2022电力行业机器人应用概述

电力行业机器人应用概述目录TOC\o"1-3"\h\u9931.1定义 3177061.1.1机器人的定义 366541.1.2电力机器人的定义 5184721.2发展历程 750321.2.1机器人学的发展历程 7233931.2.2电力机器人的现状 8166371.3分类 10264991.3.1机器人学的分类 1012381.3.2电力机器人的分类 11定义机器人的定义“机器人”这个词起源于在1920年发表的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》（Rossum’sUniversalRobots）。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是一家公司发明的形状像人的机器，可以听从人的命令做各种工作。自此以后，像人一样的机器出现在很多科幻小说中，国内将“Robot”翻译成“机器人”。其实，机器人不全是像人一样的机器，是一种可以运动的机械电子装置。虽然是卡佩克将“Robot”这个词代表的一种机械电子装置的概念推向了世界，但是“Robotics”（机器人学）这个词是由美国科幻小说家伊塞克·阿西莫夫首次提出来的，并且他在1950年出版的《我，机器人》（I，Robot）一书中提出了“机器人三原则”：机器人不可伤害人或由于故障而使人遭受不幸；机器人应执行人所下达的指令，除非这些指令与原则（1）相矛盾；在原则（1）、（2）那么，什么是机器人呢？国内外不同的学者对机器人有不同的定义。英国牛津字典的定义为：“貌似人的自动机，具有智力的、顺从于人的但不具有人格的机器。”日本机器人学者森政弘与合田周平提出的定义为：机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性7个特征的柔性机器。日本著名机器人专家加藤一郎提出了机器人应具有3个条件：①脑、手、脚等三要素的个体；②非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；③平衡觉和固有觉的传感器。日本工业机器人协会的定义为：一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。美国国家标准局的定义：一种能够进行编程并在自动控制下执行某种引起操作和移动作业任务的机械装置。国际标准化组织对工业机器人进行了定义：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。中国机器人学者对机器人的一种定义为：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。中国机器人综合了国外对机器人的定义后，提出了机器人应具有的特点工作种类多样，动作程序灵活易变；机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推预。电力机器人的定义随着全球资源、环境压力的不断增大，电力市场化进程的不断深入，以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战和机遇，建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统，已经成为全球电力行业的共同目标。在电力系统中，由于电能生产、输送、分配和使用的连续性，对系统中各设备单元的安全可靠运行都有很高的要求。电网任何环节的可靠性及运行情况直接决定着整个电力系统的稳定和安全，检修是保证各环节设备健康运行的必要手段，做好检修工作及早发现事故隐患并及时予以排除，使电力设备始终以良好的状态投入运行具有重要的意义。目前，设备检修模式正处于由定期检修向状态检修的过渡阶段，电力系统大部分单位设备检修还在采用定期检修和故障检修相结合的模式。定期检修模式主要存在以下缺点：在“小病大治，无病也治”的盲目现象。据统计，截至2011年底，国家电网公司共有66kV及以上架空输电线路31440635241.3km。直接从事输电线路运行、检修、带电作业（试验）的班组（工区）共计23457人，人均维护线路长度为26.8km。后于装备水平的进步。能。电力机器人是服务于电力系统生产的一种特殊用途的工业机器人，是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的电力系统生产环境和作业的需要，它具有至少一项或多项拟人功能，如带电作业功能或巡检功能，或两者兼有之，另外还可能不同程度地具有某些环境感知功能（如视觉、力觉、触觉、接近觉等）以及语音功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在电力系统的生产环境中代替人或辅助人进行电力系统生产过程中的带电抢修和维护作业。目前，电力机器人在电力系统输、变、配、用各个领域都得到一定应用，已经形成了架空输电线路巡检机器人、变电站巡检机器人、配电系统带电作业机器人、电动汽车换电机器人及架空输电线路无人机巡检系统，为电力系统的安全稳定运行提供了有效的技术手段。可靠性。输电线路的分布点多面广，且处在远离城镇、地形复杂、环境恶劣的自然环境自行车沿电力线行走，采用目测观察的方法（有时借助望远镜进行观察），定可靠运行。主要分为例行巡检和特殊巡检。例行巡检，就是对变电站设备的日常巡检，每天至少两识别结果上送到监控中心进行校验。配电系统电气设备在长期运行中需要经常测试、检查和维修，带电作业是避免检修停电，保证正常供电的有效措施。带电作业的内容可分为带电测试、带电检查和带电维修等几个方面。带电作业的对象包括发电厂和变电站的架空输电线路、配电线路和配电设备。带电作业机器人能够在上述电气设备上不停电进行检修、测试，是配电网不停电维护抢修作业的一种新型作业方式和作业装备。在用电领域，电网清洁能源的应用是削减碳排放、保护生存环境的有效手段。目前，汽车尾气和工业污染给大气层和地球生存环境带来了严重的危害，推广和普及纯电动汽车是人类在未来20年内将碳排放量指标恢复到合理水准的重点方向之一。电动汽车换电机器人的应用可以解决电动汽车快速能量补给的问题，对于促进电动汽车的实用化进程及电网清洁能源应用推广具有重要的战略意义。发展历程机器人学的发展历程机器人从幻想世界真正走向现实世界是从自动化生产和科学研究的发展需要出发的。遥控操作器（teleoperator）和数控机床的出现为机器人的产生准备了技术条件。第二次世界大战期间，在放射性材料的生产和处理过程中应用了一种简单的遥控操纵器。操纵人员在一层很厚的混凝土防护墙外通过观察，用手操纵两个操纵杆（主动部分），操纵杆与墙内的一对机械手爪（从动部分）机械手爪就能复现人手的动作位置和姿态，代替了操纵人员的直接操作。1947这种遥控操纵器进行改进，采用电动伺服方式，使从动部分能相对于主动部分作跟随运动。1949年，由于生产先进飞机的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MITRadiationLaboratory）开始研制数控铣床，把复杂伺服系统的技术与最新发展的数字计算机技术结合起来，1953年研制成功。切削模型以数字形式通过穿孔纸带输入机器，然后控制铣床的伺服轴按照模型的轨迹作切削动作。1954年，美国的GeorgeC.Devol设计并制作了世界上第一台机器人实验装置，发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文，并获得了专利。Devol巧妙地把遥控操作器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴连接在一起，预定的机械手动作一经编程输入序列。因此，这种机器人的主要技术功能就是“可编程”以及“示教再现”。20世纪60年代，机器人产品正式问世，机器人技术开始形成。1960年，美国的ConsolidatedControl公司根据Devol的专利研制出第一台机器人样机，并成立Unimation公司，定型生产了Unimate（意为“万能自动”）机器人。同时，美国“机床与铸造公司”（AMF）设计制造了另一种可编程的机器人Versatran（意为“多才多艺”）。这两种型号的机器人以“示教再现”的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送、焊接、喷漆等作业，它们在工作中表现出来的经济效益、可靠性、灵活性，使其他发达工业国家为之倾倒。于是Unimate和Versatran作为商品开始在世界市场上销售，日本、西欧也纷纷从美国引进机器人技术。1961年，美国麻省理工学院林肯实验室（LincolnLaboratory）续取得成果。1968年，美国斯坦福人工智能实验室（SAIL）的J.McCarthy的课题：研制带有手、眼、耳的计算机系统。于是，智能机器人的研究形象逐渐丰满起来。20世纪70年代以来，机器人产业蓬勃兴起，机器人技术发展为专门的学科。1970年，第一次国际工业机器人会议在美国举行。工业机器人各种卓有成效的实用范例促成了机器人应用领域的进一步扩展，同时，又由于不同应用场合的特点，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现。而随后的大规模集成电路技术的飞跃发展及微型计算机的普遍应用，则使机器人的控制性能大幅度地得到提升，成本不断降低。于是，导致了数百种类的不同结构、不同控制方法、不同用途的机器人终于在80年代真正进入了实用化的普及阶段。1971年日本成立工业机器人协会。1971～1981年日本工业机器人年产量增加了25倍，到1981年日本机器人占有量为全世界的57.5%。1975年美国成立机器人协会。1978年第一台PUMA机器人在通用汽车投入使用。1970～1980年美国机器人占有量增加了20倍以上。到1982年全世界机器人总数已达到5.7万台，到1985年全世界机器人总数已达到14万台，到1993年全世界机器人总数已达到61万台。截止到2004年，世界各国历年累计销售工业机器人总台数达到了150万台，还装备了120万台服务机器人，其中在2004年就装备了55万台服务机器人。经过几十年的发展过程，机器人技术已经形成了一门综合性学科——机器人学（robotics）织和操作，它包括基础研究和应用研究两方面内容，涉及的主要研究内容有：机械手设器人学实际上是一个可分为若干学科的学科类。电力机器人的现状国外现状为了提高配电网带电作业的自动化水平和安全性，减轻操作人员的劳动强度和强电磁场对操作人员的人身威胁，从20世纪80年代起许多国家都先后开展了带电作业机器人的研究，如日本、西班牙、美国、加拿大、法国等。日本是国外对机器人研究起步较早，研究成果和使用化程度都比较好的国家之一。20世纪80年代初，日本九州电力公司就开始了第一代带电作业机器人——主从操纵式机器人系统PhaseI的研究工作，其研究工作涉及输电线路的连接、切断、输送等硬件的模块化和机器人化。西班牙在20世纪90年代开展了带电作业机器人的研制，以半自主控制方式完成该国69kV及以下电压等级的带电作业工作，它主要有升降作业平台和控制室两大部分。20世纪80年代中期，美国电力研究院也开始了带电作业机器人的研究，其第一代机器人只有一个液压驱动的机械臂，并已经研制出了第二代半自主机器人。加拿大在20世纪80年代中期开展了高空带电作业机器人的研究，其绝缘等级为25kV。架空输电线路巡检机器人以移动机器人为载体，携带检测仪器或作业工具，沿架空输电线路的地线或导线运动，对线路进行检测、维护等作业。1988年日本东京电力公司首先研制了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线巡检移动机器人，该机器人依靠内嵌的输电线路结构参数进行运动行为的规划。日本法政大学的HideoNakamura等人开发了电气列车馈电电缆巡检机器人。美国TRC公司研制了一台悬臂自治巡检机器人模型，能沿架空导线进行较长距离的行走，可进行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务，并将探测到的线路故障参数进行预处理后传送给地面人员。加拿大魁北克水电研究院2000年开始了LineROVer遥控小车的研制工作。遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。国外针对变电站巡检机器人的研究，只有日本和新西兰有过变电站巡检机器人的相关报道，但仅是样机的开发和应用，并未见规模化推广应用。20世纪90年代由日本四国电力与东芝公司及其他研究所设计了一款适用于500kV变电站的巡检机器人，其移动平台为地面双轨道式，检测系统包括可见光摄像机和红外热像仪，以及云台和辅助光源照明。但是由于技术等问题，仅在2所变电站试用，并停止了后续的研发。2012年由新西兰电网公司与梅西大学合作开发了全地形变电站巡检机器人，该机器人安装了一个低清晰度的摄像机和超声传感器用于防止机器人在运行时撞到障碍物，安装了一个高清摄像机用于传回现场设备的图像和视频，其仅能采用远程遥控方式工作。国际上，最早利用无人直升机巡线的是英国威尔士大学和英国EA电力咨询公司。西班牙马德里理工大学与西班牙红色电力公司合作开展的ELEVA项目是利用无人直升机和视觉检测电力线。澳大利亚联邦科学与工业研究组织自2004年开始研究无人直升机巡检系统，以用于巡检电力线和石油管道，并取得了一定的成果。日本的千叶大学和Hirobo航模公司合作，研发的SkySurveyor巡线系统，已经开始在输电线路试运行。针对电动乘用车动力电池的更换，国际上也较早地开展了相关研究。美国BetterPlace（BP）公司研发的电动汽车换电机器人代表了国外电动乘用车领域的发展方向。2007年，位于硅谷的BP司正式成立，该公司提供专业的电动汽车换电站相关服务。在换电站，换电机器人能够在几分钟内取出已经耗尽的电池，并完成新电池的准确更换。国内现状“十五”期间，针对国内电力输配电对超高压巡线与带电作业机器人的迫切需求，国家“863”计划先进制造与自动化领域组织开发了具有自主知识产权的超高压输电线路故障巡检机器人、变电站设备带电清扫机器人、高压输电线路带电检修机器人等电力作业机器人，包括110kV输电线路自动巡检机器人、220kV沿相线巡线机器人、500kV超高压输电线路巡检机器人等，并在电力系统中投入了使用。山东电力研究院、国网山东省电力科学研究院、山东鲁能智能技术有限公司先后开展了输电线路除冰机器人、输电线路巡检机器人、绝缘子串检测机器人等相关技术研究，并成功应用于南网广西省电力公司、国网山东省电力公司等。中国科学院北京自动化研究所、武汉大学、国网浙江省电力公司、国网辽宁省电力公司、国网湖北省电力公司、南网贵州省电力公司等单位都开展了输电线路机器人相关的应用研究。自2002年以来，山东电力研究院先后研制出4代变电站巡检机器人。2003年，在国家“863”计划课题支持下，研制出国内首台变电站巡检机器人功能样机。2005年10研制出国内首台产品样机，并在山东500kV长清变电站投入实际运行。2006完善的第3县、广东肇庆、浙江嘉兴等10余个500kV变电站得到成功应用。2010年5月，研制出第4智能巡检机器人产品，先后应用在北京顺义500kV变电站、青岛午山220kV智能变电站、浙江金华兰溪500kV等智能变电站。截至2014年底，变电站巡检机器人已在全国29个省市（自治区）得到应用，取得了良好的效果。中国科学院沈阳自动化研究所、重庆超高压公司、成都慧拓智能公司等单位都开展了变电站巡检机器人相关的应用研究。2009力公司、国网福建省电力和国网辽宁省电力等电力公司。国网福建省电力公司采用Z－3人直升机系统；国网山东省电力公司自2009年起就开展了输电线路无人机巡检系统的研究，2013年国网山东省电科院在山东省电力公司所辖线路开展了中型旋翼无人机巡检作业，对500kV黄滨ⅠⅡ线、220kV检，累计巡线近千公里。2013作。作。总的来说，电力机器人的发展过程和工业机器人发展过程类似，也大致经历了3段：第一代机器人：主从控制机器人，机器人没有装备足够多的传感器，对环境没制过程中，机器人各关节的几何参数的变化由主手控制。第二代机器人：有感觉的机器人，此种机器人配备了简单的内、外部传感器，备简易视觉、力觉传感器等简单的外部传感器，因而具有部分适应外部环境的能力。第三代机器人：智能机器人，具有多种内、外部传感器组成的感觉系统，不仅取、处理，并做出一定的思维、判断和决策，根据作业要求和环境信息