机械高压线除冰机器人设计

机器人被日本电力行业视为轻型无人作业、自动除冰维护用机动平台的模板。该机器人利用两个行走轮和两个导向轮沿着高压输送线行走，能避开防震锤、螺旋减震器等高压线路上的障碍物。遇到高压线塔时机器人本体采用仿人攀爬的结构原理，先展开弧形手臂，手臂的首端吊住高压线塔两侧的地线，作为着力支撑点，然后整个机器人顺着高压地线滑到线塔的另一端；待机器人导向轮夹紧高压线塔另一端的地线后，将弧形手臂折叠收起，重复上述动作过程，最终实现自动行走的目的。OPGW巡线移动机器人本体顶部还安装有8个摄像头用于实时拍摄高压输送线路上现场情况，辅助完成机器人的巡线检测任务，并通过电晕效应的原理去除高压输送线路上的覆冰。该机器人还可以通过前后导向轮交叉换向实现自动避障的功能。

目前国内对除冰机器人的技术研究仍然处于初始阶段，对除冰机器人的定位传感器、位置导航、运动控制以及除冰结构设计等关键层面的研究还远远落后于其他欧美国家。不过现在许多国内研究机构也开始努力开展对除冰机器人的研究工作，从最基础的行走机械结构设计、除冰方式及运动控制入手。由于除冰机器人在机动性、越障方式等方面与其他特种机器人有很大不同，因此国内在除冰机器人技术研发这条路上还有很长的路程要走。

1.3 Solidwork软件的介绍

SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。

SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。 SolidWorks的主要模块包括：

（1）零件建模

SolidWorks 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁 特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。通过对特征和草图的动态修

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改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。

(2)曲面建模

通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。

（3）钣金设计

SolidWorks 提供了顶尖的、全相关的钣金设计能力。可以直接使用各种类型的法兰、薄片等特征，正交切除、角处理以及边线切口等钣金操作变得非常容易。 用户化 SolidWorks 的API为用户提供了自由的、开放的、功能完整的开发工具。

开发工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C++，以及其他支持OLE的开发程序。

（4）特征识别

FeatureWorks是第一个为CAD用户设计的特征识别软件。与其它CAD系统共享三维模型，充分利用原有的设计数据，更快将向SolidWorks系统过渡，这就是特征识别软件FeatureWorks所带来的好处。

FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。当引入其它CAD软件的三维模型时，FeatureWorks能够重新生成新的模型，引进新的设计思路。FeatureWorks对静态的转换文件进行智能化处理，获取有用的信息，减少了重建模型所化的时间。

FeatureWorks最适合识别带有长方形、圆锥形、圆柱形的零件和钣金零件。 FeatureWorks提供了崭新的灵活功能，包括在任何时间按任意顺序交互式操作以及自动进行特征识别。FeatureWorks 提供了在新的特征树内进行再识别和组合多个特征的能力，新增功能还包含识别拔模特征和筋特征的能力。

1.4 有限元分析的介绍

有限元分析是运用电子计算机进行数值模拟的方式，现如今在工程技术领域中的应用十分多，有限元计算答案已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。现在，有限元分析大量应用于解决航空、工业、航天、电子、土木、船舶、能源、化工、核工业、生物、医学及交通运输等众多领域的具体工程问题，尤其是随着计算机技术突飞猛进的高速发展，有限单元法在解决具体问题的规模、区间方面也已经发生了巨大的变革。有限元分析技术可以实现：

（1）找到产品潜在的问题以及先天的缺陷，为我们创造更加品质优异的产品。 （2）对风险进行评估与预测，提高产品和加工生产的可靠性，降低存在的风险。 （3）通过进行对比计算分析，运用改进后的设计方案，降低产品生产加工成本。 （4）缩短产品投向市场的时间。

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（5）降低物理试验次数，对大量实际情况进行快速而有效的模拟实验分析。 有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。从提出有限元分析的概念以来，有限元理论及其特殊的应用得到了高速发展。以往不能解决或能解决但解决精度不高的情况，都得到了更好的解决方法。传统的FEM假设：分析域是无限；材质是同样的，甚至在绝大部分的分析中认为材质是各向同性的；对边界环境简化处理。但实际情况往往是分析区域有限、材质各向异性及边界环境难以确定等因素。为了解决这些问题，美国学者发现用CFEM(Gener-alized Finite Element Method)解决分析区域内含有大量孔洞特性的情况；比利时学者也在之间提出了用HSM解决实际开裂情况。

FEM在国内的应用也十分广。自从我国成功研制了国内第一个通用有限元分析程序系统JIGFEX后，有限元分析涵盖到工程分析的各个领域中，从我国大型的三峡工程到微米级的器件都运用了FEM进行分析，在我国高速经济发展中拥有很大的发展空间。

现在我们在进行大型复杂工程结构中物理场分析时，为了控制并估计偏差，常用后验偏差估计的自适应有限元分析。而基于后处理法的计算偏差，与我们常常使用的传统算法不同，它完美的将网格自适应过程分成均匀化和变密度化两个迭代过程。而均匀化迭代过程中，运用均匀网格尺寸对整体分析区域进行网格划分，便得到一个合适的起始均匀分析网格；而在变密度化迭代过程中只进行网格细化的操作，而且充分运用上一次迭代的答案，在单元所在的曲边三角形区域内部进行局部网格细化工作，保证了全局分析网格尺寸分布的合理性，这样不同尺寸的网格就能够光滑衔接，从而提高网格的整体质量。上述整个方案简单可行，稳定可靠，数次迭代即可快速收敛，生成的网格布局合理，质量水平高。

1.5 课题研究的意义及目的

从目前全球市场需求布局来看，欧、美地区成为功能全、结构简洁、质量好、性能稳定的除冰机器人的主要应用市场；中东、非洲地区由于处于热带地区，不存在高压线路结冰的情况发生；还有以俄罗斯为代表的高寒国家则更喜欢能耐寒，机械结构牢固的除冰机器人以适应当地的地理气候条件；日韩则主要关注产品的品质与安全；目前国内的除冰机器人整体研究状况还是比较良好，已由原来单一的行走除冰功能，不注重外观，逐渐演变成为实际作业使用中的艺术品，以外观精美结构巧妙，操作方便，质量安全稳定等特点成为新的发展方向。为进一步适应各行各业的发展，现如今市场上还出现了集除冰维护于一体的高压巡线机器人。

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第二章 机械除冰机器人的设计

现有市场上常见的除冰机器人基本上都是热力除冰机器人，其基本工作方式为行走电动机带动行走轮转动，行走轮再将动力传递给整个机器人达到让其在高压输送线路上自由行走的目的。热力除冰机器人主要有以下几个方面的缺点：热力除冰的方式热力损耗大，热力容易扩散，经济成本过高，且除冰过程中容易造成高压线路电力中断的情况发生。而本设计中的机械除冰机器人采用机械结构的除冰方式，其基本工作原理为行走电动机带动行走轮转动提供机械除冰机器人行走的动力，除冰电动机通过齿轮传动将动力传递给除冰刀，实现其能够自动行走去除线路上覆冰的目的。

这两种除冰机器人的工作原理截然不同，两者结构不同、实现方式不同，使用方法也不相同。本篇论文中的机械除冰机器人设计运用了巧妙的机械传动结构，利用行走电动机作为机器人行走的源动力，再通过电机自带的减速器和链传动将行走电动机的动力传递给机器人后端的行走轮，利用除冰电动机作为机器人除冰的原动力，同样通过电机自带的减速器和齿轮传动将除冰电动机的动力传递给机器人前端的除冰刀，最终实现机器人自动行走除冰的目的。且在机械除冰机器人尾部还安装有四个导向轮，通过导向轮将两根高压线夹紧，使得整个机器人在运动过程中更加平稳。我们在现有的热力除冰机器人的行走理论基础上改良结构和除冰方式，本次设计的机械除冰机器人采用后轮驱动，前段除冰的结构方式，机械结构更加优化，综合材质的选择、结构的简化，让操作者在实际使用时更加方便稳定的使用该除冰机器人，这是本论文机械除冰机器人的设计初衷。

2.1 机械除冰机器人的设计要求

（1）本设计中的机械除冰机器人主要应用于不同气候环境下的电力除冰和维护作业，可以大量节省人力财力，提高高压输送线路覆冰的除冰效率。

（2）本设计之前综合考虑，该机械除冰机器人应该具有以下功能：产品制造成本低，质量安全稳定，使用时间长，结构简捷，除冰效率高，方便搬运移动；

（3）本设计从机械除冰机器人行走机构设计和机械除冰机构设计两方面着手进行详细的设计分析及计算阐述。

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