蛇形智能巡檢機器人在配電網(wǎng)電纜通道的應用研究

引言

2004年我國成功研制了第一臺變電站巡檢機器人功能樣機。隨著我國綜合國力和科學技術(shù)水平的不斷提升,巡檢機器人的研究和應用得到了快速發(fā)展。目前,智能巡檢機器人已經(jīng)逐漸被應用于輸電線路及主網(wǎng)高壓電纜隧道的巡檢工作中,并取得了良好效果。隨著中低壓電力電纜在城市中得到廣泛應用,電纜管道的巡檢工作量逐年大幅增加,人工巡檢難度大,無法檢測電纜工井內(nèi)的電纜情況。為了減輕電力工作人員的勞動強度,提高巡檢質(zhì)量和巡檢效率,降低危險系數(shù),研發(fā)與應用配電網(wǎng)電纜巡檢機器人逐漸成為行業(yè)熱點。

1國內(nèi)外管道機器人研究與應用現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)管道機器人研究與應用現(xiàn)狀

清華大學自主研發(fā)的下水道自動清淤機器人,適用于小400mm的管道,機器人本體采用四輪驅(qū)動的行走結(jié)構(gòu),以三相異步電機作驅(qū)動。在無障礙物的管道中行走時,功率為350~400w,速度為5.7~5.9m/min。在有淤泥沉積的管道內(nèi)行走時,平均速度為4.5m/min,機器人總功率有所增加,大約為400~500w。這種機器人運行較為穩(wěn)定,但會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。上海交通大學研發(fā)的履帶式管道機器人仿造履帶式車輛結(jié)構(gòu)原理,采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機驅(qū)動。機器人帶有CCD圖像傳感器,由另一個電機控制CCD圖像傳感器運動。天津大學研制了一種履帶式可變結(jié)構(gòu)管道機器人,其主要結(jié)構(gòu)包括3個部分:本體模塊、收放線裝置模塊、控制模塊。本體模塊采用積木式變寬結(jié)構(gòu),以適用于不同管徑的管道作業(yè):收放線裝置模塊的主要功能是進行電纜的收放:控制模塊設計為兩種控制方式,一種是手動控制,另一種是用微機進行控制。廣州工業(yè)大學根據(jù)仿生學原理,研制了微管道機器人,由電磁力進行驅(qū)動,該機器人由前后兩個電磁線圈和前后兩個驅(qū)動器組成。兩個線圈通過通斷電使兩個驅(qū)動器做相應的吸合、放松動作,產(chǎn)生推力使機器人向前運動。

1.2國外管道機器人研究與應用現(xiàn)狀

美、英、法、日等國為滿足長距離油氣管道運輸、自動清理檢測的需求,相繼開展了管道機器人的研究,最初成果是研制了無主動力的管內(nèi)清理設備PIG,該設備采用活塞移動式機構(gòu)。RadioIocation公司研發(fā)的PearpointP600管道檢測機器人具有6個動力控制車輪,因此具有較大的牽引力和較強的機動性,可以在200m深的管道內(nèi)進行各種自動檢測。日本的福田敏男等研制了一種可通過L形管的檢測機器人,其行走機構(gòu)由頭部和本體兩部分構(gòu)成,本體的電機M1通過減速裝置帶動本體的4個驅(qū)動輪使機器人實現(xiàn)直線行走,電動機M2可以驅(qū)動頭部進行調(diào)整,引導機器人通過90●的彎管。

目前專用于電力電纜通道巡檢的智能機器人還未在電力行業(yè)得到應用。在機器人技術(shù)、通信技術(shù)與控制技術(shù)發(fā)展較為成熟的背景下,研究一種適用于電纜通道巡檢的智能機器人成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

2一種蛇形智能巡檢機器人在電纜通道中的應用設想

由于電力電纜管道空間有限,情況復雜,要求智能機器人能靈活可靠地穿過地下管道,并能夠翻越管道內(nèi)的各種障礙物,能夠攜帶可見光攝像頭,完成拍攝任務,并能夠與地面站通信,將圖像傳回地面站,以便電力工作人員對機器人進行控制,順利完成巡檢工作。

現(xiàn)探索使用一種蛇形智能機器人進行配電網(wǎng)電纜通道的巡檢工作。蛇形智能巡檢機器人擁有多自由度特點,與自然界的蛇類一樣,可以實現(xiàn)平面上的二維運動和空間內(nèi)的三維運動,從而適應各種應用環(huán)境,特別適用于電纜管道狹窄、地形復雜的情況。

2.1蛇形智能機器人結(jié)構(gòu)

如圖1所示,蛇形智能機器人由HEAD關(guān)節(jié)、B0DY關(guān)節(jié)和TAIL關(guān)節(jié)三部分組成。HEAD關(guān)節(jié)是機器人的大腦,可以控制所有關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)一致運動,并裝有攝像頭,作為視覺系統(tǒng),可以獲取圖形信息,并可完成自主避障。B0DY關(guān)節(jié)由多個關(guān)節(jié)組成,可配合完成蜿蜒、伸縮等各種運動狀態(tài)。TAIL關(guān)節(jié)作為動力源,內(nèi)部裝有電池。

圖1蛇形智能機器人

2.2蛇形智能機器人的運動狀態(tài)

自然界的蛇常見的四種運動方式如圖2所示,蛇形智能機器人也可實現(xiàn)蜿蜒、行波、翻滾、扭轉(zhuǎn)、橫向伸縮、縱向伸縮等多種運動方式,可出色完成其他機器人難以完成的任務。

圖2蛇的運動方式

2.3蛇形智能機器人在電力電纜通道中的應用

蛇形智能機器人可以爬行進入電纜管道中,在干燥或潮濕等環(huán)境下,通過變換蜿蜒、行波、翻滾、扭轉(zhuǎn)等各種運動狀態(tài)在管道中翻越障礙物順利通行,并通過頭部的攝像頭獲取管道內(nèi)的圖像信息,將圖像信息通過無線通信方式發(fā)送到手機APP或PC終端進行顯示并存儲,操作人員通過設備終端與機器人通信,對機器人進行控制,順利完成電力電纜管道的巡檢工作。

3結(jié)語

雖然國內(nèi)外對管道機器人均有一定的研究與應用,但專用于電力電纜管道巡檢的機器人還未有報道。由于配電網(wǎng)電纜管道人工巡檢存在危險性高、任務重、準確率低等缺點,本文提出了使用蛇形智能機器人作為電纜管道巡檢工具的設想。蛇形智能機器人具備的體積小、動作靈活、運動狀態(tài)多樣等優(yōu)勢非常適用于電纜管道空間狹小、情況復雜的場合。蛇形機器人還可以通過無線通信方式與手機APP或PC終端等進行通信,以實現(xiàn)控制與信息存儲等功能。因此,蛇形智能機器人是一種可以應用于配電網(wǎng)電纜管道巡檢的有效工具。