CN108544215A - 一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人避雷器更换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人避雷器更换方法。机械臂、主操作手以及工控机构成力反馈主从控制系统，工控机根据机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动，以改变机械臂的力度。本发明提高了作业临场感，可以更加精准地判断各项操作是否精准到位。

Description

一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人避雷器更换方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种基于力反馈主从控制技术的带电作业机器人避雷器更换方法。

背景技术

避雷器在当今电力系统输配电线路中广泛使用，成为电力系统中过电压防护的主要设备。

随着配电网的长期运行，避雷器可能出现螺母松动，瓷套破裂，橡胶圈老化种种问题，需要更换。通常做法是停电更换，若停电面积较大，会造成无法估量的损失，严重影响供电企业的经济效益和社会效益。现在广大研究人员也在积极研究带电作业更换避雷器的方法。但是人工的更换和维护，作业人员将在高压带电线路附近作业，具有一定的安全隐患。

配电线路中带电作业更换避雷器主要采用绝缘手套作业法，绝缘手套作业法中作业人员穿戴全套绝缘防护用具，通过绝缘手套进行带电作业。还需要对人体可能触及到的带电体和接地体进行绝缘遮蔽。更换过程中往往产生电弧，极易对作业人员造成灼伤；在更换过程中需要对上下引线进行拆接，也会有触电的危险；作业人员在绝缘斗臂车上的绝缘斗上作业，有高处坠落的风险；在作业过程中，可能会由于人为操作的失误，客观上相间引线间距小，可能造成相间短路事件，给人民财产，人身安全造成威胁。

此前，作业人员可以通过主操作手远程遥控机器人的带电作业机器人，可保证作业人员与高压电场隔离；远程遥控操作时，操作人员根据作业场景监控系统监控作业过程，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，操作精度更高，可以防止碰撞发生，提高了作业安全性。但是，在使用前述带电作业机器人进行精确定位的带电操作时，例如拆接隔离刀闸、跌落式熔断器及避雷器两端导线等，主要通过观察作业环境图像(包括实时图像和3D建模图像)来判断机械臂是否操作到位，对于机械臂与操作对象之间以及机械臂与机械臂之间接触力度大小并无感知，难以判断操作精度是否符合操作要求。如果操作人员或者控制系统能够感知机械臂与操作对象之间以及机械臂与机械臂之间接触力度大小，则可以更加精准地判断各项操作是否精准到位。

由于力反馈主手能够同时实现多个自由度的位置控制与力反馈，把力反馈主手应用到带电作业机器人主从控制的需求非常强烈。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提出一种基于力反馈主从控制技术的带电作业机器人避雷器更换方法，提高了作业临场感，可以更加精准地判断各项操作是否精准到位。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人避雷器更换方法，带电作业机器人具有设置在机器人平台上的机械臂，包括第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂，第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂完成以下工作：

第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂端部安装夹持工具，用夹持工具夹持绝缘遮蔽材料对标记的带电体进行绝缘遮蔽；然后第一机械臂和第二机械臂末端换装螺栓拆装工具；

辅助机械臂夹持引线固定装置移动到横担附近并将引线固定装置的固定孔与横担上固有的固定孔对齐；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定引线固定装置的螺栓，将固定引线固定装置固定在横担上；

辅助机械臂夹持上引线，第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除避雷器上固定上引线的螺栓，然后辅助机械臂将拆卸下来的上引线移动到引线固定装置上端的固定孔附近；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定上引线的螺栓，将上引线固定在引线固定装置的上端；

辅助机械臂停止夹持上引线，并移动到下引线附近对下引线进行夹持；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除避雷器上固定下引线的螺栓，然后辅助机械臂将拆卸下来的下引线移动到引线固定装置下端的固定孔附近；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定下引线的螺栓，将下引线固定在引线固定装置的下端；

辅助机械臂停止夹持下引线，并移动到避雷器附近对避雷器进行夹持；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除用于固定避雷器和横担的螺栓；螺栓拆除后，辅助机械臂将避雷器移动至机器人平台上放置；

辅助机械臂夹持新的避雷器，将新的避雷器移动至横担附近；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定避雷器与横担的螺栓，将避雷器与横担固定；

辅助机械臂停止夹持避雷器，转而夹持固定在引线固定装置上的下引线；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除用于固定上引线的螺栓，将下引线从引线固定装置上拆下来；辅助机械臂将下引线移动至避雷器下端的安装孔附近，第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定下引线的螺栓，将下引线固定在避雷器下端；

辅助机械臂停止夹持下引线，转而夹持固定在引线固定装置上的上引线；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除用于固定上引线的螺栓，将上引线从引线固定装置上拆下来；辅助机械臂将上引线移动至避雷器上端附近的安装孔，第一机械臂与第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定上引线的螺栓，将上引线固定在避雷器上端；

辅助机械臂停止夹持上引线，转而夹持引线固定装置；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除用于固定引线固定装置与横担的螺栓，将引线固定装置从横担上拆下来；辅助机械臂将引线固定装置放回机器人平台上专用工具箱；

第一机械臂和第二机械臂换装夹持工具，使用夹持工具夹持覆盖在带电体上的绝缘遮蔽材料，撤除绝缘遮蔽材料；

在上述过程中，工控机根据各机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；

在上述过程中，操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出各机械臂末端速度矢量的期望值，通过各机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动，以改变机械臂的力度。

进一步，所述各机械臂末端受力数据由安装在机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得，其标量为六自由度力/力矩数据。

进一步，所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，其由工控机根据机械臂的末端位姿数据和末端速度数据，使用基于虚拟现实技术计算获得，具体过程为：

步骤1，运用八分法对机械臂作业场景对应的虚拟现实场景进行逐步划分，构建八叉树；

步骤2，获取机械臂末端位姿数据，以该末端位姿数据为球心，创建包围球，设置包围球的半径为所需碰撞检测的距离；

步骤3，对步骤2的包围球与步骤1的八叉树进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则机械臂末端的六自由度力/力矩数据为零，若发生碰撞，则获取虚拟现实场景中发生碰撞的数据点，根据发生碰撞的数据点坐标与机械臂末端位姿数据，计算碰撞深度矢量；

步骤4，根据碰撞深度矢量计算机械臂末端六自由度力/力矩数据，即采用弹簧阻尼模型计算反馈力，

F＝-kx-cv

其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，c为阻尼系数，v为机械臂末端速度矢量，F为反馈力，其标量为六自由度力/力矩数据。

进一步，对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手各个关节扭矩数据的转换关系，工控机根据所述转换关系计算出主操作手各个关节的扭矩数据。

进一步，获取机械臂末端速度矢量期望值的方法为：运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的各个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系；工控机接收主操作手发送的各个旋转关节的角度数据，根据所述转换关系计算得到主操作手末端位姿数据，然后将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据；根据主操作手末端位姿数据和末端速度数据，使用速度前馈PID控制器，计算得到机械臂末端速度矢量期望值。

进一步，主操作手包括第一主操作手、第二主操作手和辅助主操作手；第一主操作手、第二主操作手和辅助主操作手分别与第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂对应，构成主从操作关系。

进一步，所述绝缘遮蔽材料为绝缘护套或者环氧玻璃布。

进一步，所述引线固定装置包括本体，设置在本体中间位置的用于与横担固定的固定孔，以及设置在本体上下两端的用于固定上引线和下引线的固定孔。

进一步，所述避雷器放置在移动至机器人平台上的专用工具箱内。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)操作人员通过操控主操作手的末端，带电作业机械臂的末端能够跟随主操作手末端的姿态，操作人员看到的主操作手的姿态也是带电作业机械臂的姿态，这使得操作直观、灵活；

(2)力反馈功能的引入使得遥操作不再是单一的姿态给定，操作人员能够感受带电作业机械臂与环境的接触力，拥有更好的操作临场感，从而提高操作机械臂的便捷性和精确度；另外，通过力觉反馈能够发现机械臂与环境的碰撞，从而减小危险的发生，弥补仅靠视觉操作的不足；

(3)本发明通过构建好的虚拟现实场景，运用碰撞检测技术，在机械臂碰撞前输出反馈力，使得操作人员感受到反馈力，从而限制操作人员的操作行为，提高系统的安全性；本发明进一步为了避免主从操作导致机械臂与高压带电设备碰撞，通过力反馈的方式提醒与限制操作人员进一步操作。

(4)本发明整体上提高了机器人作业的自动化和作业精度，同时提高了作业安全性。

附图说明

图1为本发明带电作业机器人整体结构示意图；

图2为本发明中机器人平台的结构示意图；

图3为本发明所述方法流程图；

图4为本发明中使用的引线固定装置结构示意图；

图5为本发明带电作业机器人带电更换避雷器作业环境示意图；

图6为本发明中力反馈主从控制系统的框图；

图7为本发明中机械臂位姿闭环控制器的框图；

图8是本发明中基于虚拟现实技术的反馈力计算方法示意图。

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带电作业机器人避雷器更换方法的多种实施方式。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。

控制室2中设置有数据处理和控制系统以及显示屏、第一主操作手、第二主操作手、辅助主操作手以及通信模块等。

机器人平台4包括绝缘子46、第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42、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、辅助机械臂42，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、辅助机械臂42、全景摄像头41、双目摄像头45、深度摄像头410、通信模块供电。

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、第二主操作手以及辅助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和辅助机械臂42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。

所述主操作手为一个或者多个自由度串联机械臂结构，能够采集每个旋转关节的角度数据，每个旋转关节具备力矩电机，能够输出扭矩，从而实现力反馈功能。作为一种实施方式，如图5所示，可以采用六自由度串联机械臂结构，能够采集六个旋转关节的角度数据，每个旋转关节具备力矩电机，能够输出扭矩，从而实现力反馈功能。

所述机械臂与主操作手相通或者相似，为一个或者多个自由度机械臂结构，能够实时发送机械臂末端位姿数据，机械臂末端安装有六自由度力/力矩传感器，六自由度力/力矩传感器用于采集机械臂与环境接触时产生的六个方向的受力数据。作为一种实施方式，可以采用六自由度机械臂，机械臂末端安装六自由度力/力矩传感器，力/力矩传感器用于采集机械臂与环境接触产生的受力数据。

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。

本发明带电作业机器人可以由作业人员进行远程操控主操作手从而使用机械臂完成带电作业。在带电作业机器人更换避雷器的过程中，会涉及机械臂作业效果的确认工作，例如使用绝缘材料是否防止到位，器件是否固定稳妥、机械臂夹持是否到位、机械臂夹持力度是否过大等，这些需要确认效果的操作，实际上涉及到机械臂与周围环境接触时的力反馈检测，并基于力反馈检测的结果确认操作效果，并进一步调整操作人员对主操作手的控制，即本发明所述的力反馈主从控制。为了实现力反馈主从控制，本发明对现有技术做了一下改进。

在上述带点作业机器人中，主操作手、机械臂和工控机组成带电作业机器人力反馈主从控制系统。

所述主操作手为一个或者多个自由度串联机械臂结构，能够采集每个旋转关节的角度数据，每个旋转关节具备力矩电机，能够输出扭矩，从而实现力反馈功能。作为一种实施方式，可以采用六自由度串联机械臂结构，能够采集六个旋转关节的角度数据，每个旋转关节具备力矩电机，能够输出扭矩，从而实现力反馈功能。

所述机械臂与主操作手相通或者相似，为一个或者多个自由度机械臂结构，能够实时发送机械臂末端位姿数据，机械臂末端安装有六自由度力/力矩传感器，六自由度力/力矩传感器用于采集机械臂与环境接触时产生的六个方向的受力数据。作为一种实施方式，可以采用六自由度机械臂，机械臂末端安装六自由度力/力矩传感器，力/力矩传感器用于采集机械臂与环境接触产生的受力数据。

工控机接收主操作手发送的六个旋转关节的角度数据，根据力反馈主从控制方法，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，控制机械臂运动；所述工控机接收机械臂发送的六自由度力/力矩数据，根据力反馈主从控制方法，计算出主操作手六个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手输出扭矩。

本发明所述力反馈主从控制包括两个方面，一是机械臂位姿控制方法，即根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值作为控制量，通过机械臂的控制接口，控制机械臂运动；二是主操作手力反馈控制方法，即根据械臂发送的六自由度力/力矩数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手输出扭矩。

下面以六自由度主操作手和机械臂为例，说明力反馈主从控制过程。

机械臂位姿控制方法，即根据主操作手发送的六个旋转关节的角度数据，实时计算出机械臂末端位置与姿态的控制量，所述控制量为机械臂末端速度矢量。具体地，机械臂位姿控制方法分为以下步骤：

步骤1，主操作手运动学建模，运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的六个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系。

步骤2，根据步骤1得到的转换关系，工控机接收主操作手发送的六个旋转关节的角度数据，计算得到主操作手末端位姿数据，将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据。

步骤3，设计机械臂位姿闭环控制器，采用速度前馈PID控制器。将步骤2得到的主操作手末端位姿数据和末端速度数据，根据速度前馈PID控制器，计算得到机械臂控制量，即机械臂末端速度矢量，工控机将机械臂末端速度矢量发送给机械臂的控制接口，控制机械臂运动。

主操作手力反馈控制方法，即根据机械臂发送的六自由度力/力矩数据，实时计算出主操作手六个关节的扭矩数据。具体地，主操作手力反馈控制方法分为以下步骤：

步骤1，主操作手静力学建模，运用虚功原理对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手六个关节扭矩数据的转换关系。

步骤2，根据步骤1得到的转换关系，工控机接收由六自由度力/力矩传感器采集的机械臂与环境接触时产生的受力数据，计算得到主操作手六个关节的扭矩数据，工控机将扭矩数据发送给主操作手的力反馈控制接口，使主操作手反馈受力。自由度力/力矩传感器采集的机械臂与环境接触时产生的受力数据的标量为六自由度力/力矩数据。

作用另一种实施方式，机械臂与环境接触时产生的受力数据可以不使用六自由度力/力矩传感器采集，而是使用基于虚拟现实技术的反馈力计算方法计算获得。具体过程为：

步骤1，运用八分法对机械臂作业场景对应的虚拟现实场景进行逐步划分，构建八叉树。本步骤进一步分为以下步骤：

步骤1-1，找出虚拟现实场景数据中最小与最大的x坐标值、y坐标值、z坐标值，从而确定包围所有虚拟现实场景数据的最小立方体，将该立方体作为八叉树的根节点；

步骤1-2，对该立方体八等分，形成8个子立方体，作为该立方体的子节点；

步骤1-3，对于每个子立方体，判断其空间内数据的个数。若个数为0，则把该节点的值设置为空，不再继续构造；若个数为1，则把该节点的值置为这个点的坐标，并不再继续构造；若个数大于1，则对该子立方体重复步骤1-2。

步骤1-4，经过以上步骤构造出的八叉树，其每个子节点代表一个数据点或者为空。

步骤2，获取机械臂末端位姿数据，以该末端位姿数据为球心，创建包围球，设置包围球的半径为所需碰撞检测的距离，即判断机械臂与周围环境是否发生接触的最小距离，当机械臂末端与周围环境的距离小于该最小距离时，视为机械臂与周围环境发生了接触或者碰撞。

步骤3，对步骤2的包围球与步骤1的八叉树进行碰撞检测，若没有发生碰撞，那么机械臂的六自由度力/力矩数据为零，若发生碰撞，得到虚拟现实场景中发生碰撞的数据点，根据发生碰撞的数据点坐标与机械臂末端位姿数据，计算碰撞深度矢量。

步骤4，根据碰撞深度矢量计算机械臂末端六自由度力/力矩数据，即采用弹簧阻尼模型计算反馈力，该反馈力F为六维矢量，其标量为机械臂末端六自由度力/力矩数据。

F＝-kx-cv

其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，c为阻尼系数，v为机械臂末端速度矢量，F为反馈力。

基于前述力反馈主从控制的带电作业机器人更换跌落式熔断器的过程如下：

在更换避雷器120之前，作业人员先进行带电作业机器人的作业准备，检查气象条件、核对杆塔号、布置现场、在工作现场设置安全护栏、作业标志、和相关警示标志，采用绝缘电阻测试仪对用到的绝缘工器具进行表面绝缘电阻检测，阻值不小于700兆欧。由绝缘斗臂车驾驶员将绝缘斗臂车1驶入杆塔100附近位置并布置现场。作业位置具体为待作业杆塔100的附近位置并避开附近电力线和障碍物，避免停放在沟道盖板上,绝缘斗臂车1支腿顺序为先伸出水平支腿，再伸出垂直支腿，支撑到位后车辆前后左右呈水平。

绝缘斗臂车布置妥当后，开启带电作业机器人，采集全景图像。操作人员在根据显示器显示的实景图像，控制伸缩臂3将机器人平台4移动至跌落式熔断器作业位置。操作人员根据机械臂上双目摄像头45返回的实景图像对作业范围内在绝缘安全距离内的带电体进行标记。

第一机械臂43、第二机械臂44以及辅助机械臂42响应于控制数据完成以下工作：

第一机械臂43、第二机械臂44以及辅助机械臂42端部安装夹持工具，用夹持工具夹持绝缘遮蔽材料对标记的带电体进行绝缘遮蔽。绝缘遮蔽材料如绝缘护套、环氧玻璃布等。进行遮蔽后，需要通过力反馈功能确定绝缘遮蔽材料的遮蔽效果，此时，根据主操作手发送的六个旋转关节的角度数据，通过速度前馈PID控制器，计算得到机械臂的控制量，工控机将控制量发送给机械臂的控制接口，控制机械臂触碰遮蔽物，触碰后，根据机械臂与绝缘遮蔽材料接触时产生的受力数据，即机械臂末端的六自由度力/力矩数据计算得到主操作手六个关节的扭矩数据，工控机将扭矩数据发送给主操作手的力反馈控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据力反馈的大小确定遮蔽效果。

辅助机械臂42夹持引线固定装置190移动到横担103附近并将引线固定装置190的固定孔与横担103上固有的固定孔对齐；在第一机械臂43和第二机械臂44末端换装螺栓拆装工具，第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具安装用于固定引线固定装置190的螺栓，将固定引线固定装置190固定在横担103上；所述引线固定装置包括本体，设置在本体中间位置的用于与横担固定的固定孔，以及设置在本体上下两端的用于固定上引线和下引线的固定孔。引线固定装置上的开孔符合最小安全距离的标准。固定过程中，根据机械臂与引线固定装置190、螺栓拆装工具等接触时产生的受力数据，即机械臂末端的六自由度力/力矩数据计算得到主操作手六个关节的扭矩数据，工控机将扭矩数据发送给主操作手的力反馈控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据力反馈的大小确定机械臂夹持效果或者机械臂力度大小。

辅助机械臂42夹持上引线101，同时第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具拆除避雷器120上固定上引线101的螺栓，然后辅助机械臂42将拆卸下来的上引线101移动到引线固定装置190上端的固定孔附近；第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具安装用于固定上引线101的螺栓，将上引线101固定在引线固定装置190的上端。引线101固定在引线固定装置190的上端的固定效果，同样可以根据前述力反馈控制过程进行确定。

辅助机械臂42停止夹持上引线101，并移动到下引线102附近对下引线102进行夹持。夹持过程中，可以根据前述力反馈控制过程，通过机械臂反馈的夹持阻力，使主操作手受力，操作人员根据受力大小，用主操作手调节夹持力度，避免损坏元器件。同时，第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具拆除避雷器120上固定下引线102的螺栓，然后辅助机械臂42将拆卸下来的下引线102移动到引线固定装置190下端的固定孔附近。拆除过程中，主操作手接收机械臂发送的六自由度力/力矩数据，计算得到主操作手六个关节的扭矩数据，工控机将扭矩数据发送给主操作手的力反馈控制接口，使主操作手反馈受力，操作人员根据反馈力判断拆除状态，进而辅助摄像头判断现场情况。第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具安装用于固定下引线102的螺栓，将下引线102固定在引线固定装置190的下端。

辅助机械臂42末端停止夹持下引线102，并移动到避雷器120附近对避雷器120进行夹持。此时，第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具拆除用于固定避雷器120和横担103的螺栓，拆除状态可根据上述拆除过程进行间接判断；螺栓拆除后，辅助机械臂42将避雷器120移动至机器人平台4上专用工具箱47。

辅助机械臂42将更换下来的避雷器120放入专用工具箱47后，转而夹持专用工具箱47内新的避雷器120，然后将新的避雷器120移动至横担103附近。第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具安装用于固定跌落式熔断器与横担103的螺栓，将跌落式熔断器与横担103固定。固定效果，同样可以根据前述力反馈控制过程进行确定。

辅助机械臂42停止夹持避雷器120，转而夹持固定在引线固定装置190上的下引线102。第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具拆除用于固定上引线101的螺栓，将下引线102从引线固定装置190上拆下来。辅助机械臂42将下引线102移动至避雷器120下端的安装孔附近，第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具安装用于固定下引线102的螺栓，将下引线102固定在避雷器120下端。固定效果，同样可以根据前述力反馈控制过程进行确定。

辅助机械臂42停止夹持下引线102，转而夹持固定在引线固定装置190上的上引线101。第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具拆除用于固定上引线101的螺栓，将上引线101从引线固定装置190上拆下来。拆除状态可根据上述拆除过程进行间接判断。辅助机械臂42将上引线101移动至避雷器120上端附近的安装孔，第一机械臂43与第二机械臂44使用螺栓拆装工具安装用于固定上引线101的螺栓，将上引线101固定在避雷器120上端。

辅助机械臂42停止夹持上引线101，转而夹持引线固定装置190。第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具拆除用于固定引线固定装置190与横担103的螺栓，将引线固定装置190从横担103上拆下来。辅助机械臂42将引线固定装置190放回机器人平台4上专用工具箱47。

第一机械臂43和第二机械臂44换装夹持工具，使用夹持工具夹持覆盖在带电体上的绝缘遮蔽材料，撤除绝缘遮蔽材料。

第一机械臂43推动跌落式熔断器的活动模块，从而合上跌落式熔断器。

在上述过程中，各种固定、拆装、夹持的力道和效果，以及力道的调整都可以根据前述力反馈控制过程进行确定。

Claims (9)

1.一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人避雷器更换方法，其特征在于，带电作业机器人具有设置在机器人平台上的机械臂，包括第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂，第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂完成以下工作：

第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂端部安装夹持工具，用夹持工具夹持绝缘遮蔽材料对标记的带电体进行绝缘遮蔽；然后第一机械臂和第二机械臂末端换装螺栓拆装工具；

辅助机械臂夹持引线固定装置移动到横担附近并将引线固定装置的固定孔与横担上固有的固定孔对齐；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定引线固定装置的螺栓，将固定引线固定装置固定在横担上；

辅助机械臂夹持上引线，第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除避雷器上固定上引线的螺栓，然后辅助机械臂将拆卸下来的上引线移动到引线固定装置上端的固定孔附近；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定上引线的螺栓，将上引线固定在引线固定装置的上端；

辅助机械臂停止夹持上引线，并移动到下引线附近对下引线进行夹持；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除避雷器上固定下引线的螺栓，然后辅助机械臂将拆卸下来的下引线移动到引线固定装置下端的固定孔附近；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定下引线的螺栓，将下引线固定在引线固定装置的下端；

辅助机械臂停止夹持下引线，并移动到避雷器附近对避雷器进行夹持；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除用于固定避雷器和横担的螺栓；螺栓拆除后，辅助机械臂将避雷器移动至机器人平台上放置；

辅助机械臂夹持新的避雷器，将新的避雷器移动至横担附近；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定避雷器与横担的螺栓，将避雷器与横担固定；

辅助机械臂停止夹持避雷器，转而夹持固定在引线固定装置上的下引线；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除用于固定上引线的螺栓，将下引线从引线固定装置上拆下来；辅助机械臂将下引线移动至避雷器下端的安装孔附近，第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定下引线的螺栓，将下引线固定在避雷器下端；

辅助机械臂停止夹持下引线，转而夹持固定在引线固定装置上的上引线；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除用于固定上引线的螺栓，将上引线从引线固定装置上拆下来；辅助机械臂将上引线移动至避雷器上端附近的安装孔，第一机械臂与第二机械臂使用螺栓拆装工具安装用于固定上引线的螺栓，将上引线固定在避雷器上端；

辅助机械臂停止夹持上引线，转而夹持引线固定装置；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除用于固定引线固定装置与横担的螺栓，将引线固定装置从横担上拆下来；辅助机械臂将引线固定装置放回机器人平台上专用工具箱；

第一机械臂和第二机械臂换装夹持工具，使用夹持工具夹持覆盖在带电体上的绝缘遮蔽材料，撤除绝缘遮蔽材料；

在上述过程中，工控机根据机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；

在上述过程中，操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动。

2.如权利要求1所述带电作业机器人避雷器更换方法，其特征在于，所述机械臂末端受力数据由安装在机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得，其标量为六自由度力/力矩数据。

3.如权利要求1所述带电作业机器人避雷器更换方法，其特征在于，所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，其由工控机根据机械臂的末端位姿数据和末端速度数据，使用基于虚拟现实技术计算获得，具体过程为：

步骤1，运用八分法对机械臂作业场景对应的虚拟现实场景进行逐步划分，构建八叉树；

步骤2，获取机械臂末端位姿数据，以该末端位姿数据为球心，创建包围球，设置包围球的半径为所需碰撞检测的距离；

步骤3，对步骤2的包围球与步骤1的八叉树进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则机械臂末端的六自由度力/力矩数据为零，若发生碰撞，则获取虚拟现实场景中发生碰撞的数据点，根据发生碰撞的数据点坐标与机械臂末端位姿数据，计算碰撞深度矢量；

步骤4，根据碰撞深度矢量计算机械臂末端六自由度力/力矩数据，即采用弹簧阻尼模型计算反馈力，

F＝-kx-cv

其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，c为阻尼系数，v为机械臂末端速度矢量，F为反馈力，其标量为六自由度力/力矩数据。

4.如权利要求1所述带电作业机器人避雷器更换方法，其特征在于，对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手各个关节扭矩数据的转换关系，工控机根据所述转换关系计算出主操作手各个关节的扭矩数据。

5.如权利要求1所述带电作业机器人避雷器更换方法，其特征在于，获取机械臂末端速度矢量期望值的方法为：运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的各个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系；工控机接收主操作手发送的各个旋转关节的角度数据，根据所述转换关系计算得到主操作手末端位姿数据，然后将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据；根据主操作手末端位姿数据和末端速度数据，使用速度前馈PID控制器，计算得到机械臂末端速度矢量期望值。

6.如权利要求1所述带电作业机器人避雷器更换方法，其特征在于，主操作手包括第一主操作手、第二主操作手和辅助主操作手；第一主操作手、第二主操作手和辅助主操作手分别与第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂对应，构成主从操作关系。

7.如权利要求1所述带电作业机器人避雷器更换方法，其特征在于，所述绝缘遮蔽材料为绝缘护套或者环氧玻璃布。

8.如权利要求1所述带电作业机器人避雷器更换方法，其特征在于，所述引线固定装置包括本体，设置在本体中间位置的用于与横担固定的固定孔，以及设置在本体上下两端的用于固定上引线和下引线的固定孔。

9.如权利要求1所述带电作业机器人避雷器更换方法，其特征在于，所述避雷器放置在移动至机器人平台上的专用工具箱内。