高壓輸電線機(jī)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(jī)器人研究現(xiàn)狀，接下來詳細(xì)闡述了高壓輸電線巡線機(jī)器人以及高壓輸電線救援機(jī)器人，最后對機(jī)器人的檢測方法以及高壓輸電線機(jī)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(jī)器人;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

引言

自20世紀(jì)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(biāo)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(dǎo)致線路腐蝕、磨損等損壞。如果不能及時進(jìn)行修復(fù)，可能會加劇原有的輕微缺陷和損壞，導(dǎo)致大規(guī)模停電事故并且對國民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失，因此，及時檢測出損壞并快速修復(fù)是很有必要的。

1高壓輸電線機(jī)器人研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)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(jī)器人進(jìn)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(jī)器人，并將其命名為光纖復(fù)合架空地線巡檢移動機(jī)器人。美國TRC于1989年成功開發(fā)出懸臂式自主檢測機(jī)器人的原型，它不僅可以爬行于遠(yuǎn)距離的架空電線，還能執(zhí)行視覺檢查任務(wù)。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(jī)器人。機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個夾緊機(jī)構(gòu)，可以有效阻止機(jī)器人兩端的下落，確保機(jī)器人可以安全有效地工作。2008年，伊朗塞姆南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院開發(fā)了一種名為MoboLab的巡檢機(jī)器人，它由三個配有滾輪的鉗口裝置夾緊并在導(dǎo)線上移動。針對高壓地線通過塔頂之間頂與頂進(jìn)行連接的特征，2009年瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的BuehringerM.等人研制出了一款名為CableCrawler的沿地線行駛巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人利用雙對垂直滾筒通過直接擠壓塔頂?shù)姆椒ㄟM(jìn)行越障。中國對高壓電力線路檢測機(jī)器人的研究與發(fā)達(dá)國家相比，起步時間較晚。武漢大學(xué)機(jī)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(jī)器人，機(jī)器人可將重力集中于單個臂，使檢查機(jī)器人的另一個臂與傳輸線分開。湖北工業(yè)大學(xué)于2015年提出了基于磁懸浮的高壓輸電線路檢測機(jī)器人，其避障機(jī)構(gòu)通過檢測機(jī)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(jī)器人

巡線機(jī)器人可以實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)下的高效遠(yuǎn)程控制，具有大數(shù)據(jù)下的智能自學(xué)習(xí)系統(tǒng)、靈活多變的任務(wù)模塊和智慧電源系統(tǒng)。它是懸掛在高壓輸電線路上進(jìn)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(jìn)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(jī)器人進(jìn)行實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。物聯(lián)網(wǎng)下的高效遠(yuǎn)程控制：巡檢機(jī)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(jìn)行備份處理，后方總控中心可以實時監(jiān)控機(jī)器人的實時情況并對機(jī)器人進(jìn)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(wù)模塊：在機(jī)器人的上部設(shè)有可拓展的任務(wù)模塊，可以根據(jù)任務(wù)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(yīng)不同的任務(wù)環(huán)境，做到實時維修，使檢測更加細(xì)致，機(jī)器人的運行穩(wěn)定性更高。

3高壓輸電線救援機(jī)器人

救援機(jī)器人由行走機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、機(jī)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(jī)械臂的下端。行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。行走機(jī)構(gòu)由行走輪、行走輪軸、行走電機(jī)及減速器、編碼器、行走電機(jī)罩、驅(qū)動盤、軸承等組成。行走電機(jī)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(jī)器人沿地線的滾動運動，其中編碼器接在電機(jī)的后端，實現(xiàn)對機(jī)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(yīng)地線形狀，當(dāng)巡檢機(jī)器人在地線上行駛時，行走輪將地線包覆。“V”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(jī)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(hù)地線不被磨損。壓緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。壓緊機(jī)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(jī)構(gòu)通過絲桿螺母與機(jī)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(yīng)不同傾斜角的導(dǎo)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(yīng)壓緊輪輪座上固定有霍爾傳感器。當(dāng)機(jī)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(jī)驅(qū)動壓緊絲桿轉(zhuǎn)動從而帶動壓緊螺母及壓緊機(jī)構(gòu)向下移動，以避開障礙物前行。

4機(jī)器人的檢測方法

現(xiàn)有的檢測故障的方法有光學(xué)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(dǎo)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(jī)器人自主巡檢。總歸起來，研究適應(yīng)各種環(huán)境各種狀態(tài)、抗干擾能力強(qiáng)、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(jī)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(jī)器人系統(tǒng)

盡管多感測輸電線機(jī)器人具有其優(yōu)點，但它們不可避免地帶來大尺寸和過復(fù)雜控制的缺點。若線路檢查任務(wù)由攜帶不同線路故障檢測器的多個機(jī)器人完成，可以大大減小機(jī)器人的體積和功耗，降低開發(fā)難度;同時，多機(jī)器人協(xié)作可以使機(jī)器人系統(tǒng)通過每個機(jī)器人的信息傳輸產(chǎn)生更高的效率，它可以進(jìn)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(jī)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(jī)，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(yīng)各種速度、扭矩控制和復(fù)雜的位置應(yīng)用。當(dāng)機(jī)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(jī)器人將逐步走向多傳感器智能式機(jī)器人，機(jī)器人能夠自動拍攝線路情況，遠(yuǎn)程控制管理級能夠自動接收機(jī)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(fù)等方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[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(jī)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(jī)器人越障控制問題的研究[J].機(jī)器人，2005，27（4）：341-345.

（作者單位：國網(wǎng)晉城供電公司）