智能巡检机器人研究现状与发展趋势

广州供电局有限公司 张成巍

中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室 岳湘

0 引言

我国高压输电网覆盖面积大、联网程度高，同时随着国民经济的发展，对电力系统可靠性的要求越来越高，特别是用户要求输电线路安全可靠地保证不间断供电，因此必须采取措施确保线路的连续供电。“超大规模输配电和电网安全保障”是列入国家中长期科技发展规划纲要的优先主题之一。电力输电线路和它的杆塔附件会受到材料老化、持续的张力、电气闪络等因素的影响，而导致磨损、断股、腐蚀。如果不能及时进行修复，原来很小的损伤和缺陷可能带来破坏性的事故，导致电网的大面积停电，给社会带来巨大经济损失。

输电线路的巡检目前主要有人工沿线巡检和直升机巡检两种作业方式。人工沿线巡检的方法即由巡线工人采用目测或通过望远镜、测距仪及红外热像仪等方法沿线路逐塔巡检，地面巡视与登塔检查相结合，是目前国内绝大部分输电线路巡视的主要方法。这种巡检作业方式，劳动强度大、巡检质量低、运行维护费用高且危险性较高。对于跨越山区、草地及原始森林等路段的巡检而言，由于环境恶劣，难以保证巡检到位率，而且巡线周期长。直升机巡检的方法又称航测法，是指由直升机携带红外热像仪及可见光摄像机等设备进行巡检。采用直升机巡检的优点是巡线效率高，可应用于高海拔、高寒地区及原始森林等环境恶劣，人迹罕至的路段巡检。其缺点是巡线费用昂贵，巡检质量受到气候、地理环境及检测设备等因素的影响。由于上述巡检作业方式存在的诸多不足，国内外的专家学者提出采用机器人巡线的作业方式，用于替代或辅助人力进行线路的巡检与维护。

1 国内外研究现状

日本、美国和加拿大等国家于20世纪80年代末，先后开展了电力巡线机器人的研究工作。日本东京电力公司Sawada教授于1988年研制了架空地线巡线机器人[1]。该巡线机器人由一对夹持轮和一对行走轮组成运动主体机构，它能够跨越螺旋减震器、防震锤等障碍物。当巡线机器人遇到杆塔时，根据仿人攀援动作的机理，展开其弧形机械臂，用机械臂勾住两侧的地线，行成一个导轨。主箱体通过导轨滑到杆塔的另外一侧。等巡线机器人的夹持轮夹紧地线后，将弧形的导轨机械臂收起，完成越障动作。

1989年，美国公司TRC研发了一台自主巡线机器人样机[2]。该巡线机器人能沿架空输电线路行走，通过视觉设备检测绝缘子、电晕损耗以及压接头、结合点等等。当巡线机器人探测到线路故障后，先自己进行预处理，再将数据传送给地面工作人员；当遇到障碍物时，巡线机器人采用仿人攀援动作从侧面跨越障碍。

1990年，日本法政大学的Hideo Nakamura教授等人研制了新型的电力巡线机器人[3]。该巡线机器人采用多关节仿生体系设计方式和头部首先进行决策，尾部跟随头部运行的控制方法，以10cm/s的速度沿导线行走，并能够跨越障碍物，如绝缘子、分支线等。

2006年，加拿大魁北克水电研究院（IREQ）继The HQ LineROVer之后新开发了一种在315kV及以上带电导线上巡检的机器人LineScout[4]。它能够跨越常见的线路金具，如绝缘子串、间隔棒、防振锤等，不但可以进行可见光和红外视频检测，而且安装有机械臂，能够从事压接管电阻测量、断股修补、防振锤拖回等带电作业任务。

2008年，美国电力研究院（EPRI）开始设计了一种巡检机器人“TI”[6]，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Tom Bewley手下的"Coordinated Robotics Lab"工作的Morozovsky打造的[7]。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。

国内的研究始于20世纪90年代，中国科学院沈阳自动化研究所、武汉大学和中国科学院自动化研究所等单位率先开展了巡检机器人的研究工作，取得了一系列技术成果，突破了一些关键技术，证明了机器人巡检的可行性，为后续深入研究打下了良好的基础。

中国科学院沈阳自动化研究所面向电力部门的实际需求，在国家科技部“十五” 、“十一五” 863计划、国家电网和南方电网等重点项目支持下，研制开发了“AApe”系列电力检测与作业机器人系统；解决了500kV超高压环境下机器人机构、自主控制、数据和图像传输、电磁兼容等多项关键技术；在东北电力电器产品质量检测站完成了产品性能测试；开展了百余次野外现场带电检测与作业试验；研发出的“AApe”系列电力检测与作业机器人已经在锦州、沈阳、长春、哈尔滨、齐齐哈尔、厦门、贵阳超高压局及四川省电力公司等用户单位进行了推广应用[8,9]。

中科院沈阳自动化所研制的500kV超高压输电线路巡线机器人[10]系统由巡检机器人本体和地面基站组成，采用遥控加局部自主相结合的控制方式。巡检机器人能够在500kV输电线路上沿线自主行走并跨越防震锤、悬垂金具、压接管等障碍物，其上携带摄像设备可实现对输电线路、杆塔、线路通道及交叉跨越等设施带电巡检。

武汉大学研制的两臂巡线机器人[11]可以在输电导线上行走，并跨越防振锤、线夹、压接管等障碍物。

2 巡检机器人的一些关键技术

由于具有巨大的应用潜力和价值，巡检机器人已经成为特种机器人领域的研究热点。从目前的研究现状来看，还存在许多关键技术有待进一步突破。

产期护理人员指导产妇及其家属了解和掌握腹部、腰骶部按摩手法,在第一产程中孕妇凭借自身感觉进行手法按摩,若下腹部疼痛则从小腹左侧至右侧反复按摩,若下腹宫缩则顺时针旋转按摩,若腰部疼痛则可按压疼痛部位,若待产妇自我按摩困难,助产士或家属可协助按摩。

2.1 巡检机器人机构研究

移动机器人机构是巡线机器人系统中关键的核心技术。目前，巡检机器人多采用仿生机构，机构关节较多，结构复杂、体积大、笨重，适应能力较差，负载能力有限。由于机器人关节较多，机构运动学逆解的解耦控制难度较高，运动控制的精度有待进一步的提升。同时由于机器人动态特性较差，不符合输电线作业的要求，工业实用化水平较低。从应用角度来看，要求巡检机器人机构具有小巧紧凑、轻质的机械结构，且容易上下线作业和便于携带等，目前的巡检机器人机构还不能完全满足巡检任务的需求。

近几年，一些科研单位将轻质材料应用在机器人本体设计上，减轻了机器人重量，同时采用欠驱动机构减少机器人驱动机构，提高了机器人负载能力。采用自适应机构减少机器人驱动数量，提高了机器人的负载能力。

2.2 智能控制系统研究

巡检机器人工作在野外环境，对控制系统有着极高的要求。机器人自主跨越输电线上的障碍物是巡检机器人控制研究中的关键内容，机器人在越障过程中，一只手臂悬挂于线上，另一只臂脱线跨越障碍后完成上线动作，上线过程中需要对输电线位姿定位，并根据定位结果控制机器人完成上线动作。此外，悬挂在导线上的机器人，由于风力作用和自身姿态调整时重心的偏移会产生摆动。因此，寻求一种可靠、简洁的定位方法是实现机器人完成越障的关键。输电线巡检机器人需自主跨越的障碍物种类较多，机器人可通过对典型障碍物越障过程的运动规划，离线形成规划知识库，实际越障时自动调用规划知识库完成动作。机器人手臂在上线时，按照规划知识库动作时应与在线检测的信号相结合进行调整，以保证机器人动作的准确。

2.3 在线供电系统方法研究

由于缺乏能源在线补给装置，目前高压输电线上的仪器和带电作业设备一般都采用电池供电。电池工作时间短，需要频繁更换，影响仪器和设备的工作效率，因而在线感应取电电源装置的开发就显得非常必要。目前部分研究机构采用小型汽油发电机供电，但汽油发电机需携带油箱，工作时受环境影响大，可靠性差。由于巡线机器人一般沿大工作电流的电力线爬行，因此，最好能直接从电力线上获取能源，即耦合供电。目前各研究机构大多处于理论研究阶段，感应取电电源的输出功率较小，且设备较笨重，还不能满足巡检机器人对能源的要求。所以开发设计重量轻，效率高的感应取电装置，提高巡检机器人的作业续航能力必将成为巡检机器人研究的热点和难点之一。

2.4 导航与定位技术研究

由于巡检机器人工作在野外环境中，其行驶路径高压输电线路周围分布有强电场与强磁场，使其对自动导航传感器的选用十分苛刻。目前，巡检机器人使用视觉导航的较多，视觉导航具有很高的空间和灰度分辨力，探测范围广、精度高，能够获取场景中绝大部分信息。另外，悬挂在导线上的机器人，由于风力作用和自身姿态调整时重心的偏移会产生摆动，加大了跨越障碍时的控制难度，软件算法复杂。采用电磁传感器沿高压输电线路的相线进行导航的方法，可以避免强电场、强磁场的干扰，具有小巧、重量轻、软件处理方便、造价低廉的特点，但为了满足导航精度和灵敏度的要求，需要安装传感器的数目较多，对传感器匝数和磁心导磁率等也有较高的要求。

综合以上分析，现在研发的巡检机器人都没有实现全自主控制能力，机器人还需在人的辅助下完成局部自主作业，还没有适应巡检机器人作业环境的导航与定位方法，所以开展导航与定位技术研究是极其必要的。

2.5 巡检机器人在线检测方法与作业技术研究

目前对于输电线路故障监测的方法大多采用的是离线监测，通过机器人搭载的摄像头远程巡视线路故障，机器人尚不具备可靠地实时检测能力，所以开发设计一种切实可行的输电线损伤、断股故障在线检测方法成了急需解决的问题。由于巡检机器人作业环境的特殊性，对在线监测工具的性能要求较高，检测设备必须质量轻，检测精度高，抗干扰能力强。机器人可用多种传感器同时扫描线路，运用传感器信息融合技术以更高的分别率和可靠性发现各种类型的早期故障并加以评估，为维护人员实时提供架空电力线设施的工作状态报告。

由于输电线巡检与作业任务的需求，机器人必须具备线路维护的能力。所以机器人必须能够搭载模块化的作业工具，对发现的线路故障快速及时的维护，保障输电线的稳定工作。线路修补工具与作业技术将成为继检测之后的又一研究热点。

3 发展趋势

巡检机器人已经成为特种机器人领域的研究热点，其技术发展有三个值得关注的趋势：

（1）基于多传感器融合的输电线巡检机器人

随着自主巡检机器人技术的逐渐完善和线路故障探测方法的成熟，一个巡检机器人一定会集成多种传感器，运用多种传感器进行机器人行走越障的导航与定位，对线路故障的精确诊断，并完成故障的及时维护，真正实现机器人代替人员对架空输电线的巡检与维护工作。

（2）基于组合作业模式的巡检机器人

一个多任务的机器人必定体积大而且笨重，在电网中使用是不可能的。由于巡线任务的复杂性，可以将目前的几种作业方式，包括机器人巡检、直升机巡检和在线监控等进行合理的组合，构建一种全新的涵盖多种巡线作业模式的巡检平台，实现相互间的信息交互与共享。

（3）基于智能电网的输电线巡检机器人

智能电网系统的快速发展，新一代电网设备互联标准逐渐使用，巡检机器人应具备与智能电网信息网络互通的能力，发挥巡检机器人快速反应的优势，完成输电线的及时准确的维护工作。

[1]J. Sawada,K.Kusumoto,T.Munakata,Y.Maikawa,and Y. Ishikawa, A mobile robot for inspection of power transmission lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1991, 6(1), 309-315.

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[7]P.Debenest, M.Guarnieri, K.Takita,E.F.Fukushima, S.Hirose,K.Tamura,A.Kimura,H. Kubokawa,N.Iwama,and F.Shiga,Expliner-Robot for inspection of transmission lines[C]2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation,2008:3978-3984.

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