以架空地线为轨道的巡检机器人

以架空地线为轨道的巡检机器人

贾俊1王文斐2李勇2

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（1.国网江苏省泰州供电公司江苏泰州225300；2.江苏迪伦智能科技有限公司江苏南京211100）

摘要：采用高压和超高压架空电力线是长距离输送电力的主要方式。为了保证高压输电线路安全稳定的运行，必须定期对高压输电线进行巡检。移动机器人技术的发展为架空电力线巡检提供了新的技术平台。近年来，输电线路巡检机器人的研究已成为机器人研究领域的研究热点之一。以架空地线为轨道的巡检机器人是以移动机器人作为载体，以多种传感器作为载荷系统，具有障碍物检测识别与定位、自主作业规划、自主越障、对输电线路及其线路走廊自主巡检、巡检图像和数据的机器人本体自动存储与远程无线传输、地面远程无线监控与遥控、电能在线实时补给、后台巡检作业管理与分析诊断等功能。该巡检机器人具有结构紧凑、体积小、重量轻、作业空间范围广等特点。

关键词：机器人；巡检；轨道；越障；输电线路；架空地线

1引言

随着近几年国民经济的迅猛发展，我国输电线路里程数同比不断增加。由于输电线路大多暴露在野外环境下运行，气象条件复杂、现场环境多变，导线、避雷线、绝缘子、金具等在长时间运行后，由于各种立的长期作用，可能发生断股、锈蚀、过热等情况，需要定期对线路进行巡查。

传统的巡线方法采用人工目测和飞机巡航。采用前者，往往费时费力而事倍功半，而且由于其作业主要依靠作业人员的经验和个人素质，因此会常常造成漏检和错检，同时也受到自然环境的制约，如高山、湖泊等恶劣环境会对作业人员的人身安全造成威胁。采用后者，国外起步较早，具有较先进的技术和丰富的经验，而国内则起步较晚，如果操作不当则会造成很大的人力物力损失。因此，急需能够代替人工巡检的作业方法和设备。

用巡线机器人代替传统的人工巡检方法，一方面可以提高工作效率，实现无死角检测，提高检测精度；另一方面可以降低劳动强度，保障检测人员的人身安全。

目前现有的高压输电线路巡检机器人，大部分采用由轮式移动和复合连杆机构组合而成的复合移动机构或者采用多组移动单元串联组成的多自由度移动机构。越障方式多为抓手式，即在跨越障碍时像人攀爬一样，通过机械抓手张开、移动、闭合的工作循环进行越障。这些巡检机器人的结构复杂、体积重量庞大、操作难度大、精度要求高、环境耐受力差、成本高昂，跨越障碍过程复杂，越障时间长，行走速度慢，爬坡角度小，在行走时安全保护性差，因此，难以应用于实际的架空高压输电线路巡检作业中。本研究项目由国家电网公司科技资助，研制以架空地线为轨道的机器人，要求结构简单可靠，体积小重量轻，方便安装、拆卸和维护，以便适用于大规模生产实践。

2研究内容及方法

本项目研究以架空地线为轨道的巡检机器人，研究内容主要包括巡检机器人系统、车载多传感器融合感知关键技术和巡线机器人融合通讯关键技术。

2.1巡检机器人系统

巡检机器人系统总体结构如图1所示，该系统由巡检机器人和越障轨道系统两部分组成。

图1可在输电线路上自主移动的机器人系统

本设计采用机械结构进行定位和运动，通过设计能够同时在钢缆和轨道上行驶的轮子，借助轨道端头的斜面、轮子的特殊形状以及夹紧轮的弹簧机构相互配合，实现巡线装置从钢缆到导轨的过渡三轮夹紧机构保证了巡线装置在钢缆上安全行驶。本装置结构简单可靠性高，体积小重量轻，方便安装、拆卸和维护，适用于大规模生产实践。

2.1.1巡检机器人

巡检机器人的总体外形设计如图2所示，该机器人采用三轮结构设计设计，前后两个驱动轮由大功率直流无刷减速马达驱动，行走动力强劲。为了实现防坠和巡检机器人行走时增加驱动轮与钢绞线之间的摩擦力，故在中间部位设置一个具有自动升降的从动轮，自动升降功能由舵机来实现。该从动轮既满足当巡检机器人在地线上行走时从动轮可以压紧钢绞线，又满足当机器人过渡到越障轨道上时从动轮可以压紧轨道，保证巡线机器人作业的安全性和可靠性。为了满足巡检机器人既可以在第线上行走又可以在越障轨道上行走，行走轮的机械结构进行了特殊设计如图3所示，行走轮采用高强度尼龙或铝合金作骨架，极大地减轻了驱动装置的重量，驱动轮表面包覆高弹性、高强度、耐磨的聚氨酯材料增加爬坡能力。

巡检机器人的前后段均设置了检测装置（传感器）用于检测机器人线轨转换过程的动作判断，这一设计能够保证巡检机器人在线轨转换时动作的准确性、连贯性，安全性和稳定性。

车体部分采用的材质是具有自润滑、耐氧化、耐腐蚀、强度高、电性能好、尺寸稳定性好、密度低、综合性能好的工程塑料。保证了机器人在户外的复杂环境下运行的稳定性、可靠性和安全性。

巡检机器人前后两端设置有导向块，当巡线车辆行进在轨道上时，导向机构将起到引导和稳固的作用。

2.1.2越障轨道系统

越障导轨系统的作用是使巡线机器人在遇到难以直接越过的障碍（防震锤、各类杆塔等）时架设在障碍物两侧，导轨的两端通过过渡部件与地线相连接，轨道中间部分设置安装部件与杆塔连接固定，具体形式如图4所示。

轨道为市面上普遍可以找到的标准铝型材改制而成，导轨截面为C字形中空设计，保证巡检机器人导向块可以顺利进入并且柔顺滑动。

图6过渡部件实物图

2.1.3巡检机器人运动方法

该巡检机器人在地线上行走时，前后两个驱动轮和中间夹紧轮夹紧钢缆保持小车不掉落。在跨轨道时，前主动轮与导轨过渡部分的斜面接触，并从斜面走上导轨。此时主动轮的肩部与车体配合夹住导轨使其不能左右偏移，且车体和轮子肩部都采用自润滑材料，摩擦力很小。中间夹紧轮下有弹性支撑，夹紧轮在与导轨斜面接触时，小车前行就会给夹紧轮一个向下的力，使得夹紧轮向下运动，这样线缆就不再受到轮子的夹持，可以自由出入。小车继续沿着弧形导轨前进，钢缆依然是直线的，这样小车与钢缆分离，走上轨道。继续沿着轨道走就能越过障碍物，完成越障。小车从导轨变换到钢缆上时是上面过程的逆过程。小车前主动轮沿着导轨过渡部分的斜面下来（导轨两端都有斜面），同时主动轮的凹槽压在钢缆上，继续前行加紧轮走出导轨后在弹性力作用下回复到初始的位置，再次将钢缆加紧。小车一直前进直到全部从轨道上转移到钢缆上。

2.1.4技术特点

（1）机器人结构简单、整体重量较轻、可操作性强；

（2）因是三轮压紧机构在直线上行走的时候防坠性能良好，稳定性较好；

（3）该巡检机器人采用线轨转换的方式来绕过障碍物，独创的刚性轨道越障方式使机器人在行走的时候更稳定，抗干扰强，相对而言更安全；

（4）从动轮可以夹紧钢丝绳，从而提升机器人的爬坡能力；

（5）在越障轨道上运行时，因为防坠滑块的存在，确保机器人的安全；

2.2车载多传感器融合感知关键技术

2.2.1红外测温

采用专用热释传感器感知输电线路和线路结合处的温度，当温度高于额定值时则触发实时报警。

2.2.2紫外传感器测局部放电

高压设备放电会产生微弱的紫外线，其中有小部分波长在日盲区（240nm～280nm）内，可避开日光中紫外线的干扰。紫外传感器能够检测10m内的放电火花正确反应。有效检测高压线路保护层破损等问题。

2.2.3激光测距仪测量环境信息

采用激光测距仪，可以在车辆行走过程中扫描机器人下方线路和地面间其他环境因素的三维坐标关系。因树木涨势过快或其他高空作业机械违规作业时将触发异常报警。

2.2.4可见光监控

作为最直观的数据观测方式，视频监控将辅助人工进行异常检定。当其他传感器发出异常告警时，实时采集的图像和视频将为后台工作人员提供直观的现场数据，从而方便判断机器人现场的实际情况。

2.3巡线机器人融合通讯关键技术

2.3.14G通讯

采用全网通4G模块，实现电信、联通和移动的全网通讯，创建虚拟运营商运行时段最佳的网络环境自动切换运营商。

2.3.2射频通讯

采用2.4G射频通讯技术可以在几公里内远程遥控机器人，当机器人发生通讯故障或其他异常情况时，可作为辅助手段进行任务接管。

2.3.3Wifi通讯

在通市电的杆塔处放置工业wifi，机器人可实现充电和巡检数据存储传输的同步进行。

2.3.4北斗通讯

在偏远山区、湖泊、山林等恶劣环境下，当其他通讯手段无效时，借助北斗短信通讯功能实现机器人运行状态的回传，以及控制指令的下发。

3总结

本项目研制的巡检机器人系统通过旁路轨道设计实现杆塔跨越，避免了复杂的越障设计，提高系统稳定性并降低机器人造价。通过升降机构和轨道的组合设计，实现机器人自动上下线，减少机器人巡检过程中的人工干预【10】。通过分布式充电设计保证机器人长期作业，提高巡检效率。

项目研究突破车载多传感器融合感知关键技术，机器人借助机载红外热释传感器感知输电线事实温度，借助紫外检测装置感知线路放电检测，通过三维测距仪获得高压线路与周围环境的精确关系，有效识别异常，通过可见光采集获取直观的监控信息。

项目研究突破巡线机器人融合通讯关键技术，实现全天候全地域的多维数据通讯。机器人具备移动通讯网络、wifi、射频和北斗通讯多种通讯装置，根据机器人所处环境和任务的不同，机器人将自主选择合适的网络进行数据传输，在wifi环境下实现大流量数据，如视频、激光等传感数据，的传输和存储，在移动通讯网中实现预警信息和图片的及时回传，在近距离控制和调试中射频将发挥重要作用，避免了网络环境搭建的麻烦，当机器人需要在恶劣环境下工作时，北斗通讯提供了最后的保护机制，能够事实回传机器人状态，并接收来自用户的控制指令。

项目设计的以架空地线为轨道的巡线机器人结构简单可靠，体积小重量轻，方便安装、拆卸和维护，适用于大规模生产实践，用巡线机器人代替传统的人工巡检方法，一方面可以提高工作效率，实现无死角检测，提高检测精度；另一方面可以降低劳动强度，保障检测人员的人身安全。

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