一種輸電線纜多功能巡檢機器人*

郭 燕，張 宇，張亞菊

（南京信息職業技術學院智能交通學院，南京 210023）

0 引言

隨著電力系統的迅猛發展，輸電線纜的人工巡檢工作日益繁重。輸電線纜是電力系統的主要環節，其安全性和穩定性直接影響著電力系統的可靠性[1]。長期暴露在野外的輸電線纜很容易發生例如線纜履冰、線纜外力破壞、絕緣層氧化脫落等狀況，尤其在嚴冬及初春季節，我國云貴高原、川陜一帶及兩湖地區常出現霧凇和雨凇現象，造成架空輸電線纜覆冰，線纜舞動、閃絡、燒傷，甚至斷線倒桿等問題，從而導致電網結構損壞引發線路故障，不僅對電力系統的安全運行產生嚴重威脅，同時也對居民的人身安全和財產安全產生巨大的影響[2]。因此，需要定期對輸電線纜進行巡檢和維護，了解輸電線纜的實際情況，及時發現并消除存在的安全隱患，預防事故發生，目前輸電線纜的巡檢方法主要包括傳統的人工巡檢和直升機巡檢。人工巡檢依靠電力工人在線纜上行走，通過肉眼對線纜及線纜的輔助設備進行檢查，這種巡檢方法工作量大，巡檢周期長，效率低；直升機巡檢是由工作人員通過機載攝像設備觀察線纜外部情況，檢查線纜狀況，這種方法的巡檢視野不易控制，容易忽略故障點，且巡檢成本高，難以大范圍推廣使用[3]。

巡檢機器人的研究始于20世紀80年代末，近年來逐漸成為研究熱點。目前巡檢機器人的關鍵技術已經趨于成熟，如機構、控制、通信、絕緣、電磁兼容等[4]，國內外研究團隊研制出了多種類型的樣機，并開展了帶電檢測與維護作業的實驗，研究領域從輸電拓展到變電、發電及配電，從巡檢型機器人拓展到檢測、維護作業型電力機器人[5]。對于架空輸電線纜巡檢作業機器人的研究，主要集中在日本、美國、加拿大等國[6]。加拿大魁北克水電研究院發明的“LineScout”機器人，可通過使用遙控方式，沿735 kV導線行進及跨越障外物，越障能力較強。日本東京大學在2009年研制的“Expriner”電力機器人，其機身結構使用碳纖維材料，由通過T型結構支撐的兩對輪組，配重機構及具有2個自由度的作業臂等部件組成，可在500 kV的4分裂導線上行走。美國電力科學研究院研制的“Ti”巡檢機器人掛載可見光攝像機和紅外成像儀設備，可借助安裝在導線上的過橋系統跨越警示球，防震錘等障礙物，能運行在756 kV的線纜上，最高時速達8 km/h，可使用內部電池供電。

近幾年來，針對國內電力公司對巡檢作業機器人的需求，國內許多高校和研究所都組織研發了具有自主知識產權的超高壓輸電線纜故障巡檢機器人、絕緣瓷瓶帶電清掃機器人、高壓輸電線纜帶電檢修機器人等電力作業機器人，并在電力系統中投入了使用[7]。沈陽自動化研究院在2006年研制的高壓線纜巡檢機器人系統，該系統由巡檢機器人和地面移動基站組成，采用遙控和局部自主結合的控制方式，可攜帶可見光攝像機或紅外熱成像儀等設備，能夠在500 kV超高壓輸電線纜上沿線自主行走，并跨越線纜上的防振錘、線夾及壓接管等障礙。武漢大學研制的兩臂巡檢機器人，可以在輸電導線上滾動和爬行，自動跨越或避讓防振錘、直線夾、壓接管、耐張線夾等障礙物。哈爾濱工業大學在2010年研制了高壓線除冰巡檢機器人，能除掉8～15 mm線徑上包裹的直徑達60 mm的冰柱，最高速度可達750 m/h，最大爬線坡度為30°。

隨著機器人技術的持續發展，越來越多的機器人應用到日常生活。本設計針對目前輸電線纜工作時可能出現的一些狀況和故障，設計一種高壓輸電線纜多功能維護機器人，用于輸電電纜的日常巡檢和特殊自然災害條件下線纜的除冰、涂膠等檢修工作，從而代替人工作業，降低操作風險，提高輸電線纜的工作壽命和送配電安全。

1 巡檢機器人總體設計

巡檢機器人進行輸電線纜巡檢作業前，由輔助工具或人工爬到桿塔上以吊裝的方式將機器人安放到線纜上，機器人本體控制系統在接收到地面監控系統發送的指令后，開始進行線纜巡檢作業[8]。首先，清潔刷在行駛過程中清理電纜，夾板前端的攝像頭實時拍攝到線纜的外表面情況，如果遇到線纜絕緣層脫落的地方，蠕動泵將絕緣涂料通過柔性導管輸送至絕緣涂料注頭，涂抹絕緣層損壞部位，涂抹完后烘干風扇工作，對涂抹過的地方進行烘干操作。

1.1 機械結構

合理的機械結構是機器人實現功能的基礎和關鍵，機械結構設計不僅要考慮驅動和工作方式，同時還要兼顧系統的靈活性、穩定性和可靠性[9]。巡檢機器人的工作環境為架空輸電線纜，如圖1所示，線纜的承受能力有限，所以要求機器人結構輕便。巡檢機器人的重量來源于機械結構裝置、電池裝置和傳感器裝置，在綜合考慮了耐腐性、強度以及整體重量之后，選擇用環氧板和工程塑料材料來制作巡檢機器人的行走裝置和懸掛箱，既保證了結構強度又使得機器人整體重量最小。機器人在架空線纜上行走，負責對輸電線纜進行檢查和維護，因此巡檢機器人要具備一定的爬坡能力，即使線纜有一定的坡度，也可以穩定行走[10]。

圖1 機器人行走的架空線纜Fig.1 Overhead cable for robot walking

巡檢機器人的機械結構設計主要包括機器人的行走結構設計和作業系統設計。當巡檢機器人在線纜上行走時，為了使機器人保持穩定的行走狀態，避免發生機器人左右晃動而造成墜落的情況，將行走結構設計為懸掛式行走，由兩個U型槽輪和一組張緊輪組成，選擇使用兩個懸掛臂，將整體結構穩定在線纜上，驅動輪使機器人能夠在電纜上平穩行駛，張緊輪使整個結構免受到外界影響，緊貼在電纜上[11]。

作業系統由懸掛箱、兩個左右兩片夾板及滑軌組成。懸掛箱內設置有電池、控制板、絕緣膠儲料箱，夾板上配置清掃刷、絕緣涂料注頭、烘干風扇，蠕動泵和柔性導管連接至絕緣涂料注頭。基于SolidWorks建立機器人結構模型如圖2所示，結構由蠕動泵、涂膠注頭、夾板和導軌、驅動輪、清掃刷、懸掛箱組成。

圖2 多功能巡檢機器人結構模型Fig.2 Structure model diagram of multifunctional inspection robot

1.2 行走裝置

如圖3所示，本設計的巡檢機器人有兩條懸掛臂，為了簡述巡檢時具體的工作過程，將第一個懸掛臂稱為前掛臂，第二個懸臂稱為后掛臂，兩個懸掛臂上都安裝有驅動電機，使得機器人在線纜上的行走速度可控。巡檢機器人在線纜上行走時，兩個電機帶動行走輪轉動，依靠輪子與線纜接觸處產生的摩擦力前進，可以爬上傾斜度為30°左右的電纜。在行駛過程中清潔刷負責清潔電纜，夾板前面的攝像頭實時拍攝到線纜的外表面情況，將畫面傳給地面工作人員。

圖3 巡檢機器人的懸掛輪行走裝置Fig.3 Hanging wheel walking device of inspection robot

1.3 涂膠功能

本設計在機器人巡檢功能的基礎上加裝了涂膠裝置，如圖4所示，夾板后端安裝一對涂膠注頭，懸掛箱內放置了蠕動泵和絕緣膠水。在機器人巡檢過程中，如果遇到絕緣層脫落的地方，工作人員遠程控制開啟懸掛箱內蠕動泵，將絕緣膠水通過柔性導管輸送至絕緣涂料注頭，涂抹絕緣層有損壞的部位，涂抹完成后烘干風扇對涂抹過的地方進行烘干。在不需要涂膠時，可將涂膠裝置卸掉，以減輕巡檢機器人整體重量。

圖4 夾板后端的涂膠注頭Fig.4 Glue applicator at the back end of the splint

圖5 懸掛箱內的蠕動泵和絕緣膠水Fig.5 Peristaltic pump and insulating glue in suspension box

1.4 主要性能參數

為實現上述設計功能，巡檢機器人需攜帶線纜檢測設備和涂膠設備，機器人的主要性能參數如表1所示。

表1 機器人主要性能參數表Tab.1 Main performance parameters of robot

2 巡檢機器人控制系統設計

2.1 控制系統

控制系統主要由藍牙無線模塊、Arduino控制板、電機驅動模塊組成，控制系統通過處理各單元執行信號，管理工作流程，完成行走機構的驅動電機控制和涂膠系統的蠕動泵執行動作。機器人控制系統框架如圖6所示。

圖6 控制系統框架Fig.6 Control system frame diagram

2.2 藍牙無線模塊

藍牙無線模塊是指集成藍牙功能的芯片基本電路集合，用于短距離無線通訊、無線網絡通訊、數據傳輸和遠程控制，通信使用異步串口實現，藍牙信號的收發采用藍牙模塊實現[12]。本設計采用主從一體的HC-05藍牙串口模塊是一種集成藍牙功能的PCBA板，如圖7所示。

圖7 HC-05藍牙模塊Fig.7 HC-05 Bluetooth module

該藍牙模塊的所有功能都是通過AT指令集控制，用手機就可以進行連接。在Android操作系統使用藍牙串口App，首先打開手機的藍牙設置，搜索并匹配藍牙模塊，然后進入鍵盤模式，在鍵盤的界面進行編輯輸入到Arduino的機器人動作信號按鈕，機器人指令操作界面如圖8所示。

圖8 機器人指令操作界面Fig.8 Robot command operation interface

2.3 Arduino控制模塊

該系統采用的核心控制板是Arduino Uno開發板。如圖9所示，這種開發板可以使用現有的電子元件，例如開關、傳感器、LED、電機等。開發板上的微控制器可以通過Arduino編程語言來編寫程序，藍牙模塊與Arduino的連接方式如圖10所示。

圖9 Arduino核心控制板Fig.9 Arduino core control board

圖10 藍牙模塊與Arduino的線纜連接Fig.10 Cable connection between Bluetooth module and Arduino

2.4 控制程序

Arduino的編程軟件是通過Arduino編程語言和Arduino開發環境來實現的，也可以借助于Arduino和其他一些在PC上運行的圖形化編程軟件，如S4A、Mblock、Mixly等。本設計所用的編程軟件是Arduino，軟件編程界面如圖11所示。

圖11 Arduino軟件編程界面Fig.11 Arduino software programming interface

Arduino的編程語言主要是C/C++語言，目前最新的Arduino核心庫采用C與C++混合編寫而成，圖12所示為本設計的部分設計編程。

圖12 部分設計編程Fig.12 Part design programming

2.5 圖像采集模塊

機器人使用攝像頭來檢測線纜表面絕緣層。攝像頭采用的是FPV 500萬像素高清攝像頭，如圖13所示。圖像信息可通過Wi Fi無線網絡實時傳輸視頻到手機或者電腦上，其中攝像頭安裝在夾板前端，可根據實際情況，調節攝像頭與線纜的檢測距離。

圖13 航拍攝像頭Fig.13 Aerial camera

攝像頭迷你輕便，可安裝在各種場合使用，WiFi無線網絡可將720P畫面實時傳輸至移動設備中，讓地面工作人員清楚觀察線纜表面絕緣層破損情況。如果遇到絕緣層破損的地方，工作人員可啟動涂膠功能，進行破損部位的涂膠工作。

3 巡檢機器人力學分析

輸電線纜在工作狀態中，有一定的彈性和柔性，并且受地形、氣候的影響，其物理特性也會發生改變，所以巡檢機器人在線纜上運動時的狀態十分復雜[13]，為了使機器人能夠在線纜上平穩行走，將從理論與動力學仿真的角度對機器人的結構合理性進行驗證[14]。機器人在線纜上行走時，由于自身重力和高架塔的影響，機器人在線纜上就會形成上坡和下坡過程，假設行走線纜的坡度為30°。

3.1 上坡和下坡受力分析

輸電線纜的彈性和柔性都比較大，兩個高架塔之間的線纜跨度也比較大，這使得線纜處于“兩端高，中間低”的懸垂狀態，機器人在線纜上就會形成上坡和下坡兩種情況，為了能讓機器人在線纜上穩定的通過這兩種路況，對機器人在上坡和下坡的受力情況進行分析。

3.1.1 上坡時的受力分析

機構爬上坡時的受力分析如圖14所示。Fa1、Fa2是線纜對驅動輪的反向作用力；Fb1、Fb2是驅動輪對線纜的反向作用力；F1、F1′是線纜對驅動輪的作用力；F2、F2′是驅動輪對線纜的作用力；F1和F2、F1′和F2′分別是一對作用力和反作用力；T1和T2為電機的驅動力矩；G1和G2為機構對線纜的重力。

圖14 機構爬行上坡時的受力分析Fig.14 Force analysis diagram of mechanism climbing uphill

首先對向上爬坡和傳動機構的力學進行綜合分析，由力和力矩的平衡條件可得到力和力矩的平衡方程為：

3.1.2 下坡時的受力分析

機構爬下坡時的力學分析如圖15所示。Fa3、Fa4是線纜對驅動輪的反向作用力；Fb3、Fb4是驅動輪對線纜的反向作用力；F3、F3′是線纜對驅動輪的作用力；F4、F4′是驅動輪對線纜的作用力；F3和F4、F3′和F4′分別是一對作用力和反作用力；T3和T4為電機的驅動力矩；G3和G4為機構對線纜的重力。

圖15 機構爬行下坡時的受力分析Fig.15 Force analysis diagram of mechanism when crawling downhill

同樣對向下爬坡和傳動機構的力學進行綜合分析，由力和力矩的平衡條件可得到力和力矩的平衡方程為：

式中：r為輪子的半徑；μ為滾動摩擦因數；θ為線纜的坡度，此處取值為30°。

3.2 穩定爬行受力分析

機器人在線纜上行駛過程中，需要不斷克服自身重力和驅動輪與線纜之間的摩擦力，所以要求電機必須產生足夠大的驅動力矩[15]。機器人正常行駛的條件是驅動力矩必須大于或等于行駛阻力，當機器人穩定爬行時，可以得到如下方程：

但是機器人驅動輪與線纜的接觸方式是非常緊密的，使得線纜對于驅動輪的摩擦阻力是有限的。當增大驅動輪的驅動力矩時，會使驅動輪的轉速增加，而線纜對于驅動輪的摩擦阻力不會增加，這時驅動輪會出現打滑現象。線纜對于驅動輪的摩擦阻力的極限值稱為附著力Fφ。φ為附著系數，它與線纜對驅動輪產生的摩擦力成正比，即Fφ=F2φ，為了保證不出現打滑現象，線纜對驅動輪的摩擦力Fa1應小于Fφ，所以驅動輪向上爬行的條件是：

4 實驗及結果分析

在完成巡線機器人機械結構和控制系統設計的基礎上，對制作好的巡線機器人（圖16）進行功能測試，驗證巡線機器人能否按照設計要求執行行走功能。選擇直徑為15 mm電纜線在實驗室模擬實際現場情況，搭建的架空地長為3 m，距地面高度為70 cm。圖17所示為巡線機器人在線上行走測試實驗場景，巡線機器人可以在線上平穩行走，行走的平均速度為0.5 m/s，最大爬坡角度15°。

5 結束語

本文以輸電線纜運行維護作為研究對象，設計巡檢機器人的功能技術指標，結合高壓輸電線纜身處的特殊環境狀況，確定機器人的總體設計方案，研制出一種可以在高壓輸電線纜上對單根線纜進行巡檢和對絕緣層破損部位涂膠的巡檢機器人，主要完成以下幾個方面的工作。

（1）完成巡檢機器人系統的總體方案設計，包括硬件設計和軟件設計。確定了機器人行走裝置、涂膠裝置和線纜監控裝置的結構設計，以及機器人的控制系統與地面監控系統構成的控制方案，并且對結構設計和控制方案進行了詳細說明。

（2）完成對主體機器人的機械結構設計，包括驅動機構、涂膠機構、支撐機構，論證了涂膠機構的可行性，并通過分析確定了線纜絕緣層監控設備的適用范圍。

（3）基于SolidWorks建立了巡檢機器人的樣機模型，并且研制了相應的樣機，對機器人的各個機構進行分析，也對機器人上下坡爬行受力情況和穩定運行的條件進行分析，增強了機器人的巡檢穩定性。

（4）完成了巡檢機器人控制系統方案的設計，設計了控制系統的拓撲結構方案。其中，機器人控制系統采用以Arduino開發板為核心，搭配L298N電機驅動的控制結構，地面監控系統采用了FPV 500萬像素高清航拍攝像頭，工作人員可以實時觀察到線纜的表面情況，方便控制線纜上的機器人。

目前已設計出巡檢機器人的功能樣機，可以實現輸電線纜的巡檢和涂膠功能，后續需要在此基礎上優化結構，改進控制系統，減輕裝置重量，增加功能。下一步的研究工作如下：

（1）增加夾緊結構，使機器人在線纜上運行更加穩定；

（2）增加自主越障功能，實現機器人的智能化；

（3）進行機器人工程樣機的制造，并結合實際工作情況完善機器人的設計。