作者：

中国科学院自动化研究所 李实

国网徐州供电公司 刘波

中国科学院自动化研究所 韩刚，邱育东，张文生

摘要：我国电力系统配电网目前主要采用人工带电作业方式进行系统的抢修及日常维护。带电作业时操作工人处于高电压、强电场的环境中，容易引发人身伤亡事故。研发带电作业机器人，来替代工人进行配电网带电作业是技术发展的必然方向。本文在详细介绍国内外带电作业机器人研发历程的基础上，分析对比了当前带电作业机器人的技术优势及存在的问题，并设计提出了新的技术发展路线。对后续的带电作业机器人研发具有借鉴意义。

关键词：带电作业机器人；带电作业；电力系统配电网

1　前言

随着我国经济和电网建设的飞速发展，经济建设和人民生活对电力的依赖程度越来越高，社会对停电的承受能力越来越差。如何加强日常维护，防患于未然，以及出现问题时及时抢修，成为亟待解决的问题。停电进行日常维护检修是最安全可靠的方式，但对工业和居民生活质量的影响巨大。带电作业是解决这一问题的重要手段之一，在高压电器设备上进行不停电检修、部件更换或测试，一直为世界各国所重视。到目前为止，我国的带电作业方式为绝缘杆法与绝缘手套法的人工带电作业，还不能满足日益提高的系统可靠性要求，也容易引发人身伤亡事故。

随着社会经济和科技的发展，生产自动化水平不断提高，机器人在现代生产生活中的地位越来越重要，特别是在一些危险系数高、劳动强度大的领域，替代人类完成危险任务，是机器人技术发展的方向。为了避免人工带电作业中事故的发生，使带电作业更加安全，同时提高作业效率，采用机器人代替人工进行作业已经迫在眉睫，也符合时代发展的要求。

2　国内外带电作业机器人研究现状

2.1　国外研究情况

日本基本上是世界上最早开始进行带电作业机器人方面研究的国家之一[1]。九州电力公司开发的斗内操作带电作业机器人“Phase I”于1984年开始研制，定型设计完成于1989年，一个斗内的操作者通过主从操作进行带电作业。地面操作型机器人“"PhaseII”于1993年底开发出了四种类型的机器，作业人员可以在地面的作业仓中远程进行配网带电作业[2]。之后又进行了全自动的带电作业机器人“PhaseIII”的开发。

图1 九州电力开发的电动和液压机器人

图2 九州电力的地面操作配电带电作业机器人

法国在1990年开始带电作业机器人的研究，于1992年委托加拿大魁北克开始样机的试制，但应用效果不理想，因此法国不建议在带电作业中应用该机器人。

图3 法国遥控带电作业机器人样机

西班牙也于上世纪九十年代开展带电作业机器人的研制，采用主从机器人遥操作模式，取得了一定的成果。

图4 西班牙配网带电作业机器人

美国也是开展带电作业机器人研制工作比较早的国家，很多科技公司参与其中，研发了多个系列的机器人系统。比较有代表性的是PG&E公司开发的配电带电作业机器人和Iberdrola的机器人“ROBTET”用于完成49kV以下电压等级的配电网检修作业，取得了不错的效果。机器人主要采用遥操作模式，操作员在地面根据目测和机器臂末端摄像头提供图像，来进行遥操作。

图5 美国的两种配电带电作业机器人

近年来带电作业机器臂在美国输配电带电作业中得到越来越广泛应用，即使那些作业间隙距离不满足要求的条件下也可以开展作业。

2.2　国内研究机构的研究情况

鉴于带电抢修作业需求的迫切性，我国科技部和电力相关部门一直积极推动我国自主产权的带电作业机器人研制工作。从上世纪90年代末开始，我国的一些高等院校和研究机构陆续开始了带电作业机器人的研究，并研制出了多种带电作业机器人样机。1999年，山东电力研究院在国家电力公司的科研项目支持下，与山东鲁能智能技术有限公司一起研究带电作业机器人[3]。至2012年，先后研制了三代样机，全部为双机械臂作业，用于10kV及以下的配电网络。

图6 国内研制的三代带电作业机器人系统

国内目前的主从式机器人主体结构主要由国外引进，自主改进的方式，一直没有真正实现自主发明，没有解决国际上带电作业机器人系统小型化、实用化、操作简单化、图像处理增强化的问题，整体的实用性还有欠缺，同时这也是需要去突破的关键技术点，真正将带电作业机器人推向实用化。

3　带电作业机器人应用存在的问题

虽然自上世纪九十年代开始，欧美日等发达国家就开始了带电作业机器人的研制工作，但是在实用化方面，一直没有取得实质性进展。目前国内外研究的带电作业机器人系统还存在很多问题，限制了带电机器人真正投入系统使用。目前只有日本带电作业机器人进入实用阶段，其他国家仍然处于研制阶段。我国的相关研究工作因为起步较晚，也处于研制阶段。总结起来，当前带电作业机器人系统存在的问题主要包括：

（1）对于采用操作员处于绝缘斗臂车的绝缘斗内进行操作的模式，也就是机器臂直接安装在绝缘斗外侧，操作员随绝缘斗运行在空中，直接在作业现场控制机器臂完成带电作业。主要存在的问题包括：一是操作员仍然处于电力线附近进行操作，存在触电风险；二是对我国而言，目前绝缘斗臂材料我国还无法自行生产，需要从日本等发达国家进口，导致绝缘斗臂车价格昂贵，大面积应用的代价巨大；另外，对于绝缘斗臂车无法驶入的环境，带电作业仍然需要工人爬杆来进行，危险性高。

（2）对于操作员在地面进行遥操作，机器臂随高空云台升入作业现场进行带电作业的模式，目前主要存在的问题是提供给操作员的现场信息不充分，通过摄像头获取的现场信息通过监控屏幕显示，会丢失大量三维信息，操作员很难通过屏幕，准确知晓操作现场所有电缆之间的位置关系，特别是机器臂操作时，存在一定的遮挡关系，导致操作员无法看到真实现场情况，给遥控操作带来很大挑战。

4　结语

配电网带电作业机器人作为电力系统的硬需求，替代人工带电作业，具有广泛应用价值。虽然研发时间已经超过三十年，但当前的机器人系统仍然距离期望目标有一定差距。但是随着机器人技术的发展，包括：柔性机器臂、虚拟现实、增强现实等新技术的快速发展，带电作业机器人系统带来了新的技术手段。相信在不远的将来，带电作业机器人就能真正替代工人完成带电作业任务。

作者简介：

李实（1974-），男，辽宁沈阳人，博士，现就职于中国科学院自动化研究所，主要研究领域为智能控制与智能机器人。

刘波（1983-），男，江苏徐州人，工程师，学士，现就职于国网徐州供电公司，主要研究领域为城市配电。

韩刚（1980-），男，陕西扶风人，副研究员，博士，现就职于中国科学院自动化研究所，主要研究领域为机器智能、深度学习、计算机视觉、嵌入式系统等。

邱育东（1961-），男，福建龙岩人，高级工程师，学士，现就职于中国科学院自动化研究所，主要研究领域为计算机控制与信号检测。

张文生（1965-），男，河南郑州人，研究员，博士，现就职于中国科学院自动化研究所，主要研究领域为人工智能、智能机器人等。

参考文献：

[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] 鲁守银, 马培荪, 戚晖, 历秉强. 高电压带电作业机器人的研制[J]. 电力系统自动化, 2003, 27 ( 17 ) : 56 - 58.

摘自《自动化博览》2018年3月刊