電力線帶電作業(yè)機(jī)器人綜述

范松海 馬小敏 劉小江 羅磊 龔奕宇 劉益岑

（國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041）

前言

目前對電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和高壓線狀況進(jìn)行記錄和檢測，電力公司仍主要采用人工檢查方式。這種方式每年耗費(fèi)大量的人力物力，卻仍無法保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完備性與可追溯性[1]。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力公司開始采取無人機(jī)航測法來替代人工目測，但由于飛行安全隱患和巡線費(fèi)用昂貴，人們開始研究巡檢機(jī)器人來替代無人機(jī)航測。巡檢機(jī)器人可自主完成電力線或電力設(shè)備巡檢，已成為國內(nèi)外特種機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。

一、國內(nèi)外巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀

（一）巡檢機(jī)器人種類

根據(jù)巡檢機(jī)器人是否具有跨越高壓線上障礙物的功能，將國內(nèi)外巡檢機(jī)器人分為兩大類：第一類是不具備越障功能的巡檢機(jī)器人，第二類是具備越障功能的巡檢機(jī)器人[3]。

1.不具備越障功能的巡檢機(jī)器人

第一階段是由斗臂車向巡檢機(jī)器人提供移動動力，機(jī)械手安裝在絕緣伸縮臂末端進(jìn)行電力檢測。

第二階段機(jī)器人具備沿著電纜自主移動的運(yùn)動性能，擺脫了線路高度和野外環(huán)境的限制[4]。

2.具備越障功能的巡檢機(jī)器人

（1）仿生類越障巡檢機(jī)器人。仿人、猿手臂的攀援機(jī)構(gòu)，主要是將其自身攜帶的輔助機(jī)構(gòu)懸掛在障礙物的兩端，形成一條跨越障礙物的軌道。

（2）輪臂復(fù)合式越障巡檢機(jī)器人。輪臂式復(fù)合機(jī)構(gòu)，依靠輪式結(jié)構(gòu)通過無障礙段，遇到障礙時，前臂上升或者下降脫離高壓線，跨越障礙，再抓線。其具備行進(jìn)速度快，工作效率高的特點(diǎn)。

（二）國外巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀

在電力線巡檢機(jī)器人的發(fā)展中，國外研究機(jī)構(gòu)對巡檢機(jī)器人的研究比國內(nèi)早了近20 年，為電力線巡檢機(jī)器人做出了很大的貢獻(xiàn)。

1.不能越障巡檢機(jī)器人

（1）不具備自主移動功能。1980 年初，日本九州電力公司已經(jīng)開始研究第一代帶電作業(yè)機(jī)器人，由斗臂車和工作平臺組成。1990 年，九州電力公司研發(fā)了第二代作業(yè)機(jī)器人[5]?，F(xiàn)在九州電力公司已開始第三代作業(yè)機(jī)器人的研究，即能自主處理問題的電力線路檢修作業(yè)機(jī)器人。

（2）具備自主移動功能。1993 年日本Sato 公司成功研制出遠(yuǎn)程遙控下具有電力線損傷檢測功能的巡檢機(jī)器人[6]。

2000 年加拿大魁北克水電研究所研制出Line Rover 遙控小車[7]，隨后2003 年推出第三代巡檢機(jī)器人。該機(jī)器人能完成架空線視覺、紅外檢測、壓接頭狀態(tài)評估、導(dǎo)線清污和除冰。

2.越障巡檢機(jī)器人

（1）仿生巡檢機(jī)器人

1990 年日本政法大學(xué)等人研制出一種蛇形仿生巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人由12 臺小車左右對稱，遇到障礙時，左右依次分開跨越障礙，跨越后再依次合攏恢復(fù)原狀[8]。1998 年日本東京電力公司開發(fā)出仿人攀爬原理的越障巡檢機(jī)器人[9]。

2014 年伊朗的伊斯法罕電氣公司研發(fā)的巡檢機(jī)器人由主框架，兩對垂直滾輪以及三個水平滾輪構(gòu)成[10]。

2014 巴西聯(lián)邦大學(xué)研制出一種由一個驅(qū)動電機(jī)和四個曲柄滑塊組成的四足機(jī)器人，可保證前后有兩條腿同時懸掛在高壓線上[11]。

（2）輪臂復(fù)合式巡檢機(jī)器人

2008 年，加拿大魁北克水電研究院研制出第三代巡檢機(jī)器人Line Scout，可進(jìn)行可見光、紅外視頻識別、電阻測量、防振錘拖回等作業(yè)任務(wù)[12]。

2008 年，日本關(guān)西電力公司和日本電力系統(tǒng)公司共同研制出了名為“Expliner”的遠(yuǎn)程遙控巡線機(jī)器人實(shí)驗室樣機(jī)[13]。

2008 年，伊朗Semnan 大學(xué)研制了機(jī)器人MoboLab 樣機(jī)[14]。2017 美國Georgia Tech 研發(fā)的Tarzan 巡檢機(jī)器人，安裝有紅外攝像機(jī)和高速相機(jī)對輸電線路巡檢[15]，如圖1 所示。

國外帶電作業(yè)機(jī)器人主要針對電阻測量、檢測絕緣子和線路缺陷，自主跨障，清除積冰等功能進(jìn)行設(shè)計。其優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人能夠在架空電力線上更加靈活地移動和跨過障礙；其不足在于機(jī)械臂上自由度太多，從而增加的電機(jī)會增加機(jī)器人自身重量。

（三）國內(nèi)巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于帶電作業(yè)機(jī)器人研究起步相對較晚，1999 年帶電作業(yè)機(jī)器人首次立項；2002 年首臺作業(yè)機(jī)器人研制成功；2005 年樣機(jī)在山西長治和山東濟(jì)寧通過試用；2012 年，國家863 計劃對“面向電力帶電搶修作業(yè)機(jī)器人研究開發(fā)與應(yīng)用”進(jìn)行了立項研究[16]。

1.不能越障巡檢機(jī)器人

2008 年上海交通大學(xué)研制出超高壓帶電清掃機(jī)器人，它可以實(shí)現(xiàn)絕緣瓷瓶的帶電清掃。

2.越障巡檢機(jī)器人

（1）仿生巡檢機(jī)器人

2008 年天津大學(xué)研制出基于四桿原理的攀爬手臂巡檢機(jī)器人[17]，以視覺傳感器輔助控制，從而實(shí)現(xiàn)越障巡檢。

2015 年，南昌大學(xué)研制出單臂驅(qū)動、雙臂越障的巡檢機(jī)器人樣機(jī)，能夠跨越地線上的所有障礙，且機(jī)器人自由度少，無關(guān)節(jié)耦合動作[18]。

2018年沈陽航空航天大學(xué)研制出基于輪指移動模塊的巡檢機(jī)器人[19]。該機(jī)器人可完成移動、越障等實(shí)驗。

（2）輪臂復(fù)合式巡檢機(jī)器人

2005年武漢大學(xué)研制出兩臂回轉(zhuǎn)式懸掛機(jī)構(gòu)，在巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、自主控制、在線和自主導(dǎo)航、計算機(jī)識別、線上充電等關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破[20]。

2005 至2008 年，中國科學(xué)院自動化所研制了三機(jī)械臂和兩機(jī)械臂的電力線巡檢機(jī)器人[21]，機(jī)械臂末端為行走輪，可以在線路上自主行走并越障，如圖2 所示。

2012 年西安交通大學(xué)，研發(fā)出三臂式巡檢機(jī)器人樣機(jī)，其使用雙平行四邊形桁架機(jī)構(gòu)[22]。該機(jī)器人能在輸電線路上穩(wěn)定運(yùn)行并順利越障。

2013 年起上海大學(xué)相繼研發(fā)了三代原型機(jī)，初代原型機(jī)采用雙臂擺臂式異側(cè)機(jī)構(gòu)原型機(jī)；二代原型機(jī)采用雙臂升降式異側(cè)機(jī)構(gòu)原型機(jī)；三代原型機(jī)采用雙臂升降式同側(cè)機(jī)構(gòu)原型機(jī)[23]。

2014 年北京林業(yè)大學(xué)開發(fā)了220KV 除冰機(jī)器人樣機(jī)。越障機(jī)構(gòu)模塊化設(shè)計，每個越障模塊均可以在導(dǎo)軌上調(diào)整位置，相互配合完成越障[24]。

2016 年沈陽自動化研究所針對110kV 輸電線路環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計出一種可以跨越引流線的巡檢機(jī)器人[25]。

2017 年武漢大學(xué)以九江柘葉I 線220KV 高壓線路為應(yīng)用對象，研制出在地線上行走的三臂開合式巡檢機(jī)器人[26]。

2019 年湖北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的磁力直線牽引三開合越障機(jī)器人[27]，在磁懸浮系統(tǒng)與磁力直線牽引系統(tǒng)的作用下，能高效地進(jìn)行巡檢作業(yè)。

在國外的研究基礎(chǔ)上，國內(nèi)對機(jī)器人做了很多地方的改進(jìn)，除了具備國外帶電作業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)功能外，還具有對絕緣瓷瓶清洗的功能，同時大大增強(qiáng)了機(jī)器人對線路的適應(yīng)力。但現(xiàn)有的帶電作業(yè)機(jī)器人體積龐大、重量過重，具備的功能單一，只能進(jìn)行日常巡檢、報警、簡單帶電檢修作業(yè)等功能，還不能完全自主完成多種帶電檢修工作。

二、結(jié)論

隨著國內(nèi)外電力線巡檢機(jī)器人研究工作的逐步深入，研制出的巡檢機(jī)器人樣機(jī)已具備行走、越障、監(jiān)測、自動巡檢、除冰等基本功能，但目前尚無成熟產(chǎn)品應(yīng)用于電力行業(yè)實(shí)際高壓線巡檢作業(yè)中。為了加快電力線巡檢機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，未來可以結(jié)合以下三個方面開展改進(jìn)研究。

（一）增強(qiáng)保護(hù)裝置

如何做到在惡劣環(huán)境下，機(jī)器人能夠正常巡檢，以及正常工作環(huán)境下，即使發(fā)生意外，也有安全帶防止墜落是目前研究的重點(diǎn)。

（二）減輕重量

巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)上應(yīng)進(jìn)一步簡化，以縮小體積。在保證足夠的強(qiáng)度和剛度下可使用新型材料減輕整體重量。

（三）豐富功能

隨著線路故障探測儀器的小型化以及多信息融合，可以在巡線機(jī)器人上集成多種探測儀器，達(dá)到一次巡檢便能同時實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備檢測的效果。