變電站雙體智能巡檢機器人研究綜述

馬承志 吳敏

Research Review of Binary Intelligent Roboots Applied in Substations for Equipment Inspection

摘要：變電站雙體智能巡檢機器人能夠實現變電站大部分儀器設備的檢測功能。具備自主巡檢、數據采集和精確測量等功能，提高電力設備巡視效率，滿足變電站日常巡檢的業務需求，確保電網的安全穩定運行。本文介紹目前變電站巡檢機器人的國內外研究現狀，探討機械臂控制、精確測溫和末端拓展等關鍵技術，展望其發展趨勢，為變電站機器人的進一步發展提供參考。

Abstract： Binary Intelligent Robots Applied in Substations can realize the measuring ability of most of the equipment in the substation. It has the functions of independent inspection， data collection and accurate measurement， improving the inspection efficiency of power equipment and meeting the requirements of daily inspection of substation. It can ensure the safe and stable operation of the power grid. This paper introduces the present situation of the current transformer substation inspection robot， discusses the key techniques of mechanical arm control， precise measurement and end extension and so on， and look forward to its development trend， which provides reference for the further development of substation robot.

關鍵詞：雙體智能巡檢機器人；檢測；機械臂控制；精確測溫；末端拓展

Key words： Binary Intelligent Roboots；measuring；mechanical arm control；precise measurement；end extension

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0284-03

0 引言

目前，變電站智能巡檢機器人[1，2]能夠實現變電站大部分儀器設備的檢測功能。現有變電站機器人自主巡檢采集的圖像資料等進行自動智能分析，主要局限在表計抄錄和刀閘狀態識別及紅外測溫等。由于變電站環境及設備布置等原因，目前的巡檢機器人無法完成精確測溫、定向音頻分析、應急帶電操作等相對復雜的巡檢任務。

多關節機械臂（多自由度機器人）的優良性能是其它傳統的機器人所不能比擬的，其關節轉動靈活，工作空間較大，因此適用于多種工作場合和復雜環境。目前很多典型機械臂已經發展成熟應用廣泛，國內也己開發出多種工業機械臂。目前機械臂主要運用在工業生產中，如裝配機器人、焊接機器人，其特點是機械臂固定在一個不移動的底座上，進行“單點”操作。

針對目前巡檢機器人[3，4，5]和多自由度機器人各自的局限性，傳統變電站巡檢機器人與多自由度工業機器人相結合的雙體機器人運用技術，移動機器人與固定檢測裝置的結合及數據融合技術需要深入研究。巡檢機器人移動的特性為多自由度機器人提供了一個移動平臺，多自由度機器人轉動靈活、工作空間大的特性為巡檢機器人擴展了更多運用。

雙體機器人如圖1所示，傳統智能巡檢機器人搭載一個多自由度機器人形成一個雙體巡檢機器人，巡檢機器人本體為多自由度機器人提供一個移動的平臺，將多自由度機器人帶到需要檢測的變電站設備附件。多自由度機械臂末端可擴展多種檢測模塊或者操作模塊來完成各種復雜的變電站巡檢任務或者應急處理任務。

1 變電站雙體智能巡檢機器人

本文研究的變電站雙體智能巡檢機器人是由傳統巡檢機器人與多自由度工業機器人融合在一起的，雙體巡檢機器人主要具備機械臂控制技術、精確測溫技術和末端拓展技術，通過安裝于機械臂末端的檢測工具安裝盤，可靈活配置末端檢測設備，增加巡檢機器人系統巡檢手段，拓展對變電設備的檢測方法。

2 國內外研究現狀

早在20世紀80年代開始，日本、美國、加拿大、法國等許多國家就先后展開帶點作業機器人的研究開發與應用。1984年，九州電力株式會社和安川機器人公司開始研制帶電作業機器人。迄今為止，日本已成為當今配電帶電作業機器人開展最早、成果最為豐富、產業化應用最廣泛的國家。目前已推出前后三代產品，實際使用超過180臺機器人：第一階段（1984-1989）：第一代機器人——手動操作機器人PhaseⅠ，采用主從控制。第二階段（1990-1997）：第二代機器人——半自動機器人PhaseⅡ。第三階段（1997至今）：第三代機器人——全自動東機器人PhaseⅢ。

美國于1985年著手開始研究帶電作業機器人，其第一代產品采用操作人員在地面遙控的方式，單機械臂的主從控制機器人。僅裝有液壓驅動的機械臂，機械性能較差。目前，美國最新一代的機器人在絕緣防護水平上有所突破，支持在極端惡劣的天氣下進行帶電作業。

加拿大Hydro-Quebee研究所作業機器人機械臂也是液壓驅動的，作業形式與日本的第一代產品很相似，該機器人的絕緣等級達到25kV。

法國帶電作業機器人項目的研究是在20世紀90年代由法國電力公司（EDF）支持進行的，但受限于技術難題和科研經費，最終中途擱置。直到90年代末期，受到日本安川電機與九州電力株式會社的支持，歐洲綜合電機制造廠家Thomoson-CSF著手開展研究，并順利完成了機器人樣機。

西班牙在參照日本第二代帶電作業機器人的基礎上，于1994年完成各項研發，并可實現本國69kV及以下的帶電作業。該機器人安裝兩個6自由度機械臂，并配備有3自由度的輔助臂。

國內帶電作業機器人項目從1999年開始，2002年研制出樣機。與日本相似，我國已經開展了3代機器人的研究，第一代：采用兩臺MOTOMAN機械臂，操作人員通過鍵盤控制機械臂運動；第二代：采用兩臺自主研發的電機機械臂，控制系統采用主從控制方式；第三代：集成國外液壓機械臂，自重輕、持重大，可以實現帶電作業機器人現場應用。

目前，我國變電站巡檢機器人主要實現了有軌或無軌導航的自動巡視和攝像（或拍照），具備一定的自動識別及數據統計分析的功能。

3 變電站雙體巡檢機器人關鍵技術

3.1 機械臂控制技術

機械臂末端路徑控制方式主要有以下三大類：第一類是點位控制，簡稱為PTP控制，它只要求機器人手臂末端能快速準確地從一點到相鄰點運動，而對其運動路徑不作具體規定。這種控制功能用于搬運、點焊、裝配等作業中。第二類是連續路徑控制，又稱連續軌跡控制，簡稱CP控制。它不但要求機器人手臂末端從一點到相鄰點運動，而且要求所走過的路徑是連續平滑的，這就需要插補運算，所以這種控制功能多用于噴涂、弧焊、去飛邊等作業中。第三類是移動控制，它包括對移動的路徑、速度、目標跟蹤、機器人操作機的穩定平衡、越過障礙物及回避障礙物等的控制，這種控制功能多用于作業距離較長或野外作業等需要機器人移動甚至行走的場合。

本文研究機械臂控制[6]在坐標系統方面，設計坐標轉換樹，將不同空間的坐標系統進行融合，實現不同空間系統一坐標系統控制。在機器人導航方面，機器人內置地圖，通過獲取激光測量數據，使用蒙特卡洛方法對機器人位置進行實時定位。在末端控制方面，先通過機械臂控制進行粗略定位，即控制機械臂末端到達預置點位置。此時，由于機器人定位、機械結構、環境等各方面的影響，機械臂末端的位置并不是我們希望的理想位置。通過加入可見光環境匹配，計算出當前機械臂末端位置與預設位置的偏差，根據匹配結果對機械臂末端進行微調，以實現末端精確控制。

3.2 精確測溫技術

在雙體機器人巡檢運動過程中，不能完成零誤差的到達待測溫點。無論是機器人每次到達預設點位，執行云臺預設旋轉角等，均會導致機器人在到達測溫點時存在位姿誤差。機器人巡檢的位姿誤差導致了測溫目標的偏移或丟失，因而出現測溫不準確的現象。而本系統的基于視覺伺服的精準測溫技術[7]研究正是如何解決由機器人巡檢過程的位姿誤差導致的測溫誤差問題。機器人到達待測溫點后，捕捉熱成像數據，形成紅外圖像。依據紅外圖像對目標進行檢測識別，依據圖像誤差信號控制包含云臺、機器人等與機載熱成像相關設備的運動校正，實現溫度探測位置更精確的目的。基于圖像伺服的精準測溫技術，有效地防止了機器人在巡檢過程中，熱成像探測目標丟失的現象。同時，伺服過程中，最大程度地規避了測溫目標相鄰或背景中設備，有效提高了對細小目標測溫的精確度。

3.3 末端擴展

機器人末端執行器裝在操作機手腕的前端（稱機械接口），用于使機器人完成作業任務而專門設計的裝置。末端執行器種類繁多，與機器人的用途密切相關，主要包括：

夾持器，具有夾持功能的裝置，用于抓拿物體，如吸盤、機械手爪、托持器等，如圖2所示。

專業工具，用于完成某項作業所需要的裝置。如用于加工工件的銑刀、砂輪和激光切割器、完成焊接作業的氣焊槍、點焊鉗等。并由此，將焊接機器人又可細分為：C02焊機器人、TIG焊機器人、MAG/MIG焊機器人、氣焊機器人、釬焊機器人、點焊機器人、激光焊機器人等；如圖3所示。

傳感器，用于質量、位姿檢測、缺陷分析，如視覺傳感器、力矩傳感器、角度位移傳感器等。機器人所用傳感器又分為內部傳感器和外部傳感器二類。前者用來檢測自身狀態的信息，主要是位置、速度、加速度等傳感器，并且作為反饋信號構成伺服控制；后者是用來檢測機器人作業對象和作業環境信息的傳感器，如測量夾持器夾緊力的壓力傳感器，對外進行識別的視覺、觸覺、聽覺等傳感器。如圖4所示。

通常一種新的作業需要一種新的末端執行器，而一種新的末端執行器的出現又往往為機器人開辟一種新的應用領域。

末端執行器是一個獨立的部件，對整個機器人完成任務的好壞起著關鍵的作用，它直接關系著作業時的定位精度、力的大小等。

工業機器人的手部通常是專用裝置，一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近的工件；一種工具只能執行一種作業任務。根據變電站環境以及操作需求，需要用到以下幾種末端執行器：

①高清圖像采集模塊：儀器儀表識別；

②紅外測溫模塊：精確測溫；

③局放檢測模塊：局部放電檢測；

④定向音頻采集模塊：異常聲音檢測；

⑤高壓開關分合閘模塊：完成就地分合閘操作。

不同的末端執行器，結構會有差異，通常一個機器人配有多個裝置或能工具，因此要求末端執行器與手腕處的接頭從機械結構上以及電氣上都具有通用性和互換性，滿足快速切換。

不同的末端執行器的驅動方式不同，對這些部件的電氣接口具有互換性要求設計統一的電氣規范和通信方式，各個模塊需要在模塊內部完成電源總線轉化、通信總線轉化。同時還要保證接口的可靠，以及相應的防護。

為了滿足快速切換，各個模塊安裝結構上需要統一，且便于安裝及更換。

4 發展趨勢

通過雙體智能巡檢機器人[8，9，10]研究開發，可以有效彌補傳統巡檢機器人巡檢范圍無法拓展，巡檢方式單一，檢測手段固定的劣勢。雙體智能巡檢機器人的應用，能更加全面的對設備進行巡視，減少傳統巡檢機器人應用的短板。同時，也減輕了運維人員的工作負擔，減少運維工作中的漏檢、不便巡檢的情況。提升運維工作時效性，全面性。

在某些特殊環境下，特定設備的操作，可能因其特性對操作人員產生威脅。通過雙體智能巡檢機器人的末端操作機構，可輔助或代替人工進行操作，將最危險的環節交由機器人來完成，有效降低運維人員因意外情況受到的人身危害。同時，機器人也可代替人工進行意外情況的審核檢查，例如安防、消防意外，運維人員通過遠程操作控制機器人到達指定位置，通過機器人進行觀察和檢測，避免人員受到威脅。

5 結論

變電站雙體智能巡檢機器人性能更強，巡檢方式更多更靈活，巡檢內容更全面，雙體機器人的應用范圍增加后，有效提升巡檢全面性，減少運維人員到設備區進行巡檢的次數及時長，釋放人員配置，同時能夠有效提升人員安全性。通過系統互聯對接，使機器人系統能夠獲取生產管理系統及第三方維護系統數據，已提供機器人智能巡檢條件，使得機器人系統更加便利、智能，更能及時有效地發現電力設備運行缺陷，提高電網運行穩定性，提高企業經濟效益。因此本項目研究成果兼具經濟效益和社會效益，并擁有行業內推廣應用的前景。

參考文獻：

[1]H.Kobayashi，H.Nakamura，and T.Shimada，An Inspection Robot for Feeder Cables Basic Structure and Control[C].lecon1991.992-995.

[2]彭林，王紹亞.智能巡檢機器人在無人值守變電站的應用探究[J].電子世界，2017（01）：157，159.

[3]龔勤慧.變電站智能巡檢機器人研究綜述[J].瀘州職業技術學院學報，2015（2）：56-61.

[4]魯守銀.變電站設備巡檢機器人的研制[J].電力系統自動化，2006，07（30）：94-98.

[5]毛琛琳.智能機器人巡檢系統在變電站中的應用[J].電網與清潔能源，2009，09（25）：30-36.

[6]趙霞，袁家政.基于視覺的目標定位技術的研究進展[J].計算機科學，2016（06）：10-16，43.

[7]李耀，戴長建.圖像光譜技術實現精確測溫[J].光譜學與光譜分析，2016（01）：38-41.

[8]劉彩玲.浙江首個110千伏變電站智能巡檢機器人在瑞安運行[EB/OL].（2014-01-28）[2014-12-20].http：//hvdc.chinapower.com.cn/membercenter/smartgrid/viewarticle.asp articleid=10305706&lanmuid;=114.

[9]陳玉波，袁秉森.一種軌道式變電站巡檢機器人的研究與應用[J].電氣應用，2015（07）：126-129.

[10]Beaudry J，Poirier S.Vehicule teleopere pour inspection visuelle et thermographique dans les postes de transformation[R].ReportIREQ-2012-0121，2012.