變電站巡檢機器人充電技術研究

宋志鋒 吳秀海 孟 杰 董茂起

（1.山東魯能智能技術有限公司，山東 濟南250101；2.國家電網公司運行分公司上海管理處，上海215223）

0 引言

隨著科學技術和電力體制改革的不斷發展，智能化電網建設逐漸加速，變電站巡檢機器人部分替代人工巡檢已經成為一種趨勢［1－2］。變電站巡檢機器人整合機器人技術、電力設備非接觸檢測技術、多傳感器融合技術、模式識別技術、導航定位技術以及物聯網技術等，能夠實現變電站全天候、全方位、全自主智能巡檢和監控，有效降低勞動強度和變電站運維成本，提高正常巡檢作業和管理的自動化、智能化水平，為智能變電站和無人值守變電站提供創新型的技術檢測手段和全方位的安全保障，更好更快地推進變電站無人值守的進程。采用機器人技術進行變電站巡檢，既具有人工巡檢的靈活性、智能性，同時也克服和彌補了人工巡檢存在的一些缺陷和不足，更適應智能變電站和無人值守變電站發展的實際需求，是智能變電站和無人值守變電站巡檢技術的發展方向，具有廣闊的發展空間和應用前景［3］。

為具備靈活的運動特性，巡檢機器人采用電池作為動力源。但電池容量有限，且隨著充電次數增加，電池容量不斷下降。機器人一次充電只夠維持幾個小時的連續工作，一旦電池的電量不足，必須及時充電。如果采用手動充電，既增加了變電站運維人員的工作強度，也無法體現出機器人完全自主運行的理念。巡檢機器人如何在無人干預條件下自動補充能源是實現巡檢機器人完全自治需要重點解決的問題之一。本文概要介紹了變電站巡檢機器人的充電技術，重點介紹了自動充電機構、充電室等變電站巡檢機器人充電關鍵技術。

1 變電站巡檢機器人充電技術概述

巡檢機器人需要補充電力時，基于磁軌道引導，RFID標簽定位，自動駛向指定充電點，在可能面臨障礙物的情況下，機器人系統需要停障或避障能力以及路徑規劃能力。機器人和充電座必須實現自動電氣連接與脫離。一般情況下，在機器人上設計一個公頭連接器，在充電座上設計一個母頭連接器，可通過調整機器人位置或控制充電臂的位置實現機器人的充電插頭與充電座的自動對接與斷開。由于導航定位均存在精度問題，所以充電裝置對接需要有一定的誤差容忍度，當出現較小偏差時，對接也應該成功，一個真正健康的機器人充電系統必須具有容錯及自主糾錯功能。充電完成后，機器人自動停止充電，待命或投入正常運行。整個充電過程完全實現自動化，無需人工干預［4－5］。

2 變電站巡檢機器人充電關鍵技術

2.1 變電站巡檢機器人自動充電機構

自動充電機構安裝在巡檢機器人移動平臺上，當巡檢機器人需要充電時，機器人按照指令移動到充電室指定位置，自動充電機構進行充電對接操作。充電完成后，機器人自動充電機構斷開電氣連接。自動充電機構包含直線導向結構、彈性減震結構、位置檢測結構、充電對接結構等。自動充電機構及充電座工作示意圖如圖1所示。

圖1 自動充電機構及充電座工作示意圖

2.1.1 自動充電機構直線導向結構

直線導向結構主要由導桿、導套、平鍵、直線推桿及充電機構后座組成。導桿固定在充電機構后座上，充電機構后座通過平鍵與直線推桿相連接，導套鑲嵌在充電機構上座中。導桿在導套內運動，既保證了動作的直線度，又保證了定位要求，提高了充電過程的直線運動精度。

2.1.2 自動充電機構彈性減震結構

巡檢機器人在巡檢工作中遇到的路面情況復雜，時常會在運行過程中產生顛簸的現象。自動充電機構增加減震結構可以減少震動對自身帶來的影響。減震結構主要由彈簧、導向軸、橡膠套、彈簧擋片組成。彈簧兩端用彈簧擋片進行壓緊，導向軸從彈簧的中間穿過，橡膠套安裝在導向軸上，以消除彈簧與導向軸摩擦所產生的影響。整個減震結構是利用彈簧的彈性形變達到整體減震效果，從而降低震動帶來的影響，提高自動充電機構的安全性能。

2.1.3 自動充電機構位置檢測結構

在巡檢機器人充電的過程中要對其充電機構的位置進行準確判斷，這樣才能確保機器人充電過程安全可靠。充電機構精確位置控制結構主要由安裝在充電機構前座、充電機構下座及直線推桿中的限位開關組成。當限位開關發出信號時，充電機構控制板發出相應指令保證對充電機構運動過程的位置動作控制。當充電機構伸出后，通過檢測充電機構前座上的限位開關信號，確保充電極片與充電基板相接觸。如果接收到接觸信號，充電機構停止伸出，機器人進入充電狀態。充電結束后，充電機構收回，當固定在充電機構下座的限位開關接收到信號后，充電機構停止工作，反饋給機器人本體工控機，進行下一步工作。

2.1.4 自動充電機構充電對接結構

自動充電機構要與充電箱上的充電座進行充電對接操作。充電對接結構主要由充電機構前座、充電極片、充電座與充電基板組成。充電極片固定在充電機構前座的凹槽內，當充電機構伸出時，充電極片與固定在充電座中的充電基板接觸開始充電工作。經測試，自動充電對接結構水平方向上有±15°、±10 cm的誤差容忍度，垂直方向上有±1 cm的誤差容忍度，能夠滿足充電對接誤差容忍度的要求。

2.2 變電站巡檢機器人充電室

充電室是機器人的能源補給場所，是智能機器人巡檢系統的重要組成部分。充電室為保證機器人在惡劣天氣下正常充電和安全防護發揮了重要作用。充電室質量的好壞直接影響機器人的正常運行。充電室要求外型美觀大方，結構強度高，支撐穩定，焊接緊固可靠，防風、防潮、防銹、阻燃等特性較好，便于整體運輸、短途搬運及現場安裝。充電室外觀及主要部件如圖2所示。

圖2 充電室外觀及主要部件

2.2.1 充電室自動門控制

充電室不裝門，惡劣天氣會影響充電室的設備運行，無法保證機器人充電的長期可靠性。充電室裝上門，但如果依靠人工為機器人打開或關閉充電室，則耗時費力，且降低了機器人的工作效率和智能化程度。所以充電室安裝自動門，并與巡視任務聯動是實現機器人長期自主運行所必須解決的問題。

變電站巡檢機器人完成巡檢任務后，基于磁軌道引導和RFID標簽定位，到達充電室自動門前預定位置后，巡檢機器人移動平臺上的工控機通過無線通信給充電室自動門控制模塊下發開門命令［6］。自動門控制模塊控制自動門電機轉動，自動門電機帶動自動門卷簾升起。自動門控制模塊通過不斷檢測自動門狀態檢測開關查詢自動門卷簾位置，并將位置信息通過無線通信上傳給工控機。當自動門卷簾到達預定高度，滿足巡檢機器人進入充電室的要求時，自動門控制模塊通過繼電器控制自動門電機停止轉動，自動門卷簾停止上升。工控機獲取自動門卷簾到達預定高度的信息后，控制巡檢機器人移動平臺進入充電室內充電。巡檢機器人充電室自動門關閉與開啟的原理基本一致，都是基于無線通信、自動門位置判斷以及自動門電機控制［7－8］。

2.2.2 充電箱結構及工作原理

如圖3所示，充電箱固定在充電室內，充電座安裝在充電箱上，充電座與充電座安裝板相連接，充電座安裝板上具有螺旋高度調節裝置，旋轉高度調節螺桿可以進行垂直方向上±10 mm的微調，這樣可以很好地解決充電室地面高度不統一帶來的充電座微距離調節問題。充電箱上安裝有防塵罩，可有效地防止灰塵通過充電座間隙進入充電箱內部。交流220 V經過線纜插頭與接插件連接，通過內部的電壓轉換器降壓變成29.4 V，最后由充電座輸出直流29.4 V給機器人設備供電、電池充電。電壓表和電流表實時檢測、顯示供電和充電的電壓及電流。充電箱框架及每個安裝門都安裝有接地柱，接地柱通過線纜連接到充電箱的接地排上，提高了充電箱的安全等級。

圖3 充電箱結構

3 結語

本文通過分析變電站巡檢機器人的應用特點，概要介紹了適用于變電站巡檢機器人的充電技術，重點介紹了以自動充電機構、充電室為核心的機器人充電關鍵技術。該技術充電對接定位準確，充電過程安全可靠，減少了機器人震動給充電機構帶來的位置誤差。充電箱設計非常人性化，降低了檢修的難度，提高了調試的可操作性。本文提出的系統性技術解決方案更好地實現了變電站巡檢機器人在無人干預情況下長期可靠的自動充電，具有很高的應用推廣價值。

［1］楊墨，王興光，曹濤，等.變電站巡檢機器人充電裝置：中國，202285342［P］.2012－06－27

［2］楊墨，隋天日，曹濤，等.變電站巡檢機器人自動充電系統［J］.制造業自動化，2013（3）

［3］孫大慶，楊墨，韓磊，等.變電站巡檢機器人電源系統：中國，202167880［P］.2012－03－14

［4］毛琛琳，張功望，劉毅.智能機器人巡檢系統在變電站中的應用［J］.電網與清潔能源，2009（9）

［5］楊東鶴，劉喜昂.智能移動機器人的超聲避障研究［J］.計算機工程與設計，2007（15）

［6］魯守銀，錢慶林，張斌，等.變電站設備巡檢機器人的研制［J］.電力系統自動化，2006（13）

［7］郭峰，譚宏.移動巡檢系統［J］.農村電氣化，2007（5）

［8］吳功平，戴錦春，郭應龍，等.具有自動越障功能的高壓線巡線小車［J］.水利電力機械，1999（1）