《电缆穿管特种机器人系统的研究》实施方案0718N1.docx

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《电缆穿管特种机器人系统的研究》实施方案0718N1

《电缆穿管特种机器人系统的研究》

（2019年科技项目）

实施方案

批准：

审定：

审核：

编制：

XXX供电公司

二○一九年七月

一、意义

随着城市电网的入地工程持续的展开，电力电缆线路也随着大幅度的增加，尤其是局部支线需要穿线的预埋钢管（或者PVC管），这就给电缆运行维护单位提出了难题。

同时信息技术和人工智能的发展，机器人技术的进步与发展越来越迅速。

在各种机器人中，工业机器人应用较早，发展也较为成熟，且在汽车制造等行业得到广泛的应用。

而在电力行业，一些工作在实施的过程中，人工的效率比较低下，重复性高且较为繁琐，另一些工作则因为环境恶劣、危险，容易对人身造成伤害。

目前需要一种穿管机器人代替人工进行工作。

主要解决长距离城市管道穿线的需求；预埋穿线管道的验收勘察；牵引穿线；清理管道内部杂物对管道内部进行润滑减少摩擦力等。

1.1行业现状

目前还没有一种有效的手段对于较长的预埋管道进行穿线作业及相关工作，需要研发一种便携式的管道机器人，解决长距离城市管道穿线的需求；预埋穿线管道的验收勘察；牵引穿线；清理管道内部杂物对管道内部进行润滑减少摩擦力等。

1.2国内外研究背景

在对管道进行各种施工作业过程中，一般都需要机器人具有自主位置控制能力。

所以真正意义上的管道机器人必须具有自主行走能力。

按驱动形式可把此类管道机器人分成轮式管内移动机器人、履带式管内移动机器人、蠕动式管内移动机器人等类型。

轮式管内移动机器人

轮式管内移动机器人在汽车等轮式交通工具的启发下，人们很自然地想到管道机器人可以采用轮式驱动方案。

实际上，由于轮式行走具有结构简单、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于控制等诸多优点．使得目前已开发出的管道机器人大多数为轮式驱动方式，轮式管内移动机器人也是工程管道用机器人实用化程度鼓高、数量最多的一种。

由于轮式驱动管道机器人行走动力来源于驱动轮与管壁间的摩擦力．所以潜在驱动能力的大小取决于驱动轮与管壁间的正压力。

为了获得较大的驱动力，一般采用弹簧力、液压或气动力、磁力、重力等将驱动轮紧压在管壁上，以获得较大的按触正压力。

在科技文献上常把驱动轮与管壁间的这种压力叫做封闭力。

产生封闭力的机构叫做力封闭机构。

驱动轮子转动时，驱动轮与管壁间的附着力产生机器人行进的驱动力，从而实现了机器人的管内移动，这就是轮式份内作业机器人行走的基本原理。

2004年，山东科技大学和山东大学联合研制了四轮管道巡检机器人，该机器人由行走采用四轮驱动。

机器人顶部塔载有高清摄像头补光灯等。

机器人与通过光纤与信号接收车相连。

其缺点在于设置笨重，无法适应小管径的巡检。

图

（一）

履带式管内移动机器人

履带式管内移动机器人为使管道机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条件下达到良好的行走状态。

人们研制厂履带式管道机器人，履带式载体具有附着性能好，越障能力强，并能输出较大的拖动力等优点；但由于结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体，两轮机构枪定性差，容易发生倾覆等原因，此类机器人在管进内应用较少。

1990年，日本东京电力公司Sawada等人研制了复合履带穿管巡检机器人，并于1991年开发出样机一台,如图1所示。

图

（二）

蠕动式管内移动机器人

蠕动式管内移动机器人参考蛆蚜、毛虫等动物的运动，人们研制了蠕动式管道机器人。

机器人的运动是通过身体的伸缩（蠕动）实现的，其运动节拍是尾部支承，身体伸长带动头部向前运动，然后，头部支承，身体收缩带动尾部向前运动，如此循环实现机器人的行走．此种机器人管道内移动速度慢且波动大，平稳性差。

图（三）

1.3要解决的实际问题

电缆穿管特种机器人由穿管机器人、通信主机、后台控制系统三部分组成，穿管机器人包括机器人本体、电源系统、驱动器、摄像头、传感器、导航系统。

通信主机主要用于穿机器光纤信号收发与4G网络连接。

后台控制系统主要包括PC及后台管控软件。

实现上述功能的电缆穿管特种机器人需要解决的关键技术有：

爬线机理

研究基于曲面约束机理，完成机器人沿管道内壁的爬行。

智能控制系统

智能控制系统是前端嵌入式处理的技术核心，完成机器人系统的智能控制功能。

冗余电源系统

为保电缆穿管特种机器人的额定工作时间，不出现因电池耗尽无法操控。

电源系统设计时采用了冗余源系统设计。

导航系统

采用传感器自动检测、图像和无线通讯相结合的方式完成导航，完成机器人自主行走与后台人工操控相结合。

后台管控系统

后台管控系统的核心部分包括：

组织架构管理、角色管理、权限管理、用户管理、密码策略配置、首页自定义、模块自定义、文档上传、修改密码。

包括视频、图像采集呈现，包括分屏、存储、调用、分析等。

二、总体方案

电缆穿管特种机器人由穿管机器人、通信主机、后台控制系统三部分组成。

图（四）

穿管机器人包括机器人本体、电源系统、驱动器、摄像头、传感器、导航系统。

通信主机主要用于穿机器光纤信号收发与4G网络连接。

后台控制系统主要包括PC及后台管控软件。

2.1爬线机理

研究基于曲面约束机理，完成机器人沿管道内壁的爬行。

本方案采曲面约束机理的六足驱动，各驱动能与管壁之间采用可调弹力自动锁紧。

图（五）

2.2智能控制系统

智能控制系统是前端嵌入式处理的技术核心，基于低功耗和低成本需求，主控模块的核心微处理器选择STM32F417系列，该处理器主频168MHz，在此工作频率下其处理性能可达210MIPS，而功耗仅为38.6mA*3.3V。

通过I/0口直接与摄相头模组相连减少外设，处理器完成图像采、传感器数据采集，电机驱动控制。

通信接口连接4G模组及WIFI模块实现机器人的远程及本地控制。

图（六）

电机运行时常见的情况是超出额定负载，电机如果常时间工作在超负荷的情况下，可能会出现各种故障，为保护电机和电机驱动板，我们需要对电机运行异常进行保护。

电机的保护方式有很多种，本文从驱动控制测量讲述对电机运行异常的保护。

图（七）

上图R3为采样器，MAX4372信号放大器，R4,C2组成RC滤波电路，滤波后的信号ADSI送给处理器进行AD采样，在实际应用中，为将低R3上的发热，一般提高U1放大倍数，选择较小的采样电阻。

为使测量准确，首先电源的纹波要尽量的小，线路板电源电路部分布线一定要注意。

同时在测量算法上也很重要。

在实际应用中，一但测量到电机发生电流异常时，先要作出预警，同时提高采样速率，进一步的比较判断如果继续异常，作出报警。

报警发生后驱动电路将控制电机的运行状态来对电机进行保护。

2.3冗余电源系统

为保电缆穿管特种机器人的额定工作时间，不出现因电池耗尽无法操控。

电源系统设计时采用了冗余源系统设计。

下图为双电源系统控制管理原理图，其中Vin1，Vin2为充电输入接口。

Vout1为主电源输出接口，Vout2为从电源输出接口，Vout1、Vout2共地。

采样器监测主电池组放电电压，当Vout1>17.5V时，Vout1、Vout2输出电源由主电源电池组提供电能，当Vout1放电至Vout1≤17.5V时，Vout1停止输出，Vout2由从电源电池组提供电能。

图（八）

电源工作时序图如下：

图（九）

2.4导航系统

采用传感器自动检测、图像和无线通讯相结合的方式完成导航，完成机器人自主行走与后台人工操控相结合。

2.5后台管控系统

后台管控系统的核心部分包括：

组织架构管理、角色管理、权限管理、用户管理、密码策略配置、首页自定义、模块自定义、文档上传、修改密码。

包括视频、图像采集呈现，包括分屏、存储、调用、分析等。

后台管控软功能：

序号

功能名称

功能需求标识

优先级

简要解释

1

系统登陆

L1

高

系统入口

2

系统管理

L1

高

机器人平台的核心部分包括：

组织架构管理、角色管理、权限管理、用户管理、密码策略配置、首页自定义、模块自定义、文档上传、修改密码。

3

资料管理

L1

高

功能包括：

设备资料、

制度文件、属地运维。

4

管控管理

L1

高

涵盖隐患源分类与统

计、落实的管控措施和智能监控。

功能包括：

隐患排查、管控措施。

5

智能监控

L1

高

视频、图像采集呈现，

包括分屏、存储、调用、分析等；

系统监测及数据分析，包括前端采集的温度、湿度

等后台分类呈现及存储，并可以实现基本的数据分析，实现异常告警等功能；

机器人自身管理，包括系统状态自检、电量自检、

充电管理等；

机器人远程控制，包括定时巡检、速度控制。

6

成效管理

L1

高

包括隐患治理的进度与

安排、隐患治理的成绩和电缆管道安全培训的相关内容的管理。

四、现场安装操作方案

4.1现场操作

1、使用准备：

APP软件安装，安装“E-BOT”、“CAMHI”两个APP软件。

“E-BOT”软件用于操控，“CAMHI”软件用于视频监控。

说明：

“E-BOT”操控软件已出厂安装于平板电板上，“CAMHI”软件已出厂安装于PDA手机上。

2、操作步骤：

1）、设备上电，打开穿管机器人电源开关；打开主控盒电源开关。

穿管机器人上电后指示灯亮红色，蜂鸣器听到嘀嘀两声。

2）光纤对接，从安全箱光纤出口取出光纤与机器人光纤进行对接。

对接之前请去掉光纤盖。

注意：

１.从光纤出口拉出光纤时，由白色的牵引绳头拉出。

2.光纤对接头处是受力薄弱处，机器人使用时光纤接头需夹紧。

3.光纤保护套留好，使用完后套好保护套。

3）打开控制APP，取出平板电脑连接“YD01”WIFI名称，密码为“8888888888”。

打开APP应用程序→点击连接（显示连接成功）→点击机器人１→进行机器人图形操控。

4）打开视频监控APP，取出手机连接“YD01”WIFI名称，密码为“8888888888”。

打开APP应用程序→点击添加摄像机→点击局域网搜索UID→点击搜到的摄像机点确定添加→回到如上图画面２→点击在线的摄像机进行红浏览。

4.2现场作业注意事项

①使用一定要按照操作说明操作，以确保设备及操作人员的安全。

若有疑问之处，请向本公司客服人员咨询。

②设备使用前，请保证穿管机人、主控盒电源的充足。

③机器人安全箱存放地点通风，要隔绝高温，火源。

④闲置时，关闭穿管机人、主控盒电源或断开航空接头连接。

⑤有闪电的情形下，不要使用管道机器人系统。

五、项目实现功能总结

5.1主要技术参数

（1）运动方式：

六足滚轮；

（2）爬坡能力：

0～90°；

（3）爬行速度：

≥6m/min；

（4）连续工作状态下电池续航时间：

≥4h；

（5）视频成像：

4K/1080P/720P；

（6）镜头角度：

125°超大广角；

（7）无线网络：

WIFI/4GLTE；

（8）机器人整机重量：

≤5kg；

（9）环境温度：

-10～50℃；

（10）相对湿度：

≤95％。

5.2实现功能

（1）图像、数据采集功能，实现预埋穿线管道的验收勘察。

图像采集单元主要由摄像头和图像采集卡组成，摄像头选用V2640，该摄像头由百万高清传感器制作而成，体积小、重量轻、工作电压低、稳像效果好。

适用于集成到便捷式机器人上。

图像采集卡与摄像头紧密相连，完成对摄像头传感器数据的采集，并将其传输到主控单元。

机器人前端配有强光照明，在行进过程中自动开启。

白光补光灯的照明条件下图像为全彩。

图像可直接通过光纤传到通信主机，手机、平板电脑通过WIFI与通信主机相连可对图像进行预览。

图像采集卡上设有128G内存卡，在运行过程中图像可自动保存在SD卡中。

通过手机、平板电脑亦可对历史数据进行查询。

方便巡检完成后对历史数据进行分析。

机器人的操控采用图形界面设计，操作简单、方便。

图像采集单元主要参数如下：

●CMOS尺寸：

1/4英寸

●传感器像素：

1080p

●光圈（F）：

2.50

●焦距（FocalLength）:

可调

●全景视场角（Diagonal）:

175度

（2）牵引穿线、敷设绳子。

穿管机器尾部设有安装环，在穿线、敷设绳子时，将敷设绳套在安装环上，穿管机器人行进过程中，可拖动通信光纤与敷设绳一起前进，后退过程中自动收绳器通过转线盘可自动收绳。

通过敷设绳放绳的长度可准确的得知机器人先进的具体位置。

机器人从进管道一头进入，然后从管道别一头驶出，完成敷设绳方置作业。

如果在运行过程中出现不可预知故障，敷设绳可变为救援绳通过自动转线盘回收机器人。

（3）清理管道内部杂物、清洁功能、对管道内部进行润滑、减少摩擦力。

穿管机前端旋转作业平台采用模块化设计，与机器人头部采用快装方式。

可根据用户使用需求更换不同的作业工具旋转作业平台主要可更换打磨头对管道进行打磨减小摩擦；更换钢刷对附着物进行清理；更换油刷对管道进润滑处理等。

旋转作业平台旋转由后台开启，关闭后处于静止状态，静止状态下可反搭载不同需求传感器如温度、湿度；激光测距等传感器进行状态监测。