基于多自由度檢測(cè)末端的室內(nèi)無(wú)軌式電力巡檢機(jī)器人研究

陳 輝，聶 銘

（1.廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司，廣州 510000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力巡檢工作被賦予更重要的角色擔(dān)當(dāng)，作為室內(nèi)巡檢機(jī)器人，要完成巡檢配電站室內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)作的任務(wù)，不僅需要具有創(chuàng)建環(huán)境圖、計(jì)劃巡檢路線和精確定位的能力，還要以創(chuàng)新出具有替代配電站巡檢人員執(zhí)行電力設(shè)備檢測(cè)任務(wù)的新能力。

本文基于電力配電站室內(nèi)運(yùn)行的無(wú)軌巡檢機(jī)器人為背景，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的多自由度機(jī)械臂和關(guān)節(jié)控制模塊，采用PID模糊控制技術(shù)對(duì)多自由機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制，以達(dá)到運(yùn)動(dòng)的效果，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境下室內(nèi)巡檢機(jī)器人運(yùn)用機(jī)械臂進(jìn)行檢測(cè)目的。

1 多自由度關(guān)節(jié)的模糊PID控制設(shè)計(jì)

電力巡檢機(jī)器人的多自由度關(guān)節(jié)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)核心是直流無(wú)刷電機(jī)的控制。鑒于直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在復(fù)雜環(huán)境中的特點(diǎn)，本文采用模糊PID控制技術(shù)有效地提升了直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)作效率。在運(yùn)行環(huán)境下，對(duì)于配電站室內(nèi)眾多電氣設(shè)備的末端檢測(cè)問(wèn)題。首先，結(jié)合模糊控制原理進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，給出被控對(duì)象的傳導(dǎo)函數(shù)。其次，運(yùn)用模糊控制原理，本文構(gòu)造模糊PID邏輯控制器，以自動(dòng)求解PID參數(shù)值。最后，通過(guò)定位傳感器采樣測(cè)量無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)傳導(dǎo)精度，并使用MATLAB仿真并分析轉(zhuǎn)速曲線。

1.1 直流無(wú)刷電機(jī)模型

在機(jī)器人機(jī)械臂的應(yīng)用中，采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)可以獲得很好的傳導(dǎo)速度與動(dòng)作精度。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的韌性強(qiáng)，耐磨性好，承載力大等優(yōu)點(diǎn)有利于產(chǎn)品細(xì)節(jié)的開(kāi)發(fā)，并且運(yùn)作動(dòng)作中的振動(dòng)小，自身噪音低等特點(diǎn)也適合高精度機(jī)器人的選配。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它的性能正趨于更加完善。

本文基于對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)控制的深入研究，運(yùn)用PID模糊控制技術(shù)和電機(jī)單項(xiàng)繞組部分結(jié)構(gòu)，構(gòu)建繞組感應(yīng)電勢(shì)與相電壓確定電機(jī)定子電壓的平衡公式：

式(1)中，κx表示各項(xiàng)定子電壓；rx表示各項(xiàng)繞組定子電阻；Bxy表示各項(xiàng)繞組電子互感；tx表示定子電流；gx表示定子反向動(dòng)勢(shì)；

模型設(shè)計(jì)中，設(shè)定三相繞組之間沒(méi)有互感影響，等效電路如圖1所示。

圖1 等效電路

根據(jù)圖1等效電路中的κi值控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。因傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制方式在應(yīng)用中對(duì)電壓值的調(diào)整本質(zhì)上是離散的跳躍序列，將導(dǎo)致大大降低電機(jī)壽命，并降低機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性。因此，需要對(duì)執(zhí)行控制方式采用平滑處理改造巡檢機(jī)器人機(jī)械臂控制精度。

1.2 電機(jī)的模糊PID控制

傳統(tǒng)PID控制數(shù)學(xué)模型如式(2)所示：式(2)中，ε(n)表示基于n次的采樣偏差值；n*f表示比例項(xiàng)值；n*i表示積分項(xiàng)值；nc表示微分項(xiàng)值。

式(3)、式(4)中，T表示控制周期。

圖2中，L表示系統(tǒng)設(shè)置的精確數(shù)量；J和S代表系統(tǒng)偏差和偏差率；a和e代表模糊計(jì)算偏差和偏差率；表示通過(guò)模糊計(jì)算獲得的a和e的控制效果；U代表正確對(duì)進(jìn)行模糊判決后得到輸出的精確量。

圖2 模糊控制結(jié)構(gòu)框圖

1.3 機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)

機(jī)器人機(jī)械臂控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人機(jī)械臂控制結(jié)構(gòu)

供電模塊為各關(guān)節(jié)電機(jī)和傳感器提供恒定電壓；數(shù)據(jù)通訊總線為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳遞的支撐服務(wù)，本文采用并行數(shù)據(jù)總線以實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)流交匯的信號(hào)傳輸，對(duì)多關(guān)節(jié)同步協(xié)調(diào)做出了保證，也可確保高電磁干擾環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的工作正常；外部傳感器屬于機(jī)器人路徑控制部件，也可用于機(jī)械臂的定位及校準(zhǔn)工作；控制模塊中根據(jù)模糊邏輯實(shí)現(xiàn)的PID控制對(duì)自由臂各關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行操作，利用末端探頭對(duì)配電室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)工作狀況如圖4所示。

圖4 室內(nèi)無(wú)軌電動(dòng)巡檢機(jī)器人工作圖

2 自由度關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)矩分析

利用安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承和齒輪，多自由度機(jī)械臂帶動(dòng)作用臂運(yùn)動(dòng)。針對(duì)配電室電氣設(shè)備復(fù)雜環(huán)境，利用多級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自由臂完成多自由度的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)操作。機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分析如圖5所示。

圖5 多自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

圖5中，G1、G2是兩個(gè)直流電機(jī)，J1、J2是兩個(gè)行星減速器，C1、C2、C5是等徑錐齒輪，C3、C4是準(zhǔn)雙曲面齒輪。

該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下式所示：

式(5)中，ωi表示轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍；σi表示俯仰角度范圍的角度、ωi表示角速度和角加速度；準(zhǔn)雙曲面齒輪的ωj表示角度、σj表示角速度和ωj表示角加速度。

減速器設(shè)定參數(shù)如表1所示。

表1 減速器參數(shù)設(shè)定

根據(jù)關(guān)節(jié)移動(dòng)角度與電機(jī)輸出角和關(guān)節(jié)之間的關(guān)系，輸出角速度與電機(jī)輸出角速度之間的關(guān)系：

式(6)中：m1、m2分別是電機(jī)的輸出角度；

3 巡檢機(jī)器人多自由度機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

仿真測(cè)試采用SolidWorks軟件機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真平臺(tái)配置如表2所示。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置

Solid Works的仿真測(cè)試可以針對(duì)復(fù)雜條件進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)用Motion插件實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的完整運(yùn)動(dòng)軌跡與力學(xué)的仿真。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)反映出系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線軌跡，并且可以與圖表和動(dòng)畫(huà)配合使用，曲線和可視化數(shù)據(jù)可以顯示出機(jī)器人各部分的特定運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，為機(jī)器人整體運(yùn)作調(diào)整提供技術(shù)支持。

在創(chuàng)建裝配體的過(guò)程中，SolidWorks將自動(dòng)設(shè)置的擬合關(guān)系轉(zhuǎn)換為其相應(yīng)的條件約束關(guān)系，因此與其他軟件相比，該軟件相對(duì)簡(jiǎn)單高效。只需要在巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上添加適當(dāng)?shù)鸟詈详P(guān)系和驅(qū)動(dòng)力即可進(jìn)行仿真。在定義運(yùn)動(dòng)輔助機(jī)構(gòu)時(shí)，必須確保自由度為0。如果機(jī)制中的自由度小于0，那么軟件將自動(dòng)確定存在冗余約束，并且其內(nèi)置的ADAMS解決方案會(huì)將其自由度強(qiáng)制為零，因?yàn)樵跉w零過(guò)程中，它將強(qiáng)制刪除一些多余的約束，這些約束與最初想要產(chǎn)生的效果不匹配，并且失去了仿真的意義。自由度的公式是：

式(7)中，φ表示自由臂關(guān)節(jié)數(shù)量，η表示約束數(shù)，λ表示電機(jī)驅(qū)動(dòng)量。

通過(guò)添加機(jī)器人的耦合關(guān)系并根據(jù)傳動(dòng)比設(shè)置驅(qū)動(dòng)關(guān)系，并結(jié)合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，進(jìn)行COSMOS Motion仿真，并在SolidWorks軟件中進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型的仿真實(shí)驗(yàn)。主要的仿真內(nèi)容是：

1）巡檢機(jī)器人靜態(tài)下的自由臂各自由角度的運(yùn)動(dòng)行程；

2）巡檢機(jī)器人在移動(dòng)中及非水平面下的自由臂各自由角度的運(yùn)動(dòng)行程。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1）機(jī)器人的初始位置為（0，0），讓機(jī)器人分別沿2cm×2cm的矩形路徑和半徑2cm的圓形路徑移動(dòng)，并使用手動(dòng)控制定位進(jìn)行比較和參考，并得出最佳控制參數(shù)K=0.9。

圖6可以看出，修剪機(jī)器人定位步行誤差最大出現(xiàn)在模擬范圍的周邊位置，并且步行精度呈現(xiàn)縮小的趨勢(shì)。與人工定位相比，PID模糊控制自由臂的中心定位步行點(diǎn)要高于人工定位。機(jī)械臂的跟蹤誤差逐漸在中心點(diǎn)收斂并趨向于更小的誤差。

圖6 多自由機(jī)械臂模擬定位分布對(duì)比

2）對(duì)多次迭代循環(huán)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證控制算法的精度控制誤差范圍，如圖4所示。

圖7中，在多次迭代過(guò)程中，時(shí)間段內(nèi)的自由形成軌跡分布基本控制在0.2毫米范圍內(nèi)，算法的模糊效果控制是在細(xì)分之外的精度進(jìn)行校正，而脈沖運(yùn)動(dòng)與控制邏輯設(shè)計(jì)基本吻合，故滿足精確量的控制要求。

圖7 迭代測(cè)試運(yùn)動(dòng)控制邏輯精度

4 結(jié)語(yǔ)

基于模糊PID控制設(shè)計(jì)的電力巡檢機(jī)器人，通過(guò)多角度自由臂的操作可實(shí)現(xiàn)配電室內(nèi)電氣設(shè)備的末端檢測(cè)工作。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與分析，在復(fù)雜環(huán)境條件下，對(duì)自由臂的運(yùn)動(dòng)效果高于人工手動(dòng)定位，表明本文研究成果具有良好的未來(lái)發(fā)展前景。在后續(xù)的工作中，主要對(duì)電機(jī)脈沖運(yùn)動(dòng)邏輯的參量精準(zhǔn)調(diào)校為工作重點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)響應(yīng)時(shí)間及定位準(zhǔn)度的更高階目標(biāo)。