高壓輸電線機器人的研究現(xiàn)狀及展望

黃洪升 李緒鎮(zhèn) 盛啟玉 王昊 楊凈潔 王慧明

摘要：高壓架空電力線及桿塔附件等長期暴露于野外，需要定期巡檢維修以保證電力系統(tǒng)的正常運行。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前高壓輸電線巡檢方式正由人工逐步向機器人進行轉(zhuǎn)變。文章針對國內(nèi)外高壓輸電線機器人的發(fā)展現(xiàn)狀進行研究，結(jié)合現(xiàn)有的研究提出了關(guān)鍵技術(shù)問題，并展望了高壓輸電線機器人未來的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：輸電線路；機器人；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

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。

隨著消費者對電能質(zhì)量以及可靠性需求的不斷提升，加強對電力線路的檢查維護必然成為電力部門工作的重點之一，這務(wù)必造成電力線路相關(guān)工作人員的勞動強度不斷增加。所以，為了達到電力系統(tǒng)的正常運行并提高電力工人的工作效率的目的，研究開發(fā)能夠替代巡檢工人進行檢查的新設(shè)備成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域炙手可熱的問題。

1. 高壓輸電線機器人研究現(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器人進行探究。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器人，并將其命名為光纖復(fù)合架空地線巡檢移動機器人[1]。美國TRC于1989年成功開發(fā)出懸臂式自主檢測機器人的原型[2]，它不僅可以爬行于遠距離的架空電線，它還能執(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器人。機器人基本結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個夾緊機構(gòu)，可以有效阻止機器人兩端的下落，確保機器人可以安全有效地工作[3]。2008年，伊朗塞姆南大學(xué)機械工程學(xué)院開發(fā)了一種名為MoboLab的巡檢機器人[4]，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行連接的特征，2009年瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Buehringer，M.等人研制出了一款名為 Cable Crawler[5]的沿地線行駛巡檢機器人，該機器人利用雙對垂直滾筒通過直接擠壓塔頂?shù)姆椒ㄟM行越障。

中國對高壓電力線路檢測機器人的研究與發(fā)達國家相比，起步時間較晚。武漢大學(xué)機器人研究所于1998年研發(fā)出具備自動越障功能的高壓輸電線巡檢車[6]。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器人[7]，機器人可將重力集中于單個臂，使檢查機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器人[8]，其避障機構(gòu)通過檢測機器人的整體結(jié)構(gòu)和運行方式設(shè)計而得。

2. 高壓輸電線機器人的關(guān)鍵技術(shù)

伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的逐步提高，人們越來越清楚地認識到機器人將在國民經(jīng)濟中發(fā)揮更加重大的作用，幫助人類從繁重艱苦的工作環(huán)境中得以解脫。目前，各國對檢測機器人的研究還處于初級階段，各式機器人都存在著無法普遍推廣的缺陷，因此高壓輸電線機器人的關(guān)鍵技術(shù)研究主要集中在以下幾個方面：

2.1.機器人的行進結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有的輸電線機器人行進機構(gòu)大都為輪式行進機構(gòu)，主要通過行進輪與輸電線的摩擦完成行進，驅(qū)動輪依靠電機轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，其運動較為穩(wěn)定、速度快、工作效率高。相比雙臂式、三臂式和四臂式輸電線機器人主要為步進式行走機構(gòu)，依靠機械臂交替移動完成行進，其運動具有間斷性，并且移動較為緩慢、工作效率較低?？偟膩碚f，針對行進方式穩(wěn)定可靠并且能夠幫助提高工作效率的行進機構(gòu)的研究將成為輸電線機器人的研究重點。

2.2.機器人的越障方式

高壓輸電線路機器人要求能夠平穩(wěn)地穿過諸如防震錘、懸垂線夾等障礙物?，F(xiàn)有的機器人越障方式主要有跨越式、蕩越式、回轉(zhuǎn)式以及擠壓式等。伴隨智能化自主檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生控制系統(tǒng)和模糊控制方法等現(xiàn)代技術(shù)開始應(yīng)用于機器人越障控制研究，機器人的越障方式逐步向自主化、智能化模式轉(zhuǎn)變。因而，建立機器人運動軌跡與姿態(tài)控制等數(shù)據(jù)庫，使高壓輸電線機器人越障方式邁向智能化控制將是研究的一項關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.機器人的電源補給

高壓輸電線路機器人經(jīng)常在高海拔、高磁場環(huán)境中運行，不能依賴電池進行長期運行，因此，機器人實時在線充電是能量供應(yīng)的主要研究方向。由于高磁場伴隨著高壓輸電線路而存在，利用磁生電的原理，繞有線圈的鐵芯兩端可產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，利用整流橋裝置可將生成的交流電轉(zhuǎn)化成直流電，從而為蓄電池供電，也可直接為檢測機器人供電，這種方式稱為感應(yīng)取電。另一種實時供能方式為光儲系統(tǒng)，包括太陽能組件、逆變器、控制器、蓄電池、負載等設(shè)備，常見的技術(shù)路線主要有直流耦合與交流耦合兩種拓撲結(jié)構(gòu)。輸電線機器人主要運用直流耦合結(jié)構(gòu)，利用光伏系統(tǒng)得到直流電，然后通過控制器，將直流電存儲到蓄電池中，為檢測機器人供電。總而觀之，在高壓輸電線路巡檢機器人的能源供應(yīng)問題中，解決問題的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)實時在線供電，合理建立太陽能充電基站，以及如何使蓄電池重量輕，體積小，電量大。

2.4機器人的檢測方法

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器人自主巡檢。綜歸起來，研究適應(yīng)各種環(huán)境各種狀態(tài)，抗干擾能力強，檢測范圍廣，檢測故障種類多并且真實可靠的檢測技術(shù)是輸電線機器人自主檢測的關(guān)鍵技術(shù)。

3.發(fā)展趨勢

目前沒有越障能力的高壓輸電線巡檢機器人研究已經(jīng)比較全面。但是，能夠進行自主越障的巡檢機器人還有待研制，因此對于具有完全自主越障功能的巡檢機器人研制己成為間不容息的問題，分析現(xiàn)有的研究成果我們可以合理地預(yù)測未來輸電線機器人會朝著如下方向發(fā)展：

3.1分布式高壓輸電線機器人系統(tǒng)

盡管多感測輸電線機器人具有其優(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器人完成，可以大大減小機器人的體積和功耗，降低開發(fā)難度；同時，多機器人協(xié)作可以使機器人系統(tǒng)通過每個機器人的信息傳輸產(chǎn)生更高的效率，它可以進一步提高線路故障的檢測可靠性和靈敏度。

3.2具有多個傳感器的檢查機器人

隨著機器人檢測技術(shù)的成熟和傳輸線故障檢測裝置的簡化，可以在檢測機器人上使用各種故障檢測儀器。機器人可以用各種傳感器同時掃描傳輸線，傳感器信息融合技術(shù)可以更有效，可靠地找到傳輸線上的故障并對其進行評估，使維修人員更加快速和便捷的發(fā)現(xiàn)并維修故障。

3.3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，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。

4.結(jié)論

綜合各方因素，研究一種經(jīng)濟可靠的方式檢測輸電線路工作狀況，減小工人工作強度、提高巡檢檢查質(zhì)量并降低巡檢費用，保證電力線正常工作，從而滿足社會對電能的需求是很有必要的，但當(dāng)前各國對具有自主越障能力的高壓輸電線路機器人的研究均處在初級階段，現(xiàn)有的輸電線機器人都存在著無法普遍推廣的缺陷。未來的輸電線機器人將逐步走向多傳感器智能式機器人，機器人能夠自動拍攝線路情況，遠程控制管理級能夠自動接收機器人搜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。

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基金項目：遼寧省科技廳博士科研啟動基金計劃項目（項目編號：20170520077）。

作者簡介：黃洪升（1996—），男，漢族，重慶人，就讀于沈陽工業(yè)大學(xué)，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。