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作者：

中國科學院自動化研究所 李實

國網徐州供電公司 劉波

中國科學院自動化研究所 韓剛，邱育東，張文生

摘要：我國電力系統配電網目前主要采用人工帶電作業方式進行系統的搶修及日常維護。帶電作業時操作工人處于高電壓、強電場的環境中，容易引發人身傷亡事故。研發帶電作業機器人，來替代工人進行配電網帶電作業是技術發展的必然方向。本文在詳細介紹國內外帶電作業機器人研發歷程的基礎上，分析對比了當前帶電作業機器人的技術優勢及存在的問題，并設計提出了新的技術發展路線。對后續的帶電作業機器人研發具有借鑒意義。

關鍵詞：帶電作業機器人；帶電作業；電力系統配電網

1　前言

隨著我國經濟和電網建設的飛速發展，經濟建設和人民生活對電力的依賴程度越來越高，社會對停電的承受能力越來越差。如何加強日常維護，防患于未然，以及出現問題時及時搶修，成為亟待解決的問題。停電進行日常維護檢修是最安全可靠的方式，但對工業和居民生活質量的影響巨大。帶電作業是解決這一問題的重要手段之一，在高壓電器設備上進行不停電檢修、部件更換或測試，一直為世界各國所重視。到目前為止，我國的帶電作業方式為絕緣桿法與絕緣手套法的人工帶電作業，還不能滿足日益提高的系統可靠性要求，也容易引發人身傷亡事故。

隨著社會經濟和科技的發展，生產自動化水平不斷提高，機器人在現代生產生活中的地位越來越重要，特別是在一些危險系數高、勞動強度大的領域，替代人類完成危險任務，是機器人技術發展的方向。為了避免人工帶電作業中事故的發生，使帶電作業更加安全，同時提高作業效率，采用機器人代替人工進行作業已經迫在眉睫，也符合時代發展的要求。

2　國內外帶電作業機器人研究現狀

2.1　國外研究情況

日本基本上是世界上最早開始進行帶電作業機器人方面研究的國家之一[1]。九州電力公司開發的斗內操作帶電作業機器人“Phase I”于1984年開始研制，定型設計完成于1989年，一個斗內的操作者通過主從操作進行帶電作業。地面操作型機器人“"PhaseII”于1993年底開發出了四種類型的機器，作業人員可以在地面的作業倉中遠程進行配網帶電作業[2]。之后又進行了全自動的帶電作業機器人“PhaseIII”的開發。

圖1 九州電力開發的電動和液壓機器人

圖2 九州電力的地面操作配電帶電作業機器人

法國在1990年開始帶電作業機器人的研究，于1992年委托加拿大魁北克開始樣機的試制，但應用效果不理想，因此法國不建議在帶電作業中應用該機器人。

圖3 法國遙控帶電作業機器人樣機

西班牙也于上世紀九十年代開展帶電作業機器人的研制，采用主從機器人遙操作模式，取得了一定的成果。

圖4 西班牙配網帶電作業機器人

美國也是開展帶電作業機器人研制工作比較早的國家，很多科技公司參與其中，研發了多個系列的機器人系統。比較有代表性的是PG&E公司開發的配電帶電作業機器人和Iberdrola的機器人“ROBTET”用于完成49kV以下電壓等級的配電網檢修作業，取得了不錯的效果。機器人主要采用遙操作模式，操作員在地面根據目測和機器臂末端攝像頭提供圖像，來進行遙操作。

圖5 美國的兩種配電帶電作業機器人

近年來帶電作業機器臂在美國輸配電帶電作業中得到越來越廣泛應用，即使那些作業間隙距離不滿足要求的條件下也可以開展作業。

2.2　國內研究機構的研究情況

鑒于帶電搶修作業需求的迫切性，我國科技部和電力相關部門一直積極推動我國自主產權的帶電作業機器人研制工作。從上世紀90年代末開始，我國的一些高等院校和研究機構陸續開始了帶電作業機器人的研究，并研制出了多種帶電作業機器人樣機。1999年，山東電力研究院在國家電力公司的科研項目支持下，與山東魯能智能技術有限公司一起研究帶電作業機器人[3]。至2012年，先后研制了三代樣機，全部為雙機械臂作業，用于10kV及以下的配電網絡。

圖6 國內研制的三代帶電作業機器人系統

國內目前的主從式機器人主體結構主要由國外引進，自主改進的方式，一直沒有真正實現自主發明，沒有解決國際上帶電作業機器人系統小型化、實用化、操作簡單化、圖像處理增強化的問題，整體的實用性還有欠缺，同時這也是需要去突破的關鍵技術點，真正將帶電作業機器人推向實用化。

3　帶電作業機器人應用存在的問題

雖然自上世紀九十年代開始，歐美日等發達國家就開始了帶電作業機器人的研制工作，但是在實用化方面，一直沒有取得實質性進展。目前國內外研究的帶電作業機器人系統還存在很多問題，限制了帶電機器人真正投入系統使用。目前只有日本帶電作業機器人進入實用階段，其他國家仍然處于研制階段。我國的相關研究工作因為起步較晚，也處于研制階段。總結起來，當前帶電作業機器人系統存在的問題主要包括：

（1）對于采用操作員處于絕緣斗臂車的絕緣斗內進行操作的模式，也就是機器臂直接安裝在絕緣斗外側，操作員隨絕緣斗運行在空中，直接在作業現場控制機器臂完成帶電作業。主要存在的問題包括：一是操作員仍然處于電力線附近進行操作，存在觸電風險；二是對我國而言，目前絕緣斗臂材料我國還無法自行生產，需要從日本等發達國家進口，導致絕緣斗臂車價格昂貴，大面積應用的代價巨大；另外，對于絕緣斗臂車無法駛入的環境，帶電作業仍然需要工人爬桿來進行，危險性高。

（2）對于操作員在地面進行遙操作，機器臂隨高空云臺升入作業現場進行帶電作業的模式，目前主要存在的問題是提供給操作員的現場信息不充分，通過攝像頭獲取的現場信息通過監控屏幕顯示，會丟失大量三維信息，操作員很難通過屏幕，準確知曉操作現場所有電纜之間的位置關系，特別是機器臂操作時，存在一定的遮擋關系，導致操作員無法看到真實現場情況，給遙控操作帶來很大挑戰。

4　結語

配電網帶電作業機器人作為電力系統的硬需求，替代人工帶電作業，具有廣泛應用價值。雖然研發時間已經超過三十年，但當前的機器人系統仍然距離期望目標有一定差距。但是隨著機器人技術的發展，包括：柔性機器臂、虛擬現實、增強現實等新技術的快速發展，帶電作業機器人系統帶來了新的技術手段。相信在不遠的將來，帶電作業機器人就能真正替代工人完成帶電作業任務。

作者簡介：

李實（1974-），男，遼寧沈陽人，博士，現就職于中國科學院自動化研究所，主要研究領域為智能控制與智能機器人。

劉波（1983-），男，江蘇徐州人，工程師，學士，現就職于國網徐州供電公司，主要研究領域為城市配電。

韓剛（1980-），男，陜西扶風人，副研究員，博士，現就職于中國科學院自動化研究所，主要研究領域為機器智能、深度學習、計算機視覺、嵌入式系統等。

邱育東（1961-），男，福建龍巖人，高級工程師，學士，現就職于中國科學院自動化研究所，主要研究領域為計算機控制與信號檢測。

張文生（1965-），男，河南鄭州人，研究員，博士，現就職于中國科學院自動化研究所，主要研究領域為人工智能、智能機器人等。

參考文獻：

[1] Sawada J, Kusumoto K, Maikawa Y, et al. A Mobile Robot for Inspection of Power Transmission Lines[J]. IEEE Trans on Power Delibery, 1991, 6 ( 1 ) : 309 - 315.

[2] Nakashima M, Yano K, Maruyama Y, et al. The Hot Line Work Robot Sytem "Phase II" and Its Human-robot Interface "Mos"[J]. In: Proc of the IEEE/RSJ Inter Conf on Intelligent Robots and Systems, Vol 2. 1995, 116 - 123.

[3] 魯守銀, 馬培蓀, 戚暉, 歷秉強. 高電壓帶電作業機器人的研制[J]. 電力系統自動化, 2003, 27 ( 17 ) : 56 - 58.

摘自《自動化博覽》2018年3月刊