電力GIS巡檢機(jī)器人沿狹小空間管道內(nèi)壁攀爬特性分析

嚴(yán) 宇，劉旭輝，王 彪，江 維，葉高呈

電力GIS巡檢機(jī)器人沿狹小空間管道內(nèi)壁攀爬特性分析

嚴(yán) 宇1,2，劉旭輝1,2，王 彪1,2，江 維*3，葉高呈3

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410004；2. 變電智能運(yùn)檢國網(wǎng)湖南省電力有限公司實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004；3.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200)

提出了一種利用GIS巡檢機(jī)器人進(jìn)入GIS管道進(jìn)行巡視和檢修作業(yè)的新方法，首先給出了GIS巡檢機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，GIS巡檢機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)整個(gè)GIS裝備內(nèi)部無盲區(qū)的檢修作業(yè)，要求機(jī)器人能夠沿著內(nèi)壁管道進(jìn)行攀爬作業(yè)。本文建立了GIS巡檢機(jī)器人沿管道內(nèi)部的底端、頂端、左右壁面、一般壁面進(jìn)行攀爬的受力分析平衡模型，并基于該模型對機(jī)器人的沿內(nèi)壁攀爬特性進(jìn)行了理論分析，得到了作業(yè)環(huán)境參數(shù)、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電氣控制參數(shù)三者之間耦合關(guān)系模型，基于此為GIS巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。最后，開發(fā)了GIS巡檢機(jī)器人物理樣機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)際的GIS裝備中進(jìn)行了巡視和檢修作業(yè)實(shí)驗(yàn)，獲得了所需GIS巡檢機(jī)器人攀爬性能。本文GIS巡檢機(jī)器人攀爬特性的研究對于GIS巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其實(shí)用化研究具有重要理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

狹小空間；GIS；巡檢機(jī)器人；管道內(nèi)壁；攀爬特性

0 引言

電力系統(tǒng)GIS（Gas Insulated Switchgear，GIS）設(shè)備[1-3]是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的簡稱，隨著GIS廣泛用于高壓電力和變壓系統(tǒng)，其裝用量越來越大，年平均增長率超過13%。而GIS設(shè)備屬于金屬封閉式設(shè)備，它們一旦發(fā)生故障，損失將非常嚴(yán)重。為了減少GIS設(shè)備罐體維護(hù)檢修所產(chǎn)生的成本，使用智能裝置開展GIS內(nèi)部檢測是一個(gè)十分迫切的發(fā)展方向。特別是受到電力HGIS/GIS設(shè)備應(yīng)用日益廣泛，電力GIS 設(shè)備故障逐年增加，GIS設(shè)備內(nèi)部檢查驗(yàn)收及故障點(diǎn)定位困難等多重因素的共同影響，為保障變電系統(tǒng)的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行, 利用GIS巡檢機(jī)器人來輔助甚至代替人工進(jìn)行GIS設(shè)備維護(hù)檢修作業(yè)，不僅能夠提高作業(yè)效率而且能夠?qū)⑷斯奈ｋU(xiǎn)的電力檢修環(huán)境中解放出來。為實(shí)現(xiàn)GIS設(shè)備無盲區(qū)檢修作業(yè)，要求GIS巡檢機(jī)器人能夠沿著GIS管道內(nèi)壁進(jìn)行攀爬，因此，機(jī)器人的攀爬能力[4-5]是GIS設(shè)備檢修作業(yè)的關(guān)鍵，特別是在GIS裝備狹小空間內(nèi)的無碰避障爬坡運(yùn)動(dòng)更具挑戰(zhàn)性，這也是目前沿內(nèi)壁管道巡檢機(jī)器人研究的熱點(diǎn)問題之一。

GIS巡檢機(jī)器人主要依賴于機(jī)器人的攀爬能力，在國外方面，爬壁機(jī)器人研究主要可以分為3大類[6-7]，第一類是日本宮崎大學(xué)研發(fā)的基于負(fù)壓式的爬壁機(jī)器人。第二類是以波士頓動(dòng)力公司為代表的基于仿生吸附的足式仿生爬壁Rise系列機(jī)器人，Rise系列最大的特點(diǎn)[8-9]在于其足底具有特殊微毛結(jié)構(gòu)的吸附機(jī)制, 依靠該機(jī)制，Rise可以不借助外力而實(shí)現(xiàn)垂直面的運(yùn)動(dòng)，從而極大地減低了機(jī)器人整體功率消耗。第三類是瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)的Magnebike爬壁機(jī)器人，總重達(dá)3.3kg，體積達(dá)170×130×220mm3，最大行駛速度可達(dá)2.7m/min，磁吸附力為250N，主要應(yīng)用在管道檢測等場景，其對于GIS設(shè)備檢修作業(yè)具有重要參考價(jià)值，此外，還有韓國Hanyang University研究一種兩段式履帶管內(nèi)壁檢測機(jī)器人使用差動(dòng)轉(zhuǎn)向，能適應(yīng)管道直徑范圍為80-100mm，利用其兩段式結(jié)構(gòu)，能夠跨越管內(nèi)障礙物。另有日本東京HiBot公司開發(fā)用于化工廠管道檢測的蛇形機(jī)器人等。在國內(nèi)方面，香港中文大學(xué)和沈陽自動(dòng)化研究所[10]研制了一種具有兩種工作模式的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，即正常工作模式和自救模式。在正常工作模式下該機(jī)器人與其他絲桿螺母驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人類似。但當(dāng)遇到障礙物或塞在管道某處時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，機(jī)器人轉(zhuǎn)變到自救模式。北京郵電大學(xué)[11]研制了一種蠕動(dòng)管道機(jī)器人，該管道蠕動(dòng)機(jī)器人采用雙球頭結(jié)構(gòu)，利用中間軟軸的螺旋性能和彈簧的彈力作用使雙球頭配合控制機(jī)器人的前進(jìn)。由于運(yùn)用彈性軟軸作為中間連接軸，機(jī)器人可以通過L型彎管。缺點(diǎn)是行走速度慢，驅(qū)動(dòng)效率低，不能跨越障礙物。

綜上所述，GIS巡檢機(jī)器人在GIS裝備中的狹小空間內(nèi)沿管道內(nèi)壁的攀爬與吸附行走是機(jī)器人完成GIS裝備巡視和檢修的關(guān)鍵，特別是對于結(jié)構(gòu)化的GIS裝備物理參數(shù)，機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁的平穩(wěn)爬坡是該機(jī)器人研究的一個(gè)關(guān)鍵所在。因此，本文針對該問題對機(jī)器人沿內(nèi)壁攀爬的三種典型工況進(jìn)行了受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，探尋了機(jī)器人沿內(nèi)壁攀爬特別是沿頂部和左右面攀爬特性和機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系，找出了臨界穩(wěn)定點(diǎn)。最后，在GIS設(shè)備中利用物理樣機(jī)進(jìn)行了GIS設(shè)備檢修作業(yè)實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，能夠在管道壁面上攀爬，實(shí)現(xiàn)GIS設(shè)備的檢修作業(yè)，同時(shí)作業(yè)過程機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，本文的研究是對配電網(wǎng)絡(luò)檢修維護(hù)的全新應(yīng)用和探索，其研究和實(shí)施對于提升復(fù)配電電網(wǎng)系統(tǒng)工作能效、推進(jìn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化具有重要理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 GIS巡檢機(jī)器人沿內(nèi)壁攀爬運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

1.1 機(jī)器人沿底端運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

1.2 機(jī)器人沿左右曲面攀爬運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到管道內(nèi)壁的左右兩側(cè)曲面時(shí)，機(jī)器人的車輪必須提供一定的吸附力才能使機(jī)器人靜止吸附在某一位置，不然會(huì)因其自身重力而發(fā)生滑落，而這吸附力是由機(jī)器人車輪與管道內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力提供，故為使機(jī)器人能平穩(wěn)吸附于管道內(nèi)壁左右兩側(cè)，由于機(jī)器人在管道內(nèi)壁左右兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)是對稱的，因此，以機(jī)器人在管道內(nèi)壁左側(cè)正中間的曲面為例，建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖2所示。

根據(jù)理論力學(xué)的受力平衡關(guān)系和力矩平衡關(guān)系，為使機(jī)器人吸附在管道內(nèi)壁左側(cè)曲面不發(fā)生側(cè)翻或滑落，需滿足的條件如式（2）所示。

故要使機(jī)器人能平穩(wěn)的吸附在管道內(nèi)壁左側(cè)曲面，車輪需提供的最小吸附力如式（5）所示。

1.3 機(jī)器人沿頂端攀爬運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

由前述推導(dǎo)同理可知，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到管道內(nèi)壁頂端時(shí)，機(jī)器人車輪同樣需要提供一定的吸附力，同時(shí)由于機(jī)器人是在最頂端，其四個(gè)車輪支持力的方向都與重力方向相同，故此時(shí)車輪需提供的吸附力達(dá)到最大值。建立如圖3所示的機(jī)器人在管道頂端的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

圖3 GIS巡檢機(jī)器人沿頂端攀爬受力分析示意圖

1.4 機(jī)器人沿一般性曲面攀爬運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

圖4 機(jī)器人處于管道左下方的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為使機(jī)器人不發(fā)生滑落現(xiàn)象，結(jié)合理論力學(xué)知識(shí)，建立如（8）式所示的平衡關(guān)系。

故要使機(jī)器人能平穩(wěn)的吸附在管道內(nèi)壁左下側(cè)曲面，車輪需提供的最小吸附力如式（11）所示。

1.5 GIS巡檢機(jī)器人沿內(nèi)壁攀爬特性分析

2 GIS巡檢機(jī)器人現(xiàn)場作業(yè)試驗(yàn)

在國家電網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司所轄的GIS設(shè)備中進(jìn)行模擬作業(yè)試驗(yàn)，本節(jié)對樣機(jī)做了不同環(huán)境下的吸附實(shí)驗(yàn)，分別在不同厚度、不同壁面環(huán)境下進(jìn)行了測試，測試過程中壁面與磁陣列之間間隙為2mm。圖5為試驗(yàn)現(xiàn)場，分別在GIS設(shè)備中鋼鐵質(zhì)管道懸表面和豎直壁面進(jìn)行了行走實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平面均較為平整，無障礙物，均運(yùn)行平穩(wěn)，總體來看，GIS巡檢機(jī)器人對不同壁面的適應(yīng)能力強(qiáng)，吸附力滿足GIS設(shè)備檢修過程中攀爬要求，在該模擬工作環(huán)境中，其壁厚遠(yuǎn)大于鐵皮柜壁面，因此，該GIS巡檢機(jī)器人能夠滿足實(shí)際GIS設(shè)備檢修應(yīng)用需求。

表1 機(jī)器人處于管道不同位置的吸附力

圖5 GIS巡檢機(jī)器人沿不同方向的攀爬實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

（1）提出了一種利用GIS巡檢機(jī)器人輔助和替代人工進(jìn)行GIS內(nèi)部管道進(jìn)行巡視和檢修的新思路和新方法，并給出了機(jī)器人的巡視檢修作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

（2）將機(jī)器人在GIS管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分為多種典型工況，分別對四種工況下的機(jī)器人攀爬運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，通過特性分析得到了攀爬過程的臨界穩(wěn)定參數(shù)。

（3）開發(fā)了GIS巡檢機(jī)器人物理樣機(jī)系統(tǒng)，并通過在GIS管道內(nèi)的現(xiàn)場作業(yè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了GIS巡檢機(jī)器人替代人工進(jìn)行GIS管道巡視檢修作業(yè)的可行性和有效性。

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Analysis of the Climbing Characteristics of the Power GIS Inspection Robot in a Narrow Space along the Inner Wall Pipeline

YAN Yu1,2, LIU Xu-hui1,2, WANG Biao1,2, JIANG Wei3, YE Gao-cheng3

(1. State Grid of Hunan Electric Power Company Maintenance Company, Changsha Hunan 410004, China; 2. Substation intelligent operation and inspection laboratory of State Grid Hunan Electric Power Co., Ltd, Changsha Hunan 410004, China; 3. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

This article proposes a new method of using GIS inspection robots to enter the GIS pipeline for inspection and maintenance operations. First, the basic structure of the GIS inspection robot is given. The GIS inspection robot must realize the entire GIS equipment without blind areas. Maintenance work requires the robot to be able to climb along the inner wall of the pipeline. Therefore, this paper establishes a force analysis and balance model for the GIS inspection robot to climb along the bottom, top, and left and right walls of the pipeline. The robot’s climbing characteristics along the inner wall are theoretically analyzed, and the coupling relationship model among the working environment parameters, the robot mechanical structure parameters and the electrical control parameters is obtained. Based on this, the theory is laid for the system optimization design of the GIS inspection robot. Basically, finally, the GIS inspection robot physical prototype system was developed, and the inspection and maintenance operation experiments were carried out in the actual GIS equipment. The results also obtained the climbing performance of the GIS inspection robot proposed in this article. This article GIS inspection robot. The research of climbing characteristics has important theoretical significance and practical application value for the optimization design and practical research of GIS inspection robot system.

Narrow space; GIS; Inspection robot; Pipe inner wall; Climbing characteristics

江維（1983-），男，講師，博士研究生，研究方向：電力作業(yè)機(jī)器人.

國網(wǎng)湖南省電力有限公司科技項(xiàng)目（5216AJ20000V）.

TS242.6

A

2095－414X(2022)01－0030－05