虞鴻江

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 引 言

在我國北京、上海、廣州等大型城市，地下配電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本完善，同時大中型城市的電纜隧道建設(shè)進(jìn)度不斷加快。根據(jù)目前情況可知，電纜隧道具有距離長、溫度高、濕度大以及地形復(fù)雜等多方面特點，并且電纜的種類較多，電纜之間相互交錯縱橫。受此影響，電纜易出現(xiàn)腐蝕、老化等現(xiàn)象，并導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。因為電纜需要長期運行，一旦有火災(zāi)發(fā)生，引起的后果十分嚴(yán)重。隨著地下電網(wǎng)的不斷普及，對于電纜隧道智能巡檢機器人已經(jīng)具有更加強烈的需求。

1 電纜隧道智能巡檢機器人本體設(shè)計

1.1 機構(gòu)設(shè)計要求

要求電纜隧道智能巡檢機器人能夠具有遙控運行、爬坡、避障以及越障等能力，同時能夠替代部分人工巡檢工作，有效促使電纜檢測質(zhì)量提升以及技術(shù)水平提高[1]。因此，對于電纜隧道智能巡檢機器人機構(gòu)設(shè)計具有如下要求。（1）以機構(gòu)運動學(xué)為基礎(chǔ)，要求機構(gòu)具有滾動的能力，并能夠?qū)λ淼纼?nèi)的多種障礙物進(jìn)行避讓或是跨越；（2）以機器人系統(tǒng)為基礎(chǔ)，要求機構(gòu)具有較好的負(fù)載能力，以保障電源系統(tǒng)設(shè)備、信息傳輸設(shè)備以及檢測設(shè)備的安裝工作能夠順利進(jìn)行；（3）以實用性為基礎(chǔ)，要求機構(gòu)具有小巧、緊湊以及質(zhì)量輕的特點，以便于落實攜帶以及投放工作，同時涉水及防水能力良好；（4）立足于運動控制角度，要求機構(gòu)具有盡量少的自由度，以保障對其控制的精準(zhǔn)性。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

將電纜隧道特征、巡檢任務(wù)要求以及機構(gòu)設(shè)計要求相結(jié)合，同時對國外相關(guān)經(jīng)驗進(jìn)行借鑒，使用專業(yè)軟件Pro/E開展建模工作。該結(jié)構(gòu)結(jié)合了搜救機器人以及防爆機器人的優(yōu)點，具有優(yōu)異的爬坡性能和越障性能，同時具有良好的姿態(tài)穩(wěn)定性，且質(zhì)量較輕、剛度較大，對其進(jìn)行應(yīng)用，隧道電纜巡檢功能能夠更加順利的完成[2]。

根據(jù)三維模型對樣機進(jìn)行出圖、加工和裝配，組成部分主要包括控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、越障系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及可控云臺裝置等。為了盡量降低質(zhì)量，大部分工件使用鎂鋁合金制作而成，將機器人的總重量控制在6.4 kg左右，同時云臺高度為140 mm，擺臂長度為260 mm，長度為360 mm，寬度為260 mm，高度為110 mm。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 行走機構(gòu)

包括電機、驅(qū)動器以及減速器在內(nèi)的驅(qū)動裝置、傳動軸、履帶、傳動齒輪以及同步帶輪等多個部分共同組成行走機構(gòu)，傳動齒輪帶動驅(qū)動裝置輸出軸以及其上的同步帶輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動，即能夠推動履帶抓地展開運動，也就能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退等動作。對該行走機構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用，在坡度小于或等于30°的斜坡上能夠正常行走，并且即使不應(yīng)用擺臂，高度在50 mm以下的障礙物也能夠輕松通過，使機器人的巡檢速度在一定程度上得到提升。

2.2 越障機構(gòu)

包括電機、減速器、驅(qū)動器以及編碼器在內(nèi)的驅(qū)動裝置、傳動齒輪、擺臂以及傳動軸等多個部分共同組成越障機構(gòu)，通過驅(qū)動裝置，力按照輸出軸——傳動齒輪——傳動軸——擺臂的順序獲得傳輸，并且將擺臂固定于傳動軸上，通過對滑動軸承的應(yīng)用，傳動軸能夠與機器人殼體之間形成有效的連接，從而順利完成擺臂的轉(zhuǎn)動。對該越障機構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用，150 mm以下的障礙物機器人均能夠平穩(wěn)通過，在一定程度上為巡檢工作的順利開展提供了保障。

2.3 可控云臺機構(gòu)

舵機兩個、舵機座、云臺殼體、方位軸兩個以及熱像儀殼體等部分共同組成可控云臺機構(gòu)，使兩個舵機于相互垂直的狀態(tài)下與舵機座進(jìn)行固定處理，對舵機輸出軸與云臺方位軸進(jìn)行連接，使云臺能夠順利按照水平方向以及豎直方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動。對該可控云臺機構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用，機器人所攜帶的紅外設(shè)備即能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向和垂直方向的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了對電纜運行情況全方位的檢測。

3 巡檢機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 巡檢機器人控制系統(tǒng)的要求

相對于地上，地下電纜隧道中開展工作具有更大的難度，根據(jù)實踐經(jīng)驗，其要求主要體現(xiàn)在如下6個方面。（1）在對障礙進(jìn)行跨越的過程中，巡檢機器人的行走機構(gòu)以及擺臂機構(gòu)必須有效配合，并發(fā)揮可控云臺的作用保障檢測角度的準(zhǔn)確，而巡檢機器人的工作空間較為狹小，所以前行、后退、轉(zhuǎn)彎等控制較為困難。（2）巡檢機器人的工作環(huán)境中存在大量的未知因素，控制系統(tǒng)必須能夠獲取可靠的定位信息，對局部環(huán)境進(jìn)行有效識別，從而高效執(zhí)行動作規(guī)劃。（3）控制系統(tǒng)需要對傳感器信息進(jìn)行實時處理，特別是圖像信息，其包含的數(shù)據(jù)量較大，需要對信息進(jìn)行充分融合。（4）巡檢機器人不僅需要對電纜的運行情況進(jìn)行檢測，還需要保障各個模塊之間的協(xié)調(diào)，所以必須對巡檢任務(wù)進(jìn)行合理分配。（5）巡檢機器人不僅工作路線長，且需攜帶設(shè)備數(shù)量較多，所以對控制系統(tǒng)的硬件部分提出了較高的要求，如質(zhì)量輕、體積小、可靠性高以及功耗低等，以保障巡檢機器人的續(xù)航時間。（6）巡檢機器人所工作的電纜隧道通常距離地面5～10 m，在開展工作的過程中，相關(guān)工作人員于地上使用手持設(shè)備對控制指令進(jìn)行發(fā)送，同時對巡檢機器人采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取。所以要求數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的信號穿透能力得到提升，以保障地上手持設(shè)備與巡檢機器人之間的通信能夠持續(xù)處于通常狀態(tài)。

3.2 巡檢機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)文中提出的巡檢機器人控制系統(tǒng)要求，嘗試對多個電機控制以及處理多種傳感器信息的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制系統(tǒng)主要可以分為兩個部分，分別為本體控制單元以及地面遙控/接收數(shù)據(jù)的移動單元。同時，為了保障巡檢機器人能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中安全運行，應(yīng)該將主從遙控的方式作為控制系統(tǒng)的主要方式。在機器人接收到遙控指令之后，通過對電機驅(qū)動進(jìn)行控制，即能夠?qū)崿F(xiàn)各項功能，并將信息傳輸給地面[3]。

3.3 系統(tǒng)功能介紹

巡檢機器人的控制系統(tǒng)由兩部分組成，且兩部分之間相互獨立，二者之間對于指令和數(shù)據(jù)的傳輸，主要采用無線的方式。

圖1 巡檢機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

地面移動單元的主要組成為平板電腦和無線網(wǎng)卡，應(yīng)用于對遙控指令的發(fā)送以及對實施圖像的接收，同時能夠?qū)﹄娎|運行情況、隧道環(huán)境情況以及機器人情況進(jìn)行觀察和分析。此外，如果地面移動單元與機器人之間出現(xiàn)通信連接中斷的情況，移動單元能夠及時發(fā)出信號進(jìn)行警報。

本體控制單元的主要組成為計算機系統(tǒng)、紅外熱像儀、視頻采集卡、主控系統(tǒng)以及無線網(wǎng)卡等，其通過串口實現(xiàn)與計算機系統(tǒng)的通信，同時以所接收到的指令為基礎(chǔ)，對各個電機驅(qū)動器、云臺舵機開展控制工作，并通過傳感器等將獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸至計算機系統(tǒng)之中；計算機系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行實時接收和整合，再將其統(tǒng)一發(fā)送至地面[4]。

根據(jù)電纜紅外熱像圖以及普通圖，工作人員即能夠?qū)﹄娎|運行情況正常與否進(jìn)行判斷，如果其中存在故障，工作人員也能夠通過此對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位。但是，電纜隧道內(nèi)的情況較為復(fù)雜，屬于非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，所以必須采用主從遙控的方式對巡檢機器人的運動軌跡進(jìn)行規(guī)劃。地面工作人員在接收到圖像以及信息之后即可展開分析工作，科學(xué)合理地選擇最為適宜的方式控制巡檢機器人安全跨越障礙，并且如果巡檢機器人出現(xiàn)故障，或是發(fā)生其與地面移動單元連接中斷的情況，巡檢機器人能夠立即停止工作。

3.4 巡檢機器人工作過程

以巡檢機器人實際的工作任務(wù)需求為基礎(chǔ)，對其工作示意圖（見圖2）以及工作流程圖（見圖3）進(jìn)行制作。

圖2 巡檢機器人工作示意圖

圖3 巡檢機器人工作流程圖

將巡檢機器人放置于電纜隧道的入口處，進(jìn)行上電并建立起無線通信連接，發(fā)出指令之后控制機器人運行。在巡檢機器人沿隧道行走的過程中，使用微型紅外攝像頭以及紅外測距傳感器對前方障礙情況進(jìn)行檢測，若情況需要，還應(yīng)通過云臺轉(zhuǎn)動的方式對拍攝角度進(jìn)行調(diào)整。拍攝到的圖像能夠?qū)崟r傳輸至顯示器上，工作人員即能夠?qū)﹄娎|情況進(jìn)行判斷，以便決定是否開展維護(hù)工作。此外，因為已經(jīng)對巡檢機器人進(jìn)行了相應(yīng)的防水處理，所以，即使有淺水洼出現(xiàn)，也能夠直接越過[5]。

若檢測結(jié)果顯示存在障礙物，巡檢機器人則能夠停止前進(jìn)，并對障礙物的類型進(jìn)行判定，在障礙物高度大于履帶輪直徑，則應(yīng)采用主從遙控的方式對巡檢機器人進(jìn)行調(diào)整，具體如下。（1）向機器人前進(jìn)方向轉(zhuǎn)動擺臂；（2）通過擺臂的支撐提高機器人高度；（3）機器人靠近障礙物直至擺臂末端與障礙物的底部進(jìn)行接觸；（4）擺臂反向轉(zhuǎn)動一定角度，使前履帶能夠搭靠于障礙物；（5）機器人高度再次提高，向前運行，完成障礙物跨越。

4 結(jié) 論

對巡檢機器人的爬坡、越障方式進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃，同時對其特點以及需求進(jìn)行充分分析，最終實現(xiàn)了圖像信息的實時采集、無線傳輸、接收以及顯示工作，能夠有效提升電纜隧道巡檢工作的效率。