蛇形智能巡检机器人在配电网电缆通道的应用研究

引言

2004年我国成功研制了第一台变电站巡检机器人功能样机。随着我国综合国力和科学技术水平的不断提升,巡检机器人的研究和应用得到了快速发展。目前,智能巡检机器人已经逐渐被应用于输电线路及主网高压电缆隧道的巡检工作中,并取得了良好效果。随着中低压电力电缆在城市中得到广泛应用,电缆管道的巡检工作量逐年大幅增加,人工巡检难度大,无法检测电缆工井内的电缆情况。为了减轻电力工作人员的劳动强度,提高巡检质量和巡检效率,降低危险系数,研发与应用配电网电缆巡检机器人逐渐成为行业热点。

1国内外管道机器人研究与应用现状

1.1国内管道机器人研究与应用现状

清华大学自主研发的下水道自动清淤机器人,适用于小400mm的管道,机器人本体采用四轮驱动的行走结构,以三相异步电机作驱动。在无障碍物的管道中行走时,功率为350~400w,速度为5.7~5.9m/min。在有淤泥沉积的管道内行走时,平均速度为4.5m/min,机器人总功率有所增加,大约为400~500w。这种机器人运行较为稳定,但会出现打滑现象。上海交通大学研发的履带式管道机器人仿造履带式车辆结构原理,采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。机器人带有CCD图像传感器,由另一个电机控制CCD图像传感器运动。天津大学研制了一种履带式可变结构管道机器人,其主要结构包括3个部分:本体模块、收放线装置模块、控制模块。本体模块采用积木式变宽结构,以适用于不同管径的管道作业:收放线装置模块的主要功能是进行电缆的收放:控制模块设计为两种控制方式,一种是手动控制,另一种是用微机进行控制。广州工业大学根据仿生学原理,研制了微管道机器人,由电磁力进行驱动,该机器人由前后两个电磁线圈和前后两个驱动器组成。两个线圈通过通断电使两个驱动器做相应的吸合、放松动作,产生推力使机器人向前运动。

1.2国外管道机器人研究与应用现状

美、英、法、日等国为满足长距离油气管道运输、自动清理检测的需求,相继开展了管道机器人的研究,最初成果是研制了无主动力的管内清理设备PIG,该设备采用活塞移动式机构。RadioIocation公司研发的PearpointP600管道检测机器人具有6个动力控制车轮,因此具有较大的牵引力和较强的机动性,可以在200m深的管道内进行各种自动检测。日本的福田敏男等研制了一种可通过L形管的检测机器人,其行走机构由头部和本体两部分构成,本体的电机M1通过减速装置带动本体的4个驱动轮使机器人实现直线行走,电动机M2可以驱动头部进行调整,引导机器人通过90●的弯管。

目前专用于电力电缆通道巡检的智能机器人还未在电力行业得到应用。在机器人技术、通信技术与控制技术发展较为成熟的背景下,研究一种适用于电缆通道巡检的智能机器人成为行业发展的必然趋势。

2一种蛇形智能巡检机器人在电缆通道中的应用设想

由于电力电缆管道空间有限,情况复杂,要求智能机器人能灵活可靠地穿过地下管道,并能够翻越管道内的各种障碍物,能够携带可见光摄像头,完成拍摄任务,并能够与地面站通信,将图像传回地面站,以便电力工作人员对机器人进行控制,顺利完成巡检工作。

现探索使用一种蛇形智能机器人进行配电网电缆通道的巡检工作。蛇形智能巡检机器人拥有多自由度特点,与自然界的蛇类一样,可以实现平面上的二维运动和空间内的三维运动,从而适应各种应用环境,特别适用于电缆管道狭窄、地形复杂的情况。

2.1蛇形智能机器人结构

如图1所示,蛇形智能机器人由HEAD关节、B0DY关节和TAIL关节三部分组成。HEAD关节是机器人的大脑,可以控制所有关节协调一致运动,并装有摄像头,作为视觉系统,可以获取图形信息,并可完成自主避障。B0DY关节由多个关节组成,可配合完成蜿蜒、伸缩等各种运动状态。TAIL关节作为动力源,内部装有电池。

图1蛇形智能机器人

2.2蛇形智能机器人的运动状态

自然界的蛇常见的四种运动方式如图2所示,蛇形智能机器人也可实现蜿蜒、行波、翻滚、扭转、横向伸缩、纵向伸缩等多种运动方式,可出色完成其他机器人难以完成的任务。

图2蛇的运动方式

2.3蛇形智能机器人在电力电缆通道中的应用

蛇形智能机器人可以爬行进入电缆管道中,在干燥或潮湿等环境下,通过变换蜿蜒、行波、翻滚、扭转等各种运动状态在管道中翻越障碍物顺利通行,并通过头部的摄像头获取管道内的图像信息,将图像信息通过无线通信方式发送到手机APP或PC终端进行显示并存储,操作人员通过设备终端与机器人通信,对机器人进行控制,顺利完成电力电缆管道的巡检工作。

3结语

虽然国内外对管道机器人均有一定的研究与应用,但专用于电力电缆管道巡检的机器人还未有报道。由于配电网电缆管道人工巡检存在危险性高、任务重、准确率低等缺点,本文提出了使用蛇形智能机器人作为电缆管道巡检工具的设想。蛇形智能机器人具备的体积小、动作灵活、运动状态多样等优势非常适用于电缆管道空间狭小、情况复杂的场合。蛇形机器人还可以通过无线通信方式与手机APP或PC终端等进行通信,以实现控制与信息存储等功能。因此,蛇形智能机器人是一种可以应用于配电网电缆管道巡检的有效工具。