配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場景分析

劉明悅

（安徽合肥市第四中學(xué)，安徽合肥 230061）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，電力需求量不斷增加。同時，人們對供電可靠性的要求也越來越高。在這種背景下，不停電作業(yè)技術(shù)成為電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分。然而，傳統(tǒng)的不停電作業(yè)方式存在很多問題，如操作人員的安全風(fēng)險高、工作效率低等。因此，如何提高不停電作業(yè)的效率和安全性成為一個亟待解決的問題。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人逐漸成為一種新的解決方案。本文將對國內(nèi)外配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用情況進(jìn)行剖析，分析其優(yōu)缺點，并預(yù)測未來發(fā)展趨勢。

1 國外配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場景

國外早期開展的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的研究主要集中在機(jī)器人本體的設(shè)計和研制方面。普遍使用操作手柄遠(yuǎn)程遙控操作，控制機(jī)器人進(jìn)行空中作業(yè)。

1.1 美國配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用情況

圖1 展示的是美國Kraft 公司與美國電力研究所(EPRI)、西南研究所、ABChance 公司以及費城電氣公司合作的輸電網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人“TOMCAT”。這是一種能夠在電壓超過一百萬伏的輸電線路上工作的帶電作業(yè)機(jī)器人。主體用的是Kraft 公司生產(chǎn)的6 自由度液壓單機(jī)械臂，側(cè)邊有多視角視像頭，用于輔助操作人員遠(yuǎn)程觀察。但是單個機(jī)械臂很大程度上制約了該機(jī)器人的作業(yè)功能種類。美國太平洋天然氣和電力公司(PG&E)的空中集成機(jī)器人(AIR)平臺同樣配備了兩個用于配電線工作的KraftGrips 力反饋機(jī)械臂，操作員被隔離并免受高壓和天氣的影響。

圖1 美國TOMCAT 帶電作業(yè)機(jī)器人

1.2 加拿大配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用情況

加拿大魁北克水電公司于20 世紀(jì)90 年代研發(fā)了雙液壓臂帶電作業(yè)遙控機(jī)器人系統(tǒng)，用于25kV 電壓的架空配電線路的帶電維護(hù)[1]，如圖2 所示。開發(fā)思路與上述機(jī)器人基本相同，同時做了系統(tǒng)的升級。開發(fā)團(tuán)隊在雨中進(jìn)行了50kV 線路下進(jìn)行作業(yè)測試，工作效率約為人工的70%。液壓臂分別是PUMA760 和SarcosGRLA，平臺上方還有一個輔助臂協(xié)助作業(yè)[2]。操作人員仍需將機(jī)器人上升至高空，在駕駛艙內(nèi)控制液壓雙臂機(jī)器人進(jìn)行近距離操作。魁北克水電公司還開發(fā)了一個用于配電網(wǎng)場景安裝木制橫擔(dān)的爬桿型機(jī)器人原型[3]。其主要任務(wù)是將橫擔(dān)與電桿和配電線路對齊，在橫擔(dān)和電桿上鉆孔，裝入螺栓并擰緊螺母以固定橫擔(dān)。該機(jī)器人屬于專項作業(yè)型機(jī)器人，作業(yè)功能單一。

圖2 加拿大雙液壓臂帶電作業(yè)機(jī)器人

1.3 日本配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用情況

日本株式會社愛知公司就開發(fā)出了用于6.6kV 的配網(wǎng)帶電作業(yè)的遠(yuǎn)程遙操作力反饋機(jī)器人系統(tǒng)，如圖3 所示。該系統(tǒng)包含了一套額外的完整工具，在通電的配電線路上執(zhí)行安裝、維護(hù)和維修任務(wù)，而線路工則坐在絕緣駕駛室中進(jìn)行操控。日本九州電力公司開發(fā)了PhaseI(1987)和PhaseII(1992)系列電機(jī)驅(qū)動的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人。PhaseI 中操作者位于斗臂車上進(jìn)行近距離遙控操作，機(jī)械臂為負(fù)載20kg 的7 自由度機(jī)械臂[4]。PhaseII 改為人在地面遙控操作，地面控制端有多視角監(jiān)控系統(tǒng)、力反饋操縱桿，使用光纖作為控制信號的傳輸載體[5]。主操作端有人機(jī)界面，可以通過觸摸面板顯示屏和語音識別系統(tǒng)控制攝像頭的移動，屬于半自主作業(yè)機(jī)器人。Tsunemi 等[6]對比了遙控操作式的PhaseI 和和半自動化的PhaseII，通過提高機(jī)器人的自動化程度，可以顯著提高機(jī)器人的作業(yè)效率，縮短作業(yè)時間。Murakami 等[7-8]提出了PhaseIII 的開發(fā)理念，通過視覺和激光傳感器自動獲取視覺信息，結(jié)合三維識別定位、機(jī)械臂運動規(guī)劃和無傳感器柔性控制技術(shù)實現(xiàn)全自主作業(yè)。但尚未在新聞報道中看到Phase Ⅲ帶電作業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)場的作業(yè)資料。

圖3 日本Aichi機(jī)器人系統(tǒng)

1.4 西班牙配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用情況

如圖4 所示，西班牙馬德里理工大學(xué)研發(fā)的主從液壓雙臂機(jī)器人ROBTET，旨在對高達(dá)69kV 的西班牙供電網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行維護(hù)任務(wù)[9-11]，系統(tǒng)以半自動控制模式工作。操作端有主遙操作手柄、電腦顯示、立體顯示設(shè)備、麥克風(fēng)和輔助設(shè)備。從端有2 個Kraft 液壓臂、2 個立體攝像頭(液壓臂末端)、1 個全景攝像頭、1 個輔助吊臂和工具。工具和雙臂之間的電源相互獨立、電氣相互隔離。

圖4 西班牙ROBTET液壓驅(qū)動機(jī)器人

2 國內(nèi)配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場景

國內(nèi)對配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的研究起步較晚，山東魯能開發(fā)的DWR-I 機(jī)器人是用于10kV 電力系統(tǒng)線路帶電作業(yè)檢修的機(jī)器人系統(tǒng)[12-13]，如圖5 所示。液壓臂末端安裝了六維力傳感器，使用主從相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主手遙控操作進(jìn)行作業(yè)[14]。在最初的樣機(jī)中，操作人員同樣是隨機(jī)器人一起上升至空中，近距離遙操作控制。對比國外同類型帶電作業(yè)機(jī)器人，駕駛艙缺少防護(hù)，作業(yè)易受天氣影響。在最新的一代機(jī)器人中，將機(jī)器人和操作人員徹底分離，如圖5-c 所示。人在地面控制空中的機(jī)器人，通過遠(yuǎn)程多視角攝像頭的視覺反饋進(jìn)行觀察。

圖5-a 魯能 DWR-I圖5-b 操作員近距離圖5-c 操作員遠(yuǎn)程控帶電作業(yè)機(jī)器人控制機(jī)器人制機(jī)器人

如圖6-a 所示，湖南省電力公司開發(fā)的配網(wǎng)機(jī)器人以雙電機(jī)臂為原型，建立了工作機(jī)器人與作業(yè)對象之間的閉鏈關(guān)節(jié)動力學(xué)模型，得到閉鏈混合動力學(xué)方程，并設(shè)計了機(jī)器人力-位置控制系統(tǒng)[15]。機(jī)器人的安裝方式是仿人雙臂式，在機(jī)器人側(cè)邊進(jìn)行對稱安裝。能夠遙控操作完成剝線、接線、剪線作業(yè)。值得一提的是，該機(jī)器人使用的升降系統(tǒng)不是傳統(tǒng)的絕緣斗臂車系統(tǒng)，而是一種履帶式移動平臺。工作時將4 個支腿張開，保持穩(wěn)定，利用360°旋轉(zhuǎn)平臺及絕緣提升臂將機(jī)器人提升到合適位置。各部件之間可基于多驅(qū)動控制技術(shù)實現(xiàn)一鍵式尋找自平衡。如圖6-b 所示，上海交通大學(xué)研發(fā)了一種應(yīng)用于10kV 架空線路自動帶電作業(yè)機(jī)器人[16]。機(jī)器人平臺上安裝了3 只UR 機(jī)械臂，其中2 只作為機(jī)器人執(zhí)行臂，雙臂協(xié)作完成帶電作業(yè)，另1 只被安裝在機(jī)器人后方作為視覺臂。視覺臂上安裝了結(jié)構(gòu)光相機(jī)，作為手上的視覺感知系統(tǒng)，實現(xiàn)了室外條件下電纜的識別和定位，但是達(dá)不到精細(xì)作業(yè)的要求。另外，構(gòu)建了虛擬仿真環(huán)境，能夠反映機(jī)器人的運行狀態(tài)。機(jī)器人可以自動完成大部分操作，但同時仍然需要一定的校正和確認(rèn)操作。

圖6-a 湖南電力公司機(jī)器人原型圖6-b上海交通大學(xué)機(jī)器人原型人原型

國內(nèi)集成化程度做得比較好的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人是億嘉和公司開發(fā)的Z100“蛟龍”室外帶電作業(yè)機(jī)器人，如圖7-a。機(jī)器人整體和作業(yè)工具均加了絕緣防護(hù)，確保帶電作業(yè)環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)的安全可靠性。可自動更換末端作業(yè)工具，實現(xiàn)不同類型的連續(xù)帶電作業(yè)。使用激光雷達(dá)對環(huán)境進(jìn)行掃描，并分割出作業(yè)目標(biāo)[17-18]，能夠自主完成帶電接火作業(yè)，但相對耗時較長（約40 多分鐘）。由于是公司產(chǎn)品，沒有過多的技術(shù)文檔可以參考，尚不知在環(huán)境相對復(fù)雜的條件下效果如何。

圖7-a 億嘉和公司圖7-b 瑞嘉公司圖7-c 瑞嘉公司Z100“蛟龍”機(jī)器人單臂機(jī)器人RJ1300雙臂機(jī)器人

國網(wǎng)瑞嘉公司在同時期也推出了配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，分別是智能高空作業(yè)平臺、單臂人機(jī)協(xié)同配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人以及RJ1300 雙臂帶電作業(yè)機(jī)器人，如圖7-b 所示。如圖7-c 所示，智能高空作業(yè)平臺主要是利用3D 激光建模技術(shù)，將帶電作業(yè)場景三維建模，并進(jìn)行移斗路徑自主規(guī)劃，將機(jī)器人送至最佳作業(yè)位置。單臂機(jī)器人用于輔助高空作業(yè)的一線人員進(jìn)行帶電作業(yè)，主要完成作業(yè)中與電力線直接接觸的動作，人機(jī)協(xié)同完成作業(yè)。RJ1300 雙臂帶電作業(yè)機(jī)器人具有視覺和力覺傳感模塊，利用多傳感數(shù)據(jù)融合，基于視力覺伺服對機(jī)械臂進(jìn)行運動控制。作業(yè)人員在地面上用平板電腦發(fā)出作業(yè)指令，遠(yuǎn)程控制雙臂機(jī)器人完成作業(yè)。

3 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3.1 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人發(fā)展階段

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，可以將機(jī)器人的發(fā)展大致概括為3 個階段。第一階段是近距離遙操作類型的，其中包括DWR-I、魁北克水電公司開發(fā)的機(jī)器人以及Aichi 在內(nèi)的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人。第二階段是人在地面遠(yuǎn)距離遙控操作類型，操作人員通過力反饋和視覺反饋獲取機(jī)器人現(xiàn)場的操作狀況，機(jī)器人具有一定的局部自主能力，主要代表有ROBTET、TOMCAT、PhaseII 等。第三階段是整體以機(jī)器人自主操作為主、人為干預(yù)為輔進(jìn)行帶電作業(yè)任務(wù)的類型。操作人員在地面操作時能全面地了解機(jī)器人在空中的工作狀況。日本九州電力開發(fā)的Phase Ⅲ、億嘉和公司的Z100“蛟龍”以及國網(wǎng)智能公司的RJ1300 均屬于第三階段配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人。表1 列舉了配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人在3個發(fā)展階段中的典型代表，并比較了機(jī)器人的各項參數(shù)。

表1 文獻(xiàn)公布的典型配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)比較

3.2 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的不足之處

目前配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人仍然存在靈活度差、作業(yè)效率低、操作安全性差等問題，無法適應(yīng)復(fù)雜多樣的帶電作業(yè)需求。因此，具有作業(yè)目標(biāo)精準(zhǔn)識別鎖定、高效作業(yè)控制、多樣化作業(yè)功能的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人成為發(fā)展趨勢。關(guān)于配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究仍在開發(fā)。

3.3 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢

隨著人工智能等新興數(shù)字技術(shù)的迭代更新和科技研發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈快速升級，國內(nèi)配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人的應(yīng)朝以下方向發(fā)展。

3.3.1 提高安全性和可靠性

隨著人們對電力系統(tǒng)安全要求的不斷提高，配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人必須具備更高的安全性和可靠性。未來的機(jī)器人需要具備更好的感知能力、更精確的控制能力和更強(qiáng)的適應(yīng)能力。

3.3.2 實現(xiàn)智能化和自主化

未來的配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人需要具備更高的智能化和自主化水平。這意味著機(jī)器人需要能夠根據(jù)環(huán)境變化做出相應(yīng)的反應(yīng)，并且能夠自主地完成各種任務(wù)。此外，機(jī)器人還需要具備更強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

3.3.3 推動標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

推動國產(chǎn)配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程需要政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)共同努力。政府出臺相關(guān)政策，鼓勵骨干企業(yè)聯(lián)合開展機(jī)器人研發(fā)工作，推動軟硬件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，提高新產(chǎn)品研發(fā)效率。同時，支持企業(yè)加強(qiáng)技術(shù)中心建設(shè)，開展關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

新一代人工智能配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人運用三維環(huán)境重建、視覺識別、運動控制等核心技術(shù)，攻克了機(jī)器人精準(zhǔn)定位、自主規(guī)劃、智能控制、安全防護(hù)4 項技術(shù)難題，也解決了人工帶電作業(yè)的痛點和難點問題，實現(xiàn)了國產(chǎn)配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?。

4 結(jié)語

智能機(jī)器人配網(wǎng)帶電作業(yè)，給電網(wǎng)操縱人員帶來極大的安全保護(hù)，其技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用場景具有巨大的發(fā)展空間，盡管目前有著種種技術(shù)不足與應(yīng)用缺陷，但隨著人工智能的不斷開拓，必將帶來電網(wǎng)行業(yè)的巨大變革與發(fā)展。