110kV输电线路巡线机器人

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周风余，，一，吴爱国，，李贻斌m

(1．天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2．山东大学机器人研究中心，山东济南250061)

的巡检任务．具有广阔的应用前景。关键词：输电线路；巡线；机器人

中图分类号：TP242．3文献标识码：B文章编号：1004—9649(2008)03—003204

0引言

输电线路分布点多面广，远离城镇，所处地形复

杂．自然环境恶劣。电力线及杆塔附件长期暴露在野

外．受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化影响

而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如果不及时修复更

换．原本微小的破损和缺陷就可能扩大，最终导致严

重事故．造成大面积停电。从而引起极大的经济损失

和严重的社会影响。因此，必须对输电线路进行定期

巡视检查．随时掌握和了解输电线路的运行情况以

及线路周围环境、保护区的变化情况，及时发现和消

除隐患．预防事故的发生，确保供电安全。传统的安全检查称为巡线，主要包括人力巡线、车辆巡线和直升飞机巡线。人力巡线效率低，劳动强

度大，还受到大江、大河，高山等地理条件的限制；车

辆巡线受地面交通的限制．很多地方无法实现车辆

巡线：直升机巡线的费用较高，且很难达到需要的巡

视精度。目前多采用人力目测或借助望远镜观察完

成巡线工作。机器人技术的快速发展．为高压输电线路的巡线提供了新的途径。巡线机器人领域的研究在国外起步较早，20世纪80年代末开始。日本东京电力公司的Sawada等人、美国TRC公司、加拿大魁北克水

电研究院的5ergeMontambanIt等人先后开展了巡线机器人的研究工作。可是他们研制的巡线机器人仍

需要人工参与或只能完成两线塔之间电力线路的检

查．作业范围小，自治程度低[13J。国内关于输电线路

巡线机器人的研究刚刚起步。2002年在国家863计

划项目的资助下．开始开展输电线路巡线机器人的

研究工作，取得了较大进展。本文仅对我们研制的

110kV输电线路自动巡线机器人的情况进行介绍。

1机械结构

1．1设计要求

巡线机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉

及机械结构、自动控制、通信、多传感器信息融合、电

源技术等多个领域。但机械机构是整个系统的核心技术．是目前制约巡线机器人走向实用化的障碍之

一。巡线机器人对机械结构的要求有：(1)从机构运动学角度要求机构能实现滚动、蠕动、跨越和避让输

电线路上的各种障碍物．并且末端执行器能够进行

空间位置姿态的灵活调整。(2)从机器人系统的角度要求机构要有一定的负载能力．便于安装各种监测仪器、信息传输设备，并与导线形成等电势体。(3)从实用的角度要求机构小巧、紧凑、轻质．便于携带及

上下线操作；在故障情况下，防止机器人摔落。(4)从运动控制的角度要求机构的自由度尽量少．能实现解耦控制，并且具有符合要求的控制精度。

收稿日期：2007—08．08基金项目：国家863计划资助项目(2002AA420110—4)作者简介：周风余(1969一)，男，山东沂南人，副教授，博士研究生，从事电力系统监控及特种机器人方面的研究。E—mail：zhoufengyu@sdu．edu．cn维普资讯 http://www.cqvip.com １．２总体结构　根据１１０ｋＶ输电线路的结构特征以及巡检作　

业的任务要求．通过多种可行性方案分析对比各种　

方案中的优点．并进行巧妙的优化组合，通过对原型　

样机的反复试验和改进，最终设计出适用于１１０ｋＶ　

输电线路的自动巡线机器人．其总体结构如图１所　示。主要由五大部分组成：轮式驱动装置、柔性臂、刹　

车制动装置、整体式电源箱和控制箱、手掌开合装　

置　该机构综合了多节分体机构和轮臂复合机构的　

优点．行车运动机理兼容了轮式移动和步进式蠕动　

爬行的特点．刚度大．姿态稳定性好，跨越障碍能力　

强．巡检速度有保证…　

２　３　４　５　

ｌ～轮式驱动装置；２一柔性臂；３一制动装置；　

４～控制箱：５一手掌开合装置　图１　巡线机器人总体结构　

Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｒｏｂｏｔ　

２控制系统　

巡线机器人工作环境复杂多样．因此要求巡线　

机器人应具备自主控制和主从遥控２种工作方式．　

并在恶劣环境中具有可靠的工作能力　

巡线机器人控制系统组成如图２所示　它有两　

大部分：地面遥控／数据接收移动基站和本体控制单　

元　其中机器人本体控制单元采用规划层和执行层　

组成的分布式计算机控制结构　

规划层由工控计算机系统（ＰＣ１０４主板）、控制　输入装置（检修、调试用控制面板）、图像采集卡、Ｉ／Ｏ　

板卡及无线收发装置等组成。由于线路情况复杂．为　

非结构化环境．规划层的运动轨迹主要是局部越障　

规划．通过接收来自本体控制面板的控制命令或地　

面基站工作人员通过无线通信发过来的遥控命令或　

利用传感器提供机器人周围的局部环境信息．自动　

生成下一步控制策略。确保机器人可靠、快速地越过　障碍。巡线机器人在高空作业．受到刮风及跳线部分　

导线不规则形状的影响．并且环境中障碍物的形状　

各异，因此使用了力、光电、电磁、电荷藕合器件图像　

传感器（Ｃｈａｒｅｇ　Ｃｏｕｐ１ｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ．ＣＣＤ）等多种传感　

器，采用多传感器信息融合技术解决机器人的避障　问题　ｌＨｌ　＋—　ｌ无线数据收发模块ｌ　Ｉ　监　控　厂　地　计　管理层　算　＋１国堡　苤±Ｈ无线图像收发模块ｌ　。惯　机　

无线信道　本　规划层　体　——ｌ无线数据收发模块ｌ　主　控　计　＿＿｛画　垂丑　雨　硐　算　

＋ｒ　石　：Ｆ—卜＿１光电、电磁传感器Ｉ　机　卜口　至　丝　望　ｌ　太　ｎ　体　厶　Ｔ　控　上　葛　执行层　亘巫　匪　兀　望　苫　巫　回　鱼　互亘口　片　机　Ｉ／ｏ　力、电流、电压传感器ｌ　系　板　丝　卡　面　１，　

ｌ电源系统卜—＋　＋　最爰厂　

图２控制系统　

Ｆｉｇ，２　ＣｏｎｔｒｏＩ　ｓｙｓｔｅｍ　

执行层是直接面向被控对象．完成对各自由度　的运动控制。它主要由３个部分组成：（１）电机伺服　

控制单元。由电机驱动器、直流电机，位置传感器和　

ＡＴＭｅｇａ１２８ＡＵ单片机系统组成位置闭环控制系统：　另外还与视觉传感器和电磁传感器等构成机器人姿　

态伺服环。（２）开关量单元。由１／Ｏ板卡．限位开关等　组成．执行对执行机构的限位和电源系统的操作　

（３）红外成像仪和可见光摄像仪。用于对线路的检　

测：另外．执行层的任务还包括收集各关节位置传感　

器的信息并进行预处理．然后传送给规划级．以便规　

划级进行下一轮的运动轨迹规划；完成对控制器、功　

率放大器的故障诊断．并把诊断结果送到规划级。　

３工作过程　

机器人完成一次巡检任务的工作过程为：首先　

通过绝缘斗臂车或人工爬到线塔上吊装的方式将机　

器人安装到相线上：然后地面监控计算机发出开机　

控制命令．机器人本体计算机在接收到运行命令后．　驱动机器人沿输电线行走：行走过程中．检测装置　

不断检测前方障碍物的情况．同时高速球摄像机对　

线路进行拍摄．拍到的图像通过无线设备实时传输　

到地面工作基站。地面工作基站对线路情况进行判　

断。决定是否对线路实施维护：同时对机器人本身　

的工作状态进行监控．决定是否对机器人的运动给　

予干预。　

当机器人检测到前方有防震锤时．由于手掌采用　维普资讯 http://www.cqvip.com 中国电力　第４１卷　

中空设计．故机器人无需做任何调整．直接爬越。　

当检测到悬垂线夹时．机器人停止行走，进行调　

整．调整步骤如下：（１）前臂上举直至驱动轮脱线，然　

后接通手掌开合装置的驱动电机．使两手掌分开，其　

开合度要大于障碍宽度。（２）接通后面两只手的驱动　

电机．使机器人继续行走，当中间手接近悬垂线夹　

时，停止行走，调节前臂，使线路在两分离驱动轮之　

间．启动手掌开合装置使两手掌合拢并让驱动轮挂　

在线上。（３）打开中间手，接通前后两只手的驱动电　

机，继续行走。（４）当后手接近悬垂线夹时，停止行　

走．使后手脱线，前手和中间手的驱动电机运转．当　

机器人的后手通过悬垂线夹时．停止前进．后手抱　

线。机器人完成跨越悬垂线夹的任务，继续前行　当检测到直线跳线线夹时．手的脱线和抱线方　

法与跨越悬垂线夹相同．但机器人的姿态调整方法　

不同，具体跨越步骤如下：（１）前手脱线，调整前臂姿　

态使前手抓住跳线。（２）中间手脱线，启动前后手的　

驱动电机使机器人行走。（３）中问手接近跳线线夹　

时，停止行走，调整前后柔性臂，使中间手抓住跳线，　

启动行走　（４）当后手接近跳线时，停止行走，后手脱　

线：用前手和中间手驱动机器人继续行走．越过跳线　

线夹后，停止行走，调整柔性臂，使后手抓住跳线，完　

成从直线到跳线的跨越　

机器人由跳线到直线的跨越方法与上述过程相　

同，由于是上坡过程，为了使机器人不至于滑下来，　需使用刹车装置。当中间手刹车后．打开前手抱线　

后．再打开刹车装置：　

当检测到转弯跳线时．运动过程与跨越直线跳　线不同的是柔性臂的姿态除了上下调整外．还需要　

水平调整．其余完全相同。　

完成规定的巡检任务后．直接在线路上待命．由　

于机器人本体上设计有高压线路感应取电装置．配　

合大容量可充电锂电池．彻底解决频繁更换动力电　

池、续航能力差的问题，只要机器人本身没有大的故　

障或没有特别恶劣的天气．一般无需从线上拿下　

４运行实验及性能指标　

所研制的巡线机器人１：１模拟试验线路进行　

运行试验　图３为机器人在实验线路自主行走时的　

情形。　

运行实验表明．１１０ｋＶ巡线机器人实现了如下　

功能：（１）能自主运行。自动避让或跨越防震锤、直线　

夹、压接管等组合型障碍物　（２）可携带红外热成像　

仪、可见光摄像机及其云台，分别拍摄线路运行故障　

的红外热图像、线路及其通道的可见光图像　

巡线机器人的主要性能参数是：质量为３５　ｋｇ：　

爬行平均速度为１．５　ｋｍ／ｈ．爬行坡度为３０。：自取电　ｂ）跨越悬垂线夹　

ｃ）跨越直线跳线　ｄ）跨越９０。拐弯跳线　

图３巡检机器人自主运行实验　

Ｆｉｇ．３　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｒｏｂｏｔ　

装置不启用时，携带的２４Ｖ１８Ａｈ（由若干节１８　６５０／　

３．７　Ｖ／２　０００　ｍＡｈ组合而成的电池组（定做））锂电池　

可连续供电（大于４．５　ｈ），地面遥控和图像传输的　

有效距离约４　ｋｍ；耐压、电磁兼容等指标符合国家　

标准。　

５结语　

本文介绍的运行于１１０　ｋＶ输电线路上的巡线　

机器人机械结构采用３手臂结构．使控制更容易．可　靠性更高　通过试验运行．该机器人基本解决了常规　

线路的自主越障问题．但复杂线路部分（如转弯跳　线．多回线路交叉等情况）还需要人工辅助　由于巡　

线机器人是一个复杂的系统．其作业环境是相当恶　

劣的高空、强电磁场、环境未知且有多种障碍的电　

缆．加以风载、野外光线强弱变化和复杂背景的影　

响．要达到实用化所要求的完全自动巡线．还有待开　

展进一步的工作，主要包括：（１）基于电磁场检测、多　

种传感器与视觉伺服、线路结构参数数据库与ＧＰＳ　

的环境信息融合、分层决策与规划的自动导航系统　

以提高机器人的智能。（２）巡线机器人的防尘、防雨　

和电磁兼容一体化设计．以提高巡线机器人对作业　

环境的适应性。拓展其应用范围　目前的研究已为这　些工作的开展打下了良好的基础　随着机器人各种