CN113370204B - 一种基于视觉和力控的操作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉和力控的操作系统及方法，包括执行终端，用于对变电站设备旋钮、开关和按钮进行识别信息采集及执行操作；控制中心，用于分析执行终端采集的识别信息并控制执行终端执行；采集模块，用于通过物联技术对变电站设备旋钮、开关和按钮的变化实现监控；监控管理云平台，用于将信息存储到云端。上述技术方案通过控制中心下达指令，控制中心对执行终端通过双目识别系统采集的识别信息进行识别并控制执行模块对不同类型设备的各种旋钮、开关和按钮进行相应操作完成指令，同时通过采集模块的信息反馈判断执行指令的完成度，从而实现变电站机器人对设备的精确操控，大大增加了操作效率及准确度，确保了变电站的正常运行。

Description

一种基于视觉和力控的操作系统及方法

技术领域

本发明涉及操作终端技术领域，尤其涉及一种基于视觉和力控的操作系统及方法。

背景技术

随着社会发展，生产生活的需要，对于用电量的需求也不断增加，因而对用电线路及设备的要求不断增加。面对更大的用电压力，早期建设的输电线路、变电站等实现电力传输的设施需要更精细的电力运行维护。实现电力运行设备的监控通常采用对电力运行设备整体改造，添加辅助采集和调控装置，实现物联控制，可是对早期变电站进行物联改造所需成本高且改造过程中难以正常运行，因此采用变电站操作机器人的改造方式，在不影响变电站工作的同时实现对变电站的运行监控。

有资料显示，现有的市面上的执行端以机械手爪类操作机构为主，但依然存在许多不足，首先大多数执行端具有专一性，仅能针对单一型号设备进行操作，不具有通用性，面对变电站不同类型设备各种旋钮、开关和按钮，无法直接应用并进行相应操作。其次，市面上的机械手爪尺寸很难满足开关柜面板上小尺寸开关并进行精细操作，无法根据工作人员需求实现精确调控。

中国专利文献CN109202851A公开了一种“配电开关柜辅助操作机器人”。包括控制装置以及与控制装置电连接的移动装置、操作装置、X轴移动装置、Y轴移动装置、旋转座和Z轴移动装置，操作装置，包括换刀组件和操作组件；操作组件，包括X轴移动座、夹具旋转单元和操作夹具，操作夹具连接于夹具旋转单元的动力输出端，夹具旋转单元通过X轴移动座连接于X轴移动装置，以沿X轴方向移动；换刀组件，包括换刀驱动单元、支撑架和换刀盘，支撑架第一端固定于移动装置，换刀驱动单元和换刀盘分别安装于支撑架的第二端，换刀驱动单元与换刀盘传动连接，以使换刀盘转动供操作夹具进行换刀。上述技术方案通过换刀组件实现对不同类型操作的切换，但是适用范围受制于换刀组件的种类，依然存在巨大的局限性，并且随着换刀组件的增加，成本也随之增加。

发明内容

本发明主要解决原有的技术方案面对不同类型设备的各种旋钮、开关和按钮无法有效操作的技术问题，提供一种基于视觉和力控的操作系统及方法，通过控制中心下达指令，控制中心对执行终端通过双目识别系统采集的识别信息进行识别并控制执行模块对不同类型设备的各种旋钮、开关和按钮进行相应操作完成指令，同时通过采集模块的信息反馈判断执行指令的完成度，从而实现变电站机器人对设备的精确操控，大大增加了操作效率及准确度，确保了变电站的正常运行。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于视觉和力控的操作系统，包括：

执行终端，用于对变电站设备旋钮、开关和按钮进行识别信息采集及执行操作，与控制中心相连；

控制中心，用于下达工作指令，分析执行终端采集的识别信息并控制执行终端执行；

采集模块，用于通过物联技术对变电站设备旋钮、开关和按钮的变化实现监控，与控制中心相连；

监控管理云平台，用于将采集信息及控制信息存储到云端，与控制中心相连；访问终端，用于访问监控管理云平台实现对变电站的远程监控，与监控管理云平台相连。

作为优选，所述的执行机构包括数据处理模块以及分别与数据处理模块相连的识别模块、执行模块、GPS定位模块、通信模块。数据处理模块用于实现对识别模块采集数据的预处理以及根据执行指令对执行模块进行控制，识别模块用于采集图像信息以构建三维坐标空间实现操作定位，执行模块用于针对不同设备的不同操作键进行相应操作，GPS定位模块实现操作机器人定位以优化工作路径，通信模块用于实现操作机器人与控制中心间的信息交换。

作为优选，所述的执行模块包括多功能夹合机构和定位机构，所述多功能夹合机构包括至少两组夹钳，夹钳端部设置有接合部，所述夹钳与定位机构呈十字结构间隔分布，所述定位机构包括相对设置的第一抱合部与第二抱合部，第一抱合部与第二抱合部之间设置有用于调整间距的调距组件。所述夹钳既可作为夹合开关柜面板上普通旋钮的操作部件，亦可合拢后利用接合部作为按动开关柜面板上普通按钮的压合部件，一套组件具备两种功能，面对各型号开关柜上不同结构的旋钮、开关和按钮，摒弃了现有技术中采用换刀切换对应操作部件的繁琐方案，有效提升机器人操作开关柜面板的工作效率。通过操作机器人的识别模块对待操作的旋钮/开关/按钮进行初步定位，接着所述定位机构会抱合固定待操作目标，为后续的按压以及转动等操作提供精确性和物理稳定性，通过调距机构调整第一抱合部与第二抱合部的距离抱合待操作旋钮/开关/按钮后，与定位机构同心设置的夹合机构仅需前后动作即可完成精确对位操作，无需依靠额外手段确定待操作目标的精确位置，不会出现偏离待操作旋钮/开关/按钮的问题。同时，抱合住待操作目标后，进行压合操作时可避免机器人因按压反作用力产生重心不稳的问题，能够保证机器人操作时的稳定性。

作为优选，所述的调距组件包括有中心齿轮，所述中心齿轮两侧分别咬合连接有第一传动杆和第二传动杆，所述第一传动杆远离中心齿轮的一端连接第一抱合部，所述第二传动杆远离中心齿轮的一端连接第二抱合部。所述中心齿轮后部设置有驱动电机，在机器人视觉定位系统的交叉定位技术下，定位机构沿中轴线转动使得第一抱合部与第二抱合部到达待操作目标的两侧，驱动电机启动，中心齿轮带动两侧的第一传动杆和第二传动杆相对运动，缩小第一抱合部与第二抱合部的距离直至定位机构抱合待操作目标，调距组件能够稳定有效的保证第一抱合部与第二抱合部稳定连接待操作目标，保证后续动作的稳定进行。

作为优选，所述的定位机构包括有连接于多功能夹合机构的底盘，所述底盘沿中轴线旋转。

作为优选，所述的多功能夹合机构包括有微振马达，所述接合部与夹钳之间设置有微动元件，所述微动元件连接于微振马达。微振马达用于为接合部提供微振动，避免产生接合部直接按压待操作按钮时出现卡涩现象，甚至出现按钮拒动而操作不到位的问题，利用微动元件振动消除按钮与按钮安装部之间的卡死可能，保证按压各种结构的按钮时均能顺畅进行。

作为优选，所述的多功能夹合机构还包括定位触头，所述定位触头设置于夹钳连线的中轴线上。定位触头用于抵接开关柜面板上的转动开关或旋钮的轴心，定位触头点触待操作目标的定心端后，通过夹钳夹合待操作目标的转动端，夹钳直接旋转即可完成对目标的操作，避免了传统方案中在抓合待旋转目标后需要末端执行机构整体移动或转动的繁琐操作，有效提升操作旋钮或转动开关时的效率。

作为优选，所述的第一抱合部与第二抱合部内侧均设置有弹性层。弹性层用于增强第一抱合部与第二抱合部对待操作目标的静摩擦力，显著提升定位机构的抱合固定效果，进一步保证机器人的多功能末端执行结构的工作稳定性。

一种基于视觉和力控的操作方法，包括以下步骤：

S1执行终端通过识别模块采集图像；

S2数据处理模块对图像进行预处理并传输到控制中心；

S3控制中心确认采集对象的针对性认知特征并获取点云图；

S4根据采集对象的针对性认知特征和点云图构建三维坐标空间并根据工作指令发布具体执行指令；

S5执行模块根据执行指令进行相应操作；

S6采集模块对设备状态变化进行采集并传输到控制中心；

S7控制中心通过采集模块的反馈实现执行指令完成度的判断；

S8若执行指令完成后，将过程信息存储到监控管理云平台，若执行指令未完成，重复步骤4。

作为优选，所述的步骤S5具体包括：

S5.1操作按钮时，多功能夹合机构的夹钳闭合；

S5.2定位机构前后动作，第一抱合部与第二抱合部抱合按钮根部侧面；

S5.3微振马达启动，多功能夹合机构夹钳前移直到按压按钮反馈力超过阈值；S5.4操作旋钮时，多功能夹合机构的夹钳张开；

S5.5定位机构前后动作，第一抱合部与第二抱合部抱合按钮根部侧面；

S5.6夹钳夹合旋钮侧面，第一抱合部与第二抱合部松开；

S5.7夹钳按照执行指令沿中轴线旋转相应角度。

本发明的有益效果是：通过控制中心下达指令，控制中心对执行终端通过双目识别系统采集的识别信息进行识别并控制执行模块对不同类型设备的各种旋钮、开关和按钮进行相应操作完成指令，同时通过采集模块的信息反馈判断执行指令的完成度，从而实现变电站机器人对设备的精确操控，大大增加了操作效率及准确度，确保了变电站的正常运行。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理连接结构图。

图2是本发明的一种执行模块的结构示意图。

图3是本发明的一种执行模块闭合状态的结构示意图。

图4是本发明的一种执行模块的主视图。

图中1执行终端，1.1数据处理模块，1.2识别模块，1.3执行模块，1.4GPS定位模块，1.5通信模块，2控制中心，3采集模块，4监控管理云平台，5访问终端，100基础电机，200主电机，300多功能夹合机构，301夹钳，302接合部，400定位机构，401第一抱合部，402第二抱合部，403底盘，500中心齿轮，501第一传动杆，502第二传动杆，600微动元件，700定位触头。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种基于视觉和力控的操作系统，如图1所示，包括依次相连的执行终端1、控制中心2和监控管理云平台4，控制中心2与采集模块3相连，监控管理云平台4与访问终端5相连。执行终端1用于对变电站设备旋钮、开关和按钮进行识别信息采集及执行操作。控制中心2用于下达工作指令，分析执行终端1采集的识别信息并控制执行终端1执行。采集模块3用于通过物联技术对变电站设备旋钮、开关和按钮的变化实现监控。监控管理云平台4用于将采集信息及控制信息存储到云端。访问终端5包括PC端和手机等手持设备，用于访问监控管理云平台4实现对变电站的远程监控。执行机构1包括数据处理模块1.1以及分别与数据处理模块1.1相连的识别模块1.2、执行模块1.3、GPS定位模块1.4、通信模块1.5。数据处理模块用于实现对识别模块采集数据的预处理以及根据执行指令对执行模块进行控制，识别模块用于采集图像信息以构建三维坐标空间实现操作定位，执行模块用于针对不同设备的不同操作键进行相应操作，GPS定位模块实现操作机器人定位以优化工作路径，通信模块用于实现操作机器人与控制中心间的信息交换。

如图2，图3所示，执行模块1.3包括多功能夹合机构300和定位机构400，所述多功能夹合机构300包括至少两组夹钳301，夹钳301端部设置有接合部302，所述夹钳301与定位机构400呈十字结构间隔分布。夹钳至少为两组，夹钳与第一抱合部和第二抱合部间隔设置，保证第一抱合部与第二抱合部相对设置，两组夹钳相对设置，更重要的是，确保定位机构和夹钳工作时互不干涉，定位机构能够定位待操作目标，夹钳能够压合或转动待操作目标。夹钳内侧设置有绝缘层，绝缘层能够保证多功能夹合机构操作时出现短路等问题，避免机器人与开关柜接触时产生电路损害，提高运行安全。夹钳既可作为夹合开关柜面板上普通旋钮的操作部件，亦可合拢后利用接合部作为按动开关柜面板上普通按钮的压合部件，一套组件具备两种功能，面对各型号开关柜上不同结构的旋钮、开关和按钮，摒弃了现有技术中采用换刀切换对应操作部件的繁琐方案，有效提升机器人操作开关柜面板的工作效率。

如图4所示，所述定位机构400包括相对设置的第一抱合部401与第二抱合部402，还包括连接于多功能夹合机构300的底盘403，所述底盘403沿中轴线旋转。通过操作机器人的识别模块对待操作的旋钮/开关/按钮进行初步定位，接着所述定位机构会抱合固定待操作目标，为后续的按压以及转动等操作提供精确性和物理稳定性，通过调距机构调整第一抱合部与第二抱合部的距离抱合待操作旋钮/开关/按钮后，与定位机构同心设置的夹合机构仅需前后动作即可完成精确对位操作，无需依靠额外手段确定待操作目标的精确位置，不会出现偏离待操作旋钮/开关/按钮的问题。同时，抱合住待操作目标后，进行压合操作时可避免机器人因按压反作用力产生重心不稳的问题，能够保证机器人操作时的稳定性。

第一抱合部401与第二抱合部402之间设置有用于调整间距的调距组件，第一抱合部401与第二抱合部402内侧均设置有弹性层。弹性层用于增强第一抱合部与第二抱合部对待操作目标的静摩擦力，显著提升定位机构的抱合固定效果，进一步保证机器人的多功能末端执行结构的工作稳定性。调距组件包括有中心齿轮500，所述中心齿轮500两侧分别咬合连接有第一传动杆501和第二传动杆502，所述第一传动杆501远离中心齿轮500的一端连接第一抱合部401，所述第二传动杆502远离中心齿轮500的一端连接第二抱合部402。中心齿轮后部设置有驱动电机，在机器人视觉定位系统的交叉定位技术下，定位机构沿中轴线转动使得第一抱合部与第二抱合部到达待操作目标的两侧，驱动电机启动，中心齿轮带动两侧的第一传动杆和第二传动杆相对运动，缩小第一抱合部与第二抱合部的距离直至定位机构抱合待操作目标，调距组件能够稳定有效的保证第一抱合部与第二抱合部稳定连接待操作目标，保证后续动作的稳定进行。

多功能夹合机构300包括有微振马达，接合部302与夹钳301之间设置有微动元件600，所述微动元件600连接于微振马达。微振马达用于为接合部提供微振动，避免产生接合部直接按压待操作按钮时出现卡涩现象，甚至出现按钮拒动而操作不到位的问题，利用微动元件振动消除按钮与按钮安装部之间的卡死可能，保证按压各种结构的按钮时均能顺畅进行。

多功能夹合机构300还包括定位触头700，所述定位触头700设置于夹钳301连线的中轴线上。定位触头用于抵接开关柜面板上的转动开关或旋钮的轴心，定位触头点触待操作目标的定心端后，通过夹钳夹合待操作目标的转动端，夹钳直接旋转即可完成对目标的操作，避免了传统方案中在抓合待旋转目标后需要末端执行机构整体移动或转动的繁琐操作，有效提升操作旋钮或转动开关时的效率。

一种基于视觉和力控的操作方法，包括以下步骤：

S1执行终端1通过识别模块1.2采集图像；

S2数据处理模块1.1对图像进行预处理并传输到控制中心2；

S3控制中心2确认采集对象的针对性认知特征并获取点云图；

S4根据采集对象的针对性认知特征和点云图构建三维坐标空间并根据工作指令发布具体执行指令；

S5执行模块1.3根据执行指令进行相应操作，具体包括：

S5.1操作按钮时，多功能夹合机构300的夹钳301闭合；

S5.2利用基础电机100驱动定位机构前后动作调整与按钮之间的距离，定位机构400前后动作，第一抱合部401与第二抱合部402抱合按钮根部侧面；

S5.3微振马达启动，多功能夹合机构300夹钳301前移直到按压按钮反馈力超过阈值；

S5.4操作旋钮时，多功能夹合机构300的夹钳301张开；

S5.5定位机构400前后动作，第一抱合部401与第二抱合部402抱合按钮根部侧面；

S5.6夹钳301夹合旋钮侧面，第一抱合部401与第二抱合部402松开；

S5.7主电机200驱动夹钳301夹合旋钮，夹钳301按照执行指令沿中轴线旋转相应角度。

S6采集模块3对设备状态变化进行采集并传输到控制中心2；

S7控制中心2通过采集模块3的反馈实现执行指令完成度的判断；

S8若执行指令完成后，将过程信息存储到监控管理云平台4，若执行指令未完成，重复步骤4。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了执行终端、控制中心等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种基于视觉和力控的操作系统，其特征在于，包括：

执行终端(1)，用于对变电站设备旋钮、开关和按钮进行识别信息采集及执行操作，与控制中心(2)相连，所述执行终端(1)包括数据处理模块(1.1)以及分别与数据处理模块(1.1)相连的识别模块(1.2)、执行模块(1.3)、GPS定位模块(1.4)、通信模块(1.5)，所述执行模块(1.3)包括多功能夹合机构(300)和定位机构(400)，所述多功能夹合机构(300)包括至少两组夹钳(301)，夹钳(301)端部设置有接合部(302)，所述夹钳(301)与定位机构(400)呈十字结构间隔分布，所述定位机构(400)包括相对设置的第一抱合部(401)与第二抱合部(402)，第一抱合部(401)与第二抱合部(402)之间设置有用于调整间距的调距组件，所述多功能夹合机构(300)包括有微振马达，所述接合部(302)与夹钳(301)之间设置有微动元件(600)，所述微动元件(600)连接于微振马达；夹钳至少为两组，夹钳与第一抱合部和第二抱合部间隔设置，保证第一抱合部与第二抱合部相对设置，两组夹钳相对设置，确保定位机构和夹钳工作时互不干涉；

控制中心(2)，用于下达工作指令，分析执行终端(1)采集的识别信息并控制执行终端(1)执行；

采集模块(3)，用于通过物联技术对变电站设备旋钮、开关和按钮的变化实现监控，与控制中心(2)相连；

监控管理云平台(4)，用于将采集信息及控制信息存储到云端，与控制中心(2)相连；

访问终端(5)，用于访问监控管理云平台(4)实现对变电站的远程监控，与监控管理云平台(4)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉和力控的操作系统，其特征在于，所述调距组件包括有中心齿轮(500)，所述中心齿轮(500)两侧分别咬合连接有第一传动杆(501)和第二传动杆(502)，所述第一传动杆(501)远离中心齿轮(500)的一端连接第一抱合部(401)，所述第二传动杆(502)远离中心齿轮(500)的一端连接第二抱合部(402)。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉和力控的操作系统，其特征在于，所述定位机构(400)包括连接于多功能夹合机构(300)的底盘(403)，所述底盘(403)沿中轴线旋转。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉和力控的操作系统，其特征在于，所述多功能夹合机构(300)还包括定位触头(700)，所述定位触头(700)设置于夹钳(301)连线的中轴线上。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉和力控的操作系统，其特征在于，所述第一抱合部(401)与第二抱合部(402)内侧均设置有弹性层。

6.根据权利要求1所述的一种基于视觉和力控的操作系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1执行终端(1)通过识别模块(1.2)采集图像；

S2数据处理模块(1.1)对图像进行预处理并传输到控制中心(2)；

S3控制中心(2)确认采集对象的针对性认知特征并获取点云图；

S4根据采集对象的针对性认知特征和点云图构建三维坐标空间并根据工作指令发布具体执行指令；

S5执行模块(1.3)根据执行指令进行相应操作；

S6采集模块(3)对设备状态变化进行采集并传输到控制中心(2)；S7控制中心(2)通过采集模块(3)的反馈实现执行指令完成度的判断；

S8若执行指令完成后，将过程信息存储到监控管理云平台(4)，若执行指令未完成，重复步骤4。

7.根据权利要求6所述的一种基于视觉和力控的操作系统的操作方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

S5.1操作按钮时，多功能夹合机构(300)的夹钳(301)闭合；

S5.2定位机构(400)前后动作，第一抱合部(401)与第二抱合部(402)抱合按钮根部侧面；

S5.3微振马达启动，多功能夹合机构(300)夹钳(301)前移直到按压按钮反馈力超过阈值；

S5.4操作旋钮时，多功能夹合机构(300)的夹钳(301)张开；

S5.5定位机构(400)前后动作，第一抱合部(401)与第二抱合部(402)抱合按钮根部侧面；

S5.6夹钳(301)夹合旋钮侧面，第一抱合部(401)与第二抱合部(402)松开；S5.7夹钳(301)按照执行指令沿中轴线旋转相应角度。

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