CN110421558B - 面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统及其方法，主要包括操作主端、操作从端、控制机和网络，所述操作主端通过控制机和网络与操作从端相互通信连接；所述操作主端包括遥操作设备、虚拟现实设备；所述操作从端包括设置在机器人上的摄像机、机械臂；所述遥操作设备的操作通过控制机实时映射到远端机器人的机械臂上，实现机器人进行配电网作业的遥操作。本发明将立体视觉虚拟现实与异构遥操作控制系统相结合，更好地对场景信息进行三维感知，使机器人遥操作更加精确和快速，虚拟现实系统和遥操作系统都是预先配置好的跨底层的平台系统，互不干扰，具有良好的可替代性和通用性，便于广泛推广应用。

Description

面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统及方法

技术领域

本发明涉及电力机器人技术领域，特别是涉及一种面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统及方法。

背景技术

目前配电网作业大多采用绝缘手套作业法，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，人工带电作业稍有不慎就容易发生人身伤亡事故，给家庭和社会带来严重的损失。因此应运而生了配电网带电作业机器人，构型大多为双机械臂构型，通过操作人员操作控制机器人完成配电网作业。

对于操作者在绝缘斗臂车上的绝缘斗内操作的模式，操作员在空中运行机器臂，直接面对操作现场(高压电线)，存在高压触电的危险，同时斗臂车要完全实现绝缘，对车况要求较高、代价过大；对于操作员在地面遥操作，机械臂随高空云台升入作业现场进行带电作业的模式，无法通过摄像头捕捉的现场信息充分了解工况，监控屏幕会丢失大量三维信息，临场感差，操作员很难通过屏幕准确知晓现场所有电缆间的位置关系，特别是机械臂操作时存在一定的遮挡关系，给实际操作带来更多隐形的危险。由于该模式采用主从操作方式，操作者的失误可能直接导致机械臂相互碰撞，从而造成重大损失。

因此亟需提供一种新型的面向配电网作业机器人的遥操作系统及方法来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统，能够更加精确、快速遥操作机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统，主要包括操作主端、操作从端、控制机和网络，所述操作主端通过控制机和网络与操作从端相互通信连接；

所述操作主端包括遥操作设备、虚拟现实设备；

所述操作从端包括设置在机器人上的摄像机、机械臂；

所述遥操作设备的操作通过控制机实时映射到远端机器人的机械臂上，实现机器人进行配电网作业的遥操作。

在本发明一个较佳实施例中，所述遥操作设备采用六自由度遥操作手柄，所述机械臂为六自由度机械臂。

在本发明一个较佳实施例中，所述摄像机采用双目相机。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统的遥操作方法，包括以下步骤：

S1：所述摄像机采集配电网作业现场信息，通过网络实时传输至控制机，控制机对接收的信息进行预处理后，发送至所述虚拟现实设备，使操作主端的操作人员看到现场立体场景；

S2：操作人员根据获得的现场立体场景信息，操作所述遥操作设备，遥操作设备的操作信息传送到控制机进行工作空间映射解算；

S3：所述控制机采用建模仿真的方法，对机械臂进行逆解运算得到对应的转动角度，并发送至机械臂执行，实现机械臂的遥操作。

在本发明一个较佳实施例中，步骤S1中，所述摄像机采集配电网作业现场的信息包括图像、视频。

在本发明一个较佳实施例中，步骤S2中，工作空间映射解算的具体步骤包括：

S2.1：将所述遥操作设备计量的空间位置坐标信息由控制机进行读取记录，并将该空间位置坐标信息的变化量映射到机械臂工作空间坐标系，机械臂末端新的空间位置坐标为：

P_t＝k₁·R·Δp+P₀  (1)

其中，P_t为需要达到的目标坐标，P₀是前一时刻的位置坐标，k₁是比例系数，取值范围为0.1—1，R是两坐标系旋转矩阵，Δp是遥操作空间位置变化量；

S2.2：同时将所述遥操作设备计量的空间位姿信息由控制机进行读取记录，并将该空间位姿信息的变化量映射到机械臂工作空间坐标系，机械臂末端新的空间位置坐标为：

R_t＝k₂·Δr+R₀  (2)

其中，R_t是目标姿态，R₀是当前姿态，k₂是比例系数，取值范围为0.1—1，Δr是遥操作位姿变化量。

在本发明一个较佳实施例中，步骤S3中，所述控制机采用建模仿真的方法，在仿真环境中进行机械臂仿真计算，通过逆解运算得到机械臂每个关节和末端的转动角度，在上个偏移位置的基础上，机械臂关节和末端将接收增量信息，然后增量式地移动到指定的位置。

本发明的有益效果是：本发明将立体视觉虚拟现实与异构遥操作控制系统相结合，为配网带电作业机器人提供了一种可以跨底层硬件平台的通用型遥操作系统；通过与虚拟现实的结合，使得操作人员的临场感和沉浸感显著提高，更好地对场景信息进行三维感知，不受环境和视线影响，使机器人遥操作更加精确和快速；虚拟现实系统和遥操作系统都是预先配置好的跨底层的平台系统，互不干扰，不随机械臂的改变而发生改变，无论机械臂采用何种构型何种驱动方式，该遥操作系统均能适用，具有良好的可替代性和通用性，便于广泛推广应用。

附图说明

图1是本发明面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统及其方法的结构原理框图；

附图中各部件的标记如下：1、遥操作设备，2、虚拟现实设备，3、控制机，4、网络，5、摄像机，6、机械臂，7、力反馈设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统，主要包括操作主端、操作从端、控制机和网络，所述操作主端通过控制机3和网络4与操作从端相互通信连接。本实施例中，控制机3采用两台计算机，资源占用小，也可采用一台计算机完成信息处理及传输。

所述操作主端包括遥操作设备1、虚拟现实设备2；优选的，所述遥操作设备1采用六自由度遥操作手柄，通过操作人员手持操作，所述虚拟现实设备2为VR头戴设备，可佩戴在操作人员头部。

所述操作从端包括设置在机器人上的摄像机5、机械臂6；本实施例中，所述机械臂6为六自由度机械臂，包括机械臂关节、机械臂末端。优选的，所述摄像机5采用双目相机，双目立体显示是对人类立体视觉形成原理的模拟和实现，立体视觉的核心是利用不同帧画面之间的不同，也就是视差，产生了立体感。

所述遥操作设备1的操作通过控制机3实时映射到远端机器人的机械臂6上，实现机器人进行配电网作业的遥操作。

本发明将立体视觉虚拟现实与异构遥操作控制系统相结合，为配网带电作业机器人提供了一种可以跨底层硬件平台的通用型遥操作系统；通过与虚拟现实的结合，使得操作人员的临场感和沉浸感显著提高，更好地对场景信息进行三维感知，不受环境和视线影响，使机器人遥操作更加精确和快速；虚拟现实系统和遥操作系统都是预先配置好的跨底层的平台系统，互不干扰，不随机械臂的改变而发生改变，无论机械臂采用何种构型何种驱动方式，该遥操作系统均能适用，具有良好的可替代性和通用性，便于广泛推广应用。

基于面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统的遥操作方法，包括以下步骤：

S1：所述摄像机采集配电网作业现场信息，包括图像、视频，通过网络实时传输至控制机，控制机对接收的信息进行预处理后，发送至所述虚拟现实设备，使操作主端的操作人员看到现场立体场景；

S2：操作人员根据获得的现场立体场景信息操作所述遥操作设备，遥操作设备的操作信息包括空间位置坐标信息和空间位姿信息，传送到控制机进行工作空间映射解算；

工作空间映射解算的具体步骤包括：

S2.1：将所述遥操作设备所计量的空间位置坐标信息进行记录，通过其SDK接口由控制机进行读取获得，并将该空间位置坐标信息的变化量映射到机械臂工作空间坐标系，机械臂末端新的空间位置坐标为：

P_t＝k₁·R·Δp+P₀  (1)

其中，P_t为需要达到的目标坐标，P₀是前一时刻的位置坐标，k₁是比例系数，取值为0.1—1，其取值大小决定位置移动的灵敏度，R是两坐标系旋转矩阵，Δp是遥操作空间位置变化量；

S2.2：同时将所述遥操作设备计量的空间位姿信息进行记录，通过其SDK接口由控制机进行读取获得，并将该空间位姿信息的变化量映射到机械臂工作空间坐标系，该坐标系为假定坐标系，与仿真环境中的内容一致，机械臂末端新的空间位置坐标为：

R_t＝k₂·Δr+R₀  (2)

其中，R_t是目标姿态，R₀是当前姿态，k₂是比例系数，取值为0.1—1，其取值大小决定角度大小改变的灵敏度，Δr是遥操作位姿变化量。

本实施例中，所述遥操作设备六自由度遥操作手柄，操作人员操控六自由度遥操作手柄控制手柄末端的空间位姿。

另外，所述机器人还设置有力反馈设备，对应的所述遥操作设备具有力反馈功能，力反馈设备通过机械臂末端的力的情况，反馈到遥操作设备上，实现更加精确、快速遥操作机器人。

S3：所述控制机采用建模仿真的方法，对机械臂进行逆解运算得到对应的转动角度，并发送至机械臂执行，实现机械臂的遥操作。

新的空间位置和姿态获得以后，采用建模仿真的方法，在仿真环境v-rep中进行机械臂仿真计算，仿真环境中采用了6自由度机械臂伪逆算法进行机械臂逆解，计算出机械臂对应的6轴角度，即得到机械臂每个关节和末端的转动角度，将这些角度通过网络发送给机械臂执行，在上个偏移位置的基础上，机械臂关节和末端将接收增量信息，然后增量式地移动到指定的位置，实现机械臂的遥操作。因此，无论机械臂的构型和驱动方式如何，都不用更改遥操作手柄的构型和控制算法。

以断引线作业为例进行实施方式说明。工作人员首先在地面上对机械臂末端更换合适工具(如断线钳)，将机械臂与PC客户端通讯设置好后放入斗臂车，上升到指定作业区域。与机器人配套的双目相机可以获得工作区域的实时场景三维信息，通过无线或者光纤通讯将视频信号传回PC客户端，PC客户端对传入的视频信号进行滤波和渲染，将处理好的信号输出至操作者的虚拟现实设备内，操作者就可以实时获得远端工作现场的三维信息，同时具有良好的临场感。操作者只需要根据虚拟现实设备里的实时信息，判断不同电线间的位置关系并靠近进行切断即可。由于遥操作手柄具有六自由度，所以机械臂的转动和移动都可以完成，由于遥操作手柄的操作与远端机械臂是实时映射，位移速度的快慢也可以根据操作者的需求实时调整，避免了危险的发生。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统的遥操作方法，其特征在于，所述面向配电网作业机器人的通用型遥操作系统，主要包括操作主端、操作从端、控制机和网络，所述操作主端通过控制机和网络与操作从端相互通信连接；

所述操作主端包括遥操作设备、虚拟现实设备，所述遥操作设备采用六自由度遥操作手柄，所述机械臂为六自由度机械臂，所述虚拟现实设备为VR头戴设备，所述机器人还设置有力反馈设备，对应的所述遥操作设备具有力反馈功能，力反馈设备通过机械臂末端的力的情况，反馈到遥操作设备上；

所述操作从端包括设置在机器人上的摄像机、机械臂；

所述遥操作设备的操作通过控制机实时映射到远端机器人的机械臂上，实现机器人进行配电网作业的遥操作；

所述遥操作方法包括以下步骤：

S1：所述摄像机采集配电网作业现场信息，通过网络实时传输至控制机，控制机对接收的信息进行预处理后，发送至所述虚拟现实设备，使操作主端的操作人员看到现场立体场景；

S2：操作人员根据获得的现场立体场景信息，操作所述遥操作设备，遥操作设备的操作信息传送到控制机进行工作空间映射解算；工作空间映射解算的具体步骤包括：

S2.1：将所述遥操作设备计量的空间位置坐标信息由控制机进行读取记录，并将该空间位置坐标信息的变化量映射到机械臂工作空间坐标系，机械臂末端新的空间位置坐标为：

P_t＝k₁·R·Vp+P₀                         (1)

其中，P_t为需要达到的目标坐标，P₀是前一时刻的位置坐标，k₁是比例系数，取值范围为0.1-1，R是两坐标系旋转矩阵，△p是遥操作空间位置变化量；

S2.2：同时将所述遥操作设备计量的空间位姿信息由控制机进行读取记录，并将该空间位姿信息的变化量映射到机械臂工作空间坐标系，机械臂末端新的空间位置坐标为：

R_t＝k₂·Vr+R₀                    (2)

其中，R_t是目标姿态，R₀是当前姿态，k₂是比例系数，取值范围为0.1-1，△r是遥操作位姿变化量；

S3：所述控制机采用建模仿真的方法，对机械臂进行逆解运算得到对应的转动角度，并发送至机械臂执行，实现机械臂的遥操作。

2.根据权利要求1所述的面向配电网作业机器人的通用型遥操作方法，其特征在于，步骤S1中，所述摄像机采集配电网作业现场的信息包括图像、视频。

3.根据权利要求1所述的面向配电网作业机器人的通用型遥操作方法，其特征在于，步骤S3中，所述控制机采用建模仿真的方法，在仿真环境中进行机械臂仿真计算，通过逆解运算得到机械臂每个关节和末端的转动角度，在上个偏移位置的基础上，机械臂关节和末端将接收增量信息，然后增量式地移动到指定的位置。

4.根据权利要求1所述的面向配电网作业机器人的通用型遥操作方法，其特征在于，所述摄像机采用双目相机。

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