CN111958594B - 一种语义智能变电站巡视作业机器人系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种语义智能变电站巡视作业机器人系统及方法，包括：机器人本体，所述机器人本体上设置多自由度机械臂，多自由度机械臂末端搭载巡检设备；所述机器人本体被配置为能够根据变电站环境自主构建变电站三维语义地图，并根据巡检任务自主规划行走路径；机器人本体能够按照规划的路径进行巡视作业；在巡视作业过程中，根据机器人与待巡检设备间的位置关系，调整机械臂位姿，以使机械臂末端图像采集设备以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像。本发明在机器人不停车情况下实现巡检，打破传统变电站巡检机器人“停靠点‑预置位”作业方式，解决人工配置巡检点工作量大、前端智能分析能力不足、停靠作业效率低的问题。

Description

一种语义智能变电站巡视作业机器人系统及方法

技术领域

本发明涉及变电站巡检机器人技术领域，尤其涉及一种语义智能变电站巡视作业机器人系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

变电站巡检机器人是用于变电站设备巡检的无人自主移动检测装置，主要由移动平台、定位导航系统、检测设备、无线通讯系统等组成。近年来变电站巡检机器人已在高电压等级变电站普遍应用，极大地减轻了变电站运维人员的工作强度，提高了高危环境下的运维质量和效率，促进了变电站运维智能化水平的提升。

目前变电站巡检机器人系统的功能只要集中在通过预置位对变电站内的检测点进行定点检测，其主要实现方式为现场人员依据巡检任务进行人工设定，设定时现场人员首先遥控机器人沿巡检路线运行，当运行至待巡检电力设备周边后停靠；之后其再遥控调整机器人上云台姿态，使云台带动可见光摄像机、红外热像仪等非接触检测传感器依次对准机器人周边待巡检的各个设备并记录对应的云台预置位，从而完成一个检测点的设置。重复上述过程，以完成对巡检任务中包含所有待检设备检测点的设置。在现场作业方面，由于受检测设备结构复杂，信息通信滞后等问题的影响，机器人现场作业难度大，危险性高，应用较少。

由于变电站内设备众多且所处空间方位各异，人工设置检测点的工作量大且主观性强，巡检机器人在一个固定检测点停靠，之后对周边不同方位设备进行巡检数据采集时，因受到传感器观测角度及光照影响，较难获取每个设备的高质量巡检数据，不利于后续设备状态识别及故障诊断。另外，机器人在固定检测点停靠后再进行数据采集的应用模式，也制约了机器人巡检效率的进一步提升。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种语义智能变电站巡视作业机器人系统及方法，打破了传统变电站巡检机器人“停靠点-预置位”作业方式，实现变电站机器人在未知变电站环境下的全自主巡视作业。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种语义智能变电站巡视作业机器人系统，包括：机器人本体，所述机器人本体上设置多自由度机械臂，所述多自由度机械臂末端搭载巡检设备；

所述机器人本体被配置为能够根据变电站环境自主构建变电站三维语义地图，并根据巡检任务自主规划行走路径，开展巡检作业；

在机器人巡视作业过程中，通过控制所述多自由度机械臂调整位姿以使机械臂上搭载的设备以最佳的拍摄角度获取巡检设备图像。

作为进一步地方案，所述机器人本体上设置的多自由度机械臂作为从臂，同时设置与所述从臂通信的主臂；通过操控主臂，能够实现对所述从臂的远程同步控制。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种语义智能变电站巡视作业机器人的工作方法，包括：根据变电站环境自主构建变电站三维语义地图，并根据巡检或作业任务自主规划行走路径；在巡检过程中，通过控制所述多自由度机械臂调整位姿以使机械臂上搭载的设备以最佳的拍摄角度获取巡检设备图像。

基于虚拟现实技术，通过设置对多自由机械臂的主从控制，实现对变电站内巡检或作业任务的远程执行控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的变电站机器人全自主巡检作业方法，在机器人不停车情况下，通过自主漫游建图、激光视觉组合三维导航、设备自主定位采集、数据智能分析的机器人巡检作业策略，打破传统变电站巡检机器人“停靠点-预置位”作业方式，解决传统机器人存在的人工配置巡检点工作量大、前端智能分析能力不足、停靠作业效率低的问题。

(2)本发明提出了一种机器人运动中末端检测设备多自由度姿态的精确定位技术，研制了一种多自由度自适应的变电站检测巡检平台，解决了传统巡检模式下机器人需提前设置预置位的难题。

(3)本发明提出了一种视频沉浸式的异构机械臂主从控制方式，实现了主从控制模式下机器人巡检及作业，提升了机器人的控制灵活性，拓展了机器人的作业范围。

(4)本发明提出了一种机器人机械臂末端检测设备快速转换技术，实现了单一机器人在变电站内完成多种检测作业的突破，解决了传统巡检机器人检测功能单一，无法任意改变检测设备的问题。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中主从控制变电站巡检作业机器人系统结构示意图；

图2(a)-(b)分别为本发明实施例中机械臂结构示意图；

图3为本发明实施例中快速更换结构示意图；

其中，1.机器人本体，2.多自由度机械臂，3.VR虚拟现实模块，4.从臂，5.主臂，6.检测设备，7.连接套，8.机械臂末端。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种语义智能变电站巡视作业机器人系统，参照图1，包括：机器人本体，所述机器人本体上设置多自由度机械臂1，所述多自由度机械臂末端8搭载巡检设备6。

具体地，多自由度机械臂末端搭载的巡检设备包括：可见光相机、红外相机、手抓、吸盘、局放检测仪等。

参照图2(a)-(b)，机器人本体上的多自由度机械臂作为从臂4，另外设置操控主臂5，主臂为适于人员操作的轻便型操作系统，运维人员佩戴上主臂5后，集控运维人员可从集控室内通过5G通信，远程控制从臂4，实现对变电站内设备的巡检作业操作。

另外，机器人本体上还设置VR虚拟现实模块3，用于构建变电站作业现场的虚拟环境。VR虚拟现实模块3包括VR相机，能够采集现场环境并构建作业现场虚拟环境，运维人员通过此模块，可远程虚拟感知现场作业环境，从而可以实现对现场设备的精准作业。

采用本实施例的结构，在正常情况下，机器人能够进行自主巡检；当机器人发现设备缺陷、问题后，会将信息及时发送给运维人员，并给出相应的问题类别及对应的解决方案供运维人员参考。

如果发现的设备问题可以通过远程作业解决的话，运维人员就可以发出在线作业命令，机器人在接受到命令后，会自动切换到远程作业模式。

在进行作业检修时，机器人自行来到需作业检修的设备旁，打开机器人VR虚拟现实模块，通过5G通信模块，在集控中心远程构建现场虚拟环境；

运维人员通过集控中心的主臂，利用5G通信模块，远程控制变电站现场机器人上的从臂；运维人员通过VR虚拟现实，实时感知变电站待检修设备环境，利用从臂进行精细化作业，实现了运维人员对变电站设备的远程检修作业，提高了变电站维护的及时性，确保了运维人员的人身安全。

作为一种可选的实施方式，机器人本体前端设有AI前端数据处理模块，AI前端数据处理模块被配置为实现变电站巡检设备图像的前端识别。将基于图像进行目标识别的过程在机器人前端进行，避免了海量的数据回传后台过程中，由于数据传输存在时间延迟，导致存在视频分析不及时的问题；同时降低了对于带宽的要求。

另外，由于目前的变电站巡检机器人主要集中在可见光及红外测温两方面，大多是将可见光相机及红外相机分别固定在某种云台的两侧，然后将此云台直接通过螺钉或者螺栓直接固定在机器人本体上，处于外观及IP防护等因素的考虑，固定在机器人本体上的云台就很难在更换下来，所以无法实现检测设备的快速更换。

本实施例中，参照图3，在多自由度机械臂末端设置快换接头，能够实现单一机器人在变电站内完成多种检测作业的突破，解决了传统巡检机器人检测功能单一，无法任意改变检测设备的问题。

具体地，采用的是连接套7的方式实现快速连接和更换；在多自由度机械臂末端8和检测设备6末端均设置螺纹连接头，首先将机械臂末端8及检测设备6对齐，然后转动机械臂末端预制的连接套7，利用机械臂末端及检测设备共有的螺纹丝，使连接套逐渐将机械臂及末端设备固定在一起。

在本实施例中，可供转换的设备包括可见光相机、红外测温、局放检测、机械手抓、电动吸头等4大模块。

作为一种可选的实施方式，机器人本体被配置为能够根据变电站环境自主构建变电站三维语义地图，并根据巡检或作业任务自主规划行走路径；

其中，在巡检过程中，通过控制多自由度机械臂调整位姿以使机械臂上搭载的设备以最佳的拍摄角度获取巡检设备图像。

具体地，控制多自由度机械臂调整位姿的过程包括：

根据机器人与待巡检设备间的位置关系，驱动机器人机械臂运动，以使机器人机械臂末端朝向设备的位置且运动到目标设备的局部范围内；

根据待巡检的设备的位置，驱动机械臂位置进行精确调整，以使机械臂末端图像采集设备以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像。

以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像的过程包括：

确定目标巡检设备的有效观测区域；

当机器人行走至有效观测区域内时，实时调整目标检测设备处于图像的中央位置，当目标检测设备的目标检测位置正对图像采集设备时，确定为最佳的拍摄角度，此时获取目标设备的目标检测位置的图像。

可选地，将最佳拍摄角度时，机器人与目标检测设备的相对位姿作为目标巡检设备的最佳观测位姿；再次对该目标巡检设备进行巡检时，控制机器人到达最佳观测位姿时，进行目标巡检设备的图像获取。

可选地，对获取的数据质量进行评估优化，采用基于历史数据建立的巡检最优图像采集位置随时间变化的关系模型，实现不同季节和不同时间段内巡检位置的最优选择。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种语义智能变电站巡视作业机器人的工作方法，包括以下过程：

根据变电站环境自主构建变电站三维语义地图，并根据巡检或作业任务自主规划行走路径；在巡检过程中，通过控制所述多自由度机械臂调整位姿以使机械臂上搭载的设备以最佳的拍摄角度获取巡检设备图像。

根据机器人与待巡检设备间的位置关系，驱动机器人机械臂运动，以使机器人机械臂末端朝向设备的位置且运动到目标设备的局部范围内；

根据待巡检的设备的位置，驱动机械臂位置进行精确调整，以使机械臂末端图像采集设备以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像。

基于虚拟现实技术，通过设置对多自由机械臂的主从控制，实现对变电站内巡检或作业任务的远程执行控制。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种语义智能变电站巡视作业机器人系统，其特征在于，包括：机器人本体，所述机器人本体上设置多自由度机械臂，所述多自由度机械臂末端搭载巡检设备；

所述机器人本体被配置为能够根据变电站环境自主构建变电站三维语义地图，并根据巡检任务自主规划行走路径；

所述机器人本体能够按照规划的路径进行不停车巡检；在不停车巡检过程中，根据机器人与待巡检设备间的位置关系，调整机械臂位姿，以使机械臂末端图像采集设备以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像；

还包括：VR虚拟现实模块，用于构建变电站作业现场的虚拟环境；所述机器人本体上设置的多自由度机械臂作为从臂，同时设置与所述从臂通信的主臂；通过操控主臂，能够实现对所述从臂的远程同步控制；

所述以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像的过程包括：

确定目标巡检设备的有效观测区域；

当机器人行走至有效观测区域内时，实时调整目标检测设备处于图像的中央位置，当目标检测设备的目标检测位置正对图像采集设备时，确定为最佳的拍摄角度，此时获取目标设备的目标检测位置的图像；

将最佳拍摄角度时，机器人与目标检测设备的相对位姿作为目标巡检设备的最佳观测位姿；再次对该目标巡检设备进行巡检时，控制机器人到达最佳观测位姿时，进行目标巡检设备的图像获取；

对获取的数据质量进行评估优化，采用基于历史数据建立的巡检最优图像采集位置随时间变化的关系模型，实现不同季节和不同时间段内巡检位置的最优选择。

2.如权利要求1所述的一种语义智能变电站巡视作业机器人系统，其特征在于，不停车巡检过程中，根据机器人与待巡检设备间的位置关系，驱动机器人机械臂运动，以使机器人机械臂末端朝向设备的位置且运动到目标设备的局部范围内；

根据待巡检的设备的位置，驱动机械臂位置进行精确调整，以使机械臂末端图像采集设备以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像。

3.如权利要求2所述的一种语义智能变电站巡视作业机器人系统，其特征在于，所述机器人本体前端设有AI前端数据处理模块，所述AI前端数据处理模块被配置为实现变电站巡检设备图像的前端识别。

4.如权利要求1所述的一种语义智能变电站巡视作业机器人系统，其特征在于，所述多自由度机械臂末端设有快速更换接头，以实现对末端工具的快速更换。

5.如权利要求4所述的一种语义智能变电站巡视作业机器人系统，其特征在于，所述快速更换接头为两端带有螺纹的连接套。

6.一种语义智能变电站巡视作业机器人的工作方法，其特征在于，包括：根据变电站环境自主构建变电站三维语义地图，并根据巡检或作业任务自主规划行走路径；在巡检过程中，根据机器人与待巡检设备间的位置关系，调整机械臂位姿，以使机械臂末端图像采集设备以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像；

还包括：基于虚拟现实技术，通过设置对多自由机械臂的主从控制，实现对变电站内巡检或作业任务的远程执行控制；

所述以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像的过程包括：

确定目标巡检设备的有效观测区域；

当机器人行走至有效观测区域内时，实时调整目标检测设备处于图像的中央位置，当目标检测设备的目标检测位置正对图像采集设备时，确定为最佳的拍摄角度，此时获取目标设备的目标检测位置的图像；

将最佳拍摄角度时，机器人与目标检测设备的相对位姿作为目标巡检设备的最佳观测位姿；再次对该目标巡检设备进行巡检时，控制机器人到达最佳观测位姿时，进行目标巡检设备的图像获取；

对获取的数据质量进行评估优化，采用基于历史数据建立的巡检最优图像采集位置随时间变化的关系模型，实现不同季节和不同时间段内巡检位置的最优选择。

7.如权利要求6所述的一种语义智能变电站巡视作业机器人的工作方法，其特征在于，在巡检过程中，根据机器人与待巡检设备间的位置关系，调整机械臂位姿，以使机械臂末端图像采集设备以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像，具体实现方法包括：

根据机器人与待巡检设备间的位置关系，驱动机器人机械臂运动，以使机器人机械臂末端朝向设备的位置且运动到目标设备的局部范围内；

根据待巡检的设备的位置，驱动机械臂位置进行精确调整，以使机械臂末端图像采集设备以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像。

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