高压输电线机器人的研究现状及展望

宋莉玲 靳镕光 李静峰 牛刚刚 李亚亮 司云

【摘 要】本文首先分析了高压输电线机器人研究现状，接下来详细阐述了高压输电线巡线机器人以及高压输电线救援机器人，最后对机器人的检测方法以及高压输电线机器人的展望做具体论述，希望给行业内人士以借鉴和启发。

【关键词】输电线路;机器人;研究现状;发展趋势

引言

自20世纪初人类发明并使用三相交流电以来，高压电的传输技术向高容量、高电压、长距离等目标逐步发展。目前输配电能源的主要方式是使用高压架空电力线，因此不可避免地长期将电力线和塔架附件等暴露在野外，导致线路腐蚀、磨损等损坏。如果不能及时进行修复，可能会加剧原有的轻微缺陷和损坏，导致大规模停电事故并且对国民经济造成巨大的损失，因此，及时检测出损坏并快速修复是很有必要的。

1高压输电线机器人研究现状

从20世纪80年代末开始，美国、加拿大和日本等西方国家，着手对电力高压输电线机器人进行探究。东京电力公司Sawada教授等人1988年率先研发了拥有初步自主越障能力的巡检机器人，并将其命名为光纤复合架空地线巡检移动机器人。美国TRC于1989年成功开发出悬臂式自主检测机器人的原型，它不仅可以爬行于远距离的架空电线，还能执行视觉检查任务。加拿大水电魁北克研究中心于2008年开发出一款名为LinesScout的高压输电线路检测机器人。机器人基本结构上设置一个夹紧机构，可以有效阻止机器人两端的下落，确保机器人可以安全有效地工作。2008年，伊朗塞姆南大学机械工程学院开发了一种名为MoboLab的巡检机器人，它由三个配有滚轮的钳口装置夹紧并在导线上移动。针对高压地线通过塔顶之间顶与顶进行连接的特征，2009年瑞士苏黎世联邦理工学院的BuehringerM.等人研制出了一款名为CableCrawler的沿地线行驶巡检机器人，该机器人利用双对垂直滚筒通过直接挤压塔顶的方法进行越障。中国对高压电力线路检测机器人的研究与发达国家相比，起步时间较晚。武汉大学机器人研究所于1998年研发出具备自动越障功能的高压輸电线巡检车。该车为三轮驱动，具有稳固的越障功能和行走功能，可安稳地越过输电线路上的障碍物。2005年，中科院沈阳自动化研究所的王洪光等人开发出双臂反对称悬挂式检测机器人，机器人可将重力集中于单个臂，使检查机器人的另一个臂与传输线分开。湖北工业大学于2015年提出了基于磁悬浮的高压输电线路检测机器人，其避障机构通过检测机器人的整体结构和运行方式设计而得。

2高压输电线巡线机器人

巡线机器人可以实现在物联网下的高效远程控制，具有大数据下的智能自学习系统、灵活多变的任务模块和智慧电源系统。它是悬挂在高压输电线路上进行巡检，并通过物联网将数据传输到后台大数据中心，大数据中心可对数据进行自处理，运用互联网+技术，工作人员可通过电脑对巡线机器人进行实时监测和远程控制。物联网下的高效远程控制：巡检机器人将获取的信息通过移动数据网络上传后台大数据中心进行备份处理，后方总控中心可以实时监控机器人的实时情况并对机器人进行控制，通过互联网，维修人员也可以在获得许可的PC端和安装app的移动端实时获取数据以及实时控制。这样维修人员就可以在不攀爬塔线的情况下实时了解故障情况。灵活多变的任务模块：在机器人的上部设有可拓展的任务模块，可以根据任务需要有选择的更换金具维修模块、除冰模块、额外探测模块以及额外电源模块。从而适应不同的任务环境，做到实时维修，使检测更加细致，机器人的运行稳定性更高。

3高压输电线救援机器人

救援机器人由行走机构、压紧机构、机械臂、救援夹爪及控制箱组成。其中控制箱由各种控制元器件和电池组成，安装在机械臂的下端。行走机构的结构设计。行走机构由行走轮、行走轮轴、行走电机及减速器、编码器、行走电机罩、驱动盘、轴承等组成。行走电机与驱动盘相连，驱动盘带动行走轮转动，行走轮与行走轮轴之间装有轴承，实现机器人沿地线的滚动运动，其中编码器接在电机的后端，实现对机器人行驶路程的记录与反馈。其中，行走轮采用“V”型槽回转结构适应地线形状，当巡检机器人在地线上行驶时，行走轮将地线包覆。“V”型槽结构能使行走轮与地线接触面积增加，与压紧轮一起，将地线约束在结构中，使得机器人在行驶中过程具有高安全性。此外，行走轮选用特殊的耐磨材料，使之既可以增加与地线之间摩擦力，又能保护地线不被磨损。压紧机构的结构设计。压紧机构由压紧轮、压紧轮支架、压紧轮轮座、压紧弹簧、压紧螺母、碰检挡板、磁钢、霍尔传感器等组成。压紧机构通过丝杆螺母与机械臂连接，压紧轮支架一端与压紧螺母相连，一端套入压紧轮轮座孔内，并可使压紧轮轮座绕压紧轮支架轴线左右摆动，以适应不同倾斜角的导线。压紧轮采用尼龙66材料制作，使压紧轮耐磨、耐热，且电绝缘性好。在压紧轮的断面均布四个磁钢，压紧轮每旋转一周，安装在压紧轮轮座上的传感器就会检测到四个信号，由此可以计算压紧轮转速和行走距离。碰检挡板通过两弹簧与压紧轮轮座侧面柔性连接，并且挡板上装有磁钢，对应压紧轮轮座上固定有霍尔传感器。当机器人行走遇到防振锤等障碍物碰到碰检挡板时，碰检挡板受压力与压紧轮轮座贴紧时，传感器传出信号，从而告知前方有障碍物，此时电机驱动压紧丝杆转动从而带动压紧螺母及压紧机构向下移动，以避开障碍物前行。

4机器人的检测方法

现有的检测故障的方法有光学图像检测法、红外线检测法、超声波检测法、漏磁检测法、无线电频谱检测法、电涡流检测法以及超导量子干涉器件检测法等，但无论是较为成熟的还是尚处于实验阶段的各种检测技术均存在一定的局限性，不能很好地适用于输电线机器人自主巡检。总归起来，研究适应各种环境各种状态、抗干扰能力强、检测范围广、检测故障种类多并且真实可靠的检测技术是输电线机器人自主检测的关键技术。

5发展趋势

5.1分布式高压输电线机器人系统

尽管多感测输电线机器人具有其优点，但它们不可避免地带来大尺寸和过复杂控制的缺点。若线路检查任务由携带不同线路故障检测器的多个机器人完成，可以大大减小机器人的体积和功耗，降低开发难度;同时，多机器人协作可以使机器人系统通过每个机器人的信息传输产生更高的效率，它可以进一步提高线路故障的检测可靠性和灵敏度。

5.2自主控制系统与智能化发展

伴随现代化技术例如传感技术和无线通信技术的快速发展和成熟，检测机器人自身的控制系统中可以安装嵌入式PC104 工业计算机，其控制驱动可采用三种闭环工作模式，即速度、电流和位置，可轻松适应各种速度、扭矩控制和复杂的位置应用。当机器人处于自主越障时，传感器可以与专家知识库结合，完成行动计划和动作调整互相联合的越障行动。

结语

未来的输电线机器人将逐步走向多传感器智能式机器人，机器人能够自动拍摄线路情况，远程控制管理级能够自动接收机器人收集的信息并对其分析处理，实现故障自主检测并修复等方向发展。

参考文献：

[1]吴功平，戴锦春.具有自动越障功能的高压线巡线小车[J].水利电力机械，1999（1）：46-49.

[2]付双飞，王洪光，房立金，等.超高压输电线路巡检机器人越障控制问题的研究[J].机器人，2005，27（4）：341-345.

（作者单位：国网晋城供电公司）