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配电带电作业机器人发展浅析

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《供用电杂志》2016年第11期

摘要:

采用带电作业机器人代替人工作业,可有效避免高电压、强电场伤害,大幅提高作业工效。与发达国家相比,国内在该领域研究起步较晚,因此借鉴国外经验,探讨和加快中国带电作业机器人的研发与应用,有着重要而现实的意义。文章概述了配电带电作业机器人的基本结构及主要功效,介绍了国内外带电作业机器人的发展历程、研发与应用情况,提出了中国下阶段配电带电作业机器人的研发与应用的重点方向。

关键词:

带电作业;机器人;配电网;先进技术

0引言

随着机械、电子、计算机、传感器、人工智能及仿生学等尖端领域技术的发展,机器人在各行各业得到日益广泛的应用,如工业机器人、教育机器人、家政机器人、军用机器人等。其中,在电力领域的主要应用有:在输电领域以一定速度沿输电线爬行,利用携带的传感仪器实现线路定期巡检的巡线机器人及利用附加除冰机构,自动清除输电线路覆冰,减少断线事故的除冰机器人。在变电领域,以自主或遥控方式对变电站内一次设备进行巡检,及时发现设备热缺陷和其他异常的变电站智能巡检机器人。在配电领域,完成对隧道内温度、烟雾、有毒气体等环境信息检测的电缆管道巡检机器人。与上述电力领域机器人已进入实用化进程相比,中国配电带电作业机器人起步于1999年的山东电网,目前应用面与实用化都很有限,与国外发达国家存在明显差距。因此,结合中国国情,学习国外先进技术并加以借鉴和完善,努力打造具有中国特色的带电作业机器人产业,对于推动配电作业自动化技术发展,实现中国制造2025的宏伟蓝图具有积极意义。

1作业机器人简介

1.1基本结构

作业机器人从整体结构上主要有两种形式:一种是操作人员在高空绝缘斗内,以控制手柄或主手控制器为媒介,对机器人进行高空作业控制的形式;另一种是操作人员位于地面控制室,通过高空机器人视觉系统完成遥控的形式,如图1所示。操作人员在高空进行遥控,以绝缘斗为保护装置,直观明了观察作业进展,减少操作难度,提高了作业效率,但未能使操作人员完全脱离电磁辐射和高空作业的危险;采用第二种作业方式,即操作人员在地面控制室,虽不能直接近距离观察作业对象,影响作业效率,但该种方式下操作人员远离高压线,可避免高空跌落事故发生。虽然两种机器人作业方式有所差异,但基本结构大体相同,均由以下部分构成:机器人作业平台(机器人本体、机械臂绝缘子支撑)、工作平台(绝缘斗/地面控制室)、折叠与伸缩绝缘壁、控制装置、移动卡车等。

1.2主要功效

作业机器人的基本结构和功能决定了它具有如下功效:

1)改善作业环境:由于采用间接作业法,危险性降低,减少了触电、高空坠落等危险事故的发生,使作业人员生命安全得到更有效的保障。

2)提升作业效率:通过机器人进行作业,工作人员数量减少,效率大幅提高,人工成本降低;同时作业面和作业频次也可大幅提高。

3)降低作业难度:相比于人工作业时需合理把握精度要求、做到谨慎、仔细完成任务,使用作业机器人解放了作业人员,由机器人自主完成操作,作业难度大幅降低。

4)提高作业质量:采用机器人进行作业,控制力度合理、作业质量显著提升。

5)提升客户满意度:停电事故减少,供电可靠性提升。

2国外发展历程

早在20世纪80年代开始,日本、美国、加拿大、法国等许多国家就先后开展作业机器人的研究开发与应用。

2.1日本带电作业机器人

20世纪80年代初,日本政府人口普查结果预示未来人口将逐步老龄化,劳动力不足日趋严峻。由此,日本掀起了一场自动化革命的热潮。为使配电带电作业更加安全高效又避免坠落等事故,九州电力株式会社(KEPCP)与安川机器人公司于1984年开展合作,研究配电带电作业机器人。迄今为止,日本已成为当今配电带电作业机器人开展最早、成果最为丰富、产业化应用最广泛的国家。其主要经历了3个阶段:1

)第一阶段(1984—1989年):第一代机器人—手动操作机器人PhaseI,采用主从控制。

2)第二阶段(1990—1997年):第二代机器人—半自动机器人PhaseII。

3)第三阶段(1997年至今):第三代机器人—全自主机器人PhaseIII。

表1给出了3代机器人的基本概况。第一代机器人以手动方式进行作业,采用两个自由度机械臂设计,驱动方式主要采用电机驱动和液压驱动两种方式,如图2所示。作业人员在高空绝缘斗内进行操作,同时观察工作进展情况。该机器人参加作业工作时需至少3名工作人员,其中一人位于高空近距离控制机械手,另一人在地面通过遥控配合控制。最后,还需配备一名安全监督员。第二代机器人在第一代的基础上增加了视觉定位系统、激光测距系统,工具自主更换,人机交互及语音识别功能,提高作业人员效率,因此称为半自动化的带电作业机器人,如图3所示。通过机器人本体上安装的高新摄像头将画面传到地面操作室,工作人员在地面对机器人进行远程操作,避免了直接接触电压、高空跌落等危险。另外,在人员配备方面需至少2名工作人员。一名位于地面控制室内通过主控显示器操控机械手,另一名担任安全监督员。第三代以全自动的方式进行作业,取消了控制室,仅需配备1名安全监督员在作业现场通过手持终端进行监督即可,使作业人员完全从生产力中解放出来。第三代机器人本体结构形式虽和第二代差不多,但智能程度大幅提升。搭载三维视觉系统,自动识别工作环境并通过人工智能完成判断及操作;融合数据通信技术,立体视觉定位技术、计算机控制技术与模式识别技术等。做到作业前期自主定位、作业过程自主控制完成、作业结束自主检查任务的质量并修正。总结日本机器人的发展史,其实在机器人进入实用化之前,很多日本学者普遍认为,相比于人工带电作业,九州公司投资的作业机器人将和其他重型设备(电缆车、车载变压器、车载发电机)一样,因价格昂贵且维修成本高而不告而终。但事实证明,经过几年的常规部署,通过效益分析,带电作业机器人带来的经济收入逐年提高,远超预期水平,如图4所示。截至21世纪初,日本本土已有93台机器人在开展带电作业,根据历史数据统计的不同年份带电作业事故数如图5所示。相比于传统人工作业方式,机器人的普及,使带电作业电击事件急剧下降,九州公司6000多名一线配电工人的安全得到的相应保障。

2.2部分国家带电作业机器人的研发

美国于1985年着手开始研究带电作业机器人,其第一代产品采用操作人员在地面遥控的方式,单机械臂的主从控制机器人。仅装有液压驱动的机械臂,机械性能较差。目前,美国最新一代机器人在绝缘防护水平上有所突破,支持在极端恶劣的天气下进行带电作业。加拿大Hydro-Quebec研究所作业机器人机械臂也是液压驱动的,作业形式与日本的第一代产品很相似,操作人员在安装于升降机构末端的绝缘斗内进行遥控操作,该机器人的绝缘等级达到25kV。法国带电作业机器人项目的研究是在20世纪90年代由法国电力公司(EDF)支持进行的,但受限于技术难题和科研经费有限,最终中途搁置。直到90年代末期,受到日本安川电机与九州电力株式会社的支持,欧洲综合电机制造厂家Thomson-CSF着手开展研究,并顺利完成了机器人样机。西班牙在参照日本第二代带电作业机器人的基础上,于1994年完成各项研发,并可实现本国69kV及以下的带电作业。该机器人安装两个6自由度机械臂,并配备有3自由度的辅助臂。

3中国带电作业机器人的研发情况

在中国,许多供电企业都充分认识到机器人带电作业重要性,对机器人的需求也愈发强烈。受限于诸多因素,中国研究起步相对较晚,才经历短短10多年。1999年带电作业机器人在国内首次立项,2002年研制出首台自主创新作业机器人;2005年完成产品化样机的研究,在山东济宁和山西长治通过试用,具备电压等级10kV以下,绝缘防护标准45kV,作业高度19m等作业要求。2012年,国家863计划开展“公共安全与救援机器人”重点项目课题,对“面向电力带电抢修作业机器人研究开发与应用”进行了立项研究。与日本相似,目前为止国内已开展了3代机器人的研究。

1)第一代机器人通过键盘简单地控制机械臂运动,受限于技术约束,控制系统较为封闭,局限性大。

2)第二代机器人采用国产电机驱动方式,实现主从控制,可通过键盘或手持终端操作,在近距离作业操作时具备完成常规简单自动操作任务。然而受自重限制,操作难度较高。

3)第三代机器人采用进口液压驱动方式,具有多级绝缘防护措施,能完成断线、接线、更换绝缘子等作业任务,这标志我国作业机器人已达到新高度。但该型号机械臂未安装力反馈功能,造成作业人员无从感知作业力度并进行合理把控,无法进行较为精细复杂作业,且机械臂抖动问题也未能彻底解决。图6所示为第三代国产作业机器人。

4中国带电作业机器人应重点考虑的问题

近期工信部、发改委、财政部联合印发《机器人产业“十三五”发展规划》,引导中国机器人产业快速健康可持续发展。面对机遇与挑战,借鉴国外经验,下一步中国带电作业机器人的研发与应用应重点加强以下方面的工作。

4.1强化机器人领域创新能力

加强与其他机器人共性关键技术研究,充分利用和整合现有科技资源与研发力量,组建面向电力系统的机器人创新中心,打造企业产学研用紧密结合的协同创新载体,重点围绕人工智能、感知与识别、机构与驱动、控制与交互等方面开展研究。同时,应强化国际交流合作,培养不停电作业机器人研发设计人才。

4.2合理控制制造成本

开展作业机器人研发时,应合理考虑价格影响。研发机构在不改变原有功能特点的情况下,通过改进和研发新材料、新技术降低生产成本。只有适应于现场作业,价格适中并加以实用化,带电作业机器人才能发挥其真正的安全和效益。

4.3更可靠的绝缘安全防护

考虑到作业对象是带电的高压线路或设备,带电作业机器人应具备即使在操作失误或机器人发生一些故障时,也要有足够的防护措施以保证电网和操作人员的绝对安全。此外,还要针对不同恶劣气候,如潮湿、暴雨等情况时,其绝缘防护水平也不被破坏,或者造成隐患。

4.4作业工具系列化

带电作业任务普遍存在作业种类多、作业对象多变等特点。因此,应积极开展带电作业机器人专业工器具的研究,设计出适合机器人携带,便于完成相应动作的系列作业工具。使得更换机械臂末端的终端专业工器具具备快换功能、可转变作业任务,做到一机多用。从而提高使用效率,减低使用成本,满足机器人产业应用需求。

4.5加强机器人技术标准体系建设

现阶段没有明确、统一的技术标准。因此,应研究制定带电作业机器人的技术标准,如机器人通用技术标准、机器人本体电磁兼容要求和试验方法标准等,以利于带电作业机器人的发展。此外,应重点培养一支具备高水平作业技术的骨干人才队伍,突破机器人通用控制软件平台,实现良好的人机交互。运用现代虚拟技术,模拟真实场景,开展仿真培训,提高从业人员技能。

5结语

配电带电作业是当前提高供电可靠性的最有效、最直接的方法,发展带电作业机器人成为各国研究的热点。“十三五”期间将是中国机器人产业发展的关键时期,把握国际机器人产业发展趋势,汲取他国先进经验,促进具有中国特色的作业机器人发展成为下一步开展不停电作业的研发重点。向科技要效率,改善作业人员工作环境,提高供电可靠性,配电带电作业机器人取代传统的人工作业方式将成为一种必然。

参考文献:

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作者:李天友 黄超艺 蔡俊宇 单位:国网福建省电力有限公司 国网泉州供电公司 国网厦门供电公司

供用电杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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