基于六軸機械臂的高壓電纜維護裝置

孫璐瑤 于海龍 王鑫鑫 王衛證 張佳麗

摘 要 在當前的發展階段下，我國高度重視電力基礎設施的建設，從而為社會經濟的發展創造良好的條件。目前我國已經建立起了較為完善的電力系統，在用電保障能力方面取得了長足的進步。電力系統的穩定運行不僅需要完善的基礎設施建設，提升電力系統的維護水平同樣重要。在進行電力系統維護工作的過程中，電纜維護是維護工作的重點以及難點，在維護的過程中，需要克服高空作業以及復雜的作業環境，具有一定的危險性。為了進一步提升維護作業的水平，并保證維護過程的安全性，就需要開發一款能夠以無人機為載體的六軸機械臂的高壓電纜維護裝置，從而促進電纜維護工作的安全實施。

關鍵詞 高壓電纜維護 六軸機械臂 主控系統設計

中圖分類號：TM8 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0025-02

高壓電纜維護往往存在較大的難度以及較高的安全性，在我國電力系統不斷發展完善的過程中，高壓電纜的數量也在不斷增加，在這個過程中對于維護效率提出了更高的要求。需要相關的作業人員在保證安全的前提下不斷提升維護工作的質量以及效率，在傳統的技術體系下，往往需要人員上塔操作，不僅維護的效率不高，同時也存在較大的安全風險。針對這一問題，通過開發設計能夠以無人機作為載具的電纜維護裝置十分關鍵，該裝置需要能夠靈活操作，滿足電纜維護的需求，因此采取了六軸機械臂的設計方案，為了促進該裝置能夠盡早投入使用，本文對該裝置的性能特點以及設計思路進行了進一步說明，希望能夠促進該裝置在電力維護工作中真正的發揮作用。

1 六軸機械臂高壓電纜維護裝置性能特點

六軸機械臂高壓電纜維護裝置的主體是一個六軸機械臂，因為機械臂的軸比較多，有較大的控制難度，所以該產品用陀螺儀來控制[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，這樣就可以做一個隨動系統，用于高空高壓電纜的檢修維修。產品配備攝像頭，可以將采集到的圖像實時傳回，也可以通過攝像頭觀察機械臂工作的最新動態。為了抵抗電纜周圍的電磁場的干擾，機械臂和無人機的受影響部分進行了絕緣包裝。

六軸機械臂與無人機結合，能方便快速的到達預定地點，相比于傳統的人力攀爬在效率和安全性上有顯著的提升。從電力維護工作實踐來看，高空作業環境往往風力比較大，這對無人機的穩定性會造成很大的影響[2]。為了盡量減小這種風力對該裝置穩定性的影響，在設計的過程中，設計團隊創造性地提出了懸掛式的工作模式——該裝置在借助無人機運輸到電纜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，自動控制無人機通過設計的對接裝置與電纜對接，掛接在電纜上，這樣既能保證運輸的效率，又能保證在掛接后裝置的工作的穩定性，同時掛接在電纜上消耗的能量要遠遠小于無人機的飛行時的耗能，大大增加了產品的續航能力;掛接之后借助對接裝置上的電動滑輪即可實現裝置在電纜上的移動，快捷穩定。可以在電路發生故障時，第一時間到達現場，為后續的搶修工作提供及時且直觀的材料。

目前市場也存在大量的電力高空作業設備，與傳統設備相比，六軸機械臂高壓電纜維護裝置配備了更為靈活的機械臂能夠實現多項功能，同時由于設備能耗較少，因此具有較長的續航時間，裝置本身配備有攝像頭，能夠將機械作業情況進行及時回傳，并且可以根據客戶需要來定制軟件，能夠有效填補國內市場的空白。

2 六軸機械臂高壓電纜維護裝置設計思路

在六軸機械臂高壓電纜維護裝置中，主要包括機械部分、無人載具部分、系統主控部分傳感器部分等。在各系統模塊的有機配合下，從而實現各項功能。

2.1 主控系統設計

主控系統需要能夠協調裝置各組成模塊的運行，依據控制的要求以及裝置的狀態，來進行控制指令的輸出，并提升裝置運行的穩定性。在六軸機械臂高壓電纜維護裝置中主控系統主要包括主控板、pwm舵機驅動板、ps2無線遙控手柄、藍牙模塊（XY-MBD07A模塊）等。Arduino Mega 2560為系統主控板，具有USB接口以及54路數字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設計。該類型主控板可滿足裝置運行對于信號處理的各項要求。

pwm舵機驅動板使用PCA9685芯片，是16通道12bit PWM舵機驅動，用2個引腳通過I2C就可以驅動16個舵機。

六軸機械臂高壓電纜維護裝置需要根據電力維護作業的要求進行遙控，在遙控模塊的設計上，主要選擇了ps2無線遙控手柄。該遙控手柄的控制選項較為全面，同時具有較為成熟的通信協議破解方案，能夠用于對六軸機械臂高壓電纜維護裝置的控制，因此選擇此款手柄作為遙控裝置。

藍牙模塊主要選擇XY-MBD07A芯片，在應用的過程中可以根據客戶的實際需求來進行軟件的設計。

2.2 機械臂設計

機械手臂是裝置的核心部件，電力維護功能的實現需要依靠能夠靈活控制的機械手臂，因此開發的過程具有相當的復雜性，需要通過建立DH模型進行機械手臂的開發。

裝置的機械手臂手臂關節是可以滑動（線性）的或旋轉（轉動）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。任何一組關節和連桿都可以構成一個我們想要的東西。首先給每個關節指定一個參考坐標系，然后確定從一個關節到下一個關節（一個坐標到下一個坐標）來進行變換的步驟。如果從基座到第一個關節，再從第一個關節到第二個關節直至到最后一個關節和末端執行器的所有變換結合起來，就得到了總變換矩陣。

DH模型通過限制原點位置和X軸的方向，人為減少了兩個自由度，因此它只需要用四個參數（linklength、linkt wist、linkoffset、jointangle）表達關節之間原本是六自由度的坐標變換。

此外，機械手臂也安裝了攝像頭，其主要的目的是收集環境影像資料，為環境的3D建模提供數據[3]。確保在應用的過程中能夠準確的感知手臂位置。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施同步。在設計的過程中結合機械手臂的關節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 無人機選型

目前，消費級的無人機在航拍娛樂方面得到了廣泛的應用，同時隨著無人機市場的發展，也出現了性能更為強大的消費級無人機[4]。如果把無人機和機械臂結合起來，就好像無人機有了手臂一樣，可以完成更高級的工作。在本設計方案中所采用的無人機是實現基于STM32的無人機組群的超視距控制的四旋翼無人機，主要以STM32為控制核心，用ST的LET模塊來實現網絡連接，實現可以通過網絡來遠程控制去往目的地。無人機體積小，重量輕，成本低，性價比高。

2.4 對接設計

要想將裝置自動掛接在電纜上，首先需要知道裝置與電纜的相對位置，根據現有的相對位置才能確定下一步無人機應該往哪里飛，因此裝置使用紅外激光測距雷達、電磁以及光電等傳感器來實現位置的確定。

考慮到控制精度、成本、飛行器的重量等個方面因素，在設計的過程中決定采用紅外激光測距的方式，由于傳感器為單點測距，需要配合云臺一起使用，以此來測量無人機上空的環境，測量方法與單點測距類似，云臺旋轉帶動激光測距一起轉動，以此來測量無人機上空與前進方向垂直平面上的距離信息，這種測距的方式不僅要記錄距離信息，還要記錄相應的角度信息，通過數據處理可以解算出無人機采集到的電纜的位置。

不過，想要讓無人機與電纜自動對接，只有距離還不夠，還要確定電纜的方向，簡單來說就是當無人機與電纜不朝同一方向時，激光測距也能測得距離信息，但是無法確定無人機的方向，這樣是無法對接的，此時就需要電磁或者是光電傳感器來幫忙。眾所周知，交變電流會在空間中產生交變磁場，磁場的變化頻率與交流電的頻率有關，電磁傳感器就是借助rcl振蕩電路來實現對電纜周圍特定頻率交變磁場的檢測，此方法不受天氣光照的影響，可靠性較高，同時經過數據的處理后可以解算出位置，但是此方法會受到旁邊電路的影響。

當然確定無人機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行融合處理后得到相對更加準確的數據。

3 總結

與無人機結合的六軸機械臂裝置功能強大，在高壓電纜的維護工作中能夠發揮重要的作用，同時該裝置在設計的過程中，應用了目前市場中較為成熟的無人機產品以及其他構建模塊，因此能夠較好的控制成本，實現了成本與功能之間的平衡。與傳統的電力維護裝置相比，該裝置具有性能優勢以及經濟優勢，因此具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1] 房欣欣.國內外高空作業機器人的研究綜述[J].科技視界，2021（12）：180-181.

[2] 馮玉，吳少雷，吳凱，李君，何水兵，韓波.一種用于電力維修的爬桿機器人設計[J].電力設備管理，2021（02）：146-147.

[3] 唐詩洋，門永生，于振.高空作業防墜裝置安裝輔助機器人研究[J].供用電，2019，36（02）：73-77，83.

[4] 李實，劉波，韓剛，邱育東，張文生.一種基于增強現實（AR）的電力系統配電網帶電作業機器人[J].自動化博覽，2018，35（04）：62-64.