便携式电缆管道穿管机器人的研制

李伟　李窕　许旭哲　陈斯灿　苏培才

摘要：随着社会经济的发展，电力电缆大面积取代架空线路，特别在人口密集地区，电力电缆成为最主要的电能传输载体。为配合市政建设，电力电缆建设通常采用预埋管道的方式，预埋电力电缆管道根据电力工程建设需要投入使用，通常滞后预埋时间较久，预埋管道内可能出现管道破损、积淤泥或其他异物的现象，导致预埋管道不可用、无法用，特别是在10kV配电网领域，因电缆管道一般口径偏小，目前没有有效的方法能在预埋管道启用时进行穿管前情况探查及勘察。在管道内情况不明的情况下进行电力电缆穿管，一旦遇到障碍物，只能退出电力电缆，进行管道清理工作。由此将影响施工进度，并可能导致电力电缆因多次拖磨引起绝缘破损，埋下安全隐患，增加投运后的运维工作量。本文提出一种便携式电缆管道穿管机器人设计，通过机电一体化的高可靠性设计来确保穿管机器人优质、可靠的智能巡检服务。

关键词;电缆管道;智能巡检;高可靠性

一、便携式电缆管道穿管机器人的功能

便携式电缆管道穿管机器人代替人工进行电缆管道巡检服务，主要包括预埋电缆管道的验收勘察、长距离电缆管道的牵引穿线、清理管道内部杂物并对管道进行润滑、减少摩擦力等，为电力系统安全生产稳定运行提供重要保障。

1、预埋电缆管道的验收勘察;全程可视化操作勘察管道内部情况，解决电缆预埋管道施工完成后验收时无法对工程质量及隐蔽工程量进行有效验证的问题。

2、解决长距离小口径电缆管道的牵引穿线需求;通过研发便携式穿管机器人系统，为目前无法解决的长距离、小口径穿管工作提供一套新的方法和技术手段。

3、清理管道内部杂物并对管道内部进行润滑、减少摩擦力;穿管机器人能对管内进行进行润滑、清洁管道操作，减小电缆敷设时摩擦力，确保牵引电缆拉力符合规程要求。

二、便携式电缆管道穿管机器人的高可靠性设计

（一）驱动核心可靠性设计

驱动核心负责穿管机器人动作的构建，动作构建采用分立模块化设计，仿生控制器装置控制每个足单元之间的协调运动，足单元控制足内关节之间的运动。机器人常见的控制方式有集中式控制和分布式控制等，便携式电缆管道穿管机器人采用的是基于SPI的分布式控制管理方式，各足单元之间采用软件分配地址进行管理。驱动层由六足单元组成，每个足单元内部有2个关节控制器与1个行程计数器组成，并节控制器分别负责控制各个关节的运动。每个控制器使用专用运动控制芯BTN7971B，采用双路大功率MOS管驱动及保护、隔离电路，用于驱动电机。处理器采用STM32，内部集成有SPI接口。

便携式电缆管道穿管机器人仿生控制器装置具有异常保护功能。电机运行在特种工作条件下运行可能会出现各种故障，为保护控制器装置，需要对电机运行异常进行保护。电机的保护方式有很多种。控制器采用驱动控制测量反馈对电机运行异常的保护。

为使测量准确，首先电源的纹波要尽量的小，线路板电源电路部分布线一定要注意。同时在测量算法上也很重要。应用中测量到电机发生电流异常时，先要做出预警，同时提高采样速率，进一步的比较判断如果继续异常，做出报警。报警发生后驱动电路将控制电机的运行状态来对电机进行保护。

（二）电源系统可靠性设计

为保障非可视条件下操作穿管机器人不会因电源耗尽或因大电流自动保护无电源输出而导致机器人不可控的问题，便携式电缆管道穿管机器人电源系统设计时采用了双电源系统设计。

机器人设计的重点及难点往往是在能完成相应的功能的情况下能向集成化、便捷式方面设计。这样就要求电源系统选择能量密度、功率密度高的电池。因为机器人需要选择质量小、电池容量大的电源，同时机器人运动往往选有直流减速电机、步进电机、陀机作为驱动，电机在启动、堵转时电流会较大，因此电源系统需要瞬间输出电流大。

穿管机器人电源系统根据设计运行时间计算，以24V工作系统穿管机器人为例，大容量锂电池选用Sony V3 18650电芯，电池组为7串4并。小容量锂电池选用Sony V3 18650电芯，电池组为7串。大容量电池组先给整机系统供电，当大容量电池组放电至开关管关断电压后，小容量电池组从VOUT口输出，仅供控制系统、下线系统供电。

（三）结构可靠性设计

便攜式电缆管道穿管机器人结构上采用便捷、小巧紧凑设计，包括前后壳、行走臂、行走轮、网络摄相头及光纤牵引绳。前后壳分别设置有螺纹固定孔，用于前后壳连接固定;前后壳上设置三个轴心对称凹坑，该凹坑结构容纳并嵌合行走臂，行走臂上设置有转轴用于嵌合前后壳凹坑内的轴孔，使行走臂与壳体之间能在一定范围内沿轴心摆动;行走臂的另一端设置蜗杆转轴，转轴两端装配有行走轮，蜗杆转轴由行走臂内部的电机带动蜗轮从而驱动行走轮转动;机器人前壳前端设置有镜头片，镜头片后面设置有网络摄相头;机器人尾端后壳上设置有出线孔，出线孔用于设置光纤信号线;机器人后端的行走臂末端设置牵引绳孔，每个牵引绳孔栓上牵引绳，多组牵引绳最后合拧成一股用于牵引机器人主体。行走臂转轴与前后壳间设置有弹性扭簧;该机器人对比其它管道牵引设备具有结构轻巧紧凑，能自适应一定范围内的大小不同管径的管道，能后台通过机器人前端摄相头对穿管过程进行可视化操作，机器人后端设置的牵引绳能在设备出现故障时进行自救，提高了设备的实用性及可靠性。

三、结语

穿管机器人代替人工进行电缆管道巡检服务，因故障失控往往会带来十分严重的后果。本文通过驱动核心、电源系统及结构的三重高可靠性设计，确保了便携式电缆管道穿管机器人的安全可靠运行，其中电源系统的稳定工作是智能设备的核心，穿管机器人采用双电源系统自动切换设计，可以有效解决单路电源无输出的自动修复，不会出现需要人工重启的情况，大大提高了穿管机器人设备的可靠性。

参考文献：

[1]胡莹，常越.双电源转换控制器研制[J].低压电器，2006（11）：48-50

[2]陈林.新型智能双电源电子快速切换系统的研究[D].合肥工业大学，2006