王业柱、班卫华、韦泽昌
（广西电网有限责任公司百色供电局，广西 百色 533000）
摘要：针对巡检机器人的控制、定位、检测等方面面临的共同理论和关键技术,基于仿生学原理建立飞爬滑多模态巡检机器人模型,提出一种复杂环境下的集线路爬行、抓线和离线飞行功能于一体的多运动模态机器人；分析爬行类动物手爪的运动特点,建立相对应的机构模型,提出合理的仿生爬行机构设计方案；研究多模态融合机构,实现高压输电线机器人不同运动模态间的稳定切换，简化机器人的机构设计研究防震锤归位机构,实现装置轻量化的设计要求。
关键词：输电；仿生；飞行；多模态；巡检
The Key Technology Research of Multimode Inspection Device for Transmission Line
(Baise Power Supply Bureau，Guangxi Power Grid Co.，Ltd.，Baise ，Guangxi 533000，China）
Abstract: In view of the common theory and key technology in the control, positioning, detection and other aspects of the inspection robot, based on the bionics principle, a multi-modal inspection robot model of flying, crawling and sliding is established, and a multi-modal inspection robot with the functions of line crawling, line grabbing and off-line flight in a complex environment is proposed; the movement characteristics of the claws of reptiles are analyzed, Establish the corresponding mechanism model, put forward the reasonable bionic crawling mechanism design scheme; study the multi-mode fusion mechanism, realize the stable switching between different motion modes of the high-voltage transmission line robot, simplify the mechanism design of the robot, study the return mechanism of the shockproof hammer, and realize the design requirements of lightweight device.
Key words: power transmission; bionics; flight; multimodality; patrol inspection
0引言
随着社会发展和科技进步，电力行业也不断向智能化发展。2019年，南方电网发布智慧输电实施方案，提出将全面推进高压线路巡检化、可视化、三维化等技术的实用化以满足数字电网、智慧输电要求，重点实现220kV及以上重要输电线路以及偏远山区、超高杆塔等人工巡检较困难地区的智能巡检。对于重点地段、重点杆塔、不易到达的杆塔，将应用自动测距仪、导线断股检测仪、污秽度测量仪等智能巡检仪器设备以实现对线路的全天候监控，并应用输电线路缺陷自动定位和记录技术以及其他智能巡检技术，将输电线路巡检装置与输电线路生产管理和状态检修辅助决策系统进行结合，并根据实验数据、设备参数实现输电线路的信息化管理[1]。
针对以上要求，本文提出了一种复杂环境下的集线路爬行、抓线和离线飞行功能于一体的多运动模态机器人，不仅能够在智能化电网输电环节中实现状态评估、故障诊断、状态检修和风险预警,实现对线路运行状态的可控、能控和再控,具有重要工程实践意义。而且，能够解决偏远山区及超高杆塔巡视盲点和防震锤归位问题，为面向智能电网的巡检技术建设具有重要研究意义。
本文将通过输电导线巡检方式的现状分析，然后确定多运动模态机器人如何实现智能巡检,主要从机器人机构设计、运动控制和检测技术三方面展开深入研究。
1现状分析
目前，对输电导线进行巡检的方法主要有四种。
1.1地面目测法
此方法需要巡检人员在地面采用肉眼或望远镜对辖区内的电力线进行观测。由于输电线路分布点多面广、地理条件复杂,巡检工人需要翻山越岭、涉水过河、徒步或驱车巡检。这种方法检测时距离线塔远,探测精度低，并且劳动强度大,工作效率低和探测精度低，可靠性差。
1.2人工巡检法
此方法属于带电作业范畴，需要巡检人员身着带电服进行高空攀爬完成线路巡检，危险性高强度大，对巡检人员自身安全存在一定威胁。
1.3航测法
航测法可分为直升机巡检和多旋翼无人机巡检两种，其巡检速度快，但为保持飞机与线塔的安全距离无法进行近距离检查，恶劣天气条件下无法巡检。其中，直升机巡检需报航线，程序繁琐，成本高；多旋翼无人机巡检，可实现自主GPS导航，但载荷有限，续航时间短。
1.4飞行巡检法
通过在飞行巡检机器人上搭载的传感器(如:光电检测仪、红外成像仪等)来观察输电线杆塔各部件上的缺陷，在一定程度上能够在未产生事故前排除隐患[2]。
因此,将巡检机器人应用于高压线路巡检作业，不仅可以减轻工人的劳动强度，降低巡检作业费用，并且可以提高巡检作业质量和效率，是一种可替代原有巡检方法的切实可行的方案，因此，高压输电线路巡检机器人具有强烈的市场需求和广阔的发展前景。所以，巡检机器人的核心理论和关键技术是目前主要的研究内容。
2研究内容
2.1轻量化仿生机构设计
基于仿生学原理建立飞爬滑多模态巡检机器人模型，需要充分地分析研究鸟类的飞行以及动物的爬行，将各种飞行动物和爬行动物的技术指标进行分析比较，总结现有鸟类和动物运动机理研究成果，从鸟类和动物中确定出飞爬滑多模态巡检机器人较好的仿生原型，并对研究中存在的问题进行探讨，从中抽象提取出生物运动机理，进而建立仿生学功能结构模型[3]。
2.2线上仿生机构设计
通过正运动学和逆运动学的求解，对机器人的运动轨迹进行规划，确定机器人运动过程中末端手爪的位姿及防震锤归位机构等。针对输电线路巡检机器人作业的特殊性，研究具有高可靠性的制动装置及自锁机构[4]。
仿生机构设计简图如下图1所示。
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图1 仿生机构设计简图
Fig. 1 Design diagram of bionic mechanism
2.3多模态仿生精密控制技术研究
基于多传感信息融合技术，根据检测系统中巡检用传感器提供的检测信息，判断高压输电线路状况是否可能存在损伤，执行相应的控制算法，决策继续飞行还是抓线着陆，若输电线路完好则继续飞行则保持原设定飞行路线不变；若高压输电线路可能存在损伤，则需要仿生四旋翼机构进行抓线着陆，改变机构形态和飞行路线，减速缓慢降落到高压输电线路对应可能存在损伤位置上，进行高压输电线路线上巡检；待线上巡检结束,控制系统控制机器人改变机构形态，平稳缓慢竖直飞离高压输电线路，避免引起高压输电线路大幅度震荡。通过对仿生四旋翼机构的速度变换、姿态转换、降落位置改变的控制研究，使机器人自主更换线路，翻越耐张塔，完成飞行巡检工作[5]。
根据研究目标，了解作用对象以及现有的需求，设计模块设计框图如下图2所示。
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图2 控制模块设计框图
Fig. 2 Design block diagram of control module
其中机械手设计简图如下图3所示。
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图3 机械手设计简图
Fig. 3 Design diagram of manipulator
本文提出的巡检方法是在现有的两种机器人巡检方法(飞行机器人巡检方法和线上机器人巡检方法)上的综合与提升，就单个巡检方式而言，已研制出的成品已经为其可行性进行了证明，本项目意在通过巧妙的机械结构的设计，及精密的控制方法实现不同巡检设备的综合设计，而且机械机构的设想也在实践中[6]。
经研究后设计的巡检机器人机构简图如下图4所示。
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图4 巡检机器人机构简图
Fig. 4 Mechanism diagram of inspection robot
3创新功能
3.1线上行走/攀爬机构
完成机器人沿输电线路行走/攀爬的功能，并能跨越防震锤等较小障碍物。
3.2导航系统
采用图像和无线通讯相结合的方式完成导航，完成机器人上线、越障及自动/人工控制充电等功能。
3.3垂直起降/越障机构
采用创新的四旋翼机构，解决了机器人上线、越障及自动/人工控制充电等功能。
3.4智能控制系统
完成机器人系统的控制功能。
4结语
通过本文的研究，开发基于仿生学原理建立多模态巡检机器人模型,集线路爬行、抓线和离线飞行功能于一体的复杂环境下高压输电线路多运动模态自主巡检机器人，实现飞行巡检锁定局部损伤目标，爬行巡检完成任务，搭载图像传感器，实现可视化巡检，面对线路断股、松股、生锈、缺损、移位、污秽、磨损等问题，建立相对应的模型，研究防震锤归位装置解决实际存在的防震锤位移缺陷问题。
针对百色网区特殊的环境特点，结合现有的研究基础，深入研究高压线巡检机器人应用过程中的核心理论和关键技术，解决线路巡查飞行机器人技术及辅助防震锤归位工具，解决基层应用问题具有广泛的工程应用前景。
参考文献
[1]张运楚，梁自泽，谭民. 架空电力线路巡线机器人的研究综述［J］机器人，2004.
[2]吴功平，肖晓晖，肖华等架空高压输电线路巡线机器人样机研制［J］.电力系统自动化，2006
[3]徐显金，吴功平，何缘等基于地线改造的巡检机器人机械结构设计［J］.机械设计与制造，2011
[4]王婷，吴功平．穿越式巡线机器人自动上下线装置设计［J］.机械设计与制造，2017
[5]王吉岱，甄静，刘笑辰等.输电线路巡检机器人仿生结构研究［J］．机械设计与制造，2017
[6]王吉岱，张良，王森等.架空输电线路巡检机器人控制系统可靠性设计［J］.机床与液压，2018