機(jī)器人技術(shù)在架空電力線路檢測(cè)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)能源的需求越來越大，超高壓大容量電力線路大幅擴(kuò)建。線路走廊需要穿越各種復(fù)雜的地理環(huán)境，如經(jīng)過大面積達(dá)水庫(kù)、湖泊和崇山峻嶺等，這些都給電力線路的檢測(cè)帶來了很多困難。特別是對(duì)于電力線路穿越原始森林邊緣地區(qū)、高海拔、冰雪覆蓋區(qū)以及沿線存在頻繁多滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，大部分地區(qū)山高坡陡，交通和通訊極不發(fā)達(dá)時(shí)，如何解決電力線路的日常檢測(cè)成為困擾電力行業(yè)的一個(gè)重大難題。

傳統(tǒng)的輸電線路的巡檢主要采用兩種方法，即地面人工目測(cè)法和直升飛機(jī)航測(cè)法。前者的巡檢精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在巡檢盲區(qū)；后者則存在飛行安全隱患且巡線費(fèi)用昂貴。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，巡線機(jī)器人可以克服上述缺陷，因此，巡線機(jī)器人已成為特種機(jī)器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

移動(dòng)巡線機(jī)器人

目前國(guó)內(nèi)外研究的巡線機(jī)器人有兩種類型，一種是移動(dòng)巡線機(jī)器人，可以沿電力電線自主行走、跨越障礙并進(jìn)行線路巡檢。巡線機(jī)器人能夠帶電工作，以一定的速度沿輸電線爬行，并能跨越防震錘、耐張線夾、懸垂線夾、桿塔等障礙，利用攜帶的傳感儀器對(duì)桿塔、導(dǎo)線及避雷線、絕緣子、線路金具、線路通道等實(shí)施接近檢測(cè)。

國(guó)外巡線機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，日本、美國(guó)、加拿大、泰國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)先后開展了巡線機(jī)器人的研究。他們研制的巡線機(jī)器人可以分為兩類：一類是具有跨越障礙物功能，但結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大，因而實(shí)用性差，并大多仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段；另一類則只能在兩桿塔間的直線段巡線，不具備跨越障礙物功能，因而其巡線作業(yè)范圍受到極大限制。

東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復(fù)合架空地線（OPGW）巡檢移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人利用一對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和一對(duì)夾持輪沿地線（OPGW）爬行，能跨越地線上防震錘、螺旋減震器等障礙物。遇到線塔時(shí)，機(jī)器人采用仿人攀援機(jī)理，先展開攜帶的弧形手臂，手臂兩端勾住線塔兩側(cè)的地線，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)軌，然后本體順著導(dǎo)軌滑到線塔的另一側(cè)；待機(jī)器人夾持輪抱緊線塔另一側(cè)的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制有粗略和精確定位兩種模式，粗略控制是把線塔和地線的資料數(shù)據(jù)（線塔的高度、位置，地線長(zhǎng)度，線路上附件數(shù)量等）預(yù)先編制好程序輸入機(jī)器人，據(jù)此控制機(jī)器人的行走和越障；精確定位控制則根據(jù)傳感器反饋信息進(jìn)行控制。機(jī)器人攜帶的損傷探測(cè)單元采用渦流分析方法探測(cè)光纖復(fù)合架空地線鎧裝層的損傷情況，并把探測(cè)數(shù)據(jù)記錄到磁帶上。

國(guó)內(nèi)巡線機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代末，中國(guó)科學(xué)院、武漢大學(xué)等單位在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并申請(qǐng)了相關(guān)專利：

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所申請(qǐng)的發(fā)明專利200410020490.8（申請(qǐng)日：2004.04.30）涉及一種超高壓輸電線巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)。它由移動(dòng)車體、后手臂、前手臂組成，其中：移動(dòng)車體由本體和行走輪組成，行走輪通過水平轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副安裝在本體上，并與線相抓持，本體通過轉(zhuǎn)動(dòng)副分別與前、后手臂相連，手臂末端為手爪；所述前手臂、后手臂結(jié)構(gòu)相同，其中每一手臂由上臂、下臂兩部分組成，上臂為連桿及滾珠絲杠與滑塊組合結(jié)構(gòu)，通過水平轉(zhuǎn)動(dòng)副與下臂相連接，下臂為大行程伸縮機(jī)構(gòu)。該發(fā)明工作空間大、重量輕、能耗低且越障能力強(qiáng)。

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所申請(qǐng)的發(fā)明專利200310118302.0（申請(qǐng)日：2003.11.18）涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，是110kv高壓輸電線路自動(dòng)巡檢機(jī)器人的一個(gè)單體。該發(fā)明高壓輸電線路自動(dòng)巡檢機(jī)器人單體，由防護(hù)罩、驅(qū)動(dòng)臂、驅(qū)動(dòng)臂升降電機(jī)、小臂、小臂升降電機(jī)組成，其驅(qū)動(dòng)臂包括驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪軸、同步帶、同步帶輪、主電機(jī)、主電機(jī)輸出軸、開合電機(jī)、開合螺桿等，其中，主電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，使巡檢機(jī)器人單體在輸電線上行走，開合電機(jī)控制開合機(jī)構(gòu)，決定驅(qū)動(dòng)輪與輸電線之間的掛靠或撤離；其小臂中設(shè)有支撐輪和關(guān)節(jié)軸承，支撐輪槽曲率較大，與輸電線保持點(diǎn)接觸，有利于關(guān)節(jié)軸承對(duì)支撐輪姿態(tài)的自調(diào)節(jié)。該發(fā)明自動(dòng)巡檢機(jī)器人單體，可實(shí)現(xiàn)在輸電線上穩(wěn)定行走、跨越障礙物、緊急剎車等功能，取代了人工巡檢高壓輸電線路。

武漢大學(xué)申請(qǐng)的發(fā)明專利200510019930.2（申請(qǐng)日：2005.12.01）公開了一種高壓巡線機(jī)器人沿輸電線路進(jìn)行導(dǎo)航的方法，其特征在于：將一系列相同參數(shù)的電磁傳感器分別布置在機(jī)器人的手臂上，各組傳感器分別同軸線布置，讓機(jī)器人的各待調(diào)控部位的空間位姿狀態(tài)能通過各該部位的傳感器陣列組相對(duì)高壓輸電導(dǎo)線的距離表征。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)小巧，成本低廉；可避免強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，實(shí)用性強(qiáng)；控制算法簡(jiǎn)單，操作方便。如配備相應(yīng)的機(jī)器人設(shè)備，可以用來輔助完成高壓巡線機(jī)器人沿架空高壓輸電線路進(jìn)行全自動(dòng)化的巡檢作業(yè)。

山東大學(xué)申請(qǐng)的專利200510042569.5（申請(qǐng)日：2005.03.18）為沿110kV輸電線自主行走的機(jī)器人及其工作方法，由機(jī)器人本體、控制裝置、傳感器、檢測(cè)裝置和無線圖像傳輸設(shè)備組成；控制裝置和無線圖像傳輸設(shè)備安裝在機(jī)器人本體中間的控制箱內(nèi)，位置傳感器安裝在機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的末端，測(cè)距傳感器和檢測(cè)障礙用的視覺傳感器CCD安裝在每只手的前方，檢測(cè)裝置包括高速球攝像機(jī)和熱成像儀通過云臺(tái)與機(jī)器人本體相連。能夠在110kV輸電線路上平穩(wěn)行走，自主地跨越輸電線上的各種障礙，代替人進(jìn)行輸電線路的巡線工作，減輕輸電線路巡線的工作量，提高工作效率和檢測(cè)的精度，達(dá)到確保輸電線路安全運(yùn)行的突出特點(diǎn)。

巡檢飛行機(jī)器人

另一種是線路巡檢飛行機(jī)器人，采用小型無人飛行器，安裝CCD攝像機(jī)，可以超視距測(cè)控飛行和低空飛行，具有智能化程度高的特點(diǎn)。

如國(guó)外EA Technology公司研制的電線巡檢機(jī)器人Sprite是一種小型對(duì)稱旋翼飛行器，機(jī)身設(shè)計(jì)特別考慮到了空氣紊流的低影響，安裝了增穩(wěn)控制系統(tǒng)，可以在陣風(fēng)擾動(dòng)中平穩(wěn)飛行。飛行器安裝有一個(gè)高精度CCD攝像機(jī)，有一個(gè)變焦鏡頭安裝在主動(dòng)平衡系統(tǒng)上，平衡系統(tǒng)可以保證飛行器飛行時(shí)圖像的平穩(wěn)。

國(guó)內(nèi)華北電力大學(xué)申請(qǐng)的發(fā)明專利200410098960.2（申請(qǐng)日：2004.12.17）提供了一種電力線路巡檢機(jī)器人飛機(jī)及其控制系統(tǒng)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用共軸雙螺旋槳反向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)，通過控制兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比控制飛機(jī)機(jī)身的穩(wěn)定；使用GPS系統(tǒng)與GIS系統(tǒng)確定飛機(jī)的飛行軌跡，使用基于32位的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)處理器ARM的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行飛行姿態(tài)調(diào)整，使用蓄電池為發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)、檢測(cè)傳感器以及數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)提供電源。控制系統(tǒng)由電力線路巡檢機(jī)器人飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、基于多傳感器融合的在線檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)在于：有效的改善電力線路的監(jiān)控質(zhì)量，保障輸電網(wǎng)絡(luò)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，并且安全、可靠、適應(yīng)性好，監(jiān)測(cè)速度快，機(jī)器人飛機(jī)智能化程度高、可實(shí)現(xiàn)超視距測(cè)控飛行、程控自主飛行及自動(dòng)返航等多種功能。

電力線路巡線機(jī)器人是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用之一，今后各種機(jī)器人將在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮更大的作用，特別是在工業(yè)、危險(xiǎn)操作等領(lǐng)域替代人類，完成重要的工作，改善人們的工作生活。