成 健 胡力廣 詹威鵬 陳騰彪 孫 風(fēng)

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳市深鵬達(dá)電網(wǎng)科技有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)越來越多地替代傳統(tǒng)的人檢和物防工作，在減少人們的生命安全隱患的同時(shí)，還能有效提升工作效率。機(jī)器人在電力行業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍，自20 世紀(jì)80 年代以來，許多城市逐漸采用地下電纜隧道取代傳統(tǒng)的架空線路方式，因而使用電纜隧道巡檢機(jī)器人將大大節(jié)省電力公司的人力、物力和財(cái)力，更重要的是，它可以大大減少電纜隧道的惡劣環(huán)境對檢測人員的傷害。

美國是最早研制出電纜隧道檢測機(jī)器人的國家。2005年，華盛頓大學(xué)的Bing Jiang 開發(fā)了一套名為Rangers 的地下電纜檢測機(jī)器人[1]。機(jī)器人兩端裝有2 個(gè)12 V 直流齒輪電機(jī)，采用單平臺多節(jié)模塊設(shè)計(jì)，因而具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向能力。此外，由于采用多分段結(jié)構(gòu)，機(jī)器人可以攜帶更多的傳感器。機(jī)器人平臺分為2 個(gè)部分，分別用于機(jī)器人的控制和傳感器的數(shù)據(jù)處理。該機(jī)器人長1.2 m，可沿直徑4 cm～8 cm 的電纜行走，跨越沿途遇到的障礙物，沿電纜爬行并識別故障位置[2-3]。

在我國，由于對機(jī)器人的研究和開發(fā)越來越重視，一些高校和科研院所在隧道機(jī)器人研究方面取得了一定的成果。上海交通大學(xué)研發(fā)了一款索道履帶機(jī)器人，除了配備紅外溫度傳感器外，還有各種類型的氣體傳感器。該機(jī)器人通過收集和處理這些設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)了解電纜隧道中有毒氣體的濃度，并檢測電纜是否損壞。

2012 年，浙江大學(xué)研發(fā)了一款電纜隧道巡邏機(jī)器人。該機(jī)器人具有自主檢測、應(yīng)急處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，可連續(xù)工作3.5 h。此外，它還配備了紅外攝像機(jī)和溫度、氣體傳感器以及其他感應(yīng)器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測隧道內(nèi)的異常情況、溫度和有害氣體，并將隧道內(nèi)的情況實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)測中心。因此，機(jī)器人可以代替人工巡檢，有效減少人員傷亡，極大地提高了電纜隧道巡檢的效率。

履帶式機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、越障性能好等優(yōu)點(diǎn)，在電纜隧道檢測方面具有巨大的應(yīng)用潛力。此外，可變式履帶移動(dòng)機(jī)器人的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了履帶式移動(dòng)機(jī)器人對于地面環(huán)境的適應(yīng)能力。如果可變式履帶移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合自動(dòng)適應(yīng)機(jī)制以改變履帶體的形狀，就可以有效地簡化結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)并降低能耗。此外，如果系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，拆卸和維修的難度將會大大降低。

結(jié)合以上分析，在分析電纜隧道環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，該文設(shè)計(jì)了一款履帶式電纜隧道巡檢機(jī)器人，其具有3 個(gè)特征。1）機(jī)器人動(dòng)作靈活，爬坡避障能力強(qiáng)。在高溫、有毒有害氣體和其他對人身安全構(gòu)成威脅的環(huán)境下，該機(jī)器人仍然能正常巡檢并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測中心。2）機(jī)器人小巧、緊湊且質(zhì)量輕，便于攜帶和投放工作，同時(shí)涉水及防水性能優(yōu)異[4]。3）機(jī)器人能夠采集溫度和有害氣體濃度信息，通過超聲波測距并將這些信息及時(shí)傳回控制臺。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人由履帶式底盤、機(jī)械臂和攝像機(jī)鏡頭組成。機(jī)器人本體采用履帶輪臂結(jié)構(gòu)。履帶式車輪臂結(jié)構(gòu)是將車輪運(yùn)動(dòng)模式、行走模式和軌跡模式相結(jié)合的一種新方式。巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

采用輪臂式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人兼有輪式、行走式和履帶式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)爬樓梯、過溝、越障、轉(zhuǎn)向等功能，因而巡檢機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下具有很強(qiáng)的可操作性，二自由度的機(jī)械臂負(fù)責(zé)相機(jī)平移和傾斜的升降?？梢愿┭鲂D(zhuǎn)，負(fù)責(zé)收集、監(jiān)控路徑。其具體規(guī)格見表1。

表1 巡檢機(jī)器人規(guī)格參數(shù)

輪臂結(jié)構(gòu)采用的結(jié)構(gòu)控制方式為4 個(gè)輪臂分成2 組，前2 個(gè)輪臂是第一組，后2 個(gè)輪臂是第二組，每個(gè)輪臂的運(yùn)動(dòng)方式一致且互不干擾。4 個(gè)軌道也分成2 組，左邊2 個(gè)軌道是第一組，右邊2 個(gè)軌道是第二組，每個(gè)軌道固定不變且互不干擾。結(jié)構(gòu)控制方式使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更穩(wěn)定且更靈活。

履帶結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了巡檢機(jī)器人的越障能力。巡檢機(jī)器人可以順利翻越小型障礙物，通過人為操控還可以翻越大型障礙物。此外，履帶可以增加摩擦力，使巡檢機(jī)器人獲得更大的驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而提高了復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力[5-6]。履帶結(jié)構(gòu)由主動(dòng)輪、履帶和托輥組成，采用內(nèi)齒輪傳遞。與傳統(tǒng)履帶底盤相比，簡單履帶底盤具有更強(qiáng)的角度和臺階高度的適應(yīng)性，行走過程更加平穩(wěn)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電纜隧道環(huán)境對巡檢機(jī)器人的要求主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面。1）巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境中存在大量的未知因素，控制系統(tǒng)必須能夠獲取可靠的定位信息，對局部環(huán)境進(jìn)行有效識別，從而高效執(zhí)行動(dòng)作規(guī)劃。2）控制系統(tǒng)需要對傳感器信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，特別是圖像信息，需要對信息進(jìn)行充分融合。巡檢機(jī)器人的工作示意圖如圖2 所示。

圖2 巡檢機(jī)器人工作示意圖

機(jī)器人控制系統(tǒng)由3 個(gè)單片機(jī)處理終端組成，分別為MCU1、MCU2 和MCU3。MCU1 使用SPI 標(biāo)準(zhǔn)串口連接PTR8000 全雙工無線通信系統(tǒng)，使其能夠與上位機(jī)通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。MCU2 主要控制四通動(dòng)力電機(jī)和三維旋轉(zhuǎn)平臺。MCU3 連接溫度傳感器、超聲波測距傳感器和氣體探測器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并上傳到MCU1。MCU3 控制圖像采集和處理系統(tǒng)，其信號通過2.4G 微波發(fā)射器上傳到上位機(jī)。機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

為了探測電纜隧道的環(huán)境條件，巡檢機(jī)器人配備了各種傳感器。

2.1 溫度傳感器

機(jī)器人借助非接觸式紅外測溫技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地測量出機(jī)器人表面的溫度，也可用于測量發(fā)熱物、危險(xiǎn)品或難接觸物的溫度。

2.2 姿態(tài)傳感器

機(jī)器人利用傳感器來監(jiān)測車輪臂的旋轉(zhuǎn)角度，將磁化后的圓柱形磁鐵放在齒輪箱的一級輪上，借助霍爾傳感器檢測出齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)。單片機(jī)記錄從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為臂角信息，使其能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制。

2.3 氣體探測器

選擇合適的傳感器作為氣體探測器，保證該探測器對于二氧化碳和甲烷具有很高的靈敏度，且待機(jī)時(shí)間長、穩(wěn)定性好。

2.4 攝像機(jī)

無線紅外攝像機(jī)借由2 個(gè)獨(dú)立馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)2 個(gè)自由度——旋轉(zhuǎn)和俯仰。旋轉(zhuǎn)角度0°～350°，俯仰+350°（相機(jī)在0°之上），導(dǎo)航錄像帶可以用來收集圖像。機(jī)器人的攝像機(jī)采用2.4G 無線發(fā)射機(jī)超微CCD 芯片，具有優(yōu)異的信號穩(wěn)定性和圖像抗干擾性能。此外，使用UTV330+TV 盒子來接收無線攝像機(jī)傳輸?shù)膱D像信號。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用驅(qū)動(dòng)電路控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)校正，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)方案為使用高功率晶體管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，采用繼電器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。該方案能耗低，高效簡便并且實(shí)用。

2.6 舵機(jī)控制

操舵裝置由直流電機(jī)、減速齒輪裝置、傳感器以及控制電路組成，用來控制角度和方位，其通過發(fā)送脈沖信號來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和輸出轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，輸出軸上的電位計(jì)探測輸出軸的轉(zhuǎn)角并且將其轉(zhuǎn)換成電信號，通過比較該電信號和輸入軸的轉(zhuǎn)角信號來控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)反饋。伺服驅(qū)動(dòng)模組采用高功率MOS 管作為動(dòng)力元件，驅(qū)動(dòng)模塊采用PWM 方式進(jìn)行直流電機(jī)的速度控制。

3 實(shí)驗(yàn)

在南方電網(wǎng)示范工程隧道，對機(jī)器人進(jìn)行了行走實(shí)驗(yàn)， 將巡檢機(jī)器人放置于隧道的入口處，進(jìn)行上電并建立起無線通信連接，發(fā)出指令之后控制機(jī)器人運(yùn)行。在巡檢機(jī)器人沿隧道行走的過程中，使用微型紅外攝像頭以及紅外測距傳感器對前方障礙情況進(jìn)行檢測，如果情況需要，還應(yīng)通過云臺轉(zhuǎn)動(dòng)的方式對拍攝角度進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有以下3 個(gè)。1）在遙操作模式下，機(jī)器人順利通過隧道，未出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，耗時(shí)約42 min。2）自主行走時(shí)，機(jī)器人可以順利行進(jìn)300 m，未出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，耗時(shí)約15 min。3）機(jī)器人能夠順利自主爬越高88 mm 的門檻，無故障。

4 結(jié)語

該文基于現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種微型電纜隧道巡檢機(jī)器人，介紹了其主要功能、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，履帶輪臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能更優(yōu)異，使其更適用于諸如電纜隧道的復(fù)雜環(huán)境。在控制系統(tǒng)方面，控制電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，微型巡檢機(jī)器人能夠滿足電纜隧道環(huán)境的工作要求。

圖3 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖