智能巡检机器人研究现状与发展

2019-02-17尤志鹏袁齐坤刘立文

设备管理与维修 2019年24期

苗俊，尤志鹏，袁齐坤，刘立文，王璋

（云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南曲靖 655000）

0 引言

智能巡检机器人以智能化技术为基础，具有可编程性，随着技术发展，智能巡检机器人的功能逐步完善，使得其在应用过程中模拟人工操作，替代了传统人工巡检。这种巡检方式较为灵活，受到外界气候、环境等因素影响较小，适用于各种巡检工作。智能巡检机器人本身携带有红外热像仪等相关设备，可以在巡检过程中进行自动与手动巡检环境因素的识别和把控、火警预警与消防等。总之，其功能逐步趋于完善，比传统人工巡检具有更大优势，应用前景广阔。

1 智能巡检机器人的研究现状

智能巡检机器人最早源于20 世纪80 年代，美国与加拿大等国家率先在电力行业中应用了巡线机器人。到80 年代末，美国在此基础上逐步使用了自主巡线机器人，该机器人可以自主进行线路故障等的检测与处理，从而取得巡检效果。21 世纪初期，加拿大逐步使用了一种全新的带电导线的巡检机器人，这种机器人可以有效跨越线路的障碍等，还可以实现对可见光与红外视频的检测，能够完成压接管电阻测量等带电作业任务。2008 年，美国逐步设计了一种全新的巡检机器人系统，该机器人采用轮臂复合式结构，两臂前后对称布置。最主要的创新在于轮爪的结构设计与自适应结构设计，这种结构使得机器人在进行巡检过程中能够跨越多种障碍物，实现障碍检测等。

国内的巡检机器人研究最初开始于20 世纪90 年代，经过多年研究，智能巡检机器人逐步取得了一定发展成果，尤其是智能巡检机器人在电力行业变电站中的应用，取代了传统人工巡检，保证了巡检工作顺利开展。随着近年来智能巡检机器人技术的提升，这方面的研究力度逐步加大，满足了经济社会发展中各方面需求。比如“AApe”系列电力检测与作业机器人系统、500 kV 超高压环境下机器人机构、自主控制、数据和图像传输、电磁兼容等多项关键技术的应用，促进了电力行业的整体发展水平，使得智能巡检机器人逐步被应用于电力行业发展的很多方面。

2 智能巡检机器人概述

智能巡检机器人类型多样，如开关室巡检机器人、变电站巡检机器人、廊道巡检机器人。以廊道巡检机器人为例，在实际应用中可以综合管廊监控领域的各种功能，这种机器人适用于综合管廊监控区域实时性要求较高的领域。在设计中具备模块化设计的整体结构，在实际应用中可以根据用户使用需求进行功能模块扩展。该机器人的监控模块，还具备语音结构、短信接口、报警管理和远程控制等模块，可以满足用户多方面需求。

我国输电线路具有点多面广、地形复杂、自然环境恶劣、电力线与杆塔等长期暴露在野外的特点，使得输电线路在使用中常常受到机械张力、电气闪络、材料老化等因素影响而出现断股、磨损和腐蚀等问题。因此，在这种情况下，就必须进行输电线路的定期巡视与检查，及时了解和掌握输电线路存在的各种问题，必要情况下需要更换线路。智能巡检机器人可以在输电线路的管理与检查中发挥重要作用，智能机器人通过自动巡线，可以及时掌握输电线路运行与使用情况，了解周围环境变化等，有利于线路运行隐患等的排除。

输电线路中的智能机器人使用机电一体化系统，包含机械系统、自动控制、通信和传感器等的融合，机械系统是智能巡检机器人的核心技术。就我国目前智能巡检机器人的应用来看，输电线路中对于智能巡检机器人的机械系统有着以下严格要求。

（1）从运动学角度看，机械系统与结构应该能够在使用过程中具备滚动、蠕动、跨越、避让输电线路上障碍物的功能，能够在使用过程中进行空间位置等的灵活调整。

（2）机械结构需要具备一定负载能力，使得其能够在应用过程中根据需求进行相关仪器与设备的安装。

（3）机械结构需要具有轻巧、紧凑等特点，使得其携带方便，便于操作。

3 智能巡检机器人关键技术

3.1 巡检机器人机构

智能巡检机器人包含的关键技术较多，移动机器人机构是其中重要内容。巡检机器人中仿生机构的应用较多，其中包含的关节较多，结构复杂，本身体积较大，具有较差的适应能力与负载能力。基于其关节较多的特点，其运动控制难度系数较大，在控制过程需要注意精度的把控。由于机器人与人的动态特性存在着较大差异，使得在实际应用过程中受到该特性的制约。因此，智能巡检机器人需要具备小巧、灵活的特征，保证其在应用中可以灵活进行上下线的作业。但是，就目前情况来看，还不能完全满足其应用的实际需求。虽然很多研究人员将轻质材料用于智能机器人设计，减轻了机器本身重量，但是也大大降低了机器本身的驱动能力，加大了自身负载。

3.2 智能控制系统

智能巡检机器人很多时候用于较为复杂、恶劣的环境条件，因此，对于控制系统要求极高。智能巡检机器人的整体设计，机器人自主跨越输电线上的障碍物是智能系统中的重要内容，在穿越障碍物时，两只手臂分别悬挂于线上、脱线跨越以后进行上线。在上线过程中需要结合输电线位置的定位，根据定位以后的结果进行上线操作。悬挂在导线上的机器人，会受到风力、自身调整等作用影响，使得其或多或少地会产生重心偏移与摆动，在这种情况下，就需要进行定位方式的调整与转换，使得机器人可以顺利完成障碍的跨越。在智能巡检机器人的应用中，由于障碍物的类型具有多样性，这就使得其在障碍物的跨越上需要进行科学的运动规划，保证其运行准确性。

3.3 在线供电系统

智能巡检机器人的应用，由于在线补给装置的匮乏，使得在很多高压输电线上的仪器与带电作业仪器等都采用电池供电的方式。电池供电的能力有限，其工作时间短、需要进行频繁地更换，严重影响了这些仪器与设备的可靠运行。因此，在线供电系统的完善具有必要性与现实意义。随着技术进步，很多企业逐步采用小型汽油发电机的供电方式，汽油发电机本身携带有油箱，在使用过程中受到环境等因素影响，使得其运行稳定性较差。因此，为了保证供电系统的稳定性，最好可以直接从电力线上获取电力资源，实现耦合供电。但是，该种方式还处于理论研究的阶段，实践应用技术还不成熟，感应取电电源的输出功率较小，设备体积大，无法完全满足行业发展的需求。因此，需要开发使用一些设备体积较小、效率较高的感应取电装置。

3.4 导航与定位技术

智能巡检机器人常常被应用于野外环境，在这种情况下，机器人系统本身会受到高压输电线路周围强电场、强磁场的影响。因此，智能巡检机器人系统对于自动导航传感器有着极高的技术性要求。就目前智能巡检机器人的发展条件来看，视觉导航技术的应用较为普遍，在实际应用过程中具有较高的空间与灰度分辨率，探测范围较广、精度极高，能够准确且快速地获得相关信息。如果在设计中采用电磁传感器，使得其沿着高压输电线路的相线加以导航，在这种设计模式下，其导航基本不会受到强电场、强磁场等干扰。并且该传感器本身具有小巧、灵活、重量轻的优势，软件处理与计算的效率与精度较高，可以满足生产生活使用需求，因此，这种传感器的使用具有广阔应用空间。

3.5 巡检机器人在线检测方法与作业技术

智能巡检机器人在应用过程中，对于输电线路故障的监测一般采用离线监测方式。具体来说，由于机器人上搭载了相关的摄像头，远程巡视线路故障，在这种情况下，机器人控制系统本身并不能实现实时监测功能。因此，需要在智能巡检机器人研究中，将实时监测技术作为研究重点，需要根据智能巡检机器人发展的实际需求，开发出一种较为可靠的输电线损伤、断股故障在线监测方式，使得其能够应对机器人工作的各种环境。由于智能巡检机器人工作环境复杂，因此，对于监测系统的技术性要求较高，相关设备必须具有质量轻、监测精度高的特点。在监测过程中受到外部干扰因素较小，使得其能够为巡检工作的开展提供重要的技术支持，保证巡检工作质量。智能巡检机器人还可以利用多种传感器进行线路等的扫描，实现故障监测。

智能巡检机器人的应用还会受到输电线巡检与作业任务的需求影响，这就使得机器人本身必须具有较好的线路维护能力。在这种情况下，机器人必须搭载相关模块化的作业工作，使得其在运行与使用的过程中能够及时进行线路故障的处理与维护，使得输电线可以保持在稳定、安全的运行状态下。