基于地電波檢測機械臂的結(jié)構(gòu)及控制器設(shè)計

國網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司 馮文俊 賁志棠 潘 麟 楊曉彤 劉 蘇 上海服澤能源科技有限公司 王樹柳

國家大力支持電網(wǎng)發(fā)展，系統(tǒng)自動化水平不斷提高，變電站運行環(huán)境更加復(fù)雜。常規(guī)的人工巡檢無法滿足和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運行的實時性要求，使得變電站也趨于無人化或少人化。在主觀控制機器人遵循這一環(huán)節(jié)的前提下，測試機器人如何發(fā)展是自動化分站的發(fā)展趨勢。機器人提高了巡查作業(yè)效率，避免了人工檢查和不認(rèn)真疏忽的問題，高質(zhì)量、及時的運行維護是供電安全可靠運行的前提。此次研究主題是自動巡檢機器人的一部分，本設(shè)計可實現(xiàn)變電站地波自動檢測，提高人工檢測效率，改善人工安全問題。

移動智能機器人是集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與應(yīng)用于一體的系統(tǒng)，是吸收了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計算機工程等領(lǐng)域研究成果的綜合性系統(tǒng)。其中自動化控制工程與人工智能代表了機電一體化的最重要成果，是信息技術(shù)發(fā)展中最具活力的領(lǐng)域之一。移動機器人是一種在復(fù)雜環(huán)境中工作的智能機器人，具有自主組織和自主操作的特點，集成了計算機技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和機器人技術(shù)等。隨著機器人性能的提高，機器人的應(yīng)用范圍大大擴大，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)，還作業(yè)于城市安全、國防和探測等領(lǐng)域[1]，其技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)受到全世界廣泛關(guān)注。

具有模仿人手和手臂動作功能的機器人稱之為機械臂[2]，主要用于按照固定的程序進行物件的搬運、自動操作工具等。它取代了人工作業(yè)并實現(xiàn)了機械化和自動化的結(jié)合，保證了人身安全。本文將地機械臂裝置與移動電力巡檢機器人結(jié)合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站自動巡檢功能。

1 地電波檢測機械臂設(shè)計方案

1.1 總體方案設(shè)計

地電波檢測機械臂裝置控制系統(tǒng)由地電波檢測機械臂裝置控制單元、機械臂運動控制單元、充放電及能源管理單元、無線通信單元和傳感器采集分析單元組成，地電波檢測機械臂控制單元是本系統(tǒng)的核心，也是由微控制器構(gòu)成；機械臂運動控制單元是用來控制機械臂每個部分的運動方向，其控制每一個驅(qū)動系統(tǒng)使機械臂可按照需要的方式進行運動；充放電及能源管理單元是用來實現(xiàn)機械的電能儲備，由電池組構(gòu)成；無線通訊單元是用來實現(xiàn)系統(tǒng)組件和WIFi 的鏈接，使系統(tǒng)通過通訊的方式來識別控制需求；傳感器采集分析單元是用來識別地電波，由地電波傳感器數(shù)據(jù)采集單元、紅外測溫傳感器數(shù)據(jù)采集單元和位置反饋傳感器組成，能全方位的識別和采集地電波的各項數(shù)據(jù)（圖1）。

1.2 地電波檢測機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 基于地電波檢測機械臂控制系統(tǒng)框架圖

地電波檢測機械臂要能與巡檢機器人有機結(jié)合在一起，在巡檢機器人運動到合適位置后進行動作，可實現(xiàn)對探測傳感器的收放動作，機械臂最大伸展半徑需滿足設(shè)備測量使用需求，在機械臂無需動作的工況下，機械臂能將自身及所攜帶地電波傳感器等器件回收至存儲位，保證自身占據(jù)較小的空間，不會干涉巡檢機器人運動且不會對周圍人員或設(shè)備構(gòu)成潛在威脅，整體機械結(jié)構(gòu)需采用模塊化設(shè)計，具有較高的機構(gòu)靈活性，機械部件動作可靠穩(wěn)定，流暢且安靜，結(jié)構(gòu)子模塊易更換易維修。結(jié)合上述設(shè)計思路，所設(shè)計的地電波檢測機械臂裝置機械結(jié)構(gòu)三維模型設(shè)計如圖2，其表示的是地電波檢測機械臂裝置處于存儲位置時的狀態(tài)，兩端機械臂均回收至最短位置，主機械臂以與重力方向夾角35度的姿態(tài)固定，機械臂整體占據(jù)空間較?。M向距離為45厘米），巡檢機器人運動時機械臂不會與周圍設(shè)備產(chǎn)生干涉。

圖2 地電波檢測機械臂存儲位置

圖4 機械臂釋放圖

圖5 地電波檢測裝置傳感器組

如圖4所示，地電波探測機械臂進行釋放動作時，副機械臂先動作將主機械臂伸送到水平位置，然后主機械臂開始運動將探測傳感器組送出，主機械臂最短位置為0.8米，最長可達1.45米，運動過程中，副機械臂一方面作為動作機構(gòu)負(fù)責(zé)主機械臂的收回和釋放，另一方面可作為主機械臂的承力臂避免主機械臂下垂，機械臂回收時兩個機械臂的動作順序與上述過程相反。

圖5所示為機械臂主臂前沿固定的安裝板、地電波傳感器以及限位開關(guān)的組合，考慮到地電波傳感器與位置反饋傳感器組的重量，本方案使用碳釬維作為固定地電波傳感器與限位開關(guān)的安裝板，通過現(xiàn)場的測試，然后調(diào)整限位開關(guān)的位置，使其能夠在地電波傳感器接觸到電氣柜表面檢測時恰好得到觸發(fā)，給出反饋信號使機械臂停止動作。

1.3 地電波檢測機械臂運動學(xué)設(shè)計

機械臂運動學(xué)技術(shù)是地電波檢測機械臂能夠自由運動的基礎(chǔ)[3]，機械臂是在運動學(xué)理論計算的基礎(chǔ)下來滿足我們的需求的，運動學(xué)設(shè)計又分為坐標(biāo)設(shè)計和算法設(shè)計，他們相結(jié)合使機械臂按照我們所需要的方式進行工作，機械臂運動學(xué)是基于動力學(xué)建模來進行組建的。

1.3.1 慣性張量

對于軸向轉(zhuǎn)動的機械臂，采用慣性張量描述機械臂連桿的質(zhì)量分布，可用3×3矩陣表示為，矩陣中的各元素為：。其中機械臂連桿由單元體dv 組成，其關(guān)節(jié)連桿的密度為σ。Ixx、Iyy、Izz稱為慣量矩，Ixy、Ixz、Iyz稱為慣量積，這六個獨立的變量取決于所在連桿坐標(biāo)系的位姿。隨著連桿質(zhì)心坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)連桿慣性張量中的慣量積為零時，此時連桿坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸成為連桿主軸，慣量矩稱為主慣性矩。根據(jù)慣性張量的特點，可根據(jù)地電波檢測機械臂各個連桿的質(zhì)心坐標(biāo)系位姿和慣性張量確定該機械臂的質(zhì)量分布。

1.3.2 牛頓歐拉動力學(xué)方程

牛頓-歐拉動力學(xué)方程描述了關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)運動狀態(tài)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)其定義方法，對于可動關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機械臂該算法的運算過程如下：

1.4 地電波檢測機械臂動力學(xué)建模

將地電波檢測機械臂的慣性張量，連桿質(zhì)量，質(zhì)心矢量，旋轉(zhuǎn)矩陣，關(guān)節(jié)角度、速度、加速度等參數(shù)帶入方程中便可計算出關(guān)節(jié)力矩。連桿質(zhì)心位置（mm）：1Pc1=(15.16 -3.59 -31.05)；2Pc2=(113.97 -15 19.03)；3Pc3=(104.41 0.13-20.22)；4Pc4=(-0.15 53.53 24.64)；5Pc5=(0 1.2-16.48)。

連桿主慣性矩(kg×m2)：I1xx=0.0029525；I1yy=0.0060091；I1zz=0.0058821；I2xx=0.0031145；I2yy=0.0005843；I2zz=0.0031631；I3xx=0.00172767；I3yy=0.00041967；I3zz=0.0018468；I4xx=0.0006764；I4yy=0.0010573；I4zz=0.0006610；I5xx=0.0001934；I5yy=0.0001602；I5zz=0.0000689。

連桿質(zhì)量（kg）：m1=1.390，m2=1.318，m3=0.821，m4=0.769，m5=0.687。采用牛頓-歐拉方程，可將得到的動力學(xué)結(jié)果寫成如下狀態(tài)空間的形式：τ=M(θ) +V(θ，)+G(θ)，式中M(θ)代表地電波檢測機械臂的慣性矩陣，V(θ，)代表地電波檢測機械臂的離心力和哥氏力矢量，G(θ)代表地電波檢測機械臂的重力矢量。V(θ，)中的元素是關(guān)于θ 和 的復(fù)雜函數(shù)。因此式中的矢量取決于位置和速度，所以也稱為狀態(tài)空間方程。

1.5 基于MATLAB 的動力學(xué)仿真

在MATLAB 中對地電波檢測機械臂的動力學(xué)模型進行仿真[4]。根據(jù)地電波檢測機械臂的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角加速度等運動狀態(tài)可以通過計算得到關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖6 地電波檢測裝置傳感器組

2 控制器設(shè)計方案

文中地電波檢測機械臂的控制器需要具有性能高、功耗低且能控制設(shè)計成本的特點，其能夠完成無線通訊遠程控制的功能[5]。為保證其檢測電氣柜時檢測結(jié)果更加精準(zhǔn)，機器需對電氣柜的接觸程度進行反饋，這時需制作一個控制器開關(guān)來保證當(dāng)?shù)仉姴▊鞲衅髑岸私佑|目標(biāo)設(shè)備后行程開關(guān)剛好被觸發(fā)，提供反饋信號讓電動推桿停止伸出。

微控制器應(yīng)用設(shè)計分析。本次采用STM32F429芯片充當(dāng)機械臂裝置的控制器，STM32系列的內(nèi)核控制器ARM Cortex-M4具有性能高、成本低、功耗低的特點。此控制器是同類型中性價比最高的產(chǎn)品，其工作時鐘頻率可達到180MHz。STM32F429芯片的技術(shù)特點完全滿足機器人控制芯片低功耗、高效率、高度集成化的要求。

無線模塊控制器結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計。系統(tǒng)通訊模塊選用了高性能工業(yè)級的USR-C322WIFI 模塊。此模塊功耗低其數(shù)值為802.11b/g/n，是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)無線通訊的理想選擇。此模塊可將物理設(shè)備與WiFi 相連接，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的控制和管理。本模塊由MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元、以及功率放大器等硬件相集成并采用了T1公司的CC3200芯片方案，以ARM Cortex-M4作為內(nèi)核，運行頻率可達到80MHZ；內(nèi)置以運行功耗超低來實現(xiàn)低能耗運行；以TCP/IP 協(xié)議為WiFi 協(xié)議，只需簡單配置就可使UART 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

控制器行程開關(guān)設(shè)計與特點。為防止電動推桿伸出距離過長將地電波傳感器損壞，并保證地電波傳感器前端可以精準(zhǔn)地貼合接觸到電氣柜表面，地電波探測傳感器安裝板下方安裝了一個行程檢測開關(guān)，用來保證當(dāng)?shù)仉姴▊鞲衅髑岸私佑|目標(biāo)設(shè)備后行程開關(guān)剛好被觸發(fā)，提供反饋信號讓電動推桿停止伸出。本方案選用正太YBLX-19/001型行程開關(guān)，行程開關(guān)的行程為14mm，觸發(fā)行程4mm，當(dāng)把推動桿推到一定位置后，行程開關(guān)會觸發(fā)常開觸點閉合，就可以得到地電波位移傳感器貼合到電氣柜的狀態(tài)反饋量，從而控制電動推桿停止動作。

控制器電路板設(shè)計與布局。地電波檢測機械臂裝置嵌入式系統(tǒng)控制板包含CPU 系統(tǒng)電路、電源系統(tǒng)電路、傳感器接口電路、無線通信接口電路、機械臂伸縮機構(gòu)驅(qū)動電路等部分，主控制板安裝在嵌入式控制盒內(nèi)，通過航插與外部傳感器和執(zhí)行器連接，控制板采用模塊化的設(shè)計，設(shè)計整體簡潔緊湊，具有較高的擴展性和可維修性。

控制器設(shè)計成果。控制器經(jīng)過安裝后，經(jīng)過多次實驗和調(diào)試，機械臂能通過WIFi 遠程控制按照所需要求進行伸縮檢測電氣柜中的地電波，并能夠?qū)z測信息反饋到控制頁面，實現(xiàn)了地電波檢測機械臂的設(shè)計理念，為之后更高級的設(shè)計做了鋪墊。

3 結(jié)語

本項目所設(shè)計的地電波探測機械臂依托于巡檢機器人的運動和定位能力實現(xiàn)對變電站設(shè)備的巡檢，然后通過探測機械臂伸送地電波傳感器，實現(xiàn)對變電站設(shè)備地電波數(shù)據(jù)的采集和故障診斷功能。經(jīng)過多次的simulink 仿真環(huán)境和Gazebo 物理仿真的實驗，經(jīng)過調(diào)節(jié)成功的設(shè)計出了機械臂的結(jié)構(gòu)和控制器，完成了預(yù)期想要達到的目標(biāo)，實現(xiàn)了機械臂和移動機器人平臺的結(jié)合，為之后的設(shè)計打下了一定的基礎(chǔ)。此次方案極大擴展了無人值守巡檢機器人的巡檢作業(yè)能力，具備市場推廣價值，對促進變電站穩(wěn)定安全的運行、提升供電的可靠性具有重要意義，其應(yīng)用前景非常寬廣。