超高压多分裂输电线路巡检机器人研制与开发

曹 雷，郭 锐，张 峰

（1.山东电力集团公司 电力科学研究院，济南 250002；2.国家电网 电力机器人实验室，济南 250001）

0 引言

超高压输电线路是高压电网的重要组成部分，为保证其在运行过程中的安全性和稳定性，需要定期开展巡检工作；由于输电线路分布点多，远离城镇，地形复杂，并且导线暴漏在野外，长期风吹雨淋，且受到持续的机械张力、电气闪烙和材料老化的影响，容易引起磨损、断股、腐蚀等损伤，若不及时修复更换，易引起严重的事故，造成大面积停电及经济财产损失。所以，必须对输电线路进行定期的巡视检查，随时掌握和了解输电线路的安全运行情况，以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生；目前，传统的巡检方法普遍采用人工巡检，由于输电线路大部分都分布在野外，穿越高山、河流、高速公路和铁路等，人工巡检检效率低下、劳动强度大、危险系数高，其准确性也难以保证，检测精度低和可靠性差。利用机器人带电巡检和维护超高压输电网络，不但可以减轻工人千里巡线和带电作业的劳动强度，而且可提高检测精度和检测效率，取代人直接工作在高危险的场合，同时大大减少人力资源，对提高电网自动化作业水平、保障电网安全运行具有重要意义。在机器人研究领域中，电力机器人属于典型的特种机器人，其研究应用范围越来越广，在国际上形成了独特的电力机器人应用研究领域，特别是机器人技术在输电线路检测等方面的应用研究更是电力机器人研究领域中的热点。

本文介绍了作者及其所在团队研制的一种超高压多分裂输电线路巡检机器人。该机器人能在电压等级220KV以上的二分裂、三分裂、四分裂和六分裂导线上运行，对输电线路进行自主检测。机器人本体结构采用四轮臂，同时骑跨两根导线的方案，遇到防震锤时无需做越障动作，可直接压过，节省了越障巡线时间；在遇到间隔棒、悬垂线夹及悬垂绝缘子串时，采用每个轮臂依次越障，逐个跨越障碍物的方式。本机器人在国家电网机器人实验室内模拟线路上完成了各种越障实验。

1 机器人本体

1.1 方案要求

分裂导线与单股导线或者OPGW相比，运行环境更加复杂，导线上的障碍物更多，如间隔棒、悬垂线夹、防震锤和悬垂绝缘子串等，如图1（a）～图1（d）所示。特别是，由于输电线路的大跨越、导线弧垂等引起的分裂导线间距变化较大，给输电线路巡检机器人本体结构设计带来诸多困难。

图1 分裂导线线路环境

输电线路巡检机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及机械设计、通信传输、远程控制和多传感器融合等多领域。但机械结构是机器人的基础，也是目前制约机器人实用化的最大障碍。多分裂巡检机器人对机械结构的要求有：1）能够自主或者人工遥控顺利绕过、避让线路上的各种障碍物；2）各个轮臂关机具有较强的调节能力，特别是在跨越悬垂绝缘子串时，绝缘子串两侧导线悬垂角度较大；3）具有较强的爬坡能力，最少能爬越30°的斜坡；4）具有自我保护功能，防止在高空作业发生风舞跌落；5）可搭载可见光和红外能检测设备，最好能在平台上集成作业机械臂对导线进行修补、清除异物等作业。

1.2 巡检机器人方案

图2 巡检机器人结构原理图

如图2所示，采用轮臂复合机构的巡检机器人，具有4个交错分布的轮臂，每个轮臂具有3个自由度，机器人前后各设置保护装置，防止线路跌落。其中，如图3所示，每个轮臂包含主动轮驱动机构、升降关节和旋转关节。

机器人采用前后交错分布的4个轮臂，在越障和作业过程中，任意抬起某个臂，或者直接驱动轮压过防震锤时，机器人本体也不会发生倾覆，保证了其安全性；轮臂的长度和自由度数对机器人重量、体积影响较大，多分裂导线间距比较大，4个轮臂都骑跨在最下方两根导线上，有效减小了轮臂的长度，增加其稳定性；每个轮臂除了驱动轮之外都包含上下移动和左右旋转2个自由度，用最少的自由度完成越障动作。每个轮臂机构都为驱动轮，为机器人提供足够的爬坡能力，同时也防止前或者后轮阻力过大，造成整个机器人本体位姿发生倾斜。

1.3 巡检机器人总体结构

根据分裂导线和障碍物的特点以及对机器人方案的分析，通过对原型样机的反复试验改进，最终设计出适用于超高压分裂导线的巡检机器人，其总体结构如图3所示。

图3 巡检机器人总体结构

2 巡检机器人工作过程

巡检机器人完成一次巡检任务的具体工作过程如图4所示。

首先在地面对机器人整体上电，机器人完成自检后将机器人吊装到分裂导线下方两根导线上（上线时机器人处于带电状态）；然后地面监控计算机发出控制命令，机器人本体接收到运行命令开始自主巡线，驱动；行走过程中，可见光和红外监控设备对线路进行拍摄，将图像通过无线设备实时传输到地面工作基站，地面工作基站对线路的情况进行判断并记录故障情况，决定是否对线路实施维护；同时激光传感器等不断检测前方障碍物的情况。当机器人检测到前方有防振锤时，机器人无需做任何调整，直接压过。当检测到悬垂线夹和间隔棒时，机器人停止行走，进行调整，调整步骤如下。

1）前端保护装置打开，前臂上举直至驱动轮脱线，然后旋转关节动作，带动前轮摆开；

2）剩余线上三个驱动轮前进，当前臂越过障碍物时机器人停止前进，然后前臂做与1）相反动作，前臂驱动轮复位并且前端保护装置闭合；

3）前轮复位后中间两个臂同时抬起并摆开，剩余线上两个驱动轮前进，带动中间两臂越过障碍物后停止，然后两臂复位；

4）后端保护装置打开，后臂做与1）相同的动作，越过障碍物。

图4 巡检机器人工作流程图

3 自主越障实验

实验室搭建的500KV四分裂导线模拟实验环境，线上具有防震锤、悬垂线夹和悬垂绝缘子串等典型障碍物。如图5所示为巡检机器人在实验线路上自主越障的情形，以间隔棒为例。

图5 巡检机器人在实验线路上自主越障

实验表明，机器人：1）能自主越障和巡检。可直接压过防震锤，自主避让间隔棒、线夹和绝缘子串等障碍物；2）能在多分裂导线上运行。具有骑跨两根导线运行的能力，前后交错分布的四个轮臂分跨两根导线，运行更稳定； 3）安全可靠性高。分跨导线的特点保证了机器人在越障时至少有两个驱动轮骑跨在两个导线上，并且机器人前后个设计有保护装置。

4 结论

本文研制的高压输电线路巡检机器人采用前后交错分布的4个轮臂结构，能够有效避让间隔棒、绝缘子等常规线路障碍物，具有自我保护能力，安全可靠性更高；同时在实验室多次进行越障实验，验证了机构设计的合理性和可行性；该机器人左右两个轮臂分跨两个分裂导线，姿态稳定性更好，跨越障碍能力更强。由于巡检机器人上一个复杂的系统，其一直处于高电压、强电磁场、障碍物多以及野外强风造成的风舞等环境中，要达到实用化、可靠性高还需进步一研究，主要包括：1）对机器人机械结构进一步优化，减轻其重量和体积，更便于其上线；2）解决机器人能源问题，可在线更换电池或者进行在线取电；3）提高机器人的自主越障能力，基于电磁场检测、多传感器与视觉伺服、线路结构参数数据库与GPS的环境信息融合、分层决策与规划的自动导航系统以提高机器人的智能化水平，进一步增加系统运行的稳定性、可靠性与灵活性。

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