电力线带电作业机器人综述

范松海 马小敏 刘小江 罗磊 龚奕宇 刘益岑

（国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041）

前言

目前对电力设备的运行状态和高压线状况进行记录和检测，电力公司仍主要采用人工检查方式。这种方式每年耗费大量的人力物力，却仍无法保证检测数据的准确性、完备性与可追溯性[1]。随着无人机技术的发展，电力公司开始采取无人机航测法来替代人工目测，但由于飞行安全隐患和巡线费用昂贵，人们开始研究巡检机器人来替代无人机航测。巡检机器人可自主完成电力线或电力设备巡检，已成为国内外特种机器人领域的研究热点[2]。

一、国内外巡检机器人研究现状

（一）巡检机器人种类

根据巡检机器人是否具有跨越高压线上障碍物的功能，将国内外巡检机器人分为两大类：第一类是不具备越障功能的巡检机器人，第二类是具备越障功能的巡检机器人[3]。

1.不具备越障功能的巡检机器人

第一阶段是由斗臂车向巡检机器人提供移动动力，机械手安装在绝缘伸缩臂末端进行电力检测。

第二阶段机器人具备沿着电缆自主移动的运动性能，摆脱了线路高度和野外环境的限制[4]。

2.具备越障功能的巡检机器人

（1）仿生类越障巡检机器人。仿人、猿手臂的攀援机构，主要是将其自身携带的辅助机构悬挂在障碍物的两端，形成一条跨越障碍物的轨道。

（2）轮臂复合式越障巡检机器人。轮臂式复合机构，依靠轮式结构通过无障碍段，遇到障碍时，前臂上升或者下降脱离高压线，跨越障碍，再抓线。其具备行进速度快，工作效率高的特点。

（二）国外巡检机器人研究现状

在电力线巡检机器人的发展中，国外研究机构对巡检机器人的研究比国内早了近20 年，为电力线巡检机器人做出了很大的贡献。

1.不能越障巡检机器人

（1）不具备自主移动功能。1980 年初，日本九州电力公司已经开始研究第一代带电作业机器人，由斗臂车和工作平台组成。1990 年，九州电力公司研发了第二代作业机器人[5]。现在九州电力公司已开始第三代作业机器人的研究，即能自主处理问题的电力线路检修作业机器人。

（2）具备自主移动功能。1993 年日本Sato 公司成功研制出远程遥控下具有电力线损伤检测功能的巡检机器人[6]。

2000 年加拿大魁北克水电研究所研制出Line Rover 遥控小车[7]，随后2003 年推出第三代巡检机器人。该机器人能完成架空线视觉、红外检测、压接头状态评估、导线清污和除冰。

2.越障巡检机器人

（1）仿生巡检机器人

1990 年日本政法大学等人研制出一种蛇形仿生巡检机器人，该机器人由12 台小车左右对称，遇到障碍时，左右依次分开跨越障碍，跨越后再依次合拢恢复原状[8]。1998 年日本东京电力公司开发出仿人攀爬原理的越障巡检机器人[9]。

2014 年伊朗的伊斯法罕电气公司研发的巡检机器人由主框架，两对垂直滚轮以及三个水平滚轮构成[10]。

2014 巴西联邦大学研制出一种由一个驱动电机和四个曲柄滑块组成的四足机器人，可保证前后有两条腿同时悬挂在高压线上[11]。

（2）轮臂复合式巡检机器人

2008 年，加拿大魁北克水电研究院研制出第三代巡检机器人Line Scout，可进行可见光、红外视频识别、电阻测量、防振锤拖回等作业任务[12]。

2008 年，日本关西电力公司和日本电力系统公司共同研制出了名为“Expliner”的远程遥控巡线机器人实验室样机[13]。

2008 年，伊朗Semnan 大学研制了机器人MoboLab 样机[14]。2017 美国Georgia Tech 研发的Tarzan 巡检机器人，安装有红外摄像机和高速相机对输电线路巡检[15]，如图1 所示。

国外带电作业机器人主要针对电阻测量、检测绝缘子和线路缺陷，自主跨障，清除积冰等功能进行设计。其优点在于机器人能够在架空电力线上更加灵活地移动和跨过障碍；其不足在于机械臂上自由度太多，从而增加的电机会增加机器人自身重量。

（三）国内巡检机器人研究现状

国内对于带电作业机器人研究起步相对较晚，1999 年带电作业机器人首次立项；2002 年首台作业机器人研制成功；2005 年样机在山西长治和山东济宁通过试用；2012 年，国家863 计划对“面向电力带电抢修作业机器人研究开发与应用”进行了立项研究[16]。

1.不能越障巡检机器人

2008 年上海交通大学研制出超高压带电清扫机器人，它可以实现绝缘瓷瓶的带电清扫。

2.越障巡检机器人

（1）仿生巡检机器人

2008 年天津大学研制出基于四杆原理的攀爬手臂巡检机器人[17]，以视觉传感器辅助控制，从而实现越障巡检。

2015 年，南昌大学研制出单臂驱动、双臂越障的巡检机器人样机，能够跨越地线上的所有障碍，且机器人自由度少，无关节耦合动作[18]。

2018年沈阳航空航天大学研制出基于轮指移动模块的巡检机器人[19]。该机器人可完成移动、越障等实验。

（2）轮臂复合式巡检机器人

2005年武汉大学研制出两臂回转式悬挂机构，在巡检机器人机械结构、自主控制、在线和自主导航、计算机识别、线上充电等关键技术上取得了突破[20]。

2005 至2008 年，中国科学院自动化所研制了三机械臂和两机械臂的电力线巡检机器人[21]，机械臂末端为行走轮，可以在线路上自主行走并越障，如图2 所示。

2012 年西安交通大学，研发出三臂式巡检机器人样机，其使用双平行四边形桁架机构[22]。该机器人能在输电线路上稳定运行并顺利越障。

2013 年起上海大学相继研发了三代原型机，初代原型机采用双臂摆臂式异侧机构原型机；二代原型机采用双臂升降式异侧机构原型机；三代原型机采用双臂升降式同侧机构原型机[23]。

2014 年北京林业大学开发了220KV 除冰机器人样机。越障机构模块化设计，每个越障模块均可以在导轨上调整位置，相互配合完成越障[24]。

2016 年沈阳自动化研究所针对110kV 输电线路环境特点，设计出一种可以跨越引流线的巡检机器人[25]。

2017 年武汉大学以九江柘叶I 线220KV 高压线路为应用对象，研制出在地线上行走的三臂开合式巡检机器人[26]。

2019 年湖北工业大学研发的磁力直线牵引三开合越障机器人[27]，在磁悬浮系统与磁力直线牵引系统的作用下，能高效地进行巡检作业。

在国外的研究基础上，国内对机器人做了很多地方的改进，除了具备国外带电作业机器人的基础功能外，还具有对绝缘瓷瓶清洗的功能，同时大大增强了机器人对线路的适应力。但现有的带电作业机器人体积庞大、重量过重，具备的功能单一，只能进行日常巡检、报警、简单带电检修作业等功能，还不能完全自主完成多种带电检修工作。

二、结论

随着国内外电力线巡检机器人研究工作的逐步深入，研制出的巡检机器人样机已具备行走、越障、监测、自动巡检、除冰等基本功能，但目前尚无成熟产品应用于电力行业实际高压线巡检作业中。为了加快电力线巡检机器人产业化进程，未来可以结合以下三个方面开展改进研究。

（一）增强保护装置

如何做到在恶劣环境下，机器人能够正常巡检，以及正常工作环境下，即使发生意外，也有安全带防止坠落是目前研究的重点。

（二）减轻重量

巡检机器人结构上应进一步简化，以缩小体积。在保证足够的强度和刚度下可使用新型材料减轻整体重量。

（三）丰富功能

随着线路故障探测仪器的小型化以及多信息融合，可以在巡线机器人上集成多种探测仪器，达到一次巡检便能同时实现多种设备检测的效果。