王 鑫

（安徽滁州技師學(xué)院）

0 引言

某變電站智能操作機器人兼顧操作和巡檢兩項功能，巡檢為基礎(chǔ)，操作為目的，兩者相輔相成，完成配電室內(nèi)設(shè)備巡檢與運營管理工作。為提高巡檢效率，遠距離讀取儀表數(shù)據(jù)，該變電站創(chuàng)新優(yōu)化機械人機械臂設(shè)計，圍繞結(jié)構(gòu)化任務(wù)增加機械臂設(shè)計，搭載前沿感知設(shè)備與優(yōu)秀結(jié)構(gòu)性能，實現(xiàn)全場景巡檢。

1 電力巡檢機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工業(yè)手臂總結(jié)構(gòu)

為提高電力巡檢機械人機械臂實用性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，應(yīng)從巡檢工作內(nèi)容與常見突發(fā)狀況出發(fā)，具體應(yīng)具備機身緊湊、運行速度快、能夠搬運大中型重物等功能，以此滿足電力巡檢工作需求。整體結(jié)構(gòu)可細化為三部分，一是升降機構(gòu)，根據(jù)工作需要擺臂機構(gòu)可沿著滑軌上下運動，提高操作靈活性；二是擺臂機構(gòu)，其搭載在輪式移動平臺上，作業(yè)范圍增大；三是執(zhí)行器，始終正對電力機柜上的儀器設(shè)備，以此實現(xiàn)電力巡檢。在該結(jié)構(gòu)下，機械臂的擺臂機構(gòu)可根據(jù)需求上下運動、擺動，借助三連桿PRR平面操作臂，其所具備的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不僅不會影響執(zhí)行器的水平狀態(tài)，還可以靈活完成各種巡檢操作。不僅如此，在執(zhí)行器中，還包括可見光相機、開光旋擰裝置與補光燈，即便電力巡檢環(huán)境昏暗，也為高質(zhì)量電力巡檢工作的開展提供保障［1］。具體如圖1所示：

圖1 機械臂總結(jié)構(gòu)

通過關(guān)節(jié)間的協(xié)同運動，在豎直方向向，執(zhí)行器作業(yè)范圍可達到0.15~1.92m，很好滿足電力巡檢操作需求。

1.2 結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計

1.2.1 關(guān)節(jié)尺寸參數(shù)計算

在計算關(guān)節(jié)尺寸參數(shù)時，需明確機械臂實際應(yīng)用需求。以電力機柜為例，在機械臂運動過程中，電力機柜下部巡檢作業(yè)要求升降平臺向最下方移動，同時擺臂機構(gòu)、執(zhí)行器均向自身的下極限位置移動，到位后升降平臺緩慢向上移動，以此完成給電力設(shè)備的下部巡檢；在巡檢該電力設(shè)備中部時，平臺保持不同，擺臂機構(gòu)與執(zhí)行器逐漸向自身上方移動；在上方巡檢過程中，升降平臺移動至最下方，待擺臂機構(gòu)轉(zhuǎn)動到自身上方極限位置后，升降平臺逐漸上移，待執(zhí)行器以水平狀態(tài)到達最高位置后，即完成了電力機柜的上部巡檢。根據(jù)這一使用需求，需要科學(xué)設(shè)計機械臂關(guān)節(jié)尺寸參數(shù)，從而確保機械臂各部分的設(shè)計符合使用要求。有關(guān)于機械臂關(guān)節(jié)尺寸的計算公式為：

式中，H為執(zhí)行器與地面之間的距離，單位：mm；h為升降機構(gòu)最低可到達位置與地面之間的距離，單位：mm；d1為升降機構(gòu)行程，單位：mm；l為機械臂中第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)之間的距離，單位：mm；θ2為機械臂中第二關(guān)節(jié)從水平位置轉(zhuǎn)動的角度，逆時針為正，單位：°。

在移動平臺、擺臂機構(gòu)運作過程中，不能互相產(chǎn)生干涉，為滿足這一要求，從整體結(jié)構(gòu)來看，θ2的取值范圍［-82，82］。同時，升降平臺與升降底座之間的距離和移動平臺與地面之間的距離分別設(shè)計為90mm、505mm。將數(shù)據(jù)代至公式（1），h大于等于595mm。設(shè)計目標為末端執(zhí)行器可到達高度（H）小于等于150mm，大于1920mm。根據(jù)θ2的取值范圍，若為最小值，且升降機構(gòu)行程為零時，Hd1的結(jié)果小于等于150；若為最大值，且升降機構(gòu)行程為最大值時，H-d1的結(jié)果小于等于1920。在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，機械臂中第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)之間的距離、升降機構(gòu)最低可到達位置與地面之間的距離、升降機構(gòu)行程分別設(shè)計為452mm、597mm、880mm。

1.2.2 升降機構(gòu)設(shè)計

為獲得更大的升降行程，在絲桿升降機構(gòu)、齒輪齒條升降機構(gòu)與同步升降機構(gòu)中選用第二種，這是因為在相同高度下，該機構(gòu)帶來的升降行程參數(shù)更大，即便降低整機高度也不會帶來較大影響。升降機構(gòu)如圖2所示：

圖2 升降機構(gòu)設(shè)計

使用直線導(dǎo)軌，選擇固定連接方式將滑塊（前、后）與底座相連接，型材一側(cè)安裝齒條，通過升降平臺與支架安裝減速器。在步進電機驅(qū)動下，齒輪將沿著導(dǎo)軌在減速器輸出軸上進行運動。斷電后，電磁抱閘將抱緊轉(zhuǎn)軸，避免平臺下滑。

1.2.3 擺臂設(shè)計

擺臂結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 擺臂結(jié)構(gòu)

以相對運動原理為核心設(shè)計擺臂機構(gòu)末端傳動方式，有助于直觀分析，同時將2、5結(jié)合內(nèi)齒圈構(gòu)成等效輪系，在齒輪固定于底座的情況下，底座逆時針轉(zhuǎn)動速度可得到有效控制。為便于分析等效輪系的相對運動情況，同時增加輪系公共角速度，在構(gòu)件相對運動關(guān)系不變的情況下，系桿基本處于靜止狀態(tài)。搭配諧波減速器，其鋼輪與右支座固定連接，波發(fā)生器與輸出軸相連接，諧波減速器輸出端安裝臂桿，主端帶輪通過支承軸與左支座固定連接，同步帶穿過臂桿內(nèi)部末端安裝平臺通過末端軸與從端帶輪固定連接。在臂桿的旋轉(zhuǎn)關(guān)關(guān)節(jié)，設(shè)置機械限位和電氣限位，同時將同步帶緊張裝置安裝到臂桿內(nèi)部［2］。

1.2.4 關(guān)節(jié)舵機結(jié)構(gòu)

雖然本文研究的對象是工業(yè)機器人，但是在轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，出于電力企業(yè)成本要求，并不使用工業(yè)級伺服電機，雖然在電機編碼器的使用下相關(guān)人員即可獲得相關(guān)狀態(tài)反饋，比如轉(zhuǎn)動狀態(tài)、閉環(huán)控制狀態(tài)等，但整體設(shè)備成本較大，且會對供電系統(tǒng)造成較大負荷。因此，選用舵機開展關(guān)節(jié)設(shè)計。作為一種位置伺服的驅(qū)動器，其整體規(guī)格較小，具備角度上的閉環(huán)控制，不具備速度與電流閉環(huán)的控制。從目前舵機發(fā)展現(xiàn)狀來看，若是按照結(jié)構(gòu)進行劃分，其主要是數(shù)字舵機和模擬舵機。二者結(jié)構(gòu)一致，組成部分由減速齒輪、馬達、控制電路等，但后者的控制電路對前者多了微處理器與晶振。在本次關(guān)節(jié)設(shè)計中，主要采用PWM信號控制舵機的轉(zhuǎn)動位置。當標準舵機接到信號后，將PWM信號脈寬和其內(nèi)部的電路產(chǎn)生的基準脈寬通過比較電路，得到兩路脈沖信號，分別輸出給驅(qū)動電路和控制驅(qū)動方向，在電機的轉(zhuǎn)動帶動下，電位器的位置改變脈寬，直至達到和外部信號輸出一致的脈寬信號，電機停轉(zhuǎn)舵機角度固定。運作流程如圖4所示：

圖4 控制原理

圍繞本次變電站需要，選用SG90小型舵機，然后仿造工業(yè)事物標準，結(jié)合MG996舵機組裝關(guān)節(jié)。同時在機械臂末端預(yù)留螺絲孔，使其能夠支持多種型號夾持器的使用，為后續(xù)遠程操作與控制奠定良好基礎(chǔ)。

2 運動學(xué)模型與伺服控制

在機械臂結(jié)構(gòu)合理設(shè)計下，還需開發(fā)使用遠程遙控系統(tǒng)，便于相關(guān)工作人員在特殊情況下實時控制機器人機械手臂，提高巡檢工作效率。對于電力巡檢機器人機械臂而言，其運動控制是遠程操作與控制的核心，在上述結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計方案下，需對機械臂空間運動建立數(shù)學(xué)描述，對現(xiàn)有自由度進行數(shù)學(xué)描述，借助空間坐標系實現(xiàn)不同坐標系下機械臂關(guān)節(jié)連桿空間位姿的轉(zhuǎn)換。同時，作為具有關(guān)節(jié)的空間機構(gòu)，可立足于關(guān)節(jié)建立坐標系，利用坐標系的關(guān)系描述機械臂末端關(guān)節(jié)與執(zhí)行器在空間上的位置關(guān)系與姿態(tài)。本次案例中，采用Dеnаvit—HаrtеnBеrg法建立坐標系，并進行推導(dǎo)。用齊次變換描述空間集合關(guān)系，以此得到操作臂運動方程［3］。

對于電力巡檢機器人機械臂的伺服控制而言，應(yīng)以無線網(wǎng)絡(luò)為載體，將通信系統(tǒng)與機器人相連接，同時借助機器人搭載的攝像機，解決巡檢操作不穩(wěn)定等問題。在本次案例中，以機器人攝像機為核心設(shè)計落實一種基于目標物體顏色識別的機械臂視覺伺服控制模式，通過實時傳輸?shù)难矙z反饋數(shù)據(jù)，滿足相關(guān)人員對機械臂控制系統(tǒng)的操作需求。當機器人開展巡檢作業(yè)時，大范圍移動、調(diào)整自身姿態(tài)時，可配合人工操作，當產(chǎn)生機器人操作需求時，只需下達口令，通過視覺伺服校準，即可使機械臂末端對準目標區(qū)域，根據(jù)操作難度，判斷是否需要操作人員遠程接手操控。相較于以往的巡檢操作與校準系統(tǒng)，過程得到有效簡化。在此過程中，借助搭載的攝像機還可以開展視覺圖像采集工作，使后臺工作人員識別目標區(qū)域與機器人設(shè)備相對位置，進而進一步提高自身軌跡姿態(tài)的準確水平。對目標物體輪廓的檢測定位是視覺伺服功能正確控制的關(guān)鍵，只有成功識別了目標物體，才能根據(jù)目標物體的空間位置控制機械臂姿態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)伺服控制功能。需要注意的是，由于電力巡檢環(huán)境相對復(fù)雜，所以對于電力巡檢機器人機械臂遙控操作功能而言，操作面板上的開關(guān)按鈕應(yīng)進行鮮明顏色設(shè)計，在特殊的外觀條件下，后臺工作人員可以根據(jù)搭建遙控操作面板的實際外觀情況開展相關(guān)操作，提高準確性。其中，在視覺圖像處理過程中，顏色識別方法以HSV模型過濾為主。在本次案例推進過程中，以典型的配電柜綠色按鈕作為視覺伺服實驗的測試目標，發(fā)現(xiàn)準確識別了綠色開關(guān)位置，這是因為在HSV模型中準確設(shè)置閾值，實現(xiàn)對背景內(nèi)容的有效過濾，有助于綠色像素的準確識別。在準確識別目標物體后，自動計算對象中心像素坐標與圖像中心坐標的坐標差值，進而準確判斷機器人機械臂與檢測目標之間的相對位置，進而從巡檢需求出發(fā)，合理調(diào)整機械手臂位置，以此校正圖像中位置，在視覺信息的伺服控制下，使機械臂姿態(tài)符合巡檢要求［4］。

3 效果驗證

為驗證本次案例項目中電力巡檢機械人機械臂設(shè)計合理性，按照上述結(jié)構(gòu)方案與控制系統(tǒng)，研制出相應(yīng)樣機，根據(jù)變電站巡檢需求進行各部分功能測試。首先，測量機械臂整體重量，發(fā)現(xiàn)整機質(zhì)量和末端負載分別為18kg、2kg。其次，開展機械臂升降測試。齒輪齒條升降機構(gòu)測試時齒輪嚙合較為平穩(wěn)，在其穩(wěn)定運作過程中停止，平臺并未出現(xiàn)下滑現(xiàn)象，且升降機構(gòu)速度平穩(wěn)。最后，向下轉(zhuǎn)動擺臂機構(gòu)，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行器水平狀態(tài)始終未被打破，搭載的攝像機視頻畫面并未出現(xiàn)抖動，擺臂機構(gòu)轉(zhuǎn)動范圍與速度符合預(yù)期。由此可見，本次設(shè)計的機器人機械臂滿足案例單位的電力機房巡檢需求，而且，機械臂在使用過程中移動靈活，機構(gòu)間并未出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象，較從前來說，巡檢作業(yè)更加靈活，能夠滿足豎直方向上大范圍巡檢與遠程操作、控制要求。故帶有作業(yè)機械臂的機器人可減輕電力人員的勞動強度，代替人工安全完成電力巡檢工作，從某種角度來看，通過科技賦能有效解決了電力巡檢效率低、風(fēng)險高等問題。

4 結(jié)束語

綜上所述，巡檢期間，機械臂發(fā)揮的作用至關(guān)重要，為使機械臂自主、高效執(zhí)行任務(wù)，需要科學(xué)設(shè)計機械臂結(jié)構(gòu)，做好軟硬件設(shè)計，確保其運動軌跡符合實際情況，自主識別目標位置并進行運動規(guī)劃。具體設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)從巡檢實際出發(fā)，分析其作業(yè)過程，根據(jù)約束條件計算、求取最優(yōu)尺寸參數(shù)，確保執(zhí)行器始終處于水平狀態(tài)，簡化機械臂整體結(jié)構(gòu)，強化控制性能。經(jīng)實物樣機研制與使用，機械臂設(shè)計合理、使用有效。