（终稿）自动检线机构功能与结构设计（全套完整有CAD）

计算螺母弯曲强度螺母弯曲应力因此。

满足螺母弯曲强度要求。

螺母所受的弯曲应力在许用剪切应力范围之内，且数值很小，对正常传动的精度影响不大。

钢弹性模量对于钢般取弹性模量。

计算螺杆危险截面的轴惯性矩考虑到内外螺杆的危险截面均是圆形，因此，根据轴惯性矩公式，螺杆危险截面的轴惯性矩为代入螺杆中径得计算螺杆危险截面的惯性半径根据公式，得丝杆危险截面的惯性半径为。

确定螺杆的长度系数长度系数取决于螺杆端部的结构，考虑到轴承运动时的稳定性，防止丝杆的轴向，径向的窜动，对内外螺杆的两端均采用轴承固定，所以内外螺杆为两端固定，鉴于轴取长度系数的标准，两端固定，取长度系数。

已知螺杆的最大工作长度为。

计算丝杆柔度根据柔度公式，得由于柔度是个量纲的量所以没有单位。

柔度意义是在构件轴向受力的情况下，沿垂直轴方向变形的大小，柔度越大，变形也就越大，构件的稳定性也就越差。

目前计算得丝杆的柔度数值比较小，沿垂直轴方向的变形也就比较小，构件的稳定性也就比较好。

传动精度也就比较好，功率损失也会减少，柔度的大小与下列因素有关构件的截面尺寸，截面尺寸大，柔度小构件的长度，长度越长，柔度越大。

计算零界载荷在轴向压力逐渐增大的过程中，压杆经历了两种不同性质的平衡。

当轴向压力较小时，压杆直线形式的平衡是稳定的当轴向压力较大时，压杆直线形式的平衡则是不稳定的。

使压杆直线形式平衡开始由稳定转变为不稳定的轴向压力值，称为压杆的临界载荷，就计算得的临界载荷而言，数值相当大，般不会达到，也就是说丝杆在般情况下都会保持压杆稳定状态。

.齿轮的设计.齿轮的结构设计选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数由于检线机器人挂臂分为二节升降，分别依靠内外丝杆旋合固定在内外升降筒的螺母，从而引导内外升降筒的伸缩来实现，现在考虑将速度平均分配给内外升降筒。

因此，该组齿轮啮合仅作传动作用，没有改变速度的要求，为了计算和制造的方便。

因此，取传动比为。

即。

选择材料，挂臂属于机器零件，所以选择结构钢要求强度较高，所以选择中碳钢，考虑到成本和质量的问题，所以选择优质钢，最后确定为号钢，查得疲劳极限是。

考虑到螺母的硬度大，耐磨性高，耐腐蚀的要求，螺母材料选择为青铜，具体选择。

具体结构尺寸如示意图。

考虑到两端支承的长度损失，内外丝杆工作长度设定为。

计算升降行程。

两丝杆端部结构设计为两端固定，考虑到螺母的旋合长度不宜过短，现在估计为，因此，内外丝杆的工作长度减去螺母的旋合长度，设定内外丝杆的两支撑的最大距离，皆为。

由于挂臂为二节伸缩，升降行程为下螺母旋合到内丝杆的顶端，上螺母旋合到外丝杆的底端，而内外丝杆的位置是固定的，从外部看挂臂升降时，就可以看到平移蜗箱的位置从外升降筒的上端逐渐变到外升降筒的下端，而与此同时，内升降筒也以定的速度逐渐伸出外升降筒，直到基本全部伸出，也就是当上螺母接触到挡板为止。

因此，挂臂的升降行程为内升降筒的最大行程与外升降筒的最大行程之和，也就是。

，即升降行程。

满足挂臂的垂直行程，并且留有余量。

而这个余量可以通过挡板上下位置的改变来调节，当挂臂未运动时，挡板可以限制上螺母的位置，当挂臂伸展到最大时，挡板可以限制下螺母的位置，从而控制最大行程。

.丝杆的设计计算材料许用压强在范围中选择，由于没有特殊要求，选择中间值，取.。

中径系数在的范围中选择，考虑到刚性安全，传动可靠，选择参数适中，取。

中径系数取得越大，螺纹的中径就越小，螺母高度也越小，但传动的精度和可靠性就会下降。

对于梯形螺纹或矩形螺纹，般取，比较适中。

越大，计算中径的值就越大，考虑到强度要求，这个数值比较适合。

计算中径根据优先数系，选择公称直径为，螺距为.，大径为.，外螺纹小径为.。

规格为.。

考虑到丝杆的刚度和可靠性，根据优先数系，牙形角取。

计算螺母高度比原定的螺母高度小，所以原定螺母高度符合强刚度要求。

计算丝杆旋合圈数旋合.圈基本满足螺纹旋合稳定性和精度要求。

计算螺纹的工作高度计算工作压强满足要求，工作压强实际值很小，远远小于材料允许的压强值，对丝杆螺母的正常传动没有很大的影响。

形式型型型和型。

如图.所示。

图.四种三自由度手腕构形表示弯曲结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度有变化。

表示转动结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。

结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加了，而与前者相比结构紧凑。

由于机械手的运动轨迹要求机械手端面平行于避雷线，这样用两个旋转关节就可以使机械手的姿态满足要求，且机械结构更加简单，减轻了重量。

综合考虑后确定该机械手具有四个自由度，其中手臂两个自由度确定机械手的位置，后两个自由度确定手的姿态，最后确定其结构形式如图.所示。

图.柔性臂的最终构形综上所述，柔性臂由机座肩关节大臂肘关节小臂腕关节和末端执行器组成。

共有四个自由度，依次为大臂回转小臂俯仰手腕俯仰手腕回转。

肩关节和肘关节均由精密涡轮蜗杆减速器和转盘组成。

电机通过精密涡轮蜗杆减速器带动转盘转动，实现手臂水平方向和竖直方向的自如运动。

通过控制电机的制动装置，还能够实现手臂刚性与柔性的平滑转换，使机器人适应跨越转弯跳线时位置和姿态的要求。

通过工作情况的需要，定出该巡线机器人的机械手运动参数如下大臂长手腕长小臂长末端执行器长各关节转动范围关节关节关节关节.驱动装置机器人驱动装置是带动各个关节到达指定位置的动力源。

通常动力是直接或经电缆齿轮箱或其他方法送至各个关节。

目前使用的主要有三种驱动方式液压驱动气动驱动和电机驱动。

液压驱动以高压油作为工作介质，可以实现直线运动或者是旋转运动，驱动机构可以是闭环或者是开环的。

液压驱动的优点是能得到较大的出力，工作压力通常达，但是液压元件造价高昂，而且容易泄露污染环境，而且必须配备专用的液压阀，储油罐，体积庞大。

气动驱动的工作介质是高压空气，气动控制阀简单便宜操作简单易于编程，可以完成大量的点位搬运操作任务，但是缺点是气压伺服难以实现高精度控制，只能用在满足低精度的场合。

故本机械手采用电机驱动。

电机驱动方式具有结构简单易于控制使用维修方便不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。

电机可以选择步进电机或直流伺服电机。

步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点，但是步进电机驱动属于开环控制，精度较低。

实时视觉技术该技术主要涉及到视觉信息的实时采集预处理特征提取和模式识别。

而且，视觉信息处理的能力处理速度处理的可靠性和准确性是决定智能机器人整体性能的决定性因素。

定位和导航技术该技术是现代轮式移动机器人研制所急需的关键技术，也是下代无人战车的技术基础。

位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量，测量方法有里程计惯性导航主动灯塔磁罗盘全球定位系统地图模型匹配和自然路标导航等。

多传感集成和数据融合技术自主式移动机器人采用测距技术，定位技术和小型陀螺仪技术等多种传感技术来采集不同类型的环境信息。

因此，准确地处理和分析不同传感器采集到的信息，用于对所处环境作出准确可靠的描述并据此作出正确的决策和控制，是多传感集成和数据融合研究的任务。

检测技术种是可见光检测方法，采用高分辨率摄像机摄取目标图像，般能发现架空线大部分表面故障现象，精度和准确度取决于图像质量。

如何让巡线机器人自主控制携带的摄像设备，捕捉特定目标，获取多视角高清晰度目标图像是关键另种是红外探测技术，当输电导线存在诸如导线断股绝缘子破损等故障时，故障点附近会出现局部温升，产生热辐射。

这些故障难以通过视觉检查发现，我们可以采用红外探测技术加以弥补。

具体来说，就是热成像技术，这是种广泛用于输变电系统的故障探测技术，可以摄取表面温度超过周围环境温度的异常温升点的红外光谱图像，然后根据图像，人工或自动判读可能的故障器件。

高性能计算技术在移动机器人的早期研究工作中，专用硬件结构为多数研究者所采用，这是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需的计算能力。

近年来，随着计算机计算能力的迅猛提高，研究者们开始采用通用处理器来构建机器人系统。

目前用于移动机器人的硬件结构多数采用个高速通用处理器加上几个专用板卡或芯片用于颜色查表模板匹配或数学形态学计算，或者通过实验确定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系统来缩小体积，达到优化的性能。

检线机器人本体结构的设计由于机器人本体结构极其复杂，为了快速准确地建立其模型，并方便日后的修改和计算，利用代表目前机械领域新标准的参数化设计软件来建立机器人本体结构模型，基于软件对机器人本体结构的主要零部件进行了准确的创建。

.方案要求要求研制台针对电压等级高压架空输电线路其中避雷线规格为悬垂线夹规格为防振锤规格为，具有自主越障能力和爬坡能力的巡线机器人。

机器人在分布式计算机控制系统的控制下，能够以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。

其巡线作业环境如图.。

图.机器人的工作环境所以，本文中检线机器人的工作原理和过程为机器人上线机器人本体计算机在接收到运行命令后，驱动机器人沿避雷线行走巡线机器人通过滚轮完成沿避雷线无障碍段的行进。

此外，样机的单机制造增加了成本。

在竞争的市场条件下，基于物理样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高成本的降低及市场推广应用。

巡线机器人须要自主跨越障碍，根据障碍的空间分布，机器人手臂要求有伸缩和回转两个自由度。

巡线机器人为了保持平衡以及互相配合，需要左右各个挂臂，当机器人需要升降时，当个挂臂负责升降，负载拖动主箱体，攀附于电缆上，另个挂臂空载，升降到同高度，准备交替动作，交替的同时通过平移蜗箱，移动主箱体，两手臂互相配合，跨越障碍。

选择用个电机来作为动力系统，考虑到手臂的升降行程的要求即升降行程不小于，以及挂臂升降的稳定性，本设计采用螺纹传动，用对丝杠螺母副传动。

由于要采用二节伸缩的升降形式，须要内升降筒与外升降筒同时运动，才可以有二节展开的效果，同时考虑到传动的稳定性，设计采用对齿轮啮合带动内外升降筒同时运动，从而实现两节展开。

负载的挂臂由电动机带动内丝杠旋转，内丝杆与固定在内升降筒上的下螺母啮合，带动内升降筒的升降，又由减速箱中联轴器上的齿轮啮合固定在外丝杠上的齿轮，从而带动外丝杠旋转，考虑到二节伸缩，旋转方向应与内丝杠相反，又通过固定在涡轮箱体上的上螺母，带动外升降筒向上运动，使机器人挂臂两节展开。

并在丝杆端部设置挡板，限制升降筒的行程。

这是手臂伸缩，也就是实现挂臂垂直方向的自由度。

考虑到手臂可进行回转的要求，为了满足结构紧凑的要求，本设计采用涡轮蜗杆啮合的方式，动力系统采用个电机，由电动机来带动蜗杆的旋转，蜗杆与涡轮啮合，固定在涡轮上的上螺母同时与外丝杠啮合，从而带到整个手臂回转，这样既能够保证外升降筒垂直升降的要求，又可以实现机器人挂臂旋转的功能，同时，还大大提高了空间的运用，这就是平面旋转的自由度。

由于本课题对挂臂旋转速度未做要求，因此电机的选择不作为设计的重点。

.架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述架空线路巡线机器人研究概况国外巡线机器人的研究始于世纪年代末，日本加拿大美国等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作。

年，东京电力公司的等人研制了光纤复合架空地线巡线移动机器人，如图.所示。

该机器人利用对驱动轮和对夹持轮沿地线爬行，能跨越地线上防振锤螺旋减震器等障碍物。

遇到杆塔时，机器人采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另侧待机器人夹持轮抱紧线塔另侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。

机器人运动控制有粗略和精确定位两种模式，粗略控制是把线塔和地线的资料数据线塔的高度位置电线长度线路上附件