便攜式電纜管道穿管機器人的研制

李偉　李窕　許旭哲　陳斯燦　蘇培才

摘要：隨著社會經濟的發展，電力電纜大面積取代架空線路，特別在人口密集地區，電力電纜成為最主要的電能傳輸載體。為配合市政建設，電力電纜建設通常采用預埋管道的方式，預埋電力電纜管道根據電力工程建設需要投入使用，通常滯后預埋時間較久，預埋管道內可能出現管道破損、積淤泥或其他異物的現象，導致預埋管道不可用、無法用，特別是在10kV配電網領域，因電纜管道一般口徑偏小，目前沒有有效的方法能在預埋管道啟用時進行穿管前情況探查及勘察。在管道內情況不明的情況下進行電力電纜穿管，一旦遇到障礙物，只能退出電力電纜，進行管道清理工作。由此將影響施工進度，并可能導致電力電纜因多次拖磨引起絕緣破損，埋下安全隱患，增加投運后的運維工作量。本文提出一種便攜式電纜管道穿管機器人設計，通過機電一體化的高可靠性設計來確保穿管機器人優質、可靠的智能巡檢服務。

關鍵詞;電纜管道;智能巡檢;高可靠性

一、便攜式電纜管道穿管機器人的功能

便攜式電纜管道穿管機器人代替人工進行電纜管道巡檢服務，主要包括預埋電纜管道的驗收勘察、長距離電纜管道的牽引穿線、清理管道內部雜物并對管道進行潤滑、減少摩擦力等，為電力系統安全生產穩定運行提供重要保障。

1、預埋電纜管道的驗收勘察;全程可視化操作勘察管道內部情況，解決電纜預埋管道施工完成后驗收時無法對工程質量及隱蔽工程量進行有效驗證的問題。

2、解決長距離小口徑電纜管道的牽引穿線需求;通過研發便攜式穿管機器人系統，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手段。

3、清理管道內部雜物并對管道內部進行潤滑、減少摩擦力;穿管機器人能對管內進行進行潤滑、清潔管道操作，減小電纜敷設時摩擦力，確保牽引電纜拉力符合規程要求。

二、便攜式電纜管道穿管機器人的高可靠性設計

（一）驅動核心可靠性設計

驅動核心負責穿管機器人動作的構建，動作構建采用分立模塊化設計，仿生控制器裝置控制每個足單元之間的協調運動，足單元控制足內關節之間的運動。機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行管理。驅動層由六足單元組成，每個足單元內部有2個關節控制器與1個行程計數器組成，并節控制器分別負責控制各個關節的運動。每個控制器使用專用運動控制芯BTN7971B，采用雙路大功率MOS管驅動及保護、隔離電路，用于驅動電機。處理器采用STM32，內部集成有SPI接口。

便攜式電纜管道穿管機器人仿生控制器裝置具有異常保護功能。電機運行在特種工作條件下運行可能會出現各種故障，為保護控制器裝置，需要對電機運行異常進行保護。電機的保護方式有很多種。控制器采用驅動控制測量反饋對電機運行異常的保護。

為使測量準確，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。同時在測量算法上也很重要。應用中測量到電機發生電流異常時，先要做出預警，同時提高采樣速率，進一步的比較判斷如果繼續異常，做出報警。報警發生后驅動電路將控制電機的運行狀態來對電機進行保護。

（二）電源系統可靠性設計

為保障非可視條件下操作穿管機器人不會因電源耗盡或因大電流自動保護無電源輸出而導致機器人不可控的問題，便攜式電纜管道穿管機器人電源系統設計時采用了雙電源系統設計。

機器人設計的重點及難點往往是在能完成相應的功能的情況下能向集成化、便捷式方面設計。這樣就要求電源系統選擇能量密度、功率密度高的電池。因為機器人需要選擇質量小、電池容量大的電源，同時機器人運動往往選有直流減速電機、步進電機、陀機作為驅動，電機在啟動、堵轉時電流會較大，因此電源系統需要瞬間輸出電流大。

穿管機器人電源系統根據設計運行時間計算，以24V工作系統穿管機器人為例，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系統供電，當大容量電池組放電至開關管關斷電壓后，小容量電池組從VOUT口輸出，僅供控制系統、下線系統供電。

（三）結構可靠性設計

便攜式電纜管道穿管機器人結構上采用便捷、小巧緊湊設計，包括前后殼、行走臂、行走輪、網絡攝相頭及光纖牽引繩。前后殼分別設置有螺紋固定孔，用于前后殼連接固定;前后殼上設置三個軸心對稱凹坑，該凹坑結構容納并嵌合行走臂，行走臂上設置有轉軸用于嵌合前后殼凹坑內的軸孔，使行走臂與殼體之間能在一定范圍內沿軸心擺動;行走臂的另一端設置蝸桿轉軸，轉軸兩端裝配有行走輪，蝸桿轉軸由行走臂內部的電機帶動蝸輪從而驅動行走輪轉動;機器人前殼前端設置有鏡頭片，鏡頭片后面設置有網絡攝相頭;機器人尾端后殼上設置有出線孔，出線孔用于設置光纖信號線;機器人后端的行走臂末端設置牽引繩孔，每個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器人主體。行走臂轉軸與前后殼間設置有彈性扭簧;該機器人對比其它管道牽引設備具有結構輕巧緊湊，能自適應一定范圍內的大小不同管徑的管道，能后臺通過機器人前端攝相頭對穿管過程進行可視化操作，機器人后端設置的牽引繩能在設備出現故障時進行自救，提高了設備的實用性及可靠性。

三、結語

穿管機器人代替人工進行電纜管道巡檢服務，因故障失控往往會帶來十分嚴重的后果。本文通過驅動核心、電源系統及結構的三重高可靠性設計，確保了便攜式電纜管道穿管機器人的安全可靠運行，其中電源系統的穩定工作是智能設備的核心，穿管機器人采用雙電源系統自動切換設計，可以有效解決單路電源無輸出的自動修復，不會出現需要人工重啟的情況，大大提高了穿管機器人設備的可靠性。

參考文獻：

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