變電站雙體智能巡檢機(jī)器人研究綜述

馬承志 吳敏

Research Review of Binary Intelligent Roboots Applied in Substations for Equipment Inspection

摘要：變電站雙體智能巡檢機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)變電站大部分儀器設(shè)備的檢測(cè)功能。具備自主巡檢、數(shù)據(jù)采集和精確測(cè)量等功能，提高電力設(shè)備巡視效率，滿足變電站日常巡檢的業(yè)務(wù)需求，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文介紹目前變電站巡檢機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，探討機(jī)械臂控制、精確測(cè)溫和末端拓展等關(guān)鍵技術(shù)，展望其發(fā)展趨勢(shì)，為變電站機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

Abstract： Binary Intelligent Robots Applied in Substations can realize the measuring ability of most of the equipment in the substation. It has the functions of independent inspection， data collection and accurate measurement， improving the inspection efficiency of power equipment and meeting the requirements of daily inspection of substation. It can ensure the safe and stable operation of the power grid. This paper introduces the present situation of the current transformer substation inspection robot， discusses the key techniques of mechanical arm control， precise measurement and end extension and so on， and look forward to its development trend， which provides reference for the further development of substation robot.

關(guān)鍵詞：雙體智能巡檢機(jī)器人；檢測(cè)；機(jī)械臂控制；精確測(cè)溫；末端拓展

Key words： Binary Intelligent Roboots；measuring；mechanical arm control；precise measurement；end extension

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0284-03

0 引言

目前，變電站智能巡檢機(jī)器人[1，2]能夠?qū)崿F(xiàn)變電站大部分儀器設(shè)備的檢測(cè)功能?，F(xiàn)有變電站機(jī)器人自主巡檢采集的圖像資料等進(jìn)行自動(dòng)智能分析，主要局限在表計(jì)抄錄和刀閘狀態(tài)識(shí)別及紅外測(cè)溫等。由于變電站環(huán)境及設(shè)備布置等原因，目前的巡檢機(jī)器人無(wú)法完成精確測(cè)溫、定向音頻分析、應(yīng)急帶電操作等相對(duì)復(fù)雜的巡檢任務(wù)。

多關(guān)節(jié)機(jī)械臂（多自由度機(jī)器人）的優(yōu)良性能是其它傳統(tǒng)的機(jī)器人所不能比擬的，其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，工作空間較大，因此適用于多種工作場(chǎng)合和復(fù)雜環(huán)境。目前很多典型機(jī)械臂已經(jīng)發(fā)展成熟應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)也己開發(fā)出多種工業(yè)機(jī)械臂。目前機(jī)械臂主要運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)中，如裝配機(jī)器人、焊接機(jī)器人，其特點(diǎn)是機(jī)械臂固定在一個(gè)不移動(dòng)的底座上，進(jìn)行“單點(diǎn)”操作。

針對(duì)目前巡檢機(jī)器人[3，4，5]和多自由度機(jī)器人各自的局限性，傳統(tǒng)變電站巡檢機(jī)器人與多自由度工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合的雙體機(jī)器人運(yùn)用技術(shù)，移動(dòng)機(jī)器人與固定檢測(cè)裝置的結(jié)合及數(shù)據(jù)融合技術(shù)需要深入研究。巡檢機(jī)器人移動(dòng)的特性為多自由度機(jī)器人提供了一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，多自由度機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、工作空間大的特性為巡檢機(jī)器人擴(kuò)展了更多運(yùn)用。

雙體機(jī)器人如圖1所示，傳統(tǒng)智能巡檢機(jī)器人搭載一個(gè)多自由度機(jī)器人形成一個(gè)雙體巡檢機(jī)器人，巡檢機(jī)器人本體為多自由度機(jī)器人提供一個(gè)移動(dòng)的平臺(tái)，將多自由度機(jī)器人帶到需要檢測(cè)的變電站設(shè)備附件。多自由度機(jī)械臂末端可擴(kuò)展多種檢測(cè)模塊或者操作模塊來(lái)完成各種復(fù)雜的變電站巡檢任務(wù)或者應(yīng)急處理任務(wù)。

1 變電站雙體智能巡檢機(jī)器人

本文研究的變電站雙體智能巡檢機(jī)器人是由傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人與多自由度工業(yè)機(jī)器人融合在一起的，雙體巡檢機(jī)器人主要具備機(jī)械臂控制技術(shù)、精確測(cè)溫技術(shù)和末端拓展技術(shù)，通過(guò)安裝于機(jī)械臂末端的檢測(cè)工具安裝盤，可靈活配置末端檢測(cè)設(shè)備，增加巡檢機(jī)器人系統(tǒng)巡檢手段，拓展對(duì)變電設(shè)備的檢測(cè)方法。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)80年代開始，日本、美國(guó)、加拿大、法國(guó)等許多國(guó)家就先后展開帶點(diǎn)作業(yè)機(jī)器人的研究開發(fā)與應(yīng)用。1984年，九州電力株式會(huì)社和安川機(jī)器人公司開始研制帶電作業(yè)機(jī)器人。迄今為止，日本已成為當(dāng)今配電帶電作業(yè)機(jī)器人開展最早、成果最為豐富、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最廣泛的國(guó)家。目前已推出前后三代產(chǎn)品，實(shí)際使用超過(guò)180臺(tái)機(jī)器人：第一階段（1984-1989）：第一代機(jī)器人——手動(dòng)操作機(jī)器人PhaseⅠ，采用主從控制。第二階段（1990-1997）：第二代機(jī)器人——半自動(dòng)機(jī)器人PhaseⅡ。第三階段（1997至今）：第三代機(jī)器人——全自動(dòng)?xùn)|機(jī)器人PhaseⅢ。

美國(guó)于1985年著手開始研究帶電作業(yè)機(jī)器人，其第一代產(chǎn)品采用操作人員在地面遙控的方式，單機(jī)械臂的主從控制機(jī)器人。僅裝有液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，機(jī)械性能較差。目前，美國(guó)最新一代的機(jī)器人在絕緣防護(hù)水平上有所突破，支持在極端惡劣的天氣下進(jìn)行帶電作業(yè)。

加拿大Hydro-Quebee研究所作業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂也是液壓驅(qū)動(dòng)的，作業(yè)形式與日本的第一代產(chǎn)品很相似，該機(jī)器人的絕緣等級(jí)達(dá)到25kV。

法國(guó)帶電作業(yè)機(jī)器人項(xiàng)目的研究是在20世紀(jì)90年代由法國(guó)電力公司（EDF）支持進(jìn)行的，但受限于技術(shù)難題和科研經(jīng)費(fèi)，最終中途擱置。直到90年代末期，受到日本安川電機(jī)與九州電力株式會(huì)社的支持，歐洲綜合電機(jī)制造廠家Thomoson-CSF著手開展研究，并順利完成了機(jī)器人樣機(jī)。

西班牙在參照日本第二代帶電作業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，于1994年完成各項(xiàng)研發(fā)，并可實(shí)現(xiàn)本國(guó)69kV及以下的帶電作業(yè)。該機(jī)器人安裝兩個(gè)6自由度機(jī)械臂，并配備有3自由度的輔助臂。

國(guó)內(nèi)帶電作業(yè)機(jī)器人項(xiàng)目從1999年開始，2002年研制出樣機(jī)。與日本相似，我國(guó)已經(jīng)開展了3代機(jī)器人的研究，第一代：采用兩臺(tái)MOTOMAN機(jī)械臂，操作人員通過(guò)鍵盤控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)；第二代：采用兩臺(tái)自主研發(fā)的電機(jī)機(jī)械臂，控制系統(tǒng)采用主從控制方式；第三代：集成國(guó)外液壓機(jī)械臂，自重輕、持重大，可以實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

目前，我國(guó)變電站巡檢機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)了有軌或無(wú)軌導(dǎo)航的自動(dòng)巡視和攝像（或拍照），具備一定的自動(dòng)識(shí)別及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的功能。

3 變電站雙體巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 機(jī)械臂控制技術(shù)

機(jī)械臂末端路徑控制方式主要有以下三大類：第一類是點(diǎn)位控制，簡(jiǎn)稱為PTP控制，它只要求機(jī)器人手臂末端能快速準(zhǔn)確地從一點(diǎn)到相鄰點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而對(duì)其運(yùn)動(dòng)路徑不作具體規(guī)定。這種控制功能用于搬運(yùn)、點(diǎn)焊、裝配等作業(yè)中。第二類是連續(xù)路徑控制，又稱連續(xù)軌跡控制，簡(jiǎn)稱CP控制。它不但要求機(jī)器人手臂末端從一點(diǎn)到相鄰點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而且要求所走過(guò)的路徑是連續(xù)平滑的，這就需要插補(bǔ)運(yùn)算，所以這種控制功能多用于噴涂、弧焊、去飛邊等作業(yè)中。第三類是移動(dòng)控制，它包括對(duì)移動(dòng)的路徑、速度、目標(biāo)跟蹤、機(jī)器人操作機(jī)的穩(wěn)定平衡、越過(guò)障礙物及回避障礙物等的控制，這種控制功能多用于作業(yè)距離較長(zhǎng)或野外作業(yè)等需要機(jī)器人移動(dòng)甚至行走的場(chǎng)合。

本文研究機(jī)械臂控制[6]在坐標(biāo)系統(tǒng)方面，設(shè)計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換樹，將不同空間的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)不同空間系統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)控制。在機(jī)器人導(dǎo)航方面，機(jī)器人內(nèi)置地圖，通過(guò)獲取激光測(cè)量數(shù)據(jù)，使用蒙特卡洛方法對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。在末端控制方面，先通過(guò)機(jī)械臂控制進(jìn)行粗略定位，即控制機(jī)械臂末端到達(dá)預(yù)置點(diǎn)位置。此時(shí)，由于機(jī)器人定位、機(jī)械結(jié)構(gòu)、環(huán)境等各方面的影響，機(jī)械臂末端的位置并不是我們希望的理想位置。通過(guò)加入可見(jiàn)光環(huán)境匹配，計(jì)算出當(dāng)前機(jī)械臂末端位置與預(yù)設(shè)位置的偏差，根據(jù)匹配結(jié)果對(duì)機(jī)械臂末端進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)末端精確控制。

3.2 精確測(cè)溫技術(shù)

在雙體機(jī)器人巡檢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不能完成零誤差的到達(dá)待測(cè)溫點(diǎn)。無(wú)論是機(jī)器人每次到達(dá)預(yù)設(shè)點(diǎn)位，執(zhí)行云臺(tái)預(yù)設(shè)旋轉(zhuǎn)角等，均會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人在到達(dá)測(cè)溫點(diǎn)時(shí)存在位姿誤差。機(jī)器人巡檢的位姿誤差導(dǎo)致了測(cè)溫目標(biāo)的偏移或丟失，因而出現(xiàn)測(cè)溫不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。而本系統(tǒng)的基于視覺(jué)伺服的精準(zhǔn)測(cè)溫技術(shù)[7]研究正是如何解決由機(jī)器人巡檢過(guò)程的位姿誤差導(dǎo)致的測(cè)溫誤差問(wèn)題。機(jī)器人到達(dá)待測(cè)溫點(diǎn)后，捕捉熱成像數(shù)據(jù)，形成紅外圖像。依據(jù)紅外圖像對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，依據(jù)圖像誤差信號(hào)控制包含云臺(tái)、機(jī)器人等與機(jī)載熱成像相關(guān)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)校正，實(shí)現(xiàn)溫度探測(cè)位置更精確的目的?；趫D像伺服的精準(zhǔn)測(cè)溫技術(shù)，有效地防止了機(jī)器人在巡檢過(guò)程中，熱成像探測(cè)目標(biāo)丟失的現(xiàn)象。同時(shí)，伺服過(guò)程中，最大程度地規(guī)避了測(cè)溫目標(biāo)相鄰或背景中設(shè)備，有效提高了對(duì)細(xì)小目標(biāo)測(cè)溫的精確度。

3.3 末端擴(kuò)展

機(jī)器人末端執(zhí)行器裝在操作機(jī)手腕的前端（稱機(jī)械接口），用于使機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)而專門設(shè)計(jì)的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機(jī)器人的用途密切相關(guān)，主要包括：

夾持器，具有夾持功能的裝置，用于抓拿物體，如吸盤、機(jī)械手爪、托持器等，如圖2所示。

專業(yè)工具，用于完成某項(xiàng)作業(yè)所需要的裝置。如用于加工工件的銑刀、砂輪和激光切割器、完成焊接作業(yè)的氣焊槍、點(diǎn)焊鉗等。并由此，將焊接機(jī)器人又可細(xì)分為：C02焊機(jī)器人、TIG焊機(jī)器人、MAG/MIG焊機(jī)器人、氣焊機(jī)器人、釬焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、激光焊機(jī)器人等；如圖3所示。

傳感器，用于質(zhì)量、位姿檢測(cè)、缺陷分析，如視覺(jué)傳感器、力矩傳感器、角度位移傳感器等。機(jī)器人所用傳感器又分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器二類。前者用來(lái)檢測(cè)自身狀態(tài)的信息，主要是位置、速度、加速度等傳感器，并且作為反饋信號(hào)構(gòu)成伺服控制；后者是用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人作業(yè)對(duì)象和作業(yè)環(huán)境信息的傳感器，如測(cè)量夾持器夾緊力的壓力傳感器，對(duì)外進(jìn)行識(shí)別的視覺(jué)、觸覺(jué)、聽覺(jué)等傳感器。如圖4所示。

通常一種新的作業(yè)需要一種新的末端執(zhí)行器，而一種新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)又往往為機(jī)器人開辟一種新的應(yīng)用領(lǐng)域。

末端執(zhí)行器是一個(gè)獨(dú)立的部件，對(duì)整個(gè)機(jī)器人完成任務(wù)的好壞起著關(guān)鍵的作用，它直接關(guān)系著作業(yè)時(shí)的定位精度、力的大小等。

工業(yè)機(jī)器人的手部通常是專用裝置，一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。根據(jù)變電站環(huán)境以及操作需求，需要用到以下幾種末端執(zhí)行器：

①高清圖像采集模塊：儀器儀表識(shí)別；

②紅外測(cè)溫模塊：精確測(cè)溫；

③局放檢測(cè)模塊：局部放電檢測(cè)；

④定向音頻采集模塊：異常聲音檢測(cè)；

⑤高壓開關(guān)分合閘模塊：完成就地分合閘操作。

不同的末端執(zhí)行器，結(jié)構(gòu)會(huì)有差異，通常一個(gè)機(jī)器人配有多個(gè)裝置或能工具，因此要求末端執(zhí)行器與手腕處的接頭從機(jī)械結(jié)構(gòu)上以及電氣上都具有通用性和互換性，滿足快速切換。

不同的末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式不同，對(duì)這些部件的電氣接口具有互換性要求設(shè)計(jì)統(tǒng)一的電氣規(guī)范和通信方式，各個(gè)模塊需要在模塊內(nèi)部完成電源總線轉(zhuǎn)化、通信總線轉(zhuǎn)化。同時(shí)還要保證接口的可靠，以及相應(yīng)的防護(hù)。

為了滿足快速切換，各個(gè)模塊安裝結(jié)構(gòu)上需要統(tǒng)一，且便于安裝及更換。

4 發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)雙體智能巡檢機(jī)器人[8，9，10]研究開發(fā)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人巡檢范圍無(wú)法拓展，巡檢方式單一，檢測(cè)手段固定的劣勢(shì)。雙體智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，能更加全面的對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡視，減少傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人應(yīng)用的短板。同時(shí)，也減輕了運(yùn)維人員的工作負(fù)擔(dān)，減少運(yùn)維工作中的漏檢、不便巡檢的情況。提升運(yùn)維工作時(shí)效性，全面性。

在某些特殊環(huán)境下，特定設(shè)備的操作，可能因其特性對(duì)操作人員產(chǎn)生威脅。通過(guò)雙體智能巡檢機(jī)器人的末端操作機(jī)構(gòu)，可輔助或代替人工進(jìn)行操作，將最危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)交由機(jī)器人來(lái)完成，有效降低運(yùn)維人員因意外情況受到的人身危害。同時(shí)，機(jī)器人也可代替人工進(jìn)行意外情況的審核檢查，例如安防、消防意外，運(yùn)維人員通過(guò)遠(yuǎn)程操作控制機(jī)器人到達(dá)指定位置，通過(guò)機(jī)器人進(jìn)行觀察和檢測(cè)，避免人員受到威脅。

5 結(jié)論

變電站雙體智能巡檢機(jī)器人性能更強(qiáng)，巡檢方式更多更靈活，巡檢內(nèi)容更全面，雙體機(jī)器人的應(yīng)用范圍增加后，有效提升巡檢全面性，減少運(yùn)維人員到設(shè)備區(qū)進(jìn)行巡檢的次數(shù)及時(shí)長(zhǎng)，釋放人員配置，同時(shí)能夠有效提升人員安全性。通過(guò)系統(tǒng)互聯(lián)對(duì)接，使機(jī)器人系統(tǒng)能夠獲取生產(chǎn)管理系統(tǒng)及第三方維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，已提供機(jī)器人智能巡檢條件，使得機(jī)器人系統(tǒng)更加便利、智能，更能及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)行缺陷，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。因此本項(xiàng)目研究成果兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并擁有行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]H.Kobayashi，H.Nakamura，and T.Shimada，An Inspection Robot for Feeder Cables Basic Structure and Control[C].lecon1991.992-995.

[2]彭林，王紹亞.智能巡檢機(jī)器人在無(wú)人值守變電站的應(yīng)用探究[J].電子世界，2017（01）：157，159.

[3]龔勤慧.變電站智能巡檢機(jī)器人研究綜述[J].瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（2）：56-61.

[4]魯守銀.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，07（30）：94-98.

[5]毛琛琳.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，2009，09（25）：30-36.

[6]趙霞，袁家政.基于視覺(jué)的目標(biāo)定位技術(shù)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2016（06）：10-16，43.

[7]李耀，戴長(zhǎng)建.圖像光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)溫[J].光譜學(xué)與光譜分析，2016（01）：38-41.

[8]劉彩玲.浙江首個(gè)110千伏變電站智能巡檢機(jī)器人在瑞安運(yùn)行[EB/OL].（2014-01-28）[2014-12-20].http：//hvdc.chinapower.com.cn/membercenter/smartgrid/viewarticle.asp articleid=10305706&lanmuid;=114.

[9]陳玉波，袁秉森.一種軌道式變電站巡檢機(jī)器人的研究與應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2015（07）：126-129.

[10]Beaudry J，Poirier S.Vehicule teleopere pour inspection visuelle et thermographique dans les postes de transformation[R].ReportIREQ-2012-0121，2012.