配電帶電作業(yè)機(jī)器人發(fā)展淺析范文

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《供用電雜志》2016年第11期

摘要：

采用帶電作業(yè)機(jī)器人代替人工作業(yè)，可有效避免高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)傷害，大幅提高作業(yè)工效。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域研究起步較晚，因此借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，探討和加快中國(guó)帶電作業(yè)機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用，有著重要而現(xiàn)實(shí)的意義。文章概述了配電帶電作業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)及主要功效，介紹了國(guó)內(nèi)外帶電作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程、研發(fā)與應(yīng)用情況，提出了中國(guó)下階段配電帶電作業(yè)機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用的重點(diǎn)方向。

關(guān)鍵詞：

帶電作業(yè)；機(jī)器人；配電網(wǎng)；先進(jìn)技術(shù)

0引言

隨著機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能及仿生學(xué)等尖端領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在各行各業(yè)得到日益廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)機(jī)器人、教育機(jī)器人、家政機(jī)器人、軍用機(jī)器人等。其中，在電力領(lǐng)域的主要應(yīng)用有：在輸電領(lǐng)域以一定速度沿輸電線爬行，利用攜帶的傳感儀器實(shí)現(xiàn)線路定期巡檢的巡線機(jī)器人及利用附加除冰機(jī)構(gòu)，自動(dòng)清除輸電線路覆冰，減少斷線事故的除冰機(jī)器人。在變電領(lǐng)域，以自主或遙控方式對(duì)變電站內(nèi)一次設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備熱缺陷和其他異常的變電站智能巡檢機(jī)器人。在配電領(lǐng)域，完成對(duì)隧道內(nèi)溫度、煙霧、有毒氣體等環(huán)境信息檢測(cè)的電纜管道巡檢機(jī)器人。與上述電力領(lǐng)域機(jī)器人已進(jìn)入實(shí)用化進(jìn)程相比，中國(guó)配電帶電作業(yè)機(jī)器人起步于1999年的山東電網(wǎng)，目前應(yīng)用面與實(shí)用化都很有限，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在明顯差距。因此，結(jié)合中國(guó)國(guó)情，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)并加以借鑒和完善，努力打造具有中國(guó)特色的帶電作業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，對(duì)于推動(dòng)配電作業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造2025的宏偉藍(lán)圖具有積極意義。

1作業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介

1.1基本結(jié)構(gòu)

作業(yè)機(jī)器人從整體結(jié)構(gòu)上主要有兩種形式：一種是操作人員在高空絕緣斗內(nèi)，以控制手柄或主手控制器為媒介，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行高空作業(yè)控制的形式；另一種是操作人員位于地面控制室，通過(guò)高空機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)完成遙控的形式，如圖1所示。操作人員在高空進(jìn)行遙控，以絕緣斗為保護(hù)裝置，直觀明了觀察作業(yè)進(jìn)展，減少操作難度，提高了作業(yè)效率，但未能使操作人員完全脫離電磁輻射和高空作業(yè)的危險(xiǎn)；采用第二種作業(yè)方式，即操作人員在地面控制室，雖不能直接近距離觀察作業(yè)對(duì)象，影響作業(yè)效率，但該種方式下操作人員遠(yuǎn)離高壓線，可避免高空跌落事故發(fā)生。雖然兩種機(jī)器人作業(yè)方式有所差異，但基本結(jié)構(gòu)大體相同，均由以下部分構(gòu)成：機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)（機(jī)器人本體、機(jī)械臂絕緣子支撐）、工作平臺(tái)（絕緣斗/地面控制室）、折疊與伸縮絕緣壁、控制裝置、移動(dòng)卡車(chē)等。

1.2主要功效

作業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和功能決定了它具有如下功效：

1）改善作業(yè)環(huán)境：由于采用間接作業(yè)法，危險(xiǎn)性降低，減少了觸電、高空墜落等危險(xiǎn)事故的發(fā)生，使作業(yè)人員生命安全得到更有效的保障。

2）提升作業(yè)效率：通過(guò)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，工作人員數(shù)量減少，效率大幅提高，人工成本降低；同時(shí)作業(yè)面和作業(yè)頻次也可大幅提高。

3）降低作業(yè)難度：相比于人工作業(yè)時(shí)需合理把握精度要求、做到謹(jǐn)慎、仔細(xì)完成任務(wù)，使用作業(yè)機(jī)器人解放了作業(yè)人員，由機(jī)器人自主完成操作，作業(yè)難度大幅降低。

4）提高作業(yè)質(zhì)量：采用機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，控制力度合理、作業(yè)質(zhì)量顯著提升。

5）提升客戶(hù)滿(mǎn)意度：停電事故減少，供電可靠性提升。

2國(guó)外發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)80年代開(kāi)始，日本、美國(guó)、加拿大、法國(guó)等許多國(guó)家就先后開(kāi)展作業(yè)機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

2.1日本帶電作業(yè)機(jī)器人

20世紀(jì)80年代初，日本政府人口普查結(jié)果預(yù)示未來(lái)人口將逐步老齡化，勞動(dòng)力不足日趨嚴(yán)峻。由此，日本掀起了一場(chǎng)自動(dòng)化革命的熱潮。為使配電帶電作業(yè)更加安全高效又避免墜落等事故，九州電力株式會(huì)社（KEPCP）與安川機(jī)器人公司于1984年開(kāi)展合作，研究配電帶電作業(yè)機(jī)器人。迄今為止，日本已成為當(dāng)今配電帶電作業(yè)機(jī)器人開(kāi)展最早、成果最為豐富、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最廣泛的國(guó)家。其主要經(jīng)歷了3個(gè)階段：1

）第一階段（1984—1989年）：第一代機(jī)器人—手動(dòng)操作機(jī)器人PhaseI，采用主從控制。

2）第二階段（1990—1997年）：第二代機(jī)器人—半自動(dòng)機(jī)器人PhaseII。

3）第三階段（1997年至今）：第三代機(jī)器人—全自主機(jī)器人PhaseIII。

表1給出了3代機(jī)器人的基本概況。第一代機(jī)器人以手動(dòng)方式進(jìn)行作業(yè)，采用兩個(gè)自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)方式主要采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種方式，如圖2所示。作業(yè)人員在高空絕緣斗內(nèi)進(jìn)行操作，同時(shí)觀察工作進(jìn)展情況。該機(jī)器人參加作業(yè)工作時(shí)需至少3名工作人員，其中一人位于高空近距離控制機(jī)械手，另一人在地面通過(guò)遙控配合控制。最后，還需配備一名安全監(jiān)督員。第二代機(jī)器人在第一代的基礎(chǔ)上增加了視覺(jué)定位系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)，工具自主更換，人機(jī)交互及語(yǔ)音識(shí)別功能，提高作業(yè)人員效率，因此稱(chēng)為半自動(dòng)化的帶電作業(yè)機(jī)器人，如圖3所示。通過(guò)機(jī)器人本體上安裝的高新攝像頭將畫(huà)面?zhèn)鞯降孛娌僮魇遥ぷ魅藛T在地面對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，避免了直接接觸電壓、高空跌落等危險(xiǎn)。另外，在人員配備方面需至少2名工作人員。一名位于地面控制室內(nèi)通過(guò)主控顯示器操控機(jī)械手，另一名擔(dān)任安全監(jiān)督員。第三代以全自動(dòng)的方式進(jìn)行作業(yè)，取消了控制室，僅需配備1名安全監(jiān)督員在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手持終端進(jìn)行監(jiān)督即可，使作業(yè)人員完全從生產(chǎn)力中解放出來(lái)。第三代機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)形式雖和第二代差不多，但智能程度大幅提升。搭載三維視覺(jué)系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別工作環(huán)境并通過(guò)人工智能完成判斷及操作；融合數(shù)據(jù)通信技術(shù)，立體視覺(jué)定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與模式識(shí)別技術(shù)等。做到作業(yè)前期自主定位、作業(yè)過(guò)程自主控制完成、作業(yè)結(jié)束自主檢查任務(wù)的質(zhì)量并修正?？偨Y(jié)日本機(jī)器人的發(fā)展史，其實(shí)在機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化之前，很多日本學(xué)者普遍認(rèn)為，相比于人工帶電作業(yè)，九州公司投資的作業(yè)機(jī)器人將和其他重型設(shè)備（電纜車(chē)、車(chē)載變壓器、車(chē)載發(fā)電機(jī)）一樣，因價(jià)格昂貴且維修成本高而不告而終。但事實(shí)證明，經(jīng)過(guò)幾年的常規(guī)部署，通過(guò)效益分析，帶電作業(yè)機(jī)器人帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收入逐年提高，遠(yuǎn)超預(yù)期水平，如圖4所示。截至21世紀(jì)初，日本本土已有93臺(tái)機(jī)器人在開(kāi)展帶電作業(yè)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的不同年份帶電作業(yè)事故數(shù)如圖5所示。相比于傳統(tǒng)人工作業(yè)方式，機(jī)器人的普及，使帶電作業(yè)電擊事件急劇下降，九州公司6000多名一線配電工人的安全得到的相應(yīng)保障。

2.2部分國(guó)家?guī)щ娮鳂I(yè)機(jī)器人的研發(fā)

美國(guó)于1985年著手開(kāi)始研究帶電作業(yè)機(jī)器人，其第一代產(chǎn)品采用操作人員在地面遙控的方式，單機(jī)械臂的主從控制機(jī)器人。僅裝有液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，機(jī)械性能較差。目前，美國(guó)最新一代機(jī)器人在絕緣防護(hù)水平上有所突破，支持在極端惡劣的天氣下進(jìn)行帶電作業(yè)。加拿大Hydro-Quebec研究所作業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂也是液壓驅(qū)動(dòng)的，作業(yè)形式與日本的第一代產(chǎn)品很相似，操作人員在安裝于升降機(jī)構(gòu)末端的絕緣斗內(nèi)進(jìn)行遙控操作，該機(jī)器人的絕緣等級(jí)達(dá)到25kV。法國(guó)帶電作業(yè)機(jī)器人項(xiàng)目的研究是在20世紀(jì)90年代由法國(guó)電力公司（EDF）支持進(jìn)行的，但受限于技術(shù)難題和科研經(jīng)費(fèi)有限，最終中途擱置。直到90年代末期，受到日本安川電機(jī)與九州電力株式會(huì)社的支持，歐洲綜合電機(jī)制造廠家Thomson-CSF著手開(kāi)展研究，并順利完成了機(jī)器人樣機(jī)。西班牙在參照日本第二代帶電作業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，于1994年完成各項(xiàng)研發(fā)，并可實(shí)現(xiàn)本國(guó)69kV及以下的帶電作業(yè)。該機(jī)器人安裝兩個(gè)6自由度機(jī)械臂，并配備有3自由度的輔助臂。

3中國(guó)帶電作業(yè)機(jī)器人的研發(fā)情況

在中國(guó)，許多供電企業(yè)都充分認(rèn)識(shí)到機(jī)器人帶電作業(yè)重要性，對(duì)機(jī)器人的需求也愈發(fā)強(qiáng)烈。受限于諸多因素，中國(guó)研究起步相對(duì)較晚，才經(jīng)歷短短10多年。1999年帶電作業(yè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)首次立項(xiàng)，2002年研制出首臺(tái)自主創(chuàng)新作業(yè)機(jī)器人；2005年完成產(chǎn)品化樣機(jī)的研究，在山東濟(jì)寧和山西長(zhǎng)治通過(guò)試用，具備電壓等級(jí)10kV以下，絕緣防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)45kV，作業(yè)高度19m等作業(yè)要求。2012年，國(guó)家863計(jì)劃開(kāi)展“公共安全與救援機(jī)器人”重點(diǎn)項(xiàng)目課題，對(duì)“面向電力帶電搶修作業(yè)機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”進(jìn)行了立項(xiàng)研究。與日本相似，目前為止國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了3代機(jī)器人的研究。

1）第一代機(jī)器人通過(guò)鍵盤(pán)簡(jiǎn)單地控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，受限于技術(shù)約束，控制系統(tǒng)較為封閉，局限性大。

2）第二代機(jī)器人采用國(guó)產(chǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)主從控制，可通過(guò)鍵盤(pán)或手持終端操作，在近距離作業(yè)操作時(shí)具備完成常規(guī)簡(jiǎn)單自動(dòng)操作任務(wù)。然而受自重限制，操作難度較高。

3）第三代機(jī)器人采用進(jìn)口液壓驅(qū)動(dòng)方式，具有多級(jí)絕緣防護(hù)措施，能完成斷線、接線、更換絕緣子等作業(yè)任務(wù)，這標(biāo)志我國(guó)作業(yè)機(jī)器人已達(dá)到新高度。但該型號(hào)機(jī)械臂未安裝力反饋功能，造成作業(yè)人員無(wú)從感知作業(yè)力度并進(jìn)行合理把控，無(wú)法進(jìn)行較為精細(xì)復(fù)雜作業(yè)，且機(jī)械臂抖動(dòng)問(wèn)題也未能徹底解決。圖6所示為第三代國(guó)產(chǎn)作業(yè)機(jī)器人。

4中國(guó)帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題

近期工信部、發(fā)改委、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，引導(dǎo)中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速健康可持續(xù)發(fā)展。面對(duì)機(jī)遇與挑戰(zhàn)，借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，下一步中國(guó)帶電作業(yè)機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)以下方面的工作。

4.1強(qiáng)化機(jī)器人領(lǐng)域創(chuàng)新能力

加強(qiáng)與其他機(jī)器人共性關(guān)鍵技術(shù)研究，充分利用和整合現(xiàn)有科技資源與研發(fā)力量，組建面向電力系統(tǒng)的機(jī)器人創(chuàng)新中心，打造企業(yè)產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新載體，重點(diǎn)圍繞人工智能、感知與識(shí)別、機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)、控制與交互等方面開(kāi)展研究。同時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化國(guó)際交流合作，培養(yǎng)不停電作業(yè)機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)人才。

4.2合理控制制造成本

開(kāi)展作業(yè)機(jī)器人研發(fā)時(shí)，應(yīng)合理考慮價(jià)格影響。研發(fā)機(jī)構(gòu)在不改變?cè)泄δ芴攸c(diǎn)的情況下，通過(guò)改進(jìn)和研發(fā)新材料、新技術(shù)降低生產(chǎn)成本。只有適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，價(jià)格適中并加以實(shí)用化，帶電作業(yè)機(jī)器人才能發(fā)揮其真正的安全和效益。

4.3更可靠的絕緣安全防護(hù)

考慮到作業(yè)對(duì)象是帶電的高壓線路或設(shè)備，帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)具備即使在操作失誤或機(jī)器人發(fā)生一些故障時(shí)，也要有足夠的防護(hù)措施以保證電網(wǎng)和操作人員的絕對(duì)安全。此外，還要針對(duì)不同惡劣氣候，如潮濕、暴雨等情況時(shí)，其絕緣防護(hù)水平也不被破壞，或者造成隱患。

4.4作業(yè)工具系列化

帶電作業(yè)任務(wù)普遍存在作業(yè)種類(lèi)多、作業(yè)對(duì)象多變等特點(diǎn)。因此，應(yīng)積極開(kāi)展帶電作業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)工器具的研究，設(shè)計(jì)出適合機(jī)器人攜帶，便于完成相應(yīng)動(dòng)作的系列作業(yè)工具。使得更換機(jī)械臂末端的終端專(zhuān)業(yè)工器具具備快換功能、可轉(zhuǎn)變作業(yè)任務(wù)，做到一機(jī)多用。從而提高使用效率，減低使用成本，滿(mǎn)足機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求。

4.5加強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

現(xiàn)階段沒(méi)有明確、統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)研究制定帶電作業(yè)機(jī)器人的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如機(jī)器人通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)器人本體電磁兼容要求和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)等，以利于帶電作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。此外，應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)一支具備高水平作業(yè)技術(shù)的骨干人才隊(duì)伍，突破機(jī)器人通用控制軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。運(yùn)用現(xiàn)代虛擬技術(shù)，模擬真實(shí)場(chǎng)景，開(kāi)展仿真培訓(xùn)，提高從業(yè)人員技能。

5結(jié)語(yǔ)

配電帶電作業(yè)是當(dāng)前提高供電可靠性的最有效、最直接的方法，發(fā)展帶電作業(yè)機(jī)器人成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。“十三五”期間將是中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，把握國(guó)際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，汲取他國(guó)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)具有中國(guó)特色的作業(yè)機(jī)器人發(fā)展成為下一步開(kāi)展不停電作業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)。向科技要效率，改善作業(yè)人員工作環(huán)境，提高供電可靠性，配電帶電作業(yè)機(jī)器人取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式將成為一種必然。

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作者:李天友 黃超藝 蔡俊宇 單位:國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 國(guó)網(wǎng)泉州供電公司 國(guó)網(wǎng)廈門(mén)供電公司