架空輸電線路智能巡線機器人設計與研究

魯 杰，張兆廣，白雪松，陳 建，楊廣濤，季 寧

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北承德 067000）

0 引言

隨著我國電力事業(yè)的高速發(fā)展，架空輸電線路事故屢禁不止，直接影響電網(wǎng)的安全運行。鑒于電網(wǎng)供電可靠性和社會對電力的需求，無法停電處理架空輸電線路導、地線上的異物，而等電位施工選擇吊籃法或順著耐張絕緣子走到電場中，等電位施工人員在電場里通過輸電線路進入施工地點。等電位施工操作時，需要施工人員穿著屏蔽服，確認安全距離。等電位施工具備的特點是專業(yè)技術(shù)高、高空施工強度大、操作復雜。因此該技術(shù)無法全面開展，難以確保作業(yè)人員和設備的安全，安全風險很大[1-2]。

本文在帶電的條件下引進機器人技術(shù)，機器人配置有多種工作形式的機構(gòu)進行特定檢修作業(yè)，有效解決架空輸電線路帶電檢修工作的難題，降低運維工作量，避免運維人員登桿操作，提高了帶電搶修效率，保護了作業(yè)人員的人身安全[3-4]。

本文通過研究架空輸電線路智能巡線機器人，將徹底解決目前電力線路異物清除的成本和技術(shù)兩大瓶頸。使電網(wǎng)日常維護管理向自動化、智能化發(fā)展，提高電網(wǎng)的安全運行水平、最大限度的消除危害電網(wǎng)運行的安全隱患，提高電網(wǎng)應對突發(fā)事故等能力，解決電力線路異物影響安全的問題[5]。

1 巡線機器人投放和回收

架空輸電線路巡線機器人主要在截面積不小于50 mm2的導、地線上行走，通過搭載的任務載荷，對輸電線路、附屬設施及走廊通道進行巡檢。機器人通過桿塔、懸垂線夾、防振錘、接續(xù)管，需對塔頭進行局部改造，加裝過橋，實現(xiàn)耐張桿塔穿越。機器人上下桿塔需要通過人工吊裝、配套上下線裝置或機械臂裝置實現(xiàn)。機器人越障技術(shù)方案多樣，但總體效率低下、可靠性不足。同時由于攀爬越障大量采用仿生結(jié)構(gòu)，造成機器人結(jié)構(gòu)復雜、總體質(zhì)量偏高。在導、地線上行走時，對導、地線造成額外的負重，且不便于運輸和現(xiàn)場作業(yè)快速部署[6-7]。

為避免機器人與無人機對接時產(chǎn)生的沖擊，電磁鐵與無人機之間采用多根繩索連接的方式。同時為了避免機器人在空中晃動，需要根據(jù)機器人、電磁鐵的質(zhì)量及安全距離等對繩索的安裝角度進行詳細設計。在需要對機器人實行對接與放置時，通過機上攝像頭觀察電磁鐵和鐵塊相對位置狀態(tài)，通過遙控器給出對接或放置指令，實現(xiàn)機器人的自動對接和放置。然后利用無人機的自主飛控技術(shù)與預先的航跡規(guī)劃功能，使無人機飛行到機器人上方對接位置，通過機上攝像頭觀察連接狀態(tài)，通過遙控器給出對接或放置指令，實現(xiàn)機器人的自動對接，實現(xiàn)機器人和電纜的脫離和返航。

無人機下降過程中，利用激光測距模塊獲取導線與無人機之間的準確距離，同時地面操作人員通過下視攝像頭進一步確認投放位置。當巡線機器人的夾持輪接觸導線后，地面操作人員發(fā)送電磁鐵斷電的指令，巡線機器人脫離電磁鐵，落到導線上。

在巡線機器人上安裝RTK 移動端，通過組網(wǎng)電臺的方式將巡線機器人位置信息發(fā)送到無人機和地面站，進而控制無人機飛到巡線機器人上方，地面操作人員通過攝像頭及激光測距模塊確認機器人和電磁鐵的距離后，適時發(fā)送電磁鐵通電的指令，實現(xiàn)巡線機器人的回收。

2 巡線機器人功能設計

機器人設計為鋁合金一體式外殼，實現(xiàn)設備等電位屏蔽。設備整體電路采用多層屏蔽及電路優(yōu)化設計，電子元件采用高性能元器件，實現(xiàn)機器人在強電磁環(huán)境下無線數(shù)據(jù)與圖像正常傳輸。在強電磁環(huán)境下，遙控距離不小于200 m。針對防振錘更換、導線修補、異物清除等不同作業(yè)功能，巡線機器人的作業(yè)平臺具備多自由度機械臂。對主從機械臂不同工作特點進行運動學建模，研制輕量化、高自由度、結(jié)構(gòu)設計緊湊、控制精度高、力反饋靈敏的機械臂，通用夾持工具，實現(xiàn)不同作業(yè)功能。

利用架空輸電線路帶電檢修作業(yè)平臺，針對防振錘更換、耐張線夾引流板螺栓緊固、金具銷拔插、導線修補、異物清除等帶電作業(yè)類型，研制專用末端作業(yè)工器具。其中，導線修補機器人采取壓接線夾式修補方式，可完成損傷面積不超過7%的導線、地線；異物清理機采用飛刀片切割的方式，在不傷及線路的前提下，固定并清理掛在線路上的大棚、風箏線等異物；防振錘更換機器人在防振錘滑移或丟失的情況下，通過切除及安裝機頭，實現(xiàn)防振錘更換。加裝末端工具后的帶電檢修作業(yè)平臺均小于20 kg。

開發(fā)能與巡線機器人平臺組裝的絕緣子更換、防振錘更換、耐張線夾引流板螺栓緊固、金具銷拔插、導線修補、異物清除末端工具，實現(xiàn)移動機器人跨越障礙物后進行檢修作業(yè)，如圖1 所示。

圖1 巡線機器人功能要求

選擇適用于線路檢修機器人的小型化電源技術(shù)，提高電源的功率密度，在保證續(xù)航的同時減輕設備的體積與重量。通過儲備電池驅(qū)動整個設備在架空輸電線路導、地線行走，整個工作機構(gòu)動力源由儲備電池供給。設備的輕型化、小型化提供了更好的行走性能和更長的額定工作時間。

對于平臺小型化的要求可通過進一步優(yōu)化精簡機械系統(tǒng)冗余機構(gòu)，硬件測控平臺采用模塊化設計實現(xiàn)。機器人硬件測控系統(tǒng)選用質(zhì)量好、體積小、重量輕的元器件。機器人所攜帶的電池在整個重量中占很大比重，研究適用于巡線機器人的微小型電源，通過對電源的優(yōu)化，提高電源的功率密度，在保證續(xù)航和作業(yè)能力的同時減輕系統(tǒng)設備的體積與重量，通過上述各種方式的結(jié)合與實施進一步滿足機器人小型化、輕量化的設計要求。

運用先進無線遙控電子技術(shù)，通過機電自動化設計，參照智能機器人研究方向，使設備具備智能監(jiān)控、智能遙控操作。巡線機器人擁有數(shù)據(jù)診斷傳輸系統(tǒng)及動力系統(tǒng)等功能，使得設備能夠進行巡視、檢測與清障操作，還能夠?qū)崿F(xiàn)跨越間隔棒、直線管及金具等線路附件。巡線機器人工作過程中，操作人員經(jīng)由視頻監(jiān)控控制機器人工作，操作過程更加智能化。適用于城市、野外、桿塔附近、桿塔檔距中間全線路帶電線路導、地線異物清除、導線修補，以及其他擴展功能。巡線機器人采用異物切割電機運行異常保護、異常自恢復控制系統(tǒng)，保證整機系統(tǒng)安全可靠運行。切割機構(gòu)與導線之間采用嚴格互鎖定位方式，可避免切割到導線的意外發(fā)生。使用一個專用遙控發(fā)射器，便可控制設備行走、切割、下線，操作簡單，便于一線作業(yè)人員掌握使用。使用一個專用主機搭配不同功能的機頭，可完成多種作業(yè)功能，操作方法簡單（圖2）。

圖2 巡線機器人功能實現(xiàn)

巡線機器人的特性有：①先進性：采用先進的機器人技術(shù)，綜合自動控制、傳感識別技術(shù)等先進技術(shù)，結(jié)合新工藝，采用新材料，在整體上具有明顯的先進性；②實用性：整機重量輕、操作簡單、便于運輸攜帶，可以代替人工作業(yè)；③適應性：適應各種結(jié)構(gòu)形式、規(guī)格型號的導、地線，適應各種材料及形式的異物，有明顯的適應性優(yōu)勢；④穩(wěn)定性：設備裝置安全可靠，性能穩(wěn)定、工作效率高，具有實際應用價值；⑤擴展性：設備裝置具有專用接口，控制部件采用模塊式結(jié)構(gòu)，可方便靈活安裝各種形式的清除工具，具有強大的可擴展性；⑥經(jīng)濟性：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用靈活，比人工出線作業(yè)具有明顯的經(jīng)濟性。

巡線機器人功能要求有：①設備設計操作方便、作業(yè)安全，可帶電安裝；②安裝后不會對線路自身結(jié)構(gòu)特性和后期運行維護造成安全隱患；③能視頻觀測、探測線表缺陷，探測線型、線號、缺陷位置；④能適應不同的預絞絲型號，能按既定纏繞程序進行工作；⑤能視頻傳輸工作過程，實時監(jiān)控現(xiàn)場，遙控作業(yè)；⑥具備安全防護設計，任何情況下保護導線；⑦最大限度減小電位差，減少強電磁場對機器人硬件控制系統(tǒng)的電磁干擾，防高電流、防高電磁、防高電壓；⑧具有加電自啟動、在線自診斷功能；⑨具有遠程設置纏繞數(shù)據(jù)，能在異常情況下告警并自動停止工作；⑩能設置各項參數(shù)數(shù)據(jù)采集，也可以向裝置發(fā)送對即時命令；自動控制終端設備工作狀態(tài)，提供預警功能；具有障礙物識別及線路越障功能的半自智能越障能力；強電磁環(huán)境下無線數(shù)據(jù)與圖像傳輸及機器人控制能力；線路帶電檢修機器人帶電作業(yè)多自由度機械臂；線路帶電檢修機器人末端工具作業(yè)工具；帶電檢修機器人多臂協(xié)調(diào)運動控制，伸縮臂可以帶動作業(yè)裝置做前后位移，左右位移機構(gòu)則可以帶動作業(yè)裝置左右移動，改變作業(yè)裝置的空間位置和姿態(tài)；適用于線路帶電檢修作業(yè)的輕型電源；機頭本身不帶控制系統(tǒng)和電源，電源和控制信號由主機提供；機器人線上部分重量小于19 kg，設備懸掛于導、地線上，對導、地線無損傷；安裝、操作方式簡單快捷；采用耐腐蝕、防銹材料，保證設備的耐用性。

3 巡線機器人本體的設計與實現(xiàn)

巡線機器人在不停電環(huán)境下操作使用，通過自夾緊行走機構(gòu)在各種規(guī)格的鋼絞線、鋁絞線、鋁包鋼絞線、OPGW 光纜等導、地線搭載雙刀頭切割機構(gòu)，在電纜上自由行走，爬坡越障，遇到異物后，機械手定位裝置夾緊異物，雙刀頭旋轉(zhuǎn)并來回移動達到切割清除異物的目的，作業(yè)全程全部無線電子遙控和視頻監(jiān)控，無需人工出線即可自動清除高壓輸電線路上各種形式的異物，在清除的過程中不損傷導、地線本身。

通過無人機將機器人送到高壓線路上后便開始自動工作。在定位系統(tǒng)的作用下，機器人采用滑輪的方式運行，遇到線路上的障礙物時，通過搭載無人機的方式跨越，巡線機器人上安裝了監(jiān)控裝置，采集輸電線路狀態(tài)，并采用無線發(fā)送方式把采集的信息發(fā)送給地面基站。運維人員通過這些數(shù)據(jù)，獲得架空輸電線路的運行狀態(tài)（圖3）。

圖3 巡線機器人控制

巡線機器人是由行走機（主機）、異物切割頭（或其他功能作業(yè)機頭）、無線攝像頭、視頻無線傳輸定向天線、電池及主控板等部分構(gòu)成。主機的作用是攜帶其他裝置，在輸電線路上運行。電池及主控板安裝在主機里面，視頻采集系統(tǒng)安裝在主機的前端，無線視頻傳輸天線安裝在主機后面，操作人員在地面采用遙控裝置控制巡線機器人運行，作業(yè)機頭和巡視過程通過視頻采集裝置發(fā)送給地面控制系統(tǒng)，使得操作人員實時獲得線路的運行狀態(tài)。

巡線機器人能夠在輸電線路上行走的原理為：橡膠輪與導線之間的摩擦力促使機器人向前，全程采用蝸輪螺桿減速電機負責。簡單的說，電機的轉(zhuǎn)動，在鏈條的連接下帶動橡膠輪的轉(zhuǎn)動，而橡膠輪和下面導、地線托架夾緊，從而產(chǎn)生了向前的摩擦力。后退也是同樣的原理。在解決沿地線順暢行走與避免設備沿地線滑動方面，采取了創(chuàng)新的思路和手段（圖4）。行走系統(tǒng)采用同步聯(lián)動多輪驅(qū)動機構(gòu)，行走部分主要由兩部分組成，即由同步減速馬達驅(qū)動的主動輪和帶壓力感應的彈性托輪，減速馬達由鏈條、鏈輪傳動，行走驅(qū)動輪材料為橡膠及高強度合金鋁輪廓組成，托輪部分采用彈簧支撐并配備壓力傳感器，與地線接觸的橡膠內(nèi)芯采用圓弧形凹槽設計，可以適應各種規(guī)格的鋼絞線、鋁絞線、鋁包鋼絞線、OPGW 光纜等地線?？蛇m應各種規(guī)格導、地線，并且可平穩(wěn)通過壓接管、防振錘等障礙物，同時具備大于45°的爬坡能力，滿足不同條件下的導、地線弧垂。

圖4 主機行走機構(gòu)

在設備上線后，步進電機施加壓力使驅(qū)動輪和地線緊密咬合，高強度鋁合金輪轂，保證了驅(qū)動輪不變形，橡膠內(nèi)芯咬合變形，形成靜摩擦力，超過了巡線機器人自身45°爬坡過程中的最大下滑力，即便外加風速，線路上有覆冰的情況下，依然能夠保證巡線機器人可以穩(wěn)定工作。

巡線機器人選擇橡膠內(nèi)芯的方式，使得整個系統(tǒng)具備了很高的摩擦因數(shù)，托輪部分采用彈簧支撐，與從而使機器人在最大爬坡難度情況下，依然可以穩(wěn)定工作，始終保持托輪與地線間的壓力。

以切割清理工具為例：切割清除平臺設計了切割自動行程控制系統(tǒng)，具有最大行程限制，當?shù)孛娌僮魅藛T按下切割鍵后，切割頭推進系統(tǒng)推動切割頭向前伸出主機進行切割，只有在切割頭前進時切割電機才會開始工作，當?shù)竭_最大伸出行程時切割頭自動退回，在切割頭退回過程中切割電機停止工作，這樣即節(jié)省了電力，同時避免了切割設備退回時纏繞異物造成意外。

切割過程設計為往復式工作模式，當切割過程因異物材質(zhì)及尺寸等方面因素受阻時，切割平臺可以退回再前進的往復式操作，避免因切割頭卡死而無法繼續(xù)工作。當異物尺寸較大，單次行程無法完成切割時，可遙控主機前進至異物跟前往復直致異物完全被清除。