WO2021174798A1 - 用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法 - Google Patents

用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法 Download PDF

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WO2021174798A1
WO2021174798A1 PCT/CN2020/113915 CN2020113915W WO2021174798A1 WO 2021174798 A1 WO2021174798 A1 WO 2021174798A1 CN 2020113915 W CN2020113915 W CN 2020113915W WO 2021174798 A1 WO2021174798 A1 WO 2021174798A1
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hanging
working
line
point
robot
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程敏
林欢
毛成林
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亿嘉和科技股份有限公司
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G1/00—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines
    • H02G1/02—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines for overhead lines or cables
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G1/00—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines
    • H02G1/14—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines for joining or terminating cables

Definitions

  • the present disclosure relates to the field of live working robots, for example, to a method for determining a working position of a live working robot in a scene.
  • Live robots are an emerging industry.
  • the goal of the live working robot is to use the robotic arm to complete the lap work of the main branch of the cable in the high altitude.
  • the basic action in the main branch line overlap operation is to use the robotic arm to approach and grab the branch line, then lift the branch line to approach the main line, and finally hook the end of the branch line to the main line.
  • the present disclosure proposes a method for determining a working position of a live working robot, which can obtain a better working position when the live working robot performs a main branch overlap operation.
  • a method for determining a working position in a live working robot scenario including:
  • the origin is denoted as A
  • the parallel line passing through the origin and parallel to the main line is taken as the x-axis
  • the perpendicular line passing through the origin and intersecting the main line is taken as the z-axis
  • y is determined according to the right-hand rule.
  • the working positions of the robot arm of all the candidate thread hanging points are obtained to form a new working space of the robot arm, and the center of this working space is selected as the working position of the robot arm.
  • the candidate range of the hanging point is calculated as follows:
  • v is the distance from B'to the y-axis
  • l is the distance from B'to the x-axis
  • step (2) the distance D(B i , B j ) between any two candidates ⁇ B i , B j ⁇ >5cm.
  • D is the Euclidean distance.
  • a robotic arm is used to complete the task of hanging the branch line, and the workspace of the robotic arm corresponding to each candidate hanging point is calculated as follows:
  • the distance condition constraint is established according to the length of the robot arm:
  • the set of robot positions satisfying the condition for any hanging point B n is gather It is the corresponding working space of the thread-hanging point B n ;
  • ⁇ A and ⁇ A respectively represent the minimum and maximum values of the position between the robot arm position and the root of the branch line, and
  • ⁇ B and ⁇ B represent the robot arm position and thread-hanging position, respectively The minimum and maximum values of the positions between the points;
  • Two robotic arms are used to coordinate the task of hanging the branch line, robotic arm 1 is used for grasping the thread, and robotic arm 2 is used for hanging the line; then according to the position relationship of the two robotic arms, the position of the robotic arm 1 in the coordinate system is still O , The position of the robot arm 2 in the coordinate system is O′, and the distance condition constraint is established according to the length of the robot arm:
  • the rest is the same as using a robotic arm to complete the branch line hanging task.
  • the present disclosure can calculate the available working space of the mechanical arm, because the preferred working position is located in the center of the working space, which facilitates the adjustment of the position of the robot, allows adjustment errors to the greatest extent, facilitates subsequent operation operations, and reduces the failure rate of the operation.
  • Figure 1 is a positional relationship diagram of the branch line and the main line in the disclosure after the completion of the connection;
  • Figure 2 is a geometric relationship diagram after the branch line and the main line are connected in the disclosure
  • Figure 3 is a flow chart of the algorithm of the present disclosure.
  • 101 is the main line
  • 102 is the branch line
  • 103 is the telephone pole
  • 104 is the branch line rack.
  • Figure 1 shows the positional relationship diagram of the branch line and the main line in this disclosure after the completion of the hook.
  • the main line 101 is vertically fixed on two poles 103
  • one end of the branch line 102 is fixed on the branch frame 104
  • the other One end is connected to the main line 101
  • the branch line 102 after being hung has a shape similar to a parabola.
  • Figure 3 is a flow chart of the algorithm of the present disclosure. As shown in FIG. 3, the method for determining the working position of the live working robot in the present disclosure includes the following steps:
  • step (1) calculate all possible spatial positions of the line hanging point after the branch line is hung, so as to calculate the candidate range of the line hanging point; including:
  • the coordinate system x'y' is established. Assuming that the distance between the thread-hanging point B in the xy plane projection B'and the point A is w, then the coordinate of the thread-hanging point B in the branch line coordinate system x'y' is (w, aw 2 + bw). It is known that the distance between B'and the x-axis is l, assuming that the distance between B'and the y-axis is v.
  • the coordinates of the thread-hanging point B in the xyz coordinate system are (v, l, h), and the thread-hanging point B is at x'y 'The coordinates of the coordinate system are (w, h). From the geometric relationship, we can see that in the robot coordinate system xyz, the coordinate of the hanging point B is in Now it is known that the arc length of the parabola between A and B is s, and s is the length from the root of the branch to the end of the branch, then
  • step (2) Calculate the working space of the robotic arm according to the position of the end of the branch line and each candidate threading point calculated in step (2); including:
  • the set of robot positions satisfying the condition for any hanging point B n is Similarly, in order to prevent similar points from being approximately the same effect, and to prevent the working positions of different robots from overlapping, any two candidates are required the distance between D can be Euclidean distance; set It is the corresponding working space of the thread-hanging point B n ; ⁇ A and ⁇ A respectively represent the minimum and maximum values of the position between the robot arm position and the root of the branch line, and ⁇ B and ⁇ B represent the robot arm position and thread-hanging position, respectively The minimum and maximum values of the positions between the points.
  • Pair set Take its center as the working position of the thread-hanging point B n
  • the optimal working position of the robot arm of all the candidate thread-hanging points obtained in step (4) constitutes the new working space of the robot arm, and the center of this working space is selected as the best working position of the robot arm; including:
  • two robotic arms can also be used to coordinately complete the branch line hanging task, the robotic arm 1 is used for grasping the line, and the robotic arm 2 is used for hanging the line; assuming that two robotic arms are used to coordinate to complete this task, the mechanical arm
  • the position of arm 1 is still O in the coordinate system, and the position of robotic arm 2 is O'in the coordinate system.
  • the relative position relationship between O and O' is fixed (pre-established), then the distance condition of step (4) is restricted Becomes
  • the rest is the same as using a robotic arm to complete the branch line hanging task.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Numerical Control (AREA)

Abstract

一种用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法。该用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法包括：(1)以支线（102）根部所在位置为原点建立坐标系，原点记为A；(2)根据已知参数计算出挂线点的候选范围；(3)根据支线末端位置和每个候选挂线点计算出机械臂（1、2）的工作空间；(4)取每个候选挂线点对应的机械臂的工作空间中心作为对应挂线点的机械臂的工作位置；(5)将所有候选挂线点的机械臂的工作位置构成机械臂新的工作空间，选择此工作空间的中心作为机械臂的工作位置。

Description

用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法
本申请要求在2020年03月06日提交中国专利局、申请号为202010150313.0的中国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本公开涉及带电作业机器人领域，例如涉及一种用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法。
背景技术
带电作业机器人是一个新兴行业。带电作业机器人作业目标是在高空中使用机械臂完成电缆的主支线搭接作业。主支线搭接作业中的基本动作是使用机械臂去接近并抓取支线，然后举起支线接近主线，最后将支线末端挂接在主线上。
使用带电作业机器人完成此任务需要给机器人找到一个合适的作业位置，使得带电作业的机械臂能够方便地执行这一系列动作，不会出现一些动作无法执行的情况，同时不会在执行动作的同时发生碰撞。关于这一作业位置选择的问题尚且缺乏研究。
发明内容
本公开提出了一种用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，能够得到带电作业机器人进行主支线搭接作业时的较佳工作位置。
一种用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，包括：
以支线根部所在位置为原点建立坐标系，原点记为A，以经过原点并与主线平行的平行线作为x轴，以经过原点并与主线相交的垂线作为z轴，依据右手定则确定y轴；
根据已知的支线根部到支线末端的长度s、支线根部和主线之间的高度差h以及支线根部到主线在xy平面上投影的距离l，计算出支线挂好后的挂线点的所有可能的空间位置，从而计算出挂线点的候选范围；
根据支线末端位置和计算出的每个候选挂线点计算出机械臂的工作空间；
对得到的每个候选挂线点对应的机械臂的工作空间取工作空间中心作为对应挂线点的机械臂的工作位置；
将得到的所有候选挂线点的机械臂的工作位置构成机械臂新的工作空间，选择此工作空间的中心作为机械臂的工作位置。
挂线点的候选范围计算如下：
用抛物线方程y＝ax 2+bx+c进行挂线的曲线拟合，确定挂线点坐标，记挂线点为B；原点A为抛物线上一点，则c＝0，抛物线方程y＝ax 2+bx；
将挂线点B在xy平面的投影点B’距离A点的距离设为w，则挂线点B的坐标为(v,l,aw 2+bw)，从几何关系得到挂线点B的坐标为：
Figure PCTCN2020113915-appb-000001
其中，v为B’到y轴距离，l为B’到x轴距离，则
Figure PCTCN2020113915-appb-000002
根据已知A，B间的抛物线弧长为s，则
Figure PCTCN2020113915-appb-000003
不定积分可得
Figure PCTCN2020113915-appb-000004
将式(1)代入式(2)，公式中b，w是变量，不同的b可以求得不同的w，因此得到挂线点集合{B 1，B 2，B 3，…，B n}。
步骤(2)中，任意两个候选{B i，B j}之间的距离D(B i，B j)>5cm。
其中，D为欧氏距离。
使用一只机械臂完成支线挂线任务，每个候选挂线点对应的机械臂的工作空间计算如下：
设带电作业机器人的机械臂在坐标系里位置为O，则根据机械臂长度建立距离条件约束：
α A<D(O，A)<β A
α B<D(O，B n)<β B
对任一挂线点B n满足条件的机器人位置集合为
Figure PCTCN2020113915-appb-000005
集合
Figure PCTCN2020113915-appb-000006
即为挂线点B n的对应工作空间；α A和β A分别表示机械臂位置与支线根部之间的位置的的最小值和最大值，α B和β B分别表示机械臂位置与挂线点之间的位置的的最小值和最大值；
之后，对集合
Figure PCTCN2020113915-appb-000007
取其中心作为该挂线点B n的作业位 置：
Figure PCTCN2020113915-appb-000008
进而，对全部B n，所有挂线点的作业位置的集合记为：
Figure PCTCN2020113915-appb-000009
构成机械臂新的工作空间，取该工作空间的中心作为机械臂的作业位置：
Figure PCTCN2020113915-appb-000010
任意两个候选
Figure PCTCN2020113915-appb-000011
之间的距离
Figure PCTCN2020113915-appb-000012
α A＝α B＝1.0m，β A＝β B＝1.7m。
使用两只机械臂来协同完成支线挂线任务，机械臂1用于抓线，机械臂2用于挂线；则根据两只机械臂的位置关系得到机械臂1在坐标系里位置仍为O，机械臂2在坐标系里位置为O′，则根据机械臂长度建立距离条件约束：
α A<D(O，A)<β A
α B<D(O′，B n)<β B
其余与使用一只机械臂完成支线挂线任务相同。
本公开可以计算出机械臂的可用工作空间，因为较佳作业位置位于工作空间中心，方便调整机器人的位置，最大限度地允许调节误差，而且方便后续的作业操作，减少作业失败率。
附图说明
图1为本公开中支线与主线挂接完成后的位置关系图；
图2为本公开中支线与主线挂接完成后的几何关系图；
图3为本公开的算法流程图。
其中，101为主线，102为支线，103为电线杆，104为支线架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，阐明本公开。图1所示为本公开中支线与主线挂接完成后的位置关系图，如图1所示，主线101垂直固定在两根电线杆103上，支线102的一端固定在支线架104上，另一端与主线101连接，挂好后的支线102形态类似抛物线。
图3为本公开的算法流程图。如图3所示，本公开的用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，包括如下步骤：
(1)已知支线根部到支线末端的长度s，支线根部和主线之间的高度差h，支线根部到主线在水平面上投影的距离l；因为支线根部所在位置是固定的，以支线根部所在位置为原点建立机器人坐标系xyz，原点记位A。以经过原点并与主线平行的平行线作为x轴，以经过原点并与主线相交的垂线作为z轴，依据右手定则确定y轴；如图2所示。
(2)根据步骤(1)的已知参数计算出支线挂好后的挂线点的所有可能的空间位置，从而计算出挂线点的候选范围；包括：
用抛物线方程y＝ax 2+bx+c进行挂线的曲线拟合，确定挂线点坐标，记挂线点为B，原点A为抛物线上一点，则c＝0，抛物线方程y＝ax 2+bx。挂线点B也为抛物线上一点。
以A为原点，以主线在xy平面投影延长线为x’轴，以垂直x’轴且经过A点的垂线为y’轴，建立坐标系x’y’。设挂线点B在xy平面投影B’距离A点的距离为w，则挂线点B在支线坐标系x’y’上的坐标为(w,aw 2+bw)。已知B’到x轴距离为l，假设B’到y轴距离为v，所以，挂线点B在xyz坐标系的坐标为(v，l，h)，挂线点B在x’y’坐标系的坐标为(w，h)。从几何关系可知在机器人坐标系xyz中，挂线点B的坐标为
Figure PCTCN2020113915-appb-000013
其中
Figure PCTCN2020113915-appb-000014
此时已知A，B间的抛物线弧长为s，s为支线根部到支线末端的长度，则
Figure PCTCN2020113915-appb-000015
不定积分可得
Figure PCTCN2020113915-appb-000016
将式(1)代入式(2)，公式中b，w是变量，不同的b可以求得不同的w，因此有一个挂线点集合{B 1，B 2，B 3，…，B n}。因为两个候选点之间距离如果太近，可以认为这两个点是相似的，处理的效果也是近似相同的，为了减少计算量，因此减少这一集合的大小，对近似相同的点合并计算，要求任意两个候选{B i，B j}之间的距离D(B i，B j)>5cm，D可以使用欧氏距离。
(3)根据支线末端位置和步骤(2)计算出的每个候选挂线点计算出机械臂的工作空间；包括：
使用一只机械臂完成支线挂线任务，设带电作业机器人的机械臂在坐标系里位置为O，因为机械臂的构造，它的连杆是有物理长度，如果过长则无法到达，如果过短则手臂需要折叠的很厉害也无法进行作业，则根据机械臂长度建立距 离条件约束：
α A<D(O，A)<β A
α B<D(O，B n)<β B
对任一挂线点B n满足条件的机器人位置集合为
Figure PCTCN2020113915-appb-000017
同样，为了防止相近点的效果近似相同，也为了防止不同机器人的工作位置会有重叠，要求任意两个候选
Figure PCTCN2020113915-appb-000018
之间的距离
Figure PCTCN2020113915-appb-000019
D可以为欧氏距离；集合
Figure PCTCN2020113915-appb-000020
即为挂线点B n的对应工作空间；α A和β A分别表示机械臂位置与支线根部之间的位置的的最小值和最大值，α B和β B分别表示机械臂位置与挂线点之间的位置的的最小值和最大值，上述参数的确定和所选用的机械臂的物理参数相关，在本例中选取α A＝α B＝1.0m，β A＝β B＝1.7m；
(4)对步骤(3)得到的每个候选挂线点对应的机械臂的工作空间取工作空间中心作为对应挂线点的机械臂的最佳工作位置；即：
对集合
Figure PCTCN2020113915-appb-000021
取其中心作为该挂线点B n的作业位置
Figure PCTCN2020113915-appb-000022
(5)将步骤(4)得到的所有候选挂线点的机械臂的最佳工作位置构成机械臂新的工作空间，选择此工作空间的中心作为机械臂的最佳工作位置；包括：
对全部B n，所有挂线点的最佳作业位置的集合记为
Figure PCTCN2020113915-appb-000023
构成了新的完整的工作空间，取该工作空间的中心作为机械臂的最佳作业位置：
Figure PCTCN2020113915-appb-000024
在本公开中，还可以使用两只机械臂来协同完成支线挂线任务，机械臂1用于抓线，机械臂2用于挂线；假设使用两只机械臂来协同完成这一任务，机械臂1在坐标系里位置仍为O，机械臂2在坐标系里位置为O′，O和O′之间的相对位置关系是固定的(预先建立)，则步骤(4)的距离条件约束变为
α A<D(O，A)<β A
α B<D(O′，B n)<β B
其余与使用一只机械臂完成支线挂线任务相同。

Claims (8)

  1. 一种用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，包括：
    (1)以支线根部所在位置为原点建立坐标系，原点记为A，以经过原点并与主线平行的平行线作为x轴，以经过原点并与主线相交的垂线作为z轴，依据右手定则确定y轴；
    (2)根据已知的支线根部到支线末端的长度s、支线根部和主线之间的高度差h以及支线根部到主线在xy平面上投影的距离l，计算出支线挂好后的挂线点的所有可能的空间位置，从而计算出挂线点的候选范围；
    (3)根据支线末端位置和步骤(2)计算出的每个候选挂线点计算出机械臂的工作空间；
    (4)对步骤(3)得到的每个候选挂线点对应的机械臂的工作空间取工作空间中心作为对应挂线点的机械臂的工作位置；
    (5)将步骤(4)得到的所有候选挂线点的机械臂的工作位置构成机械臂新的工作空间，选择此工作空间的中心作为机械臂的工作位置。
  2. 根据权利要求1所述的用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，其中，挂线点的候选范围计算如下：
    用抛物线方程y＝ax 2+bx+c进行挂线的曲线拟合，确定挂线点坐标，记挂线点为B；原点A为抛物线上一点，则c＝0，抛物线方程y＝ax 2+bx；
    将挂线点B在xy平面的投影点B’距离A点的距离设为w，则挂线点B的坐标为(v,l,aw 2+bw)，从几何关系得到挂线点B的坐标为：
    Figure PCTCN2020113915-appb-100001
    其中，v为B’到y轴距离，l为B’到x轴距离，则
    Figure PCTCN2020113915-appb-100002
    根据已知A，B间的抛物线弧长为s，则
    Figure PCTCN2020113915-appb-100003
    Figure PCTCN2020113915-appb-100004
    不定积分可得
    Figure PCTCN2020113915-appb-100005
    将式(1)代入式(2)，公式中b，w是变量，不同的b可以求得不同的w，因此得到挂线点集合{B 1，B 2，B 3，…，B n}。
  3. 根据权利要求2所述的用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，其中，步骤(2)中，任意两个候选{B i，B j}之间的距离D(B i，B j)>5cm。
  4. 根据权利要求3所述的用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，其中，D为欧氏距离。
  5. 根据权利要求1所述的用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，其中，使用一只机械臂完成支线挂线任务，每个候选挂线点对应的机械臂的工作空间计算如下：
    设带电作业机器人的机械臂在坐标系里位置为O，则根据机械臂长度建立距离条件约束：
    α A<D(O，A)<β A；
    α B<D(O，B n)<β B；
    对任一挂线点B n满足条件的机器人位置集合为
    Figure PCTCN2020113915-appb-100006
    集合
    Figure PCTCN2020113915-appb-100007
    即为挂线点B n的对应工作空间；α A和β A分别表示机械臂位置与支线根部之间的位置的的最小值和最大值，α B和β B分别表示机械臂位置与挂线点之间的位置的的最小值和最大值；
    对集合
    Figure PCTCN2020113915-appb-100008
    取其中心作为该挂线点B n的作业位置：
    Figure PCTCN2020113915-appb-100009
    对全部B n，所有挂线点的作业位置的集合记为：
    Figure PCTCN2020113915-appb-100010
    构成机械臂新的工作空间，取该工作空间的中心作为机械臂的作业位置：
    Figure PCTCN2020113915-appb-100011
  6. 根据权利要求5所述的用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，其中，任意两个候选
    Figure PCTCN2020113915-appb-100012
    之间的距离
    Figure PCTCN2020113915-appb-100013
  7. 根据权利要求5所述的用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，其中，α A＝α B＝1.0m，β A＝β B＝1.7m。
  8. 根据权利要求1所述的用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法，其中，使用两只机械臂来协同完成支线挂线任务，机械臂1用于抓线，机械臂2用于挂线；则根据两只机械臂的位置关系得到机械臂1在坐标系里位置仍为O，机械臂2在坐标系里位置为O′，则根据机械臂长度建立距离条件约束：
    α A<D(O，A)<β A；
    α B<D(O′，B n)<β B；
    其余与使用一只机械臂完成支线挂线任务相同。
PCT/CN2020/113915 2020-03-06 2020-09-08 用于带电作业机器人场景下的作业位置确定方法 WO2021174798A1 (zh)

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CN202010150313.0A CN111300415B (zh) 2020-03-06 2020-03-06 一种用于带电作业机器人场景下的最佳作业位置确定方法

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