CN112693541B

CN112693541B - 一种变电站足式机器人、巡检系统及方法

Info

Publication number: CN112693541B
Application number: CN202011641851.6A
Authority: CN
Inventors: 孟健; 董旭; 李建祥; 许玮; 周大洲; 郭锐; 王海鹏; 许乃媛; 孙虎; 赵亚博; 杨尚伟; 韩铠泽; 肖鹏; 李希智; 张峰; 刘丕玉
Original assignee: State Grid Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112693541A

Abstract

本发明提供了一种变电站足式机器人、巡检系统及方法，机器人平台下设置有多个可旋转支腿，以承载并带动所述机器人平台移动，所述机器人平台上设置有连接部，所述连接部与检测组件或/和机械臂可拆卸链接，所述机械臂用于执行检修作业任务，所述检测组件用于执行检测作业任务；每个可旋转支腿配置有独立驱动件，所述控制单元根据现场障碍物情况，控制各个驱动件或/和机械臂的动作，调整机器人平台或/和机械臂的姿态以满足不同任务的行走要求。能够完成敞开式变电站内智能巡检及轻量化检修作业任务。

Description

一种变电站足式机器人、巡检系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统智能巡检技术领域，具体涉及一种变电站足式机器人、巡检系统及方法。

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。

目前变电站巡检机器人均采用轮式底盘，适宜在较平坦的路面运行，但变电站存在台阶、石子路面、楼梯等地形，难以实现巡检区域全覆盖，履带底盘存在能耗高、履带易磨损、地面会留下黑色痕迹等问题，不利于长期运行，腿足式移动机构落足点离散，具有较好的地形通过性。

但据发明人了解，现有的足式机器人平台为通用性平台，其支腿采用刚性结构，大腿及小腿仅存在一个自由度，腿部结构单一，在变电站内台阶、石子路面、楼梯路况行走通过性差。同时，在检测时，足式运功平台上通常需要搭载云台、检测传感器、多种自由度机械臂、电控手抓及工具等巡检作业设备，将影响平台重心位置，对运动平台姿态稳定控制带来了不利影响。因此目前变电站巡检机器人仅能完成敞开式变电站巡视任务，无法完成轻量化检修作业，变电站检修作业机器人适用于低空中的清扫及清洗作业，对于敞开式变电站地面开关柜等设备，限于绝缘距离，无法作业。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种变电站足式机器人、巡检系统及方法，本发明能够完成敞开式变电站内智能巡检及轻量化检修作业任务。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种变电站足式机器人，包括机器人平台和控制单元，其中：

所述机器人平台下设置有多个支腿，以承载并带动所述机器人平台移动，所述机器人平台上设置有连接部，所述连接部与检测组件或/和机械臂可拆卸连接，所述机械臂用于执行检修作业任务，所述检测组件用于执行检测作业任务；

每个支腿配置有独立驱动件，所述控制单元根据现场障碍物情况，控制各个驱动件或/和机械臂的动作，调整机器人平台或/和机械臂的姿态以满足不同任务的行走要求。

作为可选择的实施方式，所述机器人平台为对称结构，所述可旋转支腿在机器人平台两侧沿对称轴对称分布，所述连接部设置于所述对称轴上。

作为可选择的实施方式，所述连接部为接口。

作为可选择的实施方式，所述机器人平台上设置有天线、激光检测模块与感知相机。

作为可选择的实施方式，所述检测组件包括旋转云台，所述旋转云台上设置有可见光摄像机、补光射灯和红外热像仪。

作为可选择的实施方式，所述支腿为可旋转支腿，包括腿部旋转机构、第一腿部机构和第二腿部机构；所述腿部旋转机构包括旋转支架和第二驱动电机，所述旋转支架的一端与第一腿部机构的第一驱动电机连接，另一端与第二腿部机构连接，旋转支架内部安装第二驱动电机，以通过第一驱动电机控制第二腿部机构摆动，通过第二驱动电机控制第二腿部机构的旋转角度。

作为可选择的实施方式，所述第一腿部机构还包括第一支架、散热风扇和第三驱动电机；所述第一支架的两端分别连接第一驱动电机和第三驱动电机，所述第三驱动电机上安装散热风扇。

作为可选择的实施方式，所述旋转支架通过连接件与第二腿部机构连接，所述连接件的第一边沿与旋转支架连接，第二边沿与第二腿部机构连接；

或，所述旋转支架通过键连接与第一驱动电机连接。

作为可选择的实施方式，所述旋转支架的侧面设有定位槽，所述连接件的第一边沿设有内凹定位槽，所述内凹定位槽与定位槽过渡配合连接；

或，所述连接件包括第一半卡扣和第二半卡扣，所述第一半卡扣和第二半卡扣通过螺栓连接。

作为可选择的实施方式，所述腿部旋转机构还包括旋转安装板，所述旋转支架的内部设有安装槽，第二驱动电机与旋转安装板连接后，安装于安装槽内。

作为可选择的实施方式，所述第二腿部机构包括第二支架和弹簧，所述第二支架与旋转支架连接；在第二支架的内腔内安装弹簧。

作为可选择的实施方式，所述可旋转支腿还包括足部机构，所述足部机构包括足部固定板、足部安装板和接地足，所述足部安装板与第二腿部机构的第二支架连接，所述足部固定板与第二腿部机构的弹簧连接。

作为可选择的实施方式，所述足部安装板的中部设有圆孔，接地足的连接轴穿过圆孔与足部固定板连接。

作为可选择的实施方式，所述机械臂为多自由度机械臂。

作为可选择的实施方式，所述控制单元包括第一控制器、第二控制器和第三控制器，所述第一控制器被配置为控制各个可旋转支腿的驱动件，所述第二控制器被配置为控制机械臂动作，所述第三控制器被配置为控制云台动作。

一种多机器人联合巡检系统，包括若干上述变电站足式机器人、变电站轮式机器人和中央处理器，其中：

所述变电站足式机器人在第一区域内进行巡检，所述变电站轮式机器人在第二区域内进行巡检，所述第一区域和第二区域均具有多个巡检点；

所述中央处理器与各变电站足式机器人、变电站轮式机器人通信，接收所有机器人在相应巡检点获取的巡检信息，被配置为对巡检信息进行分析，定位电力设备并识别电力设备的状态。

作为可选择的实施方式，所述第一区域和第二区域的所有巡检点形成的巡检范围能够覆盖整个变电站巡检范围；

所述第一区域为障碍物所在区域或/和距离变电站电力设备设定距离内的区域。

作为可选择的实施方式，所述巡检信息包括图像数据，所述中央处理器被配置为对图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位电力设备在图像中的位置，并利用设备分类模型对定位后的电力设备种类进行识别。

作为可选择的实施方式，所述巡检信息包括声音数据，所述中央处理器被配置为对声音数据进行预处理，提取预处理后声音数据中的声纹特征，利用识别模型，输出识别结果，基于识别结果判断目标设备的运行状态。

一种变电站足式机器人作业方法，包括以下步骤：

当需要巡检时，根据现场障碍物情况，控制机器人到达指定位置，调整机器人姿态，利用检测组件对相应变电站设备执行检测作业任务；

当需要进行检修时，安装机械臂，调整机器人姿态，执行检修作业任务。

作为可选择的实施方式，根据现场障碍物情况，控制机器人到达指定位置的控制过程包括抬脚步态规划，具体包括：

采用同速后撤法，使摆动腿与支撑腿在前后方向的运动相关联，保证摆动腿相对于躯干的移动速度与支撑腿相对于躯干的移动速度相同，从而保证足式机器人在前进时摆动腿竖直抬起，避免踢到地面而立面影响平衡。

采用超速后撤法，使摆动腿的后撤速度超过支撑腿的蹬地速度，从而避免抬脚时被地面障碍立面的凸出部分压住而破坏平衡。

作为可选择的实施方式，超速后撤法用速度描述：摆动腿的后撤速度＝k*支撑腿的蹬地速度；其中，k大于1。

作为可选择的实施方式，超速后撤法用位置描述：摆动腿的后撤位置＝支撑腿的位置-抬脚结束后多后撤的距离与摆动相的预计时长的比值*进入摆动相后的计时时间。

作为可选择的实施方式，摆动腿抬脚时的运动轨迹分为X轴轨迹和Z轴轨迹，X轴轨迹向前为正，Z轴轨迹为摆动腿在Z轴的位置＝迈步高度与摆动相的预计时长的比值*进入摆动相后的计时时间。

作为可选择的实施方式，进入摆动相后的计时时间大于或等于0，且小于或等于摆动腿的后撤时间。

作为可选择的实施方式，从地面坐标系来看，摆动腿足端无水平初速度。

作为可选择的实施方式，当足式机器人处于斜坡上时，摆动腿同样表现为竖直抬脚。

作为可选择的实施方式，调整机器人姿态的具体过程包括机器人站立位姿调整，包括：

获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；

根据获取的姿态信息和几何信息，得到足端在肩关节坐标系中的初始坐标；

结合初始坐标、躯干姿态调整量和左右脚分开的距离，得到足端在肩关节坐标系中新坐标，根据新坐标进行位姿调整。

对肩关节坐标系进行旋转得到第二坐标系，进一步得到第二坐标系中髋关节相对于原点的位置，结合腿左右张开调整量、躯干调整量和初始坐标，得到新坐标。

作为可选择的实施方式，躯干调整量包括躯干扭转角调整量、躯干俯仰角调整量、躯干横滚角调整量、躯干左右平移调整量、躯干前后平移调整量和躯干上下平移调整量。

作为可选择的实施方式，旋转采用Z-Y-X欧拉角表示，根据躯干的横滚角、俯仰角和扭转角调整量得到旋转矩阵。

作为可选择的实施方式，新坐标为：

^BHIPp_TOE＝R_X(-ψ_ref)R_Y(-θ_ref)R_Z(-φ_ref)(^PHIPp_TOE+^Pp_HIP+^Pp_B+δw)-^Bp_HIP

其中，^Pp_B代表躯干在各个方向的平移量，^Pp_HIP代表第二坐标系中髋关节相对于原点的位置，δ代表左腿或者右腿，w代表腿左右张开调整量，ψ_ref、θ_ref、φ_ref分别代表躯干的横滚角、俯仰角和扭转角调整量。

作为可选择的实施方式，足式机器人站立时的四只脚围成的支撑多边形大于肩关节和髋关节围成的四边形。

作为可选择的实施方式，几何信息包括躯干到大腿根部的长度、大腿长度和小腿长度，姿态信息包括躯干、大腿和小腿间夹角。

作为可选择的实施方式，安装机械臂，调整机器人姿态的具体过程包括：在同一坐标下，计算当机械臂不动作时的运动平台重心空间位姿及当运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿；

在满足位姿约束下，以当前机器人及机械臂位姿为起始值，通过能耗最小准则及位姿迭代反馈，获取优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿，进行机器人平台和机械臂的姿态控制。

作为可选择的实施方式，在同一坐标下，基于力和转矩空间矢量的平衡关系，计算当机械臂不动作时的运动平台重心空间位姿及当运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿。

作为可选择的实施方式，所述能耗最小准则为：优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿与期望的位姿的偏差最小。

其中，足式平台姿态稳定控制可简化为在当前运动工况(速度、加速度、足端受力)下，在满足腿部各关节约束条件下，使平台保持受力及转矩的平衡状态。

作为可选择的实施方式，所述位姿约束包括腿部各关节约束和机械臂约束。

作为可选择的实施方式，所述腿部各关节约束包括腿部关节存在运动范围及极限转矩约束。

作为可选择的实施方式，所述机械臂约束为机械臂操作空间约束。

一种多机器人联合巡检方法，包括以下步骤：

利用若干变电站足式机器人在第一区域内进行巡检，利用若干变电站轮式机器人在第二区域内进行巡检，实现变电站内巡检区域的全覆盖；

获取机器人采集巡检信息，对巡检信息进行分析，定位电力设备并识别相应电力设备的状态。

作为可选择的实施方式，控制相应机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；

提取待检电力设备的语义信息，获得与所述待检电力设备相关联的监测点位信息；

依据机器人与检测点位相对位置关系以及当前运行路面特征，利用局部路径规划控制机器人脱离设定巡检路线，运行至待检设备最佳的观测位置进行巡检数据采集。

作为可选择的实施方式，所述巡检信息包括图像数据，对图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位电力设备在图像中的位置，并利用设备分类模型对定位后的电力设备种类进行识别；

所述巡检信息包括声音数据，对声音数据进行预处理，提取预处理后声音数据中的声纹特征，利用识别模型，输出识别结果，基于识别结果判断目标设备的运行状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明创新性研制一种实现支腿姿态可自适应变换的变电站足式巡检机器人，构建足式作业平台多自由度主动调整运动模型，提出一种变电站足式巡检机器人可旋转支腿的变换方法，解决支腿由于其刚性结构且腿部结构单一，导致其行走时通过性差的问题，实现调整不同支腿姿态以满足行走要求，提高行走地形的通用性，提升足式巡检机器人在不同路面环境下的运动稳定性，增强足式机器人平台对站内不同路面的适应性。

本发明创新性提出一种轮式机器人和足式机器人联合巡检的多机器人协同巡检方法，研制了多机器人联合巡检系统，解决轮式机器人无法进入设备区内巡检的问题，实现变电站内巡检对象的全覆盖，拓展机器人巡检范围。

本发明创新性提出了一种足式巡检机器人站立位姿调整方法，构建了笛卡尔坐标系下腿部运动学模型，研制了足式机器人站立位姿控制方法，避免了足式机器人在行走时产生质心位置波动和躯干姿态抖动导致的定位精度低的问题，提升了机器人站立的位置和角度精度。

本发明创新性提出一种足式机器人抬脚步态规划方法，研制了足式机器人抬脚步态规划系统，解决了足式机器人在爬越楼梯时摆动腿容易踢到楼梯立面以及足式机器人抬脚时可能会发生踢到障碍物影响平衡甚至被障碍物绊倒的问题，实现了摆动腿与支撑腿在前后方向的运动相关联且同速运动，足式机器人在前进时摆动腿竖直抬起及抬脚时摆动腿的后撤速度超过支撑腿的蹬地速度，提高了足式机器人运动的稳定性，避免了抬脚时被楼梯台面的凸出部分压住破坏平衡。

本发明创新性提出一种变电站足式巡检机器人稳定控制方法，构建足式作业平台多自由度主动调整运动模型，研制足式巡检机器人增稳控制系统，辅助足式平台控制系统对平台姿态的控制，解决了足式巡检机器人作业时平台重心位置不稳定的问题，提升了足式巡检机器人在不同路面环境下的稳定性，增强了足式机器人平台对站内不同路面的适应性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1(a)-(b)为变电站足式机器人结构示意图；

图2为足式机器人平台示意图；

图3(a)、图3(b)为足式机器人平台不同角度示意图；

图4为云台检测组件结构示意图；

图5为第一种机器人检测姿态示意图；

图6为第二种机器人检测姿态示意图；

图7为第一种机器人检修姿态示意图；

图8为第二种机器人检修姿态示意图；

图9(a)-9(b)为第一腿部机构组成示意图；

图10(a)-10(d)为腿部旋转机构组成示意图；

图11(a)-11(b)为腿部旋转机构装配示意图；

图12第二腿部机构组成示意图；

图13足部机构组成示意图；

图14足部机构装配示意图；

图15(a)、图15(b)为可旋转支腿不同姿态示意图；

图16为可旋转支腿示意图；

图17为运动平台受力情况；

图18为增稳控制方法流程图；

图19为站立位姿调整方法的示意图；

图20为足端坐标在肩关节坐标系中的坐标计算方法示意图；

图21为坐标转换示意图；

图22为同速后撤法示意图；

图23为机器人处于坡面时的同速后撤法示意图；

图24为超速后撤法示意图。

其中：1、足机器人平台，2、云台检测组件，3、机械臂，4、可旋转支腿，5、控制单元，6、天线，7、外壳，8、3D激光，9、感知相机，10、可见光摄像机，11、补光射灯，12、检测组件外壳，13、红外热像仪，14、旋转云台；

4-1、第一腿部机构，4-2、腿部旋转机构，4-3、第二腿部机构，4-4、足部机构，4-5、外壳，4-6、第三驱动电机，4-7、散热风扇，4-8、第一支架，4-9、第一驱动电机，4-10、旋转支架，4-11、旋转安装板，4-12、第二驱动电机，4-13、连接件，4-14、第二支架，4-15、弹簧，4-16、足部固定板，4-17、足部安装板，4-18、接地足。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

实施例一：

一种变电站足式机器人，包括机器人平台、检测组件、可旋转支腿、机械臂和控制单元，其中：

所述机器人平台下设置有多个可旋转支腿，以承载并带动所述机器人平台移动，所述机器人平台上设置有连接部，所述连接部与检测组件或/和机械臂可拆卸链接，所述机械臂用于执行检修作业任务，所述检测组件用于执行检测作业任务；

每个可旋转支腿配置有独立驱动件，所述控制单元根据现场障碍物情况，控制各个驱动件或/和机械臂的动作，调整机器人平台或/和机械臂的姿态以满足不同任务的行走要求。

足式机器人平台采用统一的接口形式，云台检测组件与机械臂通过螺栓连接与四足机器人平台上，根据不同的作业内容进行互换，机械臂可针对不同的检修任务安装相对应的作业工具实现轻量化的检修作业任务。

在本实施例中，以四足机器人为例进行详细说明，但并不代表本发明仅有四足机器人这个实施例一种方式。

如图1(a)-图3所示，四足机器人平台，包括四个可旋转支腿，还包括控制单元、天线、外壳、3D激光和感知相机。控制单元设置于外壳内，控制单元内部装有运动控制器、电量显示模块、锂电池等模块，控制单元内部通过螺栓进行固定安装。尾部装有为充电模块和起停装置。

在本实施例中，云台检测组件主要由可见光摄像机、补光射灯、检测组件外壳、红外热像仪、旋转云台组成，如图4所示。可见光摄像机、补光射灯和红外热像仪通过螺栓安装于检测组件外壳上，检测组件外壳通过过盈连接安装于旋转云台两侧。旋转云台具有俯仰和旋转两个自由度。

当机器人需要完成轻量化的作业(闭合开关柜)时，可将机械臂与云台检测组件互换，带有机械臂的变电站四足巡检机器人初始状态如图7所示。当作业时，可远程控制机械臂伸出完成轻量化作业，如图8所示。

可旋转支腿通过其第一驱动电机输出轴与控制单元连接，天线、3D激光与感知相机与控制单元通过螺栓与外壳连接。

可旋转支腿；包括：第一腿部机构1、腿部旋转机构2、第二腿部机构3和足部机构4；所述腿部旋转机构2连接第一腿部机构1和第二腿部机构3，在第二腿部机构3的另一端连接足部机构4。

如图9(a)-9(b)所示，所述第一腿部机构1包括外壳5、第一驱动电机9、散热风扇7、第一支架8和第三驱动电机6；

在本实施例中，所述第三驱动电机6与散热风扇7的间隙部分采用高强度胶水进行粘贴以补充缝隙；所述散热风扇7在第一腿部机构1运动过程中，增强第三驱动电机6与外壳5间的空气流动，加强散热；散热风扇7通过螺栓连接在第三驱动电机6上。

在本实施例中，外壳5通过螺栓连接在第一支架8上；外壳5采用铝合金材质，增大第三驱动电机6的散热面积。第一支架8的两端分别连接第一驱动电机9和第三驱动电机6；

在本实施例中，第一驱动电机9通过键传动与腿部旋转机构2连接，用以驱动第二腿部机构3的摆动。

在部分实施例中，第一支架8与第一驱动电机9和第三驱动电机6连接均可采用螺栓连接；

可以理解的，除螺栓连接外，还可采用法兰连接、铆接、定位销连接等。

如图16和图10(a)-10(d)和图11(a)-11(b)所示，所述腿部旋转机构2包括旋转支架10、旋转安装板11、第二驱动电机12以及连接件13；

所述旋转支架10通过键连接与第一腿部机构2的第一驱动电机9连接，通过连接件13与第二腿部机构3连接；

在本实施例中，所述连接件13的上沿安装于旋转支架11上，下沿的间隙配合安装于第二腿部机构3上；

优选的，所述旋转支架10的侧面设有定位槽，所述连接件13的上沿设有内凹定位槽，所述内凹定位槽与定位槽过渡配合；

优选的，所述连接件13采用固定卡扣结构，包括第一半卡扣和第二半卡扣，所述第一半卡扣和第二半卡扣通过螺栓连接。

在本实施例中，所述旋转支架10的内部设有安装槽，第二驱动电机12通过螺栓与旋转安装板11连接后，通过螺栓安装于旋转支架10的安装槽内；

优选的，第二驱动电机12为旋转电机，通过腿部旋转机构2与第二腿部机构3的连接，以改变第二腿部机构3的旋转角度。

如图12所示，所述第二腿部机构3包括第二支架14和弹簧15；所述第二支架14与连接件13的下沿间隙配合；在第二支架14下部设有内腔，在空腔内配合安装弹簧15。

如图13-14所示，所述足部机构4包括足部固定板16、足部安装板17和接地足18；足部安装板17连接在第二支架14上，所述足部固定板16的上部与弹簧15间隙配合；在所述足部安装板17的四角上通过螺栓连接在第二支架14上。

足部安装板17的中部设有圆孔，接地足18的连接轴穿过足部安装板17的圆孔与足部固定板16连接；

优选的，接地足18的连接轴上端设有螺纹孔，以通过螺栓与足部固定板16连接。

优选的，接地足18的外部通过高强度胶水粘贴包裹橡胶材料。

本实施例中的机器人可以通过远程控制实现在敞开式变电站内行走，在行走过程中，可旋转支腿的散热风扇启动，加强第一驱动电机与外壳间的空气流动，加强散热。

第二驱动电机控制小腿旋转角度后锁定，其中一种姿态如图5所示。通过第一驱动电机与第三驱动电机的协同控制，实现在姿态1的工况下进行机器人行走，通过云台检测组件对变电站内设备进行检测。当需要变换姿态时，第一驱动电机将支腿抬起，第三驱动电机将小腿锁定，控制第二驱动电机输出轴旋转，小腿可绕腿部旋转机构轴线旋转任意角度，图6是其中一种姿态示意图(前支腿同时旋转180°)。机器人可根据现场障碍物情况，通过驱动电机的旋转，调整不同姿态以满足行走要求。

实施例二：

基于实施例一的变电站足式机器人，提供一种多机器人联合巡检系统，包括若干变电站足式机器人、变电站轮式机器人和中央处理器，其中：

在部分实施例中，巡检信息包括图像数据，所述中央处理器被配置为对图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位电力设备在图像中的位置，并利用设备分类模型对定位后的电力设备种类进行识别。

在部分实施例中，巡检信息包括声音数据，所述中央处理器被配置为对声音数据进行预处理，提取预处理后声音数据中的声纹特征，利用识别模型，输出识别结果，基于识别结果判断目标设备的运行状态。

当然，上述模型可以基于深度学习算法、神经网络模型等进行构建、训练，可以使用现有方法，也可以构造优化模型，在此并不赘述其具体过程。

本实施例研制了多机器人联合巡检系统，通过轮式机器人和足式机器人的配合，解决轮式机器人无法进入设备区内巡检的问题，实现变电站内巡检对象的全覆盖，拓展机器人巡检范围。

实施例三：

一种变电站足式机器人作业方法，包括以下步骤：

根据现场障碍物情况，控制机器人到达指定位置，调整机器人姿态的具体过程中，足式机器人在行走时，腿根据支撑状态分为支撑腿和摆动腿，支撑腿蹬地，足端后移推动躯干前进；摆动腿腾空前伸，为触地做准备。其中，摆动腿的摆动阶段按照足端在Z轴(竖直向上为正)的运动方向分为上升阶段和下降阶段，上升阶段即为抬脚阶段。

本实施例的足式机器人抬脚步态规划方法，采用同速后撤法，使摆动腿与支撑腿在前后方向的运动相关联，保证摆动腿相对于躯干的移动速度与支撑腿相对于躯干的移动速度相同，从而保证足式机器人在前进时摆动腿竖直抬起，避免踢到地面而立面影响平衡。

如图22所示，摆动腿抬脚时的运动轨迹可分为X轴(向前为正)轨迹和Z轴轨迹，同速后撤法的核心是保证摆动腿相对于躯干的移动速度与支撑腿相对于躯干的移动速度相同，即：

于是从地面坐标系来看，摆动腿足端无水平初速度。

为摆动腿的后撤速度；

为支撑腿的蹬地速度。

对于Z轴轨迹，采用以下方程中的任意一种均可：

①

②

③

其中，Z_max为迈步高度，t_Swing为摆动相的预计时长，t为进入摆动相后的计时时间，0≤t≤t_Swing。p_{Z_Swing}为摆动腿在Z轴的位置。

得到足端轨迹后，使用足端逆运动学方程，将X轴和Z轴坐标换算为关节转角，再通过关节伺服实现运动。逆运动学方程由腿部机械结构决定，因腿而异。具体地，该运动在XOZ平面内通过规划X轴和Z轴的足端轨迹，然后经过逆运动学方程换算至关节角度，然后通过伺服关节角度实现。

在躯干坐标系中，摆动腿和支撑腿后撤速度相同，支撑腿后撤推动躯干前进，摆动腿后撤避免碰撞障碍。从地面坐标系来看，摆动腿末端是竖直抬起的。

当足式机器人处于斜坡上时，X轴和Z轴轨迹规划方式与上述相同，但此时的X轴不再与前进方向相同，而是旋转至水平，Z轴竖直向上。该旋转角度为机器人的俯仰角，可由安装于机器人本体的惯性测量单元或其他传感器测出。此时摆动腿表现为竖直抬脚，如图23所示。

当地面障碍立面存在凸起时，可采用超速后撤法。该方法可用速度描述或位置描述，如图24所示。在躯干坐标系中，摆动腿的后撤速度大于支撑腿的后撤速度。从地面坐标系来看，摆动腿末端是边抬起边后撤的。

在具体实施中，摆动腿的后撤值可通过增加速度或增加位移量实现。

速度描述方程为：

其中，k>1，该参数可根据实际情况进行调整。

为摆动腿的后撤速度；

为支撑腿的蹬地速度。

位置描述方程为：

其中，d为抬脚结束后多后撤的距离，可根据地形预估，也可使用激光雷达或立体相机等传感器扫描地形后动态设定。p_{X_Swing}为摆动腿的后撤位置；p_{X_Support}为支撑腿的位置。t_Swing为摆动相的预计时长，t为进入摆动相后的计时时间，0≤t≤t_Swing。

当足式机器人需要站立位置调整时，获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；

具体的，包括以下内容：

足式机器人的巡检步骤是逐个遍历预置的巡检点位，每当到达目标点附近时，逐渐减速直至踏步，随后切换至站立状态。

站立时，左右腿分开一定间距，使四只脚围成的支撑多边形大于肩关节和髋关节围成的四边形，增强机器人的站立稳定性，该间距需要按实际情况进行调整，太小会导致后续躯干偏移时失稳倾倒，太大会导致腿部侧摆角度达到机械极限。

站稳后，足式机器人根据定位程序的位置和姿态反馈，进行躯干的位姿调整。其中，位置调整包含前后调整(沿X轴平移)和左右调整(沿Y轴平移)，姿态调整为机器人左右扭转(绕Z轴扭转)。此外，足式机器人也可按照巡检需要进行躯干倾斜度的调整，即横滚角调整(绕X轴旋转)和俯仰角调整(绕Y轴旋转)。

下面介绍具体的姿态调整流程：

常规步态规划方式为控制四条腿末端在躯干坐标系下的位置，即^BHIPp_TOE来实现，本实施例将站立控制与姿态控制、腿张开的距离解耦，通过Σ_P和Σ_B两个坐标系来实现运动。

不改变原先的步态生成方式，站立步态输入^PHIPp_TOE，经变换后融入躯干位移、姿态调整量和左右脚分开的距离，生成新的^BHIPp_TOE，用于足端控制。

具体旋转方式和平移方式推导过程如下，如图2所示，单腿足端坐标在肩关节坐标系中的坐标为：

由图2可知：

^Pp_TOE＝^PR_B ^Bp_TOE+^Pp_B (2)

^PR_B＝R_Z(φ_ref)R_Y(θ_ref)R_X(ψ_ref) (3)

^Pp_TOE＝^PHIPp_TOE+^Pp_HIP+δw (4)

进一步的，得到：

^BHIPp_TOE＝R_X(-ψ_ref)R_Y(-θ_ref)R_Z(-φ_ref)(^PHIPp_TOE+^Pp_HIP+^Pp_B+δw)-^Bp_HIP (5)

其中，

坐标系Σ_P由Σ_B旋转而成，旋转采用Z-Y-X欧拉角表示，由Σ_P到Σ_B的旋转矩阵为式(3)；其中，φ_ref表示绕动坐标系Z轴的扭转角，θ_ref表示绕动坐标系Y轴的俯仰角，ψ_ref表示绕动坐标系X轴的横滚角，^PHIPp_TOE为坐标系Σ_P中足尖相对于髋关节的位置，^Pp_HIP为坐标系Σ_P中髋关节相对于原点的位置。

由此即可通过在^PHIPp_TOE中加入姿态和位置信息，得到^BHIPp_TOE。

控制式(5)中的变量即可控制足式机器人进行调整运动，变量列表如下：

变量	功能
		x<sub>offset</sub>	足式机器人躯干前后平移调整量(前为正)
y<sub>offset</sub>	足式机器人躯干左右平移调整量(左为正)
		ψ<sub>ref</sub>	足式机器人躯干横滚角调整量(左倾为正)
θ<sub>ref</sub>	足式机器人躯干俯仰角调整量(前倾为正)
		φ<sub>ref</sub>	足式机器人躯干扭转角调整量(左扭转为正)
W	足式机器人腿左右张开调整量(张开为正)

当需要执行检修任务时，还需要对机械臂的姿态进行调整，如图18所示，需要对机器人进行增稳控制，包括：

在同一坐标下，基于力和转矩空间矢量的平衡关系，计算当机械臂不动作时的运动平台重心空间位姿及当运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿；

在满足位姿约束下，以当前机器人及机械臂位姿为起始值，通过能耗最小准则及位姿迭代反馈，获取优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿，并分别对应发送至足式运动平台控制系统和机械臂控制系统中执行。

此处所述能耗最小准则为：优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿与期望的位姿的偏差最小。

在具体实施中，所述位姿约束包括腿部各关节约束和机械臂约束。所述腿部各关节约束包括腿部关节存在运动范围及极限转矩约束。所述机械臂约束为机械臂操作空间约束。这样更加贴合实际机器人的运动情况，提高了足式机器人的运动平台的稳定性。

本实施例基于机器人当前运动工况，在满足腿部各关节约束条件及机械臂操作空间约束下，利用足式运动平台上安装的机械臂姿态的主动调整，辅助足式运动平台控制系统对平台姿态的控制，使足式运动平台保持受力及转矩的平衡状态。

如图17所示，以足式运动平台整体重心位置为原点O，以运动平台前向运动方向为X轴，依据右手法则建立坐标系OXYZ，在该坐标系下，运动平台足式足端在该坐标系下形成四边形ABCD，运动平台所受重力G_r，其方向射线与ABCD相交于O_g点；运动平台足式端受力的合力为F。另外，运动平台上安装多自由度机械臂的整体重心位于O_a处，所受重力为G_a。

本实施例的机械臂和足式运动平台的坐标系统一。保障了机器人的控制精度，增加了加装巡检作业设备后平台巡检运行的稳定性。

假设此时在机器人以加速度a运动，则为保证运动平台稳定则在坐标系OXYZ应有以下力和转矩空间矢量的平衡关系：

F+G_r+G_a＝(m_r+m_a)×a

M＝M_a+M_ra+M_aa

其中：m_r和m_a分别是运动平台和机械臂整体质量，M是力F在O处的力矩，M_a是机械臂重力在O处产生的转矩，M_ra和M_aa则是加速度下的惯性力在O处产生的转矩。

依据上述方程，可以分别求得当机械臂不动作时的运动平台足端力矩对应的空间位姿Z_r以及当运动平台不动作时的机械臂力矩向量对应的空间位姿Z_a，也就是运动平台重心空间位姿Z_r和机械臂重心空间位姿Z_a。

之后，基于机器人腿部关节存在运动范围及极限转矩约束以及机械臂操作空间约束，以当前机器人及机械臂位姿为起始值，通过能耗最小准则，通过对上述求解过程迭代运算，获取优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿。

最后，将上述位姿分别发送至运动平台和机械臂控制系统执行，如图2所示。

本实施例的足式平台姿态稳定控制可简化为在当前运动工况(速度、加速度、足端受力)下，在满足腿部各关节约束条件下，使平台保持受力及转矩的平衡状态。

实施例四：

一种多机器人联合巡检方法，包括以下步骤：

在本实施例中，控制相应机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；

控制机器人的姿态与路径规划，可以使用实施例三所提供的方法。

在本实施例中，巡检信息包括图像数据，对图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位电力设备在图像中的位置，并利用设备分类模型对定位后的电力设备种类进行识别；

巡检信息包括声音数据，对声音数据进行预处理，提取预处理后声音数据中的声纹特征，利用识别模型，输出识别结果，基于识别结果判断目标设备的运行状态。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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

1.一种变电站足式机器人，其特征是：包括机器人平台和控制单元，其中：

每个支腿配置有独立驱动件，所述控制单元根据现场障碍物情况，控制各个驱动件或/和机械臂的动作，调整机器人平台或/和机械臂的姿态以满足不同任务的行走要求；

所述支腿为可旋转支腿，包括腿部旋转机构、第一腿部机构和第二腿部机构；所述腿部旋转机构包括旋转支架和第二驱动电机，所述旋转支架的一端与第一腿部机构的第一驱动电机连接，另一端与第二腿部机构连接，旋转支架内部安装第二驱动电机，以通过第一驱动电机控制第二腿部机构摆动，通过第二驱动电机控制第二腿部机构的旋转角度。

2.如权利要求1所述的一种变电站足式机器人，其特征是：所述第一腿部机构还包括第一支架、散热风扇和第三驱动电机；所述第一支架的两端分别连接第一驱动电机和第三驱动电机，所述第三驱动电机上安装散热风扇。

3.如权利要求1所述的一种变电站足式机器人，其特征是：所述旋转支架通过连接件与第二腿部机构连接，所述连接件的第一边沿与旋转支架连接，第二边沿与第二腿部机构连接。

4.如权利要求3所述的一种变电站足式机器人，其特征是：所述旋转支架通过键连接与第一驱动电机连接。

5.如权利要求3所述的一种变电站足式机器人，其特征是：所述旋转支架的侧面设有定位槽，所述连接件的第一边沿设有内凹定位槽，所述内凹定位槽与定位槽过渡配合连接。

6.如权利要求3所述的一种变电站足式机器人，其特征是：所述连接件包括第一半卡扣和第二半卡扣，所述第一半卡扣和第二半卡扣通过螺栓连接。

7.如权利要求1所述的一种变电站足式机器人，其特征是：所述可旋转支腿还包括足部机构，所述足部机构包括足部固定板、足部安装板和接地足，所述足部安装板与第二腿部机构的第二支架连接，所述足部固定板与第二腿部机构的弹簧连接。

8.如权利要求1所述的一种变电站足式机器人，其特征是：所述控制单元包括第一控制器、第二控制器和第三控制器，所述第一控制器被配置为控制各个可旋转支腿的驱动件，所述第二控制器被配置为控制机械臂动作，所述第三控制器被配置为控制云台动作。

9.一种多机器人联合巡检系统，其特征是：包括若干权利要求1-8中任一项所述的变电站足式机器人、变电站轮式机器人和中央处理器，其中：

10.如权利要求9所述的一种多机器人联合巡检系统，其特征是：所述第一区域和第二区域的所有巡检点形成的巡检范围能够覆盖整个变电站巡检范围；

11.如权利要求9所述的一种多机器人联合巡检系统，其特征是：所述巡检信息包括图像数据，所述中央处理器被配置为对图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位电力设备在图像中的位置，并利用设备分类模型对定位后的电力设备种类进行识别。

12.如权利要求9或11所述的一种多机器人联合巡检系统，其特征是：所述巡检信息包括声音数据，所述中央处理器被配置为对声音数据进行预处理，提取预处理后声音数据中的声纹特征，利用识别模型，输出识别结果，基于识别结果判断目标设备的运行状态。

13.一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：包括以下步骤：

当需要进行检修时，安装机械臂，调整机器人姿态，执行检修作业任务；

根据现场障碍物情况，控制机器人到达指定位置的控制过程包括抬脚步态规划，具体包括：

采用同速后撤法，使摆动腿与支撑腿在前后方向的运动相关联，保证摆动腿相对于躯干的移动速度与支撑腿相对于躯干的移动速度相同，从而保证足式机器人在前进时摆动腿竖直抬起，避免踢到地面而立面影响平衡；

14.如权利要求13所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：超速后撤法用位置描述：摆动腿的后撤位置＝支撑腿的位置-抬脚结束后多后撤的距离与摆动相的预计时长的比值*进入摆动相后的计时时间。

15.如权利要求13所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：摆动腿抬脚时的运动轨迹分为X轴轨迹和Z轴轨迹，X轴轨迹向前为正，Z轴轨迹为摆动腿在Z轴的位置＝迈步高度与摆动相的预计时长的比值*进入摆动相后的计时时间。

16.如权利要求13所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：调整机器人姿态的具体过程包括机器人站立位姿调整，包括：

获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；

结合初始坐标、躯干姿态调整量和左右脚分开的距离，得到足端在肩关节坐标系中新坐标，根据新坐标进行位姿调整；

17.如权利要求16所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：躯干调整量包括躯干扭转角调整量、躯干俯仰角调整量、躯干横滚角调整量、躯干左右平移调整量、躯干前后平移调整量和躯干上下平移调整量。

18.如权利要求16所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：旋转采用Z-Y-X欧拉角表示，根据躯干的横滚角、俯仰角和扭转角调整量得到旋转矩阵。

19.如权利要求16所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：新坐标为：^BHIPp_TOE＝R_X(-ψ_ref)R_Y(-θ_ref)R_Z(-φ_ref)(^PHIPp_TOE+^Pp_HIP+^Pp_B+δw)-^Bp_HIP

20.如权利要求13所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：安装机械臂，调整机器人姿态的具体过程包括：在同一坐标下，计算当机械臂不动作时的运动平台重心空间位姿及当运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿；

21.如权利要求20所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：在同一坐标下，基于力和转矩空间矢量的平衡关系，计算当机械臂不动作时的运动平台重心空间位姿及当运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿。

22.如权利要求20所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：所述能耗最小准则为：优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿与期望的位姿的偏差最小。

23.如权利要求20所述的一种变电站足式机器人作业方法，其特征是：所述位姿约束包括腿部各关节约束和机械臂约束；

所述腿部各关节约束包括腿部关节存在运动范围及极限转矩约束；所述机械臂约束为机械臂操作空间约束。

24.一种基于如权利要求9-12任一项所述的多机器人联合巡检系统的多机器人联合巡检方法，其特征是：包括以下步骤：

25.如权利要求24所述的一种多机器人联合巡检方法，其特征是：控制相应机器人沿设定的巡检路线运行，巡检过程中采集周边环境信息，识别出待检电力设备类型及当前运行路面特征；

26.如权利要求24所述的一种多机器人联合巡检方法，其特征是：所述巡检信息包括图像数据，对图像数据进行预处理，利用目标检测模型对图像进行检测，定位电力设备在图像中的位置，并利用设备分类模型对定位后的电力设备种类进行识别；