CN110696012B - 配电间智能机器人系统 - Google Patents
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Abstract
配电间智能机器人系统，属于高压开关柜倒闸操作的安全技术领域，用于解决在电力行业中，倒闸操作频繁出现人员伤亡事故，无法从根本上杜绝的技术问题，该系统包括主控制器、智能机器人、自动充电桩和监控终端。智能机器人包括移动底盘、倒闸操作臂、导航控制系统和外部感知部件。移动底盘包括行走机构、通信模块Ⅰ和电源模块Ⅰ。倒闸操作臂包括机械臂本体、末端工装、智能相机以及机械臂控制器。本发明应用在倒闸操作高压开关柜整个过程中，智能机器人能根据指令，自动定位至需要操作的配电柜前，并进行倒闸操作。实现操作时危险区域将没有人员，即便设备被本身有安全隐患导致设备损毁、拉弧时，也不会有人员受到伤害。
Description
技术领域
本发明属于高压开关柜倒闸操作的安全技术领域，特别是涉及到一种配电间智能机器人系统。
背景技术
近年来，在电力行业中，倒闸操作频繁出现人员伤亡事故，因为工作人员的失误导致设备处于重大安全隐患中，当操作人和监护人未发现隐患操作设备时，必然会造成伤亡事故。由于常规倒闸操作过程中操作人所站在位置为高压开关柜正前方。高压开关柜正前方为最危险区域内，监护人所在位置没有明确规定，也会出现在危险区域中，当设备出现安全事故时，运维人员会受到电弧灼伤、机械冲击等伤害。工作人员的失误在检修管理到位时本可以避免，但是人的意识和状态并不能绝对做到100％的安全，所以设备损毁和人员伤亡事故还是无法从根本上杜绝。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种配电间智能机器人系统用于解决在电力行业中，倒闸操作频繁出现人员伤亡事故，无法从根本上杜绝的技术问题。
配电间智能机器人系统，包括主控制器、智能机器人、自动充电桩和监控终端，所述智能机器人包括移动底盘、倒闸操作臂、导航控制系统和外部感知部件。
所述移动底盘包括行走机构、通信模块Ⅰ和电源模块Ⅰ，移动底盘的上部与倒闸操作臂连接；所述通信模块Ⅰ、电源模块Ⅰ以及导航控制系统均安装在移动底盘上；
所述倒闸操作臂包括机械臂本体、末端工装、智能相机以及机械臂控制器；所述智能相机安装在机械臂本体的上部；所述末端工装安装在机械臂本体的机械臂的第六节轴上；
所述导航控制系统包括激光雷达、通信模块Ⅱ和电源模块Ⅱ；
所述外部感知部件安装在倒闸操作臂上；
所述自动充电桩包括充电桩和车载充电装置；所述充电桩固定安装在配电间的地面上；所述车载充电装置固定安装在移动底盘的一侧，车载充电装置与充电桩连接，车载充电装置通过导线分别与主控制器、电源模块Ⅰ以及电源模块Ⅱ连接；
所述主控制器安装在移动底盘的内部，主控制器通过线缆与智能机器人连接，主控制器通过无线网络分别与通信模块Ⅰ、通信模块Ⅱ以及集控室的监控终端通信连接。
所述主控制器和监控终端均包括传输设备、录像设备、服务器与显示器。
所述主控制器采用个人计算机终端或者个人计算机终端以及便携式智能控制终端两种同时采用。
所述监控终端采用个人计算机终端或者个人计算机终端以及便携式智能控制终端两种同时采用。
所述便携式智能控制终端包括平板电脑。
所述机械臂本体为六轴协作机器人。
所述智能相机包括图像采集单元、图像处理单元和网络通信装置。
所述外部感知部件包括视觉传感器和可见光云台摄像头；所述视觉传感器安装在可见光云台摄像头的上部。
所述末端工装包括倒闸工装、电机及减速器、超越离合器、弹性联轴器和万能套筒；所述倒闸工装与电机及减速器同轴固定连接；所述超越离合器的一端与电机及减速器连接，超越离合器的另一端通过弹性联轴器与开关工装连接。
所述充电桩的上部设置有路标。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明应用在倒闸操作高压开关柜整个过程中，智能机器人能根据指令，自动定位至需要操作的配电柜前，并进行倒闸操作。智能机器人主要操作柜门关闭后，开关的旋入旋出操作，同时利用状态指示灯、设备实际位置判定倒闸操作完成情况，实现操作时危险区域将没有人员，即便设备被本身有安全隐患导致设备损毁、拉弧时，也不会有人员受到伤害。此类高压室巡检操作机器人的出现将彻底替代人员来完成高压开关设备的全部常规操作，尤其在有危险性的开关柜倒闸操作过程中都不会有人员暴露在危险区域，从而保证人员安全，实现了工作效率的提升，保证了人员的安全。
附图说明
图1为本发明配电间智能机器人系统的结构框图。
图2为本发明配电间智能机器人系统中末端工装的结构示意图。
图3为本发明配电间智能机器人系统中智能机器人与自动充电桩的位置关系示意图。
图中1-主控制器、2-智能机器人、3-自动充电桩、4-监控终端、201-移动底盘、202-倒闸操作臂、203-导航控制系统、204-外部感知部件、2011-行走机构、2012-通信模块Ⅰ、2013-电源模块Ⅰ、2021-机械臂本体、2022-末端工装、2023-智能相机、2024-机械臂控制器、2031-激光雷达、2032-通信模块Ⅱ、2033-电源模块Ⅱ、2041-视觉传感器、2042-可见光云台摄像头、20221-倒闸工装、20222-电机及减速器、20223-超越离合器、20224-弹性联轴器、20225-万能套筒。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
如图1所示，配电间智能机器人系统兼具巡检以及操作两种主要功能，包括主控制器1、智能机器人2、自动充电桩3和监控终端4，所述智能机器人2包括移动底盘201、倒闸操作臂202、导航控制系统203和外部感知部件204。
所述移动底盘201包括行走机构2011、通信模块Ⅰ2012和电源模块Ⅰ2013，移动底盘201的上部与倒闸操作臂202连接；所述通信模块Ⅰ2012、电源模块Ⅰ2013以及导航控制系统203均安装在移动底盘201上；
所述倒闸操作臂202包括机械臂本体2021、末端工装2022、智能相机2023以及机械臂控制器2024；所述智能相机2023安装在机械臂本体2021的上部；所述末端工装2022安装在机械臂本体2021的机械臂的第六节轴上；
所述导航控制系统203包括激光雷达2031、通信模块Ⅱ2032和电源模块Ⅱ2033；
所述外部感知部件204安装在倒闸操作臂202上。
所述自动充电桩3包括充电桩301和车载充电装置302；所述充电桩301固定安装在配电间的地面上；所述车载充电装置302固定安装在移动底盘201的一侧，车载充电装置302与充电桩301连接，车载充电装置302通过导线分别与主控制器1、电源模块Ⅰ2013以及电源模块Ⅱ2033连接。
所述主控制器1安装在移动底盘201的内部，主控制器1通过线缆与智能机器人2连接，主控制器1通过无线网络分别与通信模块Ⅰ2012、通信模块Ⅱ2032以及集控室的监控终端4通信连接。
所述监控终端4采用个人计算机终端和便携式智能控制终端的一种或两种。
所述便携式智能控制终端包括平板电脑。
所述机械臂本体2021为Aubo I5六轴协作机器人。
所述智能相机2023包括图像采集单元、图像处理单元和网络通信装置。
所述外部感知部件204包括视觉传感器2041和可见光云台摄像头2042；所述视觉传感器2041安装在可见光云台摄像头2042的上部。
如图2所示，所述末端工装2022包括倒闸工装20221、电机及减速器20222、超越离合器20223、弹性联轴器20224和万能套筒20225；所述倒闸工装20221与电机及减速器20222同轴固定连接；所述超越离合器20223的一端与电机及减速器20222连接，超越离合器20223的另一端通过弹性联轴器20224与万能套筒20225连接。
所述充电桩301的上部设置有路标。
所述智能机器人2还设置有警戒线红外投射装置、语音对讲及报警装置、遥控信号接收装置和数据传输接口。
各组件主要功能如下所示：
一、主控制器1：通过通信系统将智能机器人2的图像、定位信息以及状态信息显示并且存储；同时，采用用户指令，将其下发给智能机器人2，由智能机器人2自主或者在用户操控下执行任务。
二、智能机器人2：主要由移动底盘201、倒闸操作臂202、导航控制系统203和视觉传感器2041以及可见光云台摄像头2042等外部感知部件204组成，主要接受用户利用主控制器1下发的任务或者控制指令，实现在区域内自主移动以及对任务对象的自主或半自主操作，并且利用视觉传感器2041以及可见光云台摄像头2042等状态监控载荷实现巡查，将前端信息反馈至主控制器1。
1)智能机器人2根据后台设定，定时对配电间内各配电柜进行巡检，对配电柜上的表盘进行识别；
2)智能机器人2可根据后台指令，自动定位至需要监视的配电柜，对配电柜进行监控及对表盘的指示灯及开关等表计进行识别。
3)辅助功能
①智能机器人2在进行倒闸操作前，需在地面投射警戒线，提醒工作人员在警戒线外等候，如有人员闯入警戒线，需要报警提示。
②智能机器人2要求有语音对讲功能，在远方监控室内的工作人员可以与在配电间的工作人员通过机器人通话。
③智能机器人2可以通过远方监控系统控制，也可以通过智能机器人2的遥控器进行控制。当采用遥控器进行控制时，需要指纹确认工作人员的权限。
④智能机器人2系统软件提供与原有系统集中管理平台通讯的数据传输接口。系统集中管理平台可调用巡检机器人系统采集的图像、声音、信息以及巡检机器人系统软件的分析结果(如报警、图像识别结果等)。同时系统集中管理平台可对智能机器人2的运行状态进行监控，也可对智能机器人2进行控制和电池管理等操作。
三、自动充电桩3：主要用于实现智能机器人2自主充电以及人工充电。
四、监控终端4：主要用于实现集控室与智能机器人实时通讯。
具体说明如下：
一、主控制器1硬件
主控制器1主要由主控制器1硬件与软件组成，主控制器1硬件主要由传输设备、录像设备、服务器与显示器组成。采用PC机作为终端设备，录像设备选用海康威视NVR DS-7708N-K4网络硬盘录像机。同时可配置麦克风与扬声器，支持双向语音对讲功能。同时增加便携式控制终端，采用平板电脑PAD形式实现现场人员的目视控制。
二、智能机器人2
智能机器人2主要实现移动、监控以及操作三种功能，对应实现的部分为移动底盘201、倒闸操作臂202、导航控制系统203以及外部感知部件204等载荷，下面展开描述。
1、移动底盘201
移动底盘201主要由行走机构实现移动功能，同时导航控制系统203实现自主定位与导航，并且实现移动底盘201的运动控制，电源2013以及通信模块2012为智能机器人2提供能源与通信手段。
配电间为室内环境，地面为平台铺装路面，通过性要求较低；同时，环境狭窄，因此需要有原地转向能力；巡检以及操作的任务模式要求其具有较高的运动控制精度以及姿态保持能力，选用用于室内环境下自动引导智能机器人2，AGV作为该智能机器人2的底盘组件。
2、导航控制系统203
导航控制系统203包括激光雷达2031、通信模块Ⅱ2032和电源模块Ⅱ2033。导航控制系统203采用激光SLAM+VSLAM+惯性的组合导航控制方案，无需信标、二维码等环境改造，自动生成环境地图，且适应周围环境动态变化。搭载激光雷达、深度摄像头等传感器，智能检测识别障碍物，主动停驶和绕障。
采用可靠的冗余设计，误差范围内，99.9％定位可靠性，10mm工业级精度；采用激光SLAM、视觉、惯导多传感器融合技术，可根据工业环境自主选择合理定位方案；实现对智能机器人2的定位导航与运动控制，搭载车辆控制器的移动机器人运行一年内无故障；可实时反馈智能机器人2的状态和位置，连接系统对智能机器人2实现调度管理。
SLAM算法融合激光雷达、里程计、惯性测量单元、摄像头等多种传感器数据，帮助智能机器人2获得场景地图信息，从而使其具备自主移动、路径规划、场景理解等能力。通过该技术生成的地图分辨率高，不存在误差累计问题，定位算法精度高站点精度误差低于±10mm，零抖动。采用激光雷达、深度摄像头等传感器，智能检测识别障碍物，主动停驶和绕障，具有自主避障能力。
3、倒闸操作臂202
倒闸操作臂202用于完成高压开关的倒闸操作，主要由机械臂本体2021、末端工装2022、智能相机2023以及机械臂控制器2024组成。
由智能相机2023判定倒闸孔的位置与姿态坐标，从而发送给机械臂控制器2024，机械臂控制器2024根据位置姿态坐标进行运动规划，并且控制机械臂本体2021运动至倒闸孔前方，末端工装2022执行插入旋钮孔并且进行旋入旋出的行为。
机械臂本体2021基于项目的使用需求，选用Aubo I5六轴协作机器人，该型机械臂是一款高精度协作型机器人：该型机械臂具有大作业空间，高负载自重比、高精度和便于编程使用等特点，是目前市场上最先进、成熟的轻型协作机械臂，广泛应用于教学、生产、医药、科学研究和搬运等多个行业和领域。为了满足操作空间需求，选择Aubo I5型号机械臂完成倒闸操作任务。
智能相机2023
智能相机2023并不是一台简单的相机，而是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。同时，由于应用了最新的DSP、FPGA及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。
智能相机2023一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成，各部分的功能如下:
图像采集单元：在智能相机2023中，图像采集单元相当于普通意义上的CCD/CMOS相机和图像采集卡。它将光学图像转换为模拟/数字图像，并输出至图像处理单元。
图像处理单元：图像处理单元类似于图像采集、处理卡。它可对图像采集单元的图像数据进行实时的存储，并在图像处理软件的支持下进行图像处理。
图像处理软件：图像处理软件主要在图像处理单元硬件环境的支持下，完成图像处理功能。如几何边缘的提取、Blob、灰度直方图、OCV/OVR、简单的定位和搜索等。在智能相机2023中，以上算法都封装成固定的模块，用户可直接应用而无需编程。
网络通信装置：网络通信装置是智能相机2023的重要组成部分，主要完成控制信息、图像数据的通信任务。智能相机2023一般均内置以太网通信装置，并支持多种标准网络和总线协议，从而使多台智能相机2023构成更大的机器视觉系统。
该智能相机2023通过边缘检测可实现孔的平面位置，同时通过圆孔图像的椭圆度以及尺寸信息估计三维孔相对于相机的位置与姿态，并且将其发送至机械臂控制器2024。
末端工装2022
倒闸操作主要是利用操作杆的正反转实现断路器手车的前后移动，从而实现主回路的通断。末端工装2022包括倒闸工装20221、电机及减速器20222、超越离合器20223、弹性联轴器20224和万能套筒20225。所述倒闸工装20221与电机及减速器20222同轴固定连接；所述超越离合器20223的一端与电机及减速器20222连接，超越离合器20223的另一端通过弹性联轴器20224与万能套筒20225连接。
电机及减速器20222用于输出力矩，同时超越离合器20223用于扭矩超限后对于旋钮动作的保护，弹性联轴器20224用于工装的位置姿态的自动对正。
激光雷达2031采用TOF(time of flight)方案，能够对周围360°环境进行二维扫描探测。该系列激光雷达采用无线方式传输电能和雷达内部数据，测量频率可达到20KHz，接受更高频率的定制。
4、载荷
智能智能机器人2端载荷主要包括视觉传感器2041和可见光云台摄像头2042等外部感知部件204，兼顾巡检及远程遥控功能，用于现场设备与环境观测。
可利用倒闸操作臂202终端的智能相机2023进行表计信号灯的识别以及其他的数字识别功能。利用机械臂本体2021的举升实现智能相机2023，根据需求完成面板巡检功能和倒闸操作定位机器人手臂功能，从而可保证相机正对面板。
三、自动充电桩3
智能机器人2自动充电，开展基于路标的视觉导航对准系统的设计。选用基于视觉引导的自主充电方案。如图3所示。路标进入要求的视野内，该导航方案启动。通过特征提取算法可到路标上各特征点在智能相机2023坐标系下的坐标。由于路标特征点距离已知，特征点的深度可以计算得到，通过相机投影模型和优化算法得到智能机器人2相对路标的位姿。
四、监控终端4
监控终端4主要由监控终端硬件与监控终端软件组成，监控终端硬件主要由传输设备、录像设备、服务器与显示器组成。采用个人计算机PC机作为终端设备，录像设备选用海康威视NVR DS-7708N-K4网络硬盘录像机。同时可配置麦克风与扬声器，支持双向语音对讲功能。同时增加便携式控制终端，采用PAD平板电脑形式实现现场人员的目视控制。监控终端软件主要实现的功能：初始配置、模式选择自动或遥控、机器人状态显示、音视频显示监控、数据存储报警日志等，这些状态数据可通过标准化通信协议上传至电厂的管理系统,同时操作人员通过管理系统完成倒闸操作票的下发，转化为机器人的任务模式，从而机器人自主完成倒闸操作。
Claims (6)
1.配电间智能机器人系统，其特征是：包括主控制器（1）、智能机器人（2）、自动充电桩（3）和监控终端（4），所述智能机器人（2）包括移动底盘（201）、倒闸操作臂（202）、导航控制系统（203）和外部感知部件（204），
所述移动底盘（201）包括行走机构（2011）、通信模块Ⅰ（2012）和电源模块Ⅰ（2013），移动底盘（201）的上部与倒闸操作臂（202）连接；所述通信模块Ⅰ（2012）、电源模块Ⅰ（2013）以及导航控制系统（203）均安装在移动底盘（201）上；
所述倒闸操作臂（202）包括机械臂本体（2021）、末端工装（2022）、智能相机（2023）以及机械臂控制器（2024）；所述智能相机（2023）安装在机械臂本体（2021）的上部；所述末端工装（2022）安装在机械臂本体（2021）的机械臂的第六节轴上；
所述导航控制系统（203）包括激光雷达（2031）、通信模块Ⅱ（2032）和电源模块Ⅱ（2033）；
所述外部感知部件（204）安装在倒闸操作臂（202）上；
所述自动充电桩（3）包括充电桩（301）和车载充电装置（302）；所述充电桩（301）固定安装在配电间的地面上；所述车载充电装置（302）固定安装在移动底盘（201）的一侧，车载充电装置（302）与充电桩（301）连接，车载充电装置（302）通过导线分别与主控制器（1）、电源模块Ⅰ（2013）以及电源模块Ⅱ（2033）连接；
所述主控制器（1）安装在移动底盘（201）的内部，主控制器（1）通过线缆与智能机器人（2）连接，主控制器（1）通过无线网络分别与通信模块Ⅰ（2012）、通信模块Ⅱ（2032）以及集控室的监控终端（4）通信连接；
所述机械臂本体（2021）为六轴协作机器人；
所述外部感知部件（204）包括视觉传感器（2041）和可见光云台摄像头（2042）；所述视觉传感器（2041）安装在可见光云台摄像头（2042）的上部；
所述末端工装（2022）包括倒闸工装（20221）、电机及减速器（20222）、超越离合器（20223）、弹性联轴器（20224）和开关工装（20225）；所述倒闸工装（20221）与电机及减速器（20222）同轴固定连接；所述超越离合器（20223）的一端与电机及减速器（20222）连接，超越离合器（20223）的另一端通过弹性联轴器（20224）与开关工装（20225）连接；
所述充电桩（301）的上部设置有路标；
所述智能机器人（2）还设置有警戒线红外投射装置、语音对讲及报警装置、遥控信号接收装置和数据传输接口。
2.根据权利要求1所述的配电间智能机器人系统，其特征是：所述主控制器（1）和监控终端（4）均包括传输设备、录像设备、服务器与显示器。
3.根据权利要求1所述的配电间智能机器人系统，其特征是：所述主控制器（1）采用个人计算机终端或者个人计算机终端以及便携式智能控制终端两种同时采用。
4.根据权利要求1所述的配电间智能机器人系统，其特征是：所述监控终端（4）采用个人计算机终端或者个人计算机终端以及便携式智能控制终端两种同时采用。
5.根据权利要求3或4所述的配电间智能机器人系统，其特征是：所述便携式智能控制终端包括平板电脑。
6.根据权利要求1所述的配电间智能机器人系统，其特征是：所述智能相机（2023）包括图像采集单元、图像处理单元和网络通信装置。
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