CN114012694B - 一种可自动运维作业的无轨智能机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自动运维作业的无轨智能机器人，包括能够行走的移动底盘，其中，还包括均设置在所述移动底盘上的姿态调整机构、激光雷达、电池及电控件，所述姿态调整机构的连接端连接有执行机构，所述电控件与所述电池、姿态调整机构、执行机构和激光雷达电连接，其中，所述执行机构包括激光测距传感器、深度相机和至少一种用于操作开关动作的操纵机构。本发明解决了单一的深度相机存在盲区，无法实现闭环控制导致无法保证定位精度的问题。

Description

一种可自动运维作业的无轨智能机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种可自动运维作业的无轨智能机器人及其控制方法。

背景技术

配电室是指带有低压负荷的室内配电场所，主要为低压用户配送电能。当配电室内的线路保护装置发生告警信息后，需要在最短的时间去现场点击线路保护装置上的按钮进行翻页或复位等操作，传统的方式是让值班的运维人员去现场进行操作，因而就需要运维人员进行24小时值班以防不时之需，会耗费较多的人力，且人员在日常工作中可能会因为各种各样的原因而离开现场或短或长的时间，可能会出现因为反应不及时而导致的损失，因而出现了操作类机器人，如专利CN112659140A公开的一种室内带电操作机器人，现有的操作类机器人通常采用视觉相机来进行巡检、空间定位及记录机器人的动作过程及状态形成视觉闭环，空间定位是计算出目标物相对于执行机构的坐标，但视觉相机存在盲区，一旦执行机构和目标物间的距离在深度相机的盲区内，则无法再进行目标物的定位，会降低操作过程中的可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可自动运维作业的无轨智能机器人及其控制方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可自动运维作业的无轨智能机器人，包括能够行走的移动底盘，其中，还包括均设置在所述移动底盘上的姿态调整机构、激光雷达、电池及电控件，所述姿态调整机构的连接端连接有执行机构，所述电控件与所述电池、姿态调整机构、执行机构和激光雷达电连接，其中，所述执行机构包括激光测距传感器、深度相机和至少一种用于操作开关动作的操纵机构。

进一步地，所述姿态调整机构为六自由度的机械臂，所述机械臂用于驱动对应所述操纵机构在空间内运动进行位置调整并对开关进行操作。

进一步地，所述操纵机构为弹性按压臂，用于操控按压开关。

更进一步地，所述弹性按压臂包括与所述执行机构的安装板连接的按压杆导向管和滑动设置在所述按压杆导向管内的按压杆，所述按压杆导向管内设有推动所述按压杆外伸的弹簧。

进一步地，所述操纵机构为电动夹爪，且所述电动夹爪能够做旋转运动，用于操控旋钮开关。

进一步地，所述移动底盘具有两个驱动轮和两个万向轮。

进一步地，所述移动底盘上还设有防撞条。

为了说明上述方案的使用方法，本申请还公开了另一种技术方案：

一种可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法，可自动运维作业的无轨智能机器人为上述中所述的可自动运维作业的无轨智能机器人，控制方法为：正式工作前，先利用激光雷达构建二维电子地图，再控制移动底盘移动至目标开关柜前，然后调整移动底盘的姿态及机械臂的姿态，并记录移动底盘的坐标信息和机械臂的姿态参数；正式工作时，首先机器人直接运行至之前记录的移动底盘的坐标位置，再控制机械臂调整至之前记录的姿态，然后执行二次定位程序，且二次定位程序包括以下步骤：

S01：开始工作；

S02：利用深度相机采集云点数据；

S03：通过云点数据拟合出开关柜面板的平面；

S04：计算开关柜面板平面与相机平面之间的夹角；

S05：判断夹角是否小于阈值，若是，执行步骤S07；若否，执行步骤S06；

S06：控制机械臂往使夹角减少的姿态运动，结束后执行步骤S02；

S07：通过深度相机识别目标物；

S08：计算出目标物在相机平面内的坐标；

S09：计算出目标物坐标和对应操纵机构中心坐标的距离；

S10：判断距离是否小于阈值，若是，执行步骤S12；若否，执行步骤S11；

S11：控制机械臂往使距离减少的姿态运动，结束后执行步骤S07；

S12：控制机械臂沿着相机平面的法向量方向移动；

S13：读取激光测距传感器数值；

S14：判断数值是否小于阈值，若是，执行步骤S15；若否，执行步骤S12；

S15：机械臂停止动作，操纵机构完成按钮按压动作；

S16：机械臂收回，恢复初始姿态；

S17：结束工作。

从上述的技术方案可以看出，本发明的优点是：

1.通过设置激光测距传感器和深度相机组合使用，能够测量目标物与对应操纵机构之间的距离是否小于阈值，进而判断深度相机是否存在视觉盲区并对深度相机的位置进行调整，并对操纵机构进行二次定位弥补移动底盘的运动误差，确保开关柜面板上的开关钮都不在深度相机的盲区内，使操作可靠性高；

2.通过设置多种操纵机构能够完成多种开关的操纵动作，使一个机器人就能够满足多种开关的操作需求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的执行机构的立体结构示意图。

图3为本发明的控制方法的二次定位流程示意图。

附图标记列表：移动底盘1、机械臂支架2、机械臂3、执行机构4、安装板41、按压杆底座42、按压杆导向管43、按压杆44、激光测距传感器45、深度相机46、电动夹爪47、驱动轮5、万向轮6、激光雷达7、电池8、防撞条9、电控件10。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图1至3和具体实施例，进一步阐明本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

安装有分配多路低压负荷开关的房间称为配电室，主要为低压用户或用电设施配送电能，配电室内的开关柜面板上布置有多个开关，在执行相应的操作时需要运维人员去现场操作。由于带电操作比较危险，因而通常配电室全部机电设备需由专业人员负责管理和值班，停送电由值班电工操作，因为专业的电工人员具备必要的电工知识，熟悉安全操作规程，熟悉供电系统和配电室各种设备的性能和操作方法，在操作过程中能够尽量确保自身的安全。由于目前220kV及以下电压等级变电站一般均无人值班，实行分片区操作班集中运维模式，变电运维人员承担该片区的运维操作任务，但是随着电网规模的扩大，操作的次数增多，人站比降低，人均作业量在持续上升，操作频次和安全风险有所增加，且供电优质服务的要求不断提高，停送电时间按照计划执行，而电网的接线方式调整往往出现一个操作班多个变电站同时进行操作，需要同时派出对应操作任务的多组人员和车辆，不利于提高工作效率、控制成本。伴随着社会经济和科技的发展，全社会数字化、信息化水平及生产自动化水平不断提高，出现了能够自动进行运维作业的机器人，但是一旦执行机构和目标物间的距离在深度相机的盲区内，则无法再进行目标物的定位，会降低操作过程中的可靠性。

参考图1至图2所示的一种可自动运维作业的无轨智能机器人，包括能够行走的移动底盘1及均设置在所述移动底盘1上的姿态调整机构、激光雷达7、电池8及电控件10，所述姿态调整机构的连接端连接有执行机构4，所述电控件10与所述电池8、姿态调整机构、执行机构4和激光雷达7电连接，所述移动底盘1的移动能够改变本申请的位置使所述执行机构4移动至待执行动作的工作范围内；所述姿态调整机构用于调整所述执行机构4在空间内的位置坐标，使执行机构4的中心位置坐标与目标坐标一致完成精确动作执行；所述电池8为可充电电池块，便于循环使用；所述激光雷达7用于扫描作业环境，构建二维电子地图，确保本申请在移动过程中能够躲开障碍物，避免不必要的撞击对本申请造成的损伤或影响；所述电控件10用于根据接收到的检测信号来控制所述移动底盘1、所述姿态调整机构和执行机构4动作。本申请的可自动运维作业的无轨智能机器人可自动完成开关操作，降低运维人员的作业强度。

所述执行机构4包括安装板41、激光测距传感器45、深度相机46和至少一种用于操作开关动作的操纵机构，所述激光测距传感器45、深度相机46和所有操纵机构均安装在所述安装板41上，由于深度相机46相比较传统的相机，在功能上添加了一个深度测量，从而更方便准确的感知周围的环境及变化，能够对目标电柜的平面进行立体拟合，相当于三维重建，使按钮位置识别度高，并便于快速准确的拾取目标。

为了使所述执行机构4能够在一定的空间范围内运行至任意坐标位置，所述姿态调整机构为六自由度的机械臂3，所述机械臂3用于驱动对应所述操纵机构在空间内运动进行位置调整并对开关进行操作。

本申请的一些实施例中，所述执行机构4包括了两种操纵机构，且两种操纵机构、激光测距传感器45及深度相机46位于同一直线上，并且所述激光测距传感器45和深度相机46位于两种操纵机构之间。

本申请的一些实施例中，一种操纵机构为弹性按压臂，用于操控按压开关；另一种所述操纵机构为电动夹爪47，且所述电动夹爪47能够做旋转运动，用于操控旋钮开关。

本申请的一些实施例中，所述弹性按压臂包括与所述执行机构4的安装板41连接的按压杆底座42、与所述按压杆底座42连接的按压杆导向管43和滑动设置在所述按压杆导向管43内的按压杆44，所述按压杆导向管43内设有弹簧，所述弹簧抵持在所述按压杆底座42和所述按压杆44之间来推动所述按压杆44外伸使所述按压杆44保持外伸状态。所述按压杆44弹性浮动设置避免所述按压杆44按压力过大到按钮造成损伤。

为了提高所述姿态调整机构的工作空间高度，所述姿态调整机构通过机械臂支架2与所述移动底盘1连接。

为了使所述移动底盘1方便移动及控制，所述移动底盘1具有两个驱动轮5和两个万向轮6，且所述驱动轮5位于靠近所述激光雷达7的一端上，即所述驱动轮5位于所述移动底盘1前进端。

所述移动底盘1上还设有防撞条9，所述防撞条9位于所述移动底盘1前进端，避免所述移动底盘1意外与其他物品产生刚性撞击对本申请造成损伤，起到保护作用。

为了进一步说明本申请的可自动运维作业的无轨智能机器人的工作原理，本申请还公开了另一种技术方案，以按钮按压动作为例：

如图3所示，一种可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法，可自动运维作业的无轨智能机器人为上述中所述的可自动运维作业的无轨智能机器人，控制方法为：正式工作前，先通过激光雷达7扫描作业环境，构建二维电子地图，再利用电控件10控制移动底盘1移动至目标开关柜前，然后调整移动底盘1的姿态及机械臂3的姿态，使深度相机46对准目标开关柜的开关柜面板，利用所述激光测距传感器45的监测使深度相机46和开关柜面板之间保持一定的距离使开关柜面板整体位于深度相机46的可视范围内，并记录移动底盘1的坐标信息和机械臂3的姿态参数；正式工作时，直接下发作业指令，机器人首先直接运行至之前记录的移动底盘1的坐标信息位置并调整至记录的姿态，再控制机械臂3调整至之前记录的姿态，然后执行二次定位程序，且二次定位程序包括以下步骤：

S01：启动二次定位程序开始工作；

S02：利用深度相机46采集目标开关柜面板的云点数据；

S03：通过已采集的云点数据拟合出开关柜面板的平面；

S04：计算拟合的开关柜面板平面与相机平面之间的夹角；

S05：判断夹角是否小于阈值（即判断关柜面板平面和相机平面的平行度），若是，执行步骤S07；若否，执行步骤S06；

S06：控制机械臂3调整姿态往使相机平面与关柜面板平面夹角减少的姿态运动，结束后执行步骤S02；

S07：通过深度相机46识别目标物（待操纵按钮位置）；

S08：计算出目标物（待操作按钮）在相机平面内的具体坐标信息，并控制操纵机构移动至与目标物坐标信息相对应的位置；

S09：利用激光测距传感器45计算出目标物坐标和对应操纵机构中心坐标的距离；

S10：判断距离是否小于阈值（用于判定当前位置能够完成操作需求），若是，执行步骤S12；若否，执行步骤S11；

S11：控制机械臂3往使距离减少的姿态运动（即向开关柜面板靠近的方向），结束后执行步骤S07；

S12：控制机械臂3沿着相机平面的法向量方向移动使操纵机构向开关柜面板靠近；

S13：读取激光测距传感器45数值（操纵机构与开关柜面板之间的距离数值），通过数值大小来判断所述操纵机构是否运动到位，即判断所述操纵机构是否已与按钮接触；

S14：判断数值是否小于阈值，若是，执行步骤S15；若否，执行步骤S12；

S15：机械臂3停止动作，操纵机构完成按钮按压动作（当需要操纵旋转按钮时，利用电动夹爪47旋转完成旋钮旋转动作）；

S16：执行机构4工作完成后，机械臂3收回，恢复初始姿态；

S17：结束工作。

结束工作后再次启动时，从本申请正式工作的程序开始执行。

执行步骤S04的原理为：深度相机46所拟合出的开关柜面板平面中包含有平面上的各个点距离相机平面的垂直距离，可通过这些距离计算出所拟合的开关柜面板平面和相机平面之间的夹角。注：相机平面就是相机内芯片所在的平面，是已知量。

本发明所设计的可自动运维作业的无轨智能机器人，采用了深度相机46和激光测距传感器45相结合的定位方式，并采用了一种闭环控制策略来保证定位的精度，解决了单一的深度相机存在盲区，无法实现闭环控制的问题。

以上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。

Claims (7)

1.一种可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法，该可自动运维作业的无轨智能机器人包括能够行走的移动底盘（1），其特征在于，该可自动运维作业的无轨智能机器人还包括均设置在所述移动底盘（1）上的姿态调整机构、激光雷达（7）、电池（8）及电控件（10），所述姿态调整机构的连接端连接有执行机构（4），所述电控件（10）与所述电池（8）、姿态调整机构、执行机构（4）和激光雷达（7）电连接，其中，所述执行机构（4）包括激光测距传感器（45）、深度相机（46）和至少一种用于操作开关动作的操纵机构，其中，

该可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法为：正式工作前，先利用激光雷达（7）构建二维电子地图，再控制移动底盘（1）移动至目标开关柜前，然后调整移动底盘（1）的姿态及机械臂（3）的姿态，使深度相机（46）对准目标开关柜的开关柜面板，利用所述激光测距传感器（45）的监测使深度相机（46）和开关柜面板之间保持一定的距离使开关柜面板整体位于深度相机（46）的可视范围内，并记录移动底盘（1）的坐标信息和机械臂（3）的姿态参数；正式工作时，首先机器人直接运行至之前记录的移动底盘（1）的坐标位置并调整至记录的姿态，再控制机械臂（3）调整至之前记录的姿态，然后执行二次定位程序，且二次定位程序包括以下步骤：

S01：开始工作；

S02：利用深度相机（46）采集云点数据；

S03：通过云点数据拟合出开关柜面板的平面；

S04：计算开关柜面板平面与相机平面之间的夹角；

S05：判断夹角是否小于阈值，若是，执行步骤S07；若否，执行步骤S06；

S06：控制机械臂（3）往使夹角减少的姿态运动，结束后执行步骤S02；

S07：通过深度相机（46）识别目标物；

S08：计算出目标物在相机平面内的坐标；

S09：计算出目标物坐标和对应操纵机构中心坐标的距离；

S10：判断距离是否小于阈值，若是，执行步骤S12；若否，执行步骤S11；

S11：控制机械臂（3）往使距离减少的姿态运动，结束后执行步骤S07；

S12：控制机械臂（3）沿着相机平面的法向量方向移动；

S13：读取激光测距传感器（45）数值；

S14：判断数值是否小于阈值，若是，执行步骤S15；若否，执行步骤S12；

S15：机械臂（3）停止动作，操纵机构完成按钮按压动作；

S16：机械臂（3）收回，恢复初始姿态；

S17：结束工作。

2.如权利要求1所述的可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法，其特征在于，所述姿态调整机构为六自由度的机械臂（3），所述机械臂（3）用于驱动对应所述操纵机构在空间内运动进行位置调整并对开关进行操作。

3.如权利要求1所述的可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法，其特征在于，所述操纵机构为弹性按压臂，用于操控按压开关。

4.如权利要求3所述的可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法，其特征在于，所述弹性按压臂包括与所述执行机构（4）的安装板（41）连接的按压杆导向管（43）和滑动设置在所述按压杆导向管（43）内的按压杆（44），所述按压杆导向管（43）内设有推动所述按压杆（44）外伸的弹簧。

5.如权利要求1所述的可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法，其特征在于，所述操纵机构为电动夹爪（47），且所述电动夹爪（47）能够做旋转运动，用于操控旋钮开关。

6.如权利要求1所述的可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法，其特征在于，所述移动底盘（1）具有两个驱动轮（5）和两个万向轮（6）。

7.如权利要求1所述的可自动运维作业的无轨智能机器人的控制方法，其特征在于，所述移动底盘（1）上还设有防撞条（9）。

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