输电线路巡线机器人仿生机构研究综述

【摘 要】为实现大跨度输电架空线路对巡检机器人结构、爬坡性能以及续航能力和越障性能等方面的要求，越来越多的仿生机器人应运而生。根据生物不同的爬行方式，模仿其运动姿态特点以及生物学原理，研制出各种各样的仿生机器人。本文详细介绍了在巡检机器人越障运动和机器人运行的地线线路环境中，巡检机器人如何利用仿生机械构型沿架空线路运动。

【关键词】巡检机器人;仿生机构;运动方式;越障

中图分类号： TP242;TM755文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）14-0034-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.015

A Summary of Research on Bionic Mechanism of Transmission Line Patrol Robot

YANG Yu-xiang

（GuiZhou university，school of electrical engineering，Guiyang Guizhou 550025，China）

【Abstract】In order to realize the requirements of large-span transmission overhead lines for patrol robot structure， climbing performance，endurance and obstacle-obstacle performance，more and more bionic robots have emerged.According to different crawling methods of creatures，imitating their sports posture characteristics and biological principles，various bionic robots have been developed.By considering the characteristics of the obstacle-crossing movement of the inspection robot and the ground line environment of the robot operation，this paper introduces the mechanism configuration and movement mode of the robot in detail.

【Key words】Inspection robot;Bionic mechanism;Movement mode;Obstacle

0 引言

我國幅员辽阔，东南地区是人口密集区域，高压输电网覆盖面积大、联网程度高，相较于西北地区则地广人稀，且东西南北相距较远，不能及时保障输电线路供电安全。同时随着国家基础建设的不断投入以及国民经济的快速发展，对电的需求和饱和度越来越高，同时对电力系统输电线路安全可靠性与不间断供电的要求越来越高。由于电力输电线路和它的杆塔是完全暴露在自然条件下的，会受到材料以及机械老化、持续的张力、电气闪络等因素的影响，而导致磨损、断股、腐蚀。如果不能及时对输电线路进行检修与修复，会导致电网的大面积停电，给社会，城市，个人带来不可弥补的巨大经济损失，因此随着智能机器人的发展，输电线路特种巡检机器人应运而生。

高压线巡检机器人的活动领域为线缆，因此早期的设计方案多采用缆车式。随着仿生应用原理的实现，仿生机器人技术慢慢发展起来，人们逐渐借鉴模仿学习动物的运动方式进行设计越障机构。自然界中有许多生物可以沿着线行走，人类踩钢丝绳[1]中提出了仿照人类行走步伐的巡检机器人。它由四个曲柄滑块机构，组成两对相同的腿，每个腿都具有伸长的电缸，通过末端的脚悬挂在高压线上。通过伸缩电缸改变手臂的距离，使其越过障碍物。因此，机器人会将前后的左右两条腿同时悬挂在高压线上，以保证其稳定性。同时，该机器人只有一个行走驱动电机。还有一种是模仿猿猴攀爬树枝[2]，提出了越障臂式的仿生巡检机器人，其借鉴了长臂猿的攀爬特性设计出越障机构。

1 仿生机器人概述

仿生学，顾名思义就是模仿生物的适应大自然生存特殊本领的一门学科。通过探索生物结构和功能原理来研制新型机械和技术，或解决攻克机械方面的难题。仿生学主要是观察、研究和模拟自然界生物各种各样的适应大自然生存的独一无二本领，包括生物自身的生物结构、生存原理、运动行为及器官功能等。自然界万物历经了上亿年的优胜劣汰，经过不断进化与筛选，每种生物无论是天上飞的还是陆地海洋，都诞生了其独特的适应大自然的能力与适应环境的独一无二的结构。这些基础研究为科学技术原理提供新的设计思想、工作原理和系统架构的技术支持。

根据仿生学原理，分别参照动物的爬行动作进行原始模型的设想。在大自然中，经过千百年的进化，不同的动物根据其生活环境的不同，行为动作都有各自的特点，这种与生而来得适应本能使动物完美的适应大自然残酷的生存，并为工业生产中的机械机构设计提供了良好的参照依据。

科学家们将对自然界中生物结构和功能的研究应用于机器人，从而制造出具有生物结构和运动特性的特种机器人，如仿生机器人。仿生机器人是仿生学和机器人需求的高度深层次融合，制造了一批模拟生物形态的机器人，使人们将从大自然生物中获取的灵感并应用于实际的社会生产实践与实际生活中。

2 仿灵长类仿生巡检机器人

1988年，日本东京电力公司Sawada教授研制了架空地线巡线机器人[3]。该巡线机器人自身携带一轨道，其仿猿攀援动作的行动机理，每当巡线机器人遇到杆塔时，会展开其弧形机械臂，形成一种跨越塔杆的特殊轨道。在由其一对夹持轮和一对行走轮组成运动主体机械机构，跨越耐张悬垂、防震锤等障碍物。该机器人是早期巡线机器人的雏形。等巡线机器人主箱通过，夹持轮夹紧地线后，将弧形的导轨机械臂收起，完成一次越障动作。但是该机器人主要问题是空间体积较大且越障复杂。

1989年，美国公司TRC研发了一台仿猿攀援动作的架空线路输电线路巡线机器人，其具有两个柔性机械臂机构的悬挂式巡检机器人，它是现代巡检机器人的机构雏形[4]。当巡线机器人的探测到线路故障后，配合视觉设备检测绝缘子、电晕损耗以及压接头等线路金具的进行检测。最后，巡检机器人还携带维修装置，自助进行预处理，再将实时维修数据传送给地面工作人员。

2017年，应用仿生学技术原理，山东某大学提出了一种基于灵长类动物特征的三臂对称分布式高压输电线路仿生巡检机器人[6]，如图1。该仿生巡检机器人整体机械结构包括三部分，重心平衡臂、左右悬挂臂以及机架。其中左右悬挂臂作为越障臂，与左右悬挂臂配合越障动作，通过模仿长臂猿的攀爬运动，进行平面内的交互式攀援运动。中间臂可以解决运动过程中平衡手臂脱线时由重心产生的偏转力而矩造成身体的晃动等问题，其模仿长臂猿本身身体作为重心平衡臂，固定于机架支撑的中心部分。

2018年，从人爬树运动研究中得到启示，完成了一种新型四臂巡检机器人[5]的机构设计，如图2。每条驱动手臂设计了1个回转关节，每条伸缩手臂设计了1个移动关节和1个回转关节，4条手臂反对称布置在前后箱体上，在2个箱体之间引入了1个被动铰接盘。机器人在爬坡过程中，移动关节通过夹紧轮与线路接触，用于改变机器人受力状态，提高机器人的爬坡性能。

3 仿动物仿生巡检机器人

1989年，日本NTT公司模仿蛇类的运动方式，研制了一种仿蛇形巡检机器人[7]。该机器人由多个独立的单元组成，采用头部决策尾部的仿生控制方式，如图3所示。该机器人学习蛇类的生活习性，通过自身携带的超声波传感器来感知输电线路上的环境，实现在线路上的行动与障碍物的检测。但是，该机器人不能携带太多的设备，不能完成复杂的输电线路故障检测任务。

2013年，东北大学提出了一种仿蛇形爬行平行四边形结构的巡检机器人[8]，这种机械结构形式使用平行四边形结构代替了仿猿形伸缩臂的机构，具备了较长的机器人横向长度，保证了巡检机器人能有比较大的工作空间，便于输电线路上导线以及金具的正常工作。

4 仿生巡检机器人的发展趋势

输电线路巡检机器人作为一种新型的特种机器人，大大的解放了电力员工的工作强度与时间，成为了该领域的研究热点。随着机械技术与仿生学不断地发展，有三个值得发展和关注的趋势：

（1）多传感器融合

输电线巡检机器人随着自主巡检机器人技术的逐渐完善以及多任务多组合以及复杂的输电线路现状，一个巡检机器人必定会集成多种传感器，多种信息需要融合，通过传感器进行巡检机器人行走越障的导航与定位以及对故障的及时维护和精确诊断，真正实现巡检机器人代替电力人员对输电线路的巡检与维护工作。

（2）组合多作业模式

巡检机器人完成一个多任务的巡检必定体积大而且配重多，在电网中实际使用中是不可能的实现的。又由于巡线任务的复杂性，可以将目前的几种作业方式分别完成再进行合理的系统组合，构建一种巡检平台，实现平台的信息共享与全方位检测信息融合。

（3）物联网技术

随着智能电网系统与电力系统基础建设快速发展，保障电网的持续供电与安全是其中重要的一环，巡检机器人作为电力检修的重要部分。巡检机器人应与智能电网信息网络构成信息交流平台，实时传输故障数据信息，快速完成输电线的及时准确的维护工作。

【参考文献】

[1]Gon？觭alves R S，Carvalho J C M.A mobile robot to be applied in high-voltage power lines[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences & Engineering，2014，37（1）：1-11.

[2]Wang J，Liu X，Lu K，et al.A new bionic structure of inspection robot for high voltage transmissionline[C]// International Conference on Applied Robotics for the Power Industry.IEEE，2016：1-4.

[3]J.Sawada，K.Kusumoto，T.Munakata，Y.Maikawa，and Y.Ishikawa，A mobile robot for inspection of power transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1991，6（1），309-315.

[4]Robots repair and examine live lines in sever condition[J].Electrical W0rld，1989（5）71-72.

[5]肖時雨，王洪光，刘国伟.一种新型四臂巡检机器人机构设计与运动分析[J]西北工业大学学报2018，36（3）：432-438.

[6]王吉岱，甄静，刘笑辰，王智伟.输电线路巡检机器人仿生结构研究[J]2017，10：244-247.

[7]Greg  Paula.Robots  Repair  and  Examine  Live  Lines  in  Severe  Conditions[J].Electrical World;（United States），1989，203：5.

[8]田晨威.基于平行四边形结构的仿蛇形巡检机器人的研究和设计[D].东北大学，2013.

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