電纜隧道智能巡檢機器人設計探析

虞鴻江

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 引 言

在我國北京、上海、廣州等大型城市，地下配電網絡已經基本完善，同時大中型城市的電纜隧道建設進度不斷加快。根據目前情況可知，電纜隧道具有距離長、溫度高、濕度大以及地形復雜等多方面特點，并且電纜的種類較多，電纜之間相互交錯縱橫。受此影響，電纜易出現腐蝕、老化等現象，并導致火災的發生。因為電纜需要長期運行，一旦有火災發生，引起的后果十分嚴重。隨著地下電網的不斷普及，對于電纜隧道智能巡檢機器人已經具有更加強烈的需求。

1 電纜隧道智能巡檢機器人本體設計

1.1 機構設計要求

要求電纜隧道智能巡檢機器人能夠具有遙控運行、爬坡、避障以及越障等能力，同時能夠替代部分人工巡檢工作，有效促使電纜檢測質量提升以及技術水平提高[1]。因此，對于電纜隧道智能巡檢機器人機構設計具有如下要求。（1）以機構運動學為基礎，要求機構具有滾動的能力，并能夠對隧道內的多種障礙物進行避讓或是跨越；（2）以機器人系統為基礎，要求機構具有較好的負載能力，以保障電源系統設備、信息傳輸設備以及檢測設備的安裝工作能夠順利進行；（3）以實用性為基礎，要求機構具有小巧、緊湊以及質量輕的特點，以便于落實攜帶以及投放工作，同時涉水及防水能力良好；（4）立足于運動控制角度，要求機構具有盡量少的自由度，以保障對其控制的精準性。

1.2 總體結構設計

將電纜隧道特征、巡檢任務要求以及機構設計要求相結合，同時對國外相關經驗進行借鑒，使用專業軟件Pro/E開展建模工作。該結構結合了搜救機器人以及防爆機器人的優點，具有優異的爬坡性能和越障性能，同時具有良好的姿態穩定性，且質量較輕、剛度較大，對其進行應用，隧道電纜巡檢功能能夠更加順利的完成[2]。

根據三維模型對樣機進行出圖、加工和裝配，組成部分主要包括控制系統、電源系統、越障系統、驅動系統以及可控云臺裝置等。為了盡量降低質量，大部分工件使用鎂鋁合金制作而成，將機器人的總重量控制在6.4 kg左右，同時云臺高度為140 mm，擺臂長度為260 mm，長度為360 mm，寬度為260 mm，高度為110 mm。

2 關鍵部件設計

2.1 行走機構

包括電機、驅動器以及減速器在內的驅動裝置、傳動軸、履帶、傳動齒輪以及同步帶輪等多個部分共同組成行走機構，傳動齒輪帶動驅動裝置輸出軸以及其上的同步帶輪進行轉動，即能夠推動履帶抓地展開運動，也就能夠實現機器人的前進、轉彎、后退等動作。對該行走機構進行應用，在坡度小于或等于30°的斜坡上能夠正常行走，并且即使不應用擺臂，高度在50 mm以下的障礙物也能夠輕松通過，使機器人的巡檢速度在一定程度上得到提升。

2.2 越障機構

包括電機、減速器、驅動器以及編碼器在內的驅動裝置、傳動齒輪、擺臂以及傳動軸等多個部分共同組成越障機構，通過驅動裝置，力按照輸出軸——傳動齒輪——傳動軸——擺臂的順序獲得傳輸，并且將擺臂固定于傳動軸上，通過對滑動軸承的應用，傳動軸能夠與機器人殼體之間形成有效的連接，從而順利完成擺臂的轉動。對該越障機構進行應用，150 mm以下的障礙物機器人均能夠平穩通過，在一定程度上為巡檢工作的順利開展提供了保障。

2.3 可控云臺機構

舵機兩個、舵機座、云臺殼體、方位軸兩個以及熱像儀殼體等部分共同組成可控云臺機構，使兩個舵機于相互垂直的狀態下與舵機座進行固定處理，對舵機輸出軸與云臺方位軸進行連接，使云臺能夠順利按照水平方向以及豎直方向進行轉動。對該可控云臺機構進行應用，機器人所攜帶的紅外設備即能夠實現水平方向和垂直方向的連續旋轉，從而實現了對電纜運行情況全方位的檢測。

3 巡檢機器人控制系統設計與實現

3.1 巡檢機器人控制系統的要求

相對于地上，地下電纜隧道中開展工作具有更大的難度，根據實踐經驗，其要求主要體現在如下6個方面。（1）在對障礙進行跨越的過程中，巡檢機器人的行走機構以及擺臂機構必須有效配合，并發揮可控云臺的作用保障檢測角度的準確，而巡檢機器人的工作空間較為狹小，所以前行、后退、轉彎等控制較為困難。（2）巡檢機器人的工作環境中存在大量的未知因素，控制系統必須能夠獲取可靠的定位信息，對局部環境進行有效識別，從而高效執行動作規劃。（3）控制系統需要對傳感器信息進行實時處理，特別是圖像信息，其包含的數據量較大，需要對信息進行充分融合。（4）巡檢機器人不僅需要對電纜的運行情況進行檢測，還需要保障各個模塊之間的協調，所以必須對巡檢任務進行合理分配。（5）巡檢機器人不僅工作路線長，且需攜帶設備數量較多，所以對控制系統的硬件部分提出了較高的要求，如質量輕、體積小、可靠性高以及功耗低等，以保障巡檢機器人的續航時間。（6）巡檢機器人所工作的電纜隧道通常距離地面5～10 m，在開展工作的過程中，相關工作人員于地上使用手持設備對控制指令進行發送，同時對巡檢機器人采集的數據信息進行獲取。所以要求數據傳輸設備的信號穿透能力得到提升，以保障地上手持設備與巡檢機器人之間的通信能夠持續處于通常狀態。

3.2 巡檢機器人控制系統設計

根據文中提出的巡檢機器人控制系統要求，嘗試對多個電機控制以及處理多種傳感器信息的控制系統進行設計，設計結構如圖1所示。

控制系統主要可以分為兩個部分，分別為本體控制單元以及地面遙控/接收數據的移動單元。同時，為了保障巡檢機器人能夠在復雜的工作環境中安全運行，應該將主從遙控的方式作為控制系統的主要方式。在機器人接收到遙控指令之后，通過對電機驅動進行控制，即能夠實現各項功能，并將信息傳輸給地面[3]。

3.3 系統功能介紹

巡檢機器人的控制系統由兩部分組成，且兩部分之間相互獨立，二者之間對于指令和數據的傳輸，主要采用無線的方式。

圖1 巡檢機器人控制系統結構圖

地面移動單元的主要組成為平板電腦和無線網卡，應用于對遙控指令的發送以及對實施圖像的接收，同時能夠對電纜運行情況、隧道環境情況以及機器人情況進行觀察和分析。此外，如果地面移動單元與機器人之間出現通信連接中斷的情況，移動單元能夠及時發出信號進行警報。

本體控制單元的主要組成為計算機系統、紅外熱像儀、視頻采集卡、主控系統以及無線網卡等，其通過串口實現與計算機系統的通信，同時以所接收到的指令為基礎，對各個電機驅動器、云臺舵機開展控制工作，并通過傳感器等將獲取的數據信息傳輸至計算機系統之中；計算機系統能夠對數據信息進行實時接收和整合，再將其統一發送至地面[4]。

根據電纜紅外熱像圖以及普通圖，工作人員即能夠對電纜運行情況正常與否進行判斷，如果其中存在故障，工作人員也能夠通過此對故障進行準確定位。但是，電纜隧道內的情況較為復雜，屬于非結構化的環境，所以必須采用主從遙控的方式對巡檢機器人的運動軌跡進行規劃。地面工作人員在接收到圖像以及信息之后即可展開分析工作，科學合理地選擇最為適宜的方式控制巡檢機器人安全跨越障礙，并且如果巡檢機器人出現故障，或是發生其與地面移動單元連接中斷的情況，巡檢機器人能夠立即停止工作。

3.4 巡檢機器人工作過程

以巡檢機器人實際的工作任務需求為基礎，對其工作示意圖（見圖2）以及工作流程圖（見圖3）進行制作。

圖2 巡檢機器人工作示意圖

圖3 巡檢機器人工作流程圖

將巡檢機器人放置于電纜隧道的入口處，進行上電并建立起無線通信連接，發出指令之后控制機器人運行。在巡檢機器人沿隧道行走的過程中，使用微型紅外攝像頭以及紅外測距傳感器對前方障礙情況進行檢測，若情況需要，還應通過云臺轉動的方式對拍攝角度進行調整。拍攝到的圖像能夠實時傳輸至顯示器上，工作人員即能夠對電纜情況進行判斷，以便決定是否開展維護工作。此外，因為已經對巡檢機器人進行了相應的防水處理，所以，即使有淺水洼出現，也能夠直接越過[5]。

若檢測結果顯示存在障礙物，巡檢機器人則能夠停止前進，并對障礙物的類型進行判定，在障礙物高度大于履帶輪直徑，則應采用主從遙控的方式對巡檢機器人進行調整，具體如下。（1）向機器人前進方向轉動擺臂；（2）通過擺臂的支撐提高機器人高度；（3）機器人靠近障礙物直至擺臂末端與障礙物的底部進行接觸；（4）擺臂反向轉動一定角度，使前履帶能夠搭靠于障礙物；（5）機器人高度再次提高，向前運行，完成障礙物跨越。

4 結 論

對巡檢機器人的爬坡、越障方式進行科學合理的規劃，同時對其特點以及需求進行充分分析，最終實現了圖像信息的實時采集、無線傳輸、接收以及顯示工作，能夠有效提升電纜隧道巡檢工作的效率。