魯 杰，張兆廣，白雪松，陳 建，楊廣濤，季 寧

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北承德 067000）

0 引言

隨著我國電力事業(yè)的高速發(fā)展，架空輸電線路事故屢禁不止，直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。鑒于電網(wǎng)供電可靠性和社會(huì)對(duì)電力的需求，無法停電處理架空輸電線路導(dǎo)、地線上的異物，而等電位施工選擇吊籃法或順著耐張絕緣子走到電場(chǎng)中，等電位施工人員在電場(chǎng)里通過輸電線路進(jìn)入施工地點(diǎn)。等電位施工操作時(shí)，需要施工人員穿著屏蔽服，確認(rèn)安全距離。等電位施工具備的特點(diǎn)是專業(yè)技術(shù)高、高空施工強(qiáng)度大、操作復(fù)雜。因此該技術(shù)無法全面開展，難以確保作業(yè)人員和設(shè)備的安全，安全風(fēng)險(xiǎn)很大[1-2]。

本文在帶電的條件下引進(jìn)機(jī)器人技術(shù)，機(jī)器人配置有多種工作形式的機(jī)構(gòu)進(jìn)行特定檢修作業(yè)，有效解決架空輸電線路帶電檢修工作的難題，降低運(yùn)維工作量，避免運(yùn)維人員登桿操作，提高了帶電搶修效率，保護(hù)了作業(yè)人員的人身安全[3-4]。

本文通過研究架空輸電線路智能巡線機(jī)器人，將徹底解決目前電力線路異物清除的成本和技術(shù)兩大瓶頸。使電網(wǎng)日常維護(hù)管理向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平、最大限度的消除危害電網(wǎng)運(yùn)行的安全隱患，提高電網(wǎng)應(yīng)對(duì)突發(fā)事故等能力，解決電力線路異物影響安全的問題[5]。

1 巡線機(jī)器人投放和回收

架空輸電線路巡線機(jī)器人主要在截面積不小于50 mm2的導(dǎo)、地線上行走，通過搭載的任務(wù)載荷，對(duì)輸電線路、附屬設(shè)施及走廊通道進(jìn)行巡檢。機(jī)器人通過桿塔、懸垂線夾、防振錘、接續(xù)管，需對(duì)塔頭進(jìn)行局部改造，加裝過橋，實(shí)現(xiàn)耐張桿塔穿越。機(jī)器人上下桿塔需要通過人工吊裝、配套上下線裝置或機(jī)械臂裝置實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人越障技術(shù)方案多樣，但總體效率低下、可靠性不足。同時(shí)由于攀爬越障大量采用仿生結(jié)構(gòu)，造成機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、總體質(zhì)量偏高。在導(dǎo)、地線上行走時(shí)，對(duì)導(dǎo)、地線造成額外的負(fù)重，且不便于運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)快速部署[6-7]。

為避免機(jī)器人與無人機(jī)對(duì)接時(shí)產(chǎn)生的沖擊，電磁鐵與無人機(jī)之間采用多根繩索連接的方式。同時(shí)為了避免機(jī)器人在空中晃動(dòng)，需要根據(jù)機(jī)器人、電磁鐵的質(zhì)量及安全距離等對(duì)繩索的安裝角度進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在需要對(duì)機(jī)器人實(shí)行對(duì)接與放置時(shí)，通過機(jī)上攝像頭觀察電磁鐵和鐵塊相對(duì)位置狀態(tài)，通過遙控器給出對(duì)接或放置指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)對(duì)接和放置。然后利用無人機(jī)的自主飛控技術(shù)與預(yù)先的航跡規(guī)劃功能，使無人機(jī)飛行到機(jī)器人上方對(duì)接位置，通過機(jī)上攝像頭觀察連接狀態(tài)，通過遙控器給出對(duì)接或放置指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和電纜的脫離和返航。

無人機(jī)下降過程中，利用激光測(cè)距模塊獲取導(dǎo)線與無人機(jī)之間的準(zhǔn)確距離，同時(shí)地面操作人員通過下視攝像頭進(jìn)一步確認(rèn)投放位置。當(dāng)巡線機(jī)器人的夾持輪接觸導(dǎo)線后，地面操作人員發(fā)送電磁鐵斷電的指令，巡線機(jī)器人脫離電磁鐵，落到導(dǎo)線上。

在巡線機(jī)器人上安裝RTK 移動(dòng)端，通過組網(wǎng)電臺(tái)的方式將巡線機(jī)器人位置信息發(fā)送到無人機(jī)和地面站，進(jìn)而控制無人機(jī)飛到巡線機(jī)器人上方，地面操作人員通過攝像頭及激光測(cè)距模塊確認(rèn)機(jī)器人和電磁鐵的距離后，適時(shí)發(fā)送電磁鐵通電的指令，實(shí)現(xiàn)巡線機(jī)器人的回收。

2 巡線機(jī)器人功能設(shè)計(jì)

機(jī)器人設(shè)計(jì)為鋁合金一體式外殼，實(shí)現(xiàn)設(shè)備等電位屏蔽。設(shè)備整體電路采用多層屏蔽及電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，電子元件采用高性能元器件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在強(qiáng)電磁環(huán)境下無線數(shù)據(jù)與圖像正常傳輸。在強(qiáng)電磁環(huán)境下，遙控距離不小于200 m。針對(duì)防振錘更換、導(dǎo)線修補(bǔ)、異物清除等不同作業(yè)功能，巡線機(jī)器人的作業(yè)平臺(tái)具備多自由度機(jī)械臂。對(duì)主從機(jī)械臂不同工作特點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，研制輕量化、高自由度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、控制精度高、力反饋靈敏的機(jī)械臂，通用夾持工具，實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)功能。

利用架空輸電線路帶電檢修作業(yè)平臺(tái)，針對(duì)防振錘更換、耐張線夾引流板螺栓緊固、金具銷拔插、導(dǎo)線修補(bǔ)、異物清除等帶電作業(yè)類型，研制專用末端作業(yè)工器具。其中，導(dǎo)線修補(bǔ)機(jī)器人采取壓接線夾式修補(bǔ)方式，可完成損傷面積不超過7%的導(dǎo)線、地線；異物清理機(jī)采用飛刀片切割的方式，在不傷及線路的前提下，固定并清理掛在線路上的大棚、風(fēng)箏線等異物；防振錘更換機(jī)器人在防振錘滑移或丟失的情況下，通過切除及安裝機(jī)頭，實(shí)現(xiàn)防振錘更換。加裝末端工具后的帶電檢修作業(yè)平臺(tái)均小于20 kg。

開發(fā)能與巡線機(jī)器人平臺(tái)組裝的絕緣子更換、防振錘更換、耐張線夾引流板螺栓緊固、金具銷拔插、導(dǎo)線修補(bǔ)、異物清除末端工具，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人跨越障礙物后進(jìn)行檢修作業(yè)，如圖1 所示。

圖1 巡線機(jī)器人功能要求

選擇適用于線路檢修機(jī)器人的小型化電源技術(shù)，提高電源的功率密度，在保證續(xù)航的同時(shí)減輕設(shè)備的體積與重量。通過儲(chǔ)備電池驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)備在架空輸電線路導(dǎo)、地線行走，整個(gè)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)力源由儲(chǔ)備電池供給。設(shè)備的輕型化、小型化提供了更好的行走性能和更長的額定工作時(shí)間。

對(duì)于平臺(tái)小型化的要求可通過進(jìn)一步優(yōu)化精簡(jiǎn)機(jī)械系統(tǒng)冗余機(jī)構(gòu)，硬件測(cè)控平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人硬件測(cè)控系統(tǒng)選用質(zhì)量好、體積小、重量輕的元器件。機(jī)器人所攜帶的電池在整個(gè)重量中占很大比重，研究適用于巡線機(jī)器人的微小型電源，通過對(duì)電源的優(yōu)化，提高電源的功率密度，在保證續(xù)航和作業(yè)能力的同時(shí)減輕系統(tǒng)設(shè)備的體積與重量，通過上述各種方式的結(jié)合與實(shí)施進(jìn)一步滿足機(jī)器人小型化、輕量化的設(shè)計(jì)要求。

運(yùn)用先進(jìn)無線遙控電子技術(shù)，通過機(jī)電自動(dòng)化設(shè)計(jì)，參照智能機(jī)器人研究方向，使設(shè)備具備智能監(jiān)控、智能遙控操作。巡線機(jī)器人擁有數(shù)據(jù)診斷傳輸系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)等功能，使得設(shè)備能夠進(jìn)行巡視、檢測(cè)與清障操作，還能夠?qū)崿F(xiàn)跨越間隔棒、直線管及金具等線路附件。巡線機(jī)器人工作過程中，操作人員經(jīng)由視頻監(jiān)控控制機(jī)器人工作，操作過程更加智能化。適用于城市、野外、桿塔附近、桿塔檔距中間全線路帶電線路導(dǎo)、地線異物清除、導(dǎo)線修補(bǔ)，以及其他擴(kuò)展功能。巡線機(jī)器人采用異物切割電機(jī)運(yùn)行異常保護(hù)、異常自恢復(fù)控制系統(tǒng)，保證整機(jī)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。切割機(jī)構(gòu)與導(dǎo)線之間采用嚴(yán)格互鎖定位方式，可避免切割到導(dǎo)線的意外發(fā)生。使用一個(gè)專用遙控發(fā)射器，便可控制設(shè)備行走、切割、下線，操作簡(jiǎn)單，便于一線作業(yè)人員掌握使用。使用一個(gè)專用主機(jī)搭配不同功能的機(jī)頭，可完成多種作業(yè)功能，操作方法簡(jiǎn)單（圖2）。

圖2 巡線機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)

巡線機(jī)器人的特性有：①先進(jìn)性：采用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，綜合自動(dòng)控制、傳感識(shí)別技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合新工藝，采用新材料，在整體上具有明顯的先進(jìn)性；②實(shí)用性：整機(jī)重量輕、操作簡(jiǎn)單、便于運(yùn)輸攜帶，可以代替人工作業(yè)；③適應(yīng)性：適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)形式、規(guī)格型號(hào)的導(dǎo)、地線，適應(yīng)各種材料及形式的異物，有明顯的適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)；④穩(wěn)定性：設(shè)備裝置安全可靠，性能穩(wěn)定、工作效率高，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；⑤擴(kuò)展性：設(shè)備裝置具有專用接口，控制部件采用模塊式結(jié)構(gòu)，可方便靈活安裝各種形式的清除工具，具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性；⑥經(jīng)濟(jì)性：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，使用靈活，比人工出線作業(yè)具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。

巡線機(jī)器人功能要求有：①設(shè)備設(shè)計(jì)操作方便、作業(yè)安全，可帶電安裝；②安裝后不會(huì)對(duì)線路自身結(jié)構(gòu)特性和后期運(yùn)行維護(hù)造成安全隱患；③能視頻觀測(cè)、探測(cè)線表缺陷，探測(cè)線型、線號(hào)、缺陷位置；④能適應(yīng)不同的預(yù)絞絲型號(hào)，能按既定纏繞程序進(jìn)行工作；⑤能視頻傳輸工作過程，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，遙控作業(yè)；⑥具備安全防護(hù)設(shè)計(jì)，任何情況下保護(hù)導(dǎo)線；⑦最大限度減小電位差，減少強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)的電磁干擾，防高電流、防高電磁、防高電壓；⑧具有加電自啟動(dòng)、在線自診斷功能；⑨具有遠(yuǎn)程設(shè)置纏繞數(shù)據(jù)，能在異常情況下告警并自動(dòng)停止工作；⑩能設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)采集，也可以向裝置發(fā)送對(duì)即時(shí)命令；自動(dòng)控制終端設(shè)備工作狀態(tài)，提供預(yù)警功能；具有障礙物識(shí)別及線路越障功能的半自智能越障能力；強(qiáng)電磁環(huán)境下無線數(shù)據(jù)與圖像傳輸及機(jī)器人控制能力；線路帶電檢修機(jī)器人帶電作業(yè)多自由度機(jī)械臂；線路帶電檢修機(jī)器人末端工具作業(yè)工具；帶電檢修機(jī)器人多臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，伸縮臂可以帶動(dòng)作業(yè)裝置做前后位移，左右位移機(jī)構(gòu)則可以帶動(dòng)作業(yè)裝置左右移動(dòng)，改變作業(yè)裝置的空間位置和姿態(tài)；適用于線路帶電檢修作業(yè)的輕型電源；機(jī)頭本身不帶控制系統(tǒng)和電源，電源和控制信號(hào)由主機(jī)提供；機(jī)器人線上部分重量小于19 kg，設(shè)備懸掛于導(dǎo)、地線上，對(duì)導(dǎo)、地線無損傷；安裝、操作方式簡(jiǎn)單快捷；采用耐腐蝕、防銹材料，保證設(shè)備的耐用性。

3 巡線機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

巡線機(jī)器人在不停電環(huán)境下操作使用，通過自夾緊行走機(jī)構(gòu)在各種規(guī)格的鋼絞線、鋁絞線、鋁包鋼絞線、OPGW 光纜等導(dǎo)、地線搭載雙刀頭切割機(jī)構(gòu)，在電纜上自由行走，爬坡越障，遇到異物后，機(jī)械手定位裝置夾緊異物，雙刀頭旋轉(zhuǎn)并來回移動(dòng)達(dá)到切割清除異物的目的，作業(yè)全程全部無線電子遙控和視頻監(jiān)控，無需人工出線即可自動(dòng)清除高壓輸電線路上各種形式的異物，在清除的過程中不損傷導(dǎo)、地線本身。

通過無人機(jī)將機(jī)器人送到高壓線路上后便開始自動(dòng)工作。在定位系統(tǒng)的作用下，機(jī)器人采用滑輪的方式運(yùn)行，遇到線路上的障礙物時(shí)，通過搭載無人機(jī)的方式跨越，巡線機(jī)器人上安裝了監(jiān)控裝置，采集輸電線路狀態(tài)，并采用無線發(fā)送方式把采集的信息發(fā)送給地面基站。運(yùn)維人員通過這些數(shù)據(jù)，獲得架空輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)（圖3）。

圖3 巡線機(jī)器人控制

巡線機(jī)器人是由行走機(jī)（主機(jī)）、異物切割頭（或其他功能作業(yè)機(jī)頭）、無線攝像頭、視頻無線傳輸定向天線、電池及主控板等部分構(gòu)成。主機(jī)的作用是攜帶其他裝置，在輸電線路上運(yùn)行。電池及主控板安裝在主機(jī)里面，視頻采集系統(tǒng)安裝在主機(jī)的前端，無線視頻傳輸天線安裝在主機(jī)后面，操作人員在地面采用遙控裝置控制巡線機(jī)器人運(yùn)行，作業(yè)機(jī)頭和巡視過程通過視頻采集裝置發(fā)送給地面控制系統(tǒng)，使得操作人員實(shí)時(shí)獲得線路的運(yùn)行狀態(tài)。

巡線機(jī)器人能夠在輸電線路上行走的原理為：橡膠輪與導(dǎo)線之間的摩擦力促使機(jī)器人向前，全程采用蝸輪螺桿減速電機(jī)負(fù)責(zé)。簡(jiǎn)單的說，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，在鏈條的連接下帶動(dòng)橡膠輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，而橡膠輪和下面導(dǎo)、地線托架夾緊，從而產(chǎn)生了向前的摩擦力。后退也是同樣的原理。在解決沿地線順暢行走與避免設(shè)備沿地線滑動(dòng)方面，采取了創(chuàng)新的思路和手段（圖4）。行走系統(tǒng)采用同步聯(lián)動(dòng)多輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，行走部分主要由兩部分組成，即由同步減速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)輪和帶壓力感應(yīng)的彈性托輪，減速馬達(dá)由鏈條、鏈輪傳動(dòng)，行走驅(qū)動(dòng)輪材料為橡膠及高強(qiáng)度合金鋁輪廓組成，托輪部分采用彈簧支撐并配備壓力傳感器，與地線接觸的橡膠內(nèi)芯采用圓弧形凹槽設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)各種規(guī)格的鋼絞線、鋁絞線、鋁包鋼絞線、OPGW 光纜等地線?？蛇m應(yīng)各種規(guī)格導(dǎo)、地線，并且可平穩(wěn)通過壓接管、防振錘等障礙物，同時(shí)具備大于45°的爬坡能力，滿足不同條件下的導(dǎo)、地線弧垂。

圖4 主機(jī)行走機(jī)構(gòu)

在設(shè)備上線后，步進(jìn)電機(jī)施加壓力使驅(qū)動(dòng)輪和地線緊密咬合，高強(qiáng)度鋁合金輪轂，保證了驅(qū)動(dòng)輪不變形，橡膠內(nèi)芯咬合變形，形成靜摩擦力，超過了巡線機(jī)器人自身45°爬坡過程中的最大下滑力，即便外加風(fēng)速，線路上有覆冰的情況下，依然能夠保證巡線機(jī)器人可以穩(wěn)定工作。

巡線機(jī)器人選擇橡膠內(nèi)芯的方式，使得整個(gè)系統(tǒng)具備了很高的摩擦因數(shù)，托輪部分采用彈簧支撐，與從而使機(jī)器人在最大爬坡難度情況下，依然可以穩(wěn)定工作，始終保持托輪與地線間的壓力。

以切割清理工具為例：切割清除平臺(tái)設(shè)計(jì)了切割自動(dòng)行程控制系統(tǒng)，具有最大行程限制，當(dāng)?shù)孛娌僮魅藛T按下切割鍵后，切割頭推進(jìn)系統(tǒng)推動(dòng)切割頭向前伸出主機(jī)進(jìn)行切割，只有在切割頭前進(jìn)時(shí)切割電機(jī)才會(huì)開始工作，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大伸出行程時(shí)切割頭自動(dòng)退回，在切割頭退回過程中切割電機(jī)停止工作，這樣即節(jié)省了電力，同時(shí)避免了切割設(shè)備退回時(shí)纏繞異物造成意外。

切割過程設(shè)計(jì)為往復(fù)式工作模式，當(dāng)切割過程因異物材質(zhì)及尺寸等方面因素受阻時(shí)，切割平臺(tái)可以退回再前進(jìn)的往復(fù)式操作，避免因切割頭卡死而無法繼續(xù)工作。當(dāng)異物尺寸較大，單次行程無法完成切割時(shí)，可遙控主機(jī)前進(jìn)至異物跟前往復(fù)直致異物完全被清除。