摘要：随着我国电网规模的扩大，传统的巡线方式已难以满足电力系统的要求，巡线机器人的研究和应用成为必然。巡线机器人代替人工巡线，不仅可以避免危险，而且可以完成绝缘修复工作、巡检效率高。本文以10KV架空线绝缘修复机器人为研究对象，根据绝缘修复施工现场的情况，研制了一种用于10KV架空线的绝缘修复机器人，工作人员通过平板电脑遥控，控制绝缘修复机器人在线路上行走至要修复的位置，将电缆修补片包裹在电线上，整个操作过程不必停电，实现了由机器人代替人工完成线路的绝缘修复工作。
1．国内外研究现状
巡线机器人的研究始于20世纪80年代末，日本、加拿大、美国等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作。1988年，加拿大科学家Sawada等人研制了光纤复合架空地线（OPGW）巡检移动机器人，机器人设计主要采用了弧形导轨进行越障。由日本Sato公司生产的电力线损伤探测器采用了单体小车结构。它能在地面操作人员的遥控下，沿电力线行走，利用探测仪器探测线路损伤程度及准确位置，将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工作人员可回放复查，进一步确定损伤情况。
国内关于架空电力线路巡线机器人研究起步较晚，武汉大学和山东大学在这方面的研究起步较早。在“十五”国家高新技术发展计划（863计划）的支持下，山东大学、武汉大学、中科院沈阳自动化研究所、和汉阳供电公司等同时开展了对架空输电线巡检机器人的研制工作。中科院沈阳自动化研究自研究所对500kV地线巡检机器人和巡线机器人自主越障等方面的进行了规划和研究工作。该所研发了一套基于地面基站的巡线机器人运行系统，该系统克服了众多的技术困难。
总结国内外研究成果不难得出以下结论，国外无越障功能的架空电力线路巡线机器人技术较为成熟，但是这些机器人自动化程度较低。国内对具有自动巡检机器人的研究做了不少工作，近几年来取得不少研究成果。
2.机器人研制的主要工作
2.1系统总体设计
10KV架空线绝缘修复机器人通过平板电脑遥控操作，控制机器人在线路上行走，待行走至绝缘破损处，将电缆修补片包裹在电线上，整个操作过程不必停电，从而由机器人代替人工完成线路的绝缘修复工作。系统用STM32单片机做主控，用平板电脑做遥控，如图所示，平板电脑通过wifi连接机器人的无线通讯模块，控制机器人的动作。
图平板电脑和线路绝缘修复机器人
2.2机械结构总体设计
机器人总体结构如下图，机械结构方面，机器人分为三大模块，升降和行走模块，包裹模块，辅助推举模块，升降和行走模块：负责整机在线上行走及整机在线上的升降工作；包裹模块：负责将电缆修补片包裹在电缆破损处；辅助推举模块：此模块用于将机器人挂上线缆和从线缆上取下的过程。
图线路绝缘修复机器人机械结构总装图
2.3电路和系统软件设计
10KV架空线绝缘修复机器人的带电修复作业需全自动进行，由于绝缘修复机器人的工作环境是10KV架空线路，且是带电作业，因此在设计电路硬件时，应当充分考虑电路的控制稳定性、抗干扰性、低功耗性以及模块化性能。10KV架空线绝缘修复机器人的平板电脑控制终端与Wi-Fi模块相互通讯，从而实现平板电脑控制终端对机器人本体的修复作业控制，实现机器人工作状态的实时显示。
软件设计同样采用模块化的设计思想，同时充分考虑现场作业的实际需求。针对现场作业的实际情况，基于Java语言设计了上位机APP软件，实现了绝缘修复机器人的远程控制带电作业；为了保证现场作业的便利性，分别编写了手动运行子程序和自动运行子程序。手动运行子程序和自动运行子程序采用编码器和限位开关双反馈的方式，确保电机动作的准确性，确保绝缘修复机器人带电作业的可靠性。进行了严密的顺序控制逻辑设计，保证绝缘修复机器人在作业时不会出现逻辑盲点。STM32单片机内的程序和平板电脑APP通过Wi-Fi网络实现交互通讯。
平板电脑中运行上位机APP程序，使用上位机APP控制时，不仅可以控制绝缘修复机器人手动执行单独的动作，从而完成修复作业，也可以控制绝缘修复机器人自动完成所有修复作业。上位机APP上有12个按键，每个按键对应机器人的一个电机的一个转向，机器人共有6个电机，共12个按键，分别控制每个电机的正、反转。当按键被按下时，机器人将执行相应的手动运行子程序。上位机APP程序运行界面如图所示。
图上位机APP界面
3.小结
通过分析架空线巡检机器人的研究现状，结合10KV架空线维护修复现场作业情况，确定了绝缘修复机器人的总体结构和基本功能模块。修补电缆所选用的材料是开放卡扣式乙丙橡胶电缆修补片，机器人具备线上行走，包裹修复，加热密封等基本功能，控制方式采用平板电脑经wifi连接控制机器人作业，从而由机器人代替人工将电缆修补片包裹在电缆破损处，免去了停电、人工登高作业的繁琐过程，完成对架空线破损电缆的修复工作。完成绝缘修复机器人的机械结构设计、电路设计、软件控制和通信系统。完成绝缘修复机器人的实验验证，包括基本动作响应，通讯距离，爬坡能力，自动包裹，加热等验证，并记录数据，达到了预期目标。
参考文献：
[1]张屹，韩俊，刘艳，等.具有越障功能的输电线路除冰机器人设计.机械传动，2013，37（3）：34-39.
[2]王刚.高压架空输电线路除冰机器人研究.西安：西安电子科技大学，2014.
论文作者:吴鹏1,陈少功2,张雨卿2,甄旭2
论文发表刊物:《河南电力》2018年12期
论文发表时间:2018/12/5
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