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1、 高压输电线路带电作业机器人技术研究 摘要：针对目前高压输电线路常见故障问题以及传统人工带电作业存在的效率和安全问题,本文提出一种集防震锤归位、螺栓紧固、异物清除功能于一体的可带电作业的机器人，代替人工作业，实现输电线路安全高效作业，有利于提升我国电力工业的自动化水平，提高电网经济效益和供电质量。关键词：高压；输电；机器人；安全高效0引言随着国家高压电网全面发展，高压输电线路的安全经济运行将为我国的工农业生产和经济建设提供坚强有力的电力支持。但是，输电线路螺栓紧固、防震锤归位、异物清除等基本仍由人工带电作业来完成，在高空、高电压、环境恶劣的高危条件下，人工作业效率低下，且由于特高压电网和多回路
2、杆塔的广泛应用，电压等级越来越高、相间距离越来越近，人工带电作业极为危险，亟需研发多功能机器人替代人工实现线路的安全高效带电作业1。1国内外研究水平的现状和发展趋势国外对高压输电线路巡检机器人的研究始于上世纪80年代，由日本、美国、加拿大等发达国家先后展开了对高压输电线路巡检机器人的研究。从国内外巡检机器人的发展来看，用于巡检机器人的行走机构主要有步进式行走机构和轮式行走机构。步进式行走机构通过多只手臂的交替移动完成在线爬行，行走移动为间断式，其移动速度缓慢，效率低。轮式行走机构依靠由电机驱动的行走轮与线路之间的摩擦，驱动机器人前进。轮式爬行行走机构具有移动平稳、速度快和效率高的特点，因此，目
3、前巡检机器人多采用此种轮式行走机构。如：日本东京电力公司研制了光纤复合架空地线巡检机器人，它采用两轮同时驱动行走机构实现在线行走，这种机器人行走机构具有结构紧凑，驱动力矩大的特点。加拿大魁北克水电研究院研制了HQLineRover遥控小车，它靠上方三个轮子实现驱动行走，下方轮子起到辅助行走及刹车的作用。该机器人靠轮式行走机构实现了在直线线路段的稳定行走。日本Hideo Nakamura等人开发了蛇形巡检机器人，该机器人有多个小车组合连接而成，每个小车自身携带驱动轮，通过各个小车协调驱动来实现机器人的在线移动2。国内在巡检机器人的研究方面主要有武汉大学、沈阳自动化研究所、中科院自动化研究所和山东
4、科技大学等单位。如武汉大学研制了架空高压输电线路自动爬行机器人，该机器人通过一对伞形轮来实现行走，亦采用了轮式行走机构。从高压输电线路巡检机器人的研究现状来看，轮式行走机构倍受研究人员的青睐，但在爬坡能力、运行的速度及运行的稳定性等方面还有待于进一步完善。开发输电线路先进检修系统已经成为当今电力行业的一项重要课题。这种具有广阔应用前景的特种作业机器人也是机械制造、高压绝缘、数学建模、电气控制、图像处理、通讯传输、传感器和机器人技术等多学术研究领域的综合性课题。输配电系统的带电检修作业技术发展可以分为以下4个阶段：阶段一：为绝缘装备应用阶段。操作人员戴着特制的绝缘装备直接对电气设备进行带电检修作
5、业。该种方式下的作业存在较大的安全隐患，许多国家都停止采纳了。阶段二：为绝缘工器具应用阶段。操作人员身穿绝缘装备，并通过绝缘工具间接地进行线路带电检修作业，该种方式下的带电检修作业要求操作人员具备丰富的现场操作经验，并且大都在户外高空进行作业，不仅工作时间长，劳动强度大，而且容易发生人身触电等意外事故。阶段三：为绝缘斗臂车应用阶段。与之前两个阶段相比，该种方式下的带电检修作业有了较大的进步，操作人员不用直接对电气设备进行带电检修作业，而是在绝缘斗臂车上进行带电检修作业。阶段四：为机器人应用阶段。利用高度智能化的机器人进行带电检修作业，不仅保证了操作人员的人身安全，还进一步提高了带电检修工作的效
6、率和操作流程的规范性，适合大范围的推广应用3。对于高压输电线路带电检修作业机器人的应用和发展大体可分为以下三代：第一代为主从控制式机器人-Phase，由高空作业车将作业人员送到指定的位置来操作带电作业机器人进行带电检修作业，虽然可以一定程度上减轻作业人员的劳动强度，减少发生意外事故的可能性，但是由于作业车内部空间狭小拥挤，而通常的带电检修作业需要多人同时协助操作，因此工作环境较为严苛，作业人员工作压力大。第二代为半自动机器人(人-机合作)-Phase，操作人员只需要在地面控制室对带电检修机器人进行控制来指导机器人进行带电作业，机器人通过摄像机、传感器来识别和确定目标，完成动作指令，提高了作业精
7、度和工作效率，一定程度上改善了作业人员的工作环境。第三代为全自动机器人-Phase，该种特制的作业机器人具有高度智能化，不仅对周围线路环境具备三维识别能力，并且具有自主作业决策和控制能力，是当前和未来一段时期内带电作业机器人的研究对象，这种全自动高压输电线路带电检修机器人目前尚处于研究试验阶段。国内对输配电线路检修作业机器人或自动化设备的研究由来已久，许多电力部门和供用电企业都早已认识到了利用机器人代替或辅助人工进行带电检修作业的重要性，并先后积极地与科研单位、研究所、高等院校等合作研制和推广输配电线路带电检修作业机器人。国内外高压输电线路机器人均以自动巡检和除冰作为主要作业功能，重点解决机器
8、人在输电线路上的行走、越障、监测、除冰等问题，大多不涉及防震锤、间隔棒带电更换、耐张线夹螺栓带电紧固等检修作业，目前对于此类带电检修作业机器人尚处于研究、开发、试验阶段，鲜有成功应用的报道。2研究内容2.1作业机器人总体设计针对作业任务需求，设计了作业机器人，机器人机械部分由非越障移动平台和作业机械手组成，其中非越障移动平台包括本体、机械臂、行走轮机构、夹爪以及等电位轮；作业机械手主要由螺栓固定装置和拧螺母装置、归位装置、异物清除装置等组成。2.2越障移动平台越障移动平台由本体、机械臂、行走轮机构、夹爪以及等电位轮构成。两机械臂在机体中间以固定的距离反对称布置， 实现机器人行走中力的平衡，行走
9、轮机构与机械臂相连，沿导线行走，在行走轮一侧均有一个能夹紧导线的夹爪装置进行护线，防止机器人在风摆等其他因素影响下坠落。同时，为了满足机器人等电位作业能力，采用等电位技术，在夹爪装置旁安装有等电位轮，保证机器人始终与导线等电位4。下图1为越障移动平台结构简图。下图2为越障移动平示意图。图1.越障移动平台结构简图图2.越障移动平台示意图2.3作业机械手作业机械手以移动机体为载体，其主要由螺栓固定装置和拧螺母装置组成，位于机体两侧布置，通过控制相关旋转关节可在竖直平面内转动，通过控制相关伸缩关节可以带动末端执行机构实现垂直方向的升降；纵向移动相关关节可以分别调整末端执行机构的中心面相对于碗头挂板中
10、心面和绝缘子串中心面的位置，同时满足防震锤归位、螺栓紧固、清除异物等操作5。下图3为作业机械手结构简图。图3.作业机械手结构简图3工作过程3.1上线阶段一种高压输电线路超声波异物清除作业机器人利用旋翼从地面起飞后，人工遥控控制使机器人逐渐靠近导线，通过目测机器人与导线在一定距离范围内后，机器人自动控制，当机器人上升到与导线一定距离时，启动机器人雷达系统，自动完成对导线的识别与探测，进而计算出二者间距后通过程序控制机器人进行姿态调整完成准确的自动上线。3.2滑行阶段依靠滑行滚轮进行线上滑行，滑行滚轮由位于机舱内的电机控制履带带动滚轮进行滑动，由于电机位于机舱内，可以有效避免高压导线与电机之间的感
11、应放电。这种滑行方式可以实现机器人方便快捷的线上行走，增加了灵活性的同时，也节省了自身电源的消耗6。3.3带电作业阶段（1）防震锤归位防震锤归位控制器内部判断高压输电线路状况是否可能存在损伤，执行相应的控制算法，决策继续飞行还是抓线着陆，若输电线路完好则保持原设定飞行路线不变；若高压输电线路防震锤可能存在移位，则需要越障移动平台进行抓线着陆，改变机构形态和飞行路线，减速缓慢降落到高压输电线路对应防震锤可能存在移位位置上，进行高压输电线路线上巡检；待线上巡检结束，控制器控制机器人改变机构形态，平稳缓慢竖直飞离高压输电线路，避免引起高压输电线路大幅度震荡。机器人的越障工具为臂式结构，采用类似人的攀
12、爬动作，在架空导线上遇到障碍物时，前臂松开导线向前伸展，完成越障之后再重新挂在导线上，同理后臂采取同样的方法进行越障，当整个机器人都跨越障碍物后视为越障完成。通过对无人机机身的速度变换、置态转换、降落位置改变的控制，使装置完成防震锤归位工作。（2）螺栓紧固螺栓紧固控制器采用的是视觉搜索识别定位方法，该方法分为两部分，基于参考物的螺栓追踪，通过设定引流线为参考物，先对引流线进行定位，然后沿着引流线方向来搜索螺栓，从而简化螺栓搜索过程，降低螺栓识别难度; 基于改进 Hough 变换的螺栓识别算法，通过对经典 Hough 变换的峰值选择策略进行改进来实现螺栓的精确识别，然后利用螺栓头部圆形特征来完成
13、螺栓中心的验证，并通过 HOG 和 SVM 技术来实现目标物体的识别分类，消除外界不相关物体对目标图像的影响，进一步提高识别精度。该方法能够高效地实现输电线路上螺栓的搜索、识别与定位，极大程度地提高了机器人的带电作业效率。3. 异物清除在机器人上线完成后，可根据需要进行绝缘带电作业。当发现线路有异物时，超声波控制器自动启动，发出超声波，清除线路异物。异物清除完毕，超声波控制器自动关闭。3.4越障或下线阶段当机器人在线上行走过程中，遇到间隔棒、绝缘子串或杆塔等障碍物，进行越障，使机器人脱离导线后从一侧绕过障碍物再进行上线。如果机器人完成巡线，则直接操作机器人下线即可。4关键技术4.1上下导线的关
14、键技术采用人工控制飞行上线方法，不仅需要机器人各项设备的准确稳定运行，同样要求操控人员具有更好的熟练性和应变能力。1. 通过地面站遥控的控制，使飞滑式巡线机器人从地面上升，在垂直方向上逐渐靠近高压导线。（2）当机器人距离导线较近时，利用巡检设备云台摄像机装置、上下线辅助引导装置及遥控调整机器人与导线的位置，使机器人在上升过程中，导线能够顺利进入引导装置与绝缘杆中间部位，进而微调机器人位置使滑行滚轮恰好落在导线上方。关闭飞滑式巡线机器人的飞行动力，即完成了机器人的上线7。（3）飞滑式巡线机器人的下线同样需要在摄像机、辅助引导装置、遥控控制三者结合下进行，只不过步骤与上线相反。采用机器人自动上下导
15、线方法，则需要一种不受电场干扰，能够精确有效的探测与导线距离的设备，还需要有稳定的飞控程序，能够实现快速上线的同时，保证出现失误的情况下能够由手动控制。4.2上线可靠性的关键技术在飞滑式巡线机器人上线的过程中，导线附近强烈的电磁环境可能会影响机器人的安全稳定，一旦二者之间发生感应放电，影响程度将会加重。我们需要设计绝缘挂杆的长度，避免上线后二者发生感应放电，从而减少干扰因素的产生。同时，需要研究发生感应放电后的干扰情况，选择不容易受到干扰的机器人控制和通信等设备8。4.3等电位作业的关键技术机器人上线完成后，关闭飞行动力装置。完成等电位搭接是本文另一个需要解决的技术难点。包括设计等电位搭接装置、等电位后电场环境的分析和改善措施。等电位搭接装置不仅要能够与导线紧密接触，又要弹性连接，且能够跟随机器人在导线上滑动。等电位后机器人电位与导线相同，机器人的尖端处必将因为带有如此高的电势而发生强烈电晕，如何改善等电位后这种情况，均在本文中得以解决。5 结语本文提出的一种能在带电情况下完成高压输电线路带电检修特别是耐张线夹螺栓带电紧固、防震锤归位、异物清除等多模态要求的，满足升-抓-爬作业环境要求的的高压输电线路带电巡检作业机器人，开辟了高压输电线路带电检修作业的新方向，改变了以往等电位作业由人工来进行操作的惯性思维，有利于提升我国电力工业的自动化水平，提高电网经济效益和供
