变电站双体智能巡检机器人研究综述

马承志 吴敏

Research Review of Binary Intelligent Roboots Applied in Substations for Equipment Inspection

摘要：变电站双体智能巡检机器人能够实现变电站大部分仪器设备的检测功能。具备自主巡检、数据采集和精确测量等功能，提高电力设备巡视效率，满足变电站日常巡检的业务需求，确保电网的安全稳定运行。本文介绍目前变电站巡检机器人的国内外研究现状，探讨机械臂控制、精确测温和末端拓展等关键技术，展望其发展趋势，为变电站机器人的进一步发展提供参考。

Abstract： Binary Intelligent Robots Applied in Substations can realize the measuring ability of most of the equipment in the substation. It has the functions of independent inspection， data collection and accurate measurement， improving the inspection efficiency of power equipment and meeting the requirements of daily inspection of substation. It can ensure the safe and stable operation of the power grid. This paper introduces the present situation of the current transformer substation inspection robot， discusses the key techniques of mechanical arm control， precise measurement and end extension and so on， and look forward to its development trend， which provides reference for the further development of substation robot.

关键词：双体智能巡检机器人；检测；机械臂控制；精确测温；末端拓展

Key words： Binary Intelligent Roboots；measuring；mechanical arm control；precise measurement；end extension

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章編号：1006-4311（2018）15-0284-03

0 引言

目前，变电站智能巡检机器人[1，2]能够实现变电站大部分仪器设备的检测功能。现有变电站机器人自主巡检采集的图像资料等进行自动智能分析，主要局限在表计抄录和刀闸状态识别及红外测温等。由于变电站环境及设备布置等原因，目前的巡检机器人无法完成精确测温、定向音频分析、应急带电操作等相对复杂的巡检任务。

多关节机械臂（多自由度机器人）的优良性能是其它传统的机器人所不能比拟的，其关节转动灵活，工作空间较大，因此适用于多种工作场合和复杂环境。目前很多典型机械臂已经发展成熟应用广泛，国内也己开发出多种工业机械臂。目前机械臂主要运用在工业生产中，如装配机器人、焊接机器人，其特点是机械臂固定在一个不移动的底座上，进行“单点”操作。

针对目前巡检机器人[3，4，5]和多自由度机器人各自的局限性，传统变电站巡检机器人与多自由度工业机器人相结合的双体机器人运用技术，移动机器人与固定检测装置的结合及数据融合技术需要深入研究。巡检机器人移动的特性为多自由度机器人提供了一个移动平台，多自由度机器人转动灵活、工作空间大的特性为巡检机器人扩展了更多运用。

双体机器人如图1所示，传统智能巡检机器人搭载一个多自由度机器人形成一个双体巡检机器人，巡检机器人本体为多自由度机器人提供一个移动的平台，将多自由度机器人带到需要检测的变电站设备附件。多自由度机械臂末端可扩展多种检测模块或者操作模块来完成各种复杂的变电站巡检任务或者应急处理任务。

1 变电站双体智能巡检机器人

本文研究的变电站双体智能巡检机器人是由传统巡检机器人与多自由度工业机器人融合在一起的，双体巡检机器人主要具备机械臂控制技术、精确测温技术和末端拓展技术，通过安装于机械臂末端的检测工具安装盘，可灵活配置末端检测设备，增加巡检机器人系统巡检手段，拓展对变电设备的检测方法。

2 国内外研究现状

早在20世纪80年代开始，日本、美国、加拿大、法国等许多国家就先后展开带点作业机器人的研究开发与应用。1984年，九州电力株式会社和安川机器人公司开始研制带电作业机器人。迄今为止，日本已成为当今配电带电作业机器人开展最早、成果最为丰富、产业化应用最广泛的国家。目前已推出前后三代产品，实际使用超过180台机器人：第一阶段（1984-1989）：第一代机器人——手动操作机器人PhaseⅠ，采用主从控制。第二阶段（1990-1997）：第二代机器人——半自动机器人PhaseⅡ。第三阶段（1997至今）：第三代机器人——全自动东机器人PhaseⅢ。

美国于1985年着手开始研究带电作业机器人，其第一代产品采用操作人员在地面遥控的方式，单机械臂的主从控制机器人。仅装有液压驱动的机械臂，机械性能较差。目前，美国最新一代的机器人在绝缘防护水平上有所突破，支持在极端恶劣的天气下进行带电作业。

加拿大Hydro-Quebee研究所作业机器人机械臂也是液压驱动的，作业形式与日本的第一代产品很相似，该机器人的绝缘等级达到25kV。

法国带电作业机器人项目的研究是在20世纪90年代由法国电力公司（EDF）支持进行的，但受限于技术难题和科研经费，最终中途搁置。直到90年代末期，受到日本安川电机与九州电力株式会社的支持，欧洲综合电机制造厂家Thomoson-CSF着手开展研究，并顺利完成了机器人样机。

西班牙在参照日本第二代带电作业机器人的基础上，于1994年完成各项研发，并可实现本国69kV及以下的带电作业。该机器人安装两个6自由度机械臂，并配备有3自由度的辅助臂。

国内带电作业机器人项目从1999年开始，2002年研制出样机。与日本相似，我国已经开展了3代机器人的研究，第一代：采用两台MOTOMAN机械臂，操作人员通过键盘控制机械臂运动；第二代：采用两台自主研发的电机机械臂，控制系统采用主从控制方式；第三代：集成国外液压机械臂，自重轻、持重大，可以实现带电作业机器人现场应用。

目前，我国变电站巡检机器人主要实现了有轨或无轨导航的自动巡视和摄像（或拍照），具备一定的自动识别及数据统计分析的功能。

3 变电站双体巡检机器人关键技术

3.1 机械臂控制技术

机械臂末端路径控制方式主要有以下三大类：第一类是点位控制，简称为PTP控制，它只要求机器人手臂末端能快速准确地从一点到相邻点运动，而对其运动路径不作具体规定。这种控制功能用于搬运、点焊、装配等作业中。第二类是连续路径控制，又称连续轨迹控制，简称CP控制。它不但要求机器人手臂末端从一点到相邻点运动，而且要求所走过的路径是连续平滑的，这就需要插补运算，所以这种控制功能多用于喷涂、弧焊、去飞边等作业中。第三类是移动控制，它包括对移动的路径、速度、目标跟踪、机器人操作机的稳定平衡、越过障碍物及回避障碍物等的控制，这种控制功能多用于作业距离较长或野外作业等需要机器人移动甚至行走的场合。

本文研究机械臂控制[6]在坐标系统方面，设计坐标转换树，将不同空间的坐标系统进行融合，实现不同空间系统一坐标系统控制。在机器人导航方面，机器人内置地图，通过获取激光测量数据，使用蒙特卡洛方法对机器人位置进行实时定位。在末端控制方面，先通过机械臂控制进行粗略定位，即控制机械臂末端到达预置点位置。此时，由于机器人定位、机械结构、环境等各方面的影响，机械臂末端的位置并不是我们希望的理想位置。通过加入可见光环境匹配，计算出当前机械臂末端位置与预设位置的偏差，根据匹配结果对机械臂末端进行微调，以实现末端精确控制。

3.2 精确测温技术

在双体机器人巡检运动过程中，不能完成零误差的到达待测温点。无论是机器人每次到达预设点位，执行云台预设旋转角等，均会导致机器人在到达测温点时存在位姿误差。机器人巡检的位姿误差导致了测温目标的偏移或丢失，因而出现测温不准确的现象。而本系统的基于视觉伺服的精准测温技术[7]研究正是如何解决由机器人巡检过程的位姿误差导致的测温误差问题。机器人到达待测温点后，捕捉热成像数据，形成红外图像。依据红外图像对目标进行检测识别，依据图像误差信号控制包含云台、机器人等与机载热成像相关设备的运动校正，实现温度探测位置更精确的目的。基于图像伺服的精准测温技术，有效地防止了机器人在巡检过程中，热成像探测目标丢失的现象。同时，伺服过程中，最大程度地规避了测温目标相邻或背景中设备，有效提高了对细小目标测温的精确度。

3.3 末端扩展

机器人末端执行器装在操作机手腕的前端（称机械接口），用于使机器人完成作业任务而专门设计的装置。末端执行器种类繁多，与机器人的用途密切相关，主要包括：

夹持器，具有夹持功能的装置，用于抓拿物体，如吸盘、机械手爪、托持器等，如圖2所示。

专业工具，用于完成某项作业所需要的装置。如用于加工工件的铣刀、砂轮和激光切割器、完成焊接作业的气焊枪、点焊钳等。并由此，将焊接机器人又可细分为：C02焊机器人、TIG焊机器人、MAG/MIG焊机器人、气焊机器人、钎焊机器人、点焊机器人、激光焊机器人等；如图3所示。

传感器，用于质量、位姿检测、缺陷分析，如视觉传感器、力矩传感器、角度位移传感器等。机器人所用传感器又分为内部传感器和外部传感器二类。前者用来检测自身状态的信息，主要是位置、速度、加速度等传感器，并且作为反馈信号构成伺服控制；后者是用来检测机器人作业对象和作业环境信息的传感器，如测量夹持器夹紧力的压力传感器，对外进行识别的视觉、触觉、听觉等传感器。如图4所示。

通常一种新的作业需要一种新的末端执行器，而一种新的末端执行器的出现又往往为机器人开辟一种新的应用领域。

末端执行器是一个独立的部件，对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着作业时的定位精度、力的大小等。

工业机器人的手部通常是专用装置，一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。根据变电站环境以及操作需求，需要用到以下几种末端执行器：

①高清图像采集模块：仪器仪表识别；

②红外测温模块：精确测温；

③局放检测模块：局部放电检测；

④定向音频采集模块：异常声音检测；

⑤高压开关分合闸模块：完成就地分合闸操作。

不同的末端执行器，结构会有差异，通常一个机器人配有多个装置或能工具，因此要求末端执行器与手腕处的接头从机械结构上以及电气上都具有通用性和互换性，满足快速切换。

不同的末端执行器的驱动方式不同，对这些部件的电气接口具有互换性要求设计统一的电气规范和通信方式，各个模块需要在模块内部完成电源总线转化、通信总线转化。同时还要保证接口的可靠，以及相应的防护。

为了满足快速切换，各个模块安装结构上需要统一，且便于安装及更换。

4 发展趋势

通过双体智能巡检机器人[8，9，10]研究开发，可以有效弥补传统巡检机器人巡检范围无法拓展，巡检方式单一，检测手段固定的劣势。双体智能巡检机器人的应用，能更加全面的对设备进行巡视，减少传统巡检机器人应用的短板。同时，也减轻了运维人员的工作负担，减少运维工作中的漏检、不便巡检的情况。提升运维工作时效性，全面性。

在某些特殊环境下，特定设备的操作，可能因其特性对操作人员产生威胁。通过双体智能巡检机器人的末端操作机构，可辅助或代替人工进行操作，将最危险的环节交由机器人来完成，有效降低运维人员因意外情况受到的人身危害。同时，机器人也可代替人工进行意外情况的审核检查，例如安防、消防意外，运维人员通过远程操作控制机器人到达指定位置，通过机器人进行观察和检测，避免人员受到威胁。

5 结论

变电站双体智能巡检机器人性能更强，巡检方式更多更灵活，巡检内容更全面，双体机器人的应用范围增加后，有效提升巡检全面性，减少运维人员到设备区进行巡检的次数及时长，释放人员配置，同时能够有效提升人员安全性。通过系统互联对接，使机器人系统能够获取生产管理系统及第三方维护系统数据，已提供机器人智能巡检条件，使得机器人系统更加便利、智能，更能及时有效地发现电力设备运行缺陷，提高电网运行稳定性，提高企业经济效益。因此本项目研究成果兼具经济效益和社会效益，并拥有行业内推广应用的前景。

参考文献：

[1]H.Kobayashi，H.Nakamura，and T.Shimada，An Inspection Robot for Feeder Cables Basic Structure and Control[C].lecon1991.992-995.

[2]彭林，王绍亚.智能巡检机器人在无人值守变电站的应用探究[J].电子世界，2017（01）：157，159.

[3]龚勤慧.变电站智能巡检机器人研究综述[J].泸州职业技术学院学报，2015（2）：56-61.

[4]鲁守银.变电站设备巡检机器人的研制[J].电力系统自动化，2006，07（30）：94-98.

[5]毛琛琳.智能機器人巡检系统在变电站中的应用[J].电网与清洁能源，2009，09（25）：30-36.

[6]赵霞，袁家政.基于视觉的目标定位技术的研究进展[J].计算机科学，2016（06）：10-16，43.

[7]李耀，戴长建.图像光谱技术实现精确测温[J].光谱学与光谱分析，2016（01）：38-41.

[8]刘彩玲.浙江首个110千伏变电站智能巡检机器人在瑞安运行[EB/OL].（2014-01-28）[2014-12-20].http：//hvdc.chinapower.com.cn/membercenter/smartgrid/viewarticle.asp articleid=10305706&lanmuid;=114.

[9]陈玉波，袁秉森.一种轨道式变电站巡检机器人的研究与应用[J].电气应用，2015（07）：126-129.

[10]Beaudry J，Poirier S.Vehicule teleopere pour inspection visuelle et thermographique dans les postes de transformation[R].ReportIREQ-2012-0121，2012.