高压线巡检机器人的结构设计

1绪论1.1课题的研究背景高压输电线路担负着我国电力传输的重任，它的安全可靠运行直接关系到国家经济的稳定发展。目前，采用高压和超高压架空的电力线路是长距离输配电力的主要方式，电力线路作为电力系统的重要组成部分，长期暴露在自然环境中，不仅要受正常机械载荷和电力负荷的内部压力，还要经受污秽、雷击、强风、滑坡、沉陷等外界侵害，将会促使线路上各元件产生老化，如不及时发现和消除，就可发展成为各种故障，对电力系统的安全和稳定运行构成威胁。因此，线路巡检是有效保证输配电线路及其设备安全运行的一项基础工作。线路巡检工作就是通过对输配电线路的巡视检查来掌握线路运行状况及周围环境的变化，及时发现设备缺陷和危及线路安全的隐患，提出具体检修意见，以便及时消除缺陷、预防事故发生，或将故障限制在小范围，从而保证输配电线路安全和电力系统的稳定。对高压输电线路传统的巡检方式有飞机巡检、车辆巡检和人工巡检。飞机巡检是指检测人员在直升飞机上利用望远镜或其它检测工具对线路进行巡查，发现是否存在缺陷和故障，如图1-1所示。一般安排在晴朗、能见度较好的天气条件下进行，不过由于直升飞机飞行速度的影响，线路从巡检人员的视野中快速经过，且巡检时一般要求直升飞机靠近高压线路飞行，因此这种巡检方式对巡检人员和飞行员的技术要求都较高。此外，飞机巡检易受气候变化、航空管制等影响，运行成本高，危险性大[1]，难以得到推广。高压线巡检机器人的结构设计2图1-1飞机巡检方式Fig.1-1Aircraftinspectionmethods车辆巡检是指在车辆等地面交通工具的配合下，巡检人员携带各种检测设备对线路进行巡查，如图1-2所示。这种检测方法机动性较好，成本也较飞机巡检低，在条件允许下，还可利用车辆承载能力强的特点，额外携带检修工具，根据需要就地开展检修。这种巡检方法的缺点是需要地面道路的支持，受地形的限制，在高山、丛林或沼泽等地理条件复杂的区域，车辆无法到达，巡检工作无法顺利开展。图1-2车辆巡检方式Fig.1-2Vehicleinspectionmethods人工巡检是指巡检人员自身携带检测设备，沿线路行走，对线路开展巡查，如图1-3所示。但是由于输电线路分步广泛，巡检工人需要翻山越岭，徒步完成作业任务，劳动强度大，危险性高，巡检效率和准确度较低，可靠性差，且巡检结果受人为因素影响大，管理和监督存在着缺陷。图1-3人工巡检方式Fig.1-3Manualinspectionmethods近年来，随着采用机器人来替代或协助人完成输电线路巡检作业的需求日益增长，高压线巡检机器人成为国内外机器人领域研究的热点之一，也为高压输电线路巡检提供了新的技术平台。巡线机器人能够带电工作，以一定的速度沿输电线路爬行，并能跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、杆塔等障碍，利用携带的传感仪器对塔架、导线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测，代替人工进行电力线路的巡检工作，不仅可以减轻人工地面巡检中工人的劳动强度，降低高压输电线路的运行及维护成本，还可以进一步提高巡线的工作效率和巡检精度，保证输电线路巡检工作的质量和管理水平，对增强电力系统的安全稳定运行，创造更高的经济效益和社会效益都具有重要意义。其中，图像检测是巡检机器人采用的主要检测方法。在一般情况下，机器人携带常用的可见光摄像仪和红外线热成像仪可满足检测的要求。对线路上外表面可采用高分辨率的可见光摄像仪拍摄目标线路的图像，利用图像判断线路是否有损害；对于线路内部的故障点，无法直接观察，这时可采用红外线热成像仪进行检测，如图1-4所示。当线路内部存在故障点时，该处会出现局部温升，向外辐射热量，利用红外线热成像仪，可直接拍摄异常温升处的红外图像，高压线巡检机器人的结构设计4为后续的线路检修提供了依据。图1-4热成像式检测Fig.1-4Thermalimagingdetector1.2国内外发展及研究状况1.2.1国外的研究概况自20世纪80年代开始，日本、加拿大、美国、巴西等国家先后开展了巡检机器人的研究工作，并取得了阶段性的成果，在两个杆塔之间巡检的机器人技术相对成熟，有些已达到产品化的程度。1988年，东京电力公司的Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线（OPGW）巡检移动机器人，如图1-5。当遇到杆塔时，该机器人利用自身携带的导轨从杆塔侧面滑过，待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。机器人携带的导轨约100kg，由于自身质量过大，对能源的要求较高。其携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线铠装层的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上，由于存储量有限，巡检完一段距离的线路后就需要读出数据，实际应用受到了限制。图1-5OPGW巡检机器人Fig.1-5Arc-shapedarmInspection1989年，日本NTT公司的ShinichiAoshima等人研制了一种由多个独立单元组成的机器人，如图1-6所示。机器人采用了“头部决策，尾部跟随”的仿生控制方式，类似一个蛇形机构，由六对左右对称、相互联结的小车组成，每个单体小车有两个电机，一个用于行走驱动，另一个用于控制联结前后小车的旋转关节的关节角；左右小车采用具有自保安功能的磁锁机构联结，磁锁机构用永久磁铁将左右小车牢牢锁紧，使两车橡胶驱动轮抱住馈电电缆，由行走电机驱动沿电缆平稳爬行。当机器人遇到分支线、绝缘子等障碍物时，每对小车上磁锁机构中的电磁铁通电，顺次将磁锁打开，机器人再改变两侧旋转关节的关节角，使左右小车分开，小车依次通过障碍物后，控制两侧旋转关节使左右小车合拢，电磁铁断电，磁锁再次锁紧，机器人恢复正常行走状态。该机器人本体的缺点是驱动关节较多，能耗大且控制复杂。高压线巡检机器人的结构设计6图1-6蛇形巡检机器人Fig.1-6Snake-likemontionInspectionrobot美国TRC公司1989年研制了一台悬臂式巡线机器人[5]，如图1-7所示。在架空线路上主要以爬行的方式运动，携带相关设备可以执行电晕损耗检查和绝缘子、压接头等视觉检查的任务，将探测到的故障数据经预处理后传送给地面。当该机器人遇到杆塔时，还采用仿人攀援的方法从塔的侧面越过杆塔。图1-7美国TRC悬臂式巡检机器人Fig.1-7TRCAiminspection由日本Sato公司生产的电力线损伤探测器也采用了单体小车结构，如图1-8所示。能够在地面人员的遥控下，沿电力线行走，利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置，将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工作人员可回放复查，进一步确定损伤情况。探测器不具备越障功能，遇到线路附件等障碍物时便自动停止前进。该损伤探测器于1993年赢得了Shibusawa大奖。图1-8日本Sato公司生产的巡检机器人Fig.1-8Damagedetectionrobot加拿大魁北克水电研究院的SergeMontambault等人2000年开始了HQLineROVer遥控小车的研制工作，如图1-9所示。该机器人起初用于清除输电线上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。第三代原型机结构紧凑，仅重25千克，驱动力大，抗电磁干扰能力强，能爬52°的坡，通信距离可达1千米。小车采用灵活的模块化结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线和底线更换、导线清污和除冰带电作业，已在工作电流为800A的315KV电力线上进行了多次现场测试。但是，HQLineROVer无越障能力，只能在两线塔之间的电力线上工作。目前，研究组正在开发具有越障功能的自治移动小车，实验结果表明，新一代HQLineROVer能在无人干预的情况下跨越障碍物，巡检范围达4KM。高压线巡检机器人的结构设计8.图1-9HQLineROVer遥控小车Fig.1-9HQLineROVer泰国KingMongkut’sUniversityofTechnologyThonburi的S.Peungsungwal等人2001年设计了一台自给电巡检机器人原型，如图1-10所示。该机器人采用电流互感器从爬行的电力线路上获取感应电流，作为机器人的工作电源，从而解决了巡检机器人长时间驱动的动力问题，并初步实现了根据摄像机图像判断电力线上绝缘子等障碍物位置的视觉导航功能。不过，该试验型巡检机器人仅能在两线塔间的电力线上爬行，无越障能力。图1-10相线自取电机器人Fig.1-10Selfpower-supply2002年，巴西米纳斯联邦大学的MarioF.M.Campos等人也研制了一种多功能巡检机器人，如图1-11所示。该机器人采用缆车结构，通过安装不同的设备，能实现线路巡检或在线路上安装、移除航空预警球等多种功能，但这种机器人也不具有越障功能，只能在两塔间的线路上作业，其应用范围受到限制。图1-11预警球安装作业机器人Fig.1-11RobotinstallationofearlywarningBall1.2.2国内的发展状况相比于国外，国内对巡检机器人的研究起步相对较晚，开展相关研究的机构也不多。90年代末，国内的一些研究机构和高等院校也开始了巡检机器人的研究工作，并已经研制出多种机构类型的巡检机器人样机。武汉大学和山东大学在这方面的研究起步较早。在“十五”国家高新技术发展计划（863计划）的支持下，中科院沈阳自动化所、武汉大学与汉阳供电公司、中科院自动化所与山东大学等同时开展了对架空输电线巡检机器人的研制工作。中国科学院自动化研究所、山东大学所研制的机器人采用了三臂结构，如图1-12，能在线路上行进，并可自主跨越线路上防震锤等障碍物，但机器人结构重，耗能多，作业控制复杂。武汉大学设计的机器人采用了双臂结构，如图1-13，可利用臂上的滚轮在线路上行驶，并具有一定的越障作业的能力，但该设计方案以相线作为机器人的作业路径，相线上相对复杂的环境给机器人的作业控制带来了困难，且机器人在相线上带电作业的危险性较大。高压线巡检机器人的结构设计10图1-12山东大学研制的三臂式巡检机器人机械结构Fig.1-12ShandongUniversitydevelopedathree-arminspectionrobotmechanicalstructure图1-13武汉大学研制的双臂式巡检机器人的机械结构Fig.1-13WuhanUniversity-typeinspectionrobotarmdevelopedbythemechanicalstructure综上所述，目前国内外设计的高压线巡检机器人多选取相线作为巡检作业路径，与选取地线为作业路径的机器人设计方案相比，相线的作业模式主要存在以下问题：（1）机器人悬挂在相线上时，处于带电作业状态，危险性高。（2）巡视检测的范围小、视野窄。（3）相线的悬垂弧度较大，机器人在相线上运行时更耗时耗能。（4）机器人在相线上运行，容易损伤线路。（5）相比于地线，相线上的温度较高，一些线路故障段的温度可达100℃以上高温，机器人长期处于高温环境，会影响机体和电子设备的正常工作。（6）突遇雷电时，相线上运行的机器人容易产生放电现象，影响机器人本体的安全性。1.3机器人本体结构需要解决的一些关键问题随着对巡检机器人研究的不断深入，人们对机器人的结构设计必然会提出更高的要求，主要表现在轻量化、操作简单化和越障高效化等方面。（1）轻量化影响机器人重量的主要因素有：机械结构、材料及电池等。因此需要设计尽量简单的机构，采用性能好、密度小的高分子材料及更加科学实用的能源供给。（2）操作简单化、越障高效化操作简单化不但可以减小控制的复杂性而且还可以提高机器人的工作效率。因此需要进一步的机构优化，选择最简单有效地机构形式实现其灵活、高效率的越障。1.4本文的主要研究内容依据以上分析，本文提出并设计了一种以地线为作业路径、可完成巡检作业任务的机器人本体机构，主要工作分为以下几个方面：（1）讨论国内外现有的研究成果，分析存在的优点和不足，论述本次设计的意义和目的。（2）阐述高压输电线路的特点和组成，分析高压输电线路障碍物