便攜式電纜管道穿管機(jī)器人的研制

李偉　李窕　許旭哲　陳斯?fàn)N　蘇培才

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力電纜大面積取代架空線路，特別在人口密集地區(qū)，電力電纜成為最主要的電能傳輸載體。為配合市政建設(shè)，電力電纜建設(shè)通常采用預(yù)埋管道的方式，預(yù)埋電力電纜管道根據(jù)電力工程建設(shè)需要投入使用，通常滯后預(yù)埋時(shí)間較久，預(yù)埋管道內(nèi)可能出現(xiàn)管道破損、積淤泥或其他異物的現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)埋管道不可用、無法用，特別是在10kV配電網(wǎng)領(lǐng)域，因電纜管道一般口徑偏小，目前沒有有效的方法能在預(yù)埋管道啟用時(shí)進(jìn)行穿管前情況探查及勘察。在管道內(nèi)情況不明的情況下進(jìn)行電力電纜穿管，一旦遇到障礙物，只能退出電力電纜，進(jìn)行管道清理工作。由此將影響施工進(jìn)度，并可能導(dǎo)致電力電纜因多次拖磨引起絕緣破損，埋下安全隱患，增加投運(yùn)后的運(yùn)維工作量。本文提出一種便攜式電纜管道穿管機(jī)器人設(shè)計(jì)，通過機(jī)電一體化的高可靠性設(shè)計(jì)來確保穿管機(jī)器人優(yōu)質(zhì)、可靠的智能巡檢服務(wù)。

關(guān)鍵詞;電纜管道;智能巡檢;高可靠性

一、便攜式電纜管道穿管機(jī)器人的功能

便攜式電纜管道穿管機(jī)器人代替人工進(jìn)行電纜管道巡檢服務(wù)，主要包括預(yù)埋電纜管道的驗(yàn)收勘察、長距離電纜管道的牽引穿線、清理管道內(nèi)部雜物并對管道進(jìn)行潤滑、減少摩擦力等，為電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行提供重要保障。

1、預(yù)埋電纜管道的驗(yàn)收勘察;全程可視化操作勘察管道內(nèi)部情況，解決電纜預(yù)埋管道施工完成后驗(yàn)收時(shí)無法對工程質(zhì)量及隱蔽工程量進(jìn)行有效驗(yàn)證的問題。

2、解決長距離小口徑電纜管道的牽引穿線需求;通過研發(fā)便攜式穿管機(jī)器人系統(tǒng)，為目前無法解決的長距離、小口徑穿管工作提供一套新的方法和技術(shù)手段。

3、清理管道內(nèi)部雜物并對管道內(nèi)部進(jìn)行潤滑、減少摩擦力;穿管機(jī)器人能對管內(nèi)進(jìn)行進(jìn)行潤滑、清潔管道操作，減小電纜敷設(shè)時(shí)摩擦力，確保牽引電纜拉力符合規(guī)程要求。

二、便攜式電纜管道穿管機(jī)器人的高可靠性設(shè)計(jì)

（一）驅(qū)動核心可靠性設(shè)計(jì)

驅(qū)動核心負(fù)責(zé)穿管機(jī)器人動作的構(gòu)建，動作構(gòu)建采用分立模塊化設(shè)計(jì)，仿生控制器裝置控制每個(gè)足單元之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動，足單元控制足內(nèi)關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動。機(jī)器人常見的控制方式有集中式控制和分布式控制等，便攜式電纜管道穿管機(jī)器人采用的是基于SPI的分布式控制管理方式，各足單元之間采用軟件分配地址進(jìn)行管理。驅(qū)動層由六足單元組成，每個(gè)足單元內(nèi)部有2個(gè)關(guān)節(jié)控制器與1個(gè)行程計(jì)數(shù)器組成，并節(jié)控制器分別負(fù)責(zé)控制各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動。每個(gè)控制器使用專用運(yùn)動控制芯BTN7971B，采用雙路大功率MOS管驅(qū)動及保護(hù)、隔離電路，用于驅(qū)動電機(jī)。處理器采用STM32，內(nèi)部集成有SPI接口。

便攜式電纜管道穿管機(jī)器人仿生控制器裝置具有異常保護(hù)功能。電機(jī)運(yùn)行在特種工作條件下運(yùn)行可能會出現(xiàn)各種故障，為保護(hù)控制器裝置，需要對電機(jī)運(yùn)行異常進(jìn)行保護(hù)。電機(jī)的保護(hù)方式有很多種?？刂破鞑捎抿?qū)動控制測量反饋對電機(jī)運(yùn)行異常的保護(hù)。

為使測量準(zhǔn)確，首先電源的紋波要盡量的小，線路板電源電路部分布線一定要注意。同時(shí)在測量算法上也很重要。應(yīng)用中測量到電機(jī)發(fā)生電流異常時(shí)，先要做出預(yù)警，同時(shí)提高采樣速率，進(jìn)一步的比較判斷如果繼續(xù)異常，做出報(bào)警。報(bào)警發(fā)生后驅(qū)動電路將控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來對電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

（二）電源系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

為保障非可視條件下操作穿管機(jī)器人不會因電源耗盡或因大電流自動保護(hù)無電源輸出而導(dǎo)致機(jī)器人不可控的問題，便攜式電纜管道穿管機(jī)器人電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及難點(diǎn)往往是在能完成相應(yīng)的功能的情況下能向集成化、便捷式方面設(shè)計(jì)。這樣就要求電源系統(tǒng)選擇能量密度、功率密度高的電池。因?yàn)闄C(jī)器人需要選擇質(zhì)量小、電池容量大的電源，同時(shí)機(jī)器人運(yùn)動往往選有直流減速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、陀機(jī)作為驅(qū)動，電機(jī)在啟動、堵轉(zhuǎn)時(shí)電流會較大，因此電源系統(tǒng)需要瞬間輸出電流大。

穿管機(jī)器人電源系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，以24V工作系統(tǒng)穿管機(jī)器人為例，大容量鋰電池選用Sony V3 18650電芯，電池組為7串4并。小容量鋰電池選用Sony V3 18650電芯，電池組為7串。大容量電池組先給整機(jī)系統(tǒng)供電，當(dāng)大容量電池組放電至開關(guān)管關(guān)斷電壓后，小容量電池組從VOUT口輸出，僅供控制系統(tǒng)、下線系統(tǒng)供電。

（三）結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)

便攜式電纜管道穿管機(jī)器人結(jié)構(gòu)上采用便捷、小巧緊湊設(shè)計(jì)，包括前后殼、行走臂、行走輪、網(wǎng)絡(luò)攝相頭及光纖牽引繩。前后殼分別設(shè)置有螺紋固定孔，用于前后殼連接固定;前后殼上設(shè)置三個(gè)軸心對稱凹坑，該凹坑結(jié)構(gòu)容納并嵌合行走臂，行走臂上設(shè)置有轉(zhuǎn)軸用于嵌合前后殼凹坑內(nèi)的軸孔，使行走臂與殼體之間能在一定范圍內(nèi)沿軸心擺動;行走臂的另一端設(shè)置蝸桿轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸兩端裝配有行走輪，蝸桿轉(zhuǎn)軸由行走臂內(nèi)部的電機(jī)帶動蝸輪從而驅(qū)動行走輪轉(zhuǎn)動;機(jī)器人前殼前端設(shè)置有鏡頭片，鏡頭片后面設(shè)置有網(wǎng)絡(luò)攝相頭;機(jī)器人尾端后殼上設(shè)置有出線孔，出線孔用于設(shè)置光纖信號線;機(jī)器人后端的行走臂末端設(shè)置牽引繩孔，每個(gè)牽引繩孔栓上牽引繩，多組牽引繩最后合擰成一股用于牽引機(jī)器人主體。行走臂轉(zhuǎn)軸與前后殼間設(shè)置有彈性扭簧;該機(jī)器人對比其它管道牽引設(shè)備具有結(jié)構(gòu)輕巧緊湊，能自適應(yīng)一定范圍內(nèi)的大小不同管徑的管道，能后臺通過機(jī)器人前端攝相頭對穿管過程進(jìn)行可視化操作，機(jī)器人后端設(shè)置的牽引繩能在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行自救，提高了設(shè)備的實(shí)用性及可靠性。

三、結(jié)語

穿管機(jī)器人代替人工進(jìn)行電纜管道巡檢服務(wù)，因故障失控往往會帶來十分嚴(yán)重的后果。本文通過驅(qū)動核心、電源系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的三重高可靠性設(shè)計(jì)，確保了便攜式電纜管道穿管機(jī)器人的安全可靠運(yùn)行，其中電源系統(tǒng)的穩(wěn)定工作是智能設(shè)備的核心，穿管機(jī)器人采用雙電源系統(tǒng)自動切換設(shè)計(jì)，可以有效解決單路電源無輸出的自動修復(fù)，不會出現(xiàn)需要人工重啟的情況，大大提高了穿管機(jī)器人設(shè)備的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡瑩，常越.雙電源轉(zhuǎn)換控制器研制[J].低壓電器，2006（11）：48-50

[2]陳林.新型智能雙電源電子快速切換系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2006