变电站机器人发展概况及最新发展趋势

移动机器人移动机器人用途广泛，世界各国正在加紧移动机器人的研制。移动机器人的研究始于60年代末期，斯坦福研究院(SRI)的NilsNilssen和CharlesRosen等人研制出了名为Shakey的自主移动机器人，它能够在复杂环境下，识别对象、自主推理、实现路径规划和控制功能。美国军方于1984年开始研制第一台地面自主车辆，可以在无人干预的情况下在道路上行驶，也称之为早期的移动机器人。许多国家也各自制定了移动机器人的研究计划，如日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划和欧洲尤里卡中的机器人计划等。虽然由于人们对机器人的研究期望过高，导致80年代的移动机器人的研究虽并未取得预期的效果，却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，同时推动了其他国家对移动机器人的研究和开发。上世纪90年代，人类把研究重点放在了移动机器人的应用上，希望移动机器人可以代替人类在各种环境下，尤其是恶劣的条件下辅助人类的工作，为人类服务。1997年7月4日，美国“火星探路者”飞抵火星考察，并在火星上成功着陆，它携带的索杰纳号火星车开始在火星表面漫游，行进了几千米，完成了预定的科学探测任务。进入21世纪后,美国研制的第四个火星探测器—好奇号于2012年8月6号成功降落火星，并展开为期两年的火星探测任务。好奇号火星探测器是第一辆釆用核动力驱动的火星车,其使命是探寻火星上的生命元素。1992年美国研制出时速75公里的自主车，地面自主车的研制大大推动了遥控机器人的发展。目前美国“自动化技术协会”(ATC)，每年在移动机器人运动控制、仿真、传感器的投资超过几亿美元。欧共体(EU)和“机器人技术”有关的课题总数约为250～300项，在EU提供基金的机器人研究领域，移动机器人占22.8%左右；日本不仅加紧研制移动机器人，更把发展重点放在移动机器人的应用研究上，目的是可以代替人在各种环境下为人服务(如在医院、家庭、恶劣的环境和核反映堆、核废料清理和排雷等危险环境下工作)。我国机器人的研究已有20多年的历史，国家也大力发展机器人，并投入了一定的资金，对机器人进行技术攻关，发出各种类型的机器人，对我国机器人的发展具有重大的意义。但由于我国对此方面的研究起步较晚，在机器人技术水平、实用化程度以及稳定方面，与美国、日本等国家相比，都存在着较大的差距。国内研制的机器人样机，有保安机器人、消防机器人等，有轮式和履带式；但大都是有缆方式，具有小范围内一定的避障功能。国内移动机器人的研究成果主要如下:清华大学的智能移动机器人THMR-V型机器人；中科院沈阳自动化所的AGV自主车和防爆机器人；香港城市大学的自动导航车及服务机器人；哈尔滨工业大学的导游机器人；中科院自动化所的全方位移动式机器人视觉导航系统；国防科技大学的双足机器人；由南京理工大学、北京理工大学、浙江大学等多所院校联合研究的军用室外移动机器人等。变电站巡检机器人在移动机器人的研究领域，变电站巡检机器人属于典型的特种移动机器人，随着研究的不断深入和应用范围的不断扩大，在国际上形成了独特的电力特种机器人应用研究领域。目前应用较多的电力特种机器人主要有:高压带电作业机器人、超高压巡线机器人、核电站作业机器人、变电站设备巡检机器人、变电站瓷瓶清扫机器人、锅炉承压部件检测机器人、电缆管道检测机器人等。虽然国外变电站设备巡检机器人的研究起步较早，但仍有许多关键性问题等待解决，目前电力巡检机器人是国内外机器人领域的研究热点。传统的变电站巡视主要是通过人工方式，综合运用感官以及一些配套的检测仪器对变电设备进行以简单定性判断为主的检查，该方式存在劳动强度大、检测质量分散、主观因素多等缺陷。近年来，随着计算机技术的进展和微机监控技术在变电站的推广使用，变电站巡检机器人系统因其灵活的控制运行方式、不受天气因素影响等优点，逐渐在无人值班或少人值守变电站对户外高压设备执行巡检任务，为及时发现和消除设备缺陷，预防事故发生，确保设备安全运行发挥了一定的作用。在国外，日本学者2003年率先提出了变电站巡检机器人的研究方案并完成了实验室模拟实验；2005年A.Birk等研制了轨道式变电站巡检机器人，并在美国西部电力公司投入应用，有效实现了变电站电气设备的红外测温；D.A.Carnegie等提出了一种由光纤陀螺、里程仪、加速度计、激光雷达、差分GPS和导航计算机构成的导航系统，基于差分GPS定位、航位推算导航原理设计了该组合导航系统软件，实验表明，该系统能为变电站设备巡检机器人提供连续、实时、较高精度的导航定位；SuzukiT提出基于机器视觉与3D像素地图的移动机器人导航定位方法，并将其应用于变电站设备巡检，取得比常规方法更好的定位精度；GueaiebW等提出了智能移动机器人的RFID定位方法，为变电站巡检机器人的精确定位提供了新思路；KatrasnikJ设计了一种基于视觉的变电站智能巡检机器人，并通过现场试验证明了其有效性；John-YoungPark等对巡检机器人的的关键技术进行了分析与展望，指出在巡检机器人上应用仿人立体视觉技术将会有效地提升变电设备状态监控的智能化程度，是巡检机器人的发展方向。我国起步较晚，2007年出现了变电站巡检机器人的研究报道，鲁守银等提出了一种巡检机器人的体系结构，给出了基于该体系结构的车体运动学建模和避障算法；矫德余等研制了嵌入式系统的巡检机器人，该系统携带红外热像仪、可见光摄像机等检测设备，基于磁轨迹实现最优路径规划和双向行走，以自主或遥控方式实现站内一次设备温度的自动巡检，肖鹏等针对现有云台产品无法满足变电站现场巡检要求这一情况，设计了巡检机器人云台控制系统并通过实验验证了该系统的有效性；王建元等针对无人值守变电站遥视系统的网络化和智能化多点监测趋势，结合巡检机器人技术，提出一种基于图论的智能寻迹方案并利用基于传递闭包理论的路径搜索算法，对各检测点关联信息进行关联路径搜索，为智能巡检提供了新思路。在国内，针对变电站巡检机器人，国家电网公司也成立了电力机器人重点实验室，将机器人产品服务于电力生产，体现电力系统的高新技术水平，在机器人和机电一体化领域突出体现电力行业的特点，投入大量的人力物力，围绕变电站巡检机器人、高压带电作业机器人、锅炉管道检测机器人以及电力特种机器人进行了一系列的研究。2001年，山东电力研究院首次提出了变电站应用移动机器人技术进行设备巡检的想法，并于2002年被正式列入“国家863计划”重点项目建设。2005年11月，长青变电站巡检机器人样机正式投入运营，为无人值守变电站的推广应用提供了创新型的技术检测手段，提高了电网的可靠稳定运行水平。经过多年的探索，国内目前在变电站机器人设备巡检研发领域取得了长足的进展，并积累了许多宝贵经验，所开发的产品已在济南长清、天津吴庄等多个500V变电站得到实际应用，效果良好。总之，在变电站巡检机器人出现的短短十年间，国内外在理论与应用研究方面均取得了一定进展，但由于机器人运行环境的复杂多变性，目前这些机器人应用还有一定局限性。高压电力线巡检机器人国外电力线巡检机器人的研究始于20世纪80年代末，美国、日本、加拿大等国家先后开展了巡检机器人的研究和开发工作。1988年日本东京电力公司开发出一台机器人样机，具有沿光纤架空地线行走巡检、跨越障碍物等功能，主要用于光纤架空地线外包钢线和内部光纤铝膜的检测。机器人控制系统采用了基于离线编程的运动控制和基于传感器反馈的精确定位控制方式。1989年美国TRC公司研发了一台悬臂自治机器人。机器人能沿架空导线爬行，执行绝缘子、压接头、结合点、电晕损耗等视觉检查任务，并把检测数据发回地面基站人员。机器人遇到杆塔时，采用仿人攀援的方法使机械臂从侧面越过障碍。1990年日本法政大学HideoNakamura等人研发出电气列车馈电电缆巡检机器人。机器人采用了多关节结构和“头部决策、尾部跟随”的仿生控制体系，能以10cm/s的速度沿电缆线平稳爬行，并能跨越分支线、绝缘子等障碍物。2000年，加拿大魁北克水电研究院的SergeMontambault等人开始了HQLineRover遥控小车的研制工作，该机器人已在工作环境为800A和315kV电力线上进行了多次现场测试。机器人没有越障能力，只能在两线塔间的输电线上工作。但其结构紧凑、重量轻、驱动力大、抗干扰能力强。小车采用模块化结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、导线和地线更换、压接头状态评估、导线清污和除冰等带电作业。目前，研究组正着力开发具有越障功能的移动小车，能在无人控制的情况下跨越障碍，巡检范围可达4km。2001年，泰国研制的巡线机器人采用电流互感器从电力线路上获取感应电流作为机器人的工作电源，从而解决了机器人长时间驱动的电源问题。2008年，HiBot公司和日本东京工业大学等开发了一种在具有双线结构的500kV及以上输电导线上巡检并跨越障碍的遥操作机器人Expliner。机器人由两个行走驱动单元，两个垂直回转关节和一个两自由度的操作臂，及电气箱体组成。Expliner机器人能够直接压过间隔棒，并能够跨越至有转角的线路上，但不能跨越引流线。2008年，美国电力研究院（EPRI）开始设计了一种巡检机器人“TI”，EPRI从设计之初就是面向实际应用。TI采用了轮臂复合式机构，两臂前后对称布置，主要的创新点在轮爪机构设计，采用自适应机构，使机器人能够快速通过多种障碍物，机器人搭载了可见光摄像头和红外成像仪进行故障检测。SkySweepr是由加州大学圣地亚哥分校机械和航空航天工程系教授TomBewley手下的CoordinatedRoboticsLab工作的Morozovsky打造的。采用了V型的设计，扶手中间有一个驱动电机。夹在两端的电机，可以沿着电缆交替地抓紧或松开。Morozovsky正在想办法增加夹钳的强度，以使其能够荡过端到端的电缆支撑点。在国内，电力线巡检机器人的研究落后于国外。近年来，武汉大学、中科院沈阳自动化研究所、山东大学等单位也开始了有关巡检机器人的研究工作，并取得了一定研究成果。自20世纪90年代中期开始，武汉大学（原武汉水利电力大学）率先在国内开展了输电线路巡检机器人的研究和开发。1998年吴功平教授研制出了架空高压线路巡检小车，其行走和越障通过人工遥控加机械控制器实现。小车采用单体三驱动轮结构，具有稳定的爬行和越障功能，可顺利越过防振锤、绝缘子、悬垂线夹等障碍物，并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成输电线路诊断。2002年起，该校又成功研制了具有沿220KV单分裂导线全程线路行驶和巡检作业的机器人样机，并在机器人结构、机器人局部自治、电能在线补给和系统与技术集成等关键技术上取得了实质性突破。该样机已通过了现场带电运行试验，具有良好的应用发展前景。中国科学院沈阳自动化研究所也开展了相关的研究和试验，研制了一档内输电线巡检机器人样机，以及具有跨越杆塔障碍物功能的巡检机器人样机。该系统由机器人本体和地面监控基站组成。越障巡检机器人采用了双轮臂复合式机构，可根据障碍物状态及作业要求，通过单臂旋转、尺蠖式运动等多种方式跨越障碍。机器人将传感器检测到的数据和图像等信息通过无线传输系统发送到地面基站，作业人员可及时对输电线路进行修复和维护。通过努力，课题组攻克了机器人结构设计、自主控制策略、数据和图像传输、电磁兼容等关键技术，完成了超高压实际环境试验，为国内巡检机器人技术的发展作出了贡献。中科院兰州分院科技人员也研制出了超高压架空输电线巡检机器人，能够在高压线路上自主行走，并且可以实现对机器人运行状态的远程控制功能，其一台“220/330kV变电设备高压带电清扫机器人”样机在兰州供电局的带电运行试验己经完成。另外，由周风余、李贻斌等组成的山东大学机器人研发团队以及中国科学院自动化研究所梁自泽、谭明等所在的复杂系统与智能科学实验室，在导航与定位、机器人结构、线路故障探测等关键技术上也取得较大成果，成功研制出巡检机器人样机。从国内外研究现状可以看出，目前正在研发和试验成功的电力线巡检机器人可以分为两类：一类具有自主越障功能，但由于其结构尺寸