CN113510712A - 一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，克服了现有技术中只有进行巡检的机械臂，无法对开关柜进行操作的问题，包括下列步骤：构建变电站三维地图，规划机械臂巡检路径；获取变电站开关柜的当前状态，确定倒闸操作的目标；利用深度相机，获取倒闸操作的目标的三维坐标点云；结合三维点云目标提取算法，准确定位倒闸操作的目标的位姿；结合运动规划算法，对目标实现精准倒闸操作；判断倒闸操作是否到位，若到位，按照巡检路径继续检查；若不到位，回到步骤S3。能够实现按钮、开关、分合闸装置、带电显示器和线路保护装置多维目标操作，同时实现对机器人的运动规划与避障算法，保障机器人安全高效运行实现对环境设备的避障。

Description

一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法

技术领域

本发明涉及工业机械臂技术领域，特别涉及了一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法。

背景技术

变电站是电力系统的重要组成部分，作为电力系统中变换电压、传输电能的枢纽，有着极其重要的地位。在电力系统中，倒闸操作是切换电气设备运行状态的一种操作，是传统运维中必不可少的一项作业环节。传统的倒闸作业都是由专业的电力工人来操作配电开关柜实现，由于受操作人员劳动强度、责任心、业务水平和精神状态等诸多因素的制约，电工操作时容易发生安全事故，为电网公司和人民财产带来严重的损失。由此可见，人工操作已经越来越无法满足现代化变电站安全稳定运行的需求，随着传感器、单片机、机器学习、机器人等技术的兴起和发展，采用智能机器人执行倒闸操作将是智能电网发展的必然趋势。利用一个功能完善、操作灵活的机器人操作配电柜，既能够提高配电开关柜控制精准程度，又可以提高安全操作系数，保障电网企业对社会供电的稳定性，同时保证电网及其设备的安全性，具有重要的作用和意义。

因此确保机械臂运动轨迹安全性和合理性具有重要的研究意义，但目前的大多研究的是只具备巡检功能的机械臂，如中国专利局2020年12月11日公开了一种名称为一种用于架空线路检修机械臂的路径规划方法的发明，其公开号为CN112060093A，该发明首先获取障碍物信息、操作度阈值、机械臂末端的初始位置信息和机械臂末端的终点位置信息，根据障碍物信息、操作度阈值、机械臂末端的初始位置信息和机械臂末端的终点位置信息，在笛卡尔空间内针对机械臂末端位置进行非碰撞路径规划，给出一条机械臂末端可行路径，能够避免产生大量的无效采样点，使得计算量减小，然后进行二次路径规划，直至将可行路径连接起来，即完成机械臂末端的整个路径规划，该发明的二次路径规划能够避免作业空间内规划因需要考虑过多约束而造成求解困难的问题。但只能进行巡检，无法执行倒闸操作。

发明内容

本发明的目的是针对现有方案存在的不足，提供了一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，是一种基于复杂环境下的开关柜倒闸操作机械臂的设计方法，本发明集智能巡检与操作功能于一体，能够实现基于精确定位、平面运动规划、力模式操作等多项技术下的按钮、开关、分合闸装置、带电显示器和线路保护装置多维目标操作，同时实现对机器人的运动规划与避障算法，保障机器人安全高效运行实现对环境设备的避障。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，它包括下列步骤：

S1：构建变电站三维地图，规划机械臂巡检路径；

S2：获取变电站开关柜的当前状态，确定倒闸操作的目标；

S3：利用深度相机，获取倒闸操作的目标的三维坐标点云；

S4：根据步骤S3中获得的三维坐标点云，结合三维点云目标提取算法，准确定位倒闸操作的目标的位姿；

S5：结合运动规划算法，对目标实现精准倒闸操作；

S6：判断倒闸操作是否到位，若到位，按照巡检路径继续检查；若不到位，回到步骤S3。

步骤S1中是构建当前环境的三维地图，可以采用机械臂前端的双目视觉系统采集环境数据进行构建，根据构建的地图获得巡检路径，使得机械臂能够完成巡检的操作。当机械臂巡检至需要进行倒闸操作的开关柜时，首先获取当前开关柜的状态信息，判断是否和指令中描述的一致，然后根据当前状态信息和倒闸操作后需要得到的状态信息，判断是对哪一装置进行操作。然后利用深度相机得到倒闸操作的目标的三维坐标点云，深度相机能够通过深度数据识别机柜边缘特征，再截取机柜平面判断机柜和机械臂相对方位，根据实际测量距离值调整机械臂达到想要的最佳拍摄位置。步骤S4中采用三维点云目标提取算法是因为步骤S3中获取的三维点云并没有对象，只是一堆算乱的三维点而已，因此需要进行提取才能获得完整的三维图。所述的三维点云目标提取算法是一种现有技术，基于全局特征的方法和基于局部特征的方法。然后根据得到的操作目标的位姿，规划处机械臂的操作路径，由机械臂执行倒闸操作。执行结束后，判断操作是否到位，如不到位，则重新执行，若到位，则继续进行巡检工作。

本发明集智能巡检与操作功能于一体，能够精确定位，构建机械臂巡检路径，同时能够对开关柜进行道闸操作，强化了变电站无人化远程运维管理水平，提升了变电站整体的运维作业效率，降低了运维成本，更为运维人员的人身安全提供了坚实的保障。

作为优选，所述的步骤S1进一步表示为：

S1.1：获取当前环境的双目图像数据、巡检图像数据以及三维点云数据，从而构建变电站三维地图；

S1.2：根据步骤S1获得的信息，结合巡检任务，规划机械臂巡检路径以及机械臂移动路径；

S1.3：控制机器人按照步骤S1.2中规划的路径运动，并在行进过程中实时获取双目视觉和三维激光传感器数据；

S1.4：根据步骤S1.2中获取的机械臂移动路径驱动机械臂运动，通过图像采集装置获取目标巡检设备图像；

S1.5：当巡检至需要进行倒闸操作的开关柜时，机械臂准备对开关柜进行操作。

所述巡检可以让机械臂搭载可见光相机、红外相机、局放检测仪等传感器，对开关柜运行状态进行全面感知和自动监控。从而使机械臂在执行巡检任务时，机械臂能够在站所内沿指定线路进行巡检，对开关柜目标进行状态识别，包括红外目标测温、柜体表计读数识别和柜体内部放电情况监测等。机械臂巡检时，不仅要根据周围环境构建出三维地图，规划处巡检路径，同时也要根据机械臂的位置以及被巡检设备的位置，规划出机械臂的移动路径，因为被巡检设备的高位位置可能不一样，机械臂要根据情况进行实时调整。巡检作业过程中，根据机器人与待巡检设备间的位置关系，驱动机械臂运动，巡检过程中使机械臂末端图像采集设备朝向目标设备的位置，通过调整焦距补偿机器人运动对图像采集的影响，以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像。当发现需要进行倒闸操作的开关柜时，机械臂停下，开始准备对开关柜进行倒闸操作。

作为优选，所述的步骤1.3中和S1.4中，若机械臂在巡检过程中与环境发生碰撞，则需要停下来，重新构建三维地图，重新进行步骤S1。保障了机械臂安全高效运行实现对环境设备的避障。

作为优选，所述的步骤S1.1中，所述的图像数据包括：机械臂的起始位置、机械臂末端位置、被巡检设备的位置以及机械臂的关节角度。机械臂的起始位置、机械臂末端位置、被巡检设备的位置以及机械臂的关节角度都与机械臂的移动路径相关，这四个数据中任一数据的改变都会引起机械臂移动路径的改变。

作为优选，所述步骤S2进一步表示为：

S2.1：利用基于机器学习的物体识别方法获取当前变电柜的图像特征；

S2.2：根据获得的图像特征与数据库中的图像信息进行对比，判断开关柜当前处于哪种状态；

S2.3：根据当前状态与目标状态，确定进行倒闸操作的目标。

通过对比当前状态的图像特征与数据库中四种状态的图像特征，判断当前开关柜处于哪种状态；再由倒闸操作后的状态判断要对哪一装置进行操作，确定目标。

作为优选，所述的步骤S2中，所述的开关柜的状态包括：运行状态、热备用状态、冷备用状态以及检修状态；所述的倒闸操作的目标包括：线路保护装置、紧急分合闸、地刀、手车、旋钮、钥匙及辅助保护装置的状态切换。

运行状态指某回路中的一次设备(这里指隔离开关和断路器；如移开柜是指高压一次隔离触头和二次隔离触头均在接通)均处于合闸位置，电源至受电端的电路得以接通而呈现的状态为运行状态。热备用状态指某回路中的断路器已断开，而隔离开关(或高压一次隔离触头)仍处于合闸位置时的状态为热备用状态。冷备用状态指某回路中的断路器及隔离开关均处于断开位置时的状态为冷备用状态。检修状态指某回路中的断路器及隔离开关均已断开，同时按照在全部停电或部分停电的电气设备上工作时，保证安全的技术措施的有关规定，悬挂了临时接地线(或合上了接地刀闸)，并悬挂好标示牌和装设好临时遮栏，处于停电检修的状态为检修状态。倒闸操作就是对目标进行操作，从而使电气设备从一种状态转换为另一种状态或使系统改变了运行方式。

作为优选，所述步骤S3进一步表示为：

S3.1：利用深度相机的景深数据感知机械臂和倒闸操作的目标的位置，通过机械臂稳定抓拍倒闸操作的目标，得到深度图像；

S3.2：将深度图像经过坐标转换得到三维坐标点云，转换公式为：

其中，x、y、z是点云坐标系，x′、y′是深度图像坐标系，D为深度值。

用深度相机得到深度图像，通过坐标转换，由深度图像得到三维坐标点云。再进行坐标转化之前，需要对深度图像进行图像矫正。

作为优选，所述步骤S5进一步表示为：

S5.1：利用概率路图算法得到一个随机路图；

S5.2：机械臂根据步骤S5.1中得到的路径图对目标实现倒闸操作。

概率路图算法是运动规划算法的一种，运动规划算法就是在给定的位置A与位置B之间为机械臂找到一条符合约束条件的路径，包括人工势场法、基采样的算法。概率路图算法是基采样的算法中的一种，就是在规划空间内随机选取N个节点，之后连接各节点，并去除与障碍物接触的连线，由此得到一个随机路图。本发明也可以采用其他种类的运动规划算法。

作为优选，所述的步骤S5中，在机械臂根据路径图进行倒闸操作时，利用防碰撞算法实现按压和旋转操作。所述防碰撞算法是一种现有技术，包括基于Aloha的算法，又称为随机性算法；基于树的算法，又称为确定性算法；混合算法，将基于Aloha的算法和基于树的算法相结合而产生的一种算法。本发明可以采用任一中算法。

作为优选，所述的步骤S6进一步表示为：

S6.1：在机械臂操作结束后，利用基于机器学习的物体识别方法获取当前倒闸操作的目标的图像特征；

S6.2：根据当前获得的图像特征与数据库中该状态下的图像特征进行对比，判断操作是否到位；

S6.3：若到位，则按照巡检路径继续行进，直至遇到下一个需要倒闸的开关柜，然后重复步骤S2-S6，若操作不到位，则回到步骤S3，继续对当前倒闸操作的目标进行倒闸操作。

若当前操作不到位，则需要重新进行倒闸操作，直至操作到位，才能继续进行巡检工作。

因此，本发明具有如下有益效果：1、本发明涉及的机械臂路径规划方法集智能巡检与操作功能于一体，即能完成巡检工作，又能代替人工，使机械臂完成倒闸操作、保护装置操作等智能操作功能；2、本发明基于图像信息进行运算，信息量丰富，计算方法简单，成本低，易于推广；3、强化了变电站无人化远程运维管理水平，提升了变电站整体的运维作业效率，降低了运维成本，更为运维人员的人身安全提供了坚实的保障。

附图说明

图1为本发明方法的具体操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的实施例中，可以看到一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其操作流程为：构建变电站三维地图，规划机械臂巡检路径；获取变电站开关柜的当前状态，确定倒闸操作的目标；利用深度相机，获取倒闸操作的目标的三维坐标点云；根据第三步中获得的三维坐标点云，结合三维点云目标提取算法，准确定位倒闸操作的目标的位姿；结合运动规划算法，对目标实现精准倒闸操作；判断倒闸操作是否到位，若到位，按照巡检路径继续检查；若不到位，回到第三步。在构建当前环境的三维地图，可以采用机械臂前端的双目视觉系统采集环境数据进行构建，根据构建的地图获得巡检路径，使得机械臂能够完成巡检的操作。当机械臂巡检至需要进行倒闸操作的开关柜时，首先获取当前开关柜的状态信息，判断是否和指令中描述的一致，然后根据当前状态信息和倒闸操作后需要得到的状态信息，判断是对哪一装置进行操作。然后利用深度相机得到倒闸操作的目标的三维坐标点云，深度相机能够通过深度数据识别机柜边缘特征，再截取机柜平面判断机柜和机械臂相对方位，根据实际测量距离值调整机械臂达到想要的最佳拍摄位置。因为第三步获取的三维点云并没有对象，只是一堆算乱的三维点而已，需要进行提取才能获得完整的三维图，所以采用三维点云目标提取算法进行提取，得到的操作目标的位姿。然后由此规划出机械臂的操作路径，由机械臂执行倒闸操作。执行结束后，判断操作是否到位，如不到位，则重新执行，若到位，则继续进行巡检工作。集智能巡检与操作功能于一体，能够精确定位，构建机械臂巡检路径，同时能够对开关柜进行道闸操作，强化了变电站无人化远程运维管理水平，提升了变电站整体的运维作业效率，降低了运维成本，更为运维人员的人身安全提供了坚实的保障。

下面继续通过具体的例子，进一步说明本发明的技术方案和技术效果。

第一步：构建变电站三维地图，规划机械臂巡检路径

获取当前环境的双目图像数据、巡检图像数据以及三维点云数据，从而构建变电站三维地图；图像数据包括：机械臂的起始位置、机械臂末端位置、被巡检设备的位置以及机械臂的关节角度。根据获得的信息，结合巡检任务，规划机械臂巡检路径以及机械臂移动路径。

控制机器人按照上述规划的路径运动，并在行进过程中实时获取双目视觉和三维激光传感器数据；因为实际环境中可能会存在于构建的三维地图不一致的地方，所以需要对三维地图进行实时更新。

根据上述获取的机械臂移动路径驱动机械臂运动，通过图像采集装置获取目标巡检设备图像；巡检可以让机械臂搭载可见光相机、红外相机、局放检测仪等传感器，对开关柜运行状态进行全面感知和自动监控，从而使机械臂在执行巡检任务时，机械臂能够在站所内沿指定线路进行巡检，对开关柜目标进行状态识别，包括红外目标测温、柜体表计读数识别和柜体内部放电情况监测等。巡检作业过程中，根据机器人与待巡检设备间的位置关系，驱动机械臂运动，以使机械臂末端图像采集设备朝向目标设备的位置，通过调整焦距补偿机器人运动对图像采集的影响，以最佳的拍摄角度获取目标巡检设备图像；基于获取到的图像，自动进行目标识别。若机械臂在巡检过程中与环境发生碰撞，则需要停下来，重新构建三维地图，保障了机械臂安全高效运行实现对环境设备的避障。

当巡检至需要进行倒闸操作的开关柜时，机械臂准备对开关柜进行操作。

第二步：获取变电站开关柜的当前状态，确定倒闸操作的目标

开关柜的状态包括：运行状态、热备用状态、冷备用状态以及检修状态；所述的倒闸操作的目标包括：线路保护装置、紧急分合闸、地刀、手车、旋钮、钥匙及辅助保护装置的状态切换。所述的开关柜的状态包括：运行状态、热备用状态、冷备用状态以及检修状态；所述的倒闸操作的目标包括：线路保护装置、紧急分合闸、地刀、手车、旋钮、钥匙及辅助保护装置的状态切换。运行状态指某回路中的一次设备(这里指隔离开关和断路器；如移开柜是指高压一次隔离触头和二次隔离触头均在接通)均处于合闸位置，电源至受电端的电路得以接通而呈现的状态为运行状态。热备用状态指某回路中的断路器已断开，而隔离开关(或高压一次隔离触头)仍处于合闸位置时的状态为热备用状态。冷备用状态指某回路中的断路器及隔离开关均处于断开位置时的状态为冷备用状态。检修状态指某回路中的断路器及隔离开关均已断开，同时按照在全部停电或部分停电的电气设备上工作时，保证安全的技术措施的有关规定，悬挂了临时接地线(或合上了接地刀闸)，并悬挂好标示牌和装设好临时遮栏，处于停电检修的状态为检修状态。倒闸操作就是对目标进行操作，从而使电气设备从一种状态转换为另一种状态或使系统改变了运行方式。

其具体操作方法为：

利用基于机器学习的物体识别方法获取当前变电柜的图像特征；

根据获得的图像特征与数据库中的图像信息进行对比，判断开关柜当前处于哪种状态；

根据当前状态与目标状态，确定进行倒闸操作的目标。

第三步：利用深度相机，获取倒闸操作的目标的三维坐标点云

利用深度相机的景深数据感知机械臂和倒闸操作的目标的位置，通过机械臂稳定抓拍倒闸操作的目标，得到深度图像；将深度图像经过坐标转换得到三维坐标点云，转换公式为：

其中，x、y、z是点云坐标系，x′、y′是深度图像坐标系，D为深度值。

用深度相机得到深度图像，通过坐标转换，由深度图像得到三维坐标点云。再进行坐标转化之前，需要对深度图像进行图像矫正。

第四步：根据步骤第三步中获得的三维坐标点云，结合三维点云目标提取算法，准确定位倒闸操作的目标的位姿

第三步中得到的三维点云并没有对象，只是一堆散乱的三维点，需要进行提取才能获得完整的三维图，所以采用三维点云目标提取算法进行提取，得到精准的操作目标的位姿。

第五步：结合运动规划算法，对目标实现精准倒闸操作

利用概率路图算法得到一个随机路图；机械臂根据步骤S5.1中得到的路径图对目标实现倒闸操作，在机械臂根据路径图进行倒闸操作时，利用防碰撞算法实现按压和旋转操作。所述概率路图算法以及防碰撞算法都是一种现有技术，都是为了能够构建出机械臂到操作目标的路径图，并能够在机械臂进行操作的时候实时改变路径，使得机械臂能够精准完成倒闸操作。

第六步：判断倒闸操作是否到位，若到位，按照巡检路径继续检查；若不到位，回到第三步

在机械臂操作结束后，利用基于机器学习的物体识别方法获取当前倒闸操作的目标的图像特征；然后根据当前获得的图像特征与数据库中该状态下的图像特征进行对比，判断操作是否到位；若到位，则按照巡检路径继续行进，直至遇到下一个需要进行倒闸操作的开关柜，然后重复步骤S2-S6，若操作不到位，则回到步骤S3，继续对当前倒闸操作的目标进行倒闸操作。集智能巡检与操作功能于一体，即能完成巡检工作，又能代替人工，使机械臂完成倒闸操作、保护装置操作等智能操作功能。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，它包括下列步骤：

S1：构建变电站三维地图，规划机械臂巡检路径；

S2：获取变电站开关柜的当前状态，确定倒闸操作的目标；

S3：利用深度相机，获取倒闸操作的目标的三维坐标点云；

S4：根据步骤S3中获得的三维坐标点云，结合三维点云目标提取算法，准确定位倒闸操作的目标的位姿；

S5：结合运动规划算法，对目标实现倒闸操作；

S6：判断倒闸操作是否到位，若到位，按照巡检路径继续检查；若不到位，回到步骤S3。

2.根据权利要求1所述的一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S1进一步表示为：

S1.1：获取当前环境的双目图像数据、巡检图像数据以及三维点云数据，从而构建变电站三维地图；

S1.2：根据步骤S1获得的信息，结合巡检任务，规划机械臂巡检路径以及机械臂移动路径；

S1.3：控制机器人按照步骤S1.2中规划的路径运动，并在行进过程中实时获取双目视觉和三维激光传感器数据；

S1.4：根据步骤S1.2中获取的机械臂移动路径驱动机械臂运动，通过图像采集装置获取目标巡检设备图像；

S1.5：当巡检至需要进行倒闸操作的开关柜时，机械臂准备对开关柜进行操作。

3.根据权利要求2所述的一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，所述的步骤1.3中和S1.4中，若机械臂在巡检过程中与环境发生碰撞，则需要停下来，重新构建三维地图，重新进行步骤S1。

4.根据权利要求2所述的一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S1.1中，所述的图像数据包括：机械臂的起始位置、机械臂末端位置、被巡检设备的位置以及机械臂的关节角度。

5.根据权利要求1所述的一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，所述步骤S2进一步表示为：

S2.1：利用基于机器学习的物体识别方法获取当前变电柜的图像特征；

S2.2：根据获得的图像特征与数据库中的图像信息进行对比，判断开关柜当前处于哪种状态；

S2.3：根据当前状态与目标状态，确定进行倒闸操作的目标。

6.根据权利要求1或5所述的一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S2中，所述的开关柜的状态包括：运行状态、热备用状态、冷备用状态以及检修状态；所述的倒闸操作的目标包括：线路保护装置、紧急分合闸、地刀、手车、旋钮、钥匙及辅助保护装置的状态切换。

7.根据权利要求1所述的一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，所述步骤S3进一步表示为：

S3.1：利用深度相机的景深数据感知机械臂和倒闸操作的目标的位置，然后稳定抓拍倒闸操作的目标，得到深度图像；

S3.2：将深度图像经过坐标转换得到三维坐标点云，转换公式为：

其中，x、y、z是点云坐标系，x′、y′是深度图像坐标系，D为深度值。

8.根据权利要求1所述的一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，所述步骤S5进一步表示为：

S5.1：利用概率路图算法得到一个随机路图；

S5.2：机械臂根据步骤S5.1中得到的路径图对目标实现倒闸操作。

9.根据权利要求1或8所述的一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S5中，在机械臂根据路径图进行倒闸操作时，利用防碰撞算法实现精准操作。

10.根据权利要求1所述的一种变电站操作机器人的机械臂路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S6进一步表示为：

S6.1：在机械臂操作结束后，利用基于机器学习的物体识别方法获取当前倒闸操作的目标的图像特征；

S6.2：根据当前获得的图像特征与数据库中该状态下的图像特征进行对比，判断操作是否到位；

S6.3：若到位，则按照巡检路径继续行进，直至遇到下一个需要倒闸的开关柜，然后重复步骤S2-S6，若操作不到位，则回到步骤S3，继续对当前倒闸操作的目标进行倒闸操作。

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