基于六軸機(jī)械臂的高壓電纜維護(hù)裝置

孫璐瑤 于海龍 王鑫鑫 王衛(wèi)證 張佳麗

（山東科技大學(xué)，山東 泰安 271001）

高壓電纜維護(hù)往往存在較大的難度以及較高的安全性，在我國電力系統(tǒng)不斷發(fā)展完善的過程中，高壓電纜的數(shù)量也在不斷增加，在這個(gè)過程中對(duì)于維護(hù)效率提出了更高的要求。需要相關(guān)的作業(yè)人員在保證安全的前提下不斷提升維護(hù)工作的質(zhì)量以及效率，在傳統(tǒng)的技術(shù)體系下，往往需要人員上塔操作，不僅維護(hù)的效率不高，同時(shí)也存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一問題，通過開發(fā)設(shè)計(jì)能夠以無人機(jī)作為載具的電纜維護(hù)裝置十分關(guān)鍵，該裝置需要能夠靈活操作，滿足電纜維護(hù)的需求，因此采取了六軸機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案，為了促進(jìn)該裝置能夠盡早投入使用，本文對(duì)該裝置的性能特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了進(jìn)一步說明，希望能夠促進(jìn)該裝置在電力維護(hù)工作中真正的發(fā)揮作用。

1 六軸機(jī)械臂高壓電纜維護(hù)裝置性能特點(diǎn)

六軸機(jī)械臂高壓電纜維護(hù)裝置的主體是一個(gè)六軸機(jī)械臂，因?yàn)闄C(jī)械臂的軸比較多，有較大的控制難度，所以該產(chǎn)品用陀螺儀來控制[1]。用陀螺儀采集來的角度信息來控制陀螺儀，使用的時(shí)候把陀螺儀固定在頭上或是其他的地方，這樣就可以做一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，用于高空高壓電纜的檢修維修。產(chǎn)品配備攝像頭，可以將采集到的圖像實(shí)時(shí)傳回，也可以通過攝像頭觀察機(jī)械臂工作的最新動(dòng)態(tài)。為了抵抗電纜周圍的電磁場(chǎng)的干擾，機(jī)械臂和無人機(jī)的受影響部分進(jìn)行了絕緣包裝。

六軸機(jī)械臂與無人機(jī)結(jié)合，能方便快速的到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的人力攀爬在效率和安全性上有顯著的提升。從電力維護(hù)工作實(shí)踐來看，高空作業(yè)環(huán)境往往風(fēng)力比較大，這對(duì)無人機(jī)的穩(wěn)定性會(huì)造成很大的影響[2]。為了盡量減小這種風(fēng)力對(duì)該裝置穩(wěn)定性的影響，在設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了懸掛式的工作模式——該裝置在借助無人機(jī)運(yùn)輸?shù)诫娎|附近后通過光電傳感器或者是電磁傳感器來確定電纜位置，自動(dòng)控制無人機(jī)通過設(shè)計(jì)的對(duì)接裝置與電纜對(duì)接，掛接在電纜上，這樣既能保證運(yùn)輸?shù)男?，又能保證在掛接后裝置的工作的穩(wěn)定性，同時(shí)掛接在電纜上消耗的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無人機(jī)的飛行時(shí)的耗能，大大增加了產(chǎn)品的續(xù)航能力;掛接之后借助對(duì)接裝置上的電動(dòng)滑輪即可實(shí)現(xiàn)裝置在電纜上的移動(dòng)，快捷穩(wěn)定。可以在電路發(fā)生故障時(shí)，第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，為后續(xù)的搶修工作提供及時(shí)且直觀的材料。

目前市場(chǎng)也存在大量的電力高空作業(yè)設(shè)備，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，六軸機(jī)械臂高壓電纜維護(hù)裝置配備了更為靈活的機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)功能，同時(shí)由于設(shè)備能耗較少，因此具有較長的續(xù)航時(shí)間，裝置本身配備有攝像頭，能夠?qū)C(jī)械作業(yè)情況進(jìn)行及時(shí)回傳，并且可以根據(jù)客戶需要來定制軟件，能夠有效填補(bǔ)國內(nèi)市場(chǎng)的空白。

2 六軸機(jī)械臂高壓電纜維護(hù)裝置設(shè)計(jì)思路

在六軸機(jī)械臂高壓電纜維護(hù)裝置中，主要包括機(jī)械部分、無人載具部分、系統(tǒng)主控部分傳感器部分等。在各系統(tǒng)模塊的有機(jī)配合下，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。

2.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)需要能夠協(xié)調(diào)裝置各組成模塊的運(yùn)行，依據(jù)控制的要求以及裝置的狀態(tài)，來進(jìn)行控制指令的輸出，并提升裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。在六軸機(jī)械臂高壓電纜維護(hù)裝置中主控系統(tǒng)主要包括主控板、PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板、ps2無線遙控手柄、藍(lán)牙模塊（XY-MBD07A模塊）等。Arduino Mega 2560為系統(tǒng)主控板，具有USB接口以及54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)。該類型主控板可滿足裝置運(yùn)行對(duì)于信號(hào)處理的各項(xiàng)要求。

PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板使用PCA9685芯片，是16通道12bit PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，用2個(gè)引腳通過I2C就可以驅(qū)動(dòng)16個(gè)舵機(jī)。

六軸機(jī)械臂高壓電纜維護(hù)裝置需要根據(jù)電力維護(hù)作業(yè)的要求進(jìn)行遙控，在遙控模塊的設(shè)計(jì)上，主要選擇了ps2無線遙控手柄。該遙控手柄的控制選項(xiàng)較為全面，同時(shí)具有較為成熟的通信協(xié)議破解方案，能夠用于對(duì)六軸機(jī)械臂高壓電纜維護(hù)裝置的控制，因此選擇此款手柄作為遙控裝置。

藍(lán)牙模塊主要選擇XY-MBD07A芯片，在應(yīng)用的過程中可以根據(jù)客戶的實(shí)際需求來進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。

2.2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂是裝置的核心部件，電力維護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)需要依靠能夠靈活控制的機(jī)械手臂，因此開發(fā)的過程具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，需要通過建立DH模型進(jìn)行機(jī)械手臂的開發(fā)。

裝置的機(jī)械手臂手臂關(guān)節(jié)是可以滑動(dòng)（線性）的或旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)）的，它可以按任意的順序放置并處于任意的平面。連桿也可以是任意的長度（包括零），它可能被彎曲或扭曲，也可能位于任意平面上。任何一組關(guān)節(jié)和連桿都可以構(gòu)成一個(gè)我們想要的東西。首先給每個(gè)關(guān)節(jié)指定一個(gè)參考坐標(biāo)系，然后確定從一個(gè)關(guān)節(jié)到下一個(gè)關(guān)節(jié)（一個(gè)坐標(biāo)到下一個(gè)坐標(biāo)）來進(jìn)行變換的步驟。如果從基座到第一個(gè)關(guān)節(jié)，再從第一個(gè)關(guān)節(jié)到第二個(gè)關(guān)節(jié)直至到最后一個(gè)關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的所有變換結(jié)合起來，就得到了總變換矩陣。

DH模型通過限制原點(diǎn)位置和X軸的方向，人為減少了兩個(gè)自由度，因此它只需要用四個(gè)參數(shù)（linklength、linkt wist、linkoffset、jointangle）表達(dá)關(guān)節(jié)之間原本是六自由度的坐標(biāo)變換。

此外，機(jī)械手臂也安裝了攝像頭，其主要的目的是收集環(huán)境影像資料，為環(huán)境的3D建模提供數(shù)據(jù)[3]。確保在應(yīng)用的過程中能夠準(zhǔn)確的感知手臂位置。所選擇的攝像頭需要具有較高的清晰度，保證能夠較好的完成實(shí)施同步。在設(shè)計(jì)的過程中結(jié)合機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)角度來定制攝像頭的形狀，從而確保攝像頭的的拍攝范圍符合要求，提升3D建模的精度。

2.3 無人機(jī)選型

目前，消費(fèi)級(jí)的無人機(jī)在航拍娛樂方面得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)隨著無人機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展，也出現(xiàn)了性能更為強(qiáng)大的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)[4]。如果把無人機(jī)和機(jī)械臂結(jié)合起來，就好像無人機(jī)有了手臂一樣，可以完成更高級(jí)的工作。在本設(shè)計(jì)方案中所采用的無人機(jī)是實(shí)現(xiàn)基于STM32的無人機(jī)組群的超視距控制的四旋翼無人機(jī)，主要以STM32為控制核心，用ST的LET模塊來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)可以通過網(wǎng)絡(luò)來遠(yuǎn)程控制去往目的地。無人機(jī)體積小，重量輕，成本低，性價(jià)比高。

2.4 對(duì)接設(shè)計(jì)

要想將裝置自動(dòng)掛接在電纜上，首先需要知道裝置與電纜的相對(duì)位置，根據(jù)現(xiàn)有的相對(duì)位置才能確定下一步無人機(jī)應(yīng)該往哪里飛，因此裝置使用紅外激光測(cè)距雷達(dá)、電磁以及光電等傳感器來實(shí)現(xiàn)位置的確定。

考慮到控制精度、成本、飛行器的重量等個(gè)方面因素，在設(shè)計(jì)的過程中決定采用紅外激光測(cè)距的方式，由于傳感器為單點(diǎn)測(cè)距，需要配合云臺(tái)一起使用，以此來測(cè)量無人機(jī)上空的環(huán)境，測(cè)量方法與單點(diǎn)測(cè)距類似，云臺(tái)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)激光測(cè)距一起轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來測(cè)量無人機(jī)上空與前進(jìn)方向垂直平面上的距離信息，這種測(cè)距的方式不僅要記錄距離信息，還要記錄相應(yīng)的角度信息，通過數(shù)據(jù)處理可以解算出無人機(jī)采集到的電纜的位置。

不過，想要讓無人機(jī)與電纜自動(dòng)對(duì)接，只有距離還不夠，還要確定電纜的方向，簡單來說就是當(dāng)無人機(jī)與電纜不朝同一方向時(shí)，激光測(cè)距也能測(cè)得距離信息，但是無法確定無人機(jī)的方向，這樣是無法對(duì)接的，此時(shí)就需要電磁或者是光電傳感器來幫忙。眾所周知，交變電流會(huì)在空間中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的變化頻率與交流電的頻率有關(guān)，電磁傳感器就是借助Rcl振蕩電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜周圍特定頻率交變磁場(chǎng)的檢測(cè)，此方法不受天氣光照的影響，可靠性較高，同時(shí)經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理后可以解算出位置，但是此方法會(huì)受到旁邊電路的影響。

當(dāng)然確定無人機(jī)的朝向也可以使用光電傳感器，也就是攝像頭采集圖像信息，處理后即可得到朝向，此方法簡單直觀，控制精度也較高，但是容易受到光線的影響，可以將電磁與光電采集到的的信息進(jìn)行融合處理后得到相對(duì)更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)

與無人機(jī)結(jié)合的六軸機(jī)械臂裝置功能強(qiáng)大，在高壓電纜的維護(hù)工作中能夠發(fā)揮重要的作用，同時(shí)該裝置在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)用了目前市場(chǎng)中較為成熟的無人機(jī)產(chǎn)品以及其他構(gòu)建模塊，因此能夠較好的控制成本，實(shí)現(xiàn)了成本與功能之間的平衡。與傳統(tǒng)的電力維護(hù)裝置相比，該裝置具有性能優(yōu)勢(shì)以及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。