国网上海市电力公司市区供电公司 冯文俊 贲志棠 潘 麟 杨晓彤 刘 苏 上海服泽能源科技有限公司 王树柳

国家大力支持电网发展，系统自动化水平不断提高，变电站运行环境更加复杂。常规的人工巡检无法满足和监控网络运行的实时性要求，使得变电站也趋于无人化或少人化。在主观控制机器人遵循这一环节的前提下，测试机器人如何发展是自动化分站的发展趋势。机器人提高了巡查作业效率，避免了人工检查和不认真疏忽的问题，高质量、及时的运行维护是供电安全可靠运行的前提。此次研究主题是自动巡检机器人的一部分，本设计可实现变电站地波自动检测，提高人工检测效率，改善人工安全问题。

移动智能机器人是集环境感知、动态决策与规划、行为控制与应用于一体的系统，是吸收了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程等领域研究成果的综合性系统。其中自动化控制工程与人工智能代表了机电一体化的最重要成果，是信息技术发展中最具活力的领域之一。移动机器人是一种在复杂环境中工作的智能机器人，具有自主组织和自主操作的特点，集成了计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术和机器人技术等。随着机器人性能的提高，机器人的应用范围大大扩大，不仅广泛应用于工业、农业、医疗、服务业，还作业于城市安全、国防和探测等领域[1]，其技术的发展已经受到全世界广泛关注。

具有模仿人手和手臂动作功能的机器人称之为机械臂[2]，主要用于按照固定的程序进行物件的搬运、自动操作工具等。它取代了人工作业并实现了机械化和自动化的结合，保证了人身安全。本文将地机械臂装置与移动电力巡检机器人结合起来，能够实现变电站自动巡检功能。

1 地电波检测机械臂设计方案

1.1 总体方案设计

地电波检测机械臂装置控制系统由地电波检测机械臂装置控制单元、机械臂运动控制单元、充放电及能源管理单元、无线通信单元和传感器采集分析单元组成，地电波检测机械臂控制单元是本系统的核心，也是由微控制器构成；机械臂运动控制单元是用来控制机械臂每个部分的运动方向，其控制每一个驱动系统使机械臂可按照需要的方式进行运动；充放电及能源管理单元是用来实现机械的电能储备，由电池组构成；无线通讯单元是用来实现系统组件和WIFi 的链接，使系统通过通讯的方式来识别控制需求；传感器采集分析单元是用来识别地电波，由地电波传感器数据采集单元、红外测温传感器数据采集单元和位置反馈传感器组成，能全方位的识别和采集地电波的各项数据（图1）。

1.2 地电波检测机械臂结构设计

图1 基于地电波检测机械臂控制系统框架图

地电波检测机械臂要能与巡检机器人有机结合在一起，在巡检机器人运动到合适位置后进行动作，可实现对探测传感器的收放动作，机械臂最大伸展半径需满足设备测量使用需求，在机械臂无需动作的工况下，机械臂能将自身及所携带地电波传感器等器件回收至存储位，保证自身占据较小的空间，不会干涉巡检机器人运动且不会对周围人员或设备构成潜在威胁，整体机械结构需采用模块化设计，具有较高的机构灵活性，机械部件动作可靠稳定，流畅且安静，结构子模块易更换易维修。结合上述设计思路，所设计的地电波检测机械臂装置机械结构三维模型设计如图2，其表示的是地电波检测机械臂装置处于存储位置时的状态，两端机械臂均回收至最短位置，主机械臂以与重力方向夹角35度的姿态固定，机械臂整体占据空间较小（横向距离为45厘米），巡检机器人运动时机械臂不会与周围设备产生干涉。

图2 地电波检测机械臂存储位置

图4 机械臂释放图

图5 地电波检测装置传感器组

如图4所示，地电波探测机械臂进行释放动作时，副机械臂先动作将主机械臂伸送到水平位置，然后主机械臂开始运动将探测传感器组送出，主机械臂最短位置为0.8米，最长可达1.45米，运动过程中，副机械臂一方面作为动作机构负责主机械臂的收回和释放，另一方面可作为主机械臂的承力臂避免主机械臂下垂，机械臂回收时两个机械臂的动作顺序与上述过程相反。

图5所示为机械臂主臂前沿固定的安装板、地电波传感器以及限位开关的组合，考虑到地电波传感器与位置反馈传感器组的重量，本方案使用碳钎维作为固定地电波传感器与限位开关的安装板，通过现场的测试，然后调整限位开关的位置，使其能够在地电波传感器接触到电气柜表面检测时恰好得到触发，给出反馈信号使机械臂停止动作。

1.3 地电波检测机械臂运动学设计

机械臂运动学技术是地电波检测机械臂能够自由运动的基础[3]，机械臂是在运动学理论计算的基础下来满足我们的需求的，运动学设计又分为坐标设计和算法设计，他们相结合使机械臂按照我们所需要的方式进行工作，机械臂运动学是基于动力学建模来进行组建的。

1.3.1 惯性张量

对于轴向转动的机械臂，采用惯性张量描述机械臂连杆的质量分布，可用3×3矩阵表示为，矩阵中的各元素为：。其中机械臂连杆由单元体dv 组成，其关节连杆的密度为σ。Ixx、Iyy、Izz称为惯量矩，Ixy、Ixz、Iyz称为惯量积，这六个独立的变量取决于所在连杆坐标系的位姿。随着连杆质心坐标系的旋转，当连杆惯性张量中的惯量积为零时，此时连杆坐标系的坐标轴成为连杆主轴，惯量矩称为主惯性矩。根据惯性张量的特点，可根据地电波检测机械臂各个连杆的质心坐标系位姿和惯性张量确定该机械臂的质量分布。

1.3.2 牛顿欧拉动力学方程

牛顿-欧拉动力学方程描述了关节力矩和关节运动状态之间的数学关系。根据其定义方法，对于可动关节均为转动关节的机械臂该算法的运算过程如下：

1.4 地电波检测机械臂动力学建模

将地电波检测机械臂的惯性张量，连杆质量，质心矢量，旋转矩阵，关节角度、速度、加速度等参数带入方程中便可计算出关节力矩。连杆质心位置（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)。

连杆主惯性矩(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。

连杆质量（kg）：m1=1.390，m2=1.318，m3=0.821，m4=0.769，m5=0.687。采用牛顿-欧拉方程，可将得到的动力学结果写成如下状态空间的形式：τ=M(θ) +V(θ，)+G(θ)，式中M(θ)代表地电波检测机械臂的惯性矩阵，V(θ，)代表地电波检测机械臂的离心力和哥氏力矢量，G(θ)代表地电波检测机械臂的重力矢量。V(θ，)中的元素是关于θ 和 的复杂函数。因此式中的矢量取决于位置和速度，所以也称为状态空间方程。

1.5 基于MATLAB 的动力学仿真

在MATLAB 中对地电波检测机械臂的动力学模型进行仿真[4]。根据地电波检测机械臂的关节角度、关节角速度和关节角加速度等运动状态可以通过计算得到关节驱动力矩，仿真结果如下图所示。

图6 地电波检测装置传感器组

2 控制器设计方案

文中地电波检测机械臂的控制器需要具有性能高、功耗低且能控制设计成本的特点，其能够完成无线通讯远程控制的功能[5]。为保证其检测电气柜时检测结果更加精准，机器需对电气柜的接触程度进行反馈，这时需制作一个控制器开关来保证当地电波传感器前端接触目标设备后行程开关刚好被触发，提供反馈信号让电动推杆停止伸出。

微控制器应用设计分析。本次采用STM32F429芯片充当机械臂装置的控制器，STM32系列的内核控制器ARM Cortex-M4具有性能高、成本低、功耗低的特点。此控制器是同类型中性价比最高的产品，其工作时钟频率可达到180MHz。STM32F429芯片的技术特点完全满足机器人控制芯片低功耗、高效率、高度集成化的要求。

无线模块控制器结构与功能设计。系统通讯模块选用了高性能工业级的USR-C322WIFI 模块。此模块功耗低其数值为802.11b/g/n，是实现嵌入式系统无线通讯的理想选择。此模块可将物理设备与WiFi 相连接，实现了物联网的控制和管理。本模块由MAC、基频芯片、射频收发单元、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作为内核，运行频率可达到80MHZ；内置以运行功耗超低来实现低能耗运行；以TCP/IP 协议为WiFi 协议，只需简单配置就可使UART 设备联网。

控制器行程开关设计与特点。为防止电动推杆伸出距离过长将地电波传感器损坏，并保证地电波传感器前端可以精准地贴合接触到电气柜表面，地电波探测传感器安装板下方安装了一个行程检测开关，用来保证当地电波传感器前端接触目标设备后行程开关刚好被触发，提供反馈信号让电动推杆停止伸出。本方案选用正太YBLX-19/001型行程开关，行程开关的行程为14mm，触发行程4mm，当把推动杆推到一定位置后，行程开关会触发常开触点闭合，就可以得到地电波位移传感器贴合到电气柜的状态反馈量，从而控制电动推杆停止动作。

控制器电路板设计与布局。地电波检测机械臂装置嵌入式系统控制板包含CPU 系统电路、电源系统电路、传感器接口电路、无线通信接口电路、机械臂伸缩机构驱动电路等部分，主控制板安装在嵌入式控制盒内，通过航插与外部传感器和执行器连接，控制板采用模块化的设计，设计整体简洁紧凑，具有较高的扩展性和可维修性。

控制器设计成果。控制器经过安装后，经过多次实验和调试，机械臂能通过WIFi 远程控制按照所需要求进行伸缩检测电气柜中的地电波，并能够将检测信息反馈到控制页面，实现了地电波检测机械臂的设计理念，为之后更高级的设计做了铺垫。

3 结语

本项目所设计的地电波探测机械臂依托于巡检机器人的运动和定位能力实现对变电站设备的巡检，然后通过探测机械臂伸送地电波传感器，实现对变电站设备地电波数据的采集和故障诊断功能。经过多次的simulink 仿真环境和Gazebo 物理仿真的实验，经过调节成功的设计出了机械臂的结构和控制器，完成了预期想要达到的目标，实现了机械臂和移动机器人平台的结合，为之后的设计打下了一定的基础。此次方案极大扩展了无人值守巡检机器人的巡检作业能力，具备市场推广价值，对促进变电站稳定安全的运行、提升供电的可靠性具有重要意义，其应用前景非常宽广。