變電站巡檢機(jī)器人充電技術(shù)研究

宋志鋒 吳秀海 孟 杰 董茂起

（1.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南250101；2.國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司上海管理處，上海215223）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和電力體制改革的不斷發(fā)展，智能化電網(wǎng)建設(shè)逐漸加速，變電站巡檢機(jī)器人部分替代人工巡檢已經(jīng)成為一種趨勢［1－2］。變電站巡檢機(jī)器人整合機(jī)器人技術(shù)、電力設(shè)備非接觸檢測技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、模式識別技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站全天候、全方位、全自主智能巡檢和監(jiān)控，有效降低勞動強(qiáng)度和變電站運(yùn)維成本，提高正常巡檢作業(yè)和管理的自動化、智能化水平，為智能變電站和無人值守變電站提供創(chuàng)新型的技術(shù)檢測手段和全方位的安全保障，更好更快地推進(jìn)變電站無人值守的進(jìn)程。采用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行變電站巡檢，既具有人工巡檢的靈活性、智能性，同時(shí)也克服和彌補(bǔ)了人工巡檢存在的一些缺陷和不足，更適應(yīng)智能變電站和無人值守變電站發(fā)展的實(shí)際需求，是智能變電站和無人值守變電站巡檢技術(shù)的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景［3］。

為具備靈活的運(yùn)動特性，巡檢機(jī)器人采用電池作為動力源。但電池容量有限，且隨著充電次數(shù)增加，電池容量不斷下降。機(jī)器人一次充電只夠維持幾個(gè)小時(shí)的連續(xù)工作，一旦電池的電量不足，必須及時(shí)充電。如果采用手動充電，既增加了變電站運(yùn)維人員的工作強(qiáng)度，也無法體現(xiàn)出機(jī)器人完全自主運(yùn)行的理念。巡檢機(jī)器人如何在無人干預(yù)條件下自動補(bǔ)充能源是實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人完全自治需要重點(diǎn)解決的問題之一。本文概要介紹了變電站巡檢機(jī)器人的充電技術(shù)，重點(diǎn)介紹了自動充電機(jī)構(gòu)、充電室等變電站巡檢機(jī)器人充電關(guān)鍵技術(shù)。

1 變電站巡檢機(jī)器人充電技術(shù)概述

巡檢機(jī)器人需要補(bǔ)充電力時(shí)，基于磁軌道引導(dǎo)，RFID標(biāo)簽定位，自動駛向指定充電點(diǎn)，在可能面臨障礙物的情況下，機(jī)器人系統(tǒng)需要停障或避障能力以及路徑規(guī)劃能力。機(jī)器人和充電座必須實(shí)現(xiàn)自動電氣連接與脫離。一般情況下，在機(jī)器人上設(shè)計(jì)一個(gè)公頭連接器，在充電座上設(shè)計(jì)一個(gè)母頭連接器，可通過調(diào)整機(jī)器人位置或控制充電臂的位置實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的充電插頭與充電座的自動對接與斷開。由于導(dǎo)航定位均存在精度問題，所以充電裝置對接需要有一定的誤差容忍度，當(dāng)出現(xiàn)較小偏差時(shí)，對接也應(yīng)該成功，一個(gè)真正健康的機(jī)器人充電系統(tǒng)必須具有容錯(cuò)及自主糾錯(cuò)功能。充電完成后，機(jī)器人自動停止充電，待命或投入正常運(yùn)行。整個(gè)充電過程完全實(shí)現(xiàn)自動化，無需人工干預(yù)［4－5］。

2 變電站巡檢機(jī)器人充電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 變電站巡檢機(jī)器人自動充電機(jī)構(gòu)

自動充電機(jī)構(gòu)安裝在巡檢機(jī)器人移動平臺上，當(dāng)巡檢機(jī)器人需要充電時(shí)，機(jī)器人按照指令移動到充電室指定位置，自動充電機(jī)構(gòu)進(jìn)行充電對接操作。充電完成后，機(jī)器人自動充電機(jī)構(gòu)斷開電氣連接。自動充電機(jī)構(gòu)包含直線導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、彈性減震結(jié)構(gòu)、位置檢測結(jié)構(gòu)、充電對接結(jié)構(gòu)等。自動充電機(jī)構(gòu)及充電座工作示意圖如圖1所示。

圖1 自動充電機(jī)構(gòu)及充電座工作示意圖

2.1.1 自動充電機(jī)構(gòu)直線導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

直線導(dǎo)向結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)桿、導(dǎo)套、平鍵、直線推桿及充電機(jī)構(gòu)后座組成。導(dǎo)桿固定在充電機(jī)構(gòu)后座上，充電機(jī)構(gòu)后座通過平鍵與直線推桿相連接，導(dǎo)套鑲嵌在充電機(jī)構(gòu)上座中。導(dǎo)桿在導(dǎo)套內(nèi)運(yùn)動，既保證了動作的直線度，又保證了定位要求，提高了充電過程的直線運(yùn)動精度。

2.1.2 自動充電機(jī)構(gòu)彈性減震結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人在巡檢工作中遇到的路面情況復(fù)雜，時(shí)常會在運(yùn)行過程中產(chǎn)生顛簸的現(xiàn)象。自動充電機(jī)構(gòu)增加減震結(jié)構(gòu)可以減少震動對自身帶來的影響。減震結(jié)構(gòu)主要由彈簧、導(dǎo)向軸、橡膠套、彈簧擋片組成。彈簧兩端用彈簧擋片進(jìn)行壓緊，導(dǎo)向軸從彈簧的中間穿過，橡膠套安裝在導(dǎo)向軸上，以消除彈簧與導(dǎo)向軸摩擦所產(chǎn)生的影響。整個(gè)減震結(jié)構(gòu)是利用彈簧的彈性形變達(dá)到整體減震效果，從而降低震動帶來的影響，提高自動充電機(jī)構(gòu)的安全性能。

2.1.3 自動充電機(jī)構(gòu)位置檢測結(jié)構(gòu)

在巡檢機(jī)器人充電的過程中要對其充電機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，這樣才能確保機(jī)器人充電過程安全可靠。充電機(jī)構(gòu)精確位置控制結(jié)構(gòu)主要由安裝在充電機(jī)構(gòu)前座、充電機(jī)構(gòu)下座及直線推桿中的限位開關(guān)組成。當(dāng)限位開關(guān)發(fā)出信號時(shí)，充電機(jī)構(gòu)控制板發(fā)出相應(yīng)指令保證對充電機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程的位置動作控制。當(dāng)充電機(jī)構(gòu)伸出后，通過檢測充電機(jī)構(gòu)前座上的限位開關(guān)信號，確保充電極片與充電基板相接觸。如果接收到接觸信號，充電機(jī)構(gòu)停止伸出，機(jī)器人進(jìn)入充電狀態(tài)。充電結(jié)束后，充電機(jī)構(gòu)收回，當(dāng)固定在充電機(jī)構(gòu)下座的限位開關(guān)接收到信號后，充電機(jī)構(gòu)停止工作，反饋給機(jī)器人本體工控機(jī)，進(jìn)行下一步工作。

2.1.4 自動充電機(jī)構(gòu)充電對接結(jié)構(gòu)

自動充電機(jī)構(gòu)要與充電箱上的充電座進(jìn)行充電對接操作。充電對接結(jié)構(gòu)主要由充電機(jī)構(gòu)前座、充電極片、充電座與充電基板組成。充電極片固定在充電機(jī)構(gòu)前座的凹槽內(nèi)，當(dāng)充電機(jī)構(gòu)伸出時(shí)，充電極片與固定在充電座中的充電基板接觸開始充電工作。經(jīng)測試，自動充電對接結(jié)構(gòu)水平方向上有±15°、±10 cm的誤差容忍度，垂直方向上有±1 cm的誤差容忍度，能夠滿足充電對接誤差容忍度的要求。

2.2 變電站巡檢機(jī)器人充電室

充電室是機(jī)器人的能源補(bǔ)給場所，是智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的重要組成部分。充電室為保證機(jī)器人在惡劣天氣下正常充電和安全防護(hù)發(fā)揮了重要作用。充電室質(zhì)量的好壞直接影響機(jī)器人的正常運(yùn)行。充電室要求外型美觀大方，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，支撐穩(wěn)定，焊接緊固可靠，防風(fēng)、防潮、防銹、阻燃等特性較好，便于整體運(yùn)輸、短途搬運(yùn)及現(xiàn)場安裝。充電室外觀及主要部件如圖2所示。

圖2 充電室外觀及主要部件

2.2.1 充電室自動門控制

充電室不裝門，惡劣天氣會影響充電室的設(shè)備運(yùn)行，無法保證機(jī)器人充電的長期可靠性。充電室裝上門，但如果依靠人工為機(jī)器人打開或關(guān)閉充電室，則耗時(shí)費(fèi)力，且降低了機(jī)器人的工作效率和智能化程度。所以充電室安裝自動門，并與巡視任務(wù)聯(lián)動是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長期自主運(yùn)行所必須解決的問題。

變電站巡檢機(jī)器人完成巡檢任務(wù)后，基于磁軌道引導(dǎo)和RFID標(biāo)簽定位，到達(dá)充電室自動門前預(yù)定位置后，巡檢機(jī)器人移動平臺上的工控機(jī)通過無線通信給充電室自動門控制模塊下發(fā)開門命令［6］。自動門控制模塊控制自動門電機(jī)轉(zhuǎn)動，自動門電機(jī)帶動自動門卷簾升起。自動門控制模塊通過不斷檢測自動門狀態(tài)檢測開關(guān)查詢自動門卷簾位置，并將位置信息通過無線通信上傳給工控機(jī)。當(dāng)自動門卷簾到達(dá)預(yù)定高度，滿足巡檢機(jī)器人進(jìn)入充電室的要求時(shí)，自動門控制模塊通過繼電器控制自動門電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，自動門卷簾停止上升。工控機(jī)獲取自動門卷簾到達(dá)預(yù)定高度的信息后，控制巡檢機(jī)器人移動平臺進(jìn)入充電室內(nèi)充電。巡檢機(jī)器人充電室自動門關(guān)閉與開啟的原理基本一致，都是基于無線通信、自動門位置判斷以及自動門電機(jī)控制［7－8］。

2.2.2 充電箱結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖3所示，充電箱固定在充電室內(nèi)，充電座安裝在充電箱上，充電座與充電座安裝板相連接，充電座安裝板上具有螺旋高度調(diào)節(jié)裝置，旋轉(zhuǎn)高度調(diào)節(jié)螺桿可以進(jìn)行垂直方向上±10 mm的微調(diào)，這樣可以很好地解決充電室地面高度不統(tǒng)一帶來的充電座微距離調(diào)節(jié)問題。充電箱上安裝有防塵罩，可有效地防止灰塵通過充電座間隙進(jìn)入充電箱內(nèi)部。交流220 V經(jīng)過線纜插頭與接插件連接，通過內(nèi)部的電壓轉(zhuǎn)換器降壓變成29.4 V，最后由充電座輸出直流29.4 V給機(jī)器人設(shè)備供電、電池充電。電壓表和電流表實(shí)時(shí)檢測、顯示供電和充電的電壓及電流。充電箱框架及每個(gè)安裝門都安裝有接地柱，接地柱通過線纜連接到充電箱的接地排上，提高了充電箱的安全等級。

圖3 充電箱結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

本文通過分析變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用特點(diǎn)，概要介紹了適用于變電站巡檢機(jī)器人的充電技術(shù)，重點(diǎn)介紹了以自動充電機(jī)構(gòu)、充電室為核心的機(jī)器人充電關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)充電對接定位準(zhǔn)確，充電過程安全可靠，減少了機(jī)器人震動給充電機(jī)構(gòu)帶來的位置誤差。充電箱設(shè)計(jì)非常人性化，降低了檢修的難度，提高了調(diào)試的可操作性。本文提出的系統(tǒng)性技術(shù)解決方案更好地實(shí)現(xiàn)了變電站巡檢機(jī)器人在無人干預(yù)情況下長期可靠的自動充電，具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

［1］楊墨，王興光，曹濤，等.變電站巡檢機(jī)器人充電裝置：中國，202285342［P］.2012－06－27

［2］楊墨，隋天日，曹濤，等.變電站巡檢機(jī)器人自動充電系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動化，2013（3）

［3］孫大慶，楊墨，韓磊，等.變電站巡檢機(jī)器人電源系統(tǒng)：中國，202167880［P］.2012－03－14

［4］毛琛琳，張功望，劉毅.智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009（9）

［5］楊東鶴，劉喜昂.智能移動機(jī)器人的超聲避障研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007（15）

［6］魯守銀，錢慶林，張斌，等.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006（13）

［7］郭峰，譚宏.移動巡檢系統(tǒng)［J］.農(nóng)村電氣化，2007（5）

［8］吳功平，戴錦春，郭應(yīng)龍，等.具有自動越障功能的高壓線巡線小車［J］.水利電力機(jī)械，1999（1）