输电线路巡检机器人运动方式仿生研究

输电线路巡检机器人运动方式仿生研究

邢晓

国网陕西省电力公司西安供电公司陕西西安710032

摘要：当前，我国的远距离大容量输电都是通过架空线的方式来进行的，为了保证整个输电网的安全稳定运行，必须对高压输电线路定期进行巡查。但是相应人工检测的工作效率较低，工作质量也相对较差。因此，在这种背景下，我国不断地开发出巡检机器人，用于提升巡检的效率以及质量。本文主要研究分析高压输电线路巡检机器人的运行方式，这对于巡检机器人的有效、可靠实现其巡线功能具有重要意义。

本文在分析巡检机器人的主要工作环境和作业内容的基础上，给出了巡检机器人应具有的基本能力，结合运动学方面的知识，探讨了机器人连续越障、跨步式以及尺蠖式越障等几种跨越障碍的方式，确定了机器人的结构。

关键词：输电线路；机器人；运动方式

一、研究背景及意义

当前，我国的高压输电线大多数通过架空的方式来进行远距离传输。在高压输电线当中，线路的安全、可靠是保证其整体安全运行的关键因素。由于输电通道大多数都在郊外，而传统的高压输电线检查方法是电力工人通过肉眼或者望远镜等多种检测工具来完成的，这些都需要巡线人员经过长时间的跋涉，对分布在不同的地区的输电线路进行检查。由于高压输电线路通道走径长、地势环境复杂，巡线人员往往需要跨越非常远的距离，巡检工作强度相对较大，工作效率较低，工作质量也相对较差，人身的安全也无法得到完全保障。随着我国经济的不断发展，我国出现了劳动型机器人，这些机器人可以替代巡线人员进行巡检工作，同时发现输电线路当中存在的缺陷隐患，从而减轻线路工人的劳动强度，提高高压输电网运行的可靠性。

机器人的主要工作内容可以分为两个阶段。第一个阶段就是移动作业，第二个阶段就是越障作业。在移动作业当中，机器人需要沿着四分裂导线的下面的导线来进行移动，尤其是在两个塔杆之间的路段。这一路段距离非常长，同时移动过程中也不会有太多的障碍物，机器使用自身携带的相机以及红外摄像机等对线路来进行检查，并且将收集到的信息及时传送到控制平台当中。而越障碍作业就是机器人在移动的过程当中，跨越输电线上的障碍物，尤其是在塔身的部分，巡检机器人需要通过悬垂线夹等诸多障碍物，从而完成线路巡视检查工作。由此可以看出，机器人整个巡检工作当中越障作业是较难的一部分，也是此次巡检机器人研究试验的重点内容。

二、机器人越障方式

根据巡检机器人运动学模拟分析可以得知，在整个高压输电线当中，分布着不同类型的电力金具，如下图1当中的垂直线夹、防震锤、间隔器等，这对于巡检机器人来讲是非常大的障碍，需要在机器人本身设置跨越障碍的装置，从而保证巡检机器人可以在整个高压输电线当中进行工作，并且机器人的越障方式决定了该机器人自身的工作效率和工作的质量。

图1机器人越障模拟图

结合仿生学研究，在工程应用中，机器人越障方式主要有连续越障、尺蠖式越障及跨步式越障。

1.连续越障

在遇到障碍物时，需要整个线路的弯度并不是非常大，那么机器人则不需要通过俯仰关节来进行工作，机器人自身可以通过连续越障的方式完成巡检工作。在进行连续越障工作时，机器人的开合轮组以及手爪会分别打开，直到通过障碍物之后就会就会相继闭合。首先，巡检机器人自己会移动到障碍物的前面，然后对障碍物进行检测，选择合适的跨越障碍的方式。机器人完成检测之后对将前轮打开。机器人的前轮打开之后会继续前进，如下图（a），前轮跨越障碍物之后会自己闭合，然后后爪到达障碍物前面，后爪打开，如下图（c）。机器人会继续前进，前爪、后爪以及后轮会依次打开、通过、闭合，最终直到跨越障碍物，完成越障工作。

整个机器人的连续越障工作流程是大致相同的，这种跨越障碍的方式相对简单，不需要机器人本身做其他方面的动作，主要应用于一般性的障碍物，例如，防震锤和隔棒，这两种不同的金具在高压线上数量非常多，机器人需要跨越多个类似的障碍物。但是，这种越障的方式相对简单，机器人可以快速通过，整个的工作效率较高。如下图2所示，其中红色倒T为障碍物，机器人从左到右越过障碍物，具体的越障过程如下图步骤所示。

图2连续越障

由于本文研究的机器人当中包括四个末端，因此，在这种跨越障碍的方式当中，机器人可以任意进行其中一个末端的开合动作，这种方式能够提高整体的工作效率，同时保证机器人自身能有至少三个末端是在高压线上的，整体的稳定性相对较强，保证了机器人自身的安全问题。

2.尺蠖式越障

尺蠖式跨越障碍主要是应用于多个金具紧密结合的障碍当中，即机器人要同时跨越多个障碍，这是一种辅助性质的跨越障碍的方式。巡检机器人当中，前爪和后爪之间存在一定的间距，这个间距可以根据障碍物的间距大小来选择合适的方式，这种不能使用连续性的跨越障碍的方式，主要是依靠机器人当中的变距机构来完成的。

首先，巡检机器人需要将前轮开合移动通过并且到达第二个障碍物的前面，然后巡检机器人自身启动后变距机构，后轮与后爪之间的距离变大，如下图（a），并且前后轮会进行闭合，后爪打开，如下图（b）。此时，机器人需要启动前面和后面的变距机构，从而使得机器人自身能够向前移动，并且通过首个障碍物，如下图（d）。随后，机器人本身会通过连续越障的方式来通过首个障碍物，前轮和前后爪会闭合，后轮打开。随后，后变距机构启动，后轮会通过首个障碍物，并且不断地靠近后爪，后轮闭合后，后爪打开，如下图e）。后爪以及后轮会逐一通过第二个障碍物后，整个越障工作完成，具体越障步骤如下图3所示。

图3尺蠖式越障

在这种跨越障碍的方式当中，需要用到前后变距机构，从而控制轮和爪之间的距离，从而满足线路当中阵列式的障碍物要求。这种跨越障碍物的方式能够提升巡检机器人整体的实用性，在高压输电线的巡检当中可以进行连续越障工作。

3.跨步式越障

这种跨越障碍物的方式主要应用于直线塔当中的悬垂线夹而应用的。在直线塔当中，输电线会有一定的角度，需要通过机器人当中的旋转关节来进行旋转，最终跨越之后，将机器人带到直线塔的另一边。

图4跨步式越障

在进行跨越时，巡检机器人需要位移至障碍物之前，然后依次打开前轮和前爪，旋转关键需要调整前后臂的角度，从而满足跨越障碍的要求，如下图（a）。机器人前进后需要前轮以及前爪逐渐通过障碍物，如下图（b）；随后，前面的轮和爪会分别闭合，后轮抓住导线，如下图（c）；而后，后爪跨越障碍物，打开后轮和后爪，如下图e）；此时需要调整旋转关节的角度，将后轮与后爪分别抓住上线，闭合后轮和后爪，如下图f），跨越障碍物的行为就会完成，最终会到整个线路的另一边开始新的巡检工作，具体越障步骤如下图4示。

在巡检的过程中，机器人会跨越输电杆塔，因此，跨步式的越障方式是一种基本的工作方式，只有具备了这种跨越障碍的能力才能够保证机器人扩大工作的范围，提升巡检机器人的工作效率。

三、结论和展望

本文从巡检机器人的工作环境及内容出发，在研究的过程中对机器人的运动学进行了实际分析，主要包括机器人的开合轮组以及手爪进行分析，并针对其实际的运动方式确定了连续、尺蠖式以及跨步式不同的策略。

巡检机器人是电网发展的衍生产物，随着国家特高压、人工智能、电子通讯等技术的不断发展，巡检机器人的研发也一定会取得长足的进步，在这里概括性地分析如下：一是随着机器人逻辑分析程序功能的优化，会越来越智能，可以自行进行动作的设定，进行越障动作也会越来越完美。二是巡检机器人的产生是高压输电运维的必然阶段，在经历了从初级到现在的成长过程后，随着科学技术的进一步发展及各种技术进一步的相互融合，我们相信巡检机器人的前景将更加光明。

参考文献：

[1]占博.输电线路巡检机器人样机的越障控制研究与实现[D].重庆大学，2016.

[2]商德勇.薄煤层综采工作面巡检机器人运动分析及试验研究[D].中国矿业大学（北京），2016.

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