【正文】 華北電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目一、 目的和意義電能傳輸必須依靠高壓輸電線路。由于輸電線路分布點(diǎn)多面廣，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，電力線及桿塔附件長期暴露在野外，因受到持續(xù)的機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，必須及時(shí)修復(fù)或更換。所以，必須對輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查，隨時(shí)掌握和了解輸電線路的運(yùn)行情況，線路周圍環(huán)境和線路保護(hù)區(qū)的變化情況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，確保供電安全。傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對山區(qū)和跨越大江大河的輸電線路的巡檢，存在很大的困難，甚至有一些巡檢項(xiàng)目靠常規(guī)方法難以完成，因此，利用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)巡線成為保障線路安全運(yùn)行的一種必要手段。國內(nèi)外目前見諸報(bào)道的輸電線路機(jī)器人，都是功能單一型機(jī)器人，要么只能巡線，要么只能除冰。本方案提出一種以輕量級機(jī)器人底盤技術(shù)為基礎(chǔ)，通過添加模塊化功能單元進(jìn)行功能/性能擴(kuò)充的機(jī)器人設(shè)計(jì)思路，不僅可實(shí)現(xiàn)目前輸電線路巡線、除冰的需求，而且系統(tǒng)具備極強(qiáng)的可升級性，適應(yīng)智能電網(wǎng)未來新需求。二、 國內(nèi)外研究水平綜述國外對高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)80年代，由日本、美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家先后展開了對高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的研究。從國內(nèi)外巡檢機(jī)器人的發(fā)展來看，用于巡檢機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要有步進(jìn)式行走機(jī)構(gòu)和輪式行走機(jī)構(gòu)。步進(jìn)式行走機(jī)構(gòu)通過多只手臂的交替移動(dòng)完成在線爬行，行走移動(dòng)為間斷式，其移動(dòng)速度緩慢，效率低。輪式行走機(jī)構(gòu)依靠由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的行走輪與線路之間的摩擦，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。輪式爬行行走機(jī)構(gòu)具有移動(dòng)平穩(wěn)、速度快和效率高的特點(diǎn)，因此，目前巡檢機(jī)器人多采用此種輪式行走機(jī)構(gòu)。如：日本東京電力公司研制的光纖復(fù)合架空地線巡檢機(jī)器人如圖l所示。它采用兩輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在線行走，這種機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動(dòng)力矩大的特點(diǎn)。加拿大魁北克水電研究院研制的HQLine—Rover遙控小車如圖2所示。它靠上方三個(gè)輪子實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)行走，下方輪子起到輔助行走及剎車的作用。該機(jī)器人靠輪式行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在直線線路段的穩(wěn)定行走。日本Hideo Nakamura等人開發(fā)的蛇形巡檢機(jī)器人如圖3所示。該機(jī)器人有多個(gè)小車組合連接而成，每個(gè)小車自身攜帶驅(qū)動(dòng)輪，通過各個(gè)小車協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的在線移動(dòng)。國內(nèi)在巡檢機(jī)器人的研究方面主要有武漢大學(xué)、沈陽自動(dòng)化研究所、中科院自動(dòng)化研究所和山東科技大學(xué)等單位。如武漢大學(xué)研制的架空高壓輸電線路自動(dòng)爬行機(jī)器人如圖4所示。該機(jī)器人通過一對傘形輪來現(xiàn)行走。亦采用了輪式行走機(jī)構(gòu)。圖4 自動(dòng)爬行機(jī)器人從高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀來看，輪式行走機(jī)構(gòu)倍受研究人員的青睞，但在爬坡能力、運(yùn)行的速度及運(yùn)行的穩(wěn)定性等方面還有待于進(jìn)一步完善。三、 項(xiàng)目的理論和實(shí)踐依據(jù)1. 項(xiàng)目研究內(nèi)容的原理簡述 機(jī)器人完成一次巡檢任務(wù)的工作過程為： 首先通過絕緣斗臂車或人工爬到線塔上吊裝的方式將機(jī)器人安裝到相線上； 然后地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出開機(jī)控制命令, 機(jī)器人本體計(jì)算機(jī)在接收到運(yùn)行命令后，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿輸電線行走。 行走過程中, 檢測裝置不斷檢測前方障礙物的情況, 同時(shí)高速球攝像機(jī)對線路進(jìn)行拍攝, 拍到的圖像通過無線設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婀ぷ骰? 地面工作基站對線路情況進(jìn)行判斷, 決定是否對線路實(shí)施維護(hù)。 同時(shí)對機(jī)器人本身的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控, 決定是否對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)給予干預(yù)。 巡線機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng), 涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制、通信、多傳感器信息融合、電源技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。但機(jī)械機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的核心技術(shù), 是目前制約巡線機(jī)器人走向?qū)嵱没恼系K之一。巡線機(jī)器人對機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求有: ( 1) 從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)角度要求機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)、蠕動(dòng)、跨越和避讓輸電線路上的各種障礙物, 并且末端執(zhí)行器能夠進(jìn)行空間位置姿態(tài)的靈活調(diào)整。( 2) 從機(jī)器人系統(tǒng)的角度要求機(jī)構(gòu)要有一定的負(fù)載能力, 便于安裝各種監(jiān)測儀器、信息傳輸設(shè)備, 并與導(dǎo)線形成等電勢體。( 3) 從實(shí)用的角度要求機(jī)構(gòu)小巧、緊湊、輕質(zhì), 便于攜帶及上下線操作。 在故障情況下, 防止機(jī)器人摔落。( 4) 從運(yùn)動(dòng)控制的角度要求機(jī)構(gòu)的自由度盡量少, 能實(shí)現(xiàn)解耦控制, 并且具有符合要求的控制精度。巡線機(jī)器人系統(tǒng)由巡檢機(jī)器人、塔上智能充電塢和地面控制系統(tǒng)組成。巡檢機(jī)器人包括系統(tǒng)電源、機(jī)器人本體、控制器、攝像機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、圖像及數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)（機(jī)載部分），塔上智能充電塢包括風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)、機(jī)器人承載平臺(tái)和導(dǎo)航模塊，地面控制系統(tǒng)包括監(jiān)控系統(tǒng)、圖像及數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)（基站部分）及監(jiān)視器。實(shí)現(xiàn)上述功能的巡線機(jī)器人需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有：1) 線上行走/攀爬機(jī)構(gòu)完成機(jī)器人沿輸電線路行走/攀爬的功能，并能跨越防震錘等較小障礙物。2) 導(dǎo)航系統(tǒng)采用圖像和無線通訊相結(jié)合的方式完成導(dǎo)航，完成機(jī)器人上線、越障及自動(dòng)/人工控制充電等功能。3) 垂直起降/越障機(jī)構(gòu)采用創(chuàng)新的四旋翼機(jī)構(gòu)，解決了機(jī)器人上線、越障及自動(dòng)/人工控制充電等功能。4) 智能控制系統(tǒng)完成機(jī)器人系統(tǒng)的控制功能。5) 機(jī)器人供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)為巡線機(jī)器人供電，采用2種創(chuàng)新技術(shù)解決。6) 塔上智能充電塢借鑒軍事上應(yīng)用成熟的加油機(jī)技術(shù)，獨(dú)創(chuàng)塔上充電塢，完成機(jī)器人充電，避免人工更換電池。四、 項(xiàng)目研究內(nèi)容和實(shí)施方案1. 項(xiàng)目研究內(nèi)容巡線機(jī)器人系統(tǒng)由巡檢機(jī)器人、塔上智能充電塢和地面控制系統(tǒng)組成。巡檢機(jī)器人包括系統(tǒng)電源、機(jī)器人本體、控制器、攝像機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、圖像及數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)（機(jī)載部分），塔上智能充電塢包括風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)、機(jī)器人承載平臺(tái)和導(dǎo)航模塊，地面控制系統(tǒng)包括監(jiān)控系統(tǒng)、圖像及數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)（基站部分）及監(jiān)視器。實(shí)現(xiàn)上述功能的巡線機(jī)器人需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有：1) 線上行走/攀爬機(jī)構(gòu)完成機(jī)器人沿輸電線路行走/攀爬的功能，并能跨越防震錘等較小障礙物。2) 導(dǎo)航系統(tǒng)采用圖像和無線通訊相結(jié)合的方式完成導(dǎo)航，完成機(jī)器人上線、越障及自動(dòng)/人工控制充電等功能。3) 垂直起降/越障機(jī)構(gòu)采用創(chuàng)新的四旋翼機(jī)構(gòu)，解決了機(jī)器人上線、越障及自動(dòng)/人工控制充電等功能。4) 智能控制系統(tǒng)完成機(jī)器人系統(tǒng)的控制功能。5) 機(jī)器人供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)為巡線機(jī)器人供電，采用2種創(chuàng)新技術(shù)解決。6) 塔上智能充電塢借鑒軍事上應(yīng)用成熟的加油機(jī)技術(shù)，獨(dú)創(chuàng)塔上充電塢，完成機(jī)器人充電，避免人工更換電池。2. 技術(shù)路線思明公司采用自主研發(fā)核心技術(shù)，外聘專業(yè)人員協(xié)作的方式進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)。具體為：殼體、線路板、傳感器、軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)，自主完成，零部件采用外購，機(jī)械部分外協(xié)加工，外圍配件直接購買的方式。公司下設(shè)質(zhì)量檢驗(yàn)部對外協(xié)零件嚴(yán)格把關(guān)驗(yàn)收，再由裝配部進(jìn)行調(diào)試安裝。采用此方式可節(jié)約大量固定資產(chǎn)的投入。技術(shù)路線如下：3. 實(shí)施方案 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)是巡線機(jī)器人系統(tǒng)中關(guān)鍵的核心技術(shù)。從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)角度, 要求機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)、蠕動(dòng)、跨越和避讓障礙物, 以及末端執(zhí)行器具有空間位姿調(diào)整運(yùn)動(dòng)從運(yùn)動(dòng)控制角度, 要求機(jī)構(gòu)的自由度少、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解