一种配网带电作业自适应抓取引流线装置及方法
技术领域
本发明涉及一种配网带电作业自适应抓取引流线装置及方法,属于电力运维智能设备技术领域。
背景技术
随着社会不断进步,机器人在各行各业得到广泛应用。目前我国电力系统配电网的日常断接引流线工作主要采用人工带电作业方式。在带电作业过程中,作业人员通常是处在高电压、强电场的环境中,及其容易引发触电危险,造成人员身亡事故。带电作业机器人替代人工完成断接引流线等工作是非常有必有的。
配网带电作业机器人通常使用电驱动协作机械臂携带夹爪进行配网作业。配网带电作业机器人夹取引流线过程中,受到引流线刚度和重量影响,机械臂末端受到阻力较大,导致机械臂容易发生自锁保护。传统抓取引流线夹爪结构复杂,重量体积较大,减少了机器人安全工作空间,容易发生碰撞,用时,减少了机械臂有效工作负载,不能抓取过重或阻力过大的引流线。
现有技术中公开了一种夹爪机构及使用该夹爪的带电作业机器人,该夹爪机构,用于抓取引流线,包括驱动机构、第一夹爪和第二夹爪,驱动机构驱动第一夹爪和第二夹爪相向运动,以使引流线限位在第一夹爪和第二夹爪之间;第一夹爪和第二夹爪之间设置有导向部,导向部能够相对于第一夹爪和第二夹爪绕其自身的轴线转动,且导向部的周向表面能够与引流线相贴合,以使引流线能够相对于第一夹爪和第二夹爪沿其自身的长度方向滑动。该结构简单,重量轻,通过夹爪的导向指能很方便将引流线导入夹槽。但改进结构不能让引流线在夹爪中自由滑动,抓取引流线运动过程中如果没有加紧引流线时,引流线容易滑出。如果将引流线夹紧后进行移动,机械臂容易受到引流线刚度影响受到挠曲阻力过大,发生自锁保护。并且该结构不能夹取比夹槽口径小的引流线,容易夹不稳,受到轴向力和挠曲力时容易发生滑动,不能完成穿线作业。
综上所述,现有技术中抓取引流线的夹爪结构比较复杂、体积大、重量大,安装在电驱动协作机械臂上负载过大,在抓取移动引流线的运动过程,引流线的挠曲力会不断发生变化,造成机械臂在某方向上受到力过大,容易发生自锁保护现象。对于结构简单,体积重量小的夹爪,夹力太小,受到引流线重力或挠曲力影响,引流线夹不稳容易滑落。
发明内容
目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种配网带电作业自适应抓取引流线装置及方法。技术方案:为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种配网带电作业自适应抓取引流线装置,包括驱动电机,所述驱动电机与驱动蜗杆相连接,用于带动驱动蜗杆转动,驱动蜗杆两侧分别设置有第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆,第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆均与驱动蜗杆相啮合,所述第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆一侧与第一夹爪底部移动连接,第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆另一侧与第二夹爪底部移动连接,用于带动第一夹爪和第二夹爪平移运动。
作为优选方案,还包括实时力矩传感器,所述驱动电机与实时力矩传感器一端相连接。
作为优选方案,所述第一涡轮丝杆由涡轮和丝杆组成,涡轮和丝杆以轴套形式固定连接;所述丝杆为以轴长一半为光滑杆另一半为丝杆;
所述第二涡轮丝杆由涡轮和丝杆组成,涡轮和丝杆以轴套形式固定连接;所述丝杆为以轴长一半为光滑杆另一半为丝杆。
作为优选方案,所述第一夹爪、第二夹爪包括夹爪本体、指尖、连动杆和复位弹簧,指尖一端与夹爪本体前端转动连接,夹爪本体内移动连接有连动杆,连动杆一端与指尖相连接,另一端安装有滑动轮,所述滑动轮从夹爪本体中部一侧伸出,夹爪本体中部另一侧设置有梯形结构;本侧夹爪本体上的滑动轮与对侧夹爪本体上梯形结构的斜面相配合,用于梯形结构的斜面与滑动轮相接触时,滑动轮在梯形结构上移动带动连杆上下移动,从而带动指尖伸展与回收动作。
作为优选方案,所述连动杆上套接有复位弹簧。
作为优选方案,第一夹爪和第二夹爪对称安装在涡轮丝杆两端。
一种配网带电作业自适应抓取引流线方法,包括如下步骤:
采用激光雷达扫描作业环境,获取环境点云数据。
根据作业环境点云数据,将环境点云数据转换到机械臂坐标系下,得到转换后的环境点云数据。
根据引流线、行线特征,从转换后的环境点云数据中识别出引流线点云数据,并根据引流线点云数据提取出引流线在机械臂坐标系下的位置信息。
将除目标任务的引流线外的点云数据作为环境障碍物,根据引流线点云数据获取引流线末端向上指定长度作为引流线抓取位置,根据引流线抓取位置和抓取位置附近的引流线点云数据分布状态计算机械臂抓取引流线位姿,根据环境障碍物以及引流线位置信息进行运动轨迹规划,获到机械臂携带抓取引流线装置到达引流线抓取位置的各路点信息。
机械臂根据各路点信息进行运动,当抓取引流线装置到达抓取位置后,引流线位于第一夹爪和第二夹爪之间,驱动电机带动驱动蜗杆,驱动蜗杆与第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆啮合转动,使得第一夹爪和第二夹爪相向运动直到第一夹爪底部滑动轮与第二夹爪底部的梯形结构的斜面相接触,第二夹爪底部滑动轮与第一夹爪底部的梯形斜面相接触,梯形斜面推动滑动轮移动,滑动轮带动连动杆移动,连动杆推动夹爪本体顶端的指尖打开,将引流线锁在夹爪与指尖的范围内,引流线在夹爪与指尖之间可沿轴向自由移动。
机械臂获取引流线最终目标位,通过实时获取力矩传感器数据,对机械臂进行自适应抓取引流线装置控制,机械臂携带引流线到达最终目标位。
驱动电机带动驱动蜗杆,驱动蜗杆与第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆啮合转动,使得第一夹爪和第二夹爪继续相向运动,直到驱动电机的电流产生堵转电流停止驱动,完成夹紧引流线动作。
作为优选方案,将引流线的点云数据进行去噪优化。
作为优选方案,对机械臂进行自适应抓取引流线装置控制,具体步骤如下:
第一步:根据引流线最终目标位,机械臂进行运动轨迹规划,得到机械臂一系列路点信息,将路点信息以时间Δt为间隔进行分割,得到n个规划目标路点,其中第i个规划目标路点的关节值为Si,Si=[Ji0,Ji1,Ji2,Ji3,Ji4,Ji5],其中,Ji0、Ji1、Ji2、Ji3、Ji4、Ji5分别为第0~5关节的自由度值,i∈n。
第二步:获取实时力矩传感器的数据T。
第三步:根据力矩值T,计算第5关节自由度调整值Ji5′,Ji5′=Ji5+ζ*T其中,ζ为比例因子,根据自由度调整值Ji5′得到机械臂第i个规划目标路点调整关节值为Si′,Si′=[Ji0,Ji1,Ji2,Ji3,Ji4,Ji5′],根据Si′对机械臂进行运动控制。
第四步:获取当前机械臂实时关节值Sc,Sc=[Jc0,Jc1,Jc2,Jc3,Jc4,Jc5],其中,Jc0、Jc1、Jc2、Jc3、Jc4、Jc5分别为第0~5关节的实时自由度值。
第五步:分别比较第0~4关节自由度值的Ji0与Jc0,Ji1与Jc1,Ji2与Jc2,Ji3与Jc3,Ji4与Jc4是否都相等,|T|≤ε约束是否满足,其中,ε为挠力阈值;如果都相等且约束满足,是则进行下一步,否则跳到第二步继续执行。
第六步:判断i是否等于n,如果不等,则i=i+1,进入下一个路点机械臂控制;如果相等,完成了所有路点机械臂控制,到达了引流线最终目标位。
作为优选方案,力矩值T正负方向符合右手定则,逆时针方向力矩为正值,顺时针力矩为负值。
有益效果:本发明提供的一种配网带电作业自适应抓取引流线装置及方法,减少了电动机械臂受到引流线弯曲力作用导致的过载影响;抓线装置采用蜗轮蜗杆传动,逆向力传动自锁作用,减少了引流线弯曲力作用导致夹爪松开,抓线不稳,引流线滑落现象;本发明减少了作业故障发生率,大大提高了配网带电作业效率,缩短了作业时间,给用户带来了更好用电体验,提升了经济效益。
附图说明
图1为抓取引流线装置的结构示意图。
图2为抓取引流线装置的传动机构结构示意图。
图3为抓取引流线装置的夹爪结构示意图。
图4为抓取引流线装置抓取引流线的结构示意图。
图5为配网带电作业机器人抓取引流线作业示意图。
图6为自适应抓取引流线方法的流程示意图。
图7为自适应控制抓取引流线装置的流程示意图。
图8为机械臂结构示意图。
其中,1第一夹爪;2第二夹爪;3第一涡轮丝杆;4驱动蜗杆;5第二涡轮丝杆;6实时力矩传感器;7驱动电机。其中,11为第一夹爪的夹爪本体;12为第一夹爪的连动杆;13为第一夹爪的复位弹簧;14为第一夹爪的指尖。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-2所示,一种配网带电作业自适应抓取引流线装置,包括:第一夹爪1、第二夹爪2、第一涡轮丝杆3、驱动蜗杆4、第二涡轮丝杆5、实时力矩传感器6、驱动电机7。
所述驱动电机与驱动蜗杆相连接,用于带动驱动蜗杆转动,驱动蜗杆两侧分别设置有第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆,第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆均与驱动蜗杆相啮合,所述第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆一侧与第一夹爪底部移动连接,第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆另一侧与第二夹爪底部移动连接,从而带动第一夹爪和第二夹爪平移运动。
所述驱动电机与实时力矩传感器一端相连接,实时力矩传感器另一端用于固定安装在机械臂末端,用于实时获取第一夹爪和第二夹爪受到引流线挠曲引起的力与力矩,将数据传给机器人运动控制处理节点,运动控制处理节点进行运动规划。
所述第一涡轮丝杆由涡轮21和丝杆22组成,涡轮和丝杆以轴套形式固定连接;所述丝杆为以轴长一半为光滑杆另一半为丝杆;
所述第二涡轮丝杆由涡轮和丝杆组成,涡轮和丝杆以轴套形式固定连接;所述丝杆为以轴长一半为光滑杆另一半为丝杆;第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆对称安装在驱动蜗杆两侧,驱动蜗杆通过蜗轮蜗杆传动方式同时驱动第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆。
如图3所示,所述第一夹爪、第二夹爪包括夹爪本体11、指尖14、连动杆12和复位弹簧13,指尖一端与夹爪本体前端转动连接,夹爪本体内移动连接有连动杆,连动杆一端与指尖相连接,另一端安装有滑动轮15,所述滑动轮从夹爪本体中部一侧伸出,夹爪本体中部另一侧设置有梯形结构16。本侧夹爪本体上的滑动轮与对侧夹爪本体上梯形结构的斜面相配合用于梯形结构的斜面与滑动轮相接触时,滑动轮在梯形结构上移动带动连杆上下移动,从而带动指尖伸展与回收动作。所述连动杆上套接有复位弹簧。
如图4-5所示,第一夹爪和第二夹爪对称安装在涡轮丝杆两端,保证抓取引流线装置中心点在对称轴上,当抓取引流线装置安装在机械臂01末端关节轴上时抓取引流线装置中心点在其旋转轴上,机械臂末端关节旋转过程不改变抓取引流线装置中心点位置,只改变姿态;第一夹爪与第一涡轮丝杆以滚珠丝杆连接,第一夹爪与第二涡轮丝杆以轴套形式滑动连接,第二夹爪与第二涡轮丝杆以滚珠丝杆连接,第二夹爪与第一涡轮丝杆以轴套形式滑动连接。
一种配网带电作业自适应抓取引流线方法,包括如下步骤:
配网带电作业机器人02抓取引流线前,采用激光雷达扫描作业环境,获取环境点云数据。
主控计算机根据作业环境点云数据,将环境点云数据转换到机械臂坐标系下,得到转换后的环境点云数据。用于目标识别时减少坐标转换计算量,方便主机械臂运动控制,提高机械臂运动控制效率。
根据引流线、行线特征,从转换后的环境点云数据中识别出引流线点云数据,并根据引流线点云数据提取出引流线在机械臂坐标系下的位置信息。将引流线的点云数据进行去噪优化。方便分析行线作业点选择与引线抓线点选择以及障碍物划分。
将除目标任务的引流线外的点云数据作为环境障碍物,根据引流线点云数据获取引流线末端向上指定长度作为引流线抓取位置,根据引流线抓取位置计算机械臂抓取引流线位姿,根据环境障碍物以及引流线位置信息进行运动轨迹规划,获到机械臂末端抓取引流线装置到达引流线抓取位置的各路点信息。
机械臂根据各路点信息进行运动,当抓取引流线装置到达抓取位置后,引流线位于第一夹爪和第二夹爪之间,驱动电机带动驱动蜗杆,驱动蜗杆与第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆啮合转动,使得第一夹爪和第二夹爪相向运动直到第一夹爪底部滑动轮与第二夹爪底部的梯形结构的斜面相接触,第二夹爪底部滑动轮与第一夹爪底部的梯形斜面相接触,梯形斜面推动滑动轮移动,滑动轮带动连动杆移动,连动杆推动夹爪本体顶端的指尖打开,将引流线锁在夹爪与指尖的范围内,引流线在夹爪与指尖之间可沿轴向自由移动。减少引流线受到约束力导致弯曲,对机械臂受外力影响运动。
机械臂获取引流线最终目标位,通过实时获取力矩传感器数据,对机械臂进行自适应抓取引流线装置控制,机械臂携带引流线到达最终目标位。机械臂自适应调整姿态,减少夹爪与引线之间阻力,避免机械臂自锁保护问题。
驱动电机带动驱动蜗杆,驱动蜗杆与第一涡轮丝杆和第二涡轮丝杆啮合转动,使得第一夹爪和第二夹爪继续相向运动,直到驱动电机的电流产生堵转电流停止驱动,完成夹紧引流线动作。配网带电作业机器人进行下一步穿线接线等作业。
对机械臂进行自适应抓取引流线装置控制,如图8所示,机械臂02包括第0关节011,第0关节011、第1关节012、第2关节013、第3关节014、第4关节015、第5关节016依次连接,所述第0关节与配网带电作业机器人01相连接,所述第5关节自由端与抓取引流线装置03的实时力矩传感器相连接,具体步骤如下:
第一步:根据引流线最终目标位,机械臂进行运动轨迹规划,得到机械臂一系列路点信息,将路点信息以时间Δt为间隔进行分割,得到n个规划目标路点,其中第i个规划目标路点的关节值为Si,Si=[Ji0,Ji1,Ji2,Ji3,Ji4,Ji5],其中,Ji0、Ji1、Ji2、Ji3、Ji4、Ji5分别为第0~5关节的自由度值,i∈n。
第二步:获取实时力矩传感器的数据T,其中力矩值T正负方向符合右手定则,逆时针方向力矩为正值,顺时针力矩为负值。
第三步:根据力矩值T,计算第5关节自由度调整值Ji5′,Ji5′=Ji5+ζ*T其中,ζ为比例因子,根据自由度调整值Ji5′得到机械臂第i个规划目标路点调整关节值为Si′,Si′=[Ji0,Ji1,Ji2,Ji3,Ji4,Ji5′],根据Si′对机械臂进行运动控制。
即通过控制关节值Ji5大小减少力矩T,ζ*T为Ji5调整步长,比例因子ζ由经验或实验数据提供,力矩T越大,Ji5调整的步长越大,减少力矩T则越快;
第四步:获取当前机械臂实时关节值Sc,Sc=[Jc0,Jc1,Jc2,Jc3,Jc4,Jc5],其中,Jc0、Jc1、Jc2、Jc3、Jc4、Jc5分别为第0~5关节的实时自由度值。
第五步:分别比较第0~4关节自由度值的Ji0与Jc0,Ji1与Jc1,Ji2与Jc2,Ji3与Jc3,Ji4与Jc4是否都相等,|T|≤ε约束是否满足,其中,ε为挠力阈值;如果都相等且约束满足,是则进行下一步,否则跳到第二步继续执行。ε用于判断是否进行控制关节Ji5自适应调整夹爪姿态。
第六步:判断i是否等于n,如果不等,则i=i+1,进入下一个路点机械臂控制;如果相等,完成了所有路点机械臂控制,到达了引流线最终目标位,则结束。
实施例:
T代表夹爪受到引线挠力产生的力矩,T值越大受到引线作用的挠力越大,越容易造成机械臂自锁保护。本方法通过不停的自适应调整机械臂最末端的第5关节的自由度值Ji5,进行减少引线作用绕力。
并且,由于夹爪的对称轴与机械臂最末端第5关节转动轴重合,只对机械臂末端关节调整不影响第一步避障轨迹规划的位置,只影响末端姿态,过程中不会与障碍物发生碰撞。
本发明通过自适应调整夹爪受到引流线挠曲力的方向,减少了运动过程中对引流线弯曲产生挠曲力影响机械臂运动控制。通过蜗杆加双涡轮减速传动夹爪装置,体积小重量轻,可以实现小功率大夹力,并利用涡轮蜗杆单向传动原理,涡轮蜗杆自锁不动,不易受到外力作用强行增大两夹指之间间隙。通过夹指的连杆机构,当两夹指靠近一定距离时,在楔面与连杆作用下,夹指端部指尖机构弹出,夹爪不需夹紧引流线,引流线在夹爪内移动不会从爪指向滑落。通过力矩传感器,实时获取夹爪受到引流线挠曲力大小,根据挠曲力机械臂自适应控制夹爪运动方向,减少挠曲力影响机械臂运动阻力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。