CN114683272B - 变电站巡检机器人的增稳控制方法、控制器及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于变电站巡检领域，提供了一种变电站巡检机器人的增稳控制方法、控制器及机器人。其中，变电站巡检机器人的增稳控制方法包括在同一坐标下，计算当机械臂不动作时的运动平台重心空间位姿及当运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿；在满足位姿约束下，以当前机器人及机械臂位姿为起始值，通过能耗最小准则及位姿迭代反馈，获取优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿，并分别对应发送至足式运动平台控制系统和机械臂控制系统中执行。其利用足式运动平台上安装的机械臂姿态的主动调整，辅助足式运动平台控制系统对平台姿态的控制，使足式运动平台保持受力及转矩的平衡状态。

Description

变电站巡检机器人的增稳控制方法、控制器及机器人
技术领域
本发明属于变电站巡检领域，尤其涉及一种变电站巡检机器人的增稳控制方法、控制器及机器人。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
与传统轮式巡检机器人运动平台相比，足式巡检运动平台具有更强的环境适应性和运动灵活性，既可以在站内草地、砂石路面等复杂路面环境运行，也可以跨越障碍、上下楼梯、翻越路边石等站内典型障碍，对站内复杂路面环境的适应能力得到了极大提高。足式巡检运动平台之所以具备对复杂路面较高适应能力，一方面受益于其“腿-足”式的运动结构，另一方面对平台整体姿态的稳定控制更是关键所在。
发明人发现，由于在变电站内实际应用时，足式运功平台上通常需要搭载云台、检测传感器、多种自由度机械臂、电控手爪及工具等巡检作业设备，将影响平台重心位置，对运动平台姿态稳定控制带来了不利影响。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种变电站巡检机器人的增稳控制方法、控制器及机器人，其通过机器人上加装的机械臂姿态调整，辅助足式平台控制系统对平台姿态的控制，能够提升足式巡检机器人在不同路面环境下的稳定性，增强足式平台对站内不同路面的适应性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种变电站巡检机器人的增稳控制方法。
一种变电站巡检机器人的增稳控制方法，包括：
在同一坐标下，计算当机械臂不动作时的运动平台重心空间位姿及当运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿；
在满足位姿约束下，以当前机器人及机械臂位姿为起始值，通过能耗最小准则及位姿迭代反馈，获取优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿，并分别对应发送至足式运动平台控制系统和机械臂控制系统中执行。
作为一种可选实施方式，在同一坐标下，基于力和转矩空间矢量的平衡关系，计算当机械臂不动作时的运动平台重心空间位姿及当运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿。
上述技术方案的优点在于，保障了机器人的控制精度，增加了加装巡检作业设备后平台巡检运行的稳定性。
作为一种可选实施方式，所述能耗最小准则为：优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿与期望的位姿的偏差最小。
其中，足式平台姿态稳定控制可简化为在当前运动工况(速度、加速度、足端受力)下，在满足腿部各关节约束条件下，使平台保持受力及转矩的平衡状态。
作为一种可选实施方式，所述位姿约束包括腿部各关节约束和机械臂约束。
上述技术方案的优点在于，更加贴合实际机器人的运动情况，提高了足式机器人的运动平台的稳定性。
作为一种可选实施方式，所述腿部各关节约束包括腿部关节存在运动范围及极限转矩约束。
作为一种可选实施方式，所述机械臂约束为机械臂操作空间约束。
本发明的第二个方面提供一种控制器。
一种控制器，其包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的变电站巡检机器人的增稳控制方法中的步骤。
本发明的第三个方面提供一种机器人。
一种机器人，包括上述所述的控制器。
作为一种可选实施方式，所述机器人包括足式运动平台，所述足式运动平台上安装有机械臂。
作为一种可选实施方式，所述足式运动平台与足式运动平台控制系统相连，机械臂与机械臂控制系统相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
创新性提出了一种变电站足式巡检机器人增稳方法，构建了足式作业平台多自由度主动调整运动模型，研制了足式巡检机器人增稳控制系统，利用足式运动平台上安装的机械臂姿态的主动调整，辅助足式平台控制系统对平台姿态的控制，解决了足式巡检机器人作业时平台重心位置不稳定的问题，提升了足式巡检机器人在不同路面环境下的稳定性，增强了足式平台对站内不同路面的适应性，实现了在满足腿部各关节约束条件下，平台保持受力及转矩的平衡状态。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的运动平台受力情况；
图2是本发明实施例的一种变电站巡检机器人的增稳控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
参照图2，本实施例的一种变电站巡检机器人的增稳控制方法，包括：
在同一坐标下，基于力和转矩空间矢量的平衡关系，计算当机械臂不动作时的运动平台重心空间位姿及当运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿；
在满足位姿约束下，以当前机器人及机械臂位姿为起始值，通过能耗最小准则及位姿迭代反馈，获取优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿，并分别对应发送至足式运动平台控制系统和机械臂控制系统中执行。
此处所述能耗最小准则为：优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿与期望的位姿的偏差最小。
在具体实施中，所述位姿约束包括腿部各关节约束和机械臂约束。所述腿部各关节约束包括腿部关节存在运动范围及极限转矩约束。所述机械臂约束为机械臂操作空间约束。这样更加贴合实际机器人的运动情况，提高了足式机器人的运动平台的稳定性。
本实施例基于机器人当前运动工况，在满足腿部各关节约束条件及机械臂操作空间约束下，利用足式运动平台上安装的机械臂姿态的主动调整，辅助足式运动平台控制系统对平台姿态的控制，使足式运动平台保持受力及转矩的平衡状态。
具体地，参照图1，以足式运动平台整体重心位置为原点O，以运动平台前向运动方向为X轴，依据右手法则建立坐标系OXYZ，在该坐标系下，运动平台足式足端在该坐标系下形成四边形ABCD，运动平台所受重力Gr，其方向射线与ABCD相交于Og点；运动平台足式端受力的合力为F。另外，运动平台上安装多自由度机械臂的整体重心位于Oa处，所受重力为Ga。
本实施例的机械臂和足式运动平台的坐标系统一。保障了机器人的控制精度，增加了加装巡检作业设备后平台巡检运行的稳定性。
假设此时在机器人以加速度a运动，则为保证运动平台稳定则在坐标系OXYZ应有以下力和转矩空间矢量的平衡关系：
F+Gr+Ga＝(mr+ma)×a
M＝Ma+Mra+Maa
其中：mr和ma分别是运动平台和机械臂整体质量，M是力F在O处的力矩，Ma是机械臂重力在O处产生的转矩，Mra和Maa则是加速度下的惯性力在O处产生的转矩。
依据上述方程，可以分别求得当机械臂不动作时的运动平台足端力矩对应的空间位姿Zr以及当运动平台不动作时的机械臂力矩向量对应的空间位姿Za，也就是运动平台重心空间位姿Zr和机械臂重心空间位姿Za。
之后，基于机器人腿部关节存在运动范围及极限转矩约束以及机械臂操作空间约束，以当前机器人及机械臂位姿为起始值，通过能耗最小准则，通过对上述求解过程迭代运算，获取优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿。
最后，将上述位姿分别发送至运动平台和机械臂控制系统执行，如图2所示。
本实施例的足式平台姿态稳定控制可简化为在当前运动工况(速度、加速度、足端受力)下，在满足腿部各关节约束条件下，使平台保持受力及转矩的平衡状态。
本实施例设计了一种变电站巡检机器人机械臂姿态主动增稳控制方法，利用足式运动平台上安装的机械臂姿态的主动调整，辅助足式平台控制系统对平台姿态的控制，解决了足式运功平台由于搭载巡检作业设备而影响平台重心位置造成运动平台姿态难以稳定控制的问题，提升了足式巡检机器人在不同路面环境下的稳定性，增强了足式平台对站内不同路面的适应性，实现了在满足腿部各关节约束条件下，平台保持受力及转矩的平衡状态。
实施例二
本实施例提供了一种控制器，其包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的变电站巡检机器人的增稳控制方法中的步骤。
此处需要说明的是，控制器的其他结构均为现有结构，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种机器人，其包括上述实施例二所述的控制器。
在具体实施中，所述机器人包括足式运动平台，所述足式运动平台上安装有机械臂。
具体地，所述足式运动平台与足式运动平台控制系统相连，机械臂与机械臂控制系统相连。
此处需要说明的是，足式运动平台(比如：二足、三足或四足等运动平台)、足式运动平台控制系统(比如：PLC控制器等)、机械臂(比如：多关节机械臂)与机械臂控制系统(比如：PLC控制器等)均为现有结构，此处不再详述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述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 (9)

1.一种变电站巡检机器人的增稳控制方法，其特征在于，包括：
在同一坐标下，计算当机械臂不动作时的足式运动平台重心空间位姿及当足式运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿；
在满足位姿约束下，以当前机器人及机械臂位姿为起始值，通过能耗最小准则及位姿迭代反馈，获取优化后的运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿，并分别对应发送至足式运动平台控制系统和机械臂控制系统中执行，其中，能耗最小准则为：优化后的足式运动平台重心空间位姿和机械臂重心空间位姿与期望的位姿的偏差最小。
2.如权利要求1所述的变电站巡检机器人的增稳控制方法，其特征在于，在同一坐标下，基于力和转矩空间矢量的平衡关系，计算当机械臂不动作时的足式运动平台重心空间位姿及当足式运动平台不动作时的机械臂重心空间位姿。
3.如权利要求1所述的变电站巡检机器人的增稳控制方法，其特征在于，所述位姿约束包括腿部各关节约束和机械臂约束。
4.如权利要求3所述的变电站巡检机器人的增稳控制方法，其特征在于，所述腿部各关节约束包括腿部关节存在运动范围及极限转矩约束。
5.如权利要求3所述的变电站巡检机器人的增稳控制方法，其特征在于， 所述机械臂约束为机械臂操作空间约束。
6.一种控制器，其包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的变电站巡检机器人的增稳控制方法中的步骤。
7.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求6所述的控制器。
8.如权利要求7所述的机器人，其特征在于，所述机器人包括足式运动平台，所述足式运动平台上安装有机械臂。
9.如权利要求8所述的机器人，其特征在于，所述足式运动平台与足式运动平台控制系统相连，机械臂与机械臂控制系统相连。
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