郭 燕，張 宇，張亞菊

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能交通學(xué)院，南京 210023）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，輸電線纜的人工巡檢工作日益繁重。輸電線纜是電力系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，其安全性和穩(wěn)定性直接影響著電力系統(tǒng)的可靠性[1]。長期暴露在野外的輸電線纜很容易發(fā)生例如線纜履冰、線纜外力破壞、絕緣層氧化脫落等狀況，尤其在嚴(yán)冬及初春季節(jié)，我國云貴高原、川陜一帶及兩湖地區(qū)常出現(xiàn)霧凇和雨凇現(xiàn)象，造成架空輸電線纜覆冰，線纜舞動、閃絡(luò)、燒傷，甚至斷線倒桿等問題，從而導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)損壞引發(fā)線路故障，不僅對電力系統(tǒng)的安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，同時也對居民的人身安全和財產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的影響[2]。因此，需要定期對輸電線纜進(jìn)行巡檢和維護(hù)，了解輸電線纜的實際情況，及時發(fā)現(xiàn)并消除存在的安全隱患，預(yù)防事故發(fā)生，目前輸電線纜的巡檢方法主要包括傳統(tǒng)的人工巡檢和直升機(jī)巡檢。人工巡檢依靠電力工人在線纜上行走，通過肉眼對線纜及線纜的輔助設(shè)備進(jìn)行檢查，這種巡檢方法工作量大，巡檢周期長，效率低；直升機(jī)巡檢是由工作人員通過機(jī)載攝像設(shè)備觀察線纜外部情況，檢查線纜狀況，這種方法的巡檢視野不易控制，容易忽略故障點，且巡檢成本高，難以大范圍推廣使用[3]。

巡檢機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，近年來逐漸成為研究熱點。目前巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，如機(jī)構(gòu)、控制、通信、絕緣、電磁兼容等[4]，國內(nèi)外研究團(tuán)隊研制出了多種類型的樣機(jī)，并開展了帶電檢測與維護(hù)作業(yè)的實驗，研究領(lǐng)域從輸電拓展到變電、發(fā)電及配電，從巡檢型機(jī)器人拓展到檢測、維護(hù)作業(yè)型電力機(jī)器人[5]。對于架空輸電線纜巡檢作業(yè)機(jī)器人的研究，主要集中在日本、美國、加拿大等國[6]。加拿大魁北克水電研究院發(fā)明的“LineScout”機(jī)器人，可通過使用遙控方式，沿735 kV導(dǎo)線行進(jìn)及跨越障外物，越障能力較強。日本東京大學(xué)在2009年研制的“Expriner”電力機(jī)器人，其機(jī)身結(jié)構(gòu)使用碳纖維材料，由通過T型結(jié)構(gòu)支撐的兩對輪組，配重機(jī)構(gòu)及具有2個自由度的作業(yè)臂等部件組成，可在500 kV的4分裂導(dǎo)線上行走。美國電力科學(xué)研究院研制的“Ti”巡檢機(jī)器人掛載可見光攝像機(jī)和紅外成像儀設(shè)備，可借助安裝在導(dǎo)線上的過橋系統(tǒng)跨越警示球，防震錘等障礙物，能運行在756 kV的線纜上，最高時速達(dá)8 km/h，可使用內(nèi)部電池供電。

近幾年來，針對國內(nèi)電力公司對巡檢作業(yè)機(jī)器人的需求，國內(nèi)許多高校和研究所都組織研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超高壓輸電線纜故障巡檢機(jī)器人、絕緣瓷瓶帶電清掃機(jī)器人、高壓輸電線纜帶電檢修機(jī)器人等電力作業(yè)機(jī)器人，并在電力系統(tǒng)中投入了使用[7]。沈陽自動化研究院在2006年研制的高壓線纜巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由巡檢機(jī)器人和地面移動基站組成，采用遙控和局部自主結(jié)合的控制方式，可攜帶可見光攝像機(jī)或紅外熱成像儀等設(shè)備，能夠在500 kV超高壓輸電線纜上沿線自主行走，并跨越線纜上的防振錘、線夾及壓接管等障礙。武漢大學(xué)研制的兩臂巡檢機(jī)器人，可以在輸電導(dǎo)線上滾動和爬行，自動跨越或避讓防振錘、直線夾、壓接管、耐張線夾等障礙物。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在2010年研制了高壓線除冰巡檢機(jī)器人，能除掉8～15 mm線徑上包裹的直徑達(dá)60 mm的冰柱，最高速度可達(dá)750 m/h，最大爬線坡度為30°。

隨著機(jī)器人技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，越來越多的機(jī)器人應(yīng)用到日常生活。本設(shè)計針對目前輸電線纜工作時可能出現(xiàn)的一些狀況和故障，設(shè)計一種高壓輸電線纜多功能維護(hù)機(jī)器人，用于輸電電纜的日常巡檢和特殊自然災(zāi)害條件下線纜的除冰、涂膠等檢修工作，從而代替人工作業(yè)，降低操作風(fēng)險，提高輸電線纜的工作壽命和送配電安全。

1 巡檢機(jī)器人總體設(shè)計

巡檢機(jī)器人進(jìn)行輸電線纜巡檢作業(yè)前，由輔助工具或人工爬到桿塔上以吊裝的方式將機(jī)器人安放到線纜上，機(jī)器人本體控制系統(tǒng)在接收到地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的指令后，開始進(jìn)行線纜巡檢作業(yè)[8]。首先，清潔刷在行駛過程中清理電纜，夾板前端的攝像頭實時拍攝到線纜的外表面情況，如果遇到線纜絕緣層脫落的地方，蠕動泵將絕緣涂料通過柔性導(dǎo)管輸送至絕緣涂料注頭，涂抹絕緣層損壞部位，涂抹完后烘干風(fēng)扇工作，對涂抹過的地方進(jìn)行烘干操作。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器人實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要考慮驅(qū)動和工作方式，同時還要兼顧系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性和可靠性[9]。巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境為架空輸電線纜，如圖1所示，線纜的承受能力有限，所以要求機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便。巡檢機(jī)器人的重量來源于機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置、電池裝置和傳感器裝置，在綜合考慮了耐腐性、強度以及整體重量之后，選擇用環(huán)氧板和工程塑料材料來制作巡檢機(jī)器人的行走裝置和懸掛箱，既保證了結(jié)構(gòu)強度又使得機(jī)器人整體重量最小。機(jī)器人在架空線纜上行走，負(fù)責(zé)對輸電線纜進(jìn)行檢查和維護(hù)，因此巡檢機(jī)器人要具備一定的爬坡能力，即使線纜有一定的坡度，也可以穩(wěn)定行走[10]。

圖1 機(jī)器人行走的架空線纜Fig.1 Overhead cable for robot walking

巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)設(shè)計和作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計。當(dāng)巡檢機(jī)器人在線纜上行走時，為了使機(jī)器人保持穩(wěn)定的行走狀態(tài)，避免發(fā)生機(jī)器人左右晃動而造成墜落的情況，將行走結(jié)構(gòu)設(shè)計為懸掛式行走，由兩個U型槽輪和一組張緊輪組成，選擇使用兩個懸掛臂，將整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定在線纜上，驅(qū)動輪使機(jī)器人能夠在電纜上平穩(wěn)行駛，張緊輪使整個結(jié)構(gòu)免受到外界影響，緊貼在電纜上[11]。

作業(yè)系統(tǒng)由懸掛箱、兩個左右兩片夾板及滑軌組成。懸掛箱內(nèi)設(shè)置有電池、控制板、絕緣膠儲料箱，夾板上配置清掃刷、絕緣涂料注頭、烘干風(fēng)扇，蠕動泵和柔性導(dǎo)管連接至絕緣涂料注頭?；赟olidWorks建立機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，結(jié)構(gòu)由蠕動泵、涂膠注頭、夾板和導(dǎo)軌、驅(qū)動輪、清掃刷、懸掛箱組成。

圖2 多功能巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model diagram of multifunctional inspection robot

1.2 行走裝置

如圖3所示，本設(shè)計的巡檢機(jī)器人有兩條懸掛臂，為了簡述巡檢時具體的工作過程，將第一個懸掛臂稱為前掛臂，第二個懸臂稱為后掛臂，兩個懸掛臂上都安裝有驅(qū)動電機(jī)，使得機(jī)器人在線纜上的行走速度可控。巡檢機(jī)器人在線纜上行走時，兩個電機(jī)帶動行走輪轉(zhuǎn)動，依靠輪子與線纜接觸處產(chǎn)生的摩擦力前進(jìn)，可以爬上傾斜度為30°左右的電纜。在行駛過程中清潔刷負(fù)責(zé)清潔電纜，夾板前面的攝像頭實時拍攝到線纜的外表面情況，將畫面?zhèn)鹘o地面工作人員。

圖3 巡檢機(jī)器人的懸掛輪行走裝置Fig.3 Hanging wheel walking device of inspection robot

1.3 涂膠功能

本設(shè)計在機(jī)器人巡檢功能的基礎(chǔ)上加裝了涂膠裝置，如圖4所示，夾板后端安裝一對涂膠注頭，懸掛箱內(nèi)放置了蠕動泵和絕緣膠水。在機(jī)器人巡檢過程中，如果遇到絕緣層脫落的地方，工作人員遠(yuǎn)程控制開啟懸掛箱內(nèi)蠕動泵，將絕緣膠水通過柔性導(dǎo)管輸送至絕緣涂料注頭，涂抹絕緣層有損壞的部位，涂抹完成后烘干風(fēng)扇對涂抹過的地方進(jìn)行烘干。在不需要涂膠時，可將涂膠裝置卸掉，以減輕巡檢機(jī)器人整體重量。

圖4 夾板后端的涂膠注頭Fig.4 Glue applicator at the back end of the splint

圖5 懸掛箱內(nèi)的蠕動泵和絕緣膠水Fig.5 Peristaltic pump and insulating glue in suspension box

1.4 主要性能參數(shù)

為實現(xiàn)上述設(shè)計功能，巡檢機(jī)器人需攜帶線纜檢測設(shè)備和涂膠設(shè)備，機(jī)器人的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器人主要性能參數(shù)表Tab.1 Main performance parameters of robot

2 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由藍(lán)牙無線模塊、Arduino控制板、電機(jī)驅(qū)動模塊組成，控制系統(tǒng)通過處理各單元執(zhí)行信號，管理工作流程，完成行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)控制和涂膠系統(tǒng)的蠕動泵執(zhí)行動作。機(jī)器人控制系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)框架Fig.6 Control system frame diagram

2.2 藍(lán)牙無線模塊

藍(lán)牙無線模塊是指集成藍(lán)牙功能的芯片基本電路集合，用于短距離無線通訊、無線網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制，通信使用異步串口實現(xiàn)，藍(lán)牙信號的收發(fā)采用藍(lán)牙模塊實現(xiàn)[12]。本設(shè)計采用主從一體的HC-05藍(lán)牙串口模塊是一種集成藍(lán)牙功能的PCBA板，如圖7所示。

圖7 HC-05藍(lán)牙模塊Fig.7 HC-05 Bluetooth module

該藍(lán)牙模塊的所有功能都是通過AT指令集控制，用手機(jī)就可以進(jìn)行連接。在Android操作系統(tǒng)使用藍(lán)牙串口App，首先打開手機(jī)的藍(lán)牙設(shè)置，搜索并匹配藍(lán)牙模塊，然后進(jìn)入鍵盤模式，在鍵盤的界面進(jìn)行編輯輸入到Arduino的機(jī)器人動作信號按鈕，機(jī)器人指令操作界面如圖8所示。

圖8 機(jī)器人指令操作界面Fig.8 Robot command operation interface

2.3 Arduino控制模塊

該系統(tǒng)采用的核心控制板是Arduino Uno開發(fā)板。如圖9所示，這種開發(fā)板可以使用現(xiàn)有的電子元件，例如開關(guān)、傳感器、LED、電機(jī)等。開發(fā)板上的微控制器可以通過Arduino編程語言來編寫程序，藍(lán)牙模塊與Arduino的連接方式如圖10所示。

圖9 Arduino核心控制板Fig.9 Arduino core control board

圖10 藍(lán)牙模塊與Arduino的線纜連接Fig.10 Cable connection between Bluetooth module and Arduino

2.4 控制程序

Arduino的編程軟件是通過Arduino編程語言和Arduino開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)的，也可以借助于Arduino和其他一些在PC上運行的圖形化編程軟件，如S4A、Mblock、Mixly等。本設(shè)計所用的編程軟件是Arduino，軟件編程界面如圖11所示。

圖11 Arduino軟件編程界面Fig.11 Arduino software programming interface

Arduino的編程語言主要是C/C++語言，目前最新的Arduino核心庫采用C與C++混合編寫而成，圖12所示為本設(shè)計的部分設(shè)計編程。

圖12 部分設(shè)計編程Fig.12 Part design programming

2.5 圖像采集模塊

機(jī)器人使用攝像頭來檢測線纜表面絕緣層。攝像頭采用的是FPV 500萬像素高清攝像頭，如圖13所示。圖像信息可通過Wi Fi無線網(wǎng)絡(luò)實時傳輸視頻到手機(jī)或者電腦上，其中攝像頭安裝在夾板前端，可根據(jù)實際情況，調(diào)節(jié)攝像頭與線纜的檢測距離。

圖13 航拍攝像頭Fig.13 Aerial camera

攝像頭迷你輕便，可安裝在各種場合使用，WiFi無線網(wǎng)絡(luò)可將720P畫面實時傳輸至移動設(shè)備中，讓地面工作人員清楚觀察線纜表面絕緣層破損情況。如果遇到絕緣層破損的地方，工作人員可啟動涂膠功能，進(jìn)行破損部位的涂膠工作。

3 巡檢機(jī)器人力學(xué)分析

輸電線纜在工作狀態(tài)中，有一定的彈性和柔性，并且受地形、氣候的影響，其物理特性也會發(fā)生改變，所以巡檢機(jī)器人在線纜上運動時的狀態(tài)十分復(fù)雜[13]，為了使機(jī)器人能夠在線纜上平穩(wěn)行走，將從理論與動力學(xué)仿真的角度對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行驗證[14]。機(jī)器人在線纜上行走時，由于自身重力和高架塔的影響，機(jī)器人在線纜上就會形成上坡和下坡過程，假設(shè)行走線纜的坡度為30°。

3.1 上坡和下坡受力分析

輸電線纜的彈性和柔性都比較大，兩個高架塔之間的線纜跨度也比較大，這使得線纜處于“兩端高，中間低”的懸垂?fàn)顟B(tài)，機(jī)器人在線纜上就會形成上坡和下坡兩種情況，為了能讓機(jī)器人在線纜上穩(wěn)定的通過這兩種路況，對機(jī)器人在上坡和下坡的受力情況進(jìn)行分析。

3.1.1 上坡時的受力分析

機(jī)構(gòu)爬上坡時的受力分析如圖14所示。Fa1、Fa2是線纜對驅(qū)動輪的反向作用力；Fb1、Fb2是驅(qū)動輪對線纜的反向作用力；F1、F1′是線纜對驅(qū)動輪的作用力；F2、F2′是驅(qū)動輪對線纜的作用力；F1和F2、F1′和F2′分別是一對作用力和反作用力；T1和T2為電機(jī)的驅(qū)動力矩；G1和G2為機(jī)構(gòu)對線纜的重力。

圖14 機(jī)構(gòu)爬行上坡時的受力分析Fig.14 Force analysis diagram of mechanism climbing uphill

首先對向上爬坡和傳動機(jī)構(gòu)的力學(xué)進(jìn)行綜合分析，由力和力矩的平衡條件可得到力和力矩的平衡方程為：

3.1.2 下坡時的受力分析

機(jī)構(gòu)爬下坡時的力學(xué)分析如圖15所示。Fa3、Fa4是線纜對驅(qū)動輪的反向作用力；Fb3、Fb4是驅(qū)動輪對線纜的反向作用力；F3、F3′是線纜對驅(qū)動輪的作用力；F4、F4′是驅(qū)動輪對線纜的作用力；F3和F4、F3′和F4′分別是一對作用力和反作用力；T3和T4為電機(jī)的驅(qū)動力矩；G3和G4為機(jī)構(gòu)對線纜的重力。

圖15 機(jī)構(gòu)爬行下坡時的受力分析Fig.15 Force analysis diagram of mechanism when crawling downhill

同樣對向下爬坡和傳動機(jī)構(gòu)的力學(xué)進(jìn)行綜合分析，由力和力矩的平衡條件可得到力和力矩的平衡方程為：

式中：r為輪子的半徑；μ為滾動摩擦因數(shù)；θ為線纜的坡度，此處取值為30°。

3.2 穩(wěn)定爬行受力分析

機(jī)器人在線纜上行駛過程中，需要不斷克服自身重力和驅(qū)動輪與線纜之間的摩擦力，所以要求電機(jī)必須產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動力矩[15]。機(jī)器人正常行駛的條件是驅(qū)動力矩必須大于或等于行駛阻力，當(dāng)機(jī)器人穩(wěn)定爬行時，可以得到如下方程：

但是機(jī)器人驅(qū)動輪與線纜的接觸方式是非常緊密的，使得線纜對于驅(qū)動輪的摩擦阻力是有限的。當(dāng)增大驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩時，會使驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速增加，而線纜對于驅(qū)動輪的摩擦阻力不會增加，這時驅(qū)動輪會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。線纜對于驅(qū)動輪的摩擦阻力的極限值稱為附著力Fφ。φ為附著系數(shù)，它與線纜對驅(qū)動輪產(chǎn)生的摩擦力成正比，即Fφ=F2φ，為了保證不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，線纜對驅(qū)動輪的摩擦力Fa1應(yīng)小于Fφ，所以驅(qū)動輪向上爬行的條件是：

4 實驗及結(jié)果分析

在完成巡線機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對制作好的巡線機(jī)器人（圖16）進(jìn)行功能測試，驗證巡線機(jī)器人能否按照設(shè)計要求執(zhí)行行走功能。選擇直徑為15 mm電纜線在實驗室模擬實際現(xiàn)場情況，搭建的架空地長為3 m，距地面高度為70 cm。圖17所示為巡線機(jī)器人在線上行走測試實驗場景，巡線機(jī)器人可以在線上平穩(wěn)行走，行走的平均速度為0.5 m/s，最大爬坡角度15°。

5 結(jié)束語

本文以輸電線纜運行維護(hù)作為研究對象，設(shè)計巡檢機(jī)器人的功能技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合高壓輸電線纜身處的特殊環(huán)境狀況，確定機(jī)器人的總體設(shè)計方案，研制出一種可以在高壓輸電線纜上對單根線纜進(jìn)行巡檢和對絕緣層破損部位涂膠的巡檢機(jī)器人，主要完成以下幾個方面的工作。

（1）完成巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。確定了機(jī)器人行走裝置、涂膠裝置和線纜監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及機(jī)器人的控制系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成的控制方案，并且對結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方案進(jìn)行了詳細(xì)說明。

（2）完成對主體機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、涂膠機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)，論證了涂膠機(jī)構(gòu)的可行性，并通過分析確定了線纜絕緣層監(jiān)控設(shè)備的適用范圍。

（3）基于SolidWorks建立了巡檢機(jī)器人的樣機(jī)模型，并且研制了相應(yīng)的樣機(jī)，對機(jī)器人的各個機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，也對機(jī)器人上下坡爬行受力情況和穩(wěn)定運行的條件進(jìn)行分析，增強了機(jī)器人的巡檢穩(wěn)定性。

（4）完成了巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)方案的設(shè)計，設(shè)計了控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案。其中，機(jī)器人控制系統(tǒng)采用以Arduino開發(fā)板為核心，搭配L298N電機(jī)驅(qū)動的控制結(jié)構(gòu)，地面監(jiān)控系統(tǒng)采用了FPV 500萬像素高清航拍攝像頭，工作人員可以實時觀察到線纜的表面情況，方便控制線纜上的機(jī)器人。

目前已設(shè)計出巡檢機(jī)器人的功能樣機(jī)，可以實現(xiàn)輸電線纜的巡檢和涂膠功能，后續(xù)需要在此基礎(chǔ)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改進(jìn)控制系統(tǒng)，減輕裝置重量，增加功能。下一步的研究工作如下：

（1）增加夾緊結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人在線纜上運行更加穩(wěn)定；

（2）增加自主越障功能，實現(xiàn)機(jī)器人的智能化；

（3）進(jìn)行機(jī)器人工程樣機(jī)的制造，并結(jié)合實際工作情況完善機(jī)器人的設(shè)計。