一种GIS设备检修机器人设计

雷云飞，彭 佳，沈忠伟，谭明甜，王 彪，曾昭强

（国网湖南省电力有限公司检修公司，长沙 410004）

根据国家电网公司2007年以来故障统计数据，气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）发生故障占比逐年增加，并且故障原因也向多元化方向发展，GIS设备常见的故障大至可分为10种不同类型，各类故障的比例分部情况如图1所示。

图1 过去10年GIS设备故障类型统计

图1中数据表明，异物引起的GIS设备内部击穿放电次数多，占比高达到29%，通过各类事故分析显示，GIS内部的异物主要是各种粉尘状颗粒物。

GIS设备主要由断路器、隔离刀闸、接地刀闸、TA、TV等电气零部件构成，凭借SF6气体优良的绝缘能力，将各相关部件封闭在GIS壳体内SF6气体环境中[1]。在GIS设备生产制造过程中，设备所有的内部部件表面都必须经过严格的平滑处理和清洗以去除表面尖端及粉尘状颗粒杂质。然而，GIS设备零部件拼接时部件之间存在相互摩擦，运输道路颠簸使得设备承受振动，设备操作过程中引起的冲击震动，以及由设备投运后由于倒闸操作或开断电流而形成的碎片，都会在GIS设备封闭壳体内部产生金属颗粒物。GIS设备在组装过程中，需要进行抽真空及填充SF6气体，受现场施工环境影响，填充SF6气体时空气中浮尘或悬浮颗粒很容易同步进入GIS设备内部。此外，若设备吸附剂封装盖材质选择不当或安装过程中操作不当，也可能在GIS设备内部形成悬浮颗粒。各类颗粒状杂质在电场中吸附电荷，形成带电颗粒，在内部电场的作用会发生无规则迁移，将严重威胁GIS设备的绝缘能力。[2-3]。

为了在检修工作中准确的获得GIS设备内部的状况，目前各单位普遍采用的有两种方法：内镜法和机器人法[4]。内镜法是将摄像头固定在一根可延长的长杆上，然后延伸进入GIS设备的内部对其进行观察，该方法操作相对而言较为简单。但内镜法只是达成检查功能而不能开展内部作业。比较而言，机器人体积小巧，操作简单，智能化程度高，可实现开展检修作业的功能，已经成为各方的主要研究方向。

因此，本文提出了一种能够在GIS设备母线段管道内部自由行走、并能沿着管壁进行一定攀升，同时具备内部检查、清扫吸尘、夹取异物并且能对螺栓进行简单处理的多功能的检修机器人。

1 工作原理和结构设计

1.1 机器人工作原理

GIS设备检修机器人主要是用于观察检测GIS设备母线段管道内部的的情况，在检测的同时，对管道内部的金属碎屑和异物颗粒进行吸取收集，对掉落异物用机械臂进行夹取收集，以及能对母线段接头螺栓进行一些简单的处理。使用时，将机器人小车通过GIS设备检修手孔放入母线筒，操作可通过连接在控制箱上的电脑上的上位机界面来对机器人进行远程控制。电脑上位机控制终端除了能够控制机器人的正常的管道内部行走、转向、和沿管壁进行攀升，还可以控制机器人切换机器人所配备机械臂上的摄像头的角度来对管道内部进行多方位的观测，检查GIS设备内部的状况；利用可控制吸尘器吸取GIS设备筒壁底部的金属碎屑和异物并进行收集，识别螺栓并使用机械臂上的螺栓紧固机构进行紧固，在发现有螺栓掉落的情况时，可以通过更换机械臂终端的机构对掉落的螺栓进行夹取和处理。

1.2 机器人整体结构设计

机器人结构设计机器人分为两部分，配备有控制电路板、机械臂、吸尘器等设备的机器人小车（小车）和包括视频服务器、数传、图传和交换机的远程控制箱（控制箱），小车和控制箱之间通过无线通信模块发送信号和指令。整体结构如图2所示：

图2 GIS设备检修机器人总体结构图

小车包括车体框架部分、控制器电路板、吸尘模块、无线通信信号传输模块、驱动电路和行走轮、摄像头和图传、电池和可更换末端端子的机械臂。其主要功能是控制机器人小车在直径650mm左右的GIS设备母线段管道内部行驶，通过摄像头和图传传回的视频信息对GIS设备内部进行实时检测，同时使用吸尘模块处理GIS设备底部的金属碎屑，通过更换机械臂终端的部件清理掉落的大体积异物和对螺栓进行紧固。

其中，车体部分呈长方形。前段配备了机械臂，摄像头；内部配备有主控电路板和行进设备，包括主控芯片STM32单片机芯片、电机驱动和行进轮；尾部装有摄像检测模块和吸尘模块。

吸尘模块主要由一功率可调无刷吸尘电机组成，在出风口安装一个吸尘袋用于放置吸取上来的金属碎屑。

摄像检测模块主要由三个摄像头组成，包括放置在小车前部和尾部的两个摄像头和放置在机械臂上的一个微型摄像头。在实际工作中，既可以通过车前后的云台控制摄像头左右移动，也可以通过控制机械臂的运动实现多方位、多角度的检测GIS设备内部的情况。在通过图传将图像数据转换为无线信号之后，将图像数据传送到控制盒显示在与其连接的电脑上位机界面上。

小车内部的主控制芯片STM32通过控制电机驱动，来达到控制机器人的行进和转向、机械臂的运动的目的。

机械臂模块由一个三自由度的机械臂和两自由度的舵机组成，其中三自由度的机械臂的终端部分可切换为电动夹爪和螺栓套筒，主要针对GIS设备内部的大体积掉落物和需要紧固的螺栓进行处理[5-6]。

车体两侧有两对行驶轮，采用四驱方式进行驱动，为机器人在GIS设备内部行走、转向和沿管壁攀升提供动力保障。

GIS设备检修机器人示意图如图3所示：

图3 GIS设备检修机器人示意图

2 机器人运动控制

2.1 机器人驱动电机选择

驱动电机的选择直接影响GIS检修机器人的工作性能。影响机器人驱动电机功率的主要因素包括有：机器人主体的质量，行进轮的尺寸，所要求的速度以及其他各种阻力等。为简化计算，假设如下：

（1）机器人在倾斜角为α的GIS设备母线段管道内部行驶；

（2）各驱动轮的动作状态相同。

设检修机器人在GIS设备内部正常行进时的行驶速度为v，机器人的加速度dv/dt为，根据运动力学分析，机器人正常工作时所需驱动力为：

式中，m为检修机器人本身质量；Mi为电机的驱动力矩；Mfi为GIS设备管道对行驶轮的摩擦阻力矩；Ri为行驶轮的半径；Fz为在GIS设备管道内部行走所需的动力；f1为其他阻力；为机器人加速阻力。

根据对机器人驱动力的分析，确定驱动电机的功率P为：

式中，K为余度系数；η为机构传动效率。

本项目中，设4kg的机器人工作在平行即坡度为0的GIS设备管道中，以v=10m·min-1的速度匀速前进，检修机器人的行驶轮半径r=30mm，摩擦系数μ=0.5，K=2，η=0.65，Fz=2N，f1=6N根据公式（1）和公式（2），则电机功率计算如下：

GIS设备检修机器人所需驱动电机总功率为：

根据实际GIS设备母线筒内表面光滑度，计算所取的动力值要稍偏大一些。由此，设计采取四轮驱动方式，驱动电机功率为7W。

2.2 机器人运动控制

由于机器人是在光滑GIS设备母线筒中行走，所以在某一侧的轮胎被筒内的金属碎屑影响时，会对机器人的行进方向产生一些偏斜。当机器人发生偏斜情况的时候，由于机器人在水平行驶的时候与母线筒内部的母线是平行的，可以通过机器人观察前部的摄像头所采集的母线是否与小车垂直发现是否发生偏移，然后可以通过上位机发出指令，迫使小车进行转向，从而返回水平位置。

3 图像处理

小车的内部状态监测功能主要通过图像处理的方式实现，首先由小车云台携带的摄像机采集GIS设备母线筒和母线上的图像信息，然后传输到上位机，上位机再对图像进行灰度化、二值化、图像去噪、特征提取等处理等步骤，使GIS设备内部的杂物更易被识别。

（1）图像灰度化

摄像机所采集到的图像一般是RGB三色通道的模型，即蓝色、绿色、红色这3种成分，可以按不同比例混合，各个不同分量可以得到所有的颜色信息，但是这些信息所占据的存储空间较大，所以无法通过数学方法对其进行处理。因此，需要将RGB模型进行灰度化处理，即将RGB模型处理成单色彩通道的模型，其公式为[7]：

（2）二值化

图片在经过灰度化处理之后，每个点的像素值g（x，y）都在（0，225）之间，设定一个阈值Δ，则二值化图像为f（x，y）[8-9]：

由于GIS设备母线段管道内部环境没有光源，小车会携带光源进入其中工作，所以在小车移动时，会引起光线的变化，因此具有固定阈值的图像二值化将无法得到预期中的结果。出于这个原因，我们使用计算简单的Otsu算法进行自适应阈值确定，让其尽可能不受外部条件的影响[10]。

（3）图像去噪

由于检修机器人在GIS设备内部工作室会不停的运动，从而会引起光源和摄像头的抖动，从而会使收集的图像的质量受到影响，因此，在图像分析之前，需要对源图像执行消噪处理。现场测试的结果显示，脉冲噪声是影响图像质量的最主要的噪声，因此我们采用中值滤波算法，它是典型的低通滤波器。可以有效地过滤图像中的尖峰脉冲干扰，其中中值滤波算法是[11-12]：

式中，median表示取中值操作。

（4）特征提取

当GIS设备母线段管道内部没有各种易见杂物时，管壁是高亮区域，GIS设备母线深度为暗区，中间形成圆形区域分开从管壁。当GIS设备中存在有可见异物时，在光照下，与GIS设备母线类似地形成高光区域，可见异物体积越大，高光区域越大。根据该特征，我们提出了以下用于提取异物特征的方法：

在二值化的图像f（x，y）中，一个像素点的值是0或1，则面积S为[13-14]：

中心C为：

式中，f（x，y）≠0，即x和y是像素值Δθ不为零的坐标值。通过在空母线较小时比较当前区域S与图像中心C的尺寸以及S和C的尺寸，确定当前母线是否存在异物和异物的位置[15]。

图4显示了空母线和碎片母线的图像识别结果。

图4 母线筒内有异物识别效果图

机器人将母线筒内杂物的识别结果提供给控制箱，金属碎屑可以通过吸尘模块吸取，当存在大体积杂物的时候，可以通过机械臂对其进行处理。

4 结束语

针对现在新型变电站采用GIS设备越来越多，但是检修工作极其耗费人力和物力的现状，本文设计了一种GIS设备检修机器人，对GIS设备进行检修工作。该机器人使用无线通讯，通过控制箱控制行动，可以识别GIS设备内杂物并对其进行处理，设计机械臂对螺栓进行紧固。现场试验证明，该机器人能在GIS设备内平稳可靠地开展检查、清洁和螺栓紧固作业，具有较大的使用价值。