輸電線路巡線機器人仿生機構研究綜述

楊昱翔

【摘 要】為實現大跨度輸電架空線路對巡檢機器人結構、爬坡性能以及續航能力和越障性能等方面的要求，越來越多的仿生機器人應運而生。根據生物不同的爬行方式，模仿其運動姿態特點以及生物學原理，研制出各種各樣的仿生機器人。本文詳細介紹了在巡檢機器人越障運動和機器人運行的地線線路環境中，巡檢機器人如何利用仿生機械構型沿架空線路運動。

【關鍵詞】巡檢機器人;仿生機構;運動方式;越障

中圖分類號： TP242;TM755 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）14-0034-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.015

A Summary of Research on Bionic Mechanism of Transmission Line Patrol Robot

YANG Yu-xiang

（GuiZhou university，school of electrical engineering，Guiyang Guizhou 550025，China）

【Abstract】In order to realize the requirements of large-span transmission overhead lines for patrol robot structure， climbing performance，endurance and obstacle-obstacle performance，more and more bionic robots have emerged.According to different crawling methods of creatures，imitating their sports posture characteristics and biological principles，various bionic robots have been developed.By considering the characteristics of the obstacle-crossing movement of the inspection robot and the ground line environment of the robot operation，this paper introduces the mechanism configuration and movement mode of the robot in detail.

【Key words】Inspection robot;Bionic mechanism;Movement mode;Obstacle

0 引言

我國幅員遼闊，東南地區是人口密集區域，高壓輸電網覆蓋面積大、聯網程度高，相較于西北地區則地廣人稀，且東西南北相距較遠，不能及時保障輸電線路供電安全。同時隨著國家基礎建設的不斷投入以及國民經濟的快速發展，對電的需求和飽和度越來越高，同時對電力系統輸電線路安全可靠性與不間斷供電的要求越來越高。由于電力輸電線路和它的桿塔是完全暴露在自然條件下的，會受到材料以及機械老化、持續的張力、電氣閃絡等因素的影響，而導致磨損、斷股、腐蝕。如果不能及時對輸電線路進行檢修與修復，會導致電網的大面積停電，給社會，城市，個人帶來不可彌補的巨大經濟損失，因此隨著智能機器人的發展，輸電線路特種巡檢機器人應運而生。

高壓線巡檢機器人的活動領域為線纜，因此早期的設計方案多采用纜車式。隨著仿生應用原理的實現，仿生機器人技術慢慢發展起來，人們逐漸借鑒模仿學習動物的運動方式進行設計越障機構。自然界中有許多生物可以沿著線行走，人類踩鋼絲繩[1]中提出了仿照人類行走步伐的巡檢機器人。它由四個曲柄滑塊機構，組成兩對相同的腿，每個腿都具有伸長的電缸，通過末端的腳懸掛在高壓線上。通過伸縮電缸改變手臂的距離，使其越過障礙物。因此，機器人會將前后的左右兩條腿同時懸掛在高壓線上，以保證其穩定性。同時，該機器人只有一個行走驅動電機。還有一種是模仿猿猴攀爬樹枝[2]，提出了越障臂式的仿生巡檢機器人，其借鑒了長臂猿的攀爬特性設計出越障機構。

1 仿生機器人概述

仿生學，顧名思義就是模仿生物的適應大自然生存特殊本領的一門學科。通過探索生物結構和功能原理來研制新型機械和技術，或解決攻克機械方面的難題。仿生學主要是觀察、研究和模擬自然界生物各種各樣的適應大自然生存的獨一無二本領，包括生物自身的生物結構、生存原理、運動行為及器官功能等。自然界萬物歷經了上億年的優勝劣汰，經過不斷進化與篩選，每種生物無論是天上飛的還是陸地海洋，都誕生了其獨特的適應大自然的能力與適應環境的獨一無二的結構。這些基礎研究為科學技術原理提供新的設計思想、工作原理和系統架構的技術支持。

根據仿生學原理，分別參照動物的爬行動作進行原始模型的設想。在大自然中，經過千百年的進化，不同的動物根據其生活環境的不同，行為動作都有各自的特點，這種與生而來得適應本能使動物完美的適應大自然殘酷的生存，并為工業生產中的機械機構設計提供了良好的參照依據。

科學家們將對自然界中生物結構和功能的研究應用于機器人，從而制造出具有生物結構和運動特性的特種機器人，如仿生機器人。仿生機器人是仿生學和機器人需求的高度深層次融合，制造了一批模擬生物形態的機器人，使人們將從大自然生物中獲取的靈感并應用于實際的社會生產實踐與實際生活中。

2 仿靈長類仿生巡檢機器人

1988年，日本東京電力公司Sawada教授研制了架空地線巡線機器人[3]。該巡線機器人自身攜帶一軌道，其仿猿攀援動作的行動機理，每當巡線機器人遇到桿塔時，會展開其弧形機械臂，形成一種跨越塔桿的特殊軌道。在由其一對夾持輪和一對行走輪組成運動主體機械機構，跨越耐張懸垂、防震錘等障礙物。該機器人是早期巡線機器人的雛形。等巡線機器人主箱通過，夾持輪夾緊地線后，將弧形的導軌機械臂收起，完成一次越障動作。但是該機器人主要問題是空間體積較大且越障復雜。

1989年，美國公司TRC研發了一臺仿猿攀援動作的架空線路輸電線路巡線機器人，其具有兩個柔性機械臂機構的懸掛式巡檢機器人，它是現代巡檢機器人的機構雛形[4]。當巡線機器人的探測到線路故障后，配合視覺設備檢測絕緣子、電暈損耗以及壓接頭等線路金具的進行檢測。最后，巡檢機器人還攜帶維修裝置，自助進行預處理，再將實時維修數據傳送給地面工作人員。

2017年，應用仿生學技術原理，山東某大學提出了一種基于靈長類動物特征的三臂對稱分布式高壓輸電線路仿生巡檢機器人[6]，如圖1。該仿生巡檢機器人整體機械結構包括三部分，重心平衡臂、左右懸掛臂以及機架。其中左右懸掛臂作為越障臂，與左右懸掛臂配合越障動作，通過模仿長臂猿的攀爬運動，進行平面內的交互式攀援運動。中間臂可以解決運動過程中平衡手臂脫線時由重心產生的偏轉力而矩造成身體的晃動等問題，其模仿長臂猿本身身體作為重心平衡臂，固定于機架支撐的中心部分。

2018年，從人爬樹運動研究中得到啟示，完成了一種新型四臂巡檢機器人[5]的機構設計，如圖2。每條驅動手臂設計了1個回轉關節，每條伸縮手臂設計了1個移動關節和1個回轉關節，4條手臂反對稱布置在前后箱體上，在2個箱體之間引入了1個被動鉸接盤。機器人在爬坡過程中，移動關節通過夾緊輪與線路接觸，用于改變機器人受力狀態，提高機器人的爬坡性能。

3 仿動物仿生巡檢機器人

1989年，日本NTT公司模仿蛇類的運動方式，研制了一種仿蛇形巡檢機器人[7]。該機器人由多個獨立的單元組成，采用頭部決策尾部的仿生控制方式，如圖3所示。該機器人學習蛇類的生活習性，通過自身攜帶的超聲波傳感器來感知輸電線路上的環境，實現在線路上的行動與障礙物的檢測。但是，該機器人不能攜帶太多的設備，不能完成復雜的輸電線路故障檢測任務。

2013年，東北大學提出了一種仿蛇形爬行平行四邊形結構的巡檢機器人[8]，這種機械結構形式使用平行四邊形結構代替了仿猿形伸縮臂的機構，具備了較長的機器人橫向長度，保證了巡檢機器人能有比較大的工作空間，便于輸電線路上導線以及金具的正常工作。

4 仿生巡檢機器人的發展趨勢

輸電線路巡檢機器人作為一種新型的特種機器人，大大的解放了電力員工的工作強度與時間，成為了該領域的研究熱點。隨著機械技術與仿生學不斷地發展，有三個值得發展和關注的趨勢：

（1）多傳感器融合

輸電線巡檢機器人隨著自主巡檢機器人技術的逐漸完善以及多任務多組合以及復雜的輸電線路現狀，一個巡檢機器人必定會集成多種傳感器，多種信息需要融合，通過傳感器進行巡檢機器人行走越障的導航與定位以及對故障的及時維護和精確診斷，真正實現巡檢機器人代替電力人員對輸電線路的巡檢與維護工作。

（2）組合多作業模式

巡檢機器人完成一個多任務的巡檢必定體積大而且配重多，在電網中實際使用中是不可能的實現的。又由于巡線任務的復雜性，可以將目前的幾種作業方式分別完成再進行合理的系統組合，構建一種巡檢平臺，實現平臺的信息共享與全方位檢測信息融合。

（3）物聯網技術

隨著智能電網系統與電力系統基礎建設快速發展，保障電網的持續供電與安全是其中重要的一環，巡檢機器人作為電力檢修的重要部分。巡檢機器人應與智能電網信息網絡構成信息交流平臺，實時傳輸故障數據信息，快速完成輸電線的及時準確的維護工作。

【參考文獻】

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[8]田晨威.基于平行四邊形結構的仿蛇形巡檢機器人的研究和設計[D].東北大學，2013.