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(zhǎng)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(yùn)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(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)變。文章針對(duì)國(guó)內(nèi)外高壓輸電線機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)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(jī)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(jī)器人；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)進(jìn)行修復(fù)，可能會(huì)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(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失，因此，及時(shí)檢測(cè)出損壞并快速修復(fù)是很有必要的。

隨著消費(fèi)者對(duì)電能質(zhì)量以及可靠性需求的不斷提升，加強(qiáng)對(duì)電力線路的檢查維護(hù)必然成為電力部門工作的重點(diǎn)之一，這務(wù)必造成電力線路相關(guān)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度不斷增加。所以，為了達(dá)到電力系統(tǒng)的正常運(yùn)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(jìn)行檢查的新設(shè)備成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域炙手可熱的問題。

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(guó)、加拿大和日本等西方國(guó)家，著手對(duì)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(dòng)機(jī)器人[1]。美國(guó)TRC于1989年成功開發(fā)出懸臂式自主檢測(cè)機(jī)器人的原型[2]，它不僅可以爬行于遠(yuǎn)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L(zhǎng)inesScout的高壓輸電線路檢測(cè)機(jī)器人。機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)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[3]。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[4]，它由三個(gè)配有滾輪的鉗口裝置夾緊并在導(dǎo)線上移動(dòng)。針對(duì)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 Buehringer，M.等人研制出了一款名為 Cable Crawler[5]的沿地線行駛巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人利用雙對(duì)垂直滾筒通過直接擠壓塔頂?shù)姆椒ㄟM(jìn)行越障。

中國(guó)對(duì)高壓電力線路檢測(cè)機(jī)器人的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，起步時(shí)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(dòng)越障功能的高壓輸電線巡檢車[6]。該車為三輪驅(qū)動(dòng)，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(yáng)自動(dòng)化研究所的王洪光等人開發(fā)出雙臂反對(duì)稱懸掛式檢測(cè)機(jī)器人[7]，機(jī)器人可將重力集中于單個(gè)臂，使檢查機(jī)器人的另一個(gè)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(cè)機(jī)器人[8]，其避障機(jī)構(gòu)通過檢測(cè)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式設(shè)計(jì)而得。

2. 高壓輸電線機(jī)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?cè)絹碓角宄卣J(rèn)識(shí)到機(jī)器人將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)對(duì)檢測(cè)機(jī)器人的研究還處于初級(jí)階段，各式機(jī)器人都存在著無法普遍推廣的缺陷，因此高壓輸電線機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

2.1.機(jī)器人的行進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的輸電線機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)大都為輪式行進(jìn)機(jī)構(gòu)，主要通過行進(jìn)輪與輸電線的摩擦完成行進(jìn)，驅(qū)動(dòng)輪依靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，其運(yùn)動(dòng)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(jī)器人主要為步進(jìn)式行走機(jī)構(gòu)，依靠機(jī)械臂交替移動(dòng)完成行進(jìn)，其運(yùn)動(dòng)具有間斷性，并且移動(dòng)較為緩慢、工作效率較低?？偟膩碚f，針對(duì)行進(jìn)方式穩(wěn)定可靠并且能夠幫助提高工作效率的行進(jìn)機(jī)構(gòu)的研究將成為輸電線機(jī)器人的研究重點(diǎn)。

2.2.機(jī)器人的越障方式

高壓輸電線路機(jī)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。現(xiàn)有的機(jī)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(cè)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(jī)器人越障控制研究，機(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)控制等數(shù)據(jù)庫(kù)，使高壓輸電線機(jī)器人越障方式邁向智能化控制將是研究的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.機(jī)器人的電源補(bǔ)給

高壓輸電線路機(jī)器人經(jīng)常在高海拔、高磁場(chǎng)環(huán)境中運(yùn)行，不能依賴電池進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行，因此，機(jī)器人實(shí)時(shí)在線充電是能量供應(yīng)的主要研究方向。由于高磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)，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(cè)機(jī)器人供電，這種方式稱為感應(yīng)取電。另一種實(shí)時(shí)供能方式為光儲(chǔ)系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能組件、逆變器、控制器、蓄電池、負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輸電線機(jī)器人主要運(yùn)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(chǔ)到蓄電池中，為檢測(cè)機(jī)器人供電?？偠^之，在高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的能源供應(yīng)問題中，解決問題的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線供電，合理建立太陽(yáng)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(jī)器人的檢測(cè)方法

現(xiàn)有的檢測(cè)故障的方法有光學(xué)圖像檢測(cè)法、紅外線檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、漏磁檢測(cè)法、無線電頻譜檢測(cè)法、電渦流檢測(cè)法以及超導(dǎo)量子干涉器件檢測(cè)法等，但無論是較為成熟的還是尚處于實(shí)驗(yàn)階段的各種檢測(cè)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。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(qiáng)，檢測(cè)范圍廣，檢測(cè)故障種類多并且真實(shí)可靠的檢測(cè)技術(shù)是輸電線機(jī)器人自主檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.發(fā)展趨勢(shì)

目前沒有越障能力的高壓輸電線巡檢機(jī)器人研究已經(jīng)比較全面。但是，能夠進(jìn)行自主越障的巡檢機(jī)器人還有待研制，因此對(duì)于具有完全自主越障功能的巡檢機(jī)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(cè)未來輸電線機(jī)器人會(huì)朝著如下方向發(fā)展：

3.1分布式高壓輸電線機(jī)器人系統(tǒng)

盡管多感測(cè)輸電線機(jī)器人具有其優(yōu)點(diǎn)，但它們不可避免地帶來大尺寸和過復(fù)雜控制的缺點(diǎn)。若線路檢查任務(wù)由攜帶不同線路故障檢測(cè)器的多個(gè)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(shí)，多機(jī)器人協(xié)作可以使機(jī)器人系統(tǒng)通過每個(gè)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(cè)可靠性和靈敏度。

3.2具有多個(gè)傳感器的檢查機(jī)器人

隨著機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)的成熟和傳輸線故障檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)化，可以在檢測(cè)機(jī)器人上使用各種故障檢測(cè)儀器。機(jī)器人可以用各種傳感器同時(shí)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(duì)其進(jìn)行評(píng)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(cè)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(jì)算機(jī)，其控制驅(qū)動(dòng)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(shí)，傳感器可以與專家知識(shí)庫(kù)結(jié)合，完成行動(dòng)計(jì)劃和動(dòng)作調(diào)整互相聯(lián)合的越障行動(dòng)。

4.結(jié)論

綜合各方因素，研究一種經(jīng)濟(jì)可靠的方式檢測(cè)輸電線路工作狀況，減小工人工作強(qiáng)度、提高巡檢檢查質(zhì)量并降低巡檢費(fèi)用，保證電力線正常工作，從而滿足社會(huì)對(duì)電能的需求是很有必要的，但當(dāng)前各國(guó)對(duì)具有自主越障能力的高壓輸電線路機(jī)器人的研究均處在初級(jí)階段，現(xiàn)有的輸電線機(jī)器人都存在著無法普遍推廣的缺陷。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(dòng)拍攝線路情況，遠(yuǎn)程控制管理級(jí)能夠自動(dòng)接收機(jī)器人搜集的信息并對(duì)其分析處理，實(shí)現(xiàn)故障自主檢測(cè)并修復(fù)等方向發(fā)展。

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基金項(xiàng)目：遼寧省科技廳博士科研啟動(dòng)基金計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20170520077）。

作者簡(jiǎn)介：黃洪升（1996—），男，漢族，重慶人，就讀于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。