基于地電波檢測(cè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)及控制器設(shè)計(jì)

國(guó)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(shù)柳

國(guó)家大力支持電網(wǎng)發(fā)展，系統(tǒng)自動(dòng)化水平不斷提高，變電站運(yùn)行環(huán)境更加復(fù)雜。常規(guī)的人工巡檢無(wú)法滿足和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性要求，使得變電站也趨于無(wú)人化或少人化。在主觀控制機(jī)器人遵循這一環(huán)節(jié)的前提下，測(cè)試機(jī)器人如何發(fā)展是自動(dòng)化分站的發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)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(wèn)題，高質(zhì)量、及時(shí)的運(yùn)行維護(hù)是供電安全可靠運(yùn)行的前提。此次研究主題是自動(dòng)巡檢機(jī)器人的一部分，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)變電站地波自動(dòng)檢測(cè)，提高人工檢測(cè)效率，改善人工安全問(wèn)題。

移動(dòng)智能機(jī)器人是集環(huán)境感知、動(dòng)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(jì)算機(jī)工程等領(lǐng)域研究成果的綜合性系統(tǒng)。其中自動(dòng)化控制工程與人工智能代表了機(jī)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(dòng)機(jī)器人是一種在復(fù)雜環(huán)境中工作的智能機(jī)器人，具有自主組織和自主操作的特點(diǎn)，集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等。隨著機(jī)器人性能的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范圍大大擴(kuò)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(guó)防和探測(cè)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(dòng)作功能的機(jī)器人稱之為機(jī)械臂[2]，主要用于按照固定的程序進(jìn)行物件的搬運(yùn)、自動(dòng)操作工具等。它取代了人工作業(yè)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化的結(jié)合，保證了人身安全。本文將地機(jī)械臂裝置與移動(dòng)電力巡檢機(jī)器人結(jié)合起來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站自動(dòng)巡檢功能。

1 地電波檢測(cè)機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

地電波檢測(cè)機(jī)械臂裝置控制系統(tǒng)由地電波檢測(cè)機(jī)械臂裝置控制單元、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制單元、充放電及能源管理單元、無(wú)線通信單元和傳感器采集分析單元組成，地電波檢測(cè)機(jī)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(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制單元是用來(lái)控制機(jī)械臂每個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)方向，其控制每一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使機(jī)械臂可按照需要的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；充放電及能源管理單元是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械的電能儲(chǔ)備，由電池組構(gòu)成；無(wú)線通訊單元是用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組件和WIFi 的鏈接，使系統(tǒng)通過(guò)通訊的方式來(lái)識(shí)別控制需求；傳感器采集分析單元是用來(lái)識(shí)別地電波，由地電波傳感器數(shù)據(jù)采集單元、紅外測(cè)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(shí)別和采集地電波的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（圖1）。

1.2 地電波檢測(cè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 基于地電波檢測(cè)機(jī)械臂控制系統(tǒng)框架圖

地電波檢測(cè)機(jī)械臂要能與巡檢機(jī)器人有機(jī)結(jié)合在一起，在巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到合適位置后進(jìn)行動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)傳感器的收放動(dòng)作，機(jī)械臂最大伸展半徑需滿足設(shè)備測(cè)量使用需求，在機(jī)械臂無(wú)需動(dòng)作的工況下，機(jī)械臂能將自身及所攜帶地電波傳感器等器件回收至存儲(chǔ)位，保證自身占據(jù)較小的空間，不會(huì)干涉巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)且不會(huì)對(duì)周圍人員或設(shè)備構(gòu)成潛在威脅，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)需采用模塊化設(shè)計(jì)，具有較高的機(jī)構(gòu)靈活性，機(jī)械部件動(dòng)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(jì)思路，所設(shè)計(jì)的地電波檢測(cè)機(jī)械臂裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì)如圖2，其表示的是地電波檢測(cè)機(jī)械臂裝置處于存儲(chǔ)位置時(shí)的狀態(tài)，兩端機(jī)械臂均回收至最短位置，主機(jī)械臂以與重力方向夾角35度的姿態(tài)固定，機(jī)械臂整體占據(jù)空間較?。M向距離為45厘米），巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械臂不會(huì)與周圍設(shè)備產(chǎn)生干涉。

圖2 地電波檢測(cè)機(jī)械臂存儲(chǔ)位置

圖4 機(jī)械臂釋放圖

圖5 地電波檢測(cè)裝置傳感器組

如圖4所示，地電波探測(cè)機(jī)械臂進(jìn)行釋放動(dòng)作時(shí)，副機(jī)械臂先動(dòng)作將主機(jī)械臂伸送到水平位置，然后主機(jī)械臂開(kāi)始運(yùn)動(dòng)將探測(cè)傳感器組送出，主機(jī)械臂最短位置為0.8米，最長(zhǎng)可達(dá)1.45米，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，副機(jī)械臂一方面作為動(dòng)作機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)主機(jī)械臂的收回和釋放，另一方面可作為主機(jī)械臂的承力臂避免主機(jī)械臂下垂，機(jī)械臂回收時(shí)兩個(gè)機(jī)械臂的動(dòng)作順序與上述過(guò)程相反。

圖5所示為機(jī)械臂主臂前沿固定的安裝板、地電波傳感器以及限位開(kāi)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(kāi)關(guān)的安裝板，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試，然后調(diào)整限位開(kāi)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(cè)時(shí)恰好得到觸發(fā)，給出反饋信號(hào)使機(jī)械臂停止動(dòng)作。

1.3 地電波檢測(cè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)是地電波檢測(cè)機(jī)械臂能夠自由運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)[3]，機(jī)械臂是在運(yùn)動(dòng)學(xué)理論計(jì)算的基礎(chǔ)下來(lái)滿足我們的需求的，運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)又分為坐標(biāo)設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)，他們相結(jié)合使機(jī)械臂按照我們所需要的方式進(jìn)行工作，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)是基于動(dòng)力學(xué)建模來(lái)進(jìn)行組建的。

1.3.1 慣性張量

對(duì)于軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械臂，采用慣性張量描述機(jī)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(jī)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(gè)獨(dú)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(shí)，此時(shí)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(diǎn)，可根據(jù)地電波檢測(cè)機(jī)械臂各個(gè)連桿的質(zhì)心坐標(biāo)系位姿和慣性張量確定該機(jī)械臂的質(zhì)量分布。

1.3.2 牛頓歐拉動(dòng)力學(xué)方程

牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)方程描述了關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)其定義方法，對(duì)于可動(dòng)關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械臂該算法的運(yùn)算過(guò)程如下：

1.4 地電波檢測(cè)機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模

將地電波檢測(cè)機(jī)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(jì)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(dòng)力學(xué)結(jié)果寫成如下?tīng)顟B(tài)空間的形式：τ=M(θ) +V(θ，)+G(θ)，式中M(θ)代表地電波檢測(cè)機(jī)械臂的慣性矩陣，V(θ，)代表地電波檢測(cè)機(jī)械臂的離心力和哥氏力矢量，G(θ)代表地電波檢測(cè)機(jī)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(dòng)力學(xué)仿真

在MATLAB 中對(duì)地電波檢測(cè)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真[4]。根據(jù)地電波檢測(cè)機(jī)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以通過(guò)計(jì)算得到關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖6 地電波檢測(cè)裝置傳感器組

2 控制器設(shè)計(jì)方案

文中地電波檢測(cè)機(jī)械臂的控制器需要具有性能高、功耗低且能控制設(shè)計(jì)成本的特點(diǎn)，其能夠完成無(wú)線通訊遠(yuǎn)程控制的功能[5]。為保證其檢測(cè)電氣柜時(shí)檢測(cè)結(jié)果更加精準(zhǔn)，機(jī)器需對(duì)電氣柜的接觸程度進(jìn)行反饋，這時(shí)需制作一個(gè)控制器開(kāi)關(guān)來(lái)保證當(dāng)?shù)仉姴▊鞲衅髑岸私佑|目標(biāo)設(shè)備后行程開(kāi)關(guān)剛好被觸發(fā)，提供反饋信號(hào)讓電動(dòng)推桿停止伸出。

微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)分析。本次采用STM32F429芯片充當(dāng)機(jī)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(diǎn)。此控制器是同類型中性價(jià)比最高的產(chǎn)品，其工作時(shí)鐘頻率可達(dá)到180MHz。STM32F429芯片的技術(shù)特點(diǎn)完全滿足機(jī)器人控制芯片低功耗、高效率、高度集成化的要求。

無(wú)線模塊控制器結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通訊模塊選用了高性能工業(yè)級(jí)的USR-C322WIFI 模塊。此模塊功耗低其數(shù)值為802.11b/g/n，是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)無(wú)線通訊的理想選擇。此模塊可將物理設(shè)備與WiFi 相連接，實(shí)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(yùn)行頻率可達(dá)到80MHZ；內(nèi)置以運(yùn)行功耗超低來(lái)實(shí)現(xiàn)低能耗運(yùn)行；以TCP/IP 協(xié)議為WiFi 協(xié)議，只需簡(jiǎn)單配置就可使UART 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

控制器行程開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與特點(diǎn)。為防止電動(dòng)推桿伸出距離過(guò)長(zhǎng)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(cè)傳感器安裝板下方安裝了一個(gè)行程檢測(cè)開(kāi)關(guān)，用來(lái)保證當(dāng)?shù)仉姴▊鞲衅髑岸私佑|目標(biāo)設(shè)備后行程開(kāi)關(guān)剛好被觸發(fā)，提供反饋信號(hào)讓電動(dòng)推桿停止伸出。本方案選用正太YBLX-19/001型行程開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)的行程為14mm，觸發(fā)行程4mm，當(dāng)把推動(dòng)桿推到一定位置后，行程開(kāi)關(guān)會(huì)觸發(fā)常開(kāi)觸點(diǎn)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(dòng)推桿停止動(dòng)作。

控制器電路板設(shè)計(jì)與布局。地電波檢測(cè)機(jī)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(wú)線通信接口電路、機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路等部分，主控制板安裝在嵌入式控制盒內(nèi)，通過(guò)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(jì)，設(shè)計(jì)整體簡(jiǎn)潔緊湊，具有較高的擴(kuò)展性和可維修性。

控制器設(shè)計(jì)成果。控制器經(jīng)過(guò)安裝后，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，機(jī)械臂能通過(guò)WIFi 遠(yuǎn)程控制按照所需要求進(jìn)行伸縮檢測(cè)電氣柜中的地電波，并能夠?qū)z測(cè)信息反饋到控制頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)了地電波檢測(cè)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)理念，為之后更高級(jí)的設(shè)計(jì)做了鋪墊。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的地電波探測(cè)機(jī)械臂依托于巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和定位能力實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備的巡檢，然后通過(guò)探測(cè)機(jī)械臂伸送地電波傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)多次的simulink 仿真環(huán)境和Gazebo 物理仿真的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)成功的設(shè)計(jì)出了機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和控制器，完成了預(yù)期想要達(dá)到的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂和移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的結(jié)合，為之后的設(shè)計(jì)打下了一定的基礎(chǔ)。此次方案極大擴(kuò)展了無(wú)人值守巡檢機(jī)器人的巡檢作業(yè)能力，具備市場(chǎng)推廣價(jià)值，對(duì)促進(jìn)變電站穩(wěn)定安全的運(yùn)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。