一種GIS設(shè)備檢修機器人設(shè)計

雷云飛，彭 佳，沈忠偉，譚明甜，王 彪，曾昭強

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，長沙 410004）

根據(jù)國家電網(wǎng)公司2007年以來故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）發(fā)生故障占比逐年增加，并且故障原因也向多元化方向發(fā)展，GIS設(shè)備常見的故障大至可分為10種不同類型，各類故障的比例分部情況如圖1所示。

圖1 過去10年GIS設(shè)備故障類型統(tǒng)計

圖1中數(shù)據(jù)表明，異物引起的GIS設(shè)備內(nèi)部擊穿放電次數(shù)多，占比高達(dá)到29%，通過各類事故分析顯示，GIS內(nèi)部的異物主要是各種粉塵狀顆粒物。

GIS設(shè)備主要由斷路器、隔離刀閘、接地刀閘、TA、TV等電氣零部件構(gòu)成，憑借SF6氣體優(yōu)良的絕緣能力，將各相關(guān)部件封閉在GIS殼體內(nèi)SF6氣體環(huán)境中[1]。在GIS設(shè)備生產(chǎn)制造過程中，設(shè)備所有的內(nèi)部部件表面都必須經(jīng)過嚴(yán)格的平滑處理和清洗以去除表面尖端及粉塵狀顆粒雜質(zhì)。然而，GIS設(shè)備零部件拼接時部件之間存在相互摩擦，運輸?shù)缆奉嶔な沟迷O(shè)備承受振動，設(shè)備操作過程中引起的沖擊震動，以及由設(shè)備投運后由于倒閘操作或開斷電流而形成的碎片，都會在GIS設(shè)備封閉殼體內(nèi)部產(chǎn)生金屬顆粒物。GIS設(shè)備在組裝過程中，需要進(jìn)行抽真空及填充SF6氣體，受現(xiàn)場施工環(huán)境影響，填充SF6氣體時空氣中浮塵或懸浮顆粒很容易同步進(jìn)入GIS設(shè)備內(nèi)部。此外，若設(shè)備吸附劑封裝蓋材質(zhì)選擇不當(dāng)或安裝過程中操作不當(dāng)，也可能在GIS設(shè)備內(nèi)部形成懸浮顆粒。各類顆粒狀雜質(zhì)在電場中吸附電荷，形成帶電顆粒，在內(nèi)部電場的作用會發(fā)生無規(guī)則遷移，將嚴(yán)重威脅GIS設(shè)備的絕緣能力。[2-3]。

為了在檢修工作中準(zhǔn)確的獲得GIS設(shè)備內(nèi)部的狀況，目前各單位普遍采用的有兩種方法：內(nèi)鏡法和機器人法[4]。內(nèi)鏡法是將攝像頭固定在一根可延長的長桿上，然后延伸進(jìn)入GIS設(shè)備的內(nèi)部對其進(jìn)行觀察，該方法操作相對而言較為簡單。但內(nèi)鏡法只是達(dá)成檢查功能而不能開展內(nèi)部作業(yè)。比較而言，機器人體積小巧，操作簡單，智能化程度高，可實現(xiàn)開展檢修作業(yè)的功能，已經(jīng)成為各方的主要研究方向。

因此，本文提出了一種能夠在GIS設(shè)備母線段管道內(nèi)部自由行走、并能沿著管壁進(jìn)行一定攀升，同時具備內(nèi)部檢查、清掃吸塵、夾取異物并且能對螺栓進(jìn)行簡單處理的多功能的檢修機器人。

1 工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機器人工作原理

GIS設(shè)備檢修機器人主要是用于觀察檢測GIS設(shè)備母線段管道內(nèi)部的的情況，在檢測的同時，對管道內(nèi)部的金屬碎屑和異物顆粒進(jìn)行吸取收集，對掉落異物用機械臂進(jìn)行夾取收集，以及能對母線段接頭螺栓進(jìn)行一些簡單的處理。使用時，將機器人小車通過GIS設(shè)備檢修手孔放入母線筒，操作可通過連接在控制箱上的電腦上的上位機界面來對機器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。電腦上位機控制終端除了能夠控制機器人的正常的管道內(nèi)部行走、轉(zhuǎn)向、和沿管壁進(jìn)行攀升，還可以控制機器人切換機器人所配備機械臂上的攝像頭的角度來對管道內(nèi)部進(jìn)行多方位的觀測，檢查GIS設(shè)備內(nèi)部的狀況；利用可控制吸塵器吸取GIS設(shè)備筒壁底部的金屬碎屑和異物并進(jìn)行收集，識別螺栓并使用機械臂上的螺栓緊固機構(gòu)進(jìn)行緊固，在發(fā)現(xiàn)有螺栓掉落的情況時，可以通過更換機械臂終端的機構(gòu)對掉落的螺栓進(jìn)行夾取和處理。

1.2 機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人分為兩部分，配備有控制電路板、機械臂、吸塵器等設(shè)備的機器人小車（小車）和包括視頻服務(wù)器、數(shù)傳、圖傳和交換機的遠(yuǎn)程控制箱（控制箱），小車和控制箱之間通過無線通信模塊發(fā)送信號和指令。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 GIS設(shè)備檢修機器人總體結(jié)構(gòu)圖

小車包括車體框架部分、控制器電路板、吸塵模塊、無線通信信號傳輸模塊、驅(qū)動電路和行走輪、攝像頭和圖傳、電池和可更換末端端子的機械臂。其主要功能是控制機器人小車在直徑650mm左右的GIS設(shè)備母線段管道內(nèi)部行駛，通過攝像頭和圖傳傳回的視頻信息對GIS設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行實時檢測，同時使用吸塵模塊處理GIS設(shè)備底部的金屬碎屑，通過更換機械臂終端的部件清理掉落的大體積異物和對螺栓進(jìn)行緊固。

其中，車體部分呈長方形。前段配備了機械臂，攝像頭；內(nèi)部配備有主控電路板和行進(jìn)設(shè)備，包括主控芯片STM32單片機芯片、電機驅(qū)動和行進(jìn)輪；尾部裝有攝像檢測模塊和吸塵模塊。

吸塵模塊主要由一功率可調(diào)無刷吸塵電機組成，在出風(fēng)口安裝一個吸塵袋用于放置吸取上來的金屬碎屑。

攝像檢測模塊主要由三個攝像頭組成，包括放置在小車前部和尾部的兩個攝像頭和放置在機械臂上的一個微型攝像頭。在實際工作中，既可以通過車前后的云臺控制攝像頭左右移動，也可以通過控制機械臂的運動實現(xiàn)多方位、多角度的檢測GIS設(shè)備內(nèi)部的情況。在通過圖傳將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無線信號之后，將圖像數(shù)據(jù)傳送到控制盒顯示在與其連接的電腦上位機界面上。

小車內(nèi)部的主控制芯片STM32通過控制電機驅(qū)動，來達(dá)到控制機器人的行進(jìn)和轉(zhuǎn)向、機械臂的運動的目的。

機械臂模塊由一個三自由度的機械臂和兩自由度的舵機組成，其中三自由度的機械臂的終端部分可切換為電動夾爪和螺栓套筒，主要針對GIS設(shè)備內(nèi)部的大體積掉落物和需要緊固的螺栓進(jìn)行處理[5-6]。

車體兩側(cè)有兩對行駛輪，采用四驅(qū)方式進(jìn)行驅(qū)動，為機器人在GIS設(shè)備內(nèi)部行走、轉(zhuǎn)向和沿管壁攀升提供動力保障。

GIS設(shè)備檢修機器人示意圖如圖3所示：

圖3 GIS設(shè)備檢修機器人示意圖

2 機器人運動控制

2.1 機器人驅(qū)動電機選擇

驅(qū)動電機的選擇直接影響GIS檢修機器人的工作性能。影響機器人驅(qū)動電機功率的主要因素包括有：機器人主體的質(zhì)量，行進(jìn)輪的尺寸，所要求的速度以及其他各種阻力等。為簡化計算，假設(shè)如下：

（1）機器人在傾斜角為α的GIS設(shè)備母線段管道內(nèi)部行駛；

（2）各驅(qū)動輪的動作狀態(tài)相同。

設(shè)檢修機器人在GIS設(shè)備內(nèi)部正常行進(jìn)時的行駛速度為v，機器人的加速度dv/dt為，根據(jù)運動力學(xué)分析，機器人正常工作時所需驅(qū)動力為：

式中，m為檢修機器人本身質(zhì)量；Mi為電機的驅(qū)動力矩；Mfi為GIS設(shè)備管道對行駛輪的摩擦阻力矩；Ri為行駛輪的半徑；Fz為在GIS設(shè)備管道內(nèi)部行走所需的動力；f1為其他阻力；為機器人加速阻力。

根據(jù)對機器人驅(qū)動力的分析，確定驅(qū)動電機的功率P為：

式中，K為余度系數(shù)；η為機構(gòu)傳動效率。

本項目中，設(shè)4kg的機器人工作在平行即坡度為0的GIS設(shè)備管道中，以v=10m·min-1的速度勻速前進(jìn)，檢修機器人的行駛輪半徑r=30mm，摩擦系數(shù)μ=0.5，K=2，η=0.65，F(xiàn)z=2N，f1=6N根據(jù)公式（1）和公式（2），則電機功率計算如下：

GIS設(shè)備檢修機器人所需驅(qū)動電機總功率為：

根據(jù)實際GIS設(shè)備母線筒內(nèi)表面光滑度，計算所取的動力值要稍偏大一些。由此，設(shè)計采取四輪驅(qū)動方式，驅(qū)動電機功率為7W。

2.2 機器人運動控制

由于機器人是在光滑GIS設(shè)備母線筒中行走，所以在某一側(cè)的輪胎被筒內(nèi)的金屬碎屑影響時，會對機器人的行進(jìn)方向產(chǎn)生一些偏斜。當(dāng)機器人發(fā)生偏斜情況的時候，由于機器人在水平行駛的時候與母線筒內(nèi)部的母線是平行的，可以通過機器人觀察前部的攝像頭所采集的母線是否與小車垂直發(fā)現(xiàn)是否發(fā)生偏移，然后可以通過上位機發(fā)出指令，迫使小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向，從而返回水平位置。

3 圖像處理

小車的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測功能主要通過圖像處理的方式實現(xiàn)，首先由小車云臺攜帶的攝像機采集GIS設(shè)備母線筒和母線上的圖像信息，然后傳輸?shù)缴衔粰C，上位機再對圖像進(jìn)行灰度化、二值化、圖像去噪、特征提取等處理等步驟，使GIS設(shè)備內(nèi)部的雜物更易被識別。

（1）圖像灰度化

攝像機所采集到的圖像一般是RGB三色通道的模型，即藍(lán)色、綠色、紅色這3種成分，可以按不同比例混合，各個不同分量可以得到所有的顏色信息，但是這些信息所占據(jù)的存儲空間較大，所以無法通過數(shù)學(xué)方法對其進(jìn)行處理。因此，需要將RGB模型進(jìn)行灰度化處理，即將RGB模型處理成單色彩通道的模型，其公式為[7]：

（2）二值化

圖片在經(jīng)過灰度化處理之后，每個點的像素值g（x，y）都在（0，225）之間，設(shè)定一個閾值Δ，則二值化圖像為f（x，y）[8-9]：

由于GIS設(shè)備母線段管道內(nèi)部環(huán)境沒有光源，小車會攜帶光源進(jìn)入其中工作，所以在小車移動時，會引起光線的變化，因此具有固定閾值的圖像二值化將無法得到預(yù)期中的結(jié)果。出于這個原因，我們使用計算簡單的Otsu算法進(jìn)行自適應(yīng)閾值確定，讓其盡可能不受外部條件的影響[10]。

（3）圖像去噪

由于檢修機器人在GIS設(shè)備內(nèi)部工作室會不停的運動，從而會引起光源和攝像頭的抖動，從而會使收集的圖像的質(zhì)量受到影響，因此，在圖像分析之前，需要對源圖像執(zhí)行消噪處理?，F(xiàn)場測試的結(jié)果顯示，脈沖噪聲是影響圖像質(zhì)量的最主要的噪聲，因此我們采用中值濾波算法，它是典型的低通濾波器?？梢杂行У剡^濾圖像中的尖峰脈沖干擾，其中中值濾波算法是[11-12]：

式中，median表示取中值操作。

（4）特征提取

當(dāng)GIS設(shè)備母線段管道內(nèi)部沒有各種易見雜物時，管壁是高亮區(qū)域，GIS設(shè)備母線深度為暗區(qū)，中間形成圓形區(qū)域分開從管壁。當(dāng)GIS設(shè)備中存在有可見異物時，在光照下，與GIS設(shè)備母線類似地形成高光區(qū)域，可見異物體積越大，高光區(qū)域越大。根據(jù)該特征，我們提出了以下用于提取異物特征的方法：

在二值化的圖像f（x，y）中，一個像素點的值是0或1，則面積S為[13-14]：

中心C為：

式中，f（x，y）≠0，即x和y是像素值Δθ不為零的坐標(biāo)值。通過在空母線較小時比較當(dāng)前區(qū)域S與圖像中心C的尺寸以及S和C的尺寸，確定當(dāng)前母線是否存在異物和異物的位置[15]。

圖4顯示了空母線和碎片母線的圖像識別結(jié)果。

圖4 母線筒內(nèi)有異物識別效果圖

機器人將母線筒內(nèi)雜物的識別結(jié)果提供給控制箱，金屬碎屑可以通過吸塵模塊吸取，當(dāng)存在大體積雜物的時候，可以通過機械臂對其進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)在新型變電站采用GIS設(shè)備越來越多，但是檢修工作極其耗費人力和物力的現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種GIS設(shè)備檢修機器人，對GIS設(shè)備進(jìn)行檢修工作。該機器人使用無線通訊，通過控制箱控制行動，可以識別GIS設(shè)備內(nèi)雜物并對其進(jìn)行處理，設(shè)計機械臂對螺栓進(jìn)行緊固。現(xiàn)場試驗證明，該機器人能在GIS設(shè)備內(nèi)平穩(wěn)可靠地開展檢查、清潔和螺栓緊固作業(yè)，具有較大的使用價值。