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摘 要

此次设计主要设计了一款基于虚拟样机技术的高压线三臂检测机器人夹持机构，对此夹持机构的各个零件进行了详细的计算与设计，使其可以实现夹持500Kv的高压避雷线并驱动机器人巡检的功能，且该夹持机构可以与与之相匹配的行走机构一起完成对绝缘子、线夹、塔杆等障碍物的越障动作。此次设计采用了滚动式的运动方式，可以大幅度的降低机器人巡检时对线路的磨损和对电机转矩的需求，且此夹持机构在机器人上会安装三个，使得越障过程更加平稳，三臂式的结构也使越障动作大大简化，使机器人更加易于控制。

关键词：高压线三臂检测机器人夹持机构；设计；计算

Design of clamping mechanism for three arm detection robot of high voltage line based on Virtual Prototype Technology

Abstract

This design mainly designs a clamping mechanism of high-voltage line three arm detection robot based on virtual prototype technology, and carries out detailed calculation and design for each part of the clamping mechanism, so that it can clamp 500kV high-voltage lightning wire and drive robot inspection function, and the clamping mechanism can complete insulator and wire clamp together with the matching walking mechanism , tower pole and other obstacles. The rolling motion mode is adopted in this design, which can greatly reduce the wear of the line and the demand of the motor torque when the robot is in patrol inspection, and three clamping mechanisms will be installed on the robot, making the obstacle crossing process more stable, the three arm structure also greatly simplifies the obstacle crossing operation, making the robot easier to control.

Key words: High voltage line three arm detection robot clamping mechanism; Design; Calculation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 前言 5

1.1 高压线巡检机器人的概况 5

1.2 高压线新型三臂机器人研究的目的与主要内容 5

1.3 本次设计的课题及主要内容 5

第二章 夹持机构总体方案设计 6

2.1 机器人夹持方案的确定 6

2.2 机器人驱动方案的确定 6

2.2.1 夹紧轮的驱动方案确定 6

2.3 夹持机构的总体方案确定 6

第三章 步进电机的计算与选型 8

3.1 行走轮步进电机的计算与选型 8

3.2 夹紧轮步进电机选则 8

第四章 丝杠的计算设计与校核 11

4.1 丝杠的计算与设计 11

4.2 丝杠的校核 12

第五章 夹持机构轴的计算设计与校核 14

5.1 轴的材料的选则 14

5.2 轴的计算与设计 14

5.2.1 行走轮轴的计算与设计 14

5.2.2 压紧轮轴的计算与设计 15

5.3 轴的强度校核 16

5.3.1 行走轮轴的强度校核 16

5.3.2 压紧轮轴的强度校核 18

第六章 轴承的选用与校核 21

6.1 轴承的选用 21

6.2 轴承寿命的计算校核 21

第七章 键的选型与校核 23

7.1 键的选型 23

7.2 键的强度校核 23

第八章 部分其他零件的设计与选择 24

8.1 夹持机构支架的设计与材料选择 24

8.2 行走轮的设计与材料选择 24

8.3 行走轮固定板的设计与材料选择 24

8.4 丝杠固定板的设计与材料选择 25

8.5 压紧轮的设计与材料选择 25

8.6 联轴器的选型 26

第九章 三维建模与二维装配示意图 27

9.1 UG三维建模示意图 27

9.2 CAD二维装配示意图 28

第十章 结术语 29

致 谢 30

参考文献 31

第一章 前言

1.1 高压线巡检机器人的概况

现代社会工业飞速发展对电力设备提出了极高的要求，高压输电线路稳定与安全的运行对现代社会的工业与经济发展至关重要，高压线巡检机器人便在这种情况下应运而生。国内外对于这种机器人已经有很多研究。

1989年美国TRC公司研制了一台巡检机器人。它能沿架空导线长距离爬行,执行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务,并将各种数据处理完毕后发送给地面人员，机器人还能通过仿真手臂进行越障。

武汉水利电力大学的吴功平教授于1998年研制出了一种架空高压线路巡线小车，小车的结构采用单体三驱动轮，具有稳定的行走功能与越障功能，并且小车可以利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的诊断。而巡线小车的移动、越障则是通过人工遥控加和机械控制器共同作用实 现。

长春理工大学机电工程学院的李晓舟，邢向飞等专家针对高压线巡线任务需求和避雷线所处环境提出了一种新型高压线避雷线巡检机器人的设计方案，设计了巡线越障的方式，并采用了高阻尼转轴和质心调节相互配合的杆塔越障方法，并对机器人的越障过程进行了仿真分析，在驱动轮转矩为10Nm并且爬坡坡度为20°这一特定条件下，分析比较了机器人控制箱位于滑台的不同位置时横向摆动的情况和机器人行程，仿真结果证明当控制箱位于滑台斜上方50mm处机器人工作时最稳定。

1.2 高压线新型三臂机器人研究的目的与主要内容

当今世界经济与工业水平飞速发展，对于高压输电线路的检查与维护提出了更高的要求而传统的巡检方法是通过人工和直升机辅助巡检，存在着人力资本开销大，难以发现一些细小的安全隐患等问题，在一些偏远地区或山区等环境恶劣之地，人工巡检的方式更是难以实行。因此，以机器人代替人工巡检的方式便应运而生，这种使用机器人代替人工巡检的方式不但可以减少人力成本和恶劣环境带来的不便，而且机器人可以携带先进的检测装备，可以发现一些人力难以发现的隐患。

新型三臂机器人的研究主要是研究一种应用于高压输电线的巡检机器人，要有机器人具有一定的续航能力，且可以平稳的越过避雷器、耐张线夹、防振锤等高压线上的障碍物且不会对线路本身产生破坏，并且能够携带一定重量的检测设备完成对高压线的检测，而且需要有一定的保护措施，当机器人出现故障时可以锁死以免机器人从高空掉落。

1.3 本次设计的课题及主要内容

本次设计的课题是基于虚拟样机技术的高压线三臂检测机器人—夹持机构设计，要求研制一台针对500kv电压等级高压架空输电线路(其中：避雷线规格为LGJ500/45、悬垂线夹规格为 CGF-6X、防振锤规格为 FD-6)，具有自主越障能力和爬坡能力的一种新型结构的高压线三臂巡线机器人。该机器人能够以一定的速度沿架空线路运动，并能跨越防振锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线等障碍，具有自动刹车自保功能，以避免从高空摔落。本课题研究主要内容是在确定高压线三臂巡检机器人—夹持机构方案的前提下，完成零件图、装配图设计与装配；或利用Creo（Ug、Solikworks）建立高压线三臂巡检机器人——夹持机构三维样机模型。

第二章 夹持机构总体方案设计

2.1 机器人夹持方案的确定

机器人巡检时需要夹持住高压线并且移动，夹持高压线一般通过滑轮与压紧装置来实现，目前比较主流的方法有两种：一种是行走轮行走夹爪夹紧，另一种是通过行走轮行走压紧轮夹紧。两种方法各有优缺点，通过夹爪夹紧结构比较简单但容易磨损高压输电线，而通过压紧轮夹紧结构比较复杂但与高压线之间是滚动摩擦，对高压线磨损较小。本次设计采用压紧轮夹紧，示意图如图2.1所：

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