CN114083548A - 系列化配网带电作业机器人通用化平台及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出系列化配网带电作业机器人通用化平台，包括平台主体；当双臂机器人作业时，平台主体表面上通过基座安装一对机械臂，平台主体的一侧安装一对工具架，工具架之间安装线夹平台，线夹平台上固定安装线夹盒，线夹平台与平台主体接触的地方安装云台摄像头，平台主体的底面固定安装竖直转台，远离线夹平台的平台主体一侧固定安装水平转台；当单臂机器人作业时，平台主体表面上通过基座安装一机械臂，平台主体的一侧安装工具架，远离基座的平台主体一侧固定安装线夹平台，线夹平台上固定安装线夹盒；并提供了该平台的设计方法；本发明通用化平台具备装配精度一致性，只需通过更换机械臂即可在保证机器人作业精度，完成不同类型机器人的切换。

Description

系列化配网带电作业机器人通用化平台及设计方法

技术领域

本发明涉及带电作业装置技术领域，特别是涉及系列化配网带电作业机器人通用化平台及设计方法。

背景技术

配网线路复杂，配网带电作业涉及广、工况多，一种机器人一般很难完成多项带电作业项目，且同一作业项目中同款机器人也很难完成多种作业类型线路的带电作业。例如双臂全自主带电作业机器人可以完成带电搭接引流线和断线作业，在带电搭接引流线作业中，只可完成配网单回中的顺线路或平行T线路；单臂机器人作业范围较广，可以完成带电搭接引流线、断引流线和加装接地环等作业项目，也可进行部分双回线路带电搭接引流线作业。除配网常见的带电搭接引流线作业，还有部分作业环境较复杂或者作业难度较大的作业项目，这类作业项目日常数量较少，但危险性高，需要人工辅助双臂机器人来完成作业。虽然配网带电作业机器人推动了配网不停电作业技术的进度，但是同时配备多种类型机器人，则会带来购置、维护、人员等成本的成倍增加，同时也造成机器人冗余，很难体现配网带电作业机器人带来的经济效益。

因此，有必要研究只需通过更换机械臂的方法即可在保证机器人作业精度的同时完成不同类型机器人的切换的系列化配网带电作业机器人通用化平台及设计方法。

发明内容

本发明的目的在于设计只需通过更换机械臂的方法即可在保证机器人作业精度的同时完成不同类型机器人的切换的系列化配网带电作业机器人通用化平台及设计方法。

系列化配网带电作业机器人通用化平台，其特征在于，包括平台主体；

当需要双臂机器人作业时，所述平台主体表面上通过基座安装一对机械臂，所述平台主体的一侧安装一对工具架，一对所述工具架之间安装线夹平台，线夹平台上固定安装线夹盒，所述线夹平台与所述平台主体接触的地方安装云台摄像头，所述平台主体的底面固定安装竖直转台，远离所述线夹平台的平台主体一侧固定安装水平转台；

当需要单臂机器人作业时，所述平台主体表面上通过基座安装一机械臂，所述平台主体的一侧安装三个工具架，远离所述基座的平台主体一侧固定安装线夹平台，线夹平台上固定安装线夹盒，安装工具架的一侧的平台主体表面固定安装云台摄像头，远离所述云台摄像头的一侧的平台主体表面固定安装水平转台。

系列化配网带电作业机器人通用化平台设计方法，包括如下步骤：

(1)配网带电作业机器人通用化平台数学模型仿真

建立通用化平台的机械臂关节坐标以及机器人正逆运动学模型，在Matlab环境下利用RoboticsToolbox对机器人正逆运动学进行仿真，验证机器人通用化平台设计的正确性，从而实现机器人路径规划、动力学分析、基于力反馈机器人动态控制以及机器人结构的动态设计；

(2)配网带电作业机器人运动学仿真

通过基于通用化平台数学模型的求解与仿真，得到了机器人末端的运动轨迹及各关节的运动轨迹，得出了机器人末端的位姿及各关节变量的解的结构，针对三种机器人的作业环境和作业对象，反复迭代设计模型，验证机器人结构设计的合理性，最终达到最优设计方案；

(3)配网带电作业机器人装配精度一致性测试

为保证通用化平台的精度一致性，首先在参与运动和识别的部件连接处增加了定位台和定位销孔，然后才装配完成后对通用化平台进行精度一致性评估，保证装配精度在±0.5mm范围内，并满足机器人作业要求。

进一步的，利用高精度测量臂对装配好机器人通用化平台进行测量和评价的方法为：

高精度测量臂置于测量台上，对通用化平台的机械臂基座面进行测量，确定机械臂基座平台的中心点，将该点设置为零点，再对通用化平台的工具架和雷达转台面进行测量，最终得到工具架中心和雷达转台面中心与机械臂基座面中心的相对坐标。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过设计系列化配网带电作业机器人通用化平台，可以兼容单臂人机协同机器人、双臂全自主作业机器人和双臂人机协同机器人，该通用化平台具备装配精度一致性，只需通过更换机械臂的方法即可在保证机器人作业精度的同时完成不同类型机器人的切换。

附图说明

图1是本发明实施例提供的系列化配网带电作业机器人通用化平台的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的配电机器人机械臂起始状态；

图3是本发明实施例提供的机器人运动学仿真人机界面；

图4是本发明实施例提供的运动学正解模型；

图5是本发明实施例提供的通用化平台及精度一致性校验；

图6是本发明实施例提供的不同机器人1#工具架装配误差图；

图7是本发明实施例提供的2#机器人工具架装配误差图；

图8是本发明实施例提供的不同机器人激光雷达转台装配误差；

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本实施例提供的系列化配网带电作业机器人通用化平台，包括平台主体；

当需要双臂机器人作业时，所述平台主体表面上通过基座安装一对机械臂，所述平台主体的一侧安装一对工具架，一对所述工具架之间安装线夹平台，线夹平台上固定安装线夹盒，所述线夹平台与所述平台主体接触的地方安装云台摄像头，所述平台主体的底面固定安装竖直转台，远离所述线夹平台的平台主体一侧固定安装水平转台；

当需要单臂机器人作业时，所述平台主体表面上通过基座安装一机械臂，所述平台主体的一侧安装三个工具架，远离所述基座的平台主体一侧固定安装线夹平台，线夹平台上固定安装线夹盒，安装工具架的一侧的平台主体表面固定安装云台摄像头，远离所述云台摄像头的一侧的平台主体表面固定安装水平转台。

如图1所示，当为双臂机器人时，在平台主体1的1#基座2和2#基座3上分别安装1#机械臂4、2#机械臂5，在平台主体1的下面布置竖直转台6，上面安装线夹平台7，线夹平台上有3个线夹盒8，所述线夹平台与所述平台主体接触的地方安装云台摄像头10，线夹平台7两侧的平台主体上安装1#工具架11、2#工具架12，并且，远离所述线夹平台的平台主体一侧固定安装水平转台9；当为单臂机器人时，只需在1#基座上安装机械臂，不需要竖直转台，只保留水平转台，线夹平台改为安装在没有机械臂的2#基座上。本发明构建了一种系列化配网带电作业机器人通用化平台，能够更加适应实际作业环境、作业条件以及作业习惯；将转台放于置于机器人工具架相对一侧，以免影响机械臂取放工具，云台摄像头放于工具架一侧，高度不大于100mm，该放置既不影响工具取方，也不遮挡视频监控视角；对于单臂人机协同机器人，将线夹盒置于空余的机械臂基座面上，且线夹盒的长边方向与机器人的X方向平行；对于双臂全自主机器人，则将线夹盒置于工具架正上方，线夹盒的长边方向与机器人的Y方向平行，此外在工具架下方加挂一台水平放置的激光雷达转台，以此完成机器人对引线的识别和定位。

系列化配网带电作业机器人通用化平台设计方法，包括如下步骤：

(1)配网带电作业机器人通用化平台数学模型仿真

建立通用化平台的机械臂关节坐标以及机器人正逆运动学模型，在Matlab环境下利用RoboticsToolbox对机器人正逆运动学进行仿真，验证机器人通用化平台设计的正确性，并为机器人路径规划、动力学分析、基于力反馈机器人动态控制以及机器人结构的动态设计奠定基础。

在配网带电作业过程中，需要两支机械臂相互协调完成接引流线任务，两机械臂初始状态角θ分别为[90°,100°,-50°,30°,-90°,0]和[90°,70°,30°,-20°,-90°,0]。结果如图2所示：

对机器人数学模型进行仿真分析时，可分解为对单一机械臂进行仿真分析，因此采用Matlab可视化图形操作界面，建立了如图3所示的机器人运动学仿真人机界面。

仿真界面左侧为模型建立部分，首先输入连杆的各个参数，包含关节角度θ，连杆偏置d，连杆长度a，连杆扭角α，连杆的初始长度和变化范围。为简化输入步骤，设置了默认参数一键输入功能。待各连杆参数确定后，点击建立模型，后台程序即可生成数学模型，并可通过绘图和动态演示可视化模型状态。

仿真界面右侧为运动学分析部分，可输入各连杆的初始位置、正求解位置和逆求解位置。为简化输入，设置了默认参数一键输入功能。待各连杆初始和终止位置确定后，点击正求解，即可在下方正解位置矩阵处显示结果，并可通过绘制轨迹曲线可视化模型位置。

(2)配网带电作业机器人运动学仿真

通过基于通用化平台数学模型的求解与仿真，得到了机器人末端的运动轨迹及各关节的运动轨迹，如图4所示，得出了机器人末端的位姿及各关节变量的解的结构，针对三种机器人的作业环境和作业对象，反复迭代设计模型，验证机器人结构设计的合理性，最终达到最优设计方案，完成通用化平台的理论设计。

(3)配网带电作业机器人装配精度一致性测试

机器人通用化平台兼容单臂人机协同机器人、双臂全自主作业机器人和双臂人机协同机器人，必须要保证平台的装配精度一致性，这样在不同类型机器人切换过程中，不至于影响取放工具和作业路点，进而才可以保证机器人精确识别定位。

为保证通用化平台的精度一致性，首先在参与运动和识别的部件连接处增加了定位台和定位销孔，然后才装配完成后对通用化平台进行精度一致性评估，保证装配精度在±0.5mm范围内，并满足机器人作业要求。利用高精度测量臂对装配好机器人通用化平台进行测量和评价，如图5所示。

高精度测量臂置于测量台上，对通用化平台的2#机械臂基座面进行测量，确定机械臂基座平台的中心点，将该点设置为零点，再对通用化平台的工具架和雷达转台面进行测量，最终得到工具架中心和雷达转台面中心与机械臂基座面中心的相对坐标。

任意选取6套机器人通用化平台，均以2#机械臂基座面中心为零点，分别对每套机器人平台的1#工具架进行测量，得到工具架中心点到零点的相对坐标，机械臂基座面中心与工具架中心在水平面X方向坐标的装配误差如图6所示，最小误差值为0.201，最大误差值为0.481，误差均在0.5mm范围内，满足装配精度一致性要求。

任意选取2套机器人通用化平台，均以2#机械臂基座面中心为零点，分别对每套机器人平台的1#、2#、3#工具架进行测量，得到工具架中心点到零点的相对坐标，机械臂基座面中心与工具架中心在水平面Y方向坐标的装配误差如图7所示，可以看出最小误差值为0.1006，最大误差值为0.2635，误差均在0.3mm范围内，满足装配精度一致性要求。

任意选取2套机器人通用化平台，均以2#机械臂基座面中心为零点，分别对每套机器人平台的雷达转台平面进行测量，得到雷达转台平面中心点到零点的绝对距离，机械臂基座面中心与雷达转台中心在水平方向的相对距离如图8所示，可以看出最小误差值为0.15888，最大误差值为0.20464，误差均在0.3mm范围内，满足装配精度一致性要求。

通过机械优化设计和精度一致性技术，对机器人作业平台进行通用化设计，实现了同一机器人平台可以根据作业需求进行单臂人机、双臂自主、双臂人机三类机器人任意构建。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.系列化配网带电作业机器人通用化平台，其特征在于，包括平台主体；

当需要双臂机器人作业时，所述平台主体表面上通过基座安装一对机械臂，所述平台主体的一侧安装一对工具架，一对所述工具架之间安装线夹平台，线夹平台上固定安装线夹盒，所述线夹平台与所述平台主体接触的地方安装云台摄像头，所述平台主体的底面固定安装竖直转台，远离所述线夹平台的平台主体一侧固定安装水平转台；

当需要单臂机器人作业时，所述平台主体表面上通过基座安装一机械臂，所述平台主体的一侧安装三个工具架，远离所述基座的平台主体一侧固定安装线夹平台，线夹平台上固定安装线夹盒，安装工具架的一侧的平台主体表面固定安装云台摄像头，远离所述云台摄像头的一侧的平台主体表面固定安装水平转台。

2.系列化配网带电作业机器人通用化平台设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)配网带电作业机器人通用化平台数学模型仿真

建立通用化平台的机械臂关节坐标以及机器人正逆运动学模型，在Matlab环境下利用RoboticsToolbox对机器人正逆运动学进行仿真，验证机器人通用化平台设计的正确性，从而实现机器人路径规划、动力学分析、基于力反馈机器人动态控制以及机器人结构的动态设计；

(2)配网带电作业机器人运动学仿真

通过基于通用化平台数学模型的求解与仿真，得到了机器人末端的运动轨迹及各关节的运动轨迹，得出了机器人末端的位姿及各关节变量的解的结构，针对三种机器人的作业环境和作业对象，反复迭代设计模型，验证机器人结构设计的合理性，最终达到最优设计方案；

(3)配网带电作业机器人装配精度一致性测试

为保证通用化平台的精度一致性，首先在参与运动和识别的部件连接处增加了定位台和定位销孔，然后才装配完成后对通用化平台进行精度一致性评估，保证装配精度在±0.5mm范围内，并满足机器人作业要求。

3.根据权利要求2所述的系列化配网带电作业机器人通用化平台设计方法，其特征在于，利用高精度测量臂对装配好机器人通用化平台进行测量和评价的方法为：

高精度测量臂置于测量台上，对通用化平台的机械臂基座面进行测量，确定机械臂基座平台的中心点，将该点设置为零点，再对通用化平台的工具架和雷达转台面进行测量，最终得到工具架中心和雷达转台面中心与机械臂基座面中心的相对坐标。

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