[論文レビュー] ROSETLineBot: One-Wheel-Drive Low-Cost Power Line Inspection Robot Design and Control

Aydın Tarık Zengin, Gökhan Erdemir+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Power Line Inspection Robots被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、高圧送電線の連続点検を目的とした低コストでワンホイルドライブの移動ロボット、ROSETLineBotを提案する。モジュラー構造とアクティブバランス制御を活用することで、架空の導体上でも安定した走行を実現し、統合されたセンサーを用いたリアルタイムデータ収集を可能にし、人的な点検方法と比較して点検のリスクと運用コストを顕著に低減する。

ABSTRACT

Continuous operation of the electrical transmission lines is of great importance for today's electricity-dependent world. It is crucial to detect and diagnose a possible problem on the lines before that occurs. In general, maintenance, repair and error detection operations of the electrical transmission lines are performed by humans periodically. However, these difficult tasks contain high-risks in terms of occupational health and safety. Moreover, it is not possible to continuously inspect these lines which extend over long distances by maintenance and repair personnel. For all these reasons, it is very convenient to use robotic systems for inspection on power transmission lines. By evaluating the data which are provided from sensors and cameras of robotic systems, it would be possible to take precautions before an error occurs. Robotic systems that can move continuously along the line would be able to gather continuous and uninterrupted information. Thus, potential problems can be detected and identified in advance. In this study, a single wheel drive low-cost mobile robot is designed and controlled which can work and move on the electrical transmission lines. Because of the modular structure of the designed robot, different types of sensors can be integrated into the robot, easily. The designed low-cost robotic system will cause minimum losses in case of possible breakage.

研究の動機と目的

• 架空送電線における人的な点検の高リスク性と人的労力の多さを解決すること。
• 通電中の送電線に沿って連続的かつ自律的に移動可能なコスト効率の高いロボットソリューションを開発すること。
• 統合されたセンサーと安定した走行を活用したリアルタイム監視と早期故障検出を可能にすること。
• センサーの容易な統合と最小限の修理コストを実現する耐障害性とモジュラリティを確保すること。
• ワンホイルドライブ機構が架空導体上での安定的かつ動的なバランス制御に実現可能であることを実証すること。

提案手法

• 回転慣性アクチュエータを用いた集中型バランス機構を備えたワンホイルドライブ移動ロボットの設計。
• 線路上のバランス維持を目的とした線形二次制御（LQR）に基づくフィードバック制御システムの実装。
• 各種センサー（例：カメラ、環境センサーなど）の容易な統合が可能なモジュラー機械的構造の採用。
• DCモーター駆動のホイールを用いた推進機構の導入により、導体に沿った前進・後退運動を実現。
• 重心をホイール軸に一致させる軽量で剛性の高いフレームの設計により、走行安定性を向上。
• 動的バランスと走行の調整に適した組み込みマイコンを用いたリアルタイム制御システムの統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワンホイルドライブのロボットは、架空送電線上で安定的かつ連続的な走行を実現できるか？
• RQ2 動的擾乱にさらされても、アクティブバランス制御システムは安定性を維持できるか？
• RQ3 モジュラー設計は、多様な点検センサーの統合をどの程度可能にするか？
• RQ4 従来の点検方法と比較して、提案された設計のコスト効率と耐障害性はいかがなものか？
• RQ5 最小限のメンテナンスで長距離送電線を信頼性高く走行できるか？

主な発見

• アクティブバランス制御を用いたシミュレートされた送電線に沿った安定的かつ連続的な走行が、ロボットによって成功裏に実証された。
• LQRに基づく制御システムは、わずかな擾乱や線路の変動に対してもバランスを効果的に維持した。
• モジュラー設計により、視覚的および環境モニタリングシステムを含む複数のセンサーのシームレスな統合が可能となった。
• シンプルな機械的構造のおかげで、部品の故障リスクが低く、低コスト運用が実現した。
• 長時間の点検が可能であることが示され、人的労働への依存が低減され、安全性が向上した。
• ワンホイルドライブ機構が、架空導体上での動的かつ安定した移動に実現可能であることが実証された。