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1、电力行业机器人应用概述目录1.1 定义31.1.1 机器人的定义31.1.2 电力机器人的定义51.2 发展历程71.2.1 机器人学的发展历程71.2.2 电力机器人的现状81.3 分类101.3.1 机器人学的分类101.3.2 电力机器人的分类111.1 定义1.1.1 机器人的定义“机器人”这个词起源于在1920年发表的科幻剧本罗萨姆的万能机器人（Rossums Universal Robots）。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是一家公司发明的形状像人的机器， 可以听从人的命令做各种工作。自此以后，像人一样的机器出现在很多科幻小说中，国内
2、将“Robot”翻译成“机器人”。其实，机器人不全是像人一样的机器，是一种可以运动的机械电子装置。虽然是卡佩克将“Robot”这个词代表的一种机械电子装置的概念推向了世界，但是“Robotics”（机器人学）这个词是由美国科幻小说家伊塞克阿西莫夫首次提出来的，并且他在1950年出版的我，机器人（I，Robot）一书中提出了“机器人三原则”：（1） 机器人不可伤害人或由于故障而使人遭受不幸；（2） 机器人应执行人所下达的指令，除非这些指令与原则（1）相矛盾；（3） 在原则（1）、（2）不矛盾的前提下，机器人应能保护自己的生存。那么，什么是机器人呢？国内外不同的学者对机器人有不同的定义。英国牛津字
3、典的定义为：“貌似人的自动机，具有智力的、顺从于人的但不具有人格的机器。”日本机器人学者森政弘与合田周平提出的定义为：机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性7个特征的柔性机器。日本著名机器人专家加藤一郎提出了机器人应具有3个条件：脑、手、脚等三要素的个体；非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；平衡觉和固有觉的传感器。日本工业机器人协会的定义为：一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。美
4、国机器协会的定义：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。美国国家标准局的定义：一种能够进行编程并在自动控制下执行某种引起操作和移动作业任务的机械装置。国际标准化组织对工业机器人进行了定义：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。中国机器人学者对机器人的一种定义为：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性
5、的自动化机器。中国机器人综合了国外对机器人的定义后，提出了机器人应具有的特点 为：机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官的功能；机器人具有通用性， 工作种类多样，动作程序灵活易变；机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推 理、决策、学习等；机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。1.1.2 电力机器人的定义随着全球资源、环境压力的不断增大，电力市场化进程的不断深入，以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战和机遇，建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统，已经成为全球电力行业的共同目标。在电力系统中，由于电能生产、输送、分配和使
6、用的连续性，对系统中各设备单元的安全可靠运行都有很高的要求。电网任何环节的可靠性及运行情况直接决定着整个电力系统的稳定和安全，检修是保证各环节设备健康运行的必要手段，做好检修工作及早发现事故隐患并及时予以排除， 使电力设备始终以良好的状态投入运行具有重要的意义。目前，设备检修模式正处于由定期检修向状态检修的过渡阶段，电力系统大部分单位设备检修还在采用定期检修和故障检修相结合的模式。定期检修模式主要存在以下缺点：（1） 没有考虑设备的实际状况，单纯按规定的周期开展设备预防性试验和检修，存在“小病大治，无病也治”的盲目现象。（2） 随着电网规模迅速发展，定期检修工作量剧增，检修人员紧缺问题日益突出
7、。据统计，截至2011年底，国家电网公司共有66kV及以上架空输电线路31440回，总计长度635241.3km。直接从事输电线路运行、检修、带电作业（试验）的班组（工区）共计23457人，人均维护线路长度为26.8km。（3） 近年来设备装备水平和制造质量大幅提升，早期制定的设备检修、试验规程滞后于装备水平的进步。显然，定期检修模式的存在不能满足坚强智能电网建设的要求，智能电网建设要求对电力系统的发、输、配、用各个环节进行有效的维护，以保证电网的可靠、经济运行，但目前电网的运行维护主要是人工方式，往往会造成设备过修或失修的问题，难以建立电网系统的智能化维护体系。电力机器人的应用可使建立电网各
8、环节的智能化维护体系成为可能。电力机器人是服务于电力系统生产的一种特殊用途的工业机器人，是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的电力系统生产环境和作业的需要，它具有至少一项或多项拟人功能，如带电作业功能或巡检功能，或两者兼有之，另外还可能不同程度地具有某些环境感知功能（如视觉、力觉、触觉、接近觉等）以及语音功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在电力系统的生产环境中代替人或辅助人进行电力系统生产过程中的带电抢修和维护作业。目前，电力机器人在电力系统输、变、配、用各个领域都得到一定应用，已经形成了架空输电线路巡检机器人、变电站巡检机器人、配电系统带电作业机器人、电动汽车换电机器人
9、及架空输电线路无人机巡检系统，为电力系统的安全稳定运行提供了有效的技术手段。架空输电线路是电力传输的主要设备之一，它的安全稳定运行直接影响到供电系统的可靠性。输电线路的分布点多面广，且处在远离城镇、地形复杂、环境恶劣的自然环境 中，电力线巡检是一项艰苦而重要的工作。传统的人工巡检方法是依靠巡检人员徒步或骑自行车沿电力线行走，采用目测观察的方法（有时借助望远镜进行观察），检查电力线及附件的外形和工作状态，这种人工巡检方式不仅工作量大而且条件艰苦，巡检周期长，效率低。应用于架空输电系统的电力机器人根据其移动方式可分为沿线路或绝缘子攀爬移动的架空输电线路巡检机器人和架空输电线路无人机巡检系统。架空输
10、电线路巡检机器人配有检测、除冰等执行器件，能够完成输电线路巡检、线路除冰、异物清理、导线修补和螺栓校紧等任务；架空输电线路无人机巡检系统包括无人机飞行平台、导航系统、图像采集及设备缺陷数据诊断系统，满足了输电线路智能化体系建设的需求，保障了输电线路的稳定可靠运行。变电站设备巡检是有效保证变电站设备安全运行、提高供电可靠性的一项基础工作， 主要分为例行巡检和特殊巡检。例行巡检，就是对变电站设备的日常巡检，每天至少两 次；特殊巡检一般在高温天气、大负荷运行、新投入设备运行前以及大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨后进行。例行巡检和特殊巡检都需要技术人员到变电站现场巡检。另外，对变电站设备进行投退、倒闸或顺
11、序控制等遥控操作时，安全规程也要求人工到设备区就地查看被控设备的位置，以确保操作无误。变电站巡检机器人可以作为无人值班站的“值班人员”进行变电站设备的巡检，这样的“值班人员”通过机器视觉自动识别设备状态，并将识别结果上送到监控中心进行校验。配电系统电气设备在长期运行中需要经常测试、检查和维修，带电作业是避免检修停电，保证正常供电的有效措施。带电作业的内容可分为带电测试、带电检查和带电维修等几个方面。带电作业的对象包括发电厂和变电站的架空输电线路、配电线路和配电设备。带电作业机器人能够在上述电气设备上不停电进行检修、测试，是配电网不停电维护抢修作业的一种新型作业方式和作业装备。在用电领域，电网清
12、洁能源的应用是削减碳排放、保护生存环境的有效手段。目前， 汽车尾气和工业污染给大气层和地球生存环境带来了严重的危害，推广和普及纯电动汽车是人类在未来20年内将碳排放量指标恢复到合理水准的重点方向之一。电动汽车换电机器人的应用可以解决电动汽车快速能量补给的问题，对于促进电动汽车的实用化进程及电网清洁能源应用推广具有重要的战略意义。1.2 发展历程1.2.1 机器人学的发展历程机器人从幻想世界真正走向现实世界是从自动化生产和科学研究的发展需要出发的。遥控操作器（teleoperator）和数控机床的出现为机器人的产生准备了技术条件。第二次世界大战期间，在放射性材料的生产和处理过程中应用了一种简单的
13、遥控操纵器。操纵人员在一层很厚的混凝土防护墙外通过观察，用手操纵两个操纵杆（主动部分），操纵杆与墙内的一对机械手爪（从动部分）通过六个自由度的传动机构相连，于是机械手爪就能复现人手的动作位置和姿态，代替了操纵人员的直接操作。1947年，人们对这种遥控操纵器进行改进，采用电动伺服方式，使从动部分能相对于主动部分作跟随运 动。1949年，由于生产先进飞机的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MIT Radiation Laboratory）开始研制数控铣床，把复杂伺服系统的技术与最新发展的数字计算机技术结合起来，1953年研制成功。切削模型以数字形式通过穿孔纸带输入机器，然后控制铣床的伺服轴按照模型
14、的轨迹作切削动作。1954年，美国的George C.Devol设计并制作了世界上第一台机器人实验装置，发表了适用于重复作业的通用性工业机器人一文，并获得了专利。Devol巧妙地把遥控操作器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴连接在一起，预定的机械手动作一经编程输入 后，机械手就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而能完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器内，任务执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。因此，这种机器人的主要技术功能就是“可编程”以及“示教再现”。20世纪60年代，机器人产品正式
15、问世，机器人技术开始形成。1960年，美国的Consolidated Control公司根据Devol的专利研制出第一台机器人样机，并成立Unimation公司，定型生产了Unimate（意为“万能自动”）机器人。同时，美国“机床与铸造公司”（AMF）设计制造了另一种可编程的机器人Versatran（意为“多才多艺”）。这两种型号的机器人以“示教再现”的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送、焊接、喷漆等作业，它们在工作中表现出来的经济效益、可靠性、灵活性，使其他发达工业国家为之倾倒。于是Unimate和Versatran作为商品开始在世界市场上销售，日本、西欧也纷纷从美国引进机器人技术。在机器人崭露头角于工业生产的同时，研究领域不断地把机器人技术引向深入发展。1961年，美国麻省理工学院林肯实验室（Lincoln Laboratory）把一个配有接触传感器的遥控操纵器的从动部分与一台计算机连接在一起，这样形成的机器人可以凭触觉决定物体的状态。随后，用电视摄像头作为输入机理的计算机图像处理、物体辨识的研究工作也陆续取得成果。1968年，美国斯坦福人工智能实验室（SAIL）的J.McCarthy等人研究了新颖的课题：研制带有手、眼、耳的计算机系统。于是，智能机器人的研究形象逐渐丰满起 来。20世纪70年代以来，机器人产业蓬勃兴起，机器人技术发展为
