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作者：

中國科學(xué)院自動化研究所 李實(shí)

國網(wǎng)徐州供電公司 劉波

中國科學(xué)院自動化研究所 韓剛，邱育東，張文生

摘要：我國電力系統(tǒng)配電網(wǎng)目前主要采用人工帶電作業(yè)方式進(jìn)行系統(tǒng)的搶修及日常維護(hù)。帶電作業(yè)時(shí)操作工人處于高電壓、強(qiáng)電場的環(huán)境中，容易引發(fā)人身傷亡事故。研發(fā)帶電作業(yè)機(jī)器人，來替代工人進(jìn)行配電網(wǎng)帶電作業(yè)是技術(shù)發(fā)展的必然方向。本文在詳細(xì)介紹國內(nèi)外帶電作業(yè)機(jī)器人研發(fā)歷程的基礎(chǔ)上，分析對比了當(dāng)前帶電作業(yè)機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)勢及存在的問題，并設(shè)計(jì)提出了新的技術(shù)發(fā)展路線。對后續(xù)的帶電作業(yè)機(jī)器人研發(fā)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：帶電作業(yè)機(jī)器人；帶電作業(yè)；電力系統(tǒng)配電網(wǎng)

1　前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)建設(shè)的飛速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活對電力的依賴程度越來越高，社會對停電的承受能力越來越差。如何加強(qiáng)日常維護(hù)，防患于未然，以及出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)搶修，成為亟待解決的問題。停電進(jìn)行日常維護(hù)檢修是最安全可靠的方式，但對工業(yè)和居民生活質(zhì)量的影響巨大。帶電作業(yè)是解決這一問題的重要手段之一，在高壓電器設(shè)備上進(jìn)行不停電檢修、部件更換或測試，一直為世界各國所重視。到目前為止，我國的帶電作業(yè)方式為絕緣桿法與絕緣手套法的人工帶電作業(yè)，還不能滿足日益提高的系統(tǒng)可靠性要求，也容易引發(fā)人身傷亡事故。

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，生產(chǎn)自動化水平不斷提高，機(jī)器人在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中的地位越來越重要，特別是在一些危險(xiǎn)系數(shù)高、勞動強(qiáng)度大的領(lǐng)域，替代人類完成危險(xiǎn)任務(wù)，是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的方向。為了避免人工帶電作業(yè)中事故的發(fā)生，使帶電作業(yè)更加安全，同時(shí)提高作業(yè)效率，采用機(jī)器人代替人工進(jìn)行作業(yè)已經(jīng)迫在眉睫，也符合時(shí)代發(fā)展的要求。

2　國內(nèi)外帶電作業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

2.1　國外研究情況

日本基本上是世界上最早開始進(jìn)行帶電作業(yè)機(jī)器人方面研究的國家之一[1]。九州電力公司開發(fā)的斗內(nèi)操作帶電作業(yè)機(jī)器人“Phase I”于1984年開始研制，定型設(shè)計(jì)完成于1989年，一個斗內(nèi)的操作者通過主從操作進(jìn)行帶電作業(yè)。地面操作型機(jī)器人“"PhaseII”于1993年底開發(fā)出了四種類型的機(jī)器，作業(yè)人員可以在地面的作業(yè)倉中遠(yuǎn)程進(jìn)行配網(wǎng)帶電作業(yè)[2]。之后又進(jìn)行了全自動的帶電作業(yè)機(jī)器人“PhaseIII”的開發(fā)。

圖1 九州電力開發(fā)的電動和液壓機(jī)器人

圖2 九州電力的地面操作配電帶電作業(yè)機(jī)器人

法國在1990年開始帶電作業(yè)機(jī)器人的研究，于1992年委托加拿大魁北克開始樣機(jī)的試制，但應(yīng)用效果不理想，因此法國不建議在帶電作業(yè)中應(yīng)用該機(jī)器人。

圖3 法國遙控帶電作業(yè)機(jī)器人樣機(jī)

西班牙也于上世紀(jì)九十年代開展帶電作業(yè)機(jī)器人的研制，采用主從機(jī)器人遙操作模式，取得了一定的成果。

圖4 西班牙配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人

美國也是開展帶電作業(yè)機(jī)器人研制工作比較早的國家，很多科技公司參與其中，研發(fā)了多個系列的機(jī)器人系統(tǒng)。比較有代表性的是PG&E公司開發(fā)的配電帶電作業(yè)機(jī)器人和Iberdrola的機(jī)器人“ROBTET”用于完成49kV以下電壓等級的配電網(wǎng)檢修作業(yè)，取得了不錯的效果。機(jī)器人主要采用遙操作模式，操作員在地面根據(jù)目測和機(jī)器臂末端攝像頭提供圖像，來進(jìn)行遙操作。

圖5 美國的兩種配電帶電作業(yè)機(jī)器人

近年來帶電作業(yè)機(jī)器臂在美國輸配電帶電作業(yè)中得到越來越廣泛應(yīng)用，即使那些作業(yè)間隙距離不滿足要求的條件下也可以開展作業(yè)。

2.2　國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的研究情況

鑒于帶電搶修作業(yè)需求的迫切性，我國科技部和電力相關(guān)部門一直積極推動我國自主產(chǎn)權(quán)的帶電作業(yè)機(jī)器人研制工作。從上世紀(jì)90年代末開始，我國的一些高等院校和研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開始了帶電作業(yè)機(jī)器人的研究，并研制出了多種帶電作業(yè)機(jī)器人樣機(jī)。1999年，山東電力研究院在國家電力公司的科研項(xiàng)目支持下，與山東魯能智能技術(shù)有限公司一起研究帶電作業(yè)機(jī)器人[3]。至2012年，先后研制了三代樣機(jī)，全部為雙機(jī)械臂作業(yè)，用于10kV及以下的配電網(wǎng)絡(luò)。

圖6 國內(nèi)研制的三代帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

國內(nèi)目前的主從式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)主要由國外引進(jìn)，自主改進(jìn)的方式，一直沒有真正實(shí)現(xiàn)自主發(fā)明，沒有解決國際上帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)小型化、實(shí)用化、操作簡單化、圖像處理增強(qiáng)化的問題，整體的實(shí)用性還有欠缺，同時(shí)這也是需要去突破的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，真正將帶電作業(yè)機(jī)器人推向?qū)嵱没?/p>

3　帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用存在的問題

雖然自上世紀(jì)九十年代開始，歐美日等發(fā)達(dá)國家就開始了帶電作業(yè)機(jī)器人的研制工作，但是在實(shí)用化方面，一直沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。目前國內(nèi)外研究的帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)還存在很多問題，限制了帶電機(jī)器人真正投入系統(tǒng)使用。目前只有日本帶電作業(yè)機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用階段，其他國家仍然處于研制階段。我國的相關(guān)研究工作因?yàn)槠鸩捷^晚，也處于研制階段。總結(jié)起來，當(dāng)前帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)存在的問題主要包括：

（1）對于采用操作員處于絕緣斗臂車的絕緣斗內(nèi)進(jìn)行操作的模式，也就是機(jī)器臂直接安裝在絕緣斗外側(cè)，操作員隨絕緣斗運(yùn)行在空中，直接在作業(yè)現(xiàn)場控制機(jī)器臂完成帶電作業(yè)。主要存在的問題包括：一是操作員仍然處于電力線附近進(jìn)行操作，存在觸電風(fēng)險(xiǎn)；二是對我國而言，目前絕緣斗臂材料我國還無法自行生產(chǎn)，需要從日本等發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，導(dǎo)致絕緣斗臂車價(jià)格昂貴，大面積應(yīng)用的代價(jià)巨大；另外，對于絕緣斗臂車無法駛?cè)氲沫h(huán)境，帶電作業(yè)仍然需要工人爬桿來進(jìn)行，危險(xiǎn)性高。

（2）對于操作員在地面進(jìn)行遙操作，機(jī)器臂隨高空云臺升入作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行帶電作業(yè)的模式，目前主要存在的問題是提供給操作員的現(xiàn)場信息不充分，通過攝像頭獲取的現(xiàn)場信息通過監(jiān)控屏幕顯示，會丟失大量三維信息，操作員很難通過屏幕，準(zhǔn)確知曉操作現(xiàn)場所有電纜之間的位置關(guān)系，特別是機(jī)器臂操作時(shí)，存在一定的遮擋關(guān)系，導(dǎo)致操作員無法看到真實(shí)現(xiàn)場情況，給遙控操作帶來很大挑戰(zhàn)。

4　結(jié)語

配電網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人作為電力系統(tǒng)的硬需求，替代人工帶電作業(yè)，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。雖然研發(fā)時(shí)間已經(jīng)超過三十年，但當(dāng)前的機(jī)器人系統(tǒng)仍然距離期望目標(biāo)有一定差距。但是隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，包括：柔性機(jī)器臂、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的快速發(fā)展，帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)帶來了新的技術(shù)手段。相信在不遠(yuǎn)的將來，帶電作業(yè)機(jī)器人就能真正替代工人完成帶電作業(yè)任務(wù)。

作者簡介：

李實(shí)（1974-），男，遼寧沈陽人，博士，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院自動化研究所，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芸刂婆c智能機(jī)器人。

劉波（1983-），男，江蘇徐州人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)徐州供電公司，主要研究領(lǐng)域?yàn)槌鞘信潆姟?/p>

韓剛（1980-），男，陜西扶風(fēng)人，副研究員，博士，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院自動化研究所，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器智能、深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、嵌入式系統(tǒng)等。

邱育東（1961-），男，福建龍巖人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院自動化研究所，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)控制與信號檢測。

張文生（1965-），男，河南鄭州人，研究員，博士，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院自動化研究所，主要研究領(lǐng)域?yàn)槿斯ぶ悄堋⒅悄軝C(jī)器人等。

參考文獻(xiàn)：

[1] Sawada J, Kusumoto K, Maikawa Y, et al. A Mobile Robot for Inspection of Power Transmission Lines[J]. IEEE Trans on Power Delibery, 1991, 6 ( 1 ) : 309 - 315.

[2] Nakashima M, Yano K, Maruyama Y, et al. The Hot Line Work Robot Sytem "Phase II" and Its Human-robot Interface "Mos"[J]. In: Proc of the IEEE/RSJ Inter Conf on Intelligent Robots and Systems, Vol 2. 1995, 116 - 123.

[3] 魯守銀, 馬培蓀, 戚暉, 歷秉強(qiáng). 高電壓帶電作業(yè)機(jī)器人的研制[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2003, 27 ( 17 ) : 56 - 58.

摘自《自動化博覽》2018年3月刊