CN106695748B - 一种双机械臂带电作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双机械臂带电作业机器人，实现双机械臂的协调控制，包括第一机械臂、第二机械臂、双目摄像头、全景摄像头、主操作手、主控柜、从控柜、显示器；第一机械臂和第二机械臂上各搭载一个双目摄像头；第二工控机外接工作方式切换开关，用于指定当前双机械臂控制系统的工作方式，包含遥操作和自主两种工作方式。本发明在遥操作工作方式基础上，具有自主作业工作功能的双机械臂协调控制系统及方法；采用自主作业方式，一方面可以保证操作人员的安全，另一方面也可以减少误操作的发生，提高作业效率和作业质量。

Description

一种双机械臂带电作业机器人

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种双机械臂带电作业机器人。

背景技术

目前，广泛采用的带电作业技术主要是人工带电作业，要求操作人员攀爬高压铁塔或借助绝缘斗臂车进行不停电作业。但人工带电作业，意味着操作人员要处在高空、高压、强电磁场的危险环境中，劳动强度大，且人体姿态不易控制，稍有不慎就容易发生人身伤亡事故。为解决人工带电作业带来的危险，以及提高作业效率，国内外出现了使用机器人代替人工作业的带电作业技术。

带电作业机器人的研究成果主要采用主从机械臂的遥操作方法，作业人员通过主操作手遥控从机械臂。该方法保障了操作人员的安全，但仍对操作人员有较高要求，且具有如下缺点：要求作业人员具有较高的技术熟练度，且在作业过程中精神高度集中；作业缓慢，必须确保作业环境的安全后再进行下一步操作；若操作不当，可能损毁机械臂，严重影响作业效率。

发明内容

本发明解决的技术问题为：在遥操作工作方式基础上，具有自主作业工作功能的双机械臂协调控制系统及方法；采用自主作业方式，一方面可以保证操作人员的安全，另一方面也可以减少误操作的发生，提高作业效率和作业质量。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种双机械臂带电作业机器人，包括绝缘斗臂车，搭载在绝缘斗臂车上的机器人平台，安装在机器人平台上的机械臂，还包括数据采集系统以及数据处理和控制系统；

所述机械臂包括第一机械臂和第二机械臂，所述摄像机包括双目摄像头，所述第一机械臂和第二机械臂上均搭载有双目摄像头，所述第一机械臂和第二机械臂使用作业工具相互配合完成带电作业；

所述绝缘斗臂车上设置有控制室，所述数据处理和控制系统包括第一工控机、第二工控机、显示屏和主操作手，第二工控机内置图像处理器和带电作业动作序列库，所述带电作业动作序列库中预先存储有各项带电作业对应的动作序列数据；显示屏和主操作手位于控制室内；主操作手与机械臂为主从操作关系，通过改变主操作手的姿态控制机械臂运动；

第二工控机生成械臂运动控制信号，并将械臂运动控制信号发送给第一工控机；

第一工控机根据械臂运动控制信号控制机械臂动作。

进一步，所述械臂运动控制信号为机械臂各关节角度的期望值；第二工控机采样主操作手各关节的角度数据，第一工控机采集机械臂各关节的角度数据并发送给第二工控机，当主操作手各关节角度与机械臂各关节角度存在差异时，第二工控机将主操作手各关节角度作为机械臂各关节角的期望值发送给第一工控机，第一工控机根据角度期望值通过伺服电机控制机械臂各关节的运动。

进一步，所述摄像机采集的作业场景图像发送给第二工控机，图像处理器对作业场景图像进行处理后获的3D虚拟作业场景，并送显示器显示。

进一步，所述械臂运动控制信号为第二工控机规划的机械臂空间路径，第一工控机根据机械臂空间路径解算出机械臂各关节角度的期望值，通过控制伺服驱动电机控制按机械臂各关节运动。

进一步，机械臂空间路径的规划方法为：以双目摄像头视野中心的一点作为作业对象参考点及圆弧中心点，以机械臂末端到作业对象参考点的距离作为弧面半径，设定一圆弧面，双目摄像机在该圆弧面上的不同角度采集作业对象的多幅双目图像，第二工控机根据双目视觉测距原理对多幅双目图像进行处理获得作业对象多角度的三维点云数据，使用迭代最近点算法对多角度三维点云数据进行融合和配准，建立作业对象三维模型；

第一工控机采集机械臂各关节的角度数据并发送给第二工控机；第二工控机根据作业对象三维模型、机械臂末端到作业对象参考点的距离以及机械臂各关节的角度数据进行数据融合，获得双机械臂相对作业对象三维模型的位姿信息；

第二工控机根据双机械臂相对作业对象三维模型的位姿信息和作业任务动作序列进行机器人笛卡尔空间和关节空间的路径规划。

进一步，所述机械臂或者主操作手为六自由度机构，包括基座，旋转轴方向与基座平面垂直的腰关节，与腰关节连接的肩关节，与肩关节连接的大臂，与大臂连接的肘关节，与肘关节连接的小臂，与小臂连接的腕关节，腕关节由三个旋转关节组成，分别为腕俯仰关节、腕摇摆关节和腕旋转关节；

所述六自由度机构中各个关节均具有相应的正交旋转编码器和伺服驱动电机，正交旋转编码器用于采集各个关节的角度数据，伺服驱动电机用于控制各关节的运动；

第一工控机根据机械臂各关节角度的期望值，通过控制伺服驱动电机控制按机械臂各关节运动。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明可在不断电不带负荷的情况下通过带电作业机器人的机械臂进行带电作业；本发明使用带电作业机器人由操作人员摇杆控制，对于作业人员劳动强度要求小，减少了作业强度大出现人为失误的情况，大大提高了作业过程中的安全性，从一定程度上可以减少事故的发生。

附图说明

图1为本发明带电作业机器人一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明中绝缘斗臂车的系统组成框图；

图3为本发明中机器人平台的结构示意图；

图4为本发明中机械臂的结构示意图。

图5是本发明主操作手控制原理框图。

图6是本发明自主式作业控制方法流程图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明双机械臂带电作业机器人的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合附图，带电作业机器人包括绝缘斗臂车1、控制室2、伸缩臂3、机器人平台4。其中，绝缘斗臂车1上架设控制室2和伸缩臂3，伸缩臂3末端连接机器人平台4，机器人平台4与控制室2之间采用光纤以太网通信或者无线网络通信。

绝缘斗臂车1可供操作人员驾驶，从而将机器人平台4运输到作业现场。绝缘斗臂车1上装有支撑腿，支撑腿可以展开，从而将绝缘斗臂车1与地面稳固支撑。绝缘斗臂车1上装有发电机，从而给控制室2及伸缩臂3供电。

伸缩臂3设有沿伸缩方向的驱动装置，操作人员可以通过控制驱动装置，从而将机器人平台4升降到作业高度。该伸缩臂3由绝缘材料制成，用于实现机器人平台4与控制室2的绝缘。在本发明中，伸缩臂3可有由剪叉式升降机构或其他机构代替。

作为一种实施方式，控制室2中设置有第二工控机、显示屏、第一主操作手、第二主操作手以及通信模块等。

作为一种实施方式，机器人平台4包括绝缘子46、第一机械臂43、第二机械臂44、第一工控机48、双目摄像头45、全景摄像头41、深度摄像头410、蓄电池49、专用工具箱47、通信模块。

机器人平台4的绝缘子46用于支撑第一机械臂43、第二机械臂44，将这三个机械臂的外壳与机器人平台4绝缘。

蓄电池49为第一工控机48、第一机械臂43、第二机械臂44、全景摄像头41、双目摄像头45、深度摄像头410、通信模块供电。

作为一种实施方式，双目摄像头45一共有三个，分别安装在第一机械臂43、第二机械臂44的腕关节437上，负责采集作业场景的图像数据，并将图像数据发送给第二工控机。双目摄像头45由两个光轴平行的工业相机组成，平行光轴之间的距离固定。

深度摄像头410安装在机器人平台4正对作业场景的侧面，负责采集作业场景的景深数据，将景深数据发送给第二工控机。

全景摄像头41通过支架安装在机器人平台4的上方，负责采集作业场景的全景图像数据，将图像数据发送给第二工控机，并显示在显示器上，作业人员可以通过全景图像监控作业场景。

专用工具箱47是放置抓具、扳手等作业工具的场所。机械臂末端安装有工具快换装置。机械臂根据作业任务的类型到专用工具箱47中使用工具快换装置获取作业工具。

控制室2中第一主操作手、第二主操作手是一种用于人工远程操作机械臂的操作装置，他们与第一机械臂43、第二机械臂44构成主从操作关系。机械臂和主操作手具有相同的结构，只是主操作手尺寸规格比机械臂小，以便于操作人员操作。机械臂和主操作手拥有六个关节，每个关节都有光电编码器采集角度数据，各主操作手的微型控制器通过串口将六个关节的角度数据发送给第二工控机。

作为本发明一个实施例，所述机械臂为六自由度机构，包括基座431，旋转轴方向与基座平面垂直的腰关节432，与腰关节432连接的肩关节433，与肩关节433连接的大臂434，与大臂434连接的肘关节435，与肘关节435连接的小臂436，与小臂436连接的腕关节437，腕关节437由三个旋转关节组成，分别为腕俯仰关节、腕摇摆关节和腕旋转关节；所述六自由度机构中各个关节均具有相应的正交旋转编码器31和伺服驱动电机，正交旋转编码器31用于采集各个关节的角度数据，伺服驱动电机用于控制各关节的运动；第一工控机根据所述机械臂的空间路径解算出各关节的运动角度，控制伺服驱动电机按照所述运动角度控制机械臂各关节运动。

作为一种实施方式，机器人平台4与控制室2之间的数据传输通过光纤有线传输，或者使用无线网络传输。机器人平台4上的通信模块是光纤收发器，光纤收发器用于实现光纤中的光信号与双绞线中的电信号的相互转换，从而在通信上实现机器人平台4与控制室2的电气隔离。控制室2中的通信模块是光纤收发器，光纤收发器用于实现光纤中的光信号与双绞线中的电信号的相互转换，从而在通信上实现机器人平台4与控制室2的电气隔离。

作为一种实施方式，第二工控机可以完成以下任务：

建立动作序列库。预先将各项带电作业任务分解为作用序列，组成动作序列库，存储在第二工控机中，用于机械臂路径规划。

建立作业对象模型库。预先制作各项带电作业任务所涉及的作业对象的三维模型和目标识别模型，例如，根据电力塔杆、电线、耐张绝缘子、隔离刀闸、避雷器等器件实物，制作三维模型和目标识别模型，用于带电作业机器人自动识别作业对象，构建作业场景三维虚拟场景。

建立机械臂和专用工具模型库。预先制作机械臂和专用工具的三维模型和目标识别模型，例如，扳手等，用于带电作业机器人自动构建作业场景三维虚拟场景，规划机械臂空间路径。

获取图像数据。获取全景图像、深度图像和双目图像的数据信息。

根据图像数据识别和跟踪作业目标。

获取主操作手的角度、角速度和角加速度数据，获取机械臂的角度、角速度和角加速度数据。

对相关图像数据进行处理和计算，获取机械臂位置，获取作业对象的位置，获取机械臂与作业对象之间的相对位置，并根据相对位置和作业任务规划机械臂的空间路径。

根据图像数据构建作业对象三维场景，根据机械臂角度信息和作业对象三维场景获得机械臂与作业对象的相对位置，并根据相对位置和作业任务规划机械臂的空间路径。

对相关图像数据进行处理和计算，构建3D虚拟作业场景，送显示器显示，操作人员根据3D虚拟作业场景监控作业过程。与全景图像相比，3D虚拟作业场景综合和深度图像信息和双目图像信息，对机器臂与作业对象之间、机械臂之间、作业对象与作业环境之间的相对位置的判断更精确，且不会存在视觉死角。因此，操作人员通过3D虚拟作业场景进行作业监控，操作精度更高，可以防止碰撞发生，提高了安全性。同时，3D虚拟作业场景显示在控制室2中的显示器上，远离机械臂作业现场，提高了人作业人员的人身安全。

作为一种实施方式，第一工控机可以完成以下任务：

根据第二工控机发送的主操作手各关节的角度信息，控制机械臂各关节的运动。

获取第二工控机发送的机械臂的空间路径数据，根据作业任务的动作序列，解算出机械臂各关节的角度数据运动量，并控制机械臂各关节运动。

本发明中，第一机械臂和第二机械臂相互配合，可以模仿人的两个手的作业顺序完成带电作业。

根据第二工控机和第一工控机完成的不同任务的组合，本发明带电作业机器人既可以由作业人员进行远程摇操作以完成带电作业，又可以进行自主带电作业。在进行带电作业之前，作业人员先通过观察全景图像，将机器人平台4移动至作业对象附近。

如果选择人工远程摇操作，则由第二工控机根据数目图像和深度图像构建3D虚拟作业场景并送显示器显示，作业人员通过3D虚拟作业场景监控操作过程，通过主操作手控制机械臂的动作，以完成带电作业。在此过程中，作业人员改变主操作手姿态后，主操作手中各关节的光电编码器采集各关节角度，各主操作手的微型控制器通过串口将各关节的角度数据发送给第二工控机。第二工控机将主操作手各关节的角度数据作为机械臂各关节角度的期望值发送给第一工控机，第一工控机根据角度期望值通过伺服电机控制机械臂各关节的运动，已完成带电作业。

如果选择自主作业，则由第二工控机根据数目图像和深度图像计算获取作业对象和机械臂之间的相对位置关系，然后依据作业任务所对应的动作序列进行机械臂空间路径规划，并将空间路径发送给第一工控机，第一工控机解算出机械臂各关节需要转动的角度数据作为机械臂各关节角度的期望值，通过伺服电机控制机械臂各关节的运动，已完成带电作业。

双机械臂协调控制系统包括第一机械臂43、第二机械臂44、机械臂上的双目摄像头45、全景摄像头41、主操作手22、主控柜20、从控柜40；显示器21。

作为一种实施方式，主操作手22由按机械臂等比例缩小的连杆30、正交旋转编码器31、控制按钮32和微控制器33组成。正交旋转编码器31联接在主操作手22的各个关节上，检测各个关节角度，并将表示关节角度的模拟信号传输到微控制器33。控制按钮32连接到微控制器33的输入端口上，用于向微控制器33发送控制指令。微控制器采集正交旋转编码器31的模拟信号并将其数字化后发送给主控柜，采集控制按钮32发来的控制信号并发送给主控柜。

第二工控机外接工作方式切换开关，用于指定当前双机械臂控制系统的工作方式。包含遥操作和自主两种工作方式。当系统复位或切换开关设置为遥操作模式时，系统工作在遥操作模式下。当切换开关设置为自主作业模式时，系统工作在自主作业模式下。

双机械臂遥操作控制方法为：

定时采样主操作手六个关节的关节角度和机械臂六个关节的关节角度，当主操作手关节角度与机械臂关节角度存在差异时，以主操作手的关节角度作为机械臂关节角的期望值，通过伺服控制器驱动机械臂不断趋近于主操作手的姿态，最终使主操作手与机械臂关节角度达到一致。

双机械臂自主式控制方法，包括如下步骤：

第一，根据作业规范，将作业任务分解成动作序列，建立各种作业任务的动作序列库。

第二，作业人员通过全景摄像头监控作业场景，操纵主操作手，调整双机械臂到合适的位置和姿态，完成机械臂的位姿初始化。合适的位姿是指：可以保证机械臂处于该位姿时，能从机械臂上的双目摄像头拍到的图像中识别并锁定作业对象。并保证作业对象处于图像中的合理位置，以确保在机械臂的移动过程中仍能跟踪作业对象。

第三，第二工控机由双目摄像头拍摄的图像，根据双目视觉测距原理，获得所拍摄作业对象的三维点云数据。由于双目摄像头固定于机械臂末端，随着机械臂的移动，可获得多组三维点云。对多组不同位置的三维点云数据进行数据融合，即可重构出作业对象精确的三维模型。

第四，为重构出作业对象精确的三维模型，同时保证重构中机械臂的运动不与障碍物相撞，规划机械臂末端在一圆弧面内运动。因此，选定机械臂位姿初始化后处于视野中心的一点作为作业对象参考点及圆弧中心点，选定机械臂末端到作业对象参考点的距离作为弧面半径，作一圆弧面作为机械臂末端规划路径。第二工控机根据所得点云数据，获得上述弧面信息并发送给第一工控机。第一工控机根据第二工控机发来的圆弧面信息，在该弧面作一条轨线作为机械臂的笛卡尔空间位置规划路径，将该规划路径信息作为控制信号传输至从控柜。从控柜根据该控制信号解算出关节角度，根据该关节角度作为控制器期望值，驱动机械臂关节旋转。在沿圆弧面上的轨线运动过程中，双目摄像头和第二工控机继续完成对作业对象表面点云数据的采集，并将其存储以备下一步骤使用。

第五，第二工控机对上一步骤多角度获得的三维点云数据根据迭代最近点算法进行融合和配准，建立作业对象高精度的三维模型。同时，第一工控机对从控柜发来的机械臂关节角度信息和第二工控机发来的机械臂末端到作业对象参考点的距离进行数据融合，获得机械臂相对作业对象三维模型精确的位姿信息。

第六，第一工控机根据第五步得到的作业对象的三维模型、机械臂末端相对作业对象的位置关系和第一步的动作序列规定的当前要执行的动作，确定机器人末端目标位姿，并进行机器人笛卡尔空间和关节空间路径规划。并将该规划路径信息作为控制信号传输至从控柜。从控柜根据该控制信号解算出关节角度，根据该关节角度驱动机械臂关节旋转。

第七，若当前动作序列未结束。则回到第六步执行动作序列中的下一动作。

Claims (4)

1.一种双机械臂带电作业机器人，包括绝缘斗臂车，搭载在绝缘斗臂车上的机器人平台，安装在机器人平台上的机械臂，其特征在于，还包括数据采集系统以及数据处理和控制系统；

所述机械臂包括第一机械臂和第二机械臂，摄像机包括双目摄像头，所述第一机械臂和第二机械臂上均搭载有双目摄像头，所述第一机械臂和第二机械臂使用作业工具相互配合完成带电作业；

所述绝缘斗臂车上设置有控制室，所述数据处理和控制系统包括第一工控机、第二工控机、显示屏和主操作手，第二工控机内置图像处理器和带电作业动作序列库，所述带电作业动作序列库中预先存储有各项带电作业对应的动作序列数据；显示屏和主操作手位于控制室内；主操作手与机械臂为主从操作关系，通过改变主操作手的姿态控制机械臂运动；

第二工控机生成机械臂运动控制信号，并将机械臂运动控制信号发送给第一工控机；

第一工控机根据机械臂运动控制信号控制机械臂动作；

所述机械臂运动控制信号为第二工控机规划的机械臂空间路径，第一工控机根据机械臂空间路径解算出机械臂各关节角度的期望值，通过控制伺服驱动电机控制机械臂各关节运动；机械臂空间路径的规划方法为：

以双目摄像头视野中心的一点作为作业对象参考点及圆弧中心点，以机械臂末端到作业对象参考点的距离作为弧面半径，设定一圆弧面，双目摄像机在该圆弧面上的不同角度采集作业对象的多幅双目图像，第二工控机根据双目视觉测距原理对多幅双目图像进行处理获得作业对象多角度的三维点云数据，使用迭代最近点算法对多角度三维点云数据进行融合和配准，建立作业对象三维模型；

第一工控机采集机械臂各关节的角度数据并发送给第二工控机；第二工控机根据作业对象三维模型、机械臂末端到作业对象参考点的距离以及机械臂各关节的角度数据进行数据融合，获得双机械臂相对作业对象三维模型的位姿信息；

第二工控机根据双机械臂相对作业对象三维模型的位姿信息和作业任务动作序列进行机器人笛卡尔空间和关节空间的路径规划。

2.如权利要求1所述双机械臂带电作业机器人，其特征在于，所述机械臂运动控制信号还包括机械臂各关节角度的期望值；第二工控机采样主操作手各关节的角度数据，第一工控机采集机械臂各关节的角度数据并发送给第二工控机，当主操作手各关节角度与机械臂各关节角度存在差异时，第二工控机将主操作手各关节角度作为机械臂各关节角的期望值发送给第一工控机，第一工控机根据角度期望值通过伺服电机控制机械臂各关节的运动。

3.如权利要求2所述双机械臂带电作业机器人，其特征在于，所述摄像机采集的作业场景图像发送给第二工控机，图像处理器对作业场景图像进行处理后获的3D虚拟作业场景，并送显示器显示。

4.如权利要求1至3所述任意一带电作业机器人，其特征在于，所述机械臂或者主操作手为六自由度机构，包括基座，旋转轴方向与基座平面垂直的腰关节，与腰关节连接的肩关节，与肩关节连接的大臂，与大臂连接的肘关节，与肘关节连接的小臂，与小臂连接的腕关节，腕关节由三个旋转关节组成，分别为腕俯仰关节、腕摇摆关节和腕旋转关节；

所述六自由度机构中各个关节均具有相应的正交旋转编码器和伺服驱动电机，正交旋转编码器用于采集各个关节的角度数据，伺服驱动电机用于控制各关节的运动；

第一工控机根据机械臂各关节角度的期望值，通过控制伺服驱动电机控制机械臂各关节运动。