電纜隧道巡檢機器人機械設計探析

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摘要：近年來，巡檢機器人以其低成本、高機動性等優點在多個領域引起了廣泛關注。在電力系統中，輸電線纜入地化是大勢所趨，為了保證輸電可靠性，所建設的電纜隧道需要定期維護。然而，人類很難在電纜隧道內進行目視檢查。作為替代方案，電纜隧道巡檢機器人可以穿越隧道并收集數據進行遠程檢查。鑒于此，本文提出了一種電纜隧道巡檢機器人的機械系統設計，并通過仿真模擬，對所設計的電纜隧道巡檢機器人的作業性能進行了分析。結果表明，所設計的電纜隧道巡檢機器人機械系統能夠滿足電纜隧道巡檢要求，且通過了初步的性能測試。

關鍵詞：電纜隧道巡檢機器人；機械系統；作業性能

隨著計算機技術、AI技術、機械技術和通信技術的發展，越來越多對人類有危險的領域或需要高精度操作的領域，都在應用各種類型的機器人替代或輔助人類進行工作。其中，專門為執行已知功能而設計的機器人一直是近幾年的熱門課題。隨著我國電力系統的不斷發展，為了減少操作人員的工作量，要求電纜隧道巡檢機器人具有高度的自主性，能夠根據環境的不同特征來定位自己，只需高水平用戶命令，就可以從電纜隧道內部收集圖像進行檢查。

1電纜隧道巡檢機器人解析

許多研究論文致力于機器人的應用，例如，機器人可以代替外科醫生，或者協助腹腔鏡手術。例如，跟蹤外科工具在腹腔內的移動，并向操作者傳送圖像等。在眾多類型的機器人中，巡檢機器人屬于專門機器人。在實踐中，巡檢機器人通過測量特定的參數來檢查依賴于應用程序的基礎設施。因此，這些巡檢機器人配備了適當的測量和導航系統。根據復雜控制系統的模塊化描述，采集和通信系統是巡檢機器人監控系統不可缺少的組成部分。測量的環境參數保存在機器人板上的硬盤上。主機操作員通過通信系統控制機器人在電纜隧道內的位移。此外，機器人在檢測過程中的定位或未知環境中的自定位是一項非常重要的工作。巡檢機器人與上位機之間采用2.4ghz頻段的無線網絡進行通信和數據交換。特定模塊的控制命令和配置參數由操作機的控制臺發送給機器人。機載計算機將來自傳感器的測試數據和來自攝像頭的圖像直接發送到控制臺。在巡檢機器人中，電纜隧道巡檢機器人的主要用途是檢查電纜隧道，監測電纜隧道內的環境，包括測量溫度、壓力、濕度、噪音水平等物理參數，以及從電纜隧道傳送圖像序列。電纜隧道的典型失效是雷電、短路等激發的電纜隧道火災，這會導致上述參數的突然變化——通過對這些參數的分析，可以確定失效位置，通過存放在數據庫的攝像機的圖像序列，有助于確定故障發生的地點。因為電纜隧道巡檢機器人在電纜隧道內工作，可能會出現高振幅的干擾，無線電信號會顯著減弱。因此，電纜隧道機器人使用minpciintelpro/wireless2200bgwireless網卡(無線模塊)，最大輸出功率為1.6w(32dbm)的無線放大器連接到網卡的天線輸出。電纜隧道機器人的控制通過可編程邏輯控制器（PLC）完成，機器人的內部控制通過人機界面（HMI）完成。就編程而言，電纜隧道巡檢機器人的控制分為兩部分：第一部分，梯形邏輯的開發是根據操作順序在Indraworks工程軟件中完成；第二部分，HMI接口的開發是為了對機器人進行內部控制并易于操作，觸摸屏用作HMI，有助于選擇電纜隧道的尺寸，機器人將依據隧道尺寸調整其手臂。

2電纜隧道巡檢機器人機械系統設計

本文提出的電纜隧道巡檢機器人需要進行自動隧道檢查。機器人車輛包括機器人生產的起重臂舉升機、高精度機器人臂、先進的計算機視覺系統、3D激光掃描儀和超聲波傳感器。隧道的自動檢查需要機器人車輛和計算機視覺子系統的高級功能。機器人在地下空間和長直線路徑上的定位是一項艱巨的任務，而安裝在機器人尖端的毫米精確定位也是一項艱巨的任務。此外，支持檢查過程的2D和3D視覺任務應在惡劣和多變的照明條件，低紋理襯砌表面以及對高精度的要求下進行處理。因此，在開發電纜隧道巡檢機器人的機械系統時，必須滿足以下技術要求：（1）高精度和高速度，具體來說，必須能夠檢測三平方毫米的缺陷，且操作速度必須足夠高，以減少檢查時間；（2）為了使系統能夠在各種小批量上使用，必須在短時間內輸入、編輯和回放零件的形狀數據集數據；（3）指定缺陷的位置缺陷檢測數據應該指定機器人的位置。基于以上要求，本文所設計的電纜隧道巡檢機器人機械系統部分設計參數如表1所示。為了使電纜隧道巡檢機器人在特定尺寸的電纜隧道內移動，關鍵問題是確定巡檢機器人的行走系統。巡檢機器人的行走系統主要有履帶式和架空軌道式兩種，雖然履帶可以輕易通過斜坡，但電纜隧道非常光滑，并且很難在隧道內使用需要牽引的車輛。此外，由于隧道沒有照明，檢查天花板和墻壁可能會有困難，可能需要輔助照明設備。因此，選擇了架空軌道式行走系統。與目前的電動單軌系統不同，該行走系統具有兩個模塊：主動模塊和被動模塊，每個模塊具有三個運動配置，既是獨立決策的自主元件，也是靈活和可擴展的通信接口。此外，整個電纜隧道巡檢機器人每個模塊之間相互獨立，可以獨立拆裝。

3電纜隧道巡檢機器人作業性能分析

由于電纜隧道巡檢機器人實際應用的復雜性，必須確保對機器人的硬件配置、軟件集成以及與環境的交互進行全面的測試，以確保機器人的部署順利進行。這通常需要較長的準備時間進行實驗。因此，在電纜隧道巡檢機器人作業性能分析中，基于ROS的框架，對所設計的電纜隧道巡檢機器人進行仿真和基準測試。通過使用電纜隧道巡檢機器人模擬器Stage，在一個相當現實的環境中，在不同的場景中和以不同的團隊規模進行詳盡的測試，并通過模仿模擬的設置更快地進行作業性能實驗。仿真模擬的系統參數是根據經驗設置的，重點是實現任務分配算法。在這項工作中，以分布式策略來解決現實環境中的巡邏問題，每個自治在本地決定其行為，并使用分布式通信來適應系統的需求。盡管機器人的速度恒定且穩定，但仍會出現波動。這些振動可能會影響機器人檢查器的性能，甚至導致故障。本次設計的電纜隧道巡檢機器人機械系統，采用了兩種方法來提高對固有頻率估計誤差的魯棒性：一種是增加消除的頻率分量的數量；另一種是使頻率分量的頻率導數在估計的固有頻率處為零。上述方法均可以抑制非線性阻尼系統中的殘余振動。實驗結果表明，所設計的電纜隧道巡檢機器人可以訪問環境的每個重要方面。此外，該方法能夠擴展到任意數量的機器人，并且可以克服通信故障和機器人故障。

4結語

綜上所述，隨著我國電力系統的不斷發展，電纜隧道的數量呈現井噴式增長。在此背景下，傳統的人工巡檢已經不能滿足高速增長的電纜隧道的實際需求，以機器人代替人工成為必然趨勢。電纜隧道巡檢機器人由多個系統組成，如控制系統、機械系統等。其中，機械系統是電纜隧道巡檢機器人本體所在，是機器人能夠行走、巡檢的物質基礎。本文所設計的電纜隧道巡檢機器人機械系統，符合最初的設計目標，能夠實現電纜隧道巡檢所需，且經過仿真模擬，證明所設計的電纜隧道巡檢機器人機械系統是可行的。

作者:段錦晶 單位:天津航天中為數據系統科技有限公司