電力線帶電作業機器人綜述

范松海 馬小敏 劉小江 羅磊 龔奕宇 劉益岑

（國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041）

前言

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

一、國內外巡檢機器人研究現狀

（一）巡檢機器人種類

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

1.不具備越障功能的巡檢機器人

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

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

2.具備越障功能的巡檢機器人

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

（2）輪臂復合式越障巡檢機器人。輪臂式復合機構，依靠輪式結構通過無障礙段，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。其具備行進速度快，工作效率高的特點。

（二）國外巡檢機器人研究現狀

在電力線巡檢機器人的發展中，國外研究機構對巡檢機器人的研究比國內早了近20 年，為電力線巡檢機器人做出了很大的貢獻。

1.不能越障巡檢機器人

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

（2）具備自主移動功能。1993 年日本Sato 公司成功研制出遠程遙控下具有電力線損傷檢測功能的巡檢機器人[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器人。該機器人能完成架空線視覺、紅外檢測、壓接頭狀態評估、導線清污和除冰。

2.越障巡檢機器人

（1）仿生巡檢機器人

1990 年日本政法大學等人研制出一種蛇形仿生巡檢機器人，該機器人由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原狀[8]。1998 年日本東京電力公司開發出仿人攀爬原理的越障巡檢機器人[9]。

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

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

（2）輪臂復合式巡檢機器人

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

2008 年，日本關西電力公司和日本電力系統公司共同研制出了名為“Expliner”的遠程遙控巡線機器人實驗室樣機[13]。

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

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

（三）國內巡檢機器人研究現狀

國內對于帶電作業機器人研究起步相對較晚，1999 年帶電作業機器人首次立項；2002 年首臺作業機器人研制成功；2005 年樣機在山西長治和山東濟寧通過試用；2012 年，國家863 計劃對“面向電力帶電搶修作業機器人研究開發與應用”進行了立項研究[16]。

1.不能越障巡檢機器人

2008 年上海交通大學研制出超高壓帶電清掃機器人，它可以實現絕緣瓷瓶的帶電清掃。

2.越障巡檢機器人

（1）仿生巡檢機器人

2008 年天津大學研制出基于四桿原理的攀爬手臂巡檢機器人[17]，以視覺傳感器輔助控制，從而實現越障巡檢。

2015 年，南昌大學研制出單臂驅動、雙臂越障的巡檢機器人樣機，能夠跨越地線上的所有障礙，且機器人自由度少，無關節耦合動作[18]。

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

（2）輪臂復合式巡檢機器人

2005年武漢大學研制出兩臂回轉式懸掛機構，在巡檢機器人機械結構、自主控制、在線和自主導航、計算機識別、線上充電等關鍵技術上取得了突破[20]。

2005 至2008 年，中國科學院自動化所研制了三機械臂和兩機械臂的電力線巡檢機器人[21]，機械臂末端為行走輪，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，研發出三臂式巡檢機器人樣機，其使用雙平行四邊形桁架機構[22]。該機器人能在輸電線路上穩定運行并順利越障。

2013 年起上海大學相繼研發了三代原型機，初代原型機采用雙臂擺臂式異側機構原型機；二代原型機采用雙臂升降式異側機構原型機；三代原型機采用雙臂升降式同側機構原型機[23]。

2014 年北京林業大學開發了220KV 除冰機器人樣機。越障機構模塊化設計，每個越障模塊均可以在導軌上調整位置，相互配合完成越障[24]。

2016 年沈陽自動化研究所針對110kV 輸電線路環境特點，設計出一種可以跨越引流線的巡檢機器人[25]。

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

2019 年湖北工業大學研發的磁力直線牽引三開合越障機器人[27]，在磁懸浮系統與磁力直線牽引系統的作用下，能高效地進行巡檢作業。

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

二、結論

隨著國內外電力線巡檢機器人研究工作的逐步深入，研制出的巡檢機器人樣機已具備行走、越障、監測、自動巡檢、除冰等基本功能，但目前尚無成熟產品應用于電力行業實際高壓線巡檢作業中。為了加快電力線巡檢機器人產業化進程，未來可以結合以下三個方面開展改進研究。

（一）增強保護裝置

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

（二）減輕重量

巡檢機器人結構上應進一步簡化，以縮小體積。在保證足夠的強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，可以在巡線機器人上集成多種探測儀器，達到一次巡檢便能同時實現多種設備檢測的效果。