蛇形智能巡檢機(jī)器人在配電網(wǎng)電纜通道的應(yīng)用研究

引言

2004年我國成功研制了第一臺(tái)變電站巡檢機(jī)器人功能樣機(jī)。隨著我國綜合國力和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升,巡檢機(jī)器人的研究和應(yīng)用得到了快速發(fā)展。目前,智能巡檢機(jī)器人已經(jīng)逐漸被應(yīng)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(yīng)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(cè)電纜工井內(nèi)的電纜情況。為了減輕電力工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高巡檢質(zhì)量和巡檢效率,降低危險(xiǎn)系數(shù),研發(fā)與應(yīng)用配電網(wǎng)電纜巡檢機(jī)器人逐漸成為行業(yè)熱點(diǎn)。

1國內(nèi)外管道機(jī)器人研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)管道機(jī)器人研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

清華大學(xué)自主研發(fā)的下水道自動(dòng)清淤機(jī)器人,適用于小400mm的管道,機(jī)器人本體采用四輪驅(qū)動(dòng)的行走結(jié)構(gòu),以三相異步電機(jī)作驅(qū)動(dòng)。在無障礙物的管道中行走時(shí),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(shí),平均速度為4.5m/min,機(jī)器人總功率有所增加,大約為400~500w。這種機(jī)器人運(yùn)行較為穩(wěn)定,但會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。上海交通大學(xué)研發(fā)的履帶式管道機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人帶有CCD圖像傳感器,由另一個(gè)電機(jī)控制CCD圖像傳感器運(yùn)動(dòng)。天津大學(xué)研制了一種履帶式可變結(jié)構(gòu)管道機(jī)器人,其主要結(jié)構(gòu)包括3個(gè)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(jìn)行電纜的收放:控制模塊設(shè)計(jì)為兩種控制方式,一種是手動(dòng)控制,另一種是用微機(jī)進(jìn)行控制。廣州工業(yè)大學(xué)根據(jù)仿生學(xué)原理,研制了微管道機(jī)器人,由電磁力進(jìn)行驅(qū)動(dòng),該機(jī)器人由前后兩個(gè)電磁線圈和前后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成。兩個(gè)線圈通過通斷電使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器做相應(yīng)的吸合、放松動(dòng)作,產(chǎn)生推力使機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)。

1.2國外管道機(jī)器人研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

美、英、法、日等國為滿足長距離油氣管道運(yùn)輸、自動(dòng)清理檢測(cè)的需求,相繼開展了管道機(jī)器人的研究,最初成果是研制了無主動(dòng)力的管內(nèi)清理設(shè)備PIG,該設(shè)備采用活塞移動(dòng)式機(jī)構(gòu)。RadioIocation公司研發(fā)的PearpointP600管道檢測(cè)機(jī)器人具有6個(gè)動(dòng)力控制車輪,因此具有較大的牽引力和較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性,可以在200m深的管道內(nèi)進(jìn)行各種自動(dòng)檢測(cè)。日本的福田敏男等研制了一種可通過L形管的檢測(cè)機(jī)器人,其行走機(jī)構(gòu)由頭部和本體兩部分構(gòu)成,本體的電機(jī)M1通過減速裝置帶動(dòng)本體的4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直線行走,電動(dòng)機(jī)M2可以驅(qū)動(dòng)頭部進(jìn)行調(diào)整,引導(dǎo)機(jī)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(jī)器人還未在電力行業(yè)得到應(yīng)用。在機(jī)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(jī)器人成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2一種蛇形智能巡檢機(jī)器人在電纜通道中的應(yīng)用設(shè)想

由于電力電纜管道空間有限,情況復(fù)雜,要求智能機(jī)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(wù),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(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制,順利完成巡檢工作。

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

2.1蛇形智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)

如圖1所示,蛇形智能機(jī)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(jī)器人的大腦,可以控制所有關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng),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(gè)關(guān)節(jié)組成,可配合完成蜿蜒、伸縮等各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。TAIL關(guān)節(jié)作為動(dòng)力源,內(nèi)部裝有電池。

圖1蛇形智能機(jī)器人

2.2蛇形智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

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

圖2蛇的運(yùn)動(dòng)方式

2.3蛇形智能機(jī)器人在電力電纜通道中的應(yīng)用

蛇形智能機(jī)器人可以爬行進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(jī)APP或PC終端進(jìn)行顯示并存儲(chǔ),操作人員通過設(shè)備終端與機(jī)器人通信,對(duì)機(jī)器人進(jìn)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(duì)管道機(jī)器人均有一定的研究與應(yīng)用,但專用于電力電纜管道巡檢的機(jī)器人還未有報(bào)道。由于配電網(wǎng)電纜管道人工巡檢存在危險(xiǎn)性高、任務(wù)重、準(zhǔn)確率低等缺點(diǎn),本文提出了使用蛇形智能機(jī)器人作為電纜管道巡檢工具的設(shè)想。蛇形智能機(jī)器人具備的體積小、動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多樣等優(yōu)勢(shì)非常適用于電纜管道空間狹小、情況復(fù)雜的場(chǎng)合。蛇形機(jī)器人還可以通過無線通信方式與手機(jī)APP或PC終端等進(jìn)行通信,以實(shí)現(xiàn)控制與信息存儲(chǔ)等功能。因此,蛇形智能機(jī)器人是一種可以應(yīng)用于配電網(wǎng)電纜管道巡檢的有效工具。