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中國地質大學長城學院畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
李佰君
學號
05208338
專業(yè)班級
08機制三班
指導教師
楊義勇
職稱
教授
單 位
中國地質大學
課題性質
設計■ 論文□
課題來源
科研■ 教學□ 生產□ 其它□
畢業(yè)設計（論文）題目
除冰機器人機構、控制設計
研究的目的及其意義
隨著現代科學技術的發(fā)展，機器人越來越廣泛地應用在各行各業(yè)中。機器人的研究與應用水平己經成為一個國家經濟實力和科技發(fā)展水平的重要標志。我國自1987年實施國家“863“高技術研究發(fā)展計劃以來，就把智能機器人研究確立為自動化領域的主體之一。目前，開發(fā)輸電線路機器人代替人工作業(yè)以提高除冰效率和維護人員安全以成為國內外研究的熱點。然而在機器人研究領域并未出現與輸電鐵塔檢測相關的成熟方案，落后的人工檢測桿塔方法不僅危險性高，而且缺乏準確度，無法完全排除安全隱患。因此提出一款用于輸電鐵塔檢測的機器人代替人工作業(yè)，以提高其工作效率，安全性和準確性就具有較好的應用前景和實用意義。本論文因此討論一種安全有效的輸電鐵塔攀爬機構用于該類機器人的研究。
國家電網的快速建設，超高壓大容量輸電線路的應用也越來多，然而電網線路所覆蓋的地理環(huán)境極為復雜，常常經過人跡罕至的崇山峻嶺，這就給輸電線路維護上造成了很大的困難。特別是在寒冬臘月的時候，輸電鐵塔和輸電線路往往出現結冰現象，極易發(fā)生輸電鐵塔倒塌和輸電線路斷裂，給國家電力系統(tǒng)帶來極其嚴重的破壞，導致全國各地不同程度的大范圍長時間的停電，嚴重影響人們的日常生活和企業(yè)的正常安全生產，直接或間接的給國家和人民帶來無法估量的損失。目前已有各種類型的輸電線路除冰機器人出現，用于除去高壓輸電線上覆蓋的積冰，避免輸電線路發(fā)生斷裂。然而，無論是人工除冰還是機器人除冰都需要由電力人員爬上輸電鐵塔進行操作。因此輸電鐵塔在寒冷嚴酷的環(huán)境下是否出現了裂紋等安全隱患就關系到了維護人員和設備的安全問題。另外若輸電鐵塔出現隱患對于電網系統(tǒng)也是一個嚴重的威脅。基于上述情況，就有必要設計一款針對于輸電鐵塔的檢測機器人用于輸電鐵塔的安全檢測維護，以解決人工上塔探傷時危險性高、準確性低、勞動強度大、工作效率低的問題。從而確保人員和設備安全，保證電網安全，在災害下挽救更多的國家財產，最大程度的減少損失。因此本論文在已發(fā)明的壁面攀爬檢測機器人的基礎上，提出一種用于輸電鐵塔檢測的機器人代替人工作業(yè)，以提高其工作效率，安全性和準確性。
研究現狀
目前，研究開發(fā)輸電線路檢測、除冰機器人已經成為了熱點。國外發(fā)達國家相對來說起步較早，例如在20世紀80年代末,日本、美國、加拿大等發(fā)達國家先后開展了高壓輸電線路巡檢機器人的研究工作。然而針對輸電鐵塔的檢測機器人研究并不成熟。但國外的壁面攀爬機器人發(fā)展技術相對成熟，一些壁面攀爬機器人已應用在清潔窗戶和墻面或用于檢測偵查。 如：1990年東京工業(yè)大學的広瀬茂男領導的研究小組在4足步行機器人的基礎上開發(fā)NINJA系列4足壁面移動機器人。其中NINJA-II實現了地面至壁面、壁面至天花板、壁面至相鄰壁面的移動過程，并對壁面移動機器人的特有步態(tài)——壁面步態(tài)（Wall Gait）和控制方法進行深入研究。其后，該研究小組于1996年又開發(fā)了適應高速公路路基大角度護坡作業(yè)的移動機器人TITAN VII，該機器人不僅實現了在土質護坡上行走的目標，還可完成打孔作業(yè)。上述步行式結構的壁面移動機器人具有越障能力強的特點，易于實現復雜的多組合面轉換功能，但控制比較復雜。
國內的機器人技術起步于上世紀80年代，技術水平較發(fā)達國家相對落后，在國家“863”高技術計劃的支持下，國內的機器人發(fā)展技術較快。哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、上海交通大學在壁面移動機器人這一領域處于國內領先地位，許多科研單位也相繼推出了各自的壁面清洗機器人。針對我國核工業(yè)發(fā)展的需要，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所自行設計并研制我國的第一臺用于檢查核廢液儲罐壁厚及焊縫的壁面爬行式遙控檢查機器人，填補了國內的空白。隨后，哈爾濱工業(yè)大學又相繼研制出單吸盤真空吸附車輪行走式壁面攀爬機器人從國內外目前的研究成果來看，一般來說壁面移動機器人，不管其應用領域是什么，執(zhí)行什么任務，都必須具有兩個基本功能：壁面靜態(tài)定位功能和移動功能。因此可以按照這兩大基本功能進行分類。按吸附功能分，主要分為真空吸附、磁吸附兩類。真空吸附的承載能力受真空發(fā)生裝置所能達到的真空度和壁面環(huán)境的影響，通常承載能力不大。磁吸附法要求壁面必須是導磁材料，如鋼鐵表面等。這類機器人結構簡單，吸附力遠大于真空吸附。如推力式，仿壁虎足掌吸附等等，其中仿壁虎足是通過分子間的作用力來吸附的，能夠不受壁面材料和表面狀況的影響，代表了今后壁面移動機器人發(fā)展的方向，但目前僅處于初步研究階段，離實用還有很長一段的距離。按運動方式分，可以分為連續(xù)移動和交替移動兩大類。連續(xù)移動類機器人又可分為輪式和履帶式兩類。共同特點是使用輪子行走和轉向，運動連續(xù)，移動速度快。缺點是一般需要在平面上行走，越障能力不強，不能實現壁面過渡，與真空吸附配合使用時，由于吸盤跟著一起運動，存在泄漏，因而負載能力有限。履帶式更是結構復雜，轉向不如輪式靈活。交替移動類機器人通常有兩個或者多個吸盤，分為兩組，一組吸附于壁面，另一組向行進方向移動一段距離然后吸附，再讓前一組脫離吸附，往前移動。如此交替進行。其特點是越障能力比較強，負載能力也比較大。但移動速度緩慢。足式機器人，框架式機器人等均屬于此類。其中足式機器人的腿從兩條到八條甚至更多，每條腿都有多個自由度，因而需要很多的電機等驅動機，結構復雜，控制難度大。吸附方式與運動方式組合，可得各種機器人，如單吸盤輪式壁面機器人，足式磁吸附機器人等，需根據不同的使用場合選用吸附和移動方式。
研究內容：
第一：設計除冰機器人的控制系統(tǒng)。第二：除冰機器人在線纜上行走的運動形式和動力裝置。第三：模擬除冰機器人的運動仿真。第四：除冰的機構在不同的冰層使整體除冰的效果保證最好。
研究方案：
基于冰層強度和溫度的特殊環(huán)境下工作問題的考慮，在設計中應該選擇合適的材料，這種材料不但具有較好的強度和剛度，更重要的是，能在較冷的環(huán)境下能穩(wěn)定的工作而不至于是刀具損壞，從而達到較好的除冰效果，延長刀具的使用壽命，且具有較高的除冰效率。整體結構的設計也要盡量考慮合理安排動力的分配情況，在保證最好的除冰效果下，減少能量損失。同時要考慮機器本身對線纜造成的負擔。要選取合適的裝置功率，更加有效的提高除冰效率效率，而不至于使線纜因機器自身重量過大而造成破壞。在設計傳動裝置時也要對其功率和傳動比進行校核。
進度安排：
2011年12月21日-31日，在指導教師指導下查閱資料，結合畢業(yè)設計課題進行外文資料閱讀，并翻譯外文資料；
2012年1月1日-1月20日，向指導教師匯報開發(fā)設計進展、文獻閱讀情況，并撰寫文獻綜述。完成文獻綜述、外文翻譯的指導工作，將文獻綜述和外文翻譯定稿交與指導老師。經指導教師審閱通過后著手畢業(yè)設計的繪圖及設計說明的寫作。
2012年1月21日-3月6日，開始編寫畢業(yè)設計工作計劃，進入畢業(yè)設計的撰寫階段。在假期內利用電子郵件等方式與指導教師溝通，修改計劃和設計，指導教師填寫“指導記錄表”。進入畢業(yè)設計繪圖、實驗、實習等階段。
2012年3月8日前，接受學院、系對開題報告、文獻綜述、外文譯文的隨機抽查。提交畢業(yè)設計工作計劃，經指導教師審閱同意后實施。
2012年3月9日—3月31日，完成畢業(yè)設計雛形，并定期向指導教師匯報進度，聽取指導教師的意見和指導。
2012年4月1日—4月15日，進入中期檢查階段，根據檢查情況，填寫“中期檢查表”。
2012年4月17日前，根據《中國地質大學長城學院畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》完成畢業(yè)設計的寫作。
參考文獻：
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[9] 畢道欽等.氣動蠕動式管外爬行機器人的設計與實現[j].機械制造，2005，3：38-40.
[10] 張家梁等.管外摩擦輪自爬升機構的研究[j].現代機械，1999，3：32-33.
指導教師意見：
指導教師簽名：
年 月 日
教研室意見：
審查結果： 同 意□ 不 同 意□
教研室主任簽名：
年 月 日