全球首臺全自主配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人問世

很多人可能都看到過這樣的場景，電力工人身背工具箱，爬上高壓電線桿，懸掛在半空中，爭分奪秒地完成一系列復(fù)雜的操作。帶電作業(yè)被稱為電力行業(yè)中最危險(xiǎn)的專業(yè)，電力工人隨時(shí)面臨著觸電、高空墜落等危險(xiǎn)。不過如今這項(xiàng)危險(xiǎn)的工作可以放心地交給機(jī)器人去做了，它們不僅能輕松完成剝線、換線、修理等“細(xì)致活”，而且可以在完全不斷電的情況下完成操作。

這個(gè)“超級電工”就是國網(wǎng)天津電力研制的全球首臺全自主配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人，這款機(jī)器人還配有自動(dòng)剝線器等13種末端工具，形成了系列化成套裝備。該產(chǎn)品獲授權(quán)專利39項(xiàng)、發(fā)表SCI/EI/核心論文15篇，牽頭立項(xiàng)該領(lǐng)域首個(gè)IEEE國際標(biāo)準(zhǔn)，日前“配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)、成套裝備及工程應(yīng)用”項(xiàng)目還獲得2021年天津市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

帶電作業(yè)是配電網(wǎng)上的“微創(chuàng)手術(shù)”

電氣設(shè)備在長期運(yùn)行中需要經(jīng)常測試、檢查和維修。在以前技術(shù)設(shè)備不那么發(fā)達(dá)的年代，往往需要進(jìn)行停電檢修。不僅影響生產(chǎn)、生活，尤其是醫(yī)院等重要場所，一旦停電后果不堪設(shè)想。

因此電力作業(yè)逐漸發(fā)展出不停電檢修、測試的技術(shù)，即帶電作業(yè)。帶電作業(yè)可以在不停電的情況下，實(shí)現(xiàn)增容、消缺等工作，是避免檢修停電，提高供電可靠性的有效措施。

因此目前我國帶電作業(yè)需求量巨大，近五年來，國家電網(wǎng)公司累積開展配網(wǎng)帶電作業(yè)達(dá)400余萬次，并且以年均14.9%的速率持續(xù)增長。

然而由于帶電作業(yè)處于戶外高空、高壓的環(huán)境中，進(jìn)行配電作業(yè)的電力工人要面臨很高的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保護(hù)他們的安全，電力工人在操作過程中要全副武裝，保證全身上下360度無死角，這些厚重、密不透風(fēng)的絕緣服大大增加了工作強(qiáng)度。而且?guī)щ娮鳂I(yè)對理論知識、操作技術(shù)等要求都比較高，人工操作很難做到工作質(zhì)量統(tǒng)一。此外，遇到雷電、暴雨、大雪、大霧等惡劣天氣，還不能進(jìn)行帶電作業(yè)。

“早在2016年，我在帶電作業(yè)現(xiàn)場，當(dāng)看到老師傅們脫下絕緣服和絕緣手套全身濕透時(shí)，就萌生了研發(fā)這樣一個(gè)機(jī)器人的想法。”該項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、國網(wǎng)天津?yàn)I海公司運(yùn)維檢修部配電搶修班班長張黎明回憶說，全自主配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人，不僅能讓機(jī)器人代替人在配電網(wǎng)上做“微創(chuàng)手術(shù)”，還可以大幅提高作業(yè)效率，同時(shí)也把危險(xiǎn)降到最低。

從20世紀(jì)90年代，美國、日本、加拿大等國家陸續(xù)開展了配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究，主要采用液壓臂主從作業(yè)方式，體積和重量較大，精細(xì)化和智能化程度不高，無法實(shí)現(xiàn)戶外復(fù)雜環(huán)境下的自主定位、規(guī)劃及控制等功能，適用性受到一定限制;國內(nèi)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人起步晚，技術(shù)尚不成熟，且成本高、推廣困難，未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

“我們研發(fā)的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人要從根本上解決上述問題，但相比一般室內(nèi)作業(yè)機(jī)器人，也面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)。”張黎明介紹說，機(jī)器人在戶外開展帶電作業(yè)，主要受強(qiáng)光、空間狹小、平臺抖動(dòng)、運(yùn)動(dòng)特性約束、干擾源復(fù)雜等因素的影響，因此在設(shè)計(jì)上要解決機(jī)器人精準(zhǔn)定位、自主規(guī)劃、智能控制、安全防護(hù)設(shè)計(jì)等四大難題，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主作業(yè)。

機(jī)器人四次迭代解決四大難題

2017年底，利用傳感、識別、認(rèn)知等人工智能技術(shù)，第一代機(jī)器人研發(fā)成功。

“這代機(jī)器人基本可以在室內(nèi)理想環(huán)境下完成作業(yè)基本動(dòng)作。但存在電磁兼容及絕緣、智能程度低、作業(yè)范圍受限、靈活度不高、效率低等問題，不能完全實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)。”項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人、

國網(wǎng)天津?yàn)I海供電公司科技環(huán)保技術(shù)專責(zé)胡益菲介紹。

因此在第二代機(jī)器人研發(fā)中，為了解決精準(zhǔn)定位的問題，團(tuán)隊(duì)采用了激光雷達(dá)與多傳感器融合的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，讓機(jī)器人可自動(dòng)識別主導(dǎo)線與引流線。

“配電網(wǎng)的電線種類繁多，有時(shí)候甚至有幾十種之多，需要機(jī)器人分辨出每條電線不同的景深。同時(shí)因?yàn)槭窃趹敉庾鳂I(yè)，因此還要解決曝光的問題，曝光過度，機(jī)器人就會(huì)‘失明’。此外還有斗臂車震動(dòng)的問題。”胡益菲介紹，通過三維建模、語義識別、目標(biāo)定位的技術(shù)，就可以讓機(jī)器人看到并識別出這些復(fù)雜的場景。

解決了機(jī)器人“看得到”的問題后，下一步就是“找得到”的問題。配電網(wǎng)上的電線縱橫交錯(cuò)，找到需要進(jìn)行操作的電線猶如在配電網(wǎng)上穿針引線地“繡花”。第二代機(jī)器人通過應(yīng)用基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能路徑規(guī)劃系統(tǒng)，以及雙臂協(xié)作自主規(guī)劃作業(yè)路徑的技術(shù)解決了這個(gè)難題。

光找到需要作業(yè)的位置還不行，還得進(jìn)行操作，那么就需要解決“做得到”的問題。“我們創(chuàng)新研制了成套末端作業(yè)工具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穿刺搭接功能。”胡益菲說，第二代機(jī)器人基本實(shí)現(xiàn)了自主作業(yè)，但是所有的操作都不是很精良，就像是一個(gè)初出茅廬的學(xué)徒工，還需要進(jìn)一步提升它的本領(lǐng)。

因此第三代機(jī)器人著重對這些重要功能進(jìn)行了優(yōu)化。首先優(yōu)化了多傳感器融合算法，增強(qiáng)雙目視覺匹配度，提高識別精度，戶外作業(yè)定位誤差小于1厘米，使機(jī)器人“看得準(zhǔn)”;基于人工智能技術(shù)，優(yōu)化機(jī)器人路徑規(guī)劃算法，使其路徑規(guī)劃更科學(xué)、更高效，讓機(jī)器人“找得巧”;創(chuàng)新研制全自主剝線工具及絕緣型并溝線夾，提高適用范圍，讓機(jī)器人“做得好”。

在安全性能上，機(jī)器人采用絕緣配合與多級防護(hù)技術(shù)，特別是在機(jī)器人關(guān)節(jié)部分創(chuàng)新性研發(fā)了“體—臂—腕”絕緣設(shè)計(jì)，軟硬結(jié)合進(jìn)行雙保險(xiǎn)。同時(shí)通過電磁干擾預(yù)測與防護(hù)技術(shù)，很好地解決了機(jī)器人在復(fù)雜電磁環(huán)境中被干擾影響接受指令的難題。

為了能更好地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化規(guī)模化生產(chǎn)，2020年7月，第四代人工智能配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人采用了模塊化設(shè)計(jì)，體積縮小三分之二，重量減輕三分之一，充分滿足復(fù)雜地形和狹小空間帶電作業(yè)需求，同時(shí)研發(fā)了雙臂和單臂機(jī)器人以及13種系列化末端，形成了配網(wǎng)帶電作業(yè)的成套裝備，進(jìn)一步擴(kuò)大配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的使用范圍。

未來產(chǎn)業(yè)規(guī)?？蛇_(dá)300億

2019年8月23日，配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人在全國第十屆殘運(yùn)會(huì)暨第七屆特奧會(huì)期間首次正式亮相，為殘運(yùn)會(huì)供電提供了重要保障。此后這些“超級電工”開始正式“上崗”，在全國很多地方都能看到它們的身影。

目前配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人及成套裝備已經(jīng)在天津、北京、山西、山東、上海、江蘇、浙江、福建、重慶、陜西、青海、寧夏、西藏等18個(gè)省(區(qū)、市)進(jìn)行規(guī)?；茝V應(yīng)用，累計(jì)開展帶電接引線、斷引線、加裝接地環(huán)等實(shí)際作業(yè)12000余次。

2019年11月21日，國家電網(wǎng)公司還打造了以人工智能技術(shù)為核心的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)平臺。建立了電力作業(yè)機(jī)器人高端制造基地，建設(shè)了生產(chǎn)中心、試驗(yàn)中心和實(shí)訓(xùn)中心，年產(chǎn)量達(dá)200臺以上，具備研發(fā)、制造、檢測、應(yīng)用和技術(shù)服務(wù)能力。“隨著配電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大和帶電作業(yè)需求增加，全國市場需求預(yù)計(jì)達(dá)0.5萬—1萬臺，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)300億元。”張黎明介紹。

目前，為了促進(jìn)帶電作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，提高帶電作業(yè)質(zhì)量及效率，減少停電時(shí)間，支撐智能化運(yùn)檢規(guī)劃實(shí)施，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)又牽頭立項(xiàng)了首個(gè)IEEE國際標(biāo)準(zhǔn)《配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人導(dǎo)則》。

“由于項(xiàng)目突破的技術(shù)涵蓋復(fù)雜環(huán)境三維建模、目標(biāo)精準(zhǔn)感知與定位、狹小空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和智能控制等領(lǐng)域，因此該技術(shù)還可以應(yīng)用到消防、輸電、用電等智能電力機(jī)器人裝備上。”張黎明介紹，目前智能充電巡檢機(jī)器人應(yīng)用于天津市津門湖綜合充電服務(wù)中心與中新天津生態(tài)城泰八路公交充電站。未來，還可進(jìn)一步推廣至救援、勘探、礦山等其他行業(yè)。

(記者陳曦)

標(biāo)簽： 電力行業(yè) 帶電作業(yè) 成套裝備 關(guān)鍵技術(shù)