CN117226850B - 带电作业机器人执行路径生成方法、系统、终端及介质 - Google Patents

带电作业机器人执行路径生成方法、系统、终端及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了带电作业机器人执行路径生成方法、系统、终端及介质，涉及机器人路径生成技术领域，其技术方案要点是：建立作业场景立体模型；以预置前端位置与实时前端位置的位置差确定总执行矢量；确定各个操作机械臂的最优操作参数；标记出除执行终端之外所有实体表征的约束边界；分析操作机械臂与约束边界之间的最短直径段，并在最短直径段所对应的操作机械臂处于未启动状态时生成相应操作机械臂的启动信号；确定对应操作机械臂的操作控制时序信号。本发明考虑到所有操作机械臂的操作参数大小，尽可能减小各个操作机械臂的操作量所存在的冗余，且以动态变化的时序启动不同操作机械臂，提高了执行终端操作的工作效率和安全性。

Description

带电作业机器人执行路径生成方法、系统、终端及介质
技术领域
本发明涉及机器人路径生成技术领域，更具体地说，它涉及带电作业机器人执行路径生成方法、系统、终端及介质。
背景技术
带电作业是电力设备检修、检测以及维护的重要手段，可以提高供电可靠性、减少停电损失以及保证电网安全。随着机器人、人工智能等新兴技术的迅速发展，带电作业机器人成为了电网智能运检、安全带电作业的发展趋势及重要技术走向。
现有的带电作业机器人主要有落于地面、爬行于电力设备以及飞行类等类型的带电作业机器人。上述带电作业机器人中的作业平台一般都配置有多个执行终端，每一个执行终端又是由多个操作机械臂组成，而单个操作机械臂在实际操作过程中可能会涉及到旋转、偏转以及伸缩等操作，所以现有技术中通过工作人员进行手动或遥控操作存在工作效率较低的问题；此外，部分现有技术记载有针对带电作业机器人的实际操作环境进行建模，然后依据执行命令来生成自动操作命令，但自动操作命令仅考虑到执行终端的前端位置是否达到目的地，这就容易导致各个操作机械臂的操作量存在大量冗余，降低了执行终端的使用寿命，其执行效率也有待提升；另外，自动操作命令在无序执行时也容易发生执行终端碰触到带电对象、自然物以及其他执行终端的情况。
因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的带电作业机器人执行路径生成方法、系统、终端及介质是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供带电作业机器人执行路径生成方法、系统、终端及介质，在将执行终端的前端从实时前端位置调控至预置前端位置过程中，考虑到所有操作机械臂的操作参数大小，尽可能减小各个操作机械臂的操作量所存在的冗余，且以动态变化的时序启动不同操作机械臂，在自动控制执行终端时减少执行终端碰触到带电对象、自然物以及其他执行终端的情况发生，提高了执行终端操作的工作效率和安全性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了带电作业机器人执行路径生成方法，包括以下步骤：
获取目标区域的环境感知数据，并依据环境感知数据进行三维重构，得到作业场景立体模型；
确定带电作业机器人所属作业平台上执行终端在当前时刻的实时前端位置和下一时刻的预置前端位置，并以预置前端位置与实时前端位置的位置差确定总执行矢量；
以执行终端中所有操作机械臂的执行矢量之和等于总执行矢量为约束条件，并以操作比例之和最小为优化目标确定各个操作机械臂的最优操作参数；
在加载带电作业机器人后的作业场景立体模型中标记出除执行终端之外所有实体表征的约束边界；
分析执行终端操作过程中所有操作机械臂与约束边界之间的最短直径段，并在最短直径段所对应的操作机械臂处于未启动状态时生成相应操作机械臂的启动信号；
根据操作机械臂的启动信号、操作速度以及最优操作参数确定对应操作机械臂的操作控制时序信号。
进一步的，所述环境感知数据包括毫米波雷达测距数据、全景图像数据中的至少一种，作业场景立体模型包括带电对象的三维结构和自然物的三维结构。
进一步的，所述约束条件的表达式具体为：
；
其中，表示总执行矢量；/>表示总执行矢量的/>轴坐标值；/>表示总执行矢量的/>轴坐标值；/>表示总执行矢量的/>轴坐标值；/>表示执行终端中操作机械臂的数量；/>表示第/>个操作机械臂的最大伸出臂长；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的伸缩比例；表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的伸缩比例；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的基座旋转角度；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的基座旋转角度。
进一步的，所述实时前端位置和预置前端位置的伸缩比例、臂偏转角度以及基座旋转角度均不超过对应的基础限制范围。
进一步的，所述优化目标的表达式具体为：
；
其中，表示执行终端中操作机械臂的数量；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的伸缩比例；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的伸缩比例；/>表示第/>个操作机械臂的最大伸缩比例；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂的最大臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的基座旋转角度；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的基座旋转角度；/>表示第/>个操作机械臂的最大基座旋转角度。
进一步的，所述约束边界包括作业场景立体模型中带电对象的表面轮廓、自然物的表面轮廓以及其他执行终端的表面轮廓。
进一步的，若一个操作机械臂已生成启动信号，则对应的操作机械臂不参与后续最短直径段的分析。
第二方面，提供了带电作业机器人执行路径生成系统，包括：
三维建模模块，用于获取目标区域的环境感知数据，并依据环境感知数据进行三维重构，得到作业场景立体模型；
矢量分析模块，用于确定带电作业机器人所属作业平台上执行终端在当前时刻的实时前端位置和下一时刻的预置前端位置，并以预置前端位置与实时前端位置的位置差确定总执行矢量；
参数优化模块，用于以执行终端中所有操作机械臂的执行矢量之和等于总执行矢量为约束条件，并以操作比例之和最小为优化目标确定各个操作机械臂的最优操作参数；
边界标记模块，用于在加载带电作业机器人后的作业场景立体模型中标记出除执行终端之外所有实体表征的约束边界；
启动分析模块，用于分析执行终端操作过程中所有操作机械臂与约束边界之间的最短直径段，并在最短直径段所对应的操作机械臂处于未启动状态时生成相应操作机械臂的启动信号；
时序生成模块，用于根据操作机械臂的启动信号、操作速度以及最优操作参数确定对应操作机械臂的操作控制时序信号。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的带电作业机器人执行路径生成方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的带电作业机器人执行路径生成方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的带电作业机器人执行路径生成方法，在将执行终端的前端从实时前端位置调控至预置前端位置过程中，考虑到所有操作机械臂的操作参数大小，尽可能减小各个操作机械臂的操作量所存在的冗余，且以动态变化的时序启动不同操作机械臂，在自动控制执行终端时减少执行终端碰触到带电对象、自然物以及其他执行终端的情况发生，提高了执行终端操作的工作效率和安全性；
2、本发明将每个操作机械臂控制过程中所导致的空间矢量叠加后等同于总执行矢量，无需对整个操作机械臂的空间坐标变化进行分析，简化了最优操作参数的求解过程中，提高了最优操作参数的求解效率；
3、本发明在分析最短直径段过程中，为避免启动信号生成过程出现死循环，在一个操作机械臂已生成启动信号后，则对应的操作机械臂不参与后续最短直径段的分析，可以有效保证各个操作机械臂启动的及时性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例1中的流程图；
图2是本发明实施例2中的系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：带电作业机器人执行路径生成方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取目标区域的环境感知数据，并依据环境感知数据进行三维重构，得到作业场景立体模型；
S2：确定带电作业机器人所属作业平台上执行终端在当前时刻的实时前端位置和下一时刻的预置前端位置，并以预置前端位置与实时前端位置的位置差确定总执行矢量；
S3：以执行终端中所有操作机械臂的执行矢量之和等于总执行矢量为约束条件，并以操作比例之和最小为优化目标确定各个操作机械臂的最优操作参数；
S4：在加载带电作业机器人后的作业场景立体模型中标记出除执行终端之外所有实体表征的约束边界；
S5：分析执行终端操作过程中所有操作机械臂与约束边界之间的最短直径段，并在最短直径段所对应的操作机械臂处于未启动状态时生成相应操作机械臂的启动信号；
S6：根据操作机械臂的启动信号、操作速度以及最优操作参数确定对应操作机械臂的操作控制时序信号。
在本实施例中，环境感知数据可以是毫米波雷达测距数据，也可以采用全景图像数据，而作业场景立体模型包括带电对象的三维结构和自然物的三维结构。
本发明将每个操作机械臂控制过程中所导致的空间矢量叠加后等同于总执行矢量，无需对整个操作机械臂的空间坐标变化进行分析，简化了最优操作参数的求解过程中，提高了最优操作参数的求解效率。例如，约束条件的表达式如下：
；
其中，表示总执行矢量；/>表示总执行矢量的/>轴坐标值；/>表示总执行矢量的/>轴坐标值；/>表示总执行矢量的/>轴坐标值；/>表示执行终端中操作机械臂的数量；/>表示第/>个操作机械臂的最大伸出臂长；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的伸缩比例；表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的伸缩比例；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的基座旋转角度；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的基座旋转角度。
若一个执行终端中的操作机械臂分布成多个路径，则针对单一路径进行独立分析。
需要说明的是，为降低机械结构故障损坏的概率，实时前端位置和预置前端位置的伸缩比例、臂偏转角度以及基座旋转角度均不超过对应的基础限制范围，基础限制范围一般为出厂参数决定。
而优化目标的表达式具体为：
；
其中，表示执行终端中操作机械臂的数量；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的伸缩比例；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的伸缩比例；/>表示第/>个操作机械臂的最大伸缩比例；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂的最大臂偏转角度；/>表示第/>个操作机械臂在实时前端位置的基座旋转角度；/>表示第/>个操作机械臂在预置前端位置的基座旋转角度；/>表示第/>个操作机械臂的最大基座旋转角度。
在本实施例中，约束边界包括但不限于作业场景立体模型中带电对象的表面轮廓、自然物的表面轮廓以及其他执行终端的表面轮廓。
为避免启动信号生成过程出现死循环，若一个操作机械臂已生成启动信号，则对应的操作机械臂不参与后续最短直径段的分析。
实施例2：带电作业机器人执行路径生成系统，该系统用于实现实施例1中所记载的带电作业机器人执行路径生成方法，如图2所示，包括三维建模模块、矢量分析模块、参数优化模块、边界标记模块、启动分析模块和时序生成模块。
其中，三维建模模块，用于获取目标区域的环境感知数据，并依据环境感知数据进行三维重构，得到作业场景立体模型；矢量分析模块，用于确定带电作业机器人所属作业平台上执行终端在当前时刻的实时前端位置和下一时刻的预置前端位置，并以预置前端位置与实时前端位置的位置差确定总执行矢量；参数优化模块，用于以执行终端中所有操作机械臂的执行矢量之和等于总执行矢量为约束条件，并以操作比例之和最小为优化目标确定各个操作机械臂的最优操作参数；边界标记模块，用于在加载带电作业机器人后的作业场景立体模型中标记出除执行终端之外所有实体表征的约束边界；启动分析模块，用于分析执行终端操作过程中所有操作机械臂与约束边界之间的最短直径段，并在最短直径段所对应的操作机械臂处于未启动状态时生成相应操作机械臂的启动信号；时序生成模块，用于根据操作机械臂的启动信号、操作速度以及最优操作参数确定对应操作机械臂的操作控制时序信号。
工作原理：本发明在将执行终端的前端从实时前端位置调控至预置前端位置过程中，考虑到所有操作机械臂的操作参数大小，尽可能减小各个操作机械臂的操作量所存在的冗余，且以动态变化的时序启动不同操作机械臂，在自动控制执行终端时减少执行终端碰触到带电对象、自然物以及其他执行终端的情况发生，提高了执行终端操作的工作效率和安全性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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.带电作业机器人执行路径生成方法，其特征是，包括以下步骤：
获取目标区域的环境感知数据，并依据环境感知数据进行三维重构，得到作业场景立体模型；
确定带电作业机器人所属作业平台上执行终端在当前时刻的实时前端位置和下一时刻的预置前端位置，并以预置前端位置与实时前端位置的位置差确定总执行矢量；
以执行终端中所有操作机械臂的执行矢量之和等于总执行矢量为约束条件，并以操作比例之和最小为优化目标确定各个操作机械臂的最优操作参数；
在加载带电作业机器人后的作业场景立体模型中标记出除执行终端之外所有实体表征的约束边界；
分析执行终端操作过程中所有操作机械臂与约束边界之间的最短直径段，并在最短直径段所对应的操作机械臂处于未启动状态时生成相应操作机械臂的启动信号；
根据操作机械臂的启动信号、操作速度以及最优操作参数确定对应操作机械臂的操作控制时序信号；
所述约束条件的表达式具体为：
A＝(Δx,Δy,Δz)
其中，A表示总执行矢量；Δx表示总执行矢量的X轴坐标值；Δy表示总执行矢量的Y轴坐标值；Δz表示总执行矢量的Z轴坐标值；n表示执行终端中操作机械臂的数量；li表示第i个操作机械臂的最大伸出臂长；表示第i个操作机械臂在实时前端位置的伸缩比例；/>表示第i个操作机械臂在预置前端位置的伸缩比例；/>表示第i个操作机械臂在实时前端位置的臂偏转角度；/>表示第i个操作机械臂在预置前端位置的臂偏转角度；/>表示第i个操作机械臂在实时前端位置的基座旋转角度；/>表示第i个操作机械臂在预置前端位置的基座旋转角度；
所述实时前端位置和预置前端位置的伸缩比例、臂偏转角度以及基座旋转角度均不超过对应的基础限制范围；
所述优化目标的表达式具体为：
其中，n表示执行终端中操作机械臂的数量；表示第i个操作机械臂在实时前端位置的伸缩比例；/>表示第i个操作机械臂在预置前端位置的伸缩比例；Si,max表示第i个操作机械臂的最大伸缩比例；/>表示第i个操作机械臂在实时前端位置的臂偏转角度；/>表示第i个操作机械臂在预置前端位置的臂偏转角度；/>表示第i个操作机械臂的最大臂偏转角度；/>表示第i个操作机械臂在实时前端位置的基座旋转角度；/>表示第i个操作机械臂在预置前端位置的基座旋转角度；αi,max表示第i个操作机械臂的最大基座旋转角度。
2.根据权利要求1所述的带电作业机器人执行路径生成方法，其特征是，所述环境感知数据包括毫米波雷达测距数据、全景图像数据中的至少一种，作业场景立体模型包括带电对象的三维结构和自然物的三维结构。
3.根据权利要求1所述的带电作业机器人执行路径生成方法，其特征是，所述约束边界包括作业场景立体模型中带电对象的表面轮廓、自然物的表面轮廓以及其他执行终端的表面轮廓。
4.根据权利要求1所述的带电作业机器人执行路径生成方法，其特征是，若一个操作机械臂已生成启动信号，则对应的操作机械臂不参与后续最短直径段的分析。
5.带电作业机器人执行路径生成系统，其特征是，该系统用于实现权利要求1-4任意一项所述的电作业机器人执行路径生成方法，包括：
三维建模模块，用于获取目标区域的环境感知数据，并依据环境感知数据进行三维重构，得到作业场景立体模型；
矢量分析模块，用于确定带电作业机器人所属作业平台上执行终端在当前时刻的实时前端位置和下一时刻的预置前端位置，并以预置前端位置与实时前端位置的位置差确定总执行矢量；
参数优化模块，用于以执行终端中所有操作机械臂的执行矢量之和等于总执行矢量为约束条件，并以操作比例之和最小为优化目标确定各个操作机械臂的最优操作参数；
边界标记模块，用于在加载带电作业机器人后的作业场景立体模型中标记出除执行终端之外所有实体表征的约束边界；
启动分析模块，用于分析执行终端操作过程中所有操作机械臂与约束边界之间的最短直径段，并在最短直径段所对应的操作机械臂处于未启动状态时生成相应操作机械臂的启动信号；
时序生成模块，用于根据操作机械臂的启动信号、操作速度以及最优操作参数确定对应操作机械臂的操作控制时序信号。
6.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-4中任意一项所述的带电作业机器人执行路径生成方法。
7.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-4中任意一项所述的带电作业机器人执行路径生成方法。
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