李偉　李窕　許旭哲　陳斯?fàn)N　蘇培才

摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電力電纜大面積取代架空線路，特別在人口密集地區(qū)，電力電纜成為最主要的電能傳輸載體。為配合市政建設(shè)，電力電纜建設(shè)通常采用預(yù)埋管道的方式，預(yù)埋電力電纜管道根據(jù)電力工程建設(shè)需要投入使用，通常滯后預(yù)埋時間較久，預(yù)埋管道內(nèi)可能出現(xiàn)管道破損、積淤泥或其他異物的現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)埋管道不可用、無法用，特別是在10kV配電網(wǎng)領(lǐng)域，因電纜管道一般口徑偏小，目前沒有有效的方法能在預(yù)埋管道啟用時進行穿管前情況探查及勘察。在管道內(nèi)情況不明的情況下進行電力電纜穿管，一旦遇到障礙物，只能退出電力電纜，進行管道清理工作。由此將影響施工進度，并可能導(dǎo)致電力電纜因多次拖磨引起絕緣破損，埋下安全隱患，增加投運后的運維工作量。本文提出一種便攜式電纜管道穿管機器人設(shè)計，通過機電一體化的高可靠性設(shè)計來確保穿管機器人優(yōu)質(zhì)、可靠的智能巡檢服務(wù)。

關(guān)鍵詞;電纜管道;智能巡檢;高可靠性

一、便攜式電纜管道穿管機器人的功能

便攜式電纜管道穿管機器人代替人工進行電纜管道巡檢服務(wù)，主要包括預(yù)埋電纜管道的驗收勘察、長距離電纜管道的牽引穿線、清理管道內(nèi)部雜物并對管道進行潤滑、減少摩擦力等，為電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)穩(wěn)定運行提供重要保障。

1、預(yù)埋電纜管道的驗收勘察;全程可視化操作勘察管道內(nèi)部情況，解決電纜預(yù)埋管道施工完成后驗收時無法對工程質(zhì)量及隱蔽工程量進行有效驗證的問題。

2、解決長距離小口徑電纜管道的牽引穿線需求;通過研發(fā)便攜式穿管機器人系統(tǒng)，為目前無法解決的長距離、小口徑穿管工作提供一套新的方法和技術(shù)手段。

3、清理管道內(nèi)部雜物并對管道內(nèi)部進行潤滑、減少摩擦力;穿管機器人能對管內(nèi)進行進行潤滑、清潔管道操作，減小電纜敷設(shè)時摩擦力，確保牽引電纜拉力符合規(guī)程要求。

二、便攜式電纜管道穿管機器人的高可靠性設(shè)計

（一）驅(qū)動核心可靠性設(shè)計

驅(qū)動核心負(fù)責(zé)穿管機器人動作的構(gòu)建，動作構(gòu)建采用分立模塊化設(shè)計，仿生控制器裝置控制每個足單元之間的協(xié)調(diào)運動，足單元控制足內(nèi)關(guān)節(jié)之間的運動。機器人常見的控制方式有集中式控制和分布式控制等，便攜式電纜管道穿管機器人采用的是基于SPI的分布式控制管理方式，各足單元之間采用軟件分配地址進行管理。驅(qū)動層由六足單元組成，每個足單元內(nèi)部有2個關(guān)節(jié)控制器與1個行程計數(shù)器組成，并節(jié)控制器分別負(fù)責(zé)控制各個關(guān)節(jié)的運動。每個控制器使用專用運動控制芯BTN7971B，采用雙路大功率MOS管驅(qū)動及保護、隔離電路，用于驅(qū)動電機。處理器采用STM32，內(nèi)部集成有SPI接口。

便攜式電纜管道穿管機器人仿生控制器裝置具有異常保護功能。電機運行在特種工作條件下運行可能會出現(xiàn)各種故障，為保護控制器裝置，需要對電機運行異常進行保護。電機的保護方式有很多種。控制器采用驅(qū)動控制測量反饋對電機運行異常的保護。

為使測量準(zhǔn)確，首先電源的紋波要盡量的小，線路板電源電路部分布線一定要注意。同時在測量算法上也很重要。應(yīng)用中測量到電機發(fā)生電流異常時，先要做出預(yù)警，同時提高采樣速率，進一步的比較判斷如果繼續(xù)異常，做出報警。報警發(fā)生后驅(qū)動電路將控制電機的運行狀態(tài)來對電機進行保護。

（二）電源系統(tǒng)可靠性設(shè)計

為保障非可視條件下操作穿管機器人不會因電源耗盡或因大電流自動保護無電源輸出而導(dǎo)致機器人不可控的問題，便攜式電纜管道穿管機器人電源系統(tǒng)設(shè)計時采用了雙電源系統(tǒng)設(shè)計。

機器人設(shè)計的重點及難點往往是在能完成相應(yīng)的功能的情況下能向集成化、便捷式方面設(shè)計。這樣就要求電源系統(tǒng)選擇能量密度、功率密度高的電池。因為機器人需要選擇質(zhì)量小、電池容量大的電源，同時機器人運動往往選有直流減速電機、步進電機、陀機作為驅(qū)動，電機在啟動、堵轉(zhuǎn)時電流會較大，因此電源系統(tǒng)需要瞬間輸出電流大。

穿管機器人電源系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計運行時間計算，以24V工作系統(tǒng)穿管機器人為例，大容量鋰電池選用Sony V3 18650電芯，電池組為7串4并。小容量鋰電池選用Sony V3 18650電芯，電池組為7串。大容量電池組先給整機系統(tǒng)供電，當(dāng)大容量電池組放電至開關(guān)管關(guān)斷電壓后，小容量電池組從VOUT口輸出，僅供控制系統(tǒng)、下線系統(tǒng)供電。

（三）結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計

便攜式電纜管道穿管機器人結(jié)構(gòu)上采用便捷、小巧緊湊設(shè)計，包括前后殼、行走臂、行走輪、網(wǎng)絡(luò)攝相頭及光纖牽引繩。前后殼分別設(shè)置有螺紋固定孔，用于前后殼連接固定;前后殼上設(shè)置三個軸心對稱凹坑，該凹坑結(jié)構(gòu)容納并嵌合行走臂，行走臂上設(shè)置有轉(zhuǎn)軸用于嵌合前后殼凹坑內(nèi)的軸孔，使行走臂與殼體之間能在一定范圍內(nèi)沿軸心擺動;行走臂的另一端設(shè)置蝸桿轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸兩端裝配有行走輪，蝸桿轉(zhuǎn)軸由行走臂內(nèi)部的電機帶動蝸輪從而驅(qū)動行走輪轉(zhuǎn)動;機器人前殼前端設(shè)置有鏡頭片，鏡頭片后面設(shè)置有網(wǎng)絡(luò)攝相頭;機器人尾端后殼上設(shè)置有出線孔，出線孔用于設(shè)置光纖信號線;機器人后端的行走臂末端設(shè)置牽引繩孔，每個牽引繩孔栓上牽引繩，多組牽引繩最后合擰成一股用于牽引機器人主體。行走臂轉(zhuǎn)軸與前后殼間設(shè)置有彈性扭簧;該機器人對比其它管道牽引設(shè)備具有結(jié)構(gòu)輕巧緊湊，能自適應(yīng)一定范圍內(nèi)的大小不同管徑的管道，能后臺通過機器人前端攝相頭對穿管過程進行可視化操作，機器人后端設(shè)置的牽引繩能在設(shè)備出現(xiàn)故障時進行自救，提高了設(shè)備的實用性及可靠性。

三、結(jié)語

穿管機器人代替人工進行電纜管道巡檢服務(wù)，因故障失控往往會帶來十分嚴(yán)重的后果。本文通過驅(qū)動核心、電源系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的三重高可靠性設(shè)計，確保了便攜式電纜管道穿管機器人的安全可靠運行，其中電源系統(tǒng)的穩(wěn)定工作是智能設(shè)備的核心，穿管機器人采用雙電源系統(tǒng)自動切換設(shè)計，可以有效解決單路電源無輸出的自動修復(fù)，不會出現(xiàn)需要人工重啟的情況，大大提高了穿管機器人設(shè)備的可靠性。

參考文獻：

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