高压输电线机器人的研究现状及展望

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　　摘要：高压架空电力线及杆塔附件等长期暴露于野外，需要定期巡检维修以保证电力系统的正常运行。随着科学技术的发展，目前高压输电线巡检方式正由人工逐步向机器人进行转变。文章针对国内外高压输电线机器人的发展现状进行研究，结合现有的研究提出了关键技术问题，并展望了高压输电线机器人未来的发展方向和应用前景。
　　关键词：输电线路；机器人；研究现状；发展趋势
　　自20世纪初人类发明并使用三相交流电以来，高压电的传输技术向高容量，高电压，长距离等目标逐步发展。目前输配电能源的主要方式是使用高压架空电力线，因此不可避免地长期将电力线和塔架附件等暴露在野外，导致线路腐蚀，磨损等损坏。如果不能及时进行修复，可能会加剧原有的轻微缺陷和损坏，导致大规模停电事故并且对国民经济造成巨大的损失，因此，及时检测出损坏并快速修复是很有必要的。
　　随着消费者对电能质量以及可靠性需求的不断提升，加强对电力线路的检查维护必然成为电力部门工作的重点之一，这务必造成电力线路相关工作人员的劳动强度不断增加。所以，为了达到电力系统的正常运行并提高电力工人的工作效率的目的，研究开发能够替代巡检工人进行检查的新设备成为国内外相关领域炙手可热的问题。
　　1. 高压输电线机器人研究现状
　　从20世纪80年代末开始，美国、加拿大和日本等西方国家，着手对电力高压输电线机器人进行探究。东京电力公司Sawada教授等人1988年率先研发了拥有初步自主越障能力的巡检机器人，并将其命名为光纤复合架空地线巡检移动机器人[1]。美国TRC于1989年成功开发出悬臂式自主检测机器人的原型[2]，它不仅可以爬行于远距离的架空电线，它还能执行视觉检查任务。加拿大水电魁北克研究中心于2008年开发出一款名为LinesScout的高压输电线路检测机器人。机器人基本结构上设置一个夹紧机构，可以有效阻止机器人两端的下落，确保机器人可以安全有效地工作[3]。2008年，伊朗塞姆南大学机械工程学院开发了一种名为MoboLab的巡检机器人[4]，它由三个配有滚轮的钳口装置夹紧并在导线上移动。针对高压地线通过塔顶之间顶与顶进行连接的特征，2009年瑞士苏黎世联邦理工学院的 Buehringer，M.等人研制出了一款名为 Cable Crawler[5]的沿地线行驶巡检机器人，该机器人利用双对垂直滚筒通过直接挤压塔顶的方法进行越障。
　　中国对高压电力线路检测机器人的研究与发达国家相比，起步时间较晚。武汉大学机器人研究所于1998年研发出具备自动越障功能的高压输电线巡检车[6]。该车为三轮驱动，具有稳固的越障功能和行走功能，可安稳地越过输电线路上的障碍物。2005年，中科院沈阳自动化研究所的王洪光等人开发出双臂反对称悬挂式检测机器人[7]，机器人可将重力集中于单个臂，使检查机器人的另一个臂与传输线分开。湖北工业大学于2015年提出了基于磁悬浮的高压输电线路检测机器人[8]，其避障机构通过检测机器人的整体结构和运行方式设计而得。
　　2. 高压输电线机器人的关键技术
　　伴随现代科学技术的逐步提高，人们越来越清楚地认识到机器人将在国民经济中发挥更加重大的作用，帮助人类从繁重艰苦的工作环境中得以解脱。目前，各国对检测机器人的研究还处于初级阶段，各式机器人都存在着无法普遍推广的缺陷，因此高压输电线机器人的关键技术研究主要集中在以下几个方面：
　　2.1.机器人的行进结构设计
　　现有的输电线机器人行进机构大都为轮式行进机构，主要通过行进轮与输电线的摩擦完成行进，驱动轮依靠电机转动，可实现速度调节，其运动较为稳定、速度快、工作效率高。相比双臂式、三臂式和四臂式输电线机器人主要为步进式行走机构，依靠机械臂交替移动完成行进，其运动具有间断性，并且移动较为缓慢、工作效率较低。总的来说，针对行进方式稳定可靠并且能够帮助提高工作效率的行进机构的研究将成为输电线机器人的研究重点。
　　2.2.机器人的越障方式
　　高压输电线路机器人要求能够平稳地穿过诸如防震锤、悬垂线夹等障碍物。现有的机器人越障方式主要有跨越式、荡越式、回转式以及挤压式等。伴随智能化自主检测技术的不断发展，仿生控制系统和模糊控制方法等现代技术开始应用于机器人越障控制研究，机器人的越障方式逐步向自主化、智能化模式转变。因而，建立机器人运动轨迹与姿態控制等数据库，使高压输电线机器人越障方式迈向智能化控制将是研究的一项关键技术。
　　2.3.机器人的电源补给
　　高压输电线路机器人经常在高海拔、高磁场环境中运行，不能依赖电池进行长期运行，因此，机器人实时在线充电是能量供应的主要研究方向。由于高磁场伴随着高压输电线路而存在，利用磁生电的原理，绕有线圈的铁芯两端可产生感应电动势，利用整流桥装置可将生成的交流电转化成直流电，从而为蓄电池供电，也可直接为检测机器人供电，这种方式称为感应取电。另一种实时供能方式为光储系统，包括太阳能组件、逆变器、控制器、蓄电池、负载等设备，常见的技术路线主要有直流耦合与交流耦合两种拓扑结构。输电线机器人主要运用直流耦合结构，利用光伏系统得到直流电，然后通过控制器，将直流电存储到蓄电池中，为检测机器人供电。总而观之，在高压输电线路巡检机器人的能源供应问题中，解决问题的关键是如何实现实时在线供电，合理建立太阳能充电基站，以及如何使蓄电池重量轻，体积小，电量大。
　　2.4机器人的检测方法
　　现有的检测故障的方法有光学图像检测法、红外线检测法、超声波检测法、漏磁检测法、无线电频谱检测法、电涡流检测法以及超导量子干涉器件检测法等，但无论是较为成熟的还是尚处于实验阶段的各种检测技术均存在一定的局限性，不能很好地适用于输电线机器人自主巡检。综归起来，研究适应各种环境各种状态，抗干扰能力强，检测范围广，检测故障种类多并且真实可靠的检测技术是输电线机器人自主检测的关键技术。 　　3.发展趋势
　　目前没有越障能力的高压输电线巡检机器人研究已经比较全面。但是，能够进行自主越障的巡检机器人还有待研制，因此对于具有完全自主越障功能的巡检机器人研制己成为间不容息的问题，分析现有的研究成果我们可以合理地预测未来输电线机器人会朝着如下方向发展：
　　3.1分布式高压输电线机器人系统
　　尽管多感测输电线机器人具有其优点，但它们不可避免地带来大尺寸和过复杂控制的缺点。若线路检查任务由携带不同线路故障检测器的多个机器人完成，可以大大减小机器人的体积和功耗，降低开发难度；同时，多机器人协作可以使机器人系统通过每个机器人的信息传输产生更高的效率，它可以进一步提高线路故障的检测可靠性和灵敏度。
　　3.2具有多个传感器的检查机器人
　　随着机器人检测技术的成熟和传输线故障检测装置的简化，可以在检测机器人上使用各种故障检测仪器。机器人可以用各种传感器同时扫描传输线，传感器信息融合技术可以更有效，可靠地找到传输线上的故障并对其进行评估，使维修人员更加快速和便捷的发现并维修故障。
　　3.3自主控制系统与智能化发展
　　伴随现代化技术例如传感技术和无线通信技术的快速发展和成熟，检测机器人自身的控制系统中可以安装嵌入式PC104工业计算机，其控制驱动可采用三种闭环工作模式，即速度，电流和位置，可轻松适应各种速度，扭矩控制和复杂的位置应用。当机器人处于自主越障时，传感器可以与专家知识库结合，完成行动计划和动作调整互相联合的越障行动。
　　4.结论
　　综合各方因素，研究一种经济可靠的方式检测输电线路工作状况，减小工人工作强度、提高巡检检查质量并降低巡检费用，保证电力线正常工作，从而满足社会对电能的需求是很有必要的，但当前各国对具有自主越障能力的高压输电线路机器人的研究均处在初级阶段，现有的输电线机器人都存在着无法普遍推广的缺陷。未来的输电线机器人将逐步走向多传感器智能式机器人，机器人能够自动拍摄线路情况，远程控制管理级能够自动接收机器人搜集的信息并对其分析处理，实现故障自主检测并修复等方向发展。
　　参考文献
　　[1]ADA J S，OTO K K， UNAKATA T M，ET AL. A mobile robot for infection of power transmfission lines[J]. IEEE transactions on power delivery，1991，6 （1），309-315.
　　[2]ELIOT T. Robots repair and examine live lines in sever condition[J]. Electrical world， 1989（5）71-72
　　[3]TOUSSAINT K， POULIOT N， MONTAMBOULT S， Transmission line maintenance robots capable of crossing obstacles： state of the art reviewand challenges ahead[J]. Journal of field robotics， 2009， 26（5）.477-499.
　　[4] NAYYERLOO M， YEGANEHPARAST S M M， BARATI A， et al. Mechanical implementation and simulation of mobolab， a mobile robot for inspection of power transmission lines[J]. International journal of advanced robotic systems， 2008，5 （2）：209-214.
　　[5] Buehringer M.， Berchtold J.， Buchel M.， et al. Cable-crawler一robot for the inspection of high-voltage power lines that can passively roll over mast tops[J]. Industrial Robot-an International Journal， 2010， 37（3）：256-262.
　　[6] 吳功平，戴锦春.具有自动越障功能的高压线巡线小车[J].水利电力机械，1999 （1）：46-49.
　　[7] 付双飞，王洪光，房立金，等.超高压输电线路巡检机器人越障控制问题的研究[J].机器人，2005， 27（4）： 341-345.
　　[8] 徐显金，冯玉立，方磊，等.磁悬浮式高压线巡检机器人避障机构设计[f].机械设计与制造，2016 （5）： 61-63，67.
　　基金项目：辽宁省科技厅博士科研启动基金计划项目（项目编号：20170520077）。
　　作者简介：黄洪升（1996—），男，汉族，重庆人，就读于沈阳工业大学，研究方向：机械设计制造及其自动化。
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