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1、山东交通学院毕业设计（论文）摘 要 高压输电线路担任着我国电力传输的重任，线路巡检是保证输电安全及线路稳定的重要工作，电力巡检机器人的产生减少了人工巡检的费时费力的同时，也避免了不安全的因素， 本文从国内外电力机器人的发展现状开始分析，运用网络调查法和归纳法分析当今社会对电力机器人设计需求，并对其未来的发展方向进行了讨论，基于其上的各种分析和研究归纳，以及对电力巡检机器人的工作环境等各方面的考察，使用犀牛软件设计了被命名为“巡航者”的电力巡检机器人的外观造型。 本文从电力机器人设计这个新兴的行业出发，探讨了对于电力机器人这种替代人工的新兴事物的追求和认识，只有不断了解和创新，才是一个优秀设计师
2、应该走的设计之路。 关键词：电力机器人设计，外观造型，设计需求Abstract High voltage transmission line as the task of Chinas power transmission and line inspection is an important work to guarantee the transmission safety and stability of the transmission line, of inspection robot for power generation reduced time-consuming manual
3、 inspection, and at the same time, but also to avoid the unsafe factors,This paper from the current situation of the development of the electric robot at home and abroad, to analyze, using network survey method and inductive method, analysis of todays society of robot design demand for electric powe
4、r and the direction of its future development are discussed, investigation based on the analysis and Research on the induction, and the inspection robot for power working environment, using rhino software design has been named the cruise electric patrol robot appearance.This paper from the robot pow
5、er design this emerging industry starting to explore the power robot for this alternative understanding and pursuit of the artificial emerging things, only by constantly understanding and innovation, is an excellent designer should take the design. Key words：Power robot design, Appearance modeling,
6、Design requirements目 录摘 要IAbstractII前 言11绪论21.1研究背景21.2研究的目的与意义31.3研究框架31.4研究方法41.4.1网络调查法41.4.2 归纳法51.5 调查报告51.5.1电力机器人的发展状况51.5.2电力机器人的应用71.6 设计定位112电力机器人技术概述122.1.2 电力机器人基站系统132.1.3 移动体控制系统132.2变电站设备检测系统142.2.1 远程红外监测与诊断系统142.2.3 远程声音监测与诊断系统153现有电力机器人产品设计的优劣173.3 设计案例分析234电力机器人产品造型设计应遵循的原则244.1 满
7、足功能需求的原则244.2 基于产品工学设计的原则244.3 遵循审美规律的原则254.4呼应产品综合设计的原则265基于犀牛软件的电力机器人设计285.1设计初始化阶段285.1.1设计概念的形成285.1.2设计草图的勾勒285.2设计方案的形成315.2.1设计方案的汇总315.3电力机器人效果图325.3.1犀牛绘制电力机器人效果图展示325.3.2 电力机器人细节图展示36致 谢39参考文献40III前 言 随着科技进步和电力体制改革的不断发展，以“信息化、数字化、自动化、互动化”为特征的智能电网建设逐渐深入。为保证变电站设备的安全可靠运行，更好更快地推进变电站无人值守进程，变电站巡
8、检机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋势。传统的变电站巡视主要是通过人工方式，综合运用感官以及一些配套的检测仪器对变电设备进行以简单定性判断为主的检查，该方式存在劳动强度大，检测质量分散，主观因素多，巡检不到位难以监控，巡检结果数字化不便等缺陷，不符合智能电网的发展方向。变电站巡检机器人集成最新的机电一体化和信息化技术，采用自主或遥控方式，部分替代人对变电站室外设备进行可见光、红外、声音等检测，对巡检数据进行对比和趋势分析，及时发现电网运行的事故隐患和故障先兆，如：异物、损伤、发热和漏油等。巡检机器人为提高变电站的数字化程度和全方位监控的自动化水平，确保设备安全可靠运行发挥了重要作用。 设计和
9、文化自古以来就密不可分，设计是为了更好的生活，而文化是生活的总结。我们人类创造各种工具的文化就是设计的文化，可以视为最古老的设计。尼采说：“重要的不是永恒的生命，而是永恒的创造力。”当今社会，电力机器人的广泛应用，使其在电力监测方面占据越来越重要的作用，这让设计师对电力机器人本身的文化内涵有了更广意义上的追求，电力机器人的设计的意义不仅仅只在于对其外观形态的直观表达，更加在于其表达的意思，外观照型的阐述，是一个优秀设计师表达其自己内心想法最为直观的一种方式，同时电力巡检机器人的不断优化也是我们将、不断优化自己的过程，因此对电力机器人的外观设计有重要的价值。1绪论1.1研究背景 近年来, 随着计
10、算机和数字通信技术的不断发展, 变电站的二次设备基本上都实现了微机化。 微机保护、 微机测控装置在变电站的广泛运用, 提高了电网的自动化水平和运行可靠性。 变电站自动化之所以越来越受到重视, 从投资者的角度看, 它可以少工程造价, 降低运行成本, 提高运行效益;从管理者的角度看, 它能减少发现和解决问题的时间, 并能减少对运行一二次设备的维护量; 从运行人员的角度看, 它提高操作的安全性、 准确性, 并能更快更方便地获得变电站运行数据, 大大减少工作量。 变电站自动化系统的普及, 为实现变电站的无人值守提供了可能性。在我国, 伴随着 220 kV 及以下电压等级变电站无人值守的大规模推广和成功
11、运行, 500 kV 变电站的无人值班改造工作也逐步纳入了议程。 但是同西方发达国家相比, 由于我国变电站自动化系统应用起步较晚, 变电站运行管理的理念也有很大差异, 使我们的变电站无人值守运行水平与之相比还有很大的差距。 而且, 由于变电站无人值守的运行水平, 不仅仅是一个运行管理的问题, 还涉及到变电站的设计模 式、 运行中需 要遵守的各项 规章度，变电站设备的可靠性、 运行人员的业务水平等等各个方面。 因此我们需要做的工作还有很多, 而国外同行的经验值得我们借鉴。 从20世纪80年代末开始，日本、美国、加拿大等国在巡线机器人领域的研究先后展开。1988年，东京电力公司的Jun Sawad
12、a等人研制了光纤复合架空地线巡线移动机器人。该机器人可以借助导轨越塔，但总重达100kg，并且不能爬30度以上斜坡，所以无法广泛应用。1999年，美国TRC公司研制了一台悬臂自治巡线机器人原型。但这种机器人仍然无法攀爬30度以上斜坡。2000年，加拿大魁北克水电研究院的Montambault 等人研制了一台HQ LineROVer 遥控小车。这种遥控小车非常轻便，但没有越障能力，只能在两塔之间工作。1991年，Hisato Kobayashi 等设计了一种具有防震构造的自治分散控制机器人。1998年Jaydev P Desai 等人给出了一种光纤架空地线机器人设计，之后泰国的SPeungsun
13、gwa1 等也设计了一种应用红外探测技术、具有视觉导航能力的巡线机器人。但这些巡线机器人都存在功耗过高或只能跨越特定类型障碍等种种问题。国内巡线机器人的研究始于20世纪90年代末。2002年，武汉大学吴功平等研制成功具有沿220kV单分裂导线全程线路行驶和作业的电力机器人样机，并在机器人机构、电能在线补给、机器人局部自治和系统与技术集成等关键技术上取得了实质性突破。2006年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出的超高压输电线路电力机器人在东辽二线上成功完成了沿线行走，但没有越障能力。翌年，沈阳自动化研究所的王鲁单等完成了巡线机器人越障控制研究，实现了巡线机器人沿线行走及跨越障碍的功能。1.2研究
14、的目的与意义目前电力机器人已在多个领域中应用，它的智能化推动着它在应用领域的市场前景将是越来越广，它在多种场合发挥着作用，如变电站，高压线路中等等。2013年12月9号中山供电局经过三个多月的试运行，该局将“智能电力机器人”正式投入到500千伏桂山巡维中心使用，开创南方电网公司首例无轨化设备巡视工作。国内已经投用的57台变电站电力机器人。传统的变电站值班员进行人工巡检，受人员的生理、心理素质、责任心、外部工作环境、技能技术水平等影响较大，存在漏巡，缺陷漏发现的可能性，并存在较大的巡视过程风险，巡视效率低下。贵州省凯里供电局研制的变电站智能电力机器人，根据操作人员在基站的任务操作或预先设定任务，
15、操作人员只需通过后台基站计算机收到的实时数据、图像等信息，即可完成变电站的设备巡视工作，从而代替人工巡检。1变电站巡检机器人系统因其灵活的控制和运行方式、 不受天气因素影响等优点，为确保变电站设备安全运行发挥了一定的作用2。我国是一个发展中国家，有着十几亿的人口，对于电力的需求是非常巨大的，因此对于促进电力巡检机器人的使用，发展，创新是非常有必要的，现阶段我国的电力巡检机器人的使用率并不是很大，但是可以想象的到，在以后的日子里，电力巡检机器人会在电网系统中占据着非常重要的位置。1.3研究框架 本文的研究框架（图1.1），其中第一章阑述了研究的背景、目的、意义，提出了研究的框架与研究的方法；第二
16、章为电力机器人技术概述；第三章概述电力机器人产品设计的流程；第四章讲述了电力机器人产品造型设计应遵循的原则；第五章阑述了电力机器人在设计中可借鉴的元素；第六章对电力机器人的二维、三维建模，及效果图的展示；最后是本次设计的总结。表1.1 研究框架图Tab.1.1 Frame diagram研究框架与方法研究的背景、目的、意义课题的提出变电站设备检测系统电力机器人的系统结构组成电力机器人结构设计电力机器人的设计案例分析电力机器人设计规范电力机器人设计改良方案实用原则美学原则电力机器人遵循的原则多元化元素单一元素电力机器人设计借鉴元素设计方案汇总设计草图电力机器人具体设计总结1.4研究方法1.4.1
17、网络调查法由于互联网的普及和信息通讯技术的发展。信息与数据传递的速度和范围得以提高，这对社会科学的研究方法也产生了深远影响。自20世纪90年代以来，各种基于计算机和互联网的新研究理念、方法和工具不断涌现。这些新的研究方法和工具不仅提高了研究效率，同时也拓展了社会科学研究的主题、内容和范嗣，促进了社会科学研究的繁荣与发展。网络调查法就是目前备受国内外社会科学研究者瞩目的一种新的调查方法。网络调查法：泛指在网络上发布调研信息，并在互联网上收集、记录、整理、分析和公布网民反馈信息的调查方法。它是传统调查方法在网络上的应用和发展。网络调查法是通过互联网、计算机通信和数字交互式媒体，按照事先已知的被调查
18、者的E-mail地址发出问卷收集信息的调查方法。网络调查的大规模发展源于20世纪90年代。网络调查具有自愿性、定向性、及时性、互动性、经济性与匿名性。网络调查的优点：组织简单、费用低廉、客观性好、不受时空与地域限制、速度快。网络调查的缺点：网民的代表性存在不准确性、网络的安全性不容忽视、受访对象难以限制。网络调查法是一种新兴的调查方法，它的出现是对传统调查方法的一个补充，随着我国互联网事业的进一步发展，网上调查将会被更广泛地应用。1.4.2 归纳法 归纳法（Inductive reasoning）。归纳论证是一种由个别到一般的论证方法。它通过许多个别的事例或分论点，然后归纳出它们所共有的特性，
19、从而得出一个一般性的结论。归纳法可以先举事例再归纳结论，也可以先提出结论再举例加以证明。前者即我们通常所说之归纳法，后者我们称为例证法。例证法就是一种用个别、典型的具体事例实证明论点的论证方法。归纳法是从个别性知识，引出一般性知识的推理，是由已知真的前提，引出可能真的结论。它把特性或关系归结到基于对特殊的代表(token)的有限观察的类型；或公式表达基于对反复再现的现象的模式(pattern)的有限观察的规律。归纳方法在科学研究、技术发展和管理决策过程中均具有重要的作用。(1)提供假说。简单枚举归纳法、类比和消除归纳法在科学发现和技术发明方面都起着重要的作用。如光的波动说的提出和飞机的发明过程
20、中，类比法都起了不可缺少的作用。(2)证明假说和理论。完全归纳法和数学归纳法在这方面具有突出的作用。证明三段论的规则要用到完全归纳法；证明数学定理离不开数学归纳法。(3)确定假说的支持度。以概率和统计方法为工具的量的归纳法对确定假说的支持度或置信度起着决定的作用。(4)理论择优。这也要靠量的归纳法。(5)对事件未来情况进行预测。(6)各种管理决策。1.5 调查报告1.5.1电力机器人的发展状况 目前电力机器人已在多个领域中应用，它的智能化推动着它在应用领域的市场前景将是越来越广，它在多种场合发挥着作用，如变电站，高压线路中等等。2013年12月9号中山供电局经过三个多月的试运行，该局将“智能电
21、力机器人”正式投入到500千伏桂山巡维中心使用，开创南方电网公司首例无轨化设备巡视工作。传统的机器人需要铺设类似于火车轨道那样的磁轨，机器人就只能沿着磁轨作运动。而最新投入使用的机器人实现了无轨化运作，不需要铺设任何轨道，也无需进行任何基建工程，机器人就可以直接在日常的路面上运作，既省下基建施工的时间，又节约了投入成本。凭靠机器人配备的四驱越野底盘，还可以爬上30度的陡坡。该机器人上配备了激光扫描设备，可将站内的设备位置，道路扫描为地图，我们在后台为它规划好巡视路径后，它就可以按照指示去工作了。机器人巡线最大的优点则是，无论白天黑夜还是刮风下雨，它都可以在没有人看管的情况下能自动自觉并出色完成
22、一般日常巡视所包含的工作内容。这样一来，机器人不但减轻了工作量，而且在遇到严重故障或者恶劣天气时，它还可以降低工作人员的安全风险。智能机器人还具有自动续航功能，当蓄电池电量低于设定值时，它将自动驶入存放室进行充电。据悉，中山供电局通过对智能电力机器人进行了三个月的试用，已经收到不错的成效。此次正式投入使用，在南方电网公司尚属首例。2013年11月11日上午，在国家知识产权局与世界知识产权组织举办的第十五届中国专利奖颁奖大会上，由国网山东电力科学研究院申报的外观专利“变电站电力机器人”荣获外观专利金奖，成为5个金奖之一。这是国家电网公司历史上获得的第一个中国外观专利金奖，也是中国电力行业惟一当选
23、的金奖。变电站电力机器人能够全天候全方位全自主对变电站设备进行无人值守巡检,从而代替繁重的变电站设备人工巡检,提高了变电站巡检的自动化、智能化水平,确保了智能电网的安全可靠运行。该变电站电力机器人产品外壳采用无污染、抗冲击、高绝缘的ABS树脂材料，具有较好的环保性和安全性；产品外观采用了“仿人”化创新性设计，整体颜色融合变电站“环境”因素，同时配以红色的机器人颈部绕圈与多色的告警指示灯点缀，使得整体设计简约而富有活力。该产品控制系统具有过流过压充放电保护、待机低功耗、远程唤醒等功能，具有较好的节能性和经济性。变电站智能电力机器人的专利群，包括10项核心发明专利，33项外围专利。目前，国内已经投
24、用的57台变电站电力机器人。传统的变电站值班员进行人工巡检，受人员的生理、心理素质、责任心、外部工作环境、技能技术水平等影响较大，存在漏巡，缺陷漏发现的可能性，并存在较大的巡视过程风险，巡视效率低下。贵州省凯里供电局研制的变电站智能电力机器人，根据操作人员在基站的任务操作或预先设定任务，操作人员只需通过后台基站计算机收到的实时数据、图像等信息，即可完成变电站的设备巡视工作，从而代替人工巡检。1.5.2电力机器人的应用 当前，机器人在电力系统得到了越来越广泛的应用，其中用于无人值守变电站设备电力机器人对高压设备检测的关键技术之一是给机器人的运动控制系统提供连续、实时、精确的位置、航向等导航信息，
25、使其沿预定的路径行驶并完成检测任务。机器人有多种导航方式，这些导航方式各有其特点，适用于不同的应用环境，其中GPS/DR组合导航系统是一种较为成熟的导航方法，已经广泛应用于陆地车辆（装甲战车、轨道列车等）组合导航系统中。 (1)高压线路电力机器人高压输电线路是电力传输的主要途径，对输电线路定期巡检，及时发现和消除隐患，预防重大事故，对电力系统有重要意义。传统巡检方法主要有人工目测法和直升机航测法。人工巡线费用低廉但效率低，复巡周期长，且由于地理环境因素存在巡检盲区，巡检数据准确率也不高；直升机航巡效率较高，但存在飞行安全隐患且费用极其昂贵。针对这些缺陷，高压巡线机器人应运而生。机器人巡线具有近
26、距离、高精度特点，不存在巡检盲区，巡检费用相对于直升机低廉很多，因此已成为特种机器领域的研究热点。从20世纪80年代末开始，日本、美国、加拿大等国在巡线机器人领域的研究先后展开。1988年，东京电力公司的Jun Sawada等人研制了光纤复合架空地线巡线移动机器人。该机器人可以借助导轨越塔，但总重达100kg，并且不能爬30度以上斜坡，所以无法广泛应用。1999年，美国TRC公司研制了一台悬臂自治巡线机器人原型。但这种机器人仍然无法攀爬30度以上斜坡。2000年，加拿大魁北克水电研究院的Montambault 等人研制了一台HQ LineROVer 遥控小车。这种遥控小车非常轻便，但没有越障能
27、力，只能在两塔之间工作。1991年，Hisato Kobayashi 等设计了一种具有防震构造的自治分散控制机器人。1998年Jaydev P Desai 等人给出了一种光纤架空地线机器人设计，之后泰国的SPeungsungwa1 等也设计了一种应用红外探测技术、具有视觉导航能力的巡线机器人。但这些巡线机器人都存在功耗过高或只能跨越特定类型障碍等种种问题。国内巡线机器人的研究始于20世纪90年代末。2002年，武汉大学吴功平等研制成功具有沿220kV单分裂导线全程线路行驶和作业的电力机器人样机，并在机器人机构、电能在线补给、机器人局部自治和系统与技术集成等关键技术上取得了实质性突破。2006年
28、，中国科学院沈阳自动化研究所研制出的超高压输电线路电力机器人在东辽二线上成功完成了沿线行走，但没有越障能力。翌年，沈阳自动化研究所的王鲁单等完成了巡线机器人越障控制研究，实现了巡线机器人沿线行走及跨越障碍的功能。综合来说，国内外对于高压巡线机器人的研究大多处于实验阶段，但巡线机器人由于其控制简单，成本适中，自动化程度高等特点，正在向实用化迅速发展，是巡线技术的总体发展方向。利用仿真技术建立机器人虚拟样机模型，对机器人进行动力分析、运动分析等，有助于提高机器人本体设计的质量和效率。合肥供电公司肥西公司针对高压输电线路巡检工作，阐述了一种巡线机器人作业方案。根据该方案，利用三维动画软件3DS MA
29、X 建立了该机器人的虚拟模型，并对巡线机器人越障动作重点进行了可视化仿真，模拟机器人爬行及越障的实际运动状态。通过模拟和分析，验证了机器人设计方案的合理性。仿真技术应用于机器人，国内从80年代后期才开始这一方面的研究工作。清华大学、浙江大学、沈阳自动化研究所及上海交通大学等做了起步工作，取得了一定成果。南京理工大学于1994年用C语言开发ROBGSSROLOPS系统，逐渐形成了较完善的机器人仿真系统。刘又午教授等人针对由底座、大臂、小臂和3个腕关节构成，且每个关节皆为圆柱铰接，只有1个分支，共计6个自由度的典型机器人多体系统，对程序进行了简化，开发出工业机器人动力学分析专用程序。中国农业大学周
30、一鸣教授等引入GMCADS符号体系，建立了机构的数学模型，进而采用哈密尔顿正则方程进行机构动力学分析，开发了GMCADS广义机构计算机辅助设计系统。但是，国内的软件都只停留在实验室中，离软件商品化还有很大距离。上海大学机电工程与自动化学院根据500kV超高压架空输电线路的结构及障碍特点，设计多传感器、多驱动器电力机器人越障控制方案，提出采用多传感器二次定位方法实现电力机器人越障时的空间定位。阐述系统的结构和越障原理，通过线下模拟实验环境，不断测试生成合理的知识库，实际越障时根据实测信号自动调用知识库完成自主越障动作。实验结果表明：传感器工作可靠，知识库和空间定位方法设计合理，电力机器人能高效、
31、快速、高精度地完成巡检及越障任务。机器人自主跨越架空线上的障碍物是电力机器人研究中的关键内容。作者针对电力机器人越障轨迹的要求，完成对控制系统整体的设计及优化；根据机器人的工作环境和作业内容，通过人机交互界面，在模拟环境中摸索出所需要的翻越各种障碍物的动作组合，完成知识库的建立和修改；分析电力机器人跨越障碍原理，针对越障过程中手臂上线时空间定位这一难点，提出采用多传感器二次定位的方法，其优点是节省手臂上线时间，提高空间定位的准确性。在这篇文章中，机器人的控制系统实行分级控制，即远程管理主机控制系统和机器人本体控制系统，机器人本体控制系统包括机器人本体主控机和执行层。中国科学院沈阳自动化研究所机
32、器人学开放实验室和中国科学院研究生院联合分析出了一种改进的超高压输电线路电力机器人越障方法。文章中介绍了一种新型的超高压输电线路电力机器人，阐述了分阶段的控制策略。主要针对越障的工程实际问题，从理论上分析了越障阶段的难点：质心调节，输电线的辨识与定位问题。进行了仿真和试验,验证了控制策略和理论分析的正确性。越障是电力机器人典型的工程实际问题，也是电力机器人研究的关键之一。轮臂复合机构能够提供伸缩和旋转配合，使得机器人具有跨越障碍的能力。分阶段控制策略分解了越障的运动过程，降低了编程难度。根据工程实际，详细分析了越障阶段的难点：质心调节、辨识和定位问题。根据实验环境的实际情况，进行了实验算例的参
33、数分析和越障运动过程的仿真，验证了控制策略和理论分析的正确性。在初步的实验室实验中，遇到由于惯性造成的机器人旋转角度过大、多次重复辨识定位才能正确上线等问题，解决方法还在研究中。 (2)变电站电力机器人随着科技进步和电力体制改革的不断发展，以“信息化、数字化、自动化、互动化”为特征的智能电网建设逐渐深入。为保证变电站设备的安全可靠运行，更好更快地推进变电站无人值守进程，变电站电力机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋势。传统的变电站巡视主要是通过人工方式，综合运用感官以及一些配套的检测仪器对变电设备进行以简单定性判断为主的检查，该方式存在劳动强度大，检测质量分散，主观因素多，巡检不到位难以监控，
34、巡检结果数字化不便等缺陷，不符合智能电网的发展方向。变电站电力机器人集成最新的机电一体化和信息化技术，采用自主或遥控方式，部分替代人对变电站室外设备进行可见光、红外、声音等检测，对巡检数据进行对比和趋势分析，及时发现电网运行的事故隐患和故障先兆，如：异物、损伤、发热和漏油等。电力机器人为提高变电站的数字化程度和全方位监控的自动化水平，确保设备安全可靠运行发挥了重要作用。山东鲁能智能技术有限公司和浙江省电力公司嘉兴电力局，共同研究了变电站电力机器人检测及控制系统，并发表了论文。文章针对全天候、强电磁等复杂背景下，要求变电站电力机器人适应性强、可靠性高、控制灵活及检测结果准确等因素，介绍一种抗干扰
35、能力强、实用化程度高、完全自主运行，能够满足变电站设备巡检要求的机器人检测及控制系统，主要包括导航定位及运动控制系统、电源管理系统、云台控制系统、图像及声音检测系统。检测及控制系统是机器人的重要组成部分，为电力机器人长期自主运行提供了有力支持。导航定位及运动控制系统机器人采用磁导航，由安装于机器人前部的磁传感器组检测机器人相对于磁轨迹的偏移，从而引导机器人沿预定路线运行。其主要优点是导引原理简单而可靠，导航定位精度高并且重复性好，抗干扰能力强，缺点是磁轨迹铺设工作量大，地面处理工作量大，路径灵活性差。机器人依靠RFID标签定位，定位精度较高，可达厘米级。云台控制系统变电站电力机器人按照规划路线
36、运行至检测点后，调用云台的预置位功能，云台带动可见光摄像机、红外热像仪等检测设备对准待检电力设备。云台性能直接影响可见光、红外图像质量。本文对云台本体采用模块化设计，结构紧凑坚固，齿轮间隙小于0.1具有IP67防护等级。云台控制系统结构包含直流伺服电机、角度传感器、硬件限位和云台控制板，它们分别负责云台水平和垂直运动时的驱动、位置反馈、行程保护和系统控制。 (3)校园巡逻机器人电力机器人作为服务机器人的一种，是随着近年来社会经济的发展，超级商场、机场、车站、会展中心及物流仓库等大型人流、物流场所规模和数量不断扩大，保安自动化需求日趋迫切这一环境下而催生的一种新型机器人。采用电力机器人进行定时、
37、定点监控巡逻或不间断流动巡逻将是解决当前情况的一种可行方案。巡逻机器人是一个集环境感知、路线规划、动态决策、行为控制以及报警装置于一体的多功能综合系统。将机器人用于保安工作，具有广阔的应用前景，近年来已受到国内外的重视，成为服务机器人的一个新研究方向。山东大学的一名研究生在2013年5月发表的硕士论文中提到了校园巡逻机器人定位与避障技术研究。文章针对校园环境下移动机器人的定位与避障技术展开研究,并取得了一定成果，具体研究内容如下： 针对校园环境范围大、结构简单的特点，结合RFID传感器信息传递功能，提出一种大范围拓扑环境学习与建模新方法。根据校园环境上下文信息需求，设计RFID标签格式，指导机
38、器人进行环境学习，且以标签的分布代表环境整体结构，由标签内容传递导航任务，由此构建环境模型。 针对激光数据存在噪声干扰的问题，设计了一种动态自适应中值滤波方法，利用激光数据时间和空间上的相关性，剔除噪声干扰，平滑激光数据。 根据校园道路特点，采用激光传感器利用路沿高度区分路面区域，完成机器人定位，并针对单一传感器无法可靠定位的问题，提出了基于扩展卡尔曼滤波的激光与惯导模块角度信息融合方法，大大提高了机器人直道定位的精度和可靠性。在路口区域，使用RFID、激光、惯导模块与里程计相互配合，弥补缺陷,保证了路口区域机器人的定位精度。 为保障机器人安全巡逻，在总结常用避障策略的基础上，提出一种新的角度
39、势场法，将机器人所处环境的势场力转化到角度信息上，通过综合分析各角度的可通行性，得出机器人最佳方向选择。同时针对传统障碍检测方法的不足，采用倾斜向下安装的激光检测一个倾斜面，兼顾机器人前方与激光位置下方区域，获得更好的检测效果。 视觉作为机器人定位的常用方法，能够提供丰富、准确的环境信息，且设备价格低廉，易于安装使用，因此，视觉定位一直是机器人定位问题研究的热点。视觉定位通过分析采集的图像，从中提取出能够提供定位信息的人工地标或自然地标信息，从而完成对机器人的定位。邱波等通过视觉检测导航线及定位路标,实现了机器人在变电站的无人巡检。Saeedi等人提出了一种通过提取阁像特征的两步特征跟踪算法，
40、并通过卡尔曼滤波提高了环境特征和移动本体的位赏估计精度，取得了较好的效果。对于完全非结构化的环景，Yang Cheng等设计的三维立体视觉定位方法在“机遇”号火里车上得到了成功应用。虽然视觉定位取得了广泛的应用，但视觉定位算法复杂,定位的实时性较差，且受环境中光照、尺度及部分遮挡等因素的影响较大，这都会对图像信息的理解和分析带来较大的困难。1.6 设计定位通过对电力机器人的调研，我了解到电力机器人运行在一些行业中发挥了很大的作用。目前各电力公司（尤其是山东省电力供电局）和研究所以及部分大学的人员均对它进行了深入的研究和探讨。本文主要对高压线电力机器人、变电站电力机器人和校园电力机器人分别进行了
41、调查和研究，从中知道他们在不同运行环境下拥有不同的功能以及相似的工作原理。本人根据电力机器人设计调研报告，分析总结文献及调查结果，设计定位为实用性好，艺术感强，注意细节，科技感强。 2电力机器人技术概述2.1 电力机器人的运动机构2.1.1 电力机器人系统的整体结构 机器人的整体结构主要包括基站、移动体控制系统以及由可见光图像摄像机、红外 图像摄像机和传声器(MIC)等组成的电站设备检测系统三部分。 图2.1 机器人整体系统网络结构Fig 2.1 Robot overall system network structure移动体是整个机器人系统的移动载体和信息采集控制载体,主要包括移动车体、移
42、动体运动控制系统和通信系统。对于移动体还需要进行有效的监视、控制和管理,为此建立了一个移动机器人监控中心来完成该任务,称其为基站。基站与移动体之间通过无线网桥组成一个无线局域网,其中无线网桥满足IEEE802.11a标准,频段5.8GHz,带宽50Mbit/s,无遮 挡传输距10km。整个机器人系统采用基于IP网络的二级结构(见图2.1.1.1 ) ,可见光图像、红外图像通过视频服务器的视频流数据和移动体控制系统信息等数据汇集到网络集线器后,经无线网桥、网络集线器一起通过电力系统内部网络传到运行监控中心,连接到电力系统局域网上的计算机可根据访问权限实时浏览变电站设备的可见光和红外视频 图像、机
43、器人本身运行且可以控制机器人移动体的运动等 。检测系统由红外热像仪和 可见光CCD摄像机等装置组成,均安装在移动体上,该系统可以完成变电站设备外观图像和内部温度信息的采集和处理 。考虑到机器人的运行环境,其移动体采用四轮轮式移动小车,前2轮为驱动轮,由2个电机分别驱动,差速转向,后2轮为万向轮。该移动体结构 简单,易加工,直线运动性与转弯性能好,能够以2个前轮中心点做原地转弯,且无侧滑 ,对路面的适应性强,且便于控制系统的设计。 2.1.2 电力机器人基站系统 基站系统采用P C机、Windows操作系统。基站系统包括基站计算机、无线网桥、网络集线器等硬件设备,主要用人机交互、接收操作人员的各
44、种操作指令,并将这些指令 下达到机器人移动体运动控制系统。同时,基站系统也是用户了解机器人的工作情况和结 果的直接渠道。基站计算机安放在运行监控中心,由基站框架、电子地图、状态报警处理、全局路径规划、数据库、实时数据库、工作模块(包括图像、声音处理模块）等模块组成。 图2.2 基站软件系统结构拓扑Figure 2.2 Base station software system structure topology2.1.3 移动体控制系统 移动体系统主要包括移动体运动控制子系统和工作子系统两大部分。移动体运动控制子系统硬件由PC104主板、P M A c l以运动控制卡和电机驱动器组成,主要负责
45、机器人在巡检过程中的运动、行为的控制。移动体内部系统结构为了实现机器人的自主运动, 有3个关键的算法,即全局路径规划、局部行为规划和车体运动学建模。全局路径规划由电子地图提供相应的地图信息和任务信息,按照路径最短、转弯最少、综合最优等策略,规划出机器人的运动路径;局部行为规划经过对机器人各传感器收集到的周围环境数据和全局路径规划的结果进行综合分析,实时给出机器人的局部路径,即移动机器人的速度和转向角命令,传输给车体运动控制系统;运动控制系统通过实时接收局部行为规划结果, 对车体进行动力学建模,将接收到的速度指令分解到各个电机,解算出各个电机需要承受 的速度,并由可编程多轴运动控制器(PMAC
46、)实现对各个电机的控制,其中由2个电机驱动车体运动、2个电机驱动云台运动,从而实现机器人的自主运动。工作子系统主要负责完成机器人在巡检过程中需要做的工作,如图像和声音等。 图片2.3 移动体内部系统结构Picture 2.3 Mobile body internal system structure2.2变电站设备检测系统2.2.1 远程红外监测与诊断系统 以非接触测温为基础的红外诊断技术在电力系统得到了广泛应用,但是,目前主要使用的红外热像仪以手持形式为主。使用手持红外热像仪进行电力设备诊断时,一般需要预先录下关注点的图像,然后带回实验室进行离线分析,这样并不能实现实时检测和及时发现问题 。
47、本文采取在线式红外热成像装置 。本系统包括红图像采集装置、红外图像处理模块、图像显示 、存储 、查询和报表生成模块。该诊断系统可根据预先设 定的设备温度阂值,自动进行判断,对超出报警值的设备在基站主控计算机上给出声音和文本报警;借助可见光图像识别,能判断一些关键设备的内部温度梯度,不但可以形成某一时刻变电站的一些关键设备的设备一温度曲线,也可以生成某一设备在一定历史时间内的时间一温度曲线 。2.2.2 远程图像监测与诊断系统在一般的变电站图像监测系统中,特定的图像经摄像机和采集卡输人到计算机,经压缩后传输到调度中心,调度端同时显示多个变电站的实时图像,调度员通过人工分析判断变电站的运行状态。本系统在无人值守变电站先利用机器人基站系统对移动体发送来的可见光图像进行分析,只传输分析结果或待进一步确定的图像。首先对采集的图像进行预处理,识别出被监测的电力设备,通过将该图像与上次采集的图像进行差图像分析、累积图像分析、相关分析、区域标识、纹理描述和评判等处理,结合对应设备的参数库确定其是何设备,如果是仪表则识别出读数。如果处于正常状态则切换摄像机采集和分析下一幅图像,如有畸变发生则存储结果,向上一级传输