒數(shù)z20齒條寬度/mmb22.6齒輪寬度/mmb125變位系數(shù)x10.3分度圓直徑/mmd60頂隙系數(shù)c*0.25齒頂高系數(shù)1壓力角/°20齒輪中心到齒條基準線/mm30.93.1.3行走驅(qū)動機構設計相較于水平行走，變電站軌道巡檢機器人在爬坡過程中所需的扭矩最大，因此驅(qū)動電機選型滿足巡檢機器人爬坡時運動參數(shù)即可，所以下面只針對巡檢機器人爬坡運動性能進行分析，不考慮水平運動情況。驅(qū)動電機用于給巡檢機器人行走提供動力，包括加速、勻速、減速運動等過程，設計要求如表3.3所示。表3.3機器人行走參數(shù)要求設計項數(shù)值重量m25kg最大行走速度Vmax0.5m/s最大加速度amax0.5m/s2巡檢機器人行走方式以電機作為動力來源，通過齒輪齒條傳動方式進行，則：（3.1）式中：—轉(zhuǎn)矩；—減速比；—轉(zhuǎn)矩；—效率。通過齒輪、齒條傳動，齒條會形成一個圓周力，并給驅(qū)動齒輪一個等值反向的驅(qū)動力，計算公式為：（3.2）式中：—齒輪分度圓半徑。（1）驅(qū)動力和阻力的計算巡檢機器人需要克服各種阻力實現(xiàn)最終在軌道上行走的效果，對巡檢機器人在最大爬坡角度運動情況下進行受力分析，將受力分析模型進行簡化，如圖3.3所示，可計算巡檢機器人驅(qū)動力為：（3.3）—巡檢機器人運動時驅(qū)動力；—支撐輪與軌道之間的滑動摩擦力；—巡檢機器人重力在坡度方向產(chǎn)生的阻力；—加速過程中克服重量產(chǎn)生的加速度阻力。圖3.3巡檢機器人受力分析簡化模型在巡檢機器人運動過程中滑動摩擦力，主要由以下幾個因素組成：—承重輪與軸承之間摩擦力；—承重輪與軌道產(chǎn)生的滾動摩擦力。則：（3.4）其中，承重輪與軸承阻力為：式中：—承重輪與行走軌道的壓力，機器人重量為，在行走過程中，每個承重輪壓力為；—軸承半徑，本次設計中根據(jù)整體結(jié)構小型化設計原則，；—承重輪直徑，本次設計中根據(jù)整體結(jié)構小型化設計原則，；—軸承摩擦因數(shù)，通過查閱資料，。承重輪與行走軌道之間的滾動摩擦力為：式中：—承重輪載荷，通過上述計算，；—承重輪與軌道摩擦系數(shù)，通過查閱，；則：根據(jù)巡檢機器人技術參數(shù)設計，設計最大爬坡角度為，因此在重力作用下，會在沿坡度方向產(chǎn)生一個坡度阻力，表達式為：式中：—機器人重量，；—最大爬坡角度，。巡檢機器人在加速運動過程中，需要克服自身重量產(chǎn)生慣性力，稱為加速度阻力，加速度阻力計算公式為：（3.5）式中：—旋轉(zhuǎn)慣量換算系數(shù)；—機器人重量；通過查閱機械設計手冊，取值為，根據(jù)巡檢機器人設計技術參數(shù)，。因此可以得到加速度阻力為：因此總驅(qū)動力為。（2）估算電機功率電機功率計算公式為：根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩公式：（3.6），將具體參數(shù)帶入上式得。由此可知電機功率為，電機轉(zhuǎn)矩為，減速比，電機最高轉(zhuǎn)速公式：（3.7）其中：—電機轉(zhuǎn)速；—巡檢機器人行走最大設計速度；—減速比；—圓周率；—驅(qū)動輪半徑；由公式可以計算出，電機的轉(zhuǎn)速約為。3.1.4驅(qū)動電機選型計算為了確保變電站軌道巡檢機器人在巡查過程中，運行穩(wěn)定性得到有效的保障，巡檢機器人的行走速度不宜過快，結(jié)合表2.2可知，機器人設計最大移動速度為。結(jié)合巡檢機器人現(xiàn)場工作環(huán)境，電機的選型需要對工作時的扭矩、啟動扭矩進行計算。目前常用的電機主要有以下幾種，其優(yōu)缺點如表3.4所示。表3.4不同類型電機對比類型優(yōu)點缺點無刷直流便宜使用壽命短，功率小有刷直流便宜、控制精度差需要閉環(huán)控制伺服控制精度高昂貴步進結(jié)構簡單、可控性強且便宜高轉(zhuǎn)速性能差變電站軌道巡檢機器人在巡查時，速度較低，步進電機具有體積小、重量輕、易于控制等特點，且價格較便宜，通過表3-6綜合考量分析最終選擇步進電機作為行走機構動力來源，同時考慮到水平移動或巡檢軌道存在爬坡角度時，電機無法做到真正自鎖，會出現(xiàn)機器人滑動的現(xiàn)象，因此，水平行走機構增加一個行星減速器，以增大輸出扭矩和減小運動慣量，由于步進電機轉(zhuǎn)速較低，所以選取的減速器的減速比不宜過大[21]。由上述公式計算可知，減速器最大轉(zhuǎn)矩應大于電機轉(zhuǎn)矩0.77N·m，通過市場上常見減速器對比選型，最終選擇減速比為5：1行星減速箱，部分參數(shù)如表3.5所示。表3.5巡檢機器人驅(qū)動電機減速器參數(shù)型號減速比額定負載額定輸入轉(zhuǎn)速效率PL57-A5：16N·m3000RPM0.95%由上式可知，機器人驅(qū)動電機輸出扭矩應在0.77N·m以上，通過市場上常見步進電機對比選型，選用57H703Q5C200步進電機，部分參數(shù)如表3.6所示。表3.6驅(qū)動電機參數(shù)型號步距角輸出扭矩電壓電流轉(zhuǎn)動慣量57H703Q5C2001.8°2N·m2.8V3A0.8kg如圖3.4所示，為57步進減速電機，配合DM542型步進電機驅(qū)動器，具有良好的表現(xiàn)效果：震動小，發(fā)熱低，定位精準以及良好的動態(tài)性能，此外，DM542型步進電機驅(qū)動器能夠在啟動時，迅速斷開PWM輸入信號，將故障信號輸出至主控板，同時，帶有過電流、過電壓保護等，使得巡檢機器人工作更安全，可靠。DM542步進電機驅(qū)動器如圖3.5所示。圖3.457步進減速電機圖3.5DM542步進電機驅(qū)動器3.2巡檢機器人伸縮機構設計3.2.1伸縮機構結(jié)構設計根據(jù)巡檢機器人工作環(huán)境的特點和需求，機器人需要配備相應的伸縮機構才能夠滿足全覆蓋巡檢作業(yè)。伸縮機構的作用是攜帶云臺完成垂直方向上的運動，一方面，可以增加巡檢機器人的作業(yè)范圍，避免檢測盲區(qū)，滿足變電站室內(nèi)全覆蓋檢測的需求；另一方面，減少了軌道鋪設的線路，避免了垂直方向上軌道的鋪設，大大節(jié)約了材料，降低了軌道鋪設的成本。伸縮機構結(jié)構設計如圖3.6所示，采用電機驅(qū)動齒輪副傳動方式，通過傳動軸帶動單布帶實現(xiàn)單套筒升降效果，具體結(jié)構主要有傳動軸、驅(qū)動電機、套筒、伸縮云臺、主齒輪、副齒輪、旋轉(zhuǎn)輪。伸縮機構運行原理為：通過驅(qū)動電機提供動力來源，通過主齒輪、副齒輪嚙合傳動，帶動傳動軸轉(zhuǎn)動傳動軸上布置旋轉(zhuǎn)輪，傳動軸轉(zhuǎn)動時，旋轉(zhuǎn)輪在傳動軸上實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，從而帶動云臺上升和下降；升降套筒具有可拆卸拓展性，根據(jù)室內(nèi)實際高度進行拆卸，本設計采用可拆卸伸縮套筒，套筒之間采用滑動摩擦方式連接，同時設有限位環(huán)，使之具有升降穩(wěn)定、可靠特點。升降套筒頂端與巡檢機器人底板連接，下端與升降云臺固定，通過旋轉(zhuǎn)輪帶動云臺升降[22]。圖3.6變電站軌道巡檢機器人伸縮機構結(jié)構設計在伸縮機構中，為節(jié)省設計空間、增大伸縮機構扭矩和負載，采用大小齒輪傳動設計，結(jié)合巡檢機器人整體結(jié)構進行設計及設計參數(shù)優(yōu)化，最終伸縮齒輪設計參數(shù)如表3.7所示。表3.7升降齒輪設計參數(shù)參數(shù)符號齒輪1齒輪2模數(shù)m1.51.5齒數(shù)z4152分度圓直徑/mmd61.578變位系數(shù)x10.30.3壓力角/°2020齒輪寬度/mmb11018.2齒頂高系數(shù)11頂隙系數(shù)c*0.250.25齒輪中心到齒條基準線/mm31.239.453.2.2驅(qū)動電機選型計算根據(jù)巡檢機器人技術參數(shù)設計，巡檢機器人的伸縮速度vmax=0.05m/s，機器人末端搭載雙光譜相機重量約為4.5kg，考慮到承重負載的冗余能力設計，以及后期擴展搭載其他檢測模塊，負載m0=10kg，則伸縮機構驅(qū)動電機的功率應為：電機轉(zhuǎn)速為：其中：—升降機構驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速；—升降套筒半徑，取。計算扭矩為：根據(jù)上述公式計算結(jié)果，伸縮機構電機輸出扭矩應在1.1N·m以上，與行走機構驅(qū)動電機需求相似，因此伸縮機構驅(qū)動電機選用與行走機構電機一致，采用高性能、高效率57H步進電機，此電機具有調(diào)速范圍寬、體積小、高可靠性、功率大、壽命長等特點，同樣搭配DM542高分辨率編碼器可實現(xiàn)電機的精確控制。由于云臺和雙光譜相機的重量影響，會使伸縮機構在電機的自鎖和重力的作用下，不能做到真正自鎖，為了增加抱閘效果，同時提高上升和下降的控制的準確性和安全性，伸縮機構設計增加行星減速器，升降電機減速器選型為PL57，參數(shù)如表3.8。表3.8驅(qū)動電機減速器參數(shù)型號減速比額定負載額定輸入轉(zhuǎn)速效率PL5720：15.4N·m3000RPM81%3.3巡檢機器人箱體結(jié)構設計變電站軌道巡檢機器人箱體是整個機器人機械系統(tǒng)的結(jié)構基礎，在滿足裝配要求的前提下，還需承載電源以及其他電氣設備，應具有一定的承重能力?；谏鲜鲈O計需求，本課題設計的箱體結(jié)構如圖3.7所示，主要包括上護罩、主機架、前后側(cè)板、左右側(cè)板和上端蓋板。圖3.7巡檢機器人箱體結(jié)構設計其中，上端蓋板留有安裝行走模塊的孔位、定位刻度以及走線孔；側(cè)板上留有充電座安裝孔位；底板留有安裝伸縮機構的拓展口和走線孔。箱體與左右側(cè)板、前后側(cè)板以及底板和上端蓋板通過螺釘和螺栓連接。箱體結(jié)構中，上端蓋板受到外接載荷作用較大，是主要受力零件，應具有足夠的強度，因此選用Q235鋼作為加工原材料，其他部件均采用6061鋁合金作為加工原材料，滿足輕量化原則。3.4本章小結(jié)本章主要進行了變電站軌道巡檢機器人核心機構設計，包括機器人的行走機構、伸縮機構、箱體結(jié)構等。在行走機構設計中主要對行走輪以及驅(qū)動電機選型進行分析，伸縮機構設計主要構件的組成和驅(qū)動機構的計算分析。

4變電站軌道巡檢機器人其他部件設計4.1零部件設計4.1.1夾緊彈簧的設計夾緊彈簧在變電站軌道巡檢機器人中可以應用于多個方面，例如：（1）夾緊機構：夾緊彈簧可以用于機器人的夾緊機構，以確保機器人在工作過程中穩(wěn)定地夾持和固定工件或傳感器。夾緊彈簧可以提供足夠的力量，使得機器人在振動或沖擊的情況下不會松動或脫落。（2）保持力控制：夾緊彈簧可以用于控制機器人的保持力，以確保機器人與工作表面或其他物體之間保持適當?shù)慕佑|力。通過調(diào)整夾緊彈簧的剛度或預壓力，可以控制機器人在不同工作場景下的保持力，以適應不同的應用需求。（3）防震和減振：夾緊彈簧還可以用于機器人的防震和減振系統(tǒng)中。通過在機器人的關鍵部件或結(jié)構上安裝夾緊彈簧，可以有效地吸收和減輕來自外部振動或沖擊的影響，提高機器人的穩(wěn)定性和抗干擾能力。考慮到夾緊彈簧的工作條件，要求彈簧材料應具有良好力學性能，結(jié)合市面上常見的用于彈簧加工的材料，最終選用60Si2Mn作為加工材料。其部分力學性能參數(shù)如表4.1所示。表4.160Si2Mn材料性能參數(shù)材料彈性模量屈服強度抗拉強度延伸率硬度60Si2Mn≈200GPa1200MPa—1400MPa1300MPa-1500MPa10%-15%380HV-430HV此時計算彈簧剛度（彈性系數(shù)）K：使用彈簧剛度的定義公式：（4.1）其中，F(xiàn)是彈簧的壓緊力，x是彈簧的工作行程。根據(jù)要求，單個彈簧的壓緊力最小應為171.5N，壓縮彈簧的最大工作行程為15mm，代入計算得到：彈簧剛度K的計算結(jié)果為：接下來，計算夾緊彈簧的最大載荷：考慮到夾緊機構的單側(cè)夾緊力最小為343N，設夾緊機構使用兩個彈簧對鋼絲繩進行夾緊，并且各個彈簧受力均勻。那么每個彈簧的最大載荷為夾緊力的一半。夾緊彈簧的最大載荷Fmax的計算結(jié)果為：夾緊彈簧的最大載荷Fmax的計算結(jié)果為：綜上所述，根據(jù)給定的參數(shù)和要求，彈簧剛度K的計算結(jié)果為11433N/m，夾緊彈簧的最大載荷Fmax的計算結(jié)果為171.5N。彈簧的剛度大于所需最大載荷，滿足工作需求。4.1.2軸的設計（1）初步確定各軸的最小直徑輸入軸輸出的動力、，軸的材料選擇，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)《機械設計》表15-3，取，于是得：此軸徑處有鍵存在，故需要將軸徑擴大。又由于該處軸要與大帶輪輪轂相連接，故將軸徑圓整，即。（2）中軸最小直徑測定方法由輸入軸的輸入功率、，軸的材料選擇，調(diào)質(zhì)處理。取，于是得因為中間軸的最小直徑要和軸承相連，故稱軸徑為35毫米。（3）輸出軸最小直徑的確定輸入軸輸出的動力、，輪軸選材，調(diào)制。按照機械設計[2]中的表15-3，，于是得此軸徑處有鍵存在，需要將軸徑擴大，在輸出軸的最小直徑上應連接到耦合器，參閱《課程設計手冊》表8-2中選用法蘭式接頭（GB/T5843-2003），該接頭的所有參數(shù)都滿足規(guī)定，其接頭參數(shù)見表4.2。表4.2GY8凸緣聯(lián)軸器參數(shù)型號公稱轉(zhuǎn)速/許用轉(zhuǎn)速/軸孔直徑、/mm軸孔長度Y型GY7160060005560112型號轉(zhuǎn)動慣量質(zhì)量GY7160100405680.03113.1（4）軸的尺寸設計按齒輪參數(shù)及三個軸心距，并考慮到軸上零件的位置，繪制出裝配圖，見圖4.1。在不影響性能的情況下為了使整體結(jié)構緊湊設定中間兩齒輪的距離，兩個小齒輪分別距離箱體內(nèi)壁的距離為8mm，這樣就確定了齒輪的位置。圖4.1齒輪軸（5）中軸測量從前面的計算中得到了這段軸的最小軸徑D=35mm，因為這段軸的受力比較大，因此按照課程設計手冊[1]表6-6初選角接觸球軸承7307AC。這種支承的大小參數(shù)是，根據(jù)此軸上兩個齒輪的位置，、、。這一軸上的小齒輪寬為95mm，由于該小齒輪寬必須加緊，所以其長應略小于齒輪寬，此短軸長應為，主軸的直徑應該比第一節(jié)主軸的直徑稍大，。根據(jù)上一段軸設計第三段軸，軸肩高度，故取，則軸環(huán)處的直徑。軸環(huán)的寬度，取。由中間軸上大齒輪的寬度，軸的長度應略小于齒輪的寬度故，軸徑仍為。（6）輸出軸尺寸的確定從左邊開始，通過選擇的接頭來決定第一節(jié)的大小，該軸的長度比軸孔的長度稍小，故，。由《機械設計手冊》表7-12查得氈圈的軸徑為60mm，符合設計要求，故將第二段階梯軸的軸徑定位，為方便耦合器的拆卸，這一節(jié)軸的長度被設置成。第三部分的軸徑應該比第二部分的直徑稍大，這是由于這部分的軸徑和第七部分都要有軸承，所以從中查閱了這些軸承的類型。其尺寸為，故將兩端軸的尺寸分別設計為考慮到大齒輪的定位，。通過大型傳動裝置，軸長應略小于齒輪寬，所以軸長應為，軸線的直徑比前一個臺階的軸線要大一些。故。以前一節(jié)為基礎，設計了第三節(jié)的軸桿，，故取，則在軸環(huán)上的直徑。軸環(huán)的寬度，取。根據(jù)中間軸齒輪的位置、輸出軸和支座的位置組成的閉合尺寸，確定該段的軸長，并由支座的支座來決定軸的直徑，故、。圖4.2輸出軸結(jié)構示意圖4.2傳感模塊設計4.2.1攝像頭選型攝像頭是變電站軌道巡檢機器人巡檢過程中的核心部件，分為高清運動攝像頭和紅外熱成像攝像頭，運動攝像頭負責采集現(xiàn)場的視覺信息，紅外熱成像攝像頭負責采集現(xiàn)場的溫度信息。（1）高清運動攝像頭選型本課題采用RunCam公司的Eagle2作為高清運動攝像頭，它體積小巧，具有800TVL分辨率，比例可在16：9和4：3之間切換，擁有日夜兩種模式可以切換，保證全天候巡檢任務的順利執(zhí)行。配置170度廣角鏡頭，擴大了監(jiān)測范圍，配合二自由度的云臺，可實現(xiàn)全方位圖像采集，從而提高巡檢工作的質(zhì)量和效率。攝像頭實物圖如圖4.3所示，攝像頭的參數(shù)如表4.3所示。圖4.3RunCamEagle2高清運動攝像頭表4.3RunCamEagle2高清運動攝像頭參數(shù)參數(shù)類型值型號RunCamEagle2傳感器1/1.8’’CMOSSensor分辨率800TVL視角FOV170@16：9/FOV140@4：3信噪比>50dB工作電壓DC5-36V功率12V@90mA/5V@200mA尺寸28*26*28（2）紅外熱成像攝像頭選型本課題使用Waveshare公司生產(chǎn)的MLX90640-D55紅外熱成像攝像頭作為變電站軌道巡檢機器人溫度采集部件。實物如圖4.4所示，是由768個IR傳感器組成的傳感器陣列，每個傳感器采集到的溫度是視場內(nèi)溫度的加權平均值，再將其以數(shù)據(jù)形式存儲在內(nèi)部的寄存器中，并按照一定的頻率刷新，外部通過接口訪問這些寄存器就可以獲得一個溫度的矩陣。768個溫度數(shù)據(jù)組成一個32×24的溫度矩陣，即這個紅外熱成像攝像頭的分辨率為32×24，控制器通過I2C接口訪問其采集的溫度數(shù)據(jù)。圖4.4MLX90640-D55紅外熱成像攝像頭4.2.2超聲波傳感器選型超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，具有波長短、頻率高、繞射現(xiàn)象小的特性，具有廣泛的應用范圍。在機器人領域超聲波傳感器的主要作用是測距，通過非接觸式的測距來避免機器人與障礙物的碰撞。變電站軌道巡檢機器人在無人監(jiān)視的情況下進行自主巡檢，若在巡檢路徑上存在障礙物阻礙巡檢則巡檢機器人需停止并報警，而超聲波傳感器就是用于實現(xiàn)此功能的。本課題采用HC-SR04作為超聲波測距模塊，實物如圖4.5所示。圖4.5HC-SR04超聲波測距模塊圖4.6超聲波測距模塊時序圖4.6是該超聲波測距模塊的時序原理圖，控制器發(fā)送一個大于10us的脈沖信號后，模塊內(nèi)部會自動發(fā)送8個40KHz的方波信號輸出聲波，當聲波返回時，模塊內(nèi)部定時器根據(jù)延時值通過IO輸出一高電平，該高電平的持續(xù)時間即為超聲波從發(fā)射到返回的時間，即測量距離=（高電平時間×聲速（340m/s））/2。4.3電源模塊設計由上述選型的設備儀器可以得到各設備的電壓電流參數(shù)，綜合考慮到各設備電壓、續(xù)航時間、重量、尺寸等因素，本設計選用標準電壓為24V的鋰離子電池，相對于鉛蓄電池來說，大大減輕了電池重量，增加了電池容量，提高續(xù)航能力，其最大容量約為12AH，重量約為5Kg，單次充電時間為1-2h，正常工作運行時間大于5h，滿足設計要求。考慮到各設備所需要的合適輸入電壓不同，單獨供電會使線路復雜且占用較多的空間，不利于巡檢機器人的整體性能。本課題設計了多電壓輸出的電路板，如圖4.7所示，電路板提供了5V、12V、24V電壓輸出和接地接口，增加了各個設備供電的可靠性、便捷性和安全性。圖4.7多電壓輸出的電路板使用蓄電池作為電源的變電站軌道巡檢機器人需要保證每個蓄電池的電量都滿足巡檢要求，而充電技術是設計中的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的充電方式容易出現(xiàn)接觸不良、機械磨損等問題，而某些充電閉鎖裝置需要高接口精度，設計難度大，且插電存在安全隱患。與傳統(tǒng)的輸電方式相比，無線電能傳輸技術具有便捷、安全等優(yōu)點，因此，將巡檢機器人充電方式設計為無電火花、非接觸式無線充電，采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術實現(xiàn)。根據(jù)機器人充電的技術要求，需要一定的傳輸距離和較高的能量利用率，因此磁耦合諧振式是最合適的無線充電方式。表4.4列出了三種無線充電方式的特征比較。變電站軌道巡檢機器人機頭位置靠近的地方，安裝有若干個無線充電發(fā)射線圈裝置，機器人身上設計有接收線圈。當機器人需要充電時，變電站軌道巡檢機器人會?？吭趯某潆娢恢茫箼C器人可以直接接收充電。表4.4無線充電特征比較方式電磁感應式磁耦合諧振式微波式頻率范圍100kHz-200kHz6.78MHz-13.56MHz2.45GHz傳輸距離1-10mm2-50mm1-5m傳輸效率70%-90%80%-90%70%-90%優(yōu)點適用于近距離充電，可實現(xiàn)高效率充電；技術成熟，使用廣泛傳輸距離和效率較高，可適用于近距離和中距離充電；對設備位置和方向的要求相對較低適用于中距離和遠距離充電，傳輸距離大；適用于多設備同時充電缺點充電距離短，需要保持充電設備與設備之間的緊密接觸；對設備位置和方向要求較高設備成本較高，對諧振頻率精度要求較高；充電器和設備之間的相互影響較大對設備和環(huán)境的干擾較大，會對人體產(chǎn)生一定的輻射危害；傳輸效率較低，易受到障礙物的影響4.4本章小結(jié)本章主要進行變電站軌道巡檢機器人其他部件設計，包含有零部件設計、傳感模塊設計、電源模塊設計，對于完善變電站軌道巡檢機器人功能有著重要的意義。

5變電站軌道巡檢機器人仿真分析本章主要進行變電站軌道巡檢機器人仿真分析，選取軌道、行走機構、伸縮機構進行重點分析，旨在驗證本變電站軌道巡檢機器人運行的可靠性。5.1軌道結(jié)構仿真分析考慮到軌道的重量以及軌道支架的承載問題，軌道采用鋁合金的材質(zhì)，在保證強度的同時減輕軌道的重量，減輕軌道支架的承載負擔。經(jīng)調(diào)研可知6系列鋁合金（鋁鎂硅系合金）常被用于軌道制造。軌道材質(zhì)選用6063型號鋁合金，T6處理，表面陽極氧化，強度更高、表面更耐磨，相關參數(shù)如表5.1所示。利用SolidWorks軟件中的質(zhì)量評估可知軌道重量為每米7.5千克，與工字梁所用的鋼板每米21.5千克相比有著很大的優(yōu)勢。表5.1軌道材料性能參數(shù)材料泊松比拉伸強度（MPa）屈服強度（MPa）密度（g/cm3）6063-T60.332402152.7對巡檢機器人云臺的三維模型進行重量估算，再加上電機輪轂、控制箱、電源等重量，巡檢機器人云臺重量大約為25kg，因此按照云臺重量為25kg進行軌道強度校核。通過后續(xù)巡檢機器人軌道行走仿真實驗中可以得知，巡檢機器人對軌道的力主要都集中在電機輪與軌道接觸的位置，限位輪與軌道接觸產(chǎn)生的力忽略不計[23]。選取巡檢機器人所處的兩個不同位置進行應力分析，一個位置是巡檢機器人處在軌道支架附近，如圖5.1所示，另一個位置是巡檢機器人處在兩個軌道支架之間，如圖5.2所示。由兩個應力分布圖可以看出，軌道承受的最大應力為97.1MPa，其中與軌道支架聯(lián)接的安裝孔處、下側(cè)三角形加強筋板處等部位是應力較為集中的區(qū)域，如圖5.3所示。軌道材質(zhì)為強度較高的鋁合金，屈服強度為215MPa，因此還有很大設計余量。圖5.1軌道應力分析圖1圖5.2軌道應力分析圖2圖5.3應力集中部位為了分析軌道所能承載的最大重量，并留有30%余量，增大承受的重力對軌道進行極限應力分析，如圖5.4所示，可知當軌道所受最大應力接近150MPa時，軌道所受的力為2100N，因此在保證安全的情況下，軌道所能承受的最大重量約為210kg。圖5.4軌道極限應力分析接下來對軌道支架和螺栓的強度進行分析，軌道支架需要承載軌道和巡檢機器人的重量，采用和軌道一樣的材質(zhì)即6063型號鋁合金，強度較高。對軌道支架的一端進行固定，另一端用45鋼材質(zhì)M8螺栓與軌道進行聯(lián)接，并在軌道相應位置加載巡檢機器人對軌道的壓力，最終得到應力圖如圖5.5所示，最大應力為74MPa，離屈服強度還有較大余量。圖5.5軌道支架和螺栓應力分析5.2行走機構仿真分析（1）建立有限元分析模型建立行走機構主體結(jié)構有限元分析模型是行走機構仿真分析的第一步，模型的建立應盡可能的反映工程原型的實際情況。Workbench除了自身提供的建模模塊DesignModeler之外，還提供了多種外部CAD模型接口，可以通過外部其它的CAD軟件進行建模，然后通過格式轉(zhuǎn)換將幾何模型導入。由于DesignModeler在實際應用時，建模方法較為復雜，因此主體結(jié)構的模型最終由SolidWorks來建立并簡化后導入Workbench中。考慮到模型中具有很多細節(jié)特征，而這些特征并不會影響到結(jié)構的特性或者計算結(jié)果，但會大大增加網(wǎng)格劃分的難度和計算機的計算量。因此為了提高計算效率，對模型進行簡化處理：將螺紋孔簡化為通孔，螺栓連接簡化為固定約束；轉(zhuǎn)向機構中的導向輪只起到輔助導向的作用，可忽略不計；轉(zhuǎn)動機構簡化為簡單轉(zhuǎn)軸；忽略部分圓角和倒角特征，軸承用簡單的質(zhì)量塊來代替；夾緊機構中的導向槽和凸臺只起導向作用，也可以忽略掉。經(jīng)過簡化處理后的主體結(jié)構有限元分析模型如圖5.6所示。圖5.6主體結(jié)構分析模型（2）定義材料屬性ANSYSWorkbench提供了自帶的材料庫EngineeringData，在該模塊可以對項目中用到的材料進行設置。在主體結(jié)構中，所用到的材料主要為Q235鋼和尼龍，尼龍用作支撐輪的使用材料，其他部分設置為Q235鋼。具體材料屬性設置如表5.2所示。表5.2巡檢機器人仿真模型材料參數(shù)材料名稱密度g/cm3彈性模量GPa泊松比屈服強度MPa抗拉強度MPaQ2357.862120.288235400尼龍1.50.00780.47—3（3）劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格時不僅要考慮網(wǎng)格的大小和密度，還應考慮到計算機性能需求。本設計對行走機構主體結(jié)構模型的網(wǎng)格劃分以六面體主體法為主，并通過對支撐輪、夾緊支架等主要受力部分進行網(wǎng)格細化處理來保證網(wǎng)格的質(zhì)量和精度。最終劃分完成后的網(wǎng)格模型如圖5.7所示，整個主體結(jié)構分析模型總共生成109004個網(wǎng)格單元，86541個節(jié)點。圖5.7主體結(jié)構模型網(wǎng)格劃分（4）添加載荷和約束條件添加載荷時應根據(jù)機器人的實際受力情況進行設置，其中支撐輪與固定軌道接觸，因此設置為固定約束。主體結(jié)構所受載荷主要包括重力、彈簧的彈力、梯形絲杠螺帽對夾緊支架的拉力以及機器人其他零部件和設備產(chǎn)生的負載。具體設置為：重力通過添加重力加速度進行設置；每個彈簧的彈力大小為171.5N，左右兩側(cè)導向軸安裝孔處各添加兩個彈簧產(chǎn)生的載荷；梯形絲杠螺帽產(chǎn)生的力大小等于兩倍的彈簧力，添加在螺帽安裝孔處，方向與彈簧力相反；其余負載簡化為400N的力加載在底板上，方向與重力方向相同。添加完載荷和約束條件后的主體結(jié)構模型如圖5.8所示。圖5.8主體結(jié)構載荷與約束條件設置（5）仿真求解與結(jié)果分析設置好載荷和約束條件后，在項目求解模塊添加相應的求解任務提交計算機求解，最終求解得到主體結(jié)構仿真結(jié)果如圖5.9、5.10所示。由圖5.9可知，結(jié)構最大等效應力發(fā)生在底板中部，大小為62.86MPa，滿足強度要求；由5.10可知，結(jié)構最大變形為0.38mm，發(fā)生在夾緊支架的邊緣處。圖5.9主體結(jié)構仿真應力云圖圖5.10主體結(jié)構仿真應變云圖雖然由主體結(jié)構的仿真結(jié)果可以看出，其結(jié)構強度基本滿足設計要求，但為了進一步增加結(jié)構的強度和穩(wěn)定性，需要做進一步的處理。從仿真結(jié)果看，結(jié)構的主要受力和變形發(fā)生在底板中部和夾緊支架邊緣位置，在考慮負載和安裝空間的前提下對底板進行稍微加厚的處理，并在底板的底部增加了加強筋。對改進設計后的主體結(jié)構進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5.11、5.12所示。由仿真結(jié)果可以看出，改進后的主體結(jié)構最大應力為13.61MPa，最大變形為0.08mm，由此可見，改進后的主體結(jié)構強度得到了較大的提高。圖5.11主體結(jié)構改進設計后仿真應力云圖圖5.12主體結(jié)構改進設計后仿真應變云圖5.3伸縮機構仿真分析通過設計出的伸縮機構主齒輪與副齒輪傳動機構，對傳動模型進行簡化，結(jié)合ANSYSWORKBENCH軟件動力學仿真，根據(jù)有限元仿真結(jié)果分析受力情況，驗證設計是否滿足使用要求。首先在ANSYSWorkbench中根據(jù)上述主齒輪與副齒輪選材的材料特性及設計參數(shù)，接觸設置為齒面接觸，摩擦系數(shù)為0.1，對主齒輪與副齒輪進行參數(shù)化建模，參數(shù)化模型如圖5.13。圖5.13齒輪副參數(shù)化模型模型導入到workbench后，將定義的材料加載到主齒輪與副齒輪上后，對模型進行網(wǎng)格劃分，采用默認四面體網(wǎng)格劃分，最小邊線為0.22mm，節(jié)點數(shù)為389250，單元數(shù)為167835，網(wǎng)格參數(shù)圖如下5.14，模型網(wǎng)格劃分圖如圖5.15。圖5.14齒輪副網(wǎng)格參數(shù)圖圖5.15齒輪副模型網(wǎng)格劃分圖材料加載和網(wǎng)格劃分和結(jié)束后，開始設置模型的約束，載荷和接觸?；谧冸娬拒壍姥矙z機器人在工作時，齒輪副模型中，大齒輪中心與傳動軸固定連接，小齒輪與伸縮驅(qū)動電機連接，結(jié)合上述計算結(jié)果得出伸縮驅(qū)動電機輸出軸上最大轉(zhuǎn)矩應大于1.1N·m，受力部位為小齒輪，施加約束和載荷后如圖5.16，得到主齒輪與副齒輪應力分布如圖5.17和應變分布圖5.18。由應力分布圖可以看出，主齒輪與副齒輪的最大應力為11.526MPa，遠小于材料屈服極限，有很大設計余量，主齒輪與副齒輪的最大變形量為0.0023mm，均符合設計要求。圖5.16齒輪副約束和載荷圖5.17齒輪副應力圖圖5.18齒輪副應變圖5.4本章小結(jié)本章主要進行了變電站軌道巡檢機器人仿真分析，選取軌道、行走機構、伸縮機構進行分析，驗證了本結(jié)構設計的強度滿足設計要求，完成了變電站軌道巡檢機器人的強度校核。

6結(jié)論在本次變電站軌道巡檢機器人設計中，通過結(jié)合先進的技術和創(chuàng)新的思維，成功實現(xiàn)了一款能夠自主巡檢變電站機房的巡檢機器人。該機器人能夠準確、高效地檢測變電站機房的狀態(tài)，提供全面的監(jiān)測和分析能力，為變電站維護和安全管理工作帶來了革命性的變化。通過采用紅外線熱成像技術，該機器人能夠?qū)崟r監(jiān)測機房溫度，并及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障點和異常熱點，從而防止事故的發(fā)生。隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新的推動，變電站軌道巡檢機器人的發(fā)展前景非常廣闊。未來，可以進一步提升機器人的智能化水平，使其具備更強的自主決策和自適應能力，具體可以從以下幾個方面著手：（1）自主性和智能性：未來的巡檢機器人需要更高的自主性和智能性。機器人應該能夠根據(jù)巡檢任務的要求自主規(guī)劃路徑、避開障礙物，并且具備自主決策能力。此外，機器人還應該能夠?qū)W習和適應變電站環(huán)境的變化，以應對各種情況。（2）多樣化的傳感器：為了更全面地監(jiān)測和評估變電站的設備，未來的巡檢機器人可以配備更多種類的傳感器。例如，聲音傳感器可以識別設備的異常噪音等。多樣化的傳感器將提供更多的數(shù)據(jù)來源，進一步提高設備故障的檢測和預測能力。（3）數(shù)據(jù)分析和人工智能技術：隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，未來的巡檢機器人可以利用更先進的數(shù)據(jù)分析和機器學習算法來處理收集到的巡檢數(shù)據(jù)。這將提高設備故障預測的準確性，并為維護決策提供更準確的支持。（4）無人化運維：未來，可以將巡檢機器人與其他自動化設備和系統(tǒng)集成，實現(xiàn)變電站的無人化運維。例如，巡檢機器人可以與自動化設備和智能電網(wǎng)系統(tǒng)進行實時通信，實現(xiàn)設備的自動控制和調(diào)度。總之，隨著技術的不斷進步，變電站軌道巡檢機器人將在提高效率、安全性和可靠性方面發(fā)揮越來越重要的作用。未來的發(fā)展將集中在提高機器人的自主性、傳感器的多樣化、數(shù)據(jù)分析和人工智能技術的應用，以及實現(xiàn)無人化運維的目標。

自我評價本課題詳細設計了一款變電站軌道巡檢機器人，我認為，我的畢業(yè)設計具有以下優(yōu)點和特點：（1）高效性：該變電站軌道巡檢機器人可以提高變電站軌道巡檢的效率。機器人可以自主巡檢軌道，并且能夠快速準確地檢測和識別潛在問題，這大大減少了人工巡檢的時間和勞動成本。（2）安全性：變電站軌道巡檢需要進入高風險區(qū)域，而該變電站軌道巡檢機器人可以代替人員進行巡檢任務，降低了人員的風險暴露。機器人具備避障功能，可以安全地避開障礙物，并且在遇到異常情況時能夠及時作出反應。（3）多功能性：該變電站軌道巡檢機器人具有多種功能，能夠進行軌道的巡檢、設備狀態(tài)監(jiān)測、溫度測量等。它可以配備多種傳感器，如攝像頭、紅外熱像儀等，以獲取全面的數(shù)據(jù)信息，這些功能使得機器人能夠全面、準確地評估變電站設備的狀況。（4）環(huán)境保護：該變電站軌道巡檢機器人可以減少人工巡檢過程中對環(huán)境的影響。相比傳統(tǒng)的人工巡檢方式，機器人不會產(chǎn)生污染物排放，減少了對空氣和水資源的污染。此外，由于機器人可以準確識別設備問題，可以及時進行維護，減少了設備故障對環(huán)境的潛在影響。（5）可持續(xù)發(fā)展：該變電站軌道巡檢機器人有助于電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。通過提高巡檢效率和準確性，機器人可以幫助及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的設備問題，減少停電和電力供應中斷的風險。這有助于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為可持續(xù)的電力供應做出貢獻。（6）經(jīng)濟效益：該變電站軌道巡檢機