作者：

中國科學(xué)院自動(dòng)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(dòng)化研究所 韓剛，邱育東，張文生

摘要：我國電力系統配電網(wǎng)目前主要采用人工帶電作業(yè)方式進(jìn)行系統的搶修及日常維護。帶電作業(yè)時(shí)操作工人處于高電壓、強電場(chǎng)的環(huán)境中，容易引發(fā)人身傷亡事故。研發(fā)帶電作業(yè)機器人，來(lái)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。本文在詳細介紹國內外帶電作業(yè)機器人研發(fā)歷程的基礎上，分析對比了當前帶電作業(yè)機器人的技術(shù)優(yōu)勢及存在的問(wèn)題，并設計提出了新的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)。對后續的帶電作業(yè)機器人研發(fā)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：帶電作業(yè)機器人；帶電作業(yè)；電力系統配電網(wǎng)

1　前言

隨著(zhù)我國經(jīng)濟和電網(wǎng)建設的飛速發(fā)展，經(jīng)濟建設和人民生活對電力的依賴(lài)程度越來(lái)越高，社會(huì )對停電的承受能力越來(lái)越差。如何加強日常維護，防患于未然，以及出現問(wèn)題時(shí)及時(shí)搶修，成為亟待解決的問(wèn)題。停電進(jìn)行日常維護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(wèn)題的重要手段之一，在高壓電器設備上進(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(mǎn)足日益提高的系統可靠性要求，也容易引發(fā)人身傷亡事故。

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟和科技的發(fā)展，生產(chǎn)自動(dòng)化水平不斷提高，機器人在現代生產(chǎn)生活中的地位越來(lái)越重要，特別是在一些危險系數高、勞動(dòng)強度大的領(lǐng)域，替代人類(lèi)完成危險任務(wù)，是機器人技術(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　國內外帶電作業(yè)機器人研究現狀

2.1　國外研究情況

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

圖1 九州電力開(kāi)發(fā)的電動(dòng)和液壓機器人

圖2 九州電力的地面操作配電帶電作業(yè)機器人

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

圖3 法國遙控帶電作業(yè)機器人樣機

西班牙也于上世紀九十年代開(kāi)展帶電作業(yè)機器人的研制，采用主從機器人遙操作模式，取得了一定的成果。

圖4 西班牙配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人

美國也是開(kāi)展帶電作業(yè)機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(gè)系列的機器人系統。比較有代表性的是PG&E公司開(kāi)發(fā)的配電帶電作業(yè)機器人和Iberdrola的機器人“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。機器人主要采用遙操作模式，操作員在地面根據目測和機器臂末端攝像頭提供圖像，來(lái)進(jìn)行遙操作。

圖5 美國的兩種配電帶電作業(yè)機器人

近年來(lái)帶電作業(yè)機器臂在美國輸配電帶電作業(yè)中得到越來(lái)越廣泛應用，即使那些作業(yè)間隙距離不滿(mǎn)足要求的條件下也可以開(kāi)展作業(yè)。

2.2　國內研究機構的研究情況

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(mén)一直積極推動(dòng)我國自主產(chǎn)權的帶電作業(yè)機器人研制工作。從上世紀90年代末開(kāi)始，我國的一些高等院校和研究機構陸續開(kāi)始了帶電作業(yè)機器人的研究，并研制出了多種帶電作業(yè)機器人樣機。1999年，山東電力研究院在國家電力公司的科研項目支持下，與山東魯能智能技術(shù)有限公司一起研究帶電作業(yè)機器人[3]。至2012年，先后研制了三代樣機，全部為雙機械臂作業(yè)，用于10kV及以下的配電網(wǎng)絡(luò )。

圖6 國內研制的三代帶電作業(yè)機器人系統

國內目前的主從式機器人主體結構主要由國外引進(jìn)，自主改進(jìn)的方式，一直沒(méi)有真正實(shí)現自主發(fā)明，沒(méi)有解決國際上帶電作業(yè)機器人系統小型化、實(shí)用化、操作簡(jiǎn)單化、圖像處理增強化的問(wèn)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)機器人推向實(shí)用化。

3　帶電作業(yè)機器人應用存在的問(wèn)題

雖然自上世紀九十年代開(kāi)始，歐美日等發(fā)達國家就開(kāi)始了帶電作業(yè)機器人的研制工作，但是在實(shí)用化方面，一直沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。目前國內外研究的帶電作業(yè)機器人系統還存在很多問(wèn)題，限制了帶電機器人真正投入系統使用。目前只有日本帶電作業(yè)機器人進(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)研究工作因為起步較晚，也處于研制階段?？偨Y起來(lái)，當前帶電作業(yè)機器人系統存在的問(wèn)題主要包括：

（1）對于采用操作員處于絕緣斗臂車(chē)的絕緣斗內進(jìn)行操作的模式，也就是機器臂直接安裝在絕緣斗外側，操作員隨絕緣斗運行在空中，直接在作業(yè)現場(chǎng)控制機器臂完成帶電作業(yè)。主要存在的問(wèn)題包括：一是操作員仍然處于電力線(xiàn)附近進(jìn)行操作，存在觸電風(fēng)險；二是對我國而言，目前絕緣斗臂材料我國還無(wú)法自行生產(chǎn)，需要從日本等發(fā)達國家進(jìn)口，導致絕緣斗臂車(chē)價(jià)格昂貴，大面積應用的代價(jià)巨大；另外，對于絕緣斗臂車(chē)無(wú)法駛入的環(huán)境，帶電作業(yè)仍然需要工人爬桿來(lái)進(jìn)行，危險性高。

（2）對于操作員在地面進(jìn)行遙操作，機器臂隨高空云臺升入作業(yè)現場(chǎng)進(jìn)行帶電作業(yè)的模式，目前主要存在的問(wèn)題是提供給操作員的現場(chǎng)信息不充分，通過(guò)攝像頭獲取的現場(chǎng)信息通過(guò)監控屏幕顯示，會(huì )丟失大量三維信息，操作員很難通過(guò)屏幕，準確知曉操作現場(chǎng)所有電纜之間的位置關(guān)系，特別是機器臂操作時(shí)，存在一定的遮擋關(guān)系，導致操作員無(wú)法看到真實(shí)現場(chǎng)情況，給遙控操作帶來(lái)很大挑戰。

4　結語(yǔ)

配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人作為電力系統的硬需求，替代人工帶電作業(yè)，具有廣泛應用價(jià)值。雖然研發(fā)時(shí)間已經(jīng)超過(guò)三十年，但當前的機器人系統仍然距離期望目標有一定差距。但是隨著(zhù)機器人技術(shù)的發(fā)展，包括：柔性機器臂、虛擬現實(shí)、增強現實(shí)等新技術(shù)的快速發(fā)展，帶電作業(yè)機器人系統帶來(lái)了新的技術(shù)手段。相信在不遠的將來(lái)，帶電作業(yè)機器人就能真正替代工人完成帶電作業(yè)任務(wù)。

作者簡(jiǎn)介：

李實(shí)（1974-），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，現就職于中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所，主要研究領(lǐng)域為智能控制與智能機器人。

劉波（1983-），男，江蘇徐州人，工程師，學(xué)士，現就職于國網(wǎng)徐州供電公司，主要研究領(lǐng)域為城市配電。

韓剛（1980-），男，陜西扶風(fēng)人，副研究員，博士，現就職于中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所，主要研究領(lǐng)域為機器智能、深度學(xué)習、計算機視覺(jué)、嵌入式系統等。

邱育東（1961-），男，福建龍巖人，高級工程師，學(xué)士，現就職于中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所，主要研究領(lǐng)域為計算機控制與信號檢測。

張文生（1965-），男，河南鄭州人，研究員，博士，現就職于中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所，主要研究領(lǐng)域為人工智能、智能機器人等。

參考文獻：

[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. 高電壓帶電作業(yè)機器人的研制[J]. 電力系統自動(dòng)化, 2003, 27 ( 17 ) : 56 - 58.

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年3月刊