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《供用電雜志》2016年第11期

摘要：

采用帶電作業機器人代替人工作業，可有效避免高電壓、強電場傷害，大幅提高作業工效。與發達國家相比，國內在該領域研究起步較晚，因此借鑒國外經驗，探討和加快中國帶電作業機器人的研發與應用，有著重要而現實的意義。文章概述了配電帶電作業機器人的基本結構及主要功效，介紹了國內外帶電作業機器人的發展歷程、研發與應用情況，提出了中國下階段配電帶電作業機器人的研發與應用的重點方向。

關鍵詞：

帶電作業；機器人；配電網；先進技術

0引言

隨著機械、電子、計算機、傳感器、人工智能及仿生學等尖端領域技術的發展，機器人在各行各業得到日益廣泛的應用，如工業機器人、教育機器人、家政機器人、軍用機器人等。其中，在電力領域的主要應用有：在輸電領域以一定速度沿輸電線爬行，利用攜帶的傳感儀器實現線路定期巡檢的巡線機器人及利用附加除冰機構，自動清除輸電線路覆冰，減少斷線事故的除冰機器人。在變電領域，以自主或遙控方式對變電站內一次設備進行巡檢，及時發現設備熱缺陷和其他異常的變電站智能巡檢機器人。在配電領域，完成對隧道內溫度、煙霧、有毒氣體等環境信息檢測的電纜管道巡檢機器人。與上述電力領域機器人已進入實用化進程相比，中國配電帶電作業機器人起步于1999年的山東電網，目前應用面與實用化都很有限，與國外發達國家存在明顯差距。因此，結合中國國情，學習國外先進技術并加以借鑒和完善，努力打造具有中國特色的帶電作業機器人產業，對于推動配電作業自動化技術發展，實現中國制造2025的宏偉藍圖具有積極意義。

1作業機器人簡介

1.1基本結構

作業機器人從整體結構上主要有兩種形式：一種是操作人員在高空絕緣斗內，以控制手柄或主手控制器為媒介，對機器人進行高空作業控制的形式；另一種是操作人員位于地面控制室，通過高空機器人視覺系統完成遙控的形式，如圖1所示。操作人員在高空進行遙控，以絕緣斗為保護裝置，直觀明了觀察作業進展，減少操作難度，提高了作業效率，但未能使操作人員完全脫離電磁輻射和高空作業的危險；采用第二種作業方式，即操作人員在地面控制室，雖不能直接近距離觀察作業對象，影響作業效率，但該種方式下操作人員遠離高壓線，可避免高空跌落事故發生。雖然兩種機器人作業方式有所差異，但基本結構大體相同，均由以下部分構成：機器人作業平臺（機器人本體、機械臂絕緣子支撐）、工作平臺（絕緣斗/地面控制室）、折疊與伸縮絕緣壁、控制裝置、移動卡車等。

1.2主要功效

作業機器人的基本結構和功能決定了它具有如下功效：

1）改善作業環境：由于采用間接作業法，危險性降低，減少了觸電、高空墜落等危險事故的發生，使作業人員生命安全得到更有效的保障。

2）提升作業效率：通過機器人進行作業，工作人員數量減少，效率大幅提高，人工成本降低；同時作業面和作業頻次也可大幅提高。

3）降低作業難度：相比于人工作業時需合理把握精度要求、做到謹慎、仔細完成任務，使用作業機器人解放了作業人員，由機器人自主完成操作，作業難度大幅降低。

4）提高作業質量：采用機器人進行作業，控制力度合理、作業質量顯著提升。

5）提升客戶滿意度：停電事故減少，供電可靠性提升。

2國外發展歷程

早在20世紀80年代開始，日本、美國、加拿大、法國等許多國家就先后開展作業機器人的研究開發與應用。

2.1日本帶電作業機器人

20世紀80年代初，日本政府人口普查結果預示未來人口將逐步老齡化，勞動力不足日趨嚴峻。由此，日本掀起了一場自動化革命的熱潮。為使配電帶電作業更加安全高效又避免墜落等事故，九州電力株式會社（KEPCP）與安川機器人公司于1984年開展合作，研究配電帶電作業機器人。迄今為止，日本已成為當今配電帶電作業機器人開展最早、成果最為豐富、產業化應用最廣泛的國家。其主要經歷了3個階段：1

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

2）第二階段（1990—1997年）：第二代機器人—半自動機器人PhaseII。

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

表1給出了3代機器人的基本概況。第一代機器人以手動方式進行作業，采用兩個自由度機械臂設計，驅動方式主要采用電機驅動和液壓驅動兩種方式，如圖2所示。作業人員在高空絕緣斗內進行操作，同時觀察工作進展情況。該機器人參加作業工作時需至少3名工作人員，其中一人位于高空近距離控制機械手，另一人在地面通過遙控配合控制。最后，還需配備一名安全監督員。第二代機器人在第一代的基礎上增加了視覺定位系統、激光測距系統，工具自主更換，人機交互及語音識別功能，提高作業人員效率，因此稱為半自動化的帶電作業機器人，如圖3所示。通過機器人本體上安裝的高新攝像頭將畫面傳到地面操作室，工作人員在地面對機器人進行遠程操作，避免了直接接觸電壓、高空跌落等危險。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通過主控顯示器操控機械手，另一名擔任安全監督員。第三代以全自動的方式進行作業，取消了控制室，僅需配備1名安全監督員在作業現場通過手持終端進行監督即可，使作業人員完全從生產力中解放出來。第三代機器人本體結構形式雖和第二代差不多，但智能程度大幅提升。搭載三維視覺系統，自動識別工作環境并通過人工智能完成判斷及操作；融合數據通信技術，立體視覺定位技術、計算機控制技術與模式識別技術等。做到作業前期自主定位、作業過程自主控制完成、作業結束自主檢查任務的質量并修正。總結日本機器人的發展史，其實在機器人進入實用化之前，很多日本學者普遍認為，相比于人工帶電作業，九州公司投資的作業機器人將和其他重型設備（電纜車、車載變壓器、車載發電機）一樣，因價格昂貴且維修成本高而不告而終。但事實證明，經過幾年的常規部署，通過效益分析，帶電作業機器人帶來的經濟收入逐年提高，遠超預期水平，如圖4所示。截至21世紀初，日本本土已有93臺機器人在開展帶電作業，根據歷史數據統計的不同年份帶電作業事故數如圖5所示。相比于傳統人工作業方式，機器人的普及，使帶電作業電擊事件急劇下降，九州公司6000多名一線配電工人的安全得到的相應保障。

2.2部分國家帶電作業機器人的研發

美國于1985年著手開始研究帶電作業機器人，其第一代產品采用操作人員在地面遙控的方式，單機械臂的主從控制機器人。僅裝有液壓驅動的機械臂，機械性能較差。目前，美國最新一代機器人在絕緣防護水平上有所突破，支持在極端惡劣的天氣下進行帶電作業。加拿大Hydro-Quebec研究所作業機器人機械臂也是液壓驅動的，作業形式與日本的第一代產品很相似，操作人員在安裝于升降機構末端的絕緣斗內進行遙控操作，該機器人的絕緣等級達到25kV。法國帶電作業機器人項目的研究是在20世紀90年代由法國電力公司（EDF）支持進行的，但受限于技術難題和科研經費有限，最終中途擱置。直到90年代末期，受到日本安川電機與九州電力株式會社的支持，歐洲綜合電機制造廠家Thomson-CSF著手開展研究，并順利完成了機器人樣機。西班牙在參照日本第二代帶電作業機器人的基礎上，于1994年完成各項研發，并可實現本國69kV及以下的帶電作業。該機器人安裝兩個6自由度機械臂，并配備有3自由度的輔助臂。

3中國帶電作業機器人的研發情況

在中國，許多供電企業都充分認識到機器人帶電作業重要性，對機器人的需求也愈發強烈。受限于諸多因素，中國研究起步相對較晚，才經歷短短10多年。1999年帶電作業機器人在國內首次立項，2002年研制出首臺自主創新作業機器人；2005年完成產品化樣機的研究，在山東濟寧和山西長治通過試用，具備電壓等級10kV以下，絕緣防護標準45kV，作業高度19m等作業要求。2012年，國家863計劃開展“公共安全與救援機器人”重點項目課題，對“面向電力帶電搶修作業機器人研究開發與應用”進行了立項研究。與日本相似，目前為止國內已開展了3代機器人的研究。

1）第一代機器人通過鍵盤簡單地控制機械臂運動，受限于技術約束，控制系統較為封閉，局限性大。

2）第二代機器人采用國產電機驅動方式，實現主從控制，可通過鍵盤或手持終端操作，在近距離作業操作時具備完成常規簡單自動操作任務。然而受自重限制，操作難度較高。

3）第三代機器人采用進口液壓驅動方式，具有多級絕緣防護措施，能完成斷線、接線、更換絕緣子等作業任務，這標志我國作業機器人已達到新高度。但該型號機械臂未安裝力反饋功能，造成作業人員無從感知作業力度并進行合理把控，無法進行較為精細復雜作業，且機械臂抖動問題也未能徹底解決。圖6所示為第三代國產作業機器人。

4中國帶電作業機器人應重點考慮的問題

近期工信部、發改委、財政部聯合印發《機器人產業“十三五”發展規劃》，引導中國機器人產業快速健康可持續發展。面對機遇與挑戰，借鑒國外經驗，下一步中國帶電作業機器人的研發與應用應重點加強以下方面的工作。

4.1強化機器人領域創新能力

加強與其他機器人共性關鍵技術研究，充分利用和整合現有科技資源與研發力量，組建面向電力系統的機器人創新中心，打造企業產學研用緊密結合的協同創新載體，重點圍繞人工智能、感知與識別、機構與驅動、控制與交互等方面開展研究。同時，應強化國際交流合作，培養不停電作業機器人研發設計人才。

4.2合理控制制造成本

開展作業機器人研發時，應合理考慮價格影響。研發機構在不改變原有功能特點的情況下，通過改進和研發新材料、新技術降低生產成本。只有適應于現場作業，價格適中并加以實用化，帶電作業機器人才能發揮其真正的安全和效益。

4.3更可靠的絕緣安全防護

考慮到作業對象是帶電的高壓線路或設備，帶電作業機器人應具備即使在操作失誤或機器人發生一些故障時，也要有足夠的防護措施以保證電網和操作人員的絕對安全。此外，還要針對不同惡劣氣候，如潮濕、暴雨等情況時，其絕緣防護水平也不被破壞，或者造成隱患。

4.4作業工具系列化

帶電作業任務普遍存在作業種類多、作業對象多變等特點。因此，應積極開展帶電作業機器人專業工器具的研究，設計出適合機器人攜帶，便于完成相應動作的系列作業工具。使得更換機械臂末端的終端專業工器具具備快換功能、可轉變作業任務，做到一機多用。從而提高使用效率，減低使用成本，滿足機器人產業應用需求。

4.5加強機器人技術標準體系建設

現階段沒有明確、統一的技術標準。因此，應研究制定帶電作業機器人的技術標準，如機器人通用技術標準、機器人本體電磁兼容要求和試驗方法標準等，以利于帶電作業機器人的發展。此外，應重點培養一支具備高水平作業技術的骨干人才隊伍，突破機器人通用控制軟件平臺，實現良好的人機交互。運用現代虛擬技術，模擬真實場景，開展仿真培訓，提高從業人員技能。

5結語

配電帶電作業是當前提高供電可靠性的最有效、最直接的方法，發展帶電作業機器人成為各國研究的熱點。“十三五”期間將是中國機器人產業發展的關鍵時期，把握國際機器人產業發展趨勢，汲取他國先進經驗，促進具有中國特色的作業機器人發展成為下一步開展不停電作業的研發重點。向科技要效率，改善作業人員工作環境，提高供電可靠性，配電帶電作業機器人取代傳統的人工作業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:國網福建省電力有限公司 國網泉州供電公司 國網廈門供電公司