CN112008721B - 一种高空带电作业挂线检测方法 - Google Patents

一种高空带电作业挂线检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高空带电作业挂线检测方法，包括步骤：(1)在挂线完成后获取机械臂各关节电机的电流信号并计算得到机械臂末端受力信息；确定判断挂线是否成功的末端受力阈值：(2)根据机械臂末端的受力信息，基于阻抗控制以及挂线验证步骤执行完毕后机械臂末端受力范围确定挂线验证的运动方向和距离；(3)控制机械臂执行挂线验证步骤；(4)根据步骤(1)的方法计算得到挂线验证步骤完成后的机械臂末端受力信息；(5)计算挂线验证步骤前后机械臂末端受力信息的变化量，并与步骤(1)的阈值比较，若变化量大于阈值则挂线成功；反之挂线失败。本发明在不增加设备成本的前提下，完成了高空带电作业的挂线是否成功的闭环检测。

Description

一种高空带电作业挂线检测方法
技术领域
本发明涉及高空带电作业机器人领域，尤其涉及一种高空带电作业机器人机械臂在高空带电作业中挂线动作是否成功的检测方法。
背景技术
在高空带电作业所有步骤中，挂线步骤作为一次作业成功失败的关键步骤之一，所以对挂线步骤是否成功的闭环检测是非常重要的。多自由度机械臂在进行任务操作过程中，机械臂末端受力情况对其运动和控制有着较大的影响。而现在机械臂末端受力的检测一般是通过在机械臂末端加装高维度力/力矩传感器实现，根据力/力矩传感器检测到的数据做进一步的计算，得到机械臂末端受力，进而来判断挂线是否成功，但这种方式无疑会增加设备成本。
发明内容
发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种高空带电作业挂线检测方法，无需在机械臂末端加装高维度力/力矩传感器，完成了多自由机械臂高空带电作业的挂线是否成功的闭环检测。
技术方案：
一种高空带电作业挂线检测方法，包括步骤：
(1)在挂线步骤执行完毕后，获取挂线完成后稳定状态下机械臂各关节电机的关节电流信号并据此计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号，并对其进行滤波处理得到滤波后的机械臂末端受力信息；并确定用于判断挂线是否成功的末端受力阈值：
(2)根据步骤(1)得到的挂线步骤执行完毕后机械臂末端的受力信息，基于阻抗控制的思想以及挂线验证步骤执行完毕后机械臂末端受力范围确定挂线验证的运动方向和距离；
(3)根据步骤(2)中计算得到的运动方向和距离，控制机械臂执行挂线验证步骤；
(4)在步骤(3)挂线验证步骤执行完毕后，待机械臂末端受力稳定后，再根据步骤(1)的方法计算得到机械臂末端受力信息；
(5)计算挂线验证步骤执行前后机械臂末端受力信息的变化量，并与步骤(1)确定的阈值进行比较，如果变化量大于阈值，则代表挂线成功；反之代表挂线失败。
所述步骤(1)中，根据机械臂各关节电机的关节电流信号计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号具体为：
(11)获取机械臂各关节电机的关节电流信号，根据得到的机械臂各关节电机的电流信号以及电机的输入电流和输出转矩之间的线性关系计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号，对机械臂各关节电机的关节力矩信号进行滤波平滑处理得到稳定的关节力矩信息τ；
(12)根据机械臂的DH参数表得到机械臂的DH运动学模型，进而推导出机械臂的雅克比矩阵J；
(13)在机械臂处于力静止状态时，对机械臂静力建模，各关节电机力矩信息τ与机械臂的末端受力F存在下式等价转化关系：
τ＝JTF
根据上式可得到机械臂末端受力信息F＝JT-1τ。
所述步骤(1)中，所述判断挂线是否成功的末端受力变化的阈值delta_force_wall具体为：
Figure BDA0002640708880000021
其中，aver_f1表示机械臂末端的受力；f1表示主线对机械臂末端的作用力在能判断挂线成功情况下的最小力，为固定值；f2表示主线对机械臂末端的作用力在能判断挂线成功情况下的最大力，为固定值；Fmin表示在aver_f1不大于f1时，阈值delta_force_wall的取值，为固定值；Fmax表示在aver_f1不小于f2时，阈值delta_force_wall的取值，为固定值；f(aver_f1)表示aver_f1的取值在f1和f2之间时，阈值delta_force_wall与机械臂末端受力aver_f1之间的函数关系。
所述步骤(1)中，获取挂线完成后一段时间内机械臂各关节电机的关节电流信号并据此计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号，并对其进行滤波处理并取平均值得到机械臂末端受力信息；
所述步骤(4)中，在步骤(3)挂线验证步骤执行完毕后，待机械臂末端受力稳定后，获取一段时间内机械臂各关节电机的关节电流信号并据此计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号，并对其进行滤波处理并取平均值得到机械臂末端受力信息。
所述步骤(2)中，基于阻抗控制的思想以及挂线验证步骤执行完毕后机械臂末端受力大小的范围aver_F确定挂线验证的运动方向和距离，具体如下：
(21)当机械臂末端与外界环境接触时，机械臂末端运动会受到环境的约束；此时，采用弹簧模型描述机械臂末端与环境的力/位置关系：
F＝Ke(X-Xe)
其中，Ke表示机械臂末端所受到的环境刚度，delta_X＝X-Xe表示机械臂末端移动的距离，其中X表示机械臂末端的原始位置，Xe表示机械臂末端受环境刚度影响后的位置；
(22)设定挂线验证步骤执行完毕后机械臂末端受力大小的范围aver_F；结合aver_f1以及步骤(21)的模型计算得到机械臂末端在移动的方向和距离。
有益效果：本发明在不增加设备成本的前提下，通过获取挂线完成后机械臂各关节电机的关节电流信号来计算机械臂末端受力信息，完成了高空带电作业的挂线是否成功的闭环检测。
附图说明
图1为本发明的高空带电作业挂线检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
图1为本发明的高空带电作业挂线检测方法的流程图。如图1所示，本发明的高空带电作业挂线检测方法包括如下步骤：
(1)获取多自由度机械臂各关节电机的关节电流信号，因为关节力矩信号与关节电流信号是电机的输入电流和输出转矩之间的线性关系，根据得到的多自由度机械臂各关节电机的电流信号计算得到多自由度机械臂各关节电机的关节力矩信号，对多自由度机械臂各关节电机的关节力矩信号进行滤波平滑处理得到稳定的关节力矩信息τ；
(2)根据多自由度机械臂的DH参数表得到多自由度机械臂的DH运动学模型，进而推导出多自由度机械臂的雅克比矩阵J；
(3)在多自由度机械臂处于力静止状态时，对机械臂静力建模，各关节电机力矩信息τ与多自由度机械臂的末端受力F存在下式等价转化关系：
τ＝JTF
进而可得到：F＝JT-1τ；
根据上式可得到多自由度机械臂末端受力信息。
(4)在挂线步骤执行完毕后，增加挂线是否成功检测流程，如下：
(41)获取挂线完成后一段时间内多自由度机械臂各关节电机的关节电流信号并计算得到挂线完成后一段时间内多自由度机械臂各关节电机的关节力矩信号，并对其进行滤波处理得到多自由度机械臂末端滤波后的关节力矩信息，进而可以得到多自由度机械臂末端的受力信息，取其平均值记为aver_f1，即为挂线步骤执行完毕后多自由度机械臂末端受力；挂线步骤执行完毕后多自由度机械臂末端受力情况aver_f1的大小可以近似描述当前的环境刚度大小，由此确定一个用于判断挂线是否成功的末端受力阈值delta_force_wall，刚度越大，delta_force_wall越大；反之，delta_force_wall越小；通过该阈值判断在执行完挂线验证之后，主线对多自由度机械臂末端的作用力是否发生明显变化；
Figure BDA0002640708880000041
其中，f1表示主线对多自由度机械臂末端的作用力在能判断挂线成功情况下的最小力，为固定值，该情况下主线刚度较小；f2表示主线对多自由度机械臂末端的作用力在能判断挂线成功情况下的最大力，为固定值，该情况下主线刚度较大；Fmin表示在aver_f1不大于f1时，阈值delta_force_wall的取值，为固定值；Fmax表示在aver_f1不小于f2时，阈值delta_force_wall的取值，为固定值；f(aver_f1)表示aver_f1的取值在f1和f2之间时，阈值delta_force_wall与多自由度机械臂末端受力aver_f1之间的函数关系，是根据挂线完成后一段时间内计算得到的多自由度机械臂末端受力信息进行最小二乘拟合得到。
(42)根据步骤(41)得到的挂线步骤执行完毕后多自由度机械臂末端的受力大小aver_f1，基于阻抗控制的思想，当多自由度机械臂末端与外界环境接触时，多自由度机械臂末端运动会受到环境的约束；此时，我们可以用一个弹簧模型来简单描述多自由度机械臂末端与环境的力/位置关系：
F＝Ke(X-Xe)
其中，Ke表示多自由度机械臂末端所受到的环境刚度，delta_X＝X-Xe表示多自由度机械臂末端移动的距离，其中X表示多自由度机械臂末端的原始位置，Xe表示多自由度机械臂末端受环境刚度影像后的位置；
考虑在挂线验证步骤执行完毕后，多自由度机械臂末端受力大小要保证在多自由度机械臂的负载能力范围内，设定挂线验证步骤执行完毕后多自由度机械臂末端受力大小的范围aver_F；结合aver_f1通过上式确定多自由度机械臂末端在Z方向上移动的方向和距离。此处阻抗控制的思想主要是为保证挂线验证步骤执行完毕后，机械臂末端的受力不会超出机械臂负载能力范围，以免损坏机械臂。
(43)根据步骤(42)中计算得到的运动方向和距离，调用运动规划器，规划多自由度机械臂的运动轨迹并控制多自由度机械臂执行。
(44)在步骤(43)执行完毕后，等待2s，待多自由度机械臂末端受力趋于稳定，再读取与第一步相同时间间隔的多自由度机械臂末端力数据，并取其平均值记为aver_f2；
根据挂线验证步骤执行前后aver_f1与aver_f2的变化量记为delta_f，同delta_force_wall进行比较，如果delta_f>delta_force_wall，即主线对多自由度机械臂末端的作用力发生了明显变化，则代表挂线成功；反之代表挂线失败，需要用户亲自确认失败情况，并进行人工干预完成挂线，以保证高空带电作业流程顺利完成。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (5)

1.一种高空带电作业挂线检测方法，其特征在于：包括步骤：
(1)在挂线步骤执行完毕后，获取挂线完成后稳定状态下机械臂各关节电机的关节电流信号并据此计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号，并对其进行滤波处理得到滤波后的机械臂末端受力信息；并确定用于判断挂线是否成功的末端受力阈值：
(2)根据步骤(1)得到的挂线步骤执行完毕后机械臂末端的受力信息，基于阻抗控制的思想以及挂线验证步骤执行完毕后机械臂末端受力范围确定挂线验证的运动方向和距离；
(3)根据步骤(2)中计算得到的运动方向和距离，控制机械臂执行挂线验证步骤；
(4)在步骤(3)挂线验证步骤执行完毕后，待机械臂末端受力稳定后，再根据步骤(1)的方法计算得到机械臂末端受力信息；
(5)计算挂线验证步骤执行前后机械臂末端受力信息的变化量，并与步骤(1)确定的阈值进行比较，如果变化量大于阈值，则代表挂线成功；反之代表挂线失败。
2.根据权利要求1所述的高空带电作业挂线检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，根据机械臂各关节电机的关节电流信号计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号具体为：
(11)获取机械臂各关节电机的关节电流信号，根据得到的机械臂各关节电机的电流信号以及电机的输入电流和输出转矩之间的线性关系计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号，对机械臂各关节电机的关节力矩信号进行滤波平滑处理得到稳定的关节力矩信息τ；
(12)根据机械臂的DH参数表得到机械臂的DH运动学模型，进而推导出机械臂的雅克比矩阵J；
(13)在机械臂处于力静止状态时，对机械臂静力建模，各关节电机力矩信息τ与机械臂的末端受力F存在下式等价转化关系：
τ＝JTF
根据上式可得到机械臂末端受力信息
Figure FDA0003128693340000011
3.根据权利要求1所述的高空带电作业挂线检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述判断挂线是否成功的末端受力阈值delta_force_wall具体为：
Figure FDA0003128693340000021
其中，aver_f1表示机械臂末端的受力；f1表示主线对机械臂末端的作用力在能判断挂线成功情况下的最小力，为固定值；f2表示主线对机械臂末端的作用力在能判断挂线成功情况下的最大力，为固定值；Fmin表示在aver_f1不大于f1时，阈值delta_force_wall的取值，为固定值；Fmax表示在aver_f1不小于f2时，阈值delta_force_wall的取值，为固定值；f(aver_f1)表示aver_f1的取值在f1和f2之间时，阈值delta_force_wall与机械臂末端受力aver_f1之间的函数关系。
4.根据权利要求1所述的高空带电作业挂线检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，获取挂线完成后一段时间内机械臂各关节电机的关节电流信号并据此计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号，并对其进行滤波处理并取平均值得到机械臂末端受力信息；
所述步骤(4)中，在步骤(3)挂线验证步骤执行完毕后，待机械臂末端受力稳定后，获取一段时间内机械臂各关节电机的关节电流信号并据此计算得到机械臂各关节电机的关节力矩信号，并对其进行滤波处理并取平均值得到机械臂末端受力信息。
5.根据权利要求1所述的高空带电作业挂线检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，基于阻抗控制的思想以及挂线验证步骤执行完毕后机械臂末端受力大小的范围aver_F确定挂线验证的运动方向和距离，具体如下：
(21)当机械臂末端与外界环境接触时，机械臂末端运动会受到环境的约束；此时，采用弹簧模型描述机械臂末端与环境之间的力与位置关系：
F＝Ke(X-Xe)
其中，Ke表示机械臂末端所受到的环境刚度，delta_X＝X-Xe表示机械臂末端移动的距离，其中X表示机械臂末端的原始位置，Xe表示机械臂末端受环境刚度影响后的位置；
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