2022电力机器人技术

电力机器人应用目录第1章概述1.1定义1.1.1机器人的定义1.1.2电力机器人的定义发 展 历 程机器人学的发展历程1.国外现状2.国内现状分 类机器人学的分类电力机器人的分类第2章技术基础知识机器人体系结构基本构成主要技术指标机械结构组成驱动技术运动控制技术控制方式的分类机器人位置运动学电力机器人导航定位技术导航定位概述1.引导定位技术绝对定位相对定位技术组合导航技术电力机器人通信技术1.串行通信CAN现场总线通信工业以太网通信1.WiFi2.3GCOFDM几种无线通信方式的比较电力机器人电源管理技术电池的特性铅酸电池镍氢电池锂离子电池电池的比较与选择电力机器人带电作业技术电力设备检测技术红外检测红外线理论及基本概念有关电力设备红外检测的基本定义及概念电力设备红外检测的内容红外检测电力设备的优势电力设备热故障判别紫外成像检测高压放电与紫外线紫外检测的工作原理紫外检测的应用第3章配电系统带电作业机器人配电系统带电作业机器人概述带电作业技术1.国外研究现状2.国内研究现状1.主从操作机械臂机器人专用升降系统专用工具系统多级立体式绝缘防护系统配电系统带电作业机器人系统设计1.电机驱动机械臂2.液压机械臂设计1.电动扳手机器人专用电动扳手剥皮器机器人专用剥皮器遥控断线钳连接金具1.机器人绝缘防护要求高压带电作业机器人绝缘系统试验方法1.作业平台设计伸缩机构机械设计伸缩机构模态分析配电系统带电作业机器人应用第4章变电站巡检机器人变电站巡检机器人概述国外研究现状国内研究现状变电站巡检机器人的系统结构系统组成系统主要功能变电站巡检机器人移动平台机器人机械结构设计轮式移动方式结构设计履带式移动方式结构设计运动学模型机器人稳定运行状态变电站巡检机器人检测系统全方位预置位云台1.视觉伺服概述2.视觉伺服系统1.红外热成像仪红外检测的变电站设备红外诊断技术1.图像预处理隔离开关状态识别开关状态识别仪表读数设备外观异常检测1.变电站设备外观异常检测方法悬挂物识别算法1.声音识别技术2.变电站声音异常识别变电站巡检机器人定位导航系统基于磁轨迹引导及RFID1.引导定位系统组成2.最优路径规划GPS1.系统简介2.GPS导航控制原理GPS／DR组合导航定位激光定位导航基于人工路标的激光定位导航基于环境地图的激光定位导航1.停障策略2.避障策略变电站巡检机器人电源及管理系统电源系统组成电源管理系统自主充电变电站巡检机器人通信系统工业以太网通信总线通信RS－232串行通信无线通信变电站巡检机器人监控后台本地监控后台实时监视系统机器人控制系统分析预警系统远程集中控制后台变电站巡检机器人应用应用情况及前景应用效果应用模式第5章架空输电线路机器人输电线路机器人概述线路巡检机器人国内外研究现状绝缘子串检测机器人国内外研究现状输电线路巡检机器人系统整体设计1.双臂越障机构2.三臂越障机构1.电磁导航视觉导航1.太阳能供电2.激光供能电容取电感应取电其他取电方式1.可见光检测红外检测电磁检测绝缘子串检测机器人移动机构设计悬垂绝缘子串检测机器人机构设计水平绝缘子串检测机器人机构设计1.电阻测量方法2.分布电压测量方法输电线路机器人应用实例第6章架空输电线路无人机巡检系统无人机巡检系统概述无人机智能巡检的需求1.2.3.基建对无人机的需求1.国外研究现状2.国内研究现状无人机巡检系统整体设计无人机的分类系统整体结构无人机巡检系统关键技术飞行控制系统巡检通信系统机载检测技术1.2.3.检测终端光电吊舱图像采集与传输巡检图像处理关键技术输电线路实时检测跟踪技术输电线路杆塔全景图像拼接技术输电线路关键部件识别与缺陷诊断技术红外图像设备精确测温技术无人机巡检系统应用情况作业模式1.巡检流程2.巡检作业案例第7章电动汽车换电机器人电动汽车换电机器人概述国外研究现状国内研究现状电动公交车换电机器人电动乘用车换电机器人电动汽车换电机器人整体设计1.水平移动机构液压升降机构托盘旋转机构电动公交车换电机器人整体设计电动汽车换电机器人关键技术电池箱锁止机构电动乘用车电池箱锁止机构电动公交车电池箱锁止机构1.内传感器2.外传感器1.主控系统人机交互控制方法电动汽车换电机器人现场应用1.江苏应用情况2.北京应用情况1.北京应用情况上海、广州应用情况天津应用情况山东青岛应用情况山东临沂应用情况第8章总结与展望第1章概 述定 义机器人的定义“机器人”这个词起源于捷克作家卡雷尔·卡佩克（KarelCapek）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。中国机器人学者周远清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，自主地进行工作。目前，智能机器人尚处于研究和发展阶段。分 类机器人学的分类器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，包括装配机器人、焊接机器各种先进机器人，包括服务机器人、飞行机器人、空间机器人、排爆机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、微型机器人、医疗机器人、地下机器人、狭窄空间机器人、核工业机器人、农业机器人、教学机器人、机器人化机器和仿人机器人等。电力机器人的分类电力机器人的分类方法很多，主要有以下几种分类方法：按机器人的几何结构、机器人的控制方式以及机器人的信息输入方式来分，按机器人的智能程度分，按机器人的用途分等。本书中，只是按机器人的用途对电力机器人进行一个粗略的分类，按其他方式的分类可以参考一般机器人的分类情况。目前，根据国内外电力机器人的研究及应用情况，电力机器人可以分为如下几种：带电作业维护机器人。能够进行带电断接线、带电清扫、带电更换跌落开关等带电作业等。电力设备巡检机器人。应用于输电线路、变电站设备和地下电缆等电力设备的巡检作业，通过携带有关传感器检查电力设备的运行情况，主要有变电站设备巡检机器线路上移动的巡检机器人及空中巡线无人机系统。电动汽车换电机器人。应用于对电动汽车电池的快速更换作业，通过多传感器补给，主要分为电动公交车换电机器人和电动乘用车换电机器人。核电站维护机器人。主要用于关键核设施的维护、退役及放射性废物处理，核核电站维护机器人还可以对核电站安全性进行全面监测，利用小型、智能、爬壁式机器人，携带多种先进传感器，对设备及管道的破损情况等进行监测，以及时发现问题。此外，应用于火力发电厂的水冷壁清理、热交换承压管道检测等的机器人，以及应用于水电站的检查和维护机器人等也得到人们的很多关注，也有很多应用案例。本章小结本章主要对机器人的定义、发展历程、分类做了简单的介绍，着重对电力机器人的发展背景、研究现状、应用分类做了重点叙述。目的是使读者对机器人，特别是对电力机器人，有一个初步的认识和了解，为后续内容奠定基础。第2章技术基础知识机器人体系结构仿生学、生物工程、人工智能、材料、微机械、信息工程、遥感等学科，具有应用领域研究和学术发展方向，具有鲜明的学科特色。基本构成简单地说，机器人就是在一定程度上，能模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力的一种智能机器。不同类型的机器人，其机械、电气和控制结构也不相同。通常情况下，一个机器人系统由三部分六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是机械系统、驱动系统、感知系统、控制系统、人机交互系统、机器人－环境交互系统等，如图2－1所示。图2－1机器人的基本构成机械系统。机械系统包括机械手和末端执行器，这是机器人的主体部分，由连所构成的机械结构一般有3个主要部件，即手、腕、臂，它们可在规定的范围运动。末端单的抓持器（相当于人的手）如焊接、喷漆、涂胶以及零件装卸等。通常，末端执行器的动作由机器人控制器直接控制，或将机器人控制器的信号传至末端执行器自身的控制装置（如PLC）。驱动系统。驱动系统是使各种机械部件产生运动的装置。常规的驱动系统有气可以使用齿轮、带、链条等机械传动机构间接传动。感知系统。感知系统由一个或多个传感器组成，用来获取内部和外部环境中的行通信。传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。控制系统。控制系统包括控制器、处理器和软件，其任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功系统。根据控制运动的形式，控制系统还可分为点位控制和轨迹控制。机器人控制器从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。假如要机器人从箱柜里取出一个零件，它的第一个关节角度必须为35°，如果第一关节尚未达到这一角度，控制器就会发出一个信号到驱动器，使驱动器运动，然后通过关节上的反馈传感器（电位器或编码器等）测量关节角度的变化，当关节达到预定角度时，停止发送控制信号。对于更复杂的机器人，机器人的运动速度和力也由控制器控制。机器人控制器与人的小脑十分相似，虽然人的小脑功能没有大脑功能强大，但它却控制着人的运动。处理器是机器人的大脑，用来计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并且监督控制器与传感器协调动作。处理器通常就是一台计算机，需要拥有操作系统、程序和像监视器那样的外部设备等。例行程序集合和应用程序，它们是为了使用机器人外部设备而开发的（例如视觉通用程序），或者是为了执行特定任务而开发的。甚至集成在同一电路中，但有各自的功能。设备相互联系和协调的系统。机器人可与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元；也可以是多台机器人或设备集成为一个复杂任务的功能单元，例如计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板及危险信号报警器等。人机交互系统。人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。主要技术指标由于机器人的结构、用途和用户要求的不同，机器人的技术指标也不同。一般来说，机器人的技术指标主要包括自由度、工作范围、工作速度、承载能力、精度、驱动方式、控制方式等。自由度。机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）人的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性越好；但是自由度越多结构也越复杂。域。因为手部末端操作器的尺寸和形状是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，这里指不安装末端操作器时的工作区域。机器人工作范围的形状和大小十分重要，机器人在执行作业时可能会因为存在手部不能达到的作业死区而无法完成工作任务。机器人所具有的自由度数目及其组合决定其运动图形，而自由度的变化量（即直线运动的距离和回转角度的大小）则决定着运动图形的大小。具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。技术设计指标中一般提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但是在实际应用中仅考虑最大稳定速度是不够的。这是因为运动循环包括加速启动、等速运行和减速制动三个过程。如果最大稳定速度高允许的极限加速度小，则加减速的时间就会长一些，即有效速度就要低一些。所以，在考虑机器人运动特性时，除了要注意最大稳定速度外，还应注意其最大允许的加减速度。以用质量、力矩、惯性矩来表示。承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。一般低速运行时，承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓起的工件质量作为承载能力指标。精度，包括定位精度、重复精度和分辨率。定位精度是指机器人手部实际到达它们是根据机器人使用要求设计确定的，取决于机器人的机械精度与电气精度。驱动方式。指机器人的动力源形式，主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动等方式。控制方式。指机器人用于控制轴的方式，主要分为伺服控制和非伺服控制。机械结构组成通常机器人由手部、手腕、手臂、机身和移动机构组成。手部是机器人为了进行作人在一定范围空间内运动。驱动技术根据能量转换方式，将驱动器划分为液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动装置等。在选择机器人驱动器时，除了要充分考虑机器人的工作要求，如工作速度、最大搬运物重、驱动功率、驱动平稳性、精度要求外，还应考虑到是否能够在较大的惯性负载条件下提供足够的加速度以满足作业要求。液压驱动。液压驱动能够以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩，即获得较人液压驱动系统中，以电液伺服系统驱动最具有代表性。液压驱动可以把驱动油缸直接做成关节的一部分，故结构简单紧凑，刚性好，定位精度比气压驱动高，并可实现任意位置的开停；液压驱动调速简单、平稳，能在很大调整范围内实现无级调速。但是液压驱动存在许多缺点，如油液容易泄漏，影响工作的稳定性与定位精度，而且会造成环境污染；因油液黏度随温度而变化，且在高温与低温条件下很难应用；油液中容易混入气泡、水分等，使系统的刚性降低，速度特性及定位精度变坏；需配备压力源及复杂的管路系统，成本较高等。电液伺服驱动。电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输入系统来操纵位置控制、速度控制、压力控制和电液伺服控制。力油供到伺服阀，给定位置指令值与位置传感器的实测值之差经放大器放大后送到伺服液压驱动器的输出力与质量比最大。电液伺服阀是电液伺服系统中的放大转换元件，它把输入的小功率电流信号转换并放大成液压功率输出，实现执行元件的位移、速度、加速度及力的控制。电液伺服阀通常由机械转换装置、液压放大器和反馈（平衡）机构三部分组成。电气－机械转换装置用来将输入的电信号转换为转角或直线位移输出。输出转角的装置称为力矩马达，输出直线位移的装置称为力马达。液压放大器接受小功率的电气－机械转换装置输入的转角或直线位移信号，对大功率的压力油进行调节和分配，控制功率的转换和放大。反馈和平衡机构使电液伺服阀输出的流量或压力获得与输入信号成比例的特性。电液比例控制。电液比例控制是介于普通液压阀的开关控制和电液伺服控制之它的核心元件是电液比例阀，所以简称比例阀。气压驱动。气压驱动系统的组成与液压驱动系统有许多相似之处，但有明显的气压驱动在工业机械手中使用较多，使用的压力通常在0.4～0.6MPa，最高可达1MPa，其特点如下：达180m／s，而油液在管路中的流速仅为2.4～4.5m／s。气源方便，一般工厂都有压缩空气站供应压缩空气，亦可由空气压缩机取得。作，所以比液压驱动干净而简单。通过调节气量可实现无级变速。由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用。可以把驱动器做成关节的一部分，因而结构简单、刚性好、成本低。因为工作压力偏低，所以功率质量比小，驱动装置体积大。基于气体的可压缩性，气压驱动很难保证较高的定位精度。使用后的压缩空气向大气排放时，会产生噪声。因压缩空气含冷凝水，使得气压系统易锈蚀，在低温下易结冰。电气驱动。电气驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构要维护，可用在防爆场合，因此在现代机器人中广泛应用。步进电动机驱动。步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换载变化的影响，不受环境条件的限制，仅与脉冲频率同步，能按控制脉冲的要求立即启发控制和传动元件用时能大大简化系统。的受控电压、电流能量转换为电枢轴上的角位移或角速度输出，它由定子、转子（电枢）、换向器和机壳组成。定子的作用是产生磁场，转子由铁芯、绕组组成，用于产生电磁转矩；换向器由整流子、电刷组成，用于改变电枢绕组的电流方向，保证电枢在磁场作用下连续旋转。机和直线步进电动机三种。与旋转电动机相比，直线电动机传动主要有以下优点：直线电动机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声，且能快速响应。用直线电动机驱动时，由于不存在中间传动机构惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行。直线电动机由于散热面积大，容易冷却，所以允许较高的电磁负荷，可提高电动机的容量定额。直线电动机装配灵活性大，可将电动机和其他机件合成一体。运动控制技术人的结构是一个空间开链机构，其各个关节的运动是独立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的协调运动。机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人手足的状态可以在各种坐标下进行描述，应当根据需要选择不同的参考坐标系，并做适当的坐标变换。经常要求正向运动学和反向运动学的解，此外还要考虑惯性力、外力（包括重力）、哥氏力及向心力的影响。一个简单的机器人至少有3～5把多个独立的伺服系统有机地协调起来，使其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个“最优”的问照给定的指标要求，自动地选择最佳的控制规律。控制方式的分类机器人的控制方式分类如下：下面重点对按运动控制方式的分类进行介绍。动，最终保证机器人终端（手爪）沿预定的轨迹运行。实际中的机器人，大多为串接的连杆结构，其动态特性具有高度的非线性。但在其控制系统的设计中，往往把机器人的每个关节当成一个独立的伺服机构来处理。伺服系统一般在关节坐标空间中指定参考值输入，采用基于坐标的控制。通常机器人每个关节装有位置传感器用以测量关节位移，有时还用速度传感器（如测速电机）检测关节速度。虽然关节的驱动和传动方式多种多样，但作为模型，总可以认为每一个关节由一个驱动器单独驱动。工业机器人很少采用步进电动机等开环控制方式，实际应用中工业机器人几乎总是采用反馈控制，利用关节传感器得到反馈信息，计算所需的力矩，发出相应的力矩指令，以实现要求的运动。机器人位置控制又分为点位控制和连续轨迹控制。点位控制的特点是仅控制离散点上机器人手爪或工具的位姿，要求尽快而无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不做具体规定。点位控制的主要技术指标是定位精度和完成运动所需的时间。例如，在印制电路上进行安插元件、点焊、搬运、上下料等工作，都采用点位控制方式。连续轨迹控制的特点是连续控制机器人手爪的位姿轨迹。一般要求速度可控、轨迹光滑且运动平稳。连续轨迹控制的技术指标是轨迹精度和平稳性，例如，在弧焊、喷漆、切割等场所的机器人控制均属这一类。速度控制。对机器人运动控制来说，在位置控制的同时，有时还要进行速度控遵循一定的速度变化曲线。由于机器人是一种工作情况（行程负载）动区段。力（力矩）控制。在进行装配或抓取物体等作业时，机器人末端操作器与环境这时就要采取力（力矩）控制方式。力（力矩）控制是对位置控制的补充，这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，因此，系统中有力（力矩）传感器。智能控制。机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身能的迅速发展。机器人位置运动学本节将研究机器人正逆运动学。当已知所有的关节变量时，可用正运动学来确定机器人末端手的位姿。如果要使机器人末端手放在特定的点上并且具有特定的姿态，可用逆运动学来计算出每一关节变量的值。首先利用矩阵建立物体、位置、姿态以及运动的表示方法，然后研究直角坐标型、圆柱坐标型以及球坐标型等不同构型机器人的正逆运动学，最后利用Denavit－Hartenberg（D－H）表示法来推导机器人所有可能构型的正逆运动学方程。决定了机器人的末端位置，即如果末端执行器的长短不同，那么机器人的末端位置也不机器人的末端来确定末端执行器的位姿。假设有一个构型已知的机器人，即它的所有连杆长度和关节角度都是已知的，那么计算机器人手的位姿就称为正运动学分析。换言之，如果已知所有机器人关节变量，用正运动学方程就能计算任一瞬间机器人的位姿。然而，如果想要将机器人的手放在一个期望的位姿，就必须知道机器人的每一个连杆的长度和关节的角度，才能将手定位在所期望的位姿，这就叫作逆运动学分析，也就是说，这里不是把已知的机器人变量代入正向运动学方程中，而是要设法找到这些方程的逆解，从而求得所需的关节变量，使机器人放置在期望的位姿。事实上，逆运动学方程更为重要，机器人的控制器将用这些方程来计算关节值，并以此来运行机器人到达期望的位姿。下面首先推导机器人的正运动学方程，然后利用这些方程来计算逆运动学方程。对正运动学，必须推导出一组与机器人特定构型（法）有关的方程，以使得将有关的关节和连杆变量代入这些方程就能计算出机器人的位姿，然后可用这些方程推出逆运动学方程。要确定一个刚体在空间的位姿，须在物体上固连一个坐标系，然后描述该坐标系的原点位置和它三个轴的姿态，总共需要六个自由度或六条信息来完整地定义该物体的位姿。同理，如果要确定或找到机器人手在空间的位姿，也必须在机器人手上固连一个坐标系并确定机器人手坐标系的位姿，这正是机器人正运动学方程所要完成的任务。换言之，根据机器人连杆和关节的构型配置，可用一组特定的方程来建立机器人手的坐标系和参考坐标系之间的联系。图2－2先推导出位置方程，然后再推导出姿态方程，再将两者结合在一起而形成一组完整的方程。图2－2机器人手的坐标系相对于参考坐标系电力机器人导航定位技术导航定位概述导航定位技术由来已久，追其渊源可归结于人类对生存本能的需求。在古代人类为了完成各种生存所必需的活动，常常往返于森林、沙漠或大河山川间，这就需要借助各种古老的导航定位方法，他们或者采用人为标记的各种特殊符号，或者利用日月星辰的位置，又或者使用地磁罗盘和指南车等工具。随着人类文明的发展和人类活动范围的不断扩大，以及运输交通工具技术等的不断改变和创新，这些持续不断的社会需求作为原动力使导航技术层出不穷，已经成交通运输、气象、渔业、林业、测绘、民用导航等各种领域的重要组成部分。运行，实际就是要解决WWH问题：WhereamI？WhereamIgoing？HowshouldIthere？第一个问题是导航系统中的定位及跟踪问题，第二、三个是导航系统的路径规划目前在地面自主移动机器人导航定位中有多种方法，每种方法均包含其配套使用的传感器和导航定位算法。总体来看，在这些方法中，有一类方法机器人按照预先建立的路径运行，即路径跟踪；而另一类方法则先通过路标、地图或推算方式得到机器人在某坐标系下的位置，然后再在该坐标系下对机器人进行导航控制，即先定位后导航。导航定位实现技术目前移动机器人的导航定位方式很多，但就具体实现技术而言可以分为以下4类：引导定位技术、绝对定位技术、相对定位技术和组合导航技术。引导定位技术引导定位技术出现较早且发展较为成熟，主要用于沿固定路线运行的机器人。为应用该技术，大多数需要预先人工标记机器人运行路线和定位点，其次安装于载体上的引导定位传感器分别检测机器人相对于运行路线的偏移以及确定是否到达定位点，最后机器人控制系统根据这些信息控制机器人沿路径的运行和定位。定位点一般可用磁标记、射频识别（RFID）标签或色标等标识，引导方式可分为以下几种：轨道引导。在预定路线上铺设轨道，机器人利用导向驱动装置沿轨道运行。电磁引导。在地面敷设高磁性永磁体或金属线，机器人利用传感器阵列感应电下埋线式、涡流损耗式和磁性材料式3种。图2－3是瑞典AGVE－lectronics下埋线式引导原理示意图。图2－3地下埋线式引导原理示意图光电引导。在运行路线上设置色带或激光引导装置，机器人利用光电传感器检测色带或激光束，引导机器人沿设定路线运行。图2－4电传感器检测与白色背景中的黑色路线标记的偏离。图2－4光电引导原理示意图视觉引导。由于计算机视觉理论及算法的发展，视觉引导成为导航技术中的一像处理技术提取道路特征（自然特征或人工特征），从而引导机器人沿设定路线运行。绝对定位绝对定位技术的导航主要根据绝对定位传感器输出的绝对定位坐标和航向，实现对机器人的导航控制。根据所用定位传感器不同，绝对定位方式可以分为以下几种：卫星定位。全球定位系统（GPS）及其他类似系统（俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的伽利略系统、中国的北斗系统等）伪距离测量计算出用户（接收机）的位置。机器人通过安装卫星信号接收装置，就可以实现自身定位。卫星定位系统能为海陆空用户全天候、全时间、连续提供精确的位置、速度和时间信息，但却存在系统动态响应能力差、易受电子干扰、信号易被遮挡且完善性较差的缺点。图2－5为机器人GPS导航示意图。人工路标定位。在机器人运行道路两旁已知位置上人为设定导航定位标志（如反光板），之后通过激光或（全景）少检测到3个路标后，经三角几何运算就可得到机器人的位置和航向。这种定位方式具有不受电磁干扰、定位精确、可灵活设定运行路径的特点，但在室外应用时外部环境（雾、太阳光照等）会对其定位精度产生不利的影响。图2－6原理示意图。图2－5机器人GPS导航示意图图2－6基于三角法的人工路标定位原理示意图无线传感器网络定位。该导航方式类似于卫星导航，其在导航区域已知位置安频识别定位、ZigBee定位、UWB定位以及基于5.8GHz技术的定位。图2－7为一个典型的无线定位原理示意图。图2－7典型的无线定位原理示意图基于地图的定位。基于地图的定位主要包括地图匹配定位、同时定位与建图（simultaneouslocalizationandmapping，SLAM）定位两种。前者可以采用局部地图与全局地图匹配方式，通过求取平移旋转矩阵来定位机器人在全局坐标系下的方位，其全局地图的生成与定位可以是两个独立的过程；而后者则是利用全局地图信息通过对所估计机器人位置的不断校正最终得到机器人的精确位置和航向，其全局地图生成过程与机器人定位过程紧密相关，即同时定位与建图。在基于地图的定位中，常用的传感器有激光传感器和视觉传感器。图2－8为一变电站内激光SLAM导航系统运行仿真图，图2－8（a）为站内设备区电子地图；图2－8（b）左侧为设备区内重复定位测试散点图，图中外部误差圆表示±4cm范围，内部误差圆表示±2cm范围；图2－8（b）右侧为设备区内各次重复定位测试时得到的航向曲线。相对定位技术相对定位基于初始参考点和参考方向的不断累加推算以得到当前所处位置和方向，其基本原理都是基于测量值的累积，因而无法避免误差累积问题，随着运行距离和时间的增长，任何小的误差经过累积都会无限增加。相对定位导航主要包含以下几种：图2－8激光SLAM导航系统运行仿真图（a）设备区电子地图；（b）测试结果航位推算（dead－reckoning，DR）。航位推算通常由航向传感器（如陀螺仪和速度传感器（如里程计）2－9是航位推算原理示意图。图2－9航位推算原理示意图惯性导航。惯性导航（inertialnavigationsystem，INS）提供载体需要的几乎所有导航参数，同时具有数据更新率高、短期精度和稳定性好的优间长又要求快速反应的应用场合而言是致命的弱点。图2－10为惯性导航中的关键设备陀螺仪。图2－10惯性导航中的关键设备陀螺仪视觉里程计。视觉里程计（visualodometry，VO）例如，NASA火星探测机器人使用了立体视觉里程计技术。组合导航技术相对定位导航不适于长距离和长时间的准确定位导航，但其具有不受电磁干扰、路径灵活性强的优点，通常将其与绝对定位导航技术相结合，采用组合导航的方法以获得更可靠的位置估计。另外由于导航系统种类多样，可以通过多种手段在不同环境及工作条件下获取导航信息，实际中人们已经很少依赖单一导航系统完成导航功能，而是将各类载体上的导航系统的信息和功能结合起来，形成综合性能更强的组合导航系统。常见的组合导航系统有以下几种：GPS／INS组合导航系统。根据以上分析可知，将INS系统和GPS系统两者组合在一起，高精度GPS信息作外部量测输入，在运动过程可频繁修正INS时间的积累；且短时间内高精度的惯导定位结果，可很好地解决GPS动态环境中的信号失立系统。因此GPS／INS的组合被认为是目前导航领域最理想的组合方式。GPS／DR组合导航系统。在车辆导航等一些低成本的导航应用领域，经常采用DR／GPS组合导航方式。由于DR导航系统不能提供载体初始坐标和初始航向角，无法得到航位推算的初始值，且在进行航位推算时其误差逐步积累发散，因此DR系统不适合长时间独立导航，需要其他手段对误差进行适当补偿。GPS／DR组合导航系统便可以充分结合两种导航手段的优点。GPS系统提供的绝对位置可以为DR系统提供航位推算的初始值，并可以对DR系统进行定位误差的矫正和系统参数的修正，同时DR系统的连续推算具有相对精度，可以补偿GPS系统定位中的随机误差和定位断点，平滑定位轨迹。电力机器人通信技术有线通信目前比较通用的、适合机器人应用的有线通信有以下3种方式：串行通信、控制局域网（CAN）现场总线通信和工业以太网通信。串行通信嵌入式工控机是目前机器人上应用比较广泛的一种计算机，它可以作为移动机器人的通信管理机。单片机微处理器和微控制器具有丰富的外设和资源，且价格低廉，通常作为机器人上其他模块的主控芯片。通信管理机与其他模块之间一般采用串行通信技术，常用的串行通信接口有RS－232C接口与RS－485接口。标准的RS－232C的连接插头用9针或25针的EIA连接插头，其主要端子分配如表2－1所示。表2－1RS－232C主要端子分配RS－232C标准是按负逻辑定义的，它的“1”电平在－15～－5V之间（通常用－12V表示），它的“0”电平在＋5～＋15V之间（通常用＋12V表示），这样采用5V电源供电的TTL和CMOS通信接口电路和RS－232C不能直接连接，需进行电平转换。由于RS－232C采用电平传输，在通信速率为19.2kbit／s时，其通信距离只有15m。若要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。由于RS－232C通信距离较近，当传输距离较远时，可采用RS－485串行通信接口。RS－485接口采用平衡驱动器和差分接收器的方式，即在发送端将TTL出，在接收端将差分信号转换成TTL信号，因此具有较高的共模抑制能力。同时接收器具有较高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，数据传输距离可达1200m。如降低数据传输率，则通信距离可更长。当通信速率为1200bit／s时，理论上通信距离可达15km距离超过300m时，在网络的两端需接入120Ω的匹配电阻，以减少因阻抗不匹配而引起的反射，吸收噪声，从而有效抑制噪声干扰。RS－485接口采用二线差分平衡传输，其信号定义为：当采用＋5V电源供电时，若差分电压信号为－2500～－200mV时，为逻辑＋200～＋2500mV时，为逻辑“1”；若差分电压信号为－200～＋200mV时，为高阻状态。采用RS－485组成的总线拓扑结构的分布式测控系统，在双绞线终端应接120Ω的终端电阻。CAN现场总线通信CAN为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN总线最早应用于汽车工业，用来解决汽车内部复杂的硬件信号接线。目前CAN总线以其独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强等特点在各领域得到广泛应用。CAN具有以下特点：CAN节点发送信息，不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。CAN据最多可在134μs内得到传输。CAN节点自动停止发送，在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪。CAN10km（5kbit／s），节点数目可达110个。CAN采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，具有CRC数据出错几率小。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭功能，不会影响总线上其他节点操作。统。工业以太网通信基于TCP／IP协议的工业以太网是一种标准开放式的网络，由于其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以很容易地实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享；同时，具有数据传输距离长、传输效率高的特点；易与Internet连接，低成本、易组网，与计算机、服务器的接口十分方便，受到广泛的技术支持。采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续发展。由于以太网的广泛应用，其发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入，保证了以太网技术的不断发展。如果工业控制领域采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持续发展，并在技术升级方面无需独自的研究投入。以太网受到广泛的开发技术支持。由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，例如Java、VisualC＋＋、VisualBasic等。采用以太网作为现场总线，可以有多种开发工具、开发环境供选择。由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，它也受到硬件开发商的高度重视，这使得以太网系统的设计有广泛的硬件产品可供选择。由于以太网已被使用多年，具有大量的软件资源，人们对以太网设计、应用有很多的经验，对以太网技术十分熟悉。最重要的是，如果采用以太网作为现场总线技术，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般的计算机网络技术相互促进的局面。这意味着可以实现自动化控制领域的彻底开放，从而打破任何垄断的企图，并使自动化领域产生新的生机和活力。无线通信WiFi无线保真技术（WirelessFidelity，WiFi）即IEEE802.11输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号，工作在2.4GHz段全球开放，即不用申请就可以在世界的任何地方使用这一频段进行通信。WiFi版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。规定了无线局域网的基本网络结构和基本传输介质，规范了物理层（PHY）和介质访问层（MAC）的特性。物理层采用红外、DSSS（直接序列扩频）或FSSS（调频扩频）技术。1999IEEE802.11a和IEEE802.11g标准。WiFi具有以下特点：无线电波的覆盖范围较广。蓝牙的电波覆盖范围很小，半径只有15mWiFi的半径可达100m。WiFi的传输速度很快，其传输速率最高可达54Mbit／s，像、语音和多媒体等业务。求。健康安全。IEEE802.11规定的发射功率不可超过100mW，实际发射功率70mW，WiFi产品的辐射非常少。考虑到WiFi的传输距离及功率，目前在一些小型变电站，没有大型建筑遮挡的情况下，可以考虑使用WiFi电站，WiFi并不适用，另外WiFi的网络安全问题也是需要考虑的。2.3G第三代移动通信技术（3rd－Generation，3G）是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。3G能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会输速度，在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbit／s、384kbit／s以及144kbit／s的传输速度。3G秒以上。目前3G存在：WCDMA、CD－MA2000、TD－SCDMA、WiMAX（国内暂不支持）4种标准。表2－2给出了目前国内支持的3种3G标准的技术参数。表2－23G标准的技术参数COFDM编码正交频分复用（codedorthogonalfrequencydivisionCOFDM），是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。其基本原理就是将高速数据流通过串并转换，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。COFDM技术在无线图像传输方面应用有以下独特的优势：COFDM的多载波技术特点，使得COFDM设备具备非视距、绕射传输的优势，在城灵活。COFDM平台上。COFDM技术传输带宽高，适合高码流、高画质的音视频传输。图像码流大于4Mbit／s的高码流、高画质的音视频数据流对编码、信道速率要求十分高。COFDM个子载波可以选择QPSK、16QAM、64QAM等高速调制，合成后的信道速率一般均大于／s。因此，可以传输MPEG－2中4∶2∶0、4∶2∶2等高质量编解码图像，接收端图像分辨率可达到720×576或720×480，码流可以在6Mbit／s左右，接收后的图像质量接近DVD画质，完全可以满足接收端后期音视频分析、存储、编辑等具体的要求。在复杂电磁环境中，COFDM载波系统中（如数字微波、扩频微波等），但是在多载波COFDM系统中，仅仅有很小一部分子载波会受到干扰，并且这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错，确保传输的低误码率。几种无线通信方式的比较3G技术由于可以利用运营商的3G网络，在系统部署上有着不可匹比的便捷性，只要有3G信号的区域，就可以方便部署。如此，采用3G传输的手持、车载设备非常普遍。但是这一方案有两个明显缺点：①3G需要按数据流量付费，对于要求高质量画质的机器人系统来说，后期的流量费用将是用户一个不小的负担；②3G流量的不可靠性，每个3G的基站上线带宽是有限的，同一基站的接入终端多了，分给每一个终端的带宽自然就会减小，这是不可控的。基于上述原因，3G技术不适于长期应用。COFDM技术是一种优秀的低频（300MHz）视频传输技术，由于可以实现非视距高质量视频传输，已经在视频监控领域得到广泛应用。COFDM技术具有较强的绕射能力与抗电磁干扰能力，即使在窄带带宽下也能够发出大量的数据，特别适合用于高速移动设备平台。考虑到电力巡检机器人的工作环境和功能需求，COFDM技术非常适合系统应用。但是COFDM收发设备如果作为正常部署的监控传输手段，则必须向无线委员会申请无线频点。同时，由于这种技术收发设备一一对应，在需要多个前端配置的项目中建设费用会比较高，同时设备间的相互干扰也会成为突出问题。WiFi技术工作于开放频段，不存在无线委员会的烦杂手续和运营商的流量费；另外WiFi带宽优势明显，IEEE 802.11n标准甚至可以实现几百兆的带宽。唯一不足就是WiFi技术不支持非视距传输，传输距离较小，这限制了机器人的运行范围。电力机器人电源管理技术电池的特性电池是指能将化学能、内能、光能、原子能等形式的能直接转化为电能的装置，可以分为化学电池、物理电池、生物电池等。在化学电池中，根据能否通过充电方式恢复电池存储电能的特性，可以分为一次电池（也称原电池）和二次电池（又名蓄电池，俗称可充电电池，可以多次重复使用）两大类。由于需要重复使用，机器人上通常采用二次电池。电池作为机器人电源使用时，由于受机器人体积、尺寸、质量的限制，一般希望能够满足体积小、质量轻、能量密度大的要求，并且要求能够在室外环境应用，以及在各种振动、冲击条件下具有良好安全性和可靠性。下面着重介绍机器人常用的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。铅酸电池原理铅酸电池已具有一百多年应用历史。构成铅酸电池包括正极板（二氧化铅PbO2）负极板（海绵状纯铅Pb）、隔板、电极和壳体等，如图2－11所示。图2－11铅酸电池（a）结构；（b）外观铅酸电池的工作原理是：电池内的阳极（PbO2 ）及阴极（Pb）浸到电解液（稀酸）中，两极间会产生2V的电压，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化充放电特性用恒电流对电池进行充放电时，通常都是用曲线表达电池的端电压随时间的变化规律，该曲线就是电池的特性曲线。某铅酸电池在不同倍率下的放电曲线见图2－12。从图2－12中可以看出，在电池放电初期，电池端电压变化很小。随着放电继续进行，端电压最终将出现急剧下降的拐点，拐点之后的曲线具有电压急剧下降的趋势，直到放电曲线的终点。这个终点代表了电池的放电终止电压，即电池放电时电压下降到不宜再继续放电时的最低工作电压。由于铅酸电池本身的特性，即使放电终止电压继续降低，电池也不会放出太多电量，但是终止电压过低对电池的损伤极大，将大大缩短电池的寿命。从图2－12中还可以看到，电池在高倍率放电时，放电电流越大，正极和负极的极化越大，端电压下降越快。图2－12铅酸电池在不同倍率下的放电曲线铅酸电池的充电过程一般分为恒流充电、恒压充电和浮充充电三个阶段。在恒流充电阶段，充电电流是一个恒定值，电池的电压始终是上升的，电池的容量基本呈线性增长。当恒流充电结束时，电池的电压基本保持不变，称为恒压充电。在恒压充电阶段，电池的电流逐渐减小，并最终趋于零，电池容量增长的速度减慢。恒压充电结束后，转入浮充充电，以保持电池的储能，防止电池的自放电。采用恒流限压充电的特性曲线见图2－13，限制电压为2.25V（25℃）。温度特性

图2－13采用恒流限压充电的特性曲线铅酸电池放电容量与温度密切相关。在低温下电池电解液的电阻明显增加，电解液的黏度增加，导致硫酸的扩散速度或电解液在活性物质孔隙中流动能力下降，这时的液相传质过程成为电极反应的主要限制因素。图2－14是铅酸电池放电输出容量与温度的关系。在20℃以上能输出100%的容量，而在低温下输出容量明显下降。

图2－14铅酸电池放电容量与温度的关系铅酸蓄电池最大的特点是价格较低，支持20C以上的大电流放电（20C意味着10A·h的电池可以达到10×20＝200A的放电电流），对过充电的耐受能力强，技术成熟，可靠性相对较高，没有记忆效应，充放电控制容易。但寿命较低（充放电循环通常不超过500次），体积和质量大，而且在铅酸电池的生产和回收过程中会对环境造成污染。镍氢电池原理密封镍氢电池（MH－Ni电池）的结构如图2－15所示。图2－15镍氢电池的结构镍氢电池在充放电过程中的电化学反应式为电极电位约为0.390V。电极电位为约－0.928V。总的电池反应式为：电池理论电压＝正极电位－负极电位＝0.390－（－0.928）＝1.318（V）从上面总的化学反应式来看，镍氢电池的主要特性是，在充放电过程中，只有氢在正负极间转移，电解液没有参加反应，其数量在反应中不会减少或增多。化学反应式右边所示的电池充放电机理会有助于了解电池通过质子转移所发生的有用的化学反应。通过使负极储氢合金富余，可以复合过充时正极释放出来的氧气，使电池的内压保持恒定，这样才可能对电池进行密封。充放电特性MH－Ni般，放电倍率越大，放电容量与放电电压越低；环境温度下降，放电容量与放电电压下降。在常温（20℃）下，不同放电倍率时镍氢电池的放电特性如图2－16所示。由图可以看出，采用0.2C 放电倍率时，电压下降到1.2V时，镍氢电池已经放出标称容量的90%上；采用大电流1C放电时，电池电压降到1.2V时，放出的容量也达到70%以上。镍氢电池的充电电压受温度和充电速率的影响，温度高，充电电压低（见图2－17）；充电速率快，充电电压高（见图2－18）。在0～30℃范围内电池具有最好的充电性能和最高的充电效率。如果充电环境温度很高（如超过40℃），电池必须进行强制冷却，否则不能进行正常有效地充电，严重会造成热失控。如果温度非常低（如－20℃），电压会非常高，充电效率也会降低。图2－16镍氢电池常温（20℃）下的放电特性温度特性

图2－17充电温度对镍氢电池充电电压的影响（0.3C）在相同放电倍率条件下，环境温度不同，放电电压也不同，随着放电倍率提高，温度对放电容量的影响越来越显著，特别是低温条件下放电时，放电容量下降更明显。不同温度下镍氢电池的放电曲线如图2－19所示。图2－18充电速率对镍氢电池充电电压的影响（20℃）

图2－19不同温度下镍氢电池的放电曲线镍氢电池的特点是能量密度高，无记忆效应，耐过充过放能力强，无污染，被称为绿色电池。缺点是电压低，大电流放电能力比铅酸电池和锂离子电池差。锂离子电池原理锂离子电池是指以Li＋嵌入化合物为正负极的二次电池，根据内部材料的不同可以分为液态锂离子电池、聚合物锂离子电池和固态锂离子电池等。锂离子电池的结构见图2－20，其主要组成部件包括：图2－20锂离子电池的结构正极：活性物质（磷酸亚铁锂、三元、锰酸锂、钴酸锂等）黏合剂、集流体（铝箔）等。负极：活性物质（石墨、硬碳等）、导电剂、粘合剂、集流体（铜箔）等。隔膜。电解液。锂离子电池的电化学原理如下充放电特性锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1%。目前使用比较普遍的是额定电压3.7V的电池，该电池的充电终止电压为4.2V，那么允许的误差范围就是0.042V。锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电模式。充电开始为恒流阶段，电池的电压较低，在此过程中，充电电流稳定不变。随着充电的继续进行，电池电压逐渐上升到此时充电器应立即转入恒压充电，充电电压波动应控制在1%充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态。图2－21为锂离子电池充电特性曲线。图2－21锂离子电池的充电特性曲线锂离子电池放电时，一是放电电流不能过大，过大的电流会导致内部发热，有可能会造成永久性的伤害；二是电池电压不能过低，超过放电终止电压后，若仍然继续放电，将产生过放现象，这也会造成电池永久性损坏。不同的放电速率下，电池电压的变化有很大的区别。放电速率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低。采用0.2C放电速率，单体电池电压下降到2.75V时，可放出额定容量。采用1C放电速率时，能够放出额定容量的98.4%。图2－22是一般锂离子电池的在不同放电速率下的典型放电特性曲线。温度特性锂离子电池具有良好的高低温性能。容量为1000mA·h的STL18650磷酸亚铁锂电池放电曲线如图2－23所示，如果在23℃时放电容量为100%，则在0℃时的放电容量降为78%，而在－20℃时降到65%，在＋40℃放电时其放电容量略大于100%。从图2－23中可看出，STL18650磷酸铁锂电池可以在－20℃下工作，但输出能量要降低35%左右。图2－22锂离子电池在不同放电速率下的放电特性曲线图2－23STL18650（1000mA·h）在不同温度下的放电曲线锂离子电池的特点锂离子电池的主要优点是电压高、比能力量大、循环寿命长、无公害、无记忆效应、自放电小、工作温度范围广等。主要缺点是成本高、电池内阻大，不能大电流放电，电池需要特殊的保护电路，防止过充电和过放电。电池的比较与选择以及方便维护等因素，选择合适电压和容量的电池。例如：一台质量为50kg的移动机器人，正常运行的功率为100W左右。如果工作电压为24V，要求可以续航5h，选择20～25A·h而且电池充电时间也会比较长。常用各类蓄电池的性能比较见表2－3。表2－3 各类蓄电池的性能比较续表另外，在移动机器人系统中，考虑到电压、电流的不同，噪声和电源的波动问题，以及控制芯片的稳定性等，最好把控制用电池和电机用电池分开。电力机器人带电作业技术带电作业是指在高压电工设备上不停电进行检修、测试的一种作业方法。带电作业是避免检修停电，保证正常供电的有效措施。其内容可分为带电测试、带电检查和带电维修等方面。按人与带电体的相对位置划分。间接作业。间接作业是作业人员不直接接触带电体，保持一定的安全距离，利用电位作业、带电水冲洗和带电气吹清扫绝缘子等都属于间接作业。直接作业。在送电线路带电作业中，作业人员穿戴全套屏蔽防护用具，借助绝缘带电体不是同一电位，对防护用具的要求是绝缘性能越高越好。按作业人员自身电位划分。地电位作业。地电位作业是作业人员保持人体与大地（或杆塔）同一电位，通过绝缘工具接触带电体的作业。人体与带电体的关系是：大地（杆塔）→带电体。与带电体的关系是：大地（杆塔）→绝缘体→人体→绝缘工具→带电体。等电位作业。等电位作业是作业人员保持与带电体（导线）体与带电体的关系是：带电体（人体）→绝缘体→大地（杆塔）。电力设备检测技术红外检测红外线理论及基本概念红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在770nm～1mm之间，如图2－24所示。可见光的波长范围为0.38～0.78μm，红外线是波长比红光长的非可见光，覆盖室温下物体所发出的热辐射的波段。普通玻璃能透过可见光，但是却几乎不能透过红外线。红外线透过云雾能力比可见光强，在通信、探测、医疗、军事等方面有广泛的应用。图2－24红外线波长范围热量或热辐射是红外线的主要来源，任何温度高于绝对零度（－273.16℃）的物体都会发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。日常生活中，阳光、火、散热器等散发的被我们感觉到的热量都是红外辐射。不论是白天还是夜晚红外辐射都在我们的身边。物体的温度越高，它发射的红外射线就越强。冰川的红外辐射如图2－25所示。图2－25冰川的红外辐射图物体的辐射。根据斯特藩－波尔兹曼（Stefan－Boltzmann）出射度为式中：W为单位面积发射的辐射功率，W／m2；ε为物体表面的发射率或辐射率，表示物体表面辐射红外的能力，当ε＝1时这种物体就称为黑体，而自然界中所有物体ε都小于1，通常称这种物体为灰体；σ为斯特藩－波尔兹曼常数；T为绝对温度K。由式（2－1）可知，黑体的全辐射出射度与其绝对温度的4次方成正比。因此，当绝对温度有很小变化时，就会引起辐射出射度的很大变化。物体的辐射率ε是影响热像系统成像与测温的主要因素，物体的辐射特性由ε来表示。黑体是在任何情况下对一切波长的入射辐射的