吳 鍇，左兆陸,2*，竇少校

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我國軌道式巡檢機(jī)器人研究及發(fā)展現(xiàn)狀

吳 鍇1，左兆陸1,2*，竇少校2,3

（1. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000；2. 合肥市信同信息科技有限公司，安徽 合肥 230000； 3. 臨沂迪普環(huán)?？萍加邢薰?，山東 臨沂 276100）

軌道式巡檢機(jī)器人在國內(nèi)的發(fā)展日新月異，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從早期應(yīng)用較廣的變電站領(lǐng)域擴(kuò)展到地下礦井、污水廊道和城市綜合管廊等地方。本文對國內(nèi)的軌道式巡檢機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行介紹，對軌道式巡檢機(jī)器人做分類，對軌道巡檢機(jī)器人的常用功能做歸納，對國內(nèi)軌道式巡檢機(jī)器人的市場做綜合分析，旨在總結(jié)我國軌道式巡檢機(jī)器人的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，對諸多國內(nèi)學(xué)者們之前的相關(guān)研究做一總結(jié)和補(bǔ)充。

國內(nèi)；軌道；巡檢機(jī)器人；市場

0 引言

隨著人工智能技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)的日益發(fā)展，巡檢機(jī)器人在各種領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用越[1-2]，它們的作用是替代或輔助人類進(jìn)行各種巡檢工作，因?yàn)檠矙z工作一般是枯燥、重復(fù)性強(qiáng)、機(jī)械性、耗時費(fèi)力和勞動密集型的工作。目前應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域有：變電站、地下管廊、礦井和監(jiān)獄等處所[3]。按照工作模式可以分為飛行式、輪式、軌道式和固定式。而軌道式巡檢機(jī)器人是現(xiàn)在各領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種[4]。

軌道式巡檢機(jī)器人的出現(xiàn)早于其他工作模式的巡檢機(jī)器人，技術(shù)上也相對成熟，它通常搭載了溫度、濕度、煙霧、氣體、雷達(dá)、聲音、圖像、定位等各類功能的傳感器，結(jié)合專門設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)和智能化軟件系統(tǒng)[5]，總體上具有圖像、語音識別功能、遠(yuǎn)程傳輸各類數(shù)據(jù)的功能、遠(yuǎn)程控制以及感知所處環(huán)境其他信息等功能[5]。因?yàn)檐壍朗窖矙z機(jī)器人的巡檢路徑是固定的，它能在軌道經(jīng)過的地區(qū)附近代替人工巡檢。如變電站的高空電纜上，地下污水廊道中，地下電纜管廊中和地下礦井下。這些地方通常是空氣潮濕、空氣異味重、存在有毒有害氣體、粉塵濃度高和噪聲強(qiáng)等地方。應(yīng)用軌道式巡檢機(jī)器人可以有效地提高巡檢安全性、巡檢質(zhì)量，降低人工勞動強(qiáng)度和單位的人工成本。

國內(nèi)一些學(xué)者在參考國外的軌道式巡檢機(jī)器人后，已經(jīng)對軌道式巡檢機(jī)器人進(jìn)行了許多研究，國內(nèi)有一些成功的應(yīng)用案例，甚至在市場上出現(xiàn)了成熟的通用產(chǎn)品。本文對我國軌道式巡檢機(jī)器人相關(guān)技術(shù)進(jìn)行廣泛調(diào)研，介紹國內(nèi)、外軌道式巡檢機(jī)器人的發(fā)展歷程，描述相關(guān)產(chǎn)品的推廣應(yīng)用情況，總結(jié)軌道式巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀，對諸多學(xué)者們之前的研究做一總結(jié)或補(bǔ)充。

1 國內(nèi)軌道式巡檢機(jī)器人的研究進(jìn)展

1.1 國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對軌道式巡檢機(jī)器人的研究進(jìn)展

相對于國外而言，我國研究軌道式巡檢機(jī)器人較晚，因?yàn)楹芏鄬W(xué)者已經(jīng)對國外的巡檢機(jī)器人寫過 相關(guān)綜述了，所以這里不贅述。在我國直到20世紀(jì)90年代末期，才開始對軌道式巡線機(jī)器人有相關(guān)的研究。山東大學(xué)、武漢大學(xué)、沈陽航空航天大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)相繼在軌道式巡線機(jī)器人領(lǐng)域展開了研究，研制了樣機(jī)。

2007年，山東大學(xué)黃淑祥等人研制出了一種如圖1-1所示的懸掛式巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人采用雙臂設(shè)計(jì)方案，且有質(zhì)心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以跨越高壓塔，但越障時主要靠單機(jī)械臂搭在高壓電線上，降低了機(jī)器人的安全性，而且單臂越障控制較難，行走時會出現(xiàn)左右搖擺的現(xiàn)象。

2010年，武漢大學(xué)吳功平及其研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種雙臂式巡線機(jī)器人。該雙臂式巡線機(jī)器人的兩機(jī)械臂搭在高壓電線上，可以穩(wěn)定的越過防震錘、絕緣子和跳線等障礙物，通過搭載的專用高清攝像頭，采集地面信號。

圖1 各種軌道式巡檢機(jī)器人

2016年，遼寧科技大學(xué)研制了一款如圖1-2所示的變電站軌道巡檢機(jī)器人。它采用了固定安裝在地面式的軌道，滑線取電技術(shù)，電力載波通訊技術(shù)。該機(jī)器人具有移動速度快，體積小，重量輕，定位精度高，不需充電，數(shù)據(jù)傳輸速度快等特點(diǎn)，在一個220 kV數(shù)字化變電站作為試驗(yàn)場所應(yīng)用成功。

1.2 國內(nèi)企業(yè)對軌道式巡檢機(jī)器人的研究進(jìn)展

與此同時，隨著國家對人工智能技術(shù)在各個領(lǐng)域的大力倡導(dǎo)應(yīng)用，在國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的樣機(jī)基礎(chǔ)之上，我國企業(yè)在軌道式巡檢人的研究上也是成績斐然。在2010年之后，國內(nèi)的一些企業(yè)如：浙江國自機(jī)器人技術(shù)有限公司、合肥市信同信息科技有限公司以及深圳市朗馳欣創(chuàng)科技股份有限公司等，都推出了自己的產(chǎn)品[6-7]。

2011年，浙江國自機(jī)器人技術(shù)有限公司成功開發(fā)出了輕型掛軌式機(jī)器人。該產(chǎn)品采用懸掛軌道行走方式，主要應(yīng)用于工業(yè)廠區(qū)中的開關(guān)室、配電室等室內(nèi)環(huán)境，爬坡能力強(qiáng)，擁有轉(zhuǎn)彎半徑小，狹小空間通過能力強(qiáng)等優(yōu)勢。

2014年，合肥市信同信息科技有限公司]研制的多功能軌道式巡檢機(jī)器人，一款可長距離位置方向運(yùn)動、監(jiān)測發(fā)熱物體溫度變化、動態(tài)圖像分析的自動預(yù)警系統(tǒng)，主要用于配電房實(shí)時監(jiān)控和查表使用，如圖1-3所示。它運(yùn)用了電力載波技術(shù)，無需專門為機(jī)器人提供供電線，免去了為機(jī)器人充電的過程。

2016年深圳市朗馳欣創(chuàng)科技股份有限公司研制了一款城市管廊軌道式巡檢機(jī)器人，如圖1-4，它特別適合在管廊中穿梭。它配置了高精度陀螺儀，能夠精確繪制三維運(yùn)行軌跡；它還搭載了紅外熱成像儀，能對電力高壓輸送線路和熱力管道進(jìn)行表面溫度探測，提前發(fā)現(xiàn)高溫異常。如果發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)隱患，該機(jī)器人搭載的滅火裝置可以防火災(zāi)于未然。還能對管廊外壁表面溫度分析進(jìn)行預(yù)警。

2 軌道式巡檢機(jī)器人的分類

顧名思義，軌道式巡檢機(jī)器人是機(jī)器人沿著已有的軌道進(jìn)行巡檢工作的，“有軌”是它們最大的共同點(diǎn)，而它們的軌道有的是柔性軌道，有的是剛性軌道，按照軌道材料的強(qiáng)度將其劃分為柔性軌道巡檢機(jī)器人和剛性軌道巡檢機(jī)器人[8]。

采用柔性軌道的巡檢機(jī)器人一般是指懸掛式巡檢機(jī)器人，如：山東大學(xué)—懸掛式巡檢機(jī)器人，如圖1-1所示，武漢大學(xué)雙臂式巡線機(jī)器人是此類機(jī)器人。該類巡檢機(jī)器人的軌道材質(zhì)相對柔韌，多為電纜線或者鋼絲懸線，軌道承載重力受一定的限制。該類軌道式巡檢機(jī)器人多從上方俯視巡檢其側(cè)方和下方被測目標(biāo)，利用搭載的各類傳感器采集下方被測目標(biāo)的各種信息。但是，此類機(jī)器人大多有一個缺點(diǎn)，就是巡檢時易左右搖擺。

而采用剛性軌道的巡檢機(jī)器人，有的用于在上空進(jìn)行巡檢作業(yè)，也有在地面上進(jìn)行巡檢作業(yè)的，這些巡檢機(jī)器人的軌道多為槽鋼，工字鋼，片鋼或者其他自行設(shè)計(jì)的鋼軌。例如：浙江國自機(jī)器人技術(shù)有限公司輕型掛軌式機(jī)器人，其軌道為兩個工字鋼拼接而成的。深圳市朗馳欣創(chuàng)科技股份有限公司的城市管廊巡檢機(jī)器人，如圖1-4所示，其軌道為單工字鋼。再如，合肥信同信息科技有限公司研制的隧道巡檢機(jī)器人，如圖1-5所示，其軌道形狀為特殊地形特殊設(shè)計(jì)，其公司設(shè)計(jì)的周界巡視機(jī)器人如圖1-6所示，其軌道為片型鋼材。

3 現(xiàn)在市場上軌道式巡檢機(jī)器人流行的幾種常用功能

3.1 圖像監(jiān)控功能

圖像監(jiān)控功能是軌道式巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)功能之一，依托其搭載的高清攝像頭，通信網(wǎng)絡(luò)和控制端實(shí)現(xiàn)。用于巡檢時采集被測環(huán)境或被測目標(biāo)的圖像、視頻。搭載的高清攝像頭通常能夠360°多維度拍攝，自動變焦，自動對焦。巡檢機(jī)器人可以在到達(dá)控制端設(shè)定好的地址，按程序自動完成拍攝，也可以有控制端的工作人員自行操作。拍攝的圖像信息從通信線路傳送給控制終端。其中通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是可以是PLC電力載波、GPRS通用分組無線服務(wù)技術(shù)和LAN局域網(wǎng)技術(shù)等?？刂贫丝墒荘C機(jī)和智能手機(jī)。

3.2 火情預(yù)警/報警功能

火情預(yù)警/報警功能是基于多傳感器融合技術(shù)和火情識別算法實(shí)現(xiàn)的。在巡檢環(huán)境中，如電力機(jī)房，電力管廊中尤其常用。在軌道式巡檢機(jī)器人搭載紅外測溫儀、溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度傳感器和電火花傳感器等。各類傳感器在隨機(jī)器人巡檢的過程中實(shí)時采集數(shù)據(jù)信息。在機(jī)器人內(nèi)部的控制電路中會集成各種識火情的算法，根據(jù)不同設(shè)置的閾值參數(shù)，比如可燃?xì)怏w濃度值、濃度變化率、濃度時間參數(shù)等變量，再經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算分析最終判斷出是否有火情發(fā)生或即將發(fā)生。如南京信息工程大學(xué)的張琛等人，對該類算法進(jìn)行過深入的研究。

3.3 儀表讀數(shù)功能

此功能多用于機(jī)房中查表使用，用于代替或輔助工作人員進(jìn)行查表工作。這類軌道式巡檢機(jī)器人的通常下方搭載有可以升降的云臺，如圖1-3所示。在程序的設(shè)定下，巡檢機(jī)器人能在機(jī)房中周期性的自動查表，將儀表的圖片、查表時間、讀數(shù)打包除送給控制端。其中，查表的類型包括：電壓表讀數(shù)、電流表讀數(shù)和閘刀開關(guān)狀態(tài)等。而且，有的表的讀數(shù)是指針式的，有的是數(shù)字式的。這些識別算法也有很多學(xué)者研究過，如重慶大學(xué)的張文杰等人可以基于OpenCV開發(fā)。

以上三種功能是目前是市場上比較流行的幾種功能，還有例如：異物識別，故障診斷，語音對講等，但是在一些條件下會被割舍或是由生產(chǎn)商提供選用。

4 軌道式巡檢機(jī)器人的市場狀況

如今，軌道式巡檢機(jī)器人已經(jīng)向地下管廊、礦井和監(jiān)獄等處所蔓延。例如：合肥市信同信息科技有限公司的周界巡檢機(jī)器人已經(jīng)在某監(jiān)獄成功使用，輔助武警在犯人集中區(qū)進(jìn)行綜合管制。

從市場占有上看，難以估算出各家單位在各領(lǐng)域的占有份額。但是，因?yàn)槭墚?dāng)?shù)卣黝愔С趾洼o助推廣政策，企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，和企業(yè)其他相關(guān)資源等原因，大部分廠家所在省內(nèi)是其銷售的主要地域。而且，因?yàn)楹芏嘈璺降募夹g(shù)要求是不一樣的，所以各家的軌道式巡檢機(jī)器人不能完全做成通用型產(chǎn)品。比如：有的是用于污水管道的，需要防潮性能高；有的是用于煤礦的，需要取得防爆認(rèn)證。再如：在變電房巡檢時，需要機(jī)器人產(chǎn)品具備查表功能，而同樣產(chǎn)品用于邊界巡防時不需要此功能。這就需要供貨方在軟件的某些功能上予以“開”、“閉”的調(diào)整[9-10]。

5 結(jié)論

我國軌道式巡檢機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)日益升級，應(yīng)用面越來越廣，從地面上的變電站巡檢到城市地下綜合管廊巡檢，從監(jiān)獄周界監(jiān)控到機(jī)房查表，都有各式各樣的產(chǎn)品被應(yīng)用，這是人工智能技術(shù)在我國得到飛速發(fā)展的一個縮影。不能否認(rèn)，軌道式巡檢機(jī)器人已經(jīng)逐漸被越來越多的領(lǐng)域關(guān)注和認(rèn)可。我們相信在不久的將來，軌道式巡檢機(jī)器人會更多 的出現(xiàn)在我們的生活中，它也為當(dāng)今我國機(jī)器人市場帶來了重要的商機(jī)。

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Research and Development Status of Track Inspection Robot in China

WU Kai1, ZUO Zhao-lu1,2*, DOU Shao-xiao2,3

(1. Hefei Institute of Material Sciences, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230000; 2. Hefei Xintong Information Technology Co., Ltd., Hefei, Anhui 230000; 3. Linyi Dptech Environmental Protection Technology Co., Ltd., Linyi, Shandong 276100)

The track inspection robot has been developing rapidly in China, and its application range has been extended to underground mines, sewage corridors and urban comprehensive pipe corridors. This paper introduces the development of track inspection robots in China, classifies track inspection robots, summarizes the common functions of track inspection robots, and makes a comprehensive analysis of the market of track inspection robots in China. The purpose of this paper is to summarize the research and development status of China's track inspection robot, and make a summary and supplement to the previous research of many domestic scholars.

Domestic; Track; Inspection robot; Market

TP18

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.019

2017年山東省第二批技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：201720115071)

吳鍇(1986-)，男，碩士，研究方向：科技傳播與科技政策；竇少校(1985-)，男，本科，研究方向：企業(yè)管理，市場運(yùn)維；左兆陸(1984-)，男，研究生，研究方向：機(jī)器人技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究。

吳鍇，左兆陸，竇少校. 我國軌道式巡檢機(jī)器人研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 軟件，2018，39（11）：80-83