一種GIS設備檢修機器人設計

雷云飛，彭 佳，沈忠偉，譚明甜，王 彪，曾昭強

（國網湖南省電力有限公司檢修公司，長沙 410004）

根據國家電網公司2007年以來故障統計數據，氣體絕緣開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）發生故障占比逐年增加，并且故障原因也向多元化方向發展，GIS設備常見的故障大至可分為10種不同類型，各類故障的比例分部情況如圖1所示。

圖1 過去10年GIS設備故障類型統計

圖1中數據表明，異物引起的GIS設備內部擊穿放電次數多，占比高達到29%，通過各類事故分析顯示，GIS內部的異物主要是各種粉塵狀顆粒物。

GIS設備主要由斷路器、隔離刀閘、接地刀閘、TA、TV等電氣零部件構成，憑借SF6氣體優良的絕緣能力，將各相關部件封閉在GIS殼體內SF6氣體環境中[1]。在GIS設備生產制造過程中，設備所有的內部部件表面都必須經過嚴格的平滑處理和清洗以去除表面尖端及粉塵狀顆粒雜質。然而，GIS設備零部件拼接時部件之間存在相互摩擦，運輸道路顛簸使得設備承受振動，設備操作過程中引起的沖擊震動，以及由設備投運后由于倒閘操作或開斷電流而形成的碎片，都會在GIS設備封閉殼體內部產生金屬顆粒物。GIS設備在組裝過程中，需要進行抽真空及填充SF6氣體，受現場施工環境影響，填充SF6氣體時空氣中浮塵或懸浮顆粒很容易同步進入GIS設備內部。此外，若設備吸附劑封裝蓋材質選擇不當或安裝過程中操作不當，也可能在GIS設備內部形成懸浮顆粒。各類顆粒狀雜質在電場中吸附電荷，形成帶電顆粒，在內部電場的作用會發生無規則遷移，將嚴重威脅GIS設備的絕緣能力。[2-3]。

為了在檢修工作中準確的獲得GIS設備內部的狀況，目前各單位普遍采用的有兩種方法：內鏡法和機器人法[4]。內鏡法是將攝像頭固定在一根可延長的長桿上，然后延伸進入GIS設備的內部對其進行觀察，該方法操作相對而言較為簡單。但內鏡法只是達成檢查功能而不能開展內部作業。比較而言，機器人體積小巧，操作簡單，智能化程度高，可實現開展檢修作業的功能，已經成為各方的主要研究方向。

因此，本文提出了一種能夠在GIS設備母線段管道內部自由行走、并能沿著管壁進行一定攀升，同時具備內部檢查、清掃吸塵、夾取異物并且能對螺栓進行簡單處理的多功能的檢修機器人。

1 工作原理和結構設計

1.1 機器人工作原理

GIS設備檢修機器人主要是用于觀察檢測GIS設備母線段管道內部的的情況，在檢測的同時，對管道內部的金屬碎屑和異物顆粒進行吸取收集，對掉落異物用機械臂進行夾取收集，以及能對母線段接頭螺栓進行一些簡單的處理。使用時，將機器人小車通過GIS設備檢修手孔放入母線筒，操作可通過連接在控制箱上的電腦上的上位機界面來對機器人進行遠程控制。電腦上位機控制終端除了能夠控制機器人的正常的管道內部行走、轉向、和沿管壁進行攀升，還可以控制機器人切換機器人所配備機械臂上的攝像頭的角度來對管道內部進行多方位的觀測，檢查GIS設備內部的狀況；利用可控制吸塵器吸取GIS設備筒壁底部的金屬碎屑和異物并進行收集，識別螺栓并使用機械臂上的螺栓緊固機構進行緊固，在發現有螺栓掉落的情況時，可以通過更換機械臂終端的機構對掉落的螺栓進行夾取和處理。

1.2 機器人整體結構設計

機器人結構設計機器人分為兩部分，配備有控制電路板、機械臂、吸塵器等設備的機器人小車（小車）和包括視頻服務器、數傳、圖傳和交換機的遠程控制箱（控制箱），小車和控制箱之間通過無線通信模塊發送信號和指令。整體結構如圖2所示：

圖2 GIS設備檢修機器人總體結構圖

小車包括車體框架部分、控制器電路板、吸塵模塊、無線通信信號傳輸模塊、驅動電路和行走輪、攝像頭和圖傳、電池和可更換末端端子的機械臂。其主要功能是控制機器人小車在直徑650mm左右的GIS設備母線段管道內部行駛，通過攝像頭和圖傳傳回的視頻信息對GIS設備內部進行實時檢測，同時使用吸塵模塊處理GIS設備底部的金屬碎屑，通過更換機械臂終端的部件清理掉落的大體積異物和對螺栓進行緊固。

其中，車體部分呈長方形。前段配備了機械臂，攝像頭；內部配備有主控電路板和行進設備，包括主控芯片STM32單片機芯片、電機驅動和行進輪；尾部裝有攝像檢測模塊和吸塵模塊。

吸塵模塊主要由一功率可調無刷吸塵電機組成，在出風口安裝一個吸塵袋用于放置吸取上來的金屬碎屑。

攝像檢測模塊主要由三個攝像頭組成，包括放置在小車前部和尾部的兩個攝像頭和放置在機械臂上的一個微型攝像頭。在實際工作中，既可以通過車前后的云臺控制攝像頭左右移動，也可以通過控制機械臂的運動實現多方位、多角度的檢測GIS設備內部的情況。在通過圖傳將圖像數據轉換為無線信號之后，將圖像數據傳送到控制盒顯示在與其連接的電腦上位機界面上。

小車內部的主控制芯片STM32通過控制電機驅動，來達到控制機器人的行進和轉向、機械臂的運動的目的。

機械臂模塊由一個三自由度的機械臂和兩自由度的舵機組成，其中三自由度的機械臂的終端部分可切換為電動夾爪和螺栓套筒，主要針對GIS設備內部的大體積掉落物和需要緊固的螺栓進行處理[5-6]。

車體兩側有兩對行駛輪，采用四驅方式進行驅動，為機器人在GIS設備內部行走、轉向和沿管壁攀升提供動力保障。

GIS設備檢修機器人示意圖如圖3所示：

圖3 GIS設備檢修機器人示意圖

2 機器人運動控制

2.1 機器人驅動電機選擇

驅動電機的選擇直接影響GIS檢修機器人的工作性能。影響機器人驅動電機功率的主要因素包括有：機器人主體的質量，行進輪的尺寸，所要求的速度以及其他各種阻力等。為簡化計算，假設如下：

（1）機器人在傾斜角為α的GIS設備母線段管道內部行駛；

（2）各驅動輪的動作狀態相同。

設檢修機器人在GIS設備內部正常行進時的行駛速度為v，機器人的加速度dv/dt為，根據運動力學分析，機器人正常工作時所需驅動力為：

式中，m為檢修機器人本身質量；Mi為電機的驅動力矩；Mfi為GIS設備管道對行駛輪的摩擦阻力矩；Ri為行駛輪的半徑；Fz為在GIS設備管道內部行走所需的動力；f1為其他阻力；為機器人加速阻力。

根據對機器人驅動力的分析，確定驅動電機的功率P為：

式中，K為余度系數；η為機構傳動效率。

本項目中，設4kg的機器人工作在平行即坡度為0的GIS設備管道中，以v=10m·min-1的速度勻速前進，檢修機器人的行駛輪半徑r=30mm，摩擦系數μ=0.5，K=2，η=0.65，Fz=2N，f1=6N根據公式（1）和公式（2），則電機功率計算如下：

GIS設備檢修機器人所需驅動電機總功率為：

根據實際GIS設備母線筒內表面光滑度，計算所取的動力值要稍偏大一些。由此，設計采取四輪驅動方式，驅動電機功率為7W。

2.2 機器人運動控制

由于機器人是在光滑GIS設備母線筒中行走，所以在某一側的輪胎被筒內的金屬碎屑影響時，會對機器人的行進方向產生一些偏斜。當機器人發生偏斜情況的時候，由于機器人在水平行駛的時候與母線筒內部的母線是平行的，可以通過機器人觀察前部的攝像頭所采集的母線是否與小車垂直發現是否發生偏移，然后可以通過上位機發出指令，迫使小車進行轉向，從而返回水平位置。

3 圖像處理

小車的內部狀態監測功能主要通過圖像處理的方式實現，首先由小車云臺攜帶的攝像機采集GIS設備母線筒和母線上的圖像信息，然后傳輸到上位機，上位機再對圖像進行灰度化、二值化、圖像去噪、特征提取等處理等步驟，使GIS設備內部的雜物更易被識別。

（1）圖像灰度化

攝像機所采集到的圖像一般是RGB三色通道的模型，即藍色、綠色、紅色這3種成分，可以按不同比例混合，各個不同分量可以得到所有的顏色信息，但是這些信息所占據的存儲空間較大，所以無法通過數學方法對其進行處理。因此，需要將RGB模型進行灰度化處理，即將RGB模型處理成單色彩通道的模型，其公式為[7]：

（2）二值化

圖片在經過灰度化處理之后，每個點的像素值g（x，y）都在（0，225）之間，設定一個閾值Δ，則二值化圖像為f（x，y）[8-9]：

由于GIS設備母線段管道內部環境沒有光源，小車會攜帶光源進入其中工作，所以在小車移動時，會引起光線的變化，因此具有固定閾值的圖像二值化將無法得到預期中的結果。出于這個原因，我們使用計算簡單的Otsu算法進行自適應閾值確定，讓其盡可能不受外部條件的影響[10]。

（3）圖像去噪

由于檢修機器人在GIS設備內部工作室會不停的運動，從而會引起光源和攝像頭的抖動，從而會使收集的圖像的質量受到影響，因此，在圖像分析之前，需要對源圖像執行消噪處理。現場測試的結果顯示，脈沖噪聲是影響圖像質量的最主要的噪聲，因此我們采用中值濾波算法，它是典型的低通濾波器。可以有效地過濾圖像中的尖峰脈沖干擾，其中中值濾波算法是[11-12]：

式中，median表示取中值操作。

（4）特征提取

當GIS設備母線段管道內部沒有各種易見雜物時，管壁是高亮區域，GIS設備母線深度為暗區，中間形成圓形區域分開從管壁。當GIS設備中存在有可見異物時，在光照下，與GIS設備母線類似地形成高光區域，可見異物體積越大，高光區域越大。根據該特征，我們提出了以下用于提取異物特征的方法：

在二值化的圖像f（x，y）中，一個像素點的值是0或1，則面積S為[13-14]：

中心C為：

式中，f（x，y）≠0，即x和y是像素值Δθ不為零的坐標值。通過在空母線較小時比較當前區域S與圖像中心C的尺寸以及S和C的尺寸，確定當前母線是否存在異物和異物的位置[15]。

圖4顯示了空母線和碎片母線的圖像識別結果。

圖4 母線筒內有異物識別效果圖

機器人將母線筒內雜物的識別結果提供給控制箱，金屬碎屑可以通過吸塵模塊吸取，當存在大體積雜物的時候，可以通過機械臂對其進行處理。

4 結束語

針對現在新型變電站采用GIS設備越來越多，但是檢修工作極其耗費人力和物力的現狀，本文設計了一種GIS設備檢修機器人，對GIS設備進行檢修工作。該機器人使用無線通訊，通過控制箱控制行動，可以識別GIS設備內雜物并對其進行處理，設計機械臂對螺栓進行緊固。現場試驗證明，該機器人能在GIS設備內平穩可靠地開展檢查、清潔和螺栓緊固作業，具有較大的使用價值。