电缆隧道巡检机器人机械设计探析

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摘要：近年来，巡检机器人以其低成本、高机动性等优点在多个领域引起了广泛关注。在电力系统中，输电线缆入地化是大势所趋，为了保证输电可靠性，所建设的电缆隧道需要定期维护。然而，人类很难在电缆隧道内进行目视检查。作为替代方案，电缆隧道巡检机器人可以穿越隧道并收集数据进行远程检查。鉴于此，本文提出了一种电缆隧道巡检机器人的机械系统设计，并通过仿真模拟，对所设计的电缆隧道巡检机器人的作业性能进行了分析。结果表明，所设计的电缆隧道巡检机器人机械系统能够满足电缆隧道巡检要求，且通过了初步的性能测试。

关键词：电缆隧道巡检机器人；机械系统；作业性能

随着计算机技术、AI技术、机械技术和通信技术的发展，越来越多对人类有危险的领域或需要高精度操作的领域，都在应用各种类型的机器人替代或辅助人类进行工作。其中，专门为执行已知功能而设计的机器人一直是近几年的热门课题。随着我国电力系统的不断发展，为了减少操作人员的工作量，要求电缆隧道巡检机器人具有高度的自主性，能够根据环境的不同特征来定位自己，只需高水平用户命令，就可以从电缆隧道内部收集图像进行检查。

1电缆隧道巡检机器人解析

许多研究论文致力于机器人的应用，例如，机器人可以代替外科医生，或者协助腹腔镜手术。例如，跟踪外科工具在腹腔内的移动，并向操作者传送图像等。在众多类型的机器人中，巡检机器人属于专门机器人。在实践中，巡检机器人通过测量特定的参数来检查依赖于应用程序的基础设施。因此，这些巡检机器人配备了适当的测量和导航系统。根据复杂控制系统的模块化描述，采集和通信系统是巡检机器人监控系统不可缺少的组成部分。测量的环境参数保存在机器人板上的硬盘上。主机操作员通过通信系统控制机器人在电缆隧道内的位移。此外，机器人在检测过程中的定位或未知环境中的自定位是一项非常重要的工作。巡检机器人与上位机之间采用2.4ghz频段的无线网络进行通信和数据交换。特定模块的控制命令和配置参数由操作机的控制台发送给机器人。机载计算机将来自传感器的测试数据和来自摄像头的图像直接发送到控制台。在巡检机器人中，电缆隧道巡检机器人的主要用途是检查电缆隧道，监测电缆隧道内的环境，包括测量温度、压力、湿度、噪音水平等物理参数，以及从电缆隧道传送图像序列。电缆隧道的典型失效是雷电、短路等激发的电缆隧道火灾，这会导致上述参数的突然变化——通过对这些参数的分析，可以确定失效位置，通过存放在数据库的摄像机的图像序列，有助于确定故障发生的地点。因为电缆隧道巡检机器人在电缆隧道内工作，可能会出现高振幅的干扰，无线电信号会显著减弱。因此，电缆隧道机器人使用minpciintelpro/wireless2200bgwireless网卡(无线模块)，最大输出功率为1.6w(32dbm)的无线放大器连接到网卡的天线输出。电缆隧道机器人的控制通过可编程逻辑控制器（PLC）完成，机器人的内部控制通过人机界面（HMI）完成。就编程而言，电缆隧道巡检机器人的控制分为两部分：第一部分，梯形逻辑的开发是根据操作顺序在Indraworks工程软件中完成；第二部分，HMI接口的开发是为了对机器人进行内部控制并易于操作，触摸屏用作HMI，有助于选择电缆隧道的尺寸，机器人将依据隧道尺寸调整其手臂。

2电缆隧道巡检机器人机械系统设计

本文提出的电缆隧道巡检机器人需要进行自动隧道检查。机器人车辆包括机器人生产的起重臂举升机、高精度机器人臂、先进的计算机视觉系统、3D激光扫描仪和超声波传感器。隧道的自动检查需要机器人车辆和计算机视觉子系统的高级功能。机器人在地下空间和长直线路径上的定位是一项艰巨的任务，而安装在机器人尖端的毫米精确定位也是一项艰巨的任务。此外，支持检查过程的2D和3D视觉任务应在恶劣和多变的照明条件，低纹理衬砌表面以及对高精度的要求下进行处理。因此，在开发电缆隧道巡检机器人的机械系统时，必须满足以下技术要求：（1）高精度和高速度，具体来说，必须能够检测三平方毫米的缺陷，且操作速度必须足够高，以减少检查时间；（2）为了使系统能够在各种小批量上使用，必须在短时间内输入、编辑和回放零件的形状数据集数据；（3）指定缺陷的位置缺陷检测数据应该指定机器人的位置。基于以上要求，本文所设计的电缆隧道巡检机器人机械系统部分设计参数如表1所示。为了使电缆隧道巡检机器人在特定尺寸的电缆隧道内移动，关键问题是确定巡检机器人的行走系统。巡检机器人的行走系统主要有履带式和架空轨道式两种，虽然履带可以轻易通过斜坡，但电缆隧道非常光滑，并且很难在隧道内使用需要牵引的车辆。此外，由于隧道没有照明，检查天花板和墙壁可能会有困难，可能需要辅助照明设备。因此，选择了架空轨道式行走系统。与目前的电动单轨系统不同，该行走系统具有两个模块：主动模块和被动模块，每个模块具有三个运动配置，既是独立决策的自主元件，也是灵活和可扩展的通信接口。此外，整个电缆隧道巡检机器人每个模块之间相互独立，可以独立拆装。

3电缆隧道巡检机器人作业性能分析

由于电缆隧道巡检机器人实际应用的复杂性，必须确保对机器人的硬件配置、软件集成以及与环境的交互进行全面的测试，以确保机器人的部署顺利进行。这通常需要较长的准备时间进行实验。因此，在电缆隧道巡检机器人作业性能分析中，基于ROS的框架，对所设计的电缆隧道巡检机器人进行仿真和基准测试。通过使用电缆隧道巡检机器人模拟器Stage，在一个相当现实的环境中，在不同的场景中和以不同的团队规模进行详尽的测试，并通过模仿模拟的设置更快地进行作业性能实验。仿真模拟的系统参数是根据经验设置的，重点是实现任务分配算法。在这项工作中，以分布式策略来解决现实环境中的巡逻问题，每个自治在本地决定其行为，并使用分布式通信来适应系统的需求。尽管机器人的速度恒定且稳定，但仍会出现波动。这些振动可能会影响机器人检查器的性能，甚至导致故障。本次设计的电缆隧道巡检机器人机械系统，采用了两种方法来提高对固有频率估计误差的鲁棒性：一种是增加消除的频率分量的数量；另一种是使频率分量的频率导数在估计的固有频率处为零。上述方法均可以抑制非线性阻尼系统中的残余振动。实验结果表明，所设计的电缆隧道巡检机器人可以访问环境的每个重要方面。此外，该方法能够扩展到任意数量的机器人，并且可以克服通信故障和机器人故障。

4结语

综上所述，随着我国电力系统的不断发展，电缆隧道的数量呈现井喷式增长。在此背景下，传统的人工巡检已经不能满足高速增长的电缆隧道的实际需求，以机器人代替人工成为必然趋势。电缆隧道巡检机器人由多个系统组成，如控制系统、机械系统等。其中，机械系统是电缆隧道巡检机器人本体所在，是机器人能够行走、巡检的物质基础。本文所设计的电缆隧道巡检机器人机械系统，符合最初的设计目标，能够实现电缆隧道巡检所需，且经过仿真模拟，证明所设计的电缆隧道巡检机器人机械系统是可行的。

作者:段锦晶 单位:天津航天中为数据系统科技有限公司