CN116237964B - 一种电力执行机器人多工具端控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力执行机器人多工具端控制系统，包括控制箱、机械臂末端和工具端，控制箱包括电源板和主控板，电源板包括分别为主控板、机械臂末端和工具端供电的多路电源，机械臂末端包括双目视觉检测单元、夹紧机构和对接盘母，双目视觉检测单元用于识别操作目标种类及定位操作目标；工具端包括工具端一和工具端二，工具端一包括对接确认单元一、能够控制扭矩电机启停的扭矩检测单元、电机控制单元、能够与对接盘母对接的对接盘公一和摇柄卡具，扭矩检测单元用于监测扭矩电机的旋转扭矩力并将结果传输到主控板，工具端二包括对接确认单元二、能够与对接盘母对接的对接盘公二和电动夹爪。

Description

一种电力执行机器人多工具端控制系统

技术领域

发明涉及电力执行机器人领域，具体说是一种于电力执行机器人多工具端控制系统。

背景技术

对于变电站开关柜等设备的巡检，尤其是对设备的操作属于高压带电作业，极易引起事故，对工作人员存在很大的安全隐患，而且人工操作效率低、劳动强度大。为了保证操作人员的安全，同时保证设备的正常运行，可以利用机器代替人去执行任务，完成一些危险性大、操作精度高的工作。

目前应用的电力执行机器人就是其中之一。电力执行机器人装有机械臂，通过目标识别定位技术，精准识别出操作目标空间位置，再通过机械臂路径规划及姿态计算调整，利用其末端组件搭配的合适的工具端模拟人手进行开关柜面板的操作。为了满足现场不同需求，需要机器人配置多种操作工具。目前普遍采用多种工具的集成方案，但多种工具集成容易造成机械臂末端工具体积巨大、操作不灵活，同时机械臂末端工具不能进行无限制的集成，造成机器人执行功能受限，无法满足多样的现场需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电力执行机器人多工具端控制系统，该控制系统通过固定于机械臂末端的双目视觉检测单元，可识别定位操作目标的位置和种类，并判断出所需执行的任务，快速更换成不同的工具端去执行相应的任务，通过主控板对工具端信息的监测与控制，模拟人手完成一些复杂的操作。

为了完成上述目的，本发明提供了一种电力执行机器人多工具端控制系统，电力执行机器人包括控制箱、机械臂末端和工具端，

控制箱包括电源板和主控板，电源板包括分别为主控板、机械臂末端和工具端供电的多路电源，

机械臂末端包括双目视觉检测单元、夹紧机构和对接盘母，双目视觉检测单元用于识别操作目标种类及定位操作目标；

工具端包括工具端一和工具端二，且工具端一和工具端二能够分别与机械臂末端的夹紧机构可拆卸的连接，工具端一包括对接确认单元一、能够控制扭矩电机启停的扭矩检测单元、电机控制单元、能够与对接盘母对接的对接盘公一和摇柄卡具，扭矩检测单元用于监测扭矩电机的旋转扭矩力并将结果传输到主控板，工具端二包括对接确认单元二、能够与对接盘母对接的对接盘公二和电动夹爪。

优选的，夹紧机构包括到位传感器、舵机和快换卡具，到位传感器用于检测机械臂末端与工具端是否对接到位，舵机用于带动快换卡具将对接盘母与对接盘公一或对接盘公二锁紧，快换卡具设置在对接盘母的外沿，夹紧机构的舵机的正向旋转或反向旋转能够将快换卡具锁紧或解锁。

优选的，主控板和电源板均安装在控制箱中；电源板包括六块电源块，分别为电源一至电源六，以便提供六路不同电压等级的隔离电源输出，分别给主控板、机械臂末端和工具端提供电源。

优选的，机械臂末端的对接盘母为多孔圆盘形结构，工具端的对接盘公一和对接盘公二为多针圆盘形结构，对接盘母与对接盘公一或对接盘公二对接时，通过对应针孔的连接完成电气线路的连接，以便实现工具端一或工具端二的供电以及与主控板的数据通信。

进一步优选的，双目视觉检测单元为双目深度相机。

本发明的有益效果是：

与现有在机械臂末端同时集成多种工具的方式相比，本发明具有以下优点：

（1）通过固定于机械臂末端的双目视觉相机，可对操作目标自动识别和定位，判断所需执行的任务；

（2）采用对接盘快换的方式实现工具端自动更换，对接步骤简单，使得机械臂末端更加轻便和灵活，提高了机器人作业效率和操作精度，具有可扩展性强，错误率低、执行效率高、实用性强的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明控制系统组成结构示意图；

图2是电力执行机器人组成示意图；

图3是本发明控制系统电气连接示意图；

图4是本发明控制系统控制流程示意图；

图5是图2中A部分的放大图；

图6是图2中B部分的放大图；

图7是电力执行机器人的机械臂末端的结构示意图；

图8是电力执行机器人的工具端一的结构示意图；

图9是电力执行机器人的工具端二的结构示意图；

图10是电力执行机器人的对接盘公的结构示意图。

具体实施方式

下面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。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种电力执行机器人多工具端控制系统，其中，电力执行机器人包括机器人底盘4、双光云台5、附属工具架6（如图5所示）和机械臂7（如图6所示），双光云台5、附属工具架6和机械臂7安装在机器人底盘4上面，机械臂末端2安装在机械臂7活动端。

该控制系统包括控制箱1、机械臂末端2和工具端3。控制箱1包括电源板11和主控板12，电源板11包括分别为主控板12、机械臂末端2和工具端3供电的多路电源。在本实施例中，主控板12和电源板11均安装在控制箱1中，主控板12是控制系统的核心控制单元。电源板11包括电源一到电源六六块电源模块，可提供六路不同电压等级的隔离电源输出，分别给主控板12、机械臂末端2和工具端3提供电源。

机械臂末端2包括双目视觉检测单元21、夹紧机构22和对接盘母23，在本实施例中，双目视觉检测单元21采用双目深度相机，可生成3D点云数据，用于识别操作目标种类及定位操作目标。如图7所示，夹紧机构22包括到位传感器223、舵机222和快换卡具221，到位传感器223用于检测机械臂末端2和工具端3是否对接到位，舵机222用于带动快换卡具221将对接盘母23与对接盘公一314或对接盘公二323锁紧，舵机222反方向旋转则实现快换卡具221解锁。

工具端3包括工具端一31和工具端二32，如图2所示，工具端一31和工具端二32作为独立的两个部件分别放置在附属工具架6的两端，对接盘公一314和对接盘公二323的盘面均朝上放置，以便机械臂末端2的对接盘母23与工具端3的对接盘公一314（请参考图10）或对接盘公二323进行对接。其中，如图8所示，工具端一31包括对接确认单元一311、扭矩检测单元312、电机控制单元313、对接盘公一314和摇柄卡具315。如图9所示，工具端二32包括对接确认单元二321、电动夹爪322和对接盘公二323（请参考图10）。主控板12是控制系统的核心，通过双目视觉检测单元21识别判断不同的工具端3类型，实现机械臂末端2与工具端3的对接，并完成相应的操作。

在本实施例中，机械臂末端2的对接盘母23为多孔圆盘形结构，工具端3的对接盘公一314和对接盘公二323为多针圆盘形结构，对接盘母23与对接盘公一314或对接盘公二323对接时，通过对应针孔的连接完成电气线路的连接，从而实现工具端一31或工具端二32的供电以及与主控板12的数据通信。为了保证连接的可靠性和取放工具端3时不会坠落，在对接盘母23的外沿装有快换卡具221，通过夹紧机构22舵机222的正向旋转或反向旋转，可将快换卡具221锁紧或解锁。

在本实施例中，如图3所示，为电力执行机器人多工具端控制系统电气连接图。具体的，如下所述：

控制箱1安装在机器人底盘4内，主控板12安装在控制箱1中，它具有多种电气接口，可兼容多种外部传感器，与传感器通过电气连接后实现数据通信。主控板12与双目视觉检测单元11的电气连接线由主控板12的USB接口沿机械臂7向上延伸到机械臂末端2的双目深度相机处，USB数据线既提供双目深度相机所需电源，同时作为数据传输通道将双目深度相机采集的点云图像和目标定位数据实时回传给主控板12。

夹紧机构22的舵机222通信接口与主控板12的RS485接口连接，到位传感器223的输出接口和主控板12的开关量输入接口IO相连，主控板12的RS485接口与对接盘母23的RS485接口相连，主控板12的CAN接口与对接盘母23的CAN接口相连；通过机械臂末端2的对接盘母23和对接盘公一314或对接盘公二323的对接，实现主控板12与工具端一31或工具端二32之间的通信。

电源板11的电源一到电源四分别为主控板12、机械臂末端2和工具端3提供电源。电源一接主控板12电源端，电源二接夹紧机构22的舵机222电源端，电源三接夹紧机构22的到位传感器223电源端，电源四接对接盘母23的电源端。机械臂末端2的对接盘母23与对接盘公一314对接实现电气连接后，将电源四的电源输出连接到工具端一31的电源端，从而为电机控制单元313和扭矩检测单元312供电。扭矩检测单元312包括扭矩力传感器3121和数字变送器3122，电机控制单元313包括扭矩电机驱动器、扭矩电机3131和编码器，编码器用于测量计算扭矩电机3131的位置、转速等参数值。

机械臂末端2的对接盘母23与对接盘公二323对接实现电气连接后，将电源四的电源输出连接到工具端二32的电源端，从而为电动夹爪322供电。

工具端一31的对接确认单元一311用于对接盘母23与对接盘公一314对接成功的状态确认，其内部由电源电流检测电路构成，当主控板12采集到夹紧机构22的到位传感器223到位信号时，说明对接盘母23与对接盘公一314对接到位，同时工具端一31的对接确认单元一311内部电源电流检测电路检测到电流，说明电源线路接通；主控板12通过对接盘母23的RS485接口将到位信号传给工具端一31，当工具端一31收到信号后，通过对接确认单元一311给予确认回应，主控板12收到确认回应后，说明工具端一31的电源、RS485通信线路和CAN通信接口均已可靠连接，主控板12控制机械臂末端2的夹紧机构22的舵机222动作，通过快换卡具221将连接好的对接盘母23和对接盘公一314进行锁紧。

对接盘母23和对接盘公一314对接成功后，主控板12的CAN通信接口连接到电机控制单元313的扭矩电机驱动器的CAN通信接口，主控板12发送EasyCan协议命令给扭矩电机驱动器，扭矩电机驱动器控制扭矩电机3131启停。扭矩监测单元312的扭矩力传感器3121监测扭矩电机3131旋转扭矩力的大小，并通过数字变送器3122计算及模数转换后将扭矩力值通过RS485接口实时回传到主控板12。同时，扭矩电机驱动器将扭矩电机3131位置、扭矩电机3131电流、扭矩电机3131速度等数值通过CAN通信接口反馈给主控板12。

工具端二32的对接确认单元二321用于对接盘母23与对接盘公二323对接成功的状态确认，其内部由电源电流检测电路构成，当主控板12采集到夹紧机构22的到位传感器223到位信号时，说明对接盘母23与对接盘公二323对接到位，同时工具端二32的对接确认单元二321内部电源电流检测电路检测到电流，说明电源线路接通；主控板12通过对接盘母23的RS485接口将到位信号传给工具端二32，当工具端二32收到信号后，通过对接确认单元二323给予确认回应，主控板12收到确认回应后，说明工具端二32的电源和RS485通信线路已可靠连接，主控板12控制机械臂末端2的夹紧机构22的舵机222动作，通过快换卡具221将连接好的对接盘母23和对接盘公二323进行锁紧。

对接盘母23和对接盘公二323对接成功后，主控板12的RS485接口与工具端二32的电动夹爪322的RS485接口连接。通过RS485接口，电动夹爪322的位置值、速度值、力值等数据可反馈给主控板12。电动夹爪322为驱控模块一体集成设计，包括伺服电机、减速器与齿轮齿条，电动夹爪322的位置值通过控制伺服电机转数来实现，电动夹爪322的速度值通过控制伺服电机转速实现；电动夹爪322的力值通过伺服电机扭矩调节。

如图4所示，为电力执行机器人多工具端控制系统的控制流程图。主控板12为控制系统的任务调度中心，负责下发指令、分配任务并控制相应部件有序执行任务，同时接收任务执行结果的实时反馈。工具端一31和工具端二32为主控板12的任务执行部件，任务执行过程中的数据及执行结果实时反馈给主控板12。

机械臂末端2安装有双目深度相机，可对操作目标进行识别定位、多角度3D建模，结合双目深度相机点云数据并融合机械臂坐标及逆运动学求解，获得操作目标的精确定位和机械臂7到达该目标位置的路径规划，并将数据信息传给主控板12，主控板12根据识别出的操作目标的种类分配任务。

任务一：

选择工具端一31，操作目标为手车。当识别出的操作目标为手车时，主控板12控制机械臂末端2执行任务一，即执行移动手车任务。此时，主控板12控制机械臂末端2选择工具端一31进行对接，工具端一31为旋转机构，用于执行旋转操作。

机械臂7在主控板12的控制下，使机械臂末端2移动到附属工具架6的工具端一31处，机械臂末端2的对接盘母23与工具端一31的对接盘公一314进行对接，当对接到位后，夹紧机构22的舵机222动作，通过快换卡具221将对接好的对接盘母23和对接盘公一314锁紧。然后，机械臂末端2携带工具端一31，按照路径规划运动到识别目标手车摇柄处。首先，设定操作模式为位置模式，控制扭矩电机3131进行归零位置校正，将摇柄卡具中心对准手车摇柄中心，机械臂7带动工具端一31前后移动进行对准插入。然后，设定操作模式为速度模式，并设定旋转速度值，执行正转开手车或反转关手车，将手车移动；手车移动过程中，通过编码器实时反馈扭矩电机3131位置值，通过扭矩力传感器3121实时采集扭矩力大小，操作过程中的数据信息通过RS485通信接口回传给主控板12，当扭矩力大于设定扭矩力值时，判定手车移动到位，扭矩电机驱动器控制扭矩电机3131停止运行，从而完成工具端一31的操作任务。

任务二：

选择工具端二32，操作目标为旋钮、按钮或闸门。当机械臂末端2的双目深度相机识别出操作目标为旋钮、按钮或闸门时，主控板12控制机械臂末端2执行任务二。此时，主控板12控制机械臂末端2选择工具端二32进行对接，工具端二32为电动夹爪，用于执行拧旋钮、按按钮或拉合闸门操作。

机械臂7在主控板12的控制下，使机械臂末端2移动到附属工具架6的工具端二32处，机械臂末端2的对接盘母23与工具端二32的对接盘公二323进行对接，当对接到位后，夹紧机构22的舵机222动作，通过快换卡具221将对接好的对接盘母23和对接盘公二323锁紧。

然后，机械臂末端2携带工具端二32，按照路径规划运动到识别目标旋钮、按钮或闸门处，机械臂末端2携带工具端二32的电动夹爪322对准操作目标，主控板12发出指令，包括电动夹爪322移动位置值、操作力值和旋转角度。如果操作目标是旋钮，则控制电动夹爪322开合和旋转，从而实现捏住旋钮和拧旋钮操作；如果操作目标是按钮或闸门，则则控制电动夹爪322开合以及前后伸展或上下伸展，从而实现按按钮或拉合闸门操作；同时，电动夹爪322 的状态实时反馈到主控板12，电动夹爪322动作到位后，完成工具端二32的操作任务，电动夹爪322恢复原位。

上述任务一或者任务二的操作任务执行完毕后，在主控板12的控制下，机械臂末端2回到附属工具架6处，将工具端一31或工具端二32放置在相应位置，然后，控制机械臂末端2的夹紧机构22的舵机222反方向旋转，将快换卡具221解锁，从而将工具端一31或工具端二32进行卸载，机械臂末端2回到原位。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

Claims (2)

1.一种电力执行机器人多工具端控制系统，所述电力执行机器人包括控制箱（1）、机械臂末端（2）和工具端（3），其特征在于：

所述控制箱（1）包括电源板（11）和主控板（12），所述电源板（11）包括分别为主控板（12）、机械臂末端（2）和工具端（3）供电的多路电源，

所述机械臂末端（2）包括双目视觉检测单元（21）、夹紧机构（22）和对接盘母（23），所述双目视觉检测单元（21）用于识别操作目标种类及定位操作目标；所述双目视觉检测单元（21）为双目深度相机；

所述工具端（3）包括工具端一（31）和工具端二（32），且所述工具端一（31）和工具端二（32）能够分别与所述机械臂末端（2）的夹紧机构（22）可拆卸的连接，所述工具端一（31）包括对接确认单元一（311）、能够控制扭矩电机（3131）启停的扭矩检测单元（312）、电机控制单元（313）、能够与所述对接盘母（23）对接的对接盘公一（314）和摇柄卡具（315），所述扭矩检测单元（312）用于监测所述扭矩电机（3131）的旋转扭矩力并将结果传输到所述主控板（12），所述工具端二（32）包括对接确认单元二（321）、能够与所述对接盘母（23）对接的对接盘公二（323）和电动夹爪（322）；

控制箱安装在机器人底盘内，主控板安装在控制箱中，它具有多种电气接口，可兼容多种外部传感器，与传感器通过电气连接后实现数据通信；主控板与双目视觉检测单元的电气连接线由主控板的USB接口沿机械臂向上延伸到机械臂末端的双目深度相机处，USB数据线既提供双目深度相机所需电源，同时作为数据传输通道将双目深度相机采集的点云图像和目标定位数据实时回传给主控板；

夹紧机构的舵机通信接口与主控板的RS485接口连接，到位传感器的输出接口和主控板的开关量输入接口IO相连，主控板的RS485接口与对接盘母的RS485接口相连，主控板的CAN接口与对接盘母的CAN接口相连；通过机械臂末端的对接盘母和对接盘公一或对接盘公二的对接，实现主控板与工具端一或工具端二之间的通信；

电源板的电源一到电源四分别为主控板、机械臂末端和工具端提供电源；

所述夹紧机构（22）包括到位传感器（223）、舵机（222）和快换卡具（221），所述到位传感器（223）用于检测所述机械臂末端（2）与所述工具端（3）是否对接到位，所述舵机（222）用于带动所述快换卡具（221）将所述对接盘母（23）与所述对接盘公一（314）或对接盘公二（323）锁紧，所述快换卡具（221）设置在所述对接盘母（23）的外沿，所述夹紧机构（22）的舵机（222）的正向旋转或反向旋转能够将快换卡具（221）锁紧或解锁；

所述机械臂末端（2）的所述对接盘母（23）为多孔圆盘形结构，所述工具端（3）的所述对接盘公一（314）和所述对接盘公二（323）为多针圆盘形结构，所述对接盘母（23）与所述对接盘公一（314）或对接盘公二（323）对接时，通过对应针孔的连接完成电气线路的连接，以便实现工具端一（31）或工具端二（32）的供电以及与主控板（12）的数据通信；

主控板为控制系统的任务调度中心，负责下发指令、分配任务并控制相应部件有序执行任务，同时接收任务执行结果的实时反馈，工具端一和工具端二为主控板的任务执行部件，任务执行过程中的数据及执行结果实时反馈给主控板；

机械臂末端安装有双目深度相机，可对操作目标进行识别定位、多角度3D建模，结合双目深度相机点云数据并融合机械臂坐标及逆运动学求解，获得操作目标的精确定位和机械臂到达该目标位置的路径规划，并将数据信息传给主控板，主控板根据识别出的操作目标的种类分配任务。

2.根据权利要求1所述的一种电力执行机器人多工具端控制系统，其特征在于：所述主控板（12）和电源板（11）均安装在所述控制箱（1）中；所述电源板（11）包括六块电源模块，分别为电源一至电源六，以便提供六路不同电压等级的隔离电源输出，分别给所述主控板（12）、所述机械臂末端（2）和所述工具端（3）提供电源。