專用高壓環網柜分合閘智能機械臂設計初探

覃事文，肖雨嫣，黃里，李澤文，黃亮

（1.國網湖南省電力公司常德供電分公司，湖南 常德 415001；2.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114）

1 前言

隨著用戶對供電可靠性的要求越來越高，如何減少用戶停電成為電力公司亟待解決的問題。合環倒負荷以及故障時，非故障區域快速恢復用電是減少用戶停電較為有效的措施。環網柜是一組裝在絕緣柜體內或做成間隔式環網供電單元的輸配電電氣設備（高壓開關設備）。現有的微機環網柜保護裝置具有三段式過流保護、零序保護等常規保護功能；由于環網柜內部由PT、CT、斷路器等多種元件組成，任何一個元件發生老化或者絕緣破壞，均可能發生事故。如負荷側有相間短路現象，短路電流瞬時可以達到幾千安培；如斷路器質量不過關，合閘時斷路器會爆炸；如PT絕緣破壞，質量不好的PT也會發生爆炸，其爆炸產生的能量巨大，足以破壞整個開關柜，存在人身安全隱患。國內外為解決環網柜維護和作業過程中操作安全問題，設計帶有雙關節機械手的配電環網柜電氣操作機器人和“一鍵式順控”自動控制系統等，但其造價太高，不利于攜帶，沒有廣泛應用。

某供電公司目前具有226個環網柜，但受限于環網柜無法進行一次核相，且人工合環操作存在環網柜爆炸、人員傷亡的危險性，運維人員不敢就地操作，同時，操作復雜、時間長導致用戶停電時間過長，故環網柜合環未大面積推廣。為此，本文針對高壓環網柜人工分合閘操作難度大、危險性高等問題，研究了一種遠程控制的雙臂機械臂。

2 機械臂機械設計

雙臂機械臂機械部分的結構主要包括左側單軸機械臂、右側二軸機械臂以及下方固定支撐支架，可拆卸操作頭在步進電機的驅動下執行相應的操作任務。

2.1 整體設計

考慮到轉動環網柜不同的開關所需力矩不同，本文設計了擁有兩個可拆卸操作頭雙臂機械臂。設計指標（表1）與整體設計圖（圖1）。

表1 機械臂設計指標

機械臂的整體設計，如圖1所示。1為支撐三腳架固定夾，2為支撐三腳架，3為控制中心盒，4為步進電機及減速器，5、7為可拆卸操作頭1、2，6為二軸機械臂副臂旋轉關節，8為二軸機械臂副臂，9為二軸機械臂主臂，10為二軸機械臂主臂旋轉關節，11為電機滑軌。針對被轉動所需力矩不同的環網柜開關旋鈕，可選擇不同的操作頭。

圖1 機械臂整體設計

2.2 電機選型

2.2.1 單軸機械臂步進電機

可拆卸操作頭1直接連接在步進電機輸出軸上，在電源的牽引下來轉動所需力矩較大的環網柜分合閘開關旋鈕。

可拆卸操作頭1在運動中，轉矩為：

式中，G為旋轉軸受力大小，L為質心到旋轉軸的距離。

經現場測量，某公司高壓環網柜分合閘按鈕距可拆卸操作頭1中心位置為L1= 400mm 。在轉動時所需最小力為Fmin1= 150N 。所以進步電機需要提供的最小力矩為T1= 0.4× 250 = 100N?m ，考慮到電機傳動效率約為η=86%，得步進電機的額定輸出轉矩為TN1= 116.28N? m 。

通過以上計算得出的正常工作轉矩及電機額定輸出轉矩，根據《中小型電機選型手冊》選取步進電機的型號為110HSE20N，其額定靜力距為20N·m，額定相電壓為220V，額定相電流為4A，重量為11kg。并選取型號為3HSS2208H-110的驅動器和減速比為1:10精密行星減速器。

2.2.2 副臂首端減速步進電機

機械臂的副臂作為操作頭與主臂的連接部分，是改變末端操作頭運動軌跡的關鍵部位。副臂在空間中進行俯仰運動，顯著提高末端操作頭在空間中的運動能力，使操作更加靈活精確。考慮到其承載能力、剛度和重量，采用了鋁合金作為加工材料，機械手副臂剖面圖如圖2。

圖2 二軸機械臂副臂

副臂質量Mvice為300g，副臂長度為dvice為166mm；副臂質心距離副臂末端電機輸出軸的距離Lvice為145mm,根據轉動慣量公式，以及平行軸定理公式：

可得：副臂轉動所需最小轉動慣量Jvice?min為 0.015 kg?m2，取副臂轉速wvice為90°/s，加速時間tvice為0.2s，由轉矩公式。

可得：副臂轉動時所需最小轉矩Tvice?min為0.0188N?m。

考慮機械手臂各部分摩擦以及重心軸的轉動慣量，取安全系數為2。在考慮安全系數后，副臂轉動時所需最小轉矩為0.375N?m。考慮到整個機械臂的工作范圍，當副臂與地面平行時，操作頭扭轉開關時的負載轉矩最大，此時，操作頭質心到副臂轉動軸之間的最大距離約為295mm，扭轉開關所需要的力約為5N，由公式（1）得扭轉分合閘開關需要的轉矩Tvice?G為1.47N?m。

2.2.3 主臂首端減速步進電機

主臂作為機械臂中位移和所受扭矩最大的部分，在保障機械臂運動的平穩性的基礎上對其所受力矩進行嚴格計算。副臂的旋轉關節位于主臂的末端，因此，主臂末端需要承受副臂所有力矩以及副臂末端電機自身重量導致的力矩。主臂剖面圖如圖3所示。

圖3 二軸機械臂主臂

同上，當主臂和副臂位于同一條直線且水平與地面時，轉矩和轉動慣量最大。主臂與副臂末端電機的質量和Mmian為1500g，主臂長度為dmain為416mm，主臂質心距離主臂末端電機輸出軸的距離Lmain為215mm。取主臂轉速wmain為90°/s，由式（2）、（3）得使主臂轉動的最小慣量為Jmain?min為 0.329kg?m2。取主臂加速時間tmain為0.2s，得主臂轉動時所需最小力矩Tmain?min為0.411N?m。考慮機械手臂各部分摩擦以及重心軸的轉動慣量，取安全系數為2，在考慮安全系數后，主臂轉動時所需最小轉矩Tm′ain?min為0.822N?m。

當主臂與地面水平時，操作頭旋轉開關時的轉矩最大，此時操作頭質心到主臂轉動軸之間的距離最大約為565mm，扭轉開關所需要的力約為5N，由公式（1）得扭轉分合閘開關帶來的轉矩Tmain?G為2.7865N?m。

通過以上計算得出的主臂轉動時所需最小轉矩Tm′ain?min以及扭轉分合閘開關帶來的轉矩Tmain?G，根據《中小型電機選型手冊》選取微型行星減速步進電機型號為：35HSH24G51J-150。其相電壓為24V，扭矩為6N?m，轉速為15r/min，重量為0.35kg。

2.3 底座

綜合考慮機械臂的作業高度、承重性能、穩定性、可攜帶性等要求，選取思銳碳釬維R5214X型三腳架為底座。三腳架采用10X碳釬材質，伸縮高度為0.58～1.6m，安全承重30kg。

3 二軸機械臂運動學與動力學分析

本章將建立一個二軸機械臂的運動控制模型，為控制機械臂的精密旋轉角度提供基礎。機械臂的模型包括運動學模型和動力學模型，研究機械臂運動學是為了分析機械臂末端操作頭和環網柜開關按鈕之間的空間位置關系。正運動學主要分析給定力矩或力的大小，求每個關節的運動軌跡；逆運動學分析已知每個關節的運動角度，求末端的力或力矩。而動力學模型主要分析動力學方程和各力矩陣之間的關系。

3.1 運動學分析

3.1.1 二軸機械臂正運動學分析

圖4為提出的二軸機械臂模型，其手臂長度分別為L1和L2，關節角度分別為θ1和θ2，關節端點位置為(x,y)，關節末端位置為：

圖4 二軸機械臂模型

3.1.2 二軸機械臂逆運動學求解

二軸機械臂在工作狀態時具有一定的工作區域，如圖5所示的二軸機械臂，其工作區域在圓弧1與圓弧2之間的區域，即機械臂的關節端點位置(x,y)位于外半徑L1+L2與內半徑L1?L2間。

圖5 二軸機械臂逆運動模型

利用D-H法建立二軸機械臂數學模型：

表3中，iθ為手臂夾角，iβ為手臂偏移量，iα為手臂長度，jα為手臂扭角。

表3 二軸機械臂的D-H參數

兩機械臂間的齊次坐標變換矩陣：

即：

機械臂末端的位置矩陣：T=T1T2，則

得：

即：

又由式（1）得：

即可求得1θ和2θ的值。

3.2 二軸機械臂動力學分析

通過拉格朗日法，對二軸機械臂的動力學模型進行建立。

如圖6所示，1θ和2θ為手臂1和手臂2的關節變量角位移，1m和2m分別為質量，1τ和2τ分別為力矩，1L和2L分別為臂長，1c和c2為手臂質心，與鉸接點的距離分別為d1和d2。

圖6 二軸機械臂運動模型

拉格朗日方程為：

式中，L為系統的動能與勢能差，qi第i個關節的廣義坐標，iq˙為第i個關節的廣義坐標對時間的一階導數；

由此可得機械臂的動力學方程為：

式中，D(q)為慣性矩陣，H(q,q˙)為向心力和哥氏力矩陣，G(q)為重力項矩陣,

計算動力學方程的系數矩陣，令轉動慣量：

則：

將表1與表2中的參數代入式（14）～（18）中，可得二軸機械臂的動力學方程系數矩陣為：

表2 二軸機械臂的參數

4 機械臂控制系統

機械臂控制系統總體結構框圖如圖7所示。

圖7 控制流程圖

圖7為機械臂控制流程圖。控制系統主要由基于模糊PID算法的STM32單片機控制模塊、Wifi通信模塊、壓力傳感模塊、電機驅動模塊和供電模塊組成。單軸機械臂電機由獨立的電機驅動器控制，經Wifi通信模塊接收單片機控制器的目標指令完成開關柜的分合閘。主控單元通過Wifi通信模塊接收APP給定指令，對二軸機械臂發出指令，執行相應的分合閘任務；對電機驅動控制器下發運動控制指令及電機運動參數采集并將參數上傳給APP；安裝在電機輸出軸上的壓力傳感器實時反映操作頭的受力情況，控制電機轉動。

4.1 模糊PID控制原理

在工業中，PID控制因為結構簡潔、控制器設計簡單、參數方便調整、穩定性好等優點，成為熱門的單片機控制技術。PID控制系統原理如圖8所示。

圖8 PID控制系統原理圖

KP、TI、TD是PID控制器三個最重要的參數，輸入二軸機械臂各關節末端給定的位置信號r(t)和實際輸出信號c(t)的差值e(t)，將差值依照公式（21）的形式進行線性組合，輸入給被控對象。本文中位置信號r(t)可由式（19）二軸機械臂的動力學方程系數矩陣求得。

在上式中，Kp為比例系數，TD為微分時間常數，TI為積分時間常數。PID控制器各環節的功能如下：

（1）比例環節P：比例放大差值e(t)，當系統有較大偏差時，控制器會發揮作用以減小系統偏差。

（2）積分環節I：對控制器的輸出變化速度與輸入誤差e(t)進行調節。TI是積分時間常數，其值越小，系統越穩定。

（3）微分環節D：控制器的輸出與誤差時間成反比。為防止誤差突然出現變化，系統通過提前預判其變化趨勢來引入一個修正量，從而減小誤差。

4.2 單片機控制模塊設計

機械臂控制系包括下位機底層控制軟件和上位機遙控軟件。

下位機底層控制軟件是利用單片機與Wifi接收模塊相結合進行機械臂驅動電機的無線遙控，單片機控制模塊能夠控制電機輸出指定的轉角是在單片機產生基本的 PWM周期信號（20ms）的基礎上調節 PWM 信號的占空比來調節脈寬。現有的STM32單片機能輸出脈沖寬度為微秒級的PWM信號，使電機的轉角精度在1°以內。本設計利用模糊PID控制算法，將計算結果轉化為PWM信號輸出到電機。

4.3 APP遙控模塊設計

基于IntelliJ IDEA 的Android Studio具有強大的移動端軟件開發能力。Android Studio Canary是一個在網頁上就能進行操作的可視化安卓應用程序制作平臺，組件設計和邏輯設計都十分方便，入門門檻較低，其應用領域也十分廣闊。

上位機遙控軟件為控制端手機APP軟件，論文中機械臂控制端APP是在Android Studio Canary平臺上制作，對機械臂發送正轉、反轉、停止等相關指令功能來遙控智能機械臂。APP界面如圖9所示。

圖9 APP控制界面

4.4 壓力傳感模塊設計

利用集成電路技術和半導體材料單晶硅的壓阻效應制成的電橋形壓阻式傳感器，具有靈敏性高、測量范圍廣且價格便宜的特點。單晶硅材料可直接作為測量傳感元件，在收到外界壓力后單晶硅會發生形變，從而使其電阻率發生變化，導致電橋的輸出出現不平衡量。直接測量電路輸出信號后得到一組和壓力成正比關系的變化的電流和電壓信號。壓阻式傳感器目前被廣泛用于壓力、拉力和速度等物理量的測量和控制。

本設計選用固態壓阻式壓力傳感器安裝在電機輸出軸一端的聯軸器上。當環網柜分合閘成功后，壓力傳感器感應到壓力驟降，迅速反饋給單片機控制單元，控制電機停止轉動。

5 結語

智能機械在電力行業的應用越來越廣泛，前有巡線無人機，后到智能分合閘機械臂。本設計為解決某供電公司高壓環網柜人工分合閘存在安全隱患，設計一款可伸縮攜帶的智能機械臂進行分合閘。首先，設計機械臂的機械部分，通過計算機械臂受力力矩選取合適的驅動電機和底座。其次，對機械臂的運動學進行了研究，推導出了正運動學方程，再利用D-H法建立二自由度機械臂數學模型，進行了逆運動學分析。選用拉格朗日法建立機械臂動力學方程，并求解勢能及動能。利用模糊PID算法，實現單片機對電機驅動裝置的控制。最后，開發了 一款手機APP對智能機械臂進行遠程無線遙控。該智能機械臂滿足便于攜帶、可安裝在環網柜面板上、操作空間大、應用環境多樣、操作便捷、具有多種拆卸操作頭等要求，為高壓環網柜分合閘提供了便利。