高壓輸電線機器人的研究現(xiàn)狀及展望

宋莉玲 靳镕光 李靜峰 牛剛剛 李亞亮 司云

【摘 要】本文首先分析了高壓輸電線機器人研究現(xiàn)狀，接下來詳細闡述了高壓輸電線巡線機器人以及高壓輸電線救援機器人，最后對機器人的檢測方法以及高壓輸電線機器人的展望做具體論述，希望給行業(yè)內(nèi)人士以借鑒和啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】輸電線路;機器人;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

引言

自20世紀初人類發(fā)明并使用三相交流電以來，高壓電的傳輸技術(shù)向高容量、高電壓、長距離等目標逐步發(fā)展。目前輸配電能源的主要方式是使用高壓架空電力線，因此不可避免地長期將電力線和塔架附件等暴露在野外，導致線路腐蝕、磨損等損壞。如果不能及時進行修復，可能會加劇原有的輕微缺陷和損壞，導致大規(guī)模停電事故并且對國民經(jīng)濟造成巨大的損失，因此，及時檢測出損壞并快速修復是很有必要的。

1高壓輸電線機器人研究現(xiàn)狀

從20世紀80年代末開始，美國、加拿大和日本等西方國家，著手對電力高壓輸電線機器人進行探究。東京電力公司Sawada教授等人1988年率先研發(fā)了擁有初步自主越障能力的巡檢機器人，并將其命名為光纖復合架空地線巡檢移動機器人。美國TRC于1989年成功開發(fā)出懸臂式自主檢測機器人的原型，它不僅可以爬行于遠距離的架空電線，還能執(zhí)行視覺檢查任務。加拿大水電魁北克研究中心于2008年開發(fā)出一款名為LinesScout的高壓輸電線路檢測機器人。機器人基本結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個夾緊機構(gòu)，可以有效阻止機器人兩端的下落，確保機器人可以安全有效地工作。2008年，伊朗塞姆南大學機械工程學院開發(fā)了一種名為MoboLab的巡檢機器人，它由三個配有滾輪的鉗口裝置夾緊并在導線上移動。針對高壓地線通過塔頂之間頂與頂進行連接的特征，2009年瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的BuehringerM.等人研制出了一款名為CableCrawler的沿地線行駛巡檢機器人，該機器人利用雙對垂直滾筒通過直接擠壓塔頂?shù)姆椒ㄟM行越障。中國對高壓電力線路檢測機器人的研究與發(fā)達國家相比，起步時間較晚。武漢大學機器人研究所于1998年研發(fā)出具備自動越障功能的高壓輸電線巡檢車。該車為三輪驅(qū)動，具有穩(wěn)固的越障功能和行走功能，可安穩(wěn)地越過輸電線路上的障礙物。2005年，中科院沈陽自動化研究所的王洪光等人開發(fā)出雙臂反對稱懸掛式檢測機器人，機器人可將重力集中于單個臂，使檢查機器人的另一個臂與傳輸線分開。湖北工業(yè)大學于2015年提出了基于磁懸浮的高壓輸電線路檢測機器人，其避障機構(gòu)通過檢測機器人的整體結(jié)構(gòu)和運行方式設(shè)計而得。

2高壓輸電線巡線機器人

巡線機器人可以實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)下的高效遠程控制，具有大數(shù)據(jù)下的智能自學習系統(tǒng)、靈活多變的任務模塊和智慧電源系統(tǒng)。它是懸掛在高壓輸電線路上進行巡檢，并通過物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_大數(shù)據(jù)中心，大數(shù)據(jù)中心可對數(shù)據(jù)進行自處理，運用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，工作人員可通過電腦對巡線機器人進行實時監(jiān)測和遠程控制。物聯(lián)網(wǎng)下的高效遠程控制：巡檢機器人將獲取的信息通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳后臺大數(shù)據(jù)中心進行備份處理，后方總控中心可以實時監(jiān)控機器人的實時情況并對機器人進行控制，通過互聯(lián)網(wǎng)，維修人員也可以在獲得許可的PC端和安裝app的移動端實時獲取數(shù)據(jù)以及實時控制。這樣維修人員就可以在不攀爬塔線的情況下實時了解故障情況。靈活多變的任務模塊：在機器人的上部設(shè)有可拓展的任務模塊，可以根據(jù)任務需要有選擇的更換金具維修模塊、除冰模塊、額外探測模塊以及額外電源模塊。從而適應不同的任務環(huán)境，做到實時維修，使檢測更加細致，機器人的運行穩(wěn)定性更高。

3高壓輸電線救援機器人

救援機器人由行走機構(gòu)、壓緊機構(gòu)、機械臂、救援夾爪及控制箱組成。其中控制箱由各種控制元器件和電池組成，安裝在機械臂的下端。行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。行走機構(gòu)由行走輪、行走輪軸、行走電機及減速器、編碼器、行走電機罩、驅(qū)動盤、軸承等組成。行走電機與驅(qū)動盤相連，驅(qū)動盤帶動行走輪轉(zhuǎn)動，行走輪與行走輪軸之間裝有軸承，實現(xiàn)機器人沿地線的滾動運動，其中編碼器接在電機的后端，實現(xiàn)對機器人行駛路程的記錄與反饋。其中，行走輪采用“V”型槽回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)適應地線形狀，當巡檢機器人在地線上行駛時，行走輪將地線包覆?！癡”型槽結(jié)構(gòu)能使行走輪與地線接觸面積增加，與壓緊輪一起，將地線約束在結(jié)構(gòu)中，使得機器人在行駛中過程具有高安全性。此外，行走輪選用特殊的耐磨材料，使之既可以增加與地線之間摩擦力，又能保護地線不被磨損。壓緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。壓緊機構(gòu)由壓緊輪、壓緊輪支架、壓緊輪輪座、壓緊彈簧、壓緊螺母、碰檢擋板、磁鋼、霍爾傳感器等組成。壓緊機構(gòu)通過絲桿螺母與機械臂連接，壓緊輪支架一端與壓緊螺母相連，一端套入壓緊輪輪座孔內(nèi)，并可使壓緊輪輪座繞壓緊輪支架軸線左右擺動，以適應不同傾斜角的導線。壓緊輪采用尼龍66材料制作，使壓緊輪耐磨、耐熱，且電絕緣性好。在壓緊輪的斷面均布四個磁鋼，壓緊輪每旋轉(zhuǎn)一周，安裝在壓緊輪輪座上的傳感器就會檢測到四個信號，由此可以計算壓緊輪轉(zhuǎn)速和行走距離。碰檢擋板通過兩彈簧與壓緊輪輪座側(cè)面柔性連接，并且擋板上裝有磁鋼，對應壓緊輪輪座上固定有霍爾傳感器。當機器人行走遇到防振錘等障礙物碰到碰檢擋板時，碰檢擋板受壓力與壓緊輪輪座貼緊時，傳感器傳出信號，從而告知前方有障礙物，此時電機驅(qū)動壓緊絲桿轉(zhuǎn)動從而帶動壓緊螺母及壓緊機構(gòu)向下移動，以避開障礙物前行。

4機器人的檢測方法

現(xiàn)有的檢測故障的方法有光學圖像檢測法、紅外線檢測法、超聲波檢測法、漏磁檢測法、無線電頻譜檢測法、電渦流檢測法以及超導量子干涉器件檢測法等，但無論是較為成熟的還是尚處于實驗階段的各種檢測技術(shù)均存在一定的局限性，不能很好地適用于輸電線機器人自主巡檢?？倸w起來，研究適應各種環(huán)境各種狀態(tài)、抗干擾能力強、檢測范圍廣、檢測故障種類多并且真實可靠的檢測技術(shù)是輸電線機器人自主檢測的關(guān)鍵技術(shù)。

5發(fā)展趨勢

5.1分布式高壓輸電線機器人系統(tǒng)

盡管多感測輸電線機器人具有其優(yōu)點，但它們不可避免地帶來大尺寸和過復雜控制的缺點。若線路檢查任務由攜帶不同線路故障檢測器的多個機器人完成，可以大大減小機器人的體積和功耗，降低開發(fā)難度;同時，多機器人協(xié)作可以使機器人系統(tǒng)通過每個機器人的信息傳輸產(chǎn)生更高的效率，它可以進一步提高線路故障的檢測可靠性和靈敏度。

5.2自主控制系統(tǒng)與智能化發(fā)展

伴隨現(xiàn)代化技術(shù)例如傳感技術(shù)和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，檢測機器人自身的控制系統(tǒng)中可以安裝嵌入式PC104 工業(yè)計算機，其控制驅(qū)動可采用三種閉環(huán)工作模式，即速度、電流和位置，可輕松適應各種速度、扭矩控制和復雜的位置應用。當機器人處于自主越障時，傳感器可以與專家知識庫結(jié)合，完成行動計劃和動作調(diào)整互相聯(lián)合的越障行動。

結(jié)語

未來的輸電線機器人將逐步走向多傳感器智能式機器人，機器人能夠自動拍攝線路情況，遠程控制管理級能夠自動接收機器人收集的信息并對其分析處理，實現(xiàn)故障自主檢測并修復等方向發(fā)展。

參考文獻：

[1]吳功平，戴錦春.具有自動越障功能的高壓線巡線小車[J].水利電力機械，1999（1）：46-49.

[2]付雙飛，王洪光，房立金，等.超高壓輸電線路巡檢機器人越障控制問題的研究[J].機器人，2005，27（4）：341-345.

（作者單位：國網(wǎng)晉城供電公司）