CN108789416A - 用于控制双机械臂柔性带电作业的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力技术领域，具体提供一种用于带电作业的机械臂控制系统及方法。本发明旨在解决现有带电作业机器人无法柔性接触电力线而可能对电力线产生破坏的现象。本发明的用于控制双机械臂柔性带电作业的系统包括工控机和两个机械臂，机械臂的末端设置有检测单元，其中：检测单元用于确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息；工控机用于根据所述位置信息确定机械臂的操作轨迹；以及用于根据位置信息确定机械臂在沿操作轨迹运动过程中的运动参数。这样的设置，实现机械臂对电力线的柔性接触，避免刚性机械臂损伤电力线，使得用于控制双机械臂柔性带电作业的系统的操作安全性大大增加，同时还保护了电力系统安全。

Description

用于控制双机械臂柔性带电作业的系统及方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体提供一种用于控制双机械臂柔性带电作业的系统及方法。

背景技术

目前，我国电网还有很多操作需要带电作业方式。当前带电作业方式要求不停电的情况下，操作人员攀爬带电杆塔或借助绝缘斗臂车进行作业。人工带电操作需要操作人员在高空、高压、强电磁场等极端危险环境下进行接线、解线等手工操作，劳动强度大，精神高度紧张。不仅给带电作业人员带来人身危险，而且完成作业效率低下。

为了解决上述问题，研究并发明了带电作业机器人。带电作业机器人主要采用主从机械臂的遥控操作方法，作业人员通过遥控方式控制机械臂完成带电作业任务。该方法保障了操作人员的安全，但是由于机械臂通常采用具有绝缘层包裹的金属臂，属于刚性体，无法像人类手臂一样柔软采用柔性接触的方式接触电力线。因此，控制不当时，机械臂很可能对电力线产生破坏，从而带来危险。

相应地，本领域需要一种用于控制双机械臂柔性带电作业的系统及方法来解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有带电作业机器人无法柔性接触电力线而可能对电力线产生破坏的现象，一方面，本发明提供了一种用于控制双机械臂柔性带电作业的系统，所述系统包括工控机和两个机械臂，所述机械臂的末端设置有检测单元，其中：所述检测单元用于确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息；所述工控机用于根据所述位置信息确定所述机械臂的操作轨迹；以及用于根据所述位置信息确定机械臂在沿所述操作轨迹运动过程中的运动参数。

在上述系统的优选技术方案中，所述检测单元包括：图像采集处理机构，其用于在待操作的电力线为静止状态的情形下获取待操作的电力线的图像数据、根据所述图像数据建立所述待操作的电力线的模型并根据所述模型标注出特征点；测距机构，其用于测量所述特征点与所述机械臂的末端之间的距离。

在上述系统的优选技术方案中，所述检测单元包括：图像采集处理机构，其用于在待操作的电力线为振动状态的情形下获取待操作的电力线的图像数据、根据所述图像数据建立所述待操作的电力线的模型、根据所述模型标注出振动状态中的极限位置特征点并根据所述极限位置特征点确定特征点；以及测距机构，其用于测量所述特征点与所述机械臂的末端之间的距离。

在上述系统的优选技术方案中，所述系统包括机器人平台，所述机械臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂和腕关节，其中，所述大臂的一端通过所述肩关节以可活动的方式设置于所述机器人平台上，所述小臂的一端通过所述肘关节以可活动的方式与所述大臂的另一端连接，所述腕关节以可活动的方式与所述小臂的另一端连接，其中，所述图像采集处理机构和所述测距机构设置于所述腕关节。

在上述系统的优选技术方案中，所述图像采集处理机构为双目摄像机，所述测距机构为一维激光雷达；并且/或者两个所述机械臂的结构相同。

另一方面，本发明还提供了一种用于控制双机械臂柔性带电作业的方法，所述方法包括如下步骤：确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息；根据所述位置信息确定所述机械臂的操作轨迹；根据所述位置信息确定机械臂在沿操作轨迹运动过程中的运动参数。

在上述方法的优选技术方案中，在待操作的电力线为静止状态的情形下，“确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息”的步骤进一步包括：获取待操作的电力线的图像数据；根据所述图像数据建立所述待操作的电力线的模型；根据所述模型标注出特征点；测量所述特征点与所述机械臂的末端之间的距离。

在上述方法的优选技术方案中，在待操作的电力线为振动状态的情形下，“确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息”的步骤进一步包括：获取待操作的电力线的图像数据；根据所述图像数据建立所述待操作的电力线的模型；根据所述模型标注出振动状态中的极限位置特征点；根据所述极限位置特征点确定所述特征点；测量所述特征点与所述机械臂的末端之间的距离。

在上述方法的优选技术方案中，所述运动参数包括所述机械臂在沿所述操作轨迹运动过程中的各关节的角速度和/或角加速度。

在上述方法的优选技术方案中，“根据所述位置信息确定机械臂在沿操作轨迹运动过程中的运动参数”的步骤进一步包括：在所述机械臂与所述特征点之间的距离大于设定阈值的情形下，使所述机械臂的各关节以设定的角速度沿操作轨迹运动；并且/或者在所述机械臂与所述特征点之间的距离小于等于设定阈值的情形下，使所述机械臂的各关节以角速度减小的方式沿操作轨迹运动。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的技术方案中，用于控制双机械臂柔性带电作业的系统包括工控机和两个机械臂，机械臂的末端设置有检测单元，其中：检测单元用于确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息；工控机用于根据所述位置信息确定机械臂的操作轨迹；以及用于根据位置信息确定机械臂在沿操作轨迹运动过程中的运动参数。

通过检测待操作的电力线的特征点的位置信息，使工控机根据该位置信息规划机械臂的操作轨迹和控制机械臂的运动参数，不仅可以控制机械臂进行带电作业，而且还可以控制机械臂靠近电力线时的运动参数，如使机械臂缓慢接近电力线实现对电力线的柔性接触，使刚性机械臂不会损伤电力线，避免了操作员由于各种原因进行误操作时，刚性机械臂打断电力线的现象，提高了带电作业方式的安全性和可靠性。

可以理解的是，所述的用于控制双机械臂柔性带电作业的方法具有上述用于控制双机械臂柔性带电作业的系统的所有技术效果，在此不再赘述。

附图说明

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是本发明一种实施例的用于控制双机械臂柔性带电作业的系统的结构示意图；

图2是本发明一种实施例的机械臂的结构示意图。

附图标记列表：

1、工控机；2、机械臂；21、肩关节；22、大臂；23、肘关节；24、小臂；25、腕关节；251、腕俯仰关节；252、腕摇摆关节；253、腕旋转关节；3、检测单元；31、双目摄像机；32、一维激光雷达。

具体实施方式

本领域技术人员应当理解的是，本节实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非用于限制本发明的保护范围。例如，虽然附图中的各部件之间是按一定比例关系绘制的，但是这种比例关系并非一成不变，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合，调整后的技术方案仍将落入本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，图1是本发明一种实施例的用于控制双机械臂柔性带电作业的系统的结构示意图。参照图1，该系统包括工控机1和两个机械臂2。机械臂2的末端设置有检测单元3，检测单元3用于确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息；工控机1用于根据该位置信息确定机械臂2的操作轨迹；以及用于根据该位置信息确定机械臂2在沿操作轨迹运动过程中的运动参数。

通过检测待操作的电力线的特征点的位置信息，使工控机1根据该位置信息规划机械臂2的操作轨迹和控制机械臂2的运动参数，不仅可以实现机械臂2带电作业，而且还可以控制机械臂2靠近电力线时的运动参数，如使机械臂2缓慢接近电力线实现对电力线的柔性接触，使刚性机械臂2不会损伤电力线，避免了操作员由于各种原因进行误操作时，刚性机械臂2打断电力线的现象，提高了带电作业方式的安全性和可靠性。

优选地，检测单元3包括图像采集处理机构和测距机构。其中图像采集处理机构优选为双目摄像机31，用于在待操作的电力线为静止状态的情形下获取待操作的电力线的图像数据、根据该图像数据建立待操作的电力线的模型并根据模型标注出特征点。其中测距机构优选为一维激光雷达32，用于测量特征点与机械臂2的末端之间的距离。如，在双目摄像机31根据待操作的电力线的图像数据建立出模型时，识别出该模型上有待维修点(如破损点)，则将该点标注为特征点。

优选地，双目摄像机31还用于在待操作的电力线为振动状态的情形下获取待操作的电力线的图像数据、根据该图像数据建立待操作的电力线的模型、根据模型标注出振动状态中的极限位置特征点并根据极限位置特征点确定特征点。一维激光雷达32还用于测量该特征点与机械臂2之间的距离。如，在待操作的电力线为晃动状态时，先标注出待操作的电力线的振幅的两个极限值，然后根据两个极限值确定两个极限值的中间值，将该中间值所在位置标注为特征点。

通过设置双目摄像机31和一维激光雷达32，能够准确的测量机械臂2的末端与待操作的电力线的特征点之间的距离，获取操作人员肉眼直接作业时都无法获取的高精度位置和距离信息，实现对机械臂2的更为精准的控制，提高机械臂2控制系统的操作精度，防止碰撞发生，提高了作业安全性。

可以理解的是，虽然上述实施例中所述的图像采集处理机构为双目摄像机31，测距机构为一维激光雷达32，但是这并不是对图像采集处理机构和测距机构的限制，还可以是其他类型的图像采集处理机构和测距机构，如三目摄像机、二维激光雷达。本领域技术人员可以根据实际情况和需要合理的设置图像采集处理机构和测距机构的类型。

如图2所示，图2是本发明一种实施例的机械臂的结构示意图。参照图2，用于控制双机械臂柔性带电作业的系统包括机器人平台，工控机1和两个机械臂2设置于机器人平台上。优选地，两个机械臂2的结构相同。以其中一个机械臂2为例来进行描述和说明。

优选地，机械臂2包括肩关节21、大臂22、肘关节23、小臂24和腕关节25。其中肩关节21安装在机器人平台上，大臂22的一端通过肩关节21以可活动的方式与机器人平台连接，大臂22的另一端设置有肘关节23，小臂24的一端通过肘关节23以可活动的方式与大臂22连接，腕关节25以可活动的方式设置在小臂24的另一端。双目摄像机31和一维激光雷达32设置于腕关节25。

通过仿照人类的手臂来设计两个机械臂2，使得机械臂2具有六个自由度，提高了机械臂2的灵活程度，有利于实现机械臂2对电力线的柔性操作，而且可以有效避开环境中的障碍模仿人的两个手的作业顺序完成带电作业，如对电力线进行接线、解线等操作。通过将双目摄像机31和一维激光雷达32设置于机械臂2末端的腕关节25，使得双目摄像机31和一维激光雷达32可以实时并准确的标注电力线的特征点和测量机械臂2的末端距离特征点的距离，有利于实现工控机1对机械臂2的更为精准的控制。

继续参照图2，优选地，腕关节25由三个旋转关节组成，包括腕俯仰关节251、腕摇摆关节252和腕旋转关节253。其中，腕俯仰关节251与小臂24的端部连接且可以绕小臂24的端部做上下方向的转动；腕摇摆关节252与腕俯仰关节251连接且可以绕腕俯仰关节251做前后方向的转动；腕旋转关节253与腕摇摆关节252连接且可以绕腕摇摆关节252的轴线做旋转运动。双目摄像机31和一维激光雷达32设置在腕摇摆关节252上，且不影响腕摇摆关节252的运动。用于对电力线进行维护的工具安装在腕旋转关节253上。

通过这样的设置，进一步提高了机械臂2的灵活度，工控机1可以通过控制机械臂2以及机械臂2末端的腕关节25实现末端操作工具在各个方向的运动，达到模仿人的两个手的操作方式。

优选地，在采用上述用于控制双机械臂柔性带电作业的系统时的控制方法如下所述。

所述控制方法包括以下步骤：S10、确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息；S20、根据该位置信息确定机械臂2的操作轨迹；S30、根据该位置信息确定机械臂2在沿操作轨迹运动过程中的运动参数。

通过这样的设置，不仅可以控制机械臂2进行带电作业，而且还可以控制机械臂2靠近电力线时的运动参数，如使机械臂2缓慢接近电力线实现对电力线的柔性接触，避免了操作员由于各种原因进行误操作时，刚性机械臂2打断电力线的现象，提高了带电作业方式的安全性和可靠性。

优选地，在待操作的电力线为静止状态的情形下，步骤S10进一步包括：S11、获取待操作的电力线的图像数据；S12、根据该图像数据建立待操作的电力线的模型；S13、根据该模型标注出特征点；S14、测量特征点与机械臂2的末端之间的距离。

通过这样的设置，能够获取操作人员肉眼直接作业时都无法获取的高精度位置和距离信息，实现对机械臂2的更为精准的控制，提高机械臂2控制系统的操作精度，防止碰撞发生，提高了作业安全性。

优选地，在待操作的电力线为振动状态的情形下，步骤S10进一步包括：S111、获取待操作的电力线的图像数据；S121、根据该图像数据建立待操作的电力线的模型；S131、根据该模型标注出振动状态中的极限位置特征点；S141、根据极限位置特征点确定特征点；S151、测量特征点与机械臂2的末端之间的距离。

由于电力线在晃动，可能会出现检测到机械臂2的末端与电力线的特征点的距离为0，但是实际上机械臂2的末端并没有稳定的接触到电力线特征点的位置的现象。如果此时控制机械臂2停止运动，机械臂2末端与电力线之间还存在一定的距离。因此，通过这样的设置，可以使机械臂2的末端停在电力线摆动振幅的中间，有利于机械臂2末端的操作工具进行下一步操作。

优选地，运动参数为机械臂2在沿操作轨迹运动过程中的各关节的角速度。步骤S30进一步包括：S31、在机械臂2与特征点之间的距离大于设定阈值的情形下，使机械臂2的各关节以设定的角速度率沿操作轨迹运动；S32、在机械臂2与特征点之间的距离小于等于设定阈值的情形下，使机械臂2的各关节以角速度减小的方式沿操作轨迹运动。

通过这样的设置，在机械臂2进行带电作业时，实现对电力线的柔性接触，避免刚性机械臂2损伤电力线，使得用于控制双机械臂带电作业的系统的操作安全性大大增加，同时还保护了电力系统安全。

优选地，设定的角速度可以为机械臂2的最大运行角速度，在距离较远时缩短机械臂2向待操作的电力线的移动时间，提高工作效率。可以理解的是，本领域技术人员也可以根据实际情况和需要合理的设置设定的角速度。此外，还可以理解的是，运动参数还可以包括机械臂2在沿操作轨迹运动过程中的角加速度。本领域技术人员也可以根据实际情况和需要合理的设置运动参数。

作为一种示例，设定阈值为30cm。如，在工控机1检测到距离小于30cm时，控制机械臂2的各关节的角速度在原来的基础上降低30％；在检测到距离小于20cm时，控制机械臂2的各关节的角速度在原来的基础上降低60％；在检测到距离小于10cm时，控制机械臂2的各关节的角速度在原来的基础上降低90％；在检测到距离等于0cm时，控制机械臂2的各关节的角速度为0。

可以理解的是，步骤S32中在距离小于等于设定阈值的情形下，控制机械臂2的各关节的角速度随着距离的减小而逐渐减小的方式还可以是其他形式。如机械臂2的各关节的角速度可以设置为＝各关节原来的角速度*(测量到的实际距离/设定阈值)。本领域技术人员可以根据实际情况和需要合理的设置机械臂2的各关节的角速度与距离之间的关系。

此外，还可以理解的是，上述实施例中所述的设定阈值为30cm只是一种示例，本领域技术人员还可以根据实际情况和需要将设定阈值设置为其他数值，如35cm等。

优选地，在机械臂2的末端到达待操作的电力线的特征点的位置时，有两种使机械臂2的末端停止移动的判断方式。一种为机械臂2的末端设置有接触力矩传感器的情形，在接触力矩传感器的压力值突增时，使机械臂2的末端停止移动。另一种为机械臂2的末端没有设置接触力矩传感器的情形，工控机1根据双目摄像机31标注的特征点和一维激光雷达32测量的信息，判断待操作的电力线的接触区的形变情况，在电力线接触区发生形变的情形下，控制机械臂2的末端停止移动。

通过这样的设置，防止了在机械臂2的末端与待操作的电力线接触后，机械臂2的末端仍然移动对电力线造成损坏的现象，提高了带电作业的安全性和可靠性。

从上述描述可以看出，本发明的用于控制双机械臂柔性带电作业的系统包括工控机和两个机械臂，机械臂的末端设置有检测单元。这样的设置使刚性机械臂不会损伤电力线，提高了带电作业方式的安全性和可靠性。优选地，检测单元包括双目摄像机和一维激光雷达。这样的设置能够准确的测量机械臂的末端与电力线的特征点之间的距离，提高机械臂控制系统的操作精度，防止碰撞发生，提高了作业安全性。优选地，机械臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂和腕关节。这样的设置可以有效避开环境中的障碍模仿人的两个手的作业顺序完成带电作业，提高了机械臂的灵活程度，有利于实现机械臂对电力线的柔性操作。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于控制双机械臂柔性带电作业的系统，其特征在于，所述控制系统包括工控机和两个机械臂，所述机械臂的末端设置有检测单元，其中：

所述检测单元用于确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息；

所述工控机用于根据所述位置信息确定所述机械臂的操作轨迹；以及

用于根据所述位置信息确定机械臂在沿所述操作轨迹运动过程中的运动参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测单元包括：

图像采集处理机构，其用于在待操作的电力线为静止状态的情形下获取待操作的电力线的图像数据、根据所述图像数据建立所述待操作的电力线的模型并根据所述模型标注出特征点；

测距机构，其用于测量所述特征点与所述机械臂的末端之间的距离。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测单元包括：

图像采集处理机构，其用于在待操作的电力线为振动状态的情形下获取待操作的电力线的图像数据、根据所述图像数据建立所述待操作的电力线的模型、根据所述模型标注出振动状态中的极限位置特征点并根据所述极限位置特征点确定特征点；以及

测距机构，其用于测量所述特征点与所述机械臂的末端之间的距离。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述系统包括机器人平台，所述机械臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂和腕关节，

其中，所述大臂的一端通过所述肩关节以可活动的方式设置于所述机器人平台上，所述小臂的一端通过所述肘关节以可活动的方式与所述大臂的另一端连接，所述腕关节以可活动的方式与所述小臂的另一端连接，

其中，所述图像采集处理机构和所述测距机构设置于所述腕关节。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，其特征在于，所述图像采集处理机构为双目摄像机，所述测距机构为一维激光雷达；并且/或者

两个所述机械臂的结构相同。

6.一种用于控制双机械臂柔性带电作业的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息；

根据所述位置信息确定所述机械臂的操作轨迹；

根据所述位置信息确定机械臂在沿操作轨迹运动过程中的运动参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在待操作的电力线为静止状态的情形下，“确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息”的步骤进一步包括：

获取待操作的电力线的图像数据；

根据所述图像数据建立所述待操作的电力线的模型；

根据所述模型标注出特征点；

测量所述特征点与所述机械臂的末端之间的距离。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在待操作的电力线为振动状态的情形下，“确定电力线的待操作的电力线的特征点的位置信息”的步骤进一步包括：

获取待操作的电力线的图像数据；

根据所述图像数据建立所述待操作的电力线的模型；

根据所述模型标注出振动状态中的极限位置特征点；

根据所述极限位置特征点确定所述特征点；

测量所述特征点与所述机械臂的末端之间的距离。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述运动参数包括所述机械臂在沿所述操作轨迹运动过程中的各关节的角速度和/或角加速度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，“根据所述位置信息确定机械臂在沿操作轨迹运动过程中的运动参数”的步骤进一步包括：

在所述机械臂与所述特征点之间的距离大于设定阈值的情形下，使所述机械臂的各关节以设定的角速度沿操作轨迹运动；并且/或者

在所述机械臂与所述特征点之间的距离小于等于设定阈值的情形下，使所述机械臂的各关节以角速度减小的方式沿操作轨迹运动。