智能巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展

苗 俊，尤志鵬，袁齊坤，劉立文，王 璋

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局，云南曲靖 655000）

0 引言

智能巡檢機(jī)器人以智能化技術(shù)為基礎(chǔ)，具有可編程性，隨著技術(shù)發(fā)展，智能巡檢機(jī)器人的功能逐步完善，使得其在應(yīng)用過(guò)程中模擬人工操作，替代了傳統(tǒng)人工巡檢。這種巡檢方式較為靈活，受到外界氣候、環(huán)境等因素影響較小，適用于各種巡檢工作。智能巡檢機(jī)器人本身攜帶有紅外熱像儀等相關(guān)設(shè)備，可以在巡檢過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)與手動(dòng)巡檢環(huán)境因素的識(shí)別和把控、火警預(yù)警與消防等。總之，其功能逐步趨于完善，比傳統(tǒng)人工巡檢具有更大優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

1 智能巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

智能巡檢機(jī)器人最早源于20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)與加拿大等國(guó)家率先在電力行業(yè)中應(yīng)用了巡線機(jī)器人。到80 年代末，美國(guó)在此基礎(chǔ)上逐步使用了自主巡線機(jī)器人，該機(jī)器人可以自主進(jìn)行線路故障等的檢測(cè)與處理，從而取得巡檢效果。21 世紀(jì)初期，加拿大逐步使用了一種全新的帶電導(dǎo)線的巡檢機(jī)器人，這種機(jī)器人可以有效跨越線路的障礙等，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光與紅外視頻的檢測(cè)，能夠完成壓接管電阻測(cè)量等帶電作業(yè)任務(wù)。2008 年，美國(guó)逐步設(shè)計(jì)了一種全新的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人采用輪臂復(fù)合式結(jié)構(gòu)，兩臂前后對(duì)稱布置。最主要的創(chuàng)新在于輪爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人在進(jìn)行巡檢過(guò)程中能夠跨越多種障礙物，實(shí)現(xiàn)障礙檢測(cè)等。

國(guó)內(nèi)的巡檢機(jī)器人研究最初開(kāi)始于20 世紀(jì)90 年代，經(jīng)過(guò)多年研究，智能巡檢機(jī)器人逐步取得了一定發(fā)展成果，尤其是智能巡檢機(jī)器人在電力行業(yè)變電站中的應(yīng)用，取代了傳統(tǒng)人工巡檢，保證了巡檢工作順利開(kāi)展。隨著近年來(lái)智能巡檢機(jī)器人技術(shù)的提升，這方面的研究力度逐步加大，滿足了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中各方面需求。比如“AApe”系列電力檢測(cè)與作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、500 kV 超高壓環(huán)境下機(jī)器人機(jī)構(gòu)、自主控制、數(shù)據(jù)和圖像傳輸、電磁兼容等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了電力行業(yè)的整體發(fā)展水平，使得智能巡檢機(jī)器人逐步被應(yīng)用于電力行業(yè)發(fā)展的很多方面。

2 智能巡檢機(jī)器人概述

智能巡檢機(jī)器人類型多樣，如開(kāi)關(guān)室巡檢機(jī)器人、變電站巡檢機(jī)器人、廊道巡檢機(jī)器人。以廊道巡檢機(jī)器人為例，在實(shí)際應(yīng)用中可以綜合管廊監(jiān)控領(lǐng)域的各種功能，這種機(jī)器人適用于綜合管廊監(jiān)控區(qū)域?qū)崟r(shí)性要求較高的領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)中具備模塊化設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)用戶使用需求進(jìn)行功能模塊擴(kuò)展。該機(jī)器人的監(jiān)控模塊，還具備語(yǔ)音結(jié)構(gòu)、短信接口、報(bào)警管理和遠(yuǎn)程控制等模塊，可以滿足用戶多方面需求。

我國(guó)輸電線路具有點(diǎn)多面廣、地形復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣、電力線與桿塔等長(zhǎng)期暴露在野外的特點(diǎn)，使得輸電線路在使用中常常受到機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化等因素影響而出現(xiàn)斷股、磨損和腐蝕等問(wèn)題。因此，在這種情況下，就必須進(jìn)行輸電線路的定期巡視與檢查，及時(shí)了解和掌握輸電線路存在的各種問(wèn)題，必要情況下需要更換線路。智能巡檢機(jī)器人可以在輸電線路的管理與檢查中發(fā)揮重要作用，智能機(jī)器人通過(guò)自動(dòng)巡線，可以及時(shí)掌握輸電線路運(yùn)行與使用情況，了解周?chē)h(huán)境變化等，有利于線路運(yùn)行隱患等的排除。

輸電線路中的智能機(jī)器人使用機(jī)電一體化系統(tǒng)，包含機(jī)械系統(tǒng)、自動(dòng)控制、通信和傳感器等的融合，機(jī)械系統(tǒng)是智能巡檢機(jī)器人的核心技術(shù)。就我國(guó)目前智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用來(lái)看，輸電線路中對(duì)于智能巡檢機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)有著以下嚴(yán)格要求。

（1）從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度看，機(jī)械系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠在使用過(guò)程中具備滾動(dòng)、蠕動(dòng)、跨越、避讓輸電線路上障礙物的功能，能夠在使用過(guò)程中進(jìn)行空間位置等的靈活調(diào)整。

（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)需要具備一定負(fù)載能力，使得其能夠在應(yīng)用過(guò)程中根據(jù)需求進(jìn)行相關(guān)儀器與設(shè)備的安裝。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)需要具有輕巧、緊湊等特點(diǎn)，使得其攜帶方便，便于操作。

3 智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)

智能巡檢機(jī)器人包含的關(guān)鍵技術(shù)較多，移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)是其中重要內(nèi)容。巡檢機(jī)器人中仿生機(jī)構(gòu)的應(yīng)用較多，其中包含的關(guān)節(jié)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本身體積較大，具有較差的適應(yīng)能力與負(fù)載能力。基于其關(guān)節(jié)較多的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)控制難度系數(shù)較大，在控制過(guò)程需要注意精度的把控。由于機(jī)器人與人的動(dòng)態(tài)特性存在著較大差異，使得在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受到該特性的制約。因此，智能巡檢機(jī)器人需要具備小巧、靈活的特征，保證其在應(yīng)用中可以靈活進(jìn)行上下線的作業(yè)。但是，就目前情況來(lái)看，還不能完全滿足其應(yīng)用的實(shí)際需求。雖然很多研究人員將輕質(zhì)材料用于智能機(jī)器人設(shè)計(jì)，減輕了機(jī)器本身重量，但是也大大降低了機(jī)器本身的驅(qū)動(dòng)能力，加大了自身負(fù)載。

3.2 智能控制系統(tǒng)

智能巡檢機(jī)器人很多時(shí)候用于較為復(fù)雜、惡劣的環(huán)境條件，因此，對(duì)于控制系統(tǒng)要求極高。智能巡檢機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)，機(jī)器人自主跨越輸電線上的障礙物是智能系統(tǒng)中的重要內(nèi)容，在穿越障礙物時(shí)，兩只手臂分別懸掛于線上、脫線跨越以后進(jìn)行上線。在上線過(guò)程中需要結(jié)合輸電線位置的定位，根據(jù)定位以后的結(jié)果進(jìn)行上線操作。懸掛在導(dǎo)線上的機(jī)器人，會(huì)受到風(fēng)力、自身調(diào)整等作用影響，使得其或多或少地會(huì)產(chǎn)生重心偏移與擺動(dòng)，在這種情況下，就需要進(jìn)行定位方式的調(diào)整與轉(zhuǎn)換，使得機(jī)器人可以順利完成障礙的跨越。在智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用中，由于障礙物的類型具有多樣性，這就使得其在障礙物的跨越上需要進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，保證其運(yùn)行準(zhǔn)確性。

3.3 在線供電系統(tǒng)

智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，由于在線補(bǔ)給裝置的匱乏，使得在很多高壓輸電線上的儀器與帶電作業(yè)儀器等都采用電池供電的方式。電池供電的能力有限，其工作時(shí)間短、需要進(jìn)行頻繁地更換，嚴(yán)重影響了這些儀器與設(shè)備的可靠運(yùn)行。因此，在線供電系統(tǒng)的完善具有必要性與現(xiàn)實(shí)意義。隨著技術(shù)進(jìn)步，很多企業(yè)逐步采用小型汽油發(fā)電機(jī)的供電方式，汽油發(fā)電機(jī)本身攜帶有油箱，在使用過(guò)程中受到環(huán)境等因素影響，使得其運(yùn)行穩(wěn)定性較差。因此，為了保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最好可以直接從電力線上獲取電力資源，實(shí)現(xiàn)耦合供電。但是，該種方式還處于理論研究的階段，實(shí)踐應(yīng)用技術(shù)還不成熟，感應(yīng)取電電源的輸出功率較小，設(shè)備體積大，無(wú)法完全滿足行業(yè)發(fā)展的需求。因此，需要開(kāi)發(fā)使用一些設(shè)備體積較小、效率較高的感應(yīng)取電裝置。

3.4 導(dǎo)航與定位技術(shù)

智能巡檢機(jī)器人常常被應(yīng)用于野外環(huán)境，在這種情況下，機(jī)器人系統(tǒng)本身會(huì)受到高壓輸電線路周?chē)鷱?qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)的影響。因此，智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)于自動(dòng)導(dǎo)航傳感器有著極高的技術(shù)性要求。就目前智能巡檢機(jī)器人的發(fā)展條件來(lái)看，視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用較為普遍，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較高的空間與灰度分辨率，探測(cè)范圍較廣、精度極高，能夠準(zhǔn)確且快速地獲得相關(guān)信息。如果在設(shè)計(jì)中采用電磁傳感器，使得其沿著高壓輸電線路的相線加以導(dǎo)航，在這種設(shè)計(jì)模式下，其導(dǎo)航基本不會(huì)受到強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)等干擾。并且該傳感器本身具有小巧、靈活、重量輕的優(yōu)勢(shì)，軟件處理與計(jì)算的效率與精度較高，可以滿足生產(chǎn)生活使用需求，因此，這種傳感器的使用具有廣闊應(yīng)用空間。

3.5 巡檢機(jī)器人在線檢測(cè)方法與作業(yè)技術(shù)

智能巡檢機(jī)器人在應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于輸電線路故障的監(jiān)測(cè)一般采用離線監(jiān)測(cè)方式。具體來(lái)說(shuō)，由于機(jī)器人上搭載了相關(guān)的攝像頭，遠(yuǎn)程巡視線路故障，在這種情況下，機(jī)器人控制系統(tǒng)本身并不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。因此，需要在智能巡檢機(jī)器人研究中，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為研究重點(diǎn)，需要根據(jù)智能巡檢機(jī)器人發(fā)展的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)出一種較為可靠的輸電線損傷、斷股故障在線監(jiān)測(cè)方式，使得其能夠應(yīng)對(duì)機(jī)器人工作的各種環(huán)境。由于智能巡檢機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜，因此，對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)性要求較高，相關(guān)設(shè)備必須具有質(zhì)量輕、監(jiān)測(cè)精度高的特點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中受到外部干擾因素較小，使得其能夠?yàn)檠矙z工作的開(kāi)展提供重要的技術(shù)支持，保證巡檢工作質(zhì)量。智能巡檢機(jī)器人還可以利用多種傳感器進(jìn)行線路等的掃描，實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)。

智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用還會(huì)受到輸電線巡檢與作業(yè)任務(wù)的需求影響，這就使得機(jī)器人本身必須具有較好的線路維護(hù)能力。在這種情況下，機(jī)器人必須搭載相關(guān)模塊化的作業(yè)工作，使得其在運(yùn)行與使用的過(guò)程中能夠及時(shí)進(jìn)行線路故障的處理與維護(hù)，使得輸電線可以保持在穩(wěn)定、安全的運(yùn)行狀態(tài)下。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 基于多傳感器融合的輸電線巡檢機(jī)器人

隨著智能巡檢機(jī)器人技術(shù)的逐步發(fā)展，自主巡檢機(jī)器人技術(shù)、線路故障探測(cè)方式等逐步趨于成熟。智能巡檢機(jī)器人在未來(lái)應(yīng)用中將逐步集成多種傳感器，運(yùn)行多種傳感器融合的方式跨越障礙物、導(dǎo)航與定位等，使得機(jī)器人可以快速地實(shí)現(xiàn)故障判斷與定位，保證線路可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 基于組合作業(yè)模式的巡檢機(jī)器人

智能巡檢機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果具備多種任務(wù)的處理功能，那么其本身體積較大、重量較重，靈活性較差。在這種情況下，機(jī)器人的推廣應(yīng)用較為困難。巡線任務(wù)具有特殊性與復(fù)雜性，這就使得在未來(lái)應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)幾種作業(yè)方式的融合，比如機(jī)器人巡檢、在線監(jiān)控等的結(jié)合，從而完善巡檢作業(yè)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的信息共享。

4.3 基于智能電網(wǎng)的輸電線巡檢機(jī)器人

智能巡檢機(jī)器人在未來(lái)發(fā)展中要基于智能電網(wǎng)技術(shù)逐步完善其功能，發(fā)揮智能巡檢的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保證巡檢工作順利、高效進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)發(fā)展，智能巡檢技術(shù)逐步發(fā)展，智能巡檢機(jī)器人被應(yīng)用于很多行業(yè)，尤其是在電力行業(yè)中的應(yīng)用極為廣泛，充分發(fā)揮了其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升了智能機(jī)器人巡檢效率與質(zhì)量，使得智能巡檢機(jī)器人逐步取代了傳統(tǒng)人工操作，促進(jìn)了整個(gè)行業(yè)發(fā)展。