3高压输电线路检修作业机器人的开发及应用
高压输电线路检修作业机器人的开发及应用
吴功平 肖 华 白玉成 王 伟
（武汉大学动力与机械学院 湖北 武汉 430072）
【摘 要】首先，介绍了一种适用于高压输电线路各种检修作业机器人的公共载体平台技术和远程人机交互平台技术，即移动机器人和系统的拓扑结构；然后，分别介绍了沿导/地线跨越越障、沿地线穿越越障的三种型式的巡检机器人及其应用情况，这三种机器人是不带作业机械手或作业工具的非作业型巡检机器人；最后，简要介绍了带作业机械手或末端作业工具的检修作业机器人，包括一种除冰机器人的开发和可重构移动作业机器人的研究情况。以上工作是作者所在团队历经十余年的研究成果，且仍然在不断地发展及完善中，以期为我国电网的发展作出应有的贡献。
【关键词】高压输电线路 巡检机器人 检修机器人 可重构机器人
0引言
对输电线路进行定期巡视检查，随时掌握输电线路的运行状态，及时发现和消除隐患，预防事故的发生，是供电企业最重要的工作任务之一。
由于缺乏先进实用的巡检维护作业装备，目前这类在危险、恶劣环境下的特殊作业任务主要由人工来完成，这种人工检修维护作业方式，不仅劳动强度大、作业效率低、作业质量不稳定，而且存在严重的人身安全隐患，已越来越不适应现代电网和经济社会快速发展的需要。随着巡检机器人技术逐趋成熟，智能巡检机器人设备，将会成为智能电网的重要载体平台。
目前国内外以输电线路巡检机器人为代表机型的高压线路机器人研究的典型代表有：加拿大的魁北克水电研究院、日本关西电力公司和日本系统电力公司、武汉大学、中科院沈阳自动化所和山东电力研究院。国内外研究高压线路机器人主要还是针对单一功能任务，如巡检[1][2][3][4]、除冰 [5][6]、清障等。其中，除冰机器人、清障机器人一般不具备越障功能，只适用于在线路的一个档段上运行。而将线路的巡检和维修集于一体的检修机器人的开发，则只有加拿大魁北克水电研究院开发的输电线路检修维护机器人“LineScout”[7]。
本文主要介绍了作者开发的用于高压输电线路各种检修作业机器人的远程人机交互平台技术和公共载体平台技术，以及在此技术基础之上开发的沿导/地线跨越越障、沿地线穿越越障的三种型式的巡检机器人及其应用情况，最后，简要介绍了带作业机械手或末端作业工具的检修作业机器人，包括一种除冰机器人的开发和可重构移动作业机器人的研究。1
1基金项目：国家863项目（编号：2006AA04Z202）
中央高校基本科研业务费专项资金资助 （批准号：2104005）
1系统的拓扑结构及其人机交互平台
检修机器人系统由检修机器人本体、地面控制基站、后台监控服务器、后台分析诊断管理软件组成，图1为机器人拓扑结构。
图1 检修机器人系统拓扑结构
检修机器人沿输电线路行驶，能够跨越障碍物，搭载巡检以及作业设备进行巡检维护作业；地面基站为地面移动监控操作平台，与巡检机器人本体间通过以太网或3G公网通信，实时接收机器人的状态信息、发送地面遥控指令、接收并保存巡检图像与数据、对检修机器人进行视频监控；后台监控服务器安装在变电站或监控室内，与检修机器人之间通过3G公网通信，接收机器人的状态信息、发送地面遥控指令、接收并保存巡检图像与数据、对检修机器人本体进行视频监控；后台分析诊断管理软件是集数据库、图像分析诊断等功能于一体的分析与管理系统。
机器人人机交互平台包括两大部分：机器人运动交互控制系统和机器人视觉交互控制系统。机器人运动交互控制系统分别对电机进行行为控制，通过传感器检测机器人的速度位置以及障碍物情况并反馈给地面基站进行越障控制，同时，机器人可根据地面基站的指令，通过设定的参数完成自主越障，图2机器人基站，图3为机器人运动交互控制界面；机器人视觉交互控制系统将双目摄像头视频信息实时显示窗口，该部分将机器人摄像头信息实时显示，用来监视机器人运动和指导操作手完成机器人巡检任务，图4所示为机器人视觉交互控制界面。
图2 基站 图3 运动交互控制界面 图4 视觉交互控制界面
2机器人载体平台技术
移动载体平台作为各种检修作业设备的载体，其承载能力、越障能力以及越障效率是体现移动检修作业机器人性能的关键因素，因此，载体平台技术是巡检作业机器人最基础最重要的技术之一。
2.1移动机器人机构
移动机器人机构是移动机器人载体平台关键问题之一，如图5所示的巡检机器人机构构型是集成了项目组多年的机构研究技术成果，即双臂反对称轮式悬挂、双臂交互错臂、变长臂、轮爪臂复合的7自由度（7-DOF）、共11轴。
图5 检修机器人载体平台构型图
图6 检修机器人载体平台
在图5所示检修机器人载体平台构型中，反对称双臂各有一个伸缩关节、一个俯仰关节、一个回转关节，双臂共用一个错臂移动关节；每个臂的末端各有一个行走关节（行走轮）、一个夹紧关节
（夹爪）、一个压紧关节（压紧轮），为了减少机构的自由度，压紧关节与臂的伸缩关节共一个自由度；每个臂的三个末端关节分别与各自的机械臂进行复合，即轮爪臂复合。其中，行走（轮）关节提供机器人沿地线的移动（滚动），夹紧关节提供夹持地线所需的夹持运动，压紧（轮）关节提供行走轮压紧力所需的运动，伸缩关节提供臂的变长运动，俯仰和回转关节分别提供沿水平轴和铅垂轴的转动，错臂关节则提供双臂的交互错臂滑移运动。这一7-DOF、共11根轴的移动机器人机构构型，可满足机器人在线路上越过各种常见的障碍物如悬垂线夹、防振锤、接续管、间隔棒等。
2.2导航与定位
通过机器人导航与定位技术，可实现机器人的智能化，使机器人能自主工作，适应架空高压输电线路的特点。
机器人导航与定位技术包括机器人全局导航与局部定位。全局导航是指机器人相对检修作业线路的定位。采用线路先验信息GIS模型与GPS传感器及其相关算法，来获取上述全局环境信息，给机器人在地线上移动和巡检控制提供所需的环境参数。相对于由全局环境的粗检测识别而言，局部环境则需要精确检测，采用超声波测距传感器、霍尔接近传感器和机器视觉等，来检测和估算这些局部环境的定位信息。局部环境的精确检测主要包括两类：第一类是障碍物的识别与定位，如防震锤、悬垂线夹、过桥；第二类是机器人越障臂相对地线/过桥的位姿。
3三种机型的巡检机器人及其应用
根据行驶线路、障碍物类型以及巡检任务等的不同，在机器人人机交互平台与机器人载体平台的基础上，通过改变机器人关节、关节参数以及关节结构可构建沿导线跨越越障的巡检机器人、沿地线跨越越障的巡检机器人以及沿地线穿越越障的巡检机器人等三种机型。
3.1三种巡检机器人
（1）沿导线跨越越障的巡检机器人
图7所示为5-DOF沿导线跨越越障的巡检机器人及其运行情况，相较于前述移动机器人载体平台，5-DOF机器人两机械臂不具备伸缩关节，该机器人可沿220kv-500kv单分裂和双分裂线路行驶；图8所示为7-DOF沿导线跨越越障的巡检机器人及其运行，可沿220kv-500kv单分裂、多分裂线路行驶。巡线机器人可以搭载可见光云台摄像机、红外热成像仪，以及其它巡检仪器，沿输电线滚动或爬行，错臂跨越或穿越和避让防震锤、悬垂线夹和耐张线夹及其均压环、间隔棒、接续管等障碍物，跨越直线杆塔和耐张杆塔；对线路实施巡检巡视（导线、金具、绝缘子、杆塔及其地基、线路走廊等的可见光图像和红外热成像巡检）。
(a)5-DOF机器人 (b) 越悬垂线夹 (c)越防振锤 (d)越耐张跳线
图7 5-DOF沿导线跨越越障巡检机器人及其现场运行图
（a）7-DOF机器人 （b）双分裂线跳线
（c）四分裂线悬垂线夹（d）四分裂线间隔棒（e）四分裂线跳线
图8 7-DOF沿导线跨越越障巡检机器人及其现场运行图
（2）沿地线跨越越障的巡检机器人
图9所示为沿地线跨越越障的巡检机器人及其现场运行图，可搭载两台可见光摄像机、一台红外热成像仪对线路进行巡检，巡检结果以图片和视频的形式进行本地存储，具有可拓展搭载其它检测仪器的接口功能。该机器人沿110kV及以上架空输电线路地线行驶能跨越防振锤、悬垂线夹、间隔棒、阻尼线等障碍物，通过附加过桥装置可跨越耐张塔头。
（a）机器人 （b）直线段巡检 （c）越防振锤 （d）越耐张过桥 （e）跨越黄河
图9 沿地线跨越越障巡检机器人及其现场运行图
（3）沿地线穿越越障的巡检机器人
沿地线穿越越障的巡检机器人，沿220kv地线行驶，将架空高压输电线路地线进行局部改造，图10所示的三组图片分别为地线防震锤、直线夹和耐张塔头改造前后的结构。图中，将原防振锤突出地线的阻挡型线夹改造为非阻挡型线夹（图（a））；将原阻挡型悬垂直线夹改造为通过型结构（图（b））；在原耐张塔头的两端增加一条连接其两端地线的变曲率柔性过桥轨道（图（c）），机器人沿轨道行驶通过耐张杆塔。该机器人能沿地线高效率运行并携带可见光摄像机对线路进行巡检。图11中（a）为沿地线穿越越障巡检机器人，（b）（c）为机器人越过耐张塔头过桥，（d）为机器人越防振锤。
(a) 改造前后的防震锤 （b）改造前后的直线夹 （c）改造前后的地线耐张
图10 地线改造结构图
（a）机器人 （b）越耐张塔头 （c）越耐张塔头 （d）越防振锤
图11 沿地线穿越越障巡检机器人及其现场运行图
3.2巡检图片
如图12所示为巡检机器人拍摄的可见光图片，图13为巡检机器人拍摄的红外图片。
（a）悬垂线夹 （b）螺栓开口销缺失 （c）双分裂线路间隔棒
图12 可见光巡检图片
(a) 端部钢帽发热异常 (b) 合成绝缘子芯棒发热 (c) 电压端第三片低值发热
图13 红外巡检图片
4可重构移动作业机器人
目前，国内外关于高压输电线路检修维护作业机器人的研究均集中在单一作业任务的机器人上，但是，高压输电线路检修作业任务种类繁多单一作业任务频次低，为了解决输电线路的各种检修维护作业，供电企业需要拥有各种专业机器人，因而，造成了企业使用机器人的成本高。针对输电线路移动作业机器人的特点，研究团队提出了面向多作业任务的模块可重构移动作业机器人的解决方案，即针对不同的作业任务，面向单元模块系统，通过地面手动重构移动作业机器人。
4.1可重构方案
根据移动作业机器人作业任务提出的可重构构型，可将移动作业机器人划分为四类。第一类为机器人载体平台模块；第二类为连接件单元模块，用于作业机械臂单元、除冰装置单元以及巡检仪器单元与移动机器人载体平台的联接；第三类为作业机械臂单元模块，用于大范围的运动和对末端位姿调整，由多个关节组成；第四类为末端执行器单元模块，末端执行器单元模块用于完成具体的作业任务，包括金具夹持执行器单元模块、拧螺母执行器单元模块、导线修补执行器单元模块、除冰装置单元模块与巡检仪器单元模块。其模块划分与作业机器人重构方案如图14所示。
图14 模块可重构移动作业机器人模块划分与重构方案
根据机器人模块划分与重构方案，防振锤安装作业机器人由一个连接模块，两个作业机械臂和两个作业末端执行器等组成；导线修补作业机器人由一个连接模块，一个作业机械臂和一个作业末端执行器等组成；导线除冰作业机器人和线路巡检机器人则是由连接模块和对应的除冰装置或摄像装置组成；且均以移动作业机器人载体为重构平台。
4.2可重构移动作业机器人
如图15为通过可重构模块构造出的各种作业机器人，包括防振锤拆装作业机器人、导线修补作业机器人、除冰作业机器人、以及巡检作业机器人。
（a）防振锤拆装机器人 （b）导线修补机器人 （c）除冰机器人 （d）巡检机器人
图15 可重构移动作业机器人
4.3可重构例
图16所示为除冰作业机器人的实现和试验/应用例。
图16 除冰作业机器人样机
除冰作业机器人包括机器人载体平台、除冰装置单元。实验中机器人的越障过程完全自主进行，实验过程中没有出现除冰刀刮伤高压线，机械臂抓取和脱离导线准确可靠，证实了除冰作业机器人除冰越障方面的可行性。
5结束语与致谢
随着电网智能化建设，移动检修作业机器人设备将会更加广泛的应用于输电线路的检修中。目前开发的三种巡检作业机器人已成功应用于多家电力公司输电线路。高压输电线路检修作业机器人
技术还有待进一步深入研究，开发出多种可供电力企业使用的移动机器人产品。根据高压输电线路检修作业的特点，通过开发可重构移动作业机器人，构造出不同作业任务的机器人，可提高机器人利用率，降低使用成本，也成为移动检修作业机器人发展趋势。
致谢：感谢吉林省电力有限公司和白山供电局、宁夏电力公司和吴忠供电局、广东电网公司和汕头供电局、广西电网公司和南宁供电局、湖北省电力公司和武汉供电局等，在本文涉及项目的合作和给予的支持。
参考文献：
[1] 吴功平, 肖华.架空高压输电线路巡线机器人样机研制. 电力系统自动化, 2006. 30(13): 90-93.
[2] WANG H G，ZHANG F,，JIANG Y et al. Development of an Inspection Robot for 500 kV EHV Power Transmission Lines[C]. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，Taipei, Taiwan，2010:5107-5112.
[3] WU G P, XIAO H, XIAO X H et al. Transmission Line Inspection Robot and Deicing Robot: Key Technologies, Prototypes and Applications[C]. 20101st ICARP, Montreal Canada, 2010：1-6.
[4] DEBENEST P，GUARNIERI M . Expliner – Robot for Inspection of Transmission Lines[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation, Pasadena ,USA,2008：3978-3984.
[5] BAI Y C，WU G P，XIAO H et al. Overhead High-Voltage Transmission Line Deicing Robot System and Experiment Study[C]. ICIRA，Shanghai,China,2010：227-239.
[6] 王超，魏世民，廖启征. 高压输电线上除冰机器人的系统设计[J].机械工程与自动化，2010（1）：148-149.
[7] MONTAMBAULT S, POULIOT N. LineScout Technology: From Inspection to Robotic Maintenance on Live Transmission Power Lines[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe, Japan,2009：1034-1040.
作者简介：
吴功平，1961年10月生，博士，武汉大学教授、博士生导师，主要研究方向为电力作业机器人。E-mail：gpwu@https://www.360docs.net/doc/a6375852.html, 联系电话：133********
肖华，1960年11月生，硕士，武汉大学副教授，主要研究方向为机器人机构与机器人操作。E-mail：hxiao2000@https://www.360docs.net/doc/a6375852.html,
白玉成，1979年8月生，博士，武汉大学讲师，主要研究方向为高压输电线路机器人控制。
E-mail： baiyc123@https://www.360docs.net/doc/a6375852.html,
王伟，1978年11月生，武汉大学动力与机械学院机械工程系师资博士后，主要研究方向为高压输电线路巡线机器人智能控制系统研究与应用。E-mail：hust1004@https://www.360docs.net/doc/a6375852.html,