基于高压带电作业机器人的跌落开关更换控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器视觉领域，尤其涉及一种基于高压带电作业机器人的跌落开关更 换控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 传统的电力设备维修需要人工近距离接触设备，这样不仅威胁施工人员的人身安 全，且效率低下。随着人工智能、机器视觉等相关技术的发展，各种高危环境中的作业已开 始由机器人替代，高压输电线路的设备维护亦可以利用高压带电作业机器人完成。
[0003] 跌落开关是高压输电线路中必不可少的器件，当线路中的电流过大，跌落开关中 的熔丝将会因电流过大而发热熔断，以达到保护线路的目的。通常，跌落开关熔断后需要人 工更换维护，这样不仅效率低下，而且施工人员在在高压带电线路上施工存在安全隐患。人 工智能、机器视觉等技术可使机器人具有人类的部分智能，可使机器人代替施工人员在危 险的环境中高效、快速地完成施工任务。但是，针对更换高压输电线路中跌落开关的高压带 电作业机器人控制系统的相关研宄尚存在空白。
[0004] 由于通常使用的跌落开关螺栓顶端的外径与螺栓孔的内径相差极小，因此即使螺 栓与螺栓孔的位置相差Imm时也不能成功固定跌落开关。因此，利用机器视觉、人工智能等 技术更换跌落开关时，需要准确将跌落开关上的螺栓孔与固定支架上的螺栓孔对齐，并且 将螺栓准确的伸入到螺栓固定孔中才能顺利完成更换跌落开关的任务。
[0005] 另外，在使用机器视觉、人工智能等技术固定跌落开关整个操作过程中需要根据 摄像机获取的图像计算出当前螺栓的位置及其相对倾斜方向，以便及时调整机械臂抓取的 螺栓的位姿及位置。螺栓在摄像机中所表现出的灰度特征与周围的环境中其他高压电设 施极为相似，且摄像机所呈现出的螺栓将有可能丢掉其自身螺纹所体现出的特有的纹理信 息，这就增加了跟踪定位螺栓的难度。
[0006] 经过以上分析，智能电力设备高压带电作业机器人在控制更换跌落开关时存在以 下问题：
[0007] (1)机械臂夹取的螺栓在摄像机捕获的图像中所表现出灰度与周围的其他电力设 备、支架等极为相似，这使控制系统不宜实现目标跟踪。
[0008] (2)螺栓在摄像机获取的图像中相对较小，将会丢失自身螺纹形成的纹理信息，增 加了控制系统跟踪定位螺栓的难度。
[0009] (3)螺栓的外径与螺栓孔内径极为接近，不易准确控制螺栓伸入到螺栓孔径中。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种基于高压带电作业机器人的跌 落开关更换控制系统及方法，该控制系统能够实现精确控制机械臂自动更换高压输电线路 中的跌落开关，避免了施工人员直接在高压带电线路上施工带来的危险。
[0011] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012] -种基于高压带电作业机器人的跌落开关更换控制系统，包括：
[0013] 高压带电作业机器人控制单元：用于接收图像数据处理中心的数据并向机械臂控 制单元发送控制命令；
[0014] 机械臂控制单元：用于控制高压带电作业机器人的机械臂通过旋紧或旋出带有标 识的螺栓更换跌落开关；
[0015] 视觉模块：用于获取机械臂前端的图像并将图像传送至图像数据处理中心；
[0016] 目标跟踪模块：用于利用获取的图像数据实时计算当前感兴趣目标的移动位置；
[0017] 图像数据处理中心：用于对视觉模块采集到的图像进行处理，根据图像信息跟踪 机械臂移动的位置以及需要更换的跌落开关的位置；
[0018] 所述高压带电作业机器人控制单元分别与图像数据处理中心和机械臂控制单元 连接，所述图像数据处理中心与视觉模块、目标跟踪模块分别连接，所述视觉模块与目标跟 踪模块连接，所述机械臂控制单元控制机器人机械臂完成更换跌落操作。
[0019] 所述视觉模块包括：光轴交叉双目摄像机和图像采集卡；
[0020] 光轴交叉双目摄像机设置在机械臂前端用于获取机械臂前端的图像以模拟人眼 的双目视觉功能，图像采集卡用于将双目摄像机输出的模拟信号转换成可运用计算机运算 处理的数字信号，所述图像采集卡至少为两通道。
[0021] 所述带有标识的螺栓两端涂有醒目的标记色，在所述标记色之间添加螺纹的纹理 信息。
[0022] 所述螺纹的纹理信息为在所述标记色之间添加粗细及间隔不同的条纹，或其他具 有颜色信息的纹理。
[0023] -种高压线路跌落开关自动更换控制系统的控制方法，包括跌落开关拆卸控制方 法和跌落开关安装控制方法；
[0024] 所述跌落开关拆卸控制方法为：视觉模块获取双目视觉图像，并对双目图像进行 校正；确定机械臂、设备抓取位置以及螺栓拆卸位置在双目视觉图像中的三维坐标，并计 算出左、右机械臂移动到设备抓取点、螺栓拆卸点的移动向量，根据移动向量控制机械臂移 动，拆卸螺栓；
[0025] 所述跌落开关安装控制方法为：确定待安装设备的抓取位置、螺栓的顶端及尾端 在双目图像中的三维坐标，分别通过坐标相减计算夹取设备和夹取螺栓的机械臂的移动向 量，控制机械臂将螺栓放入螺栓孔径中，安装设备。
[0026] 所述跌落开关拆卸控制方法具体为：
[0027] 步骤一：视觉模块获取双目视觉图像，分别标定左右摄像机，对双目视觉图像进行 校正；
[0028] 步骤二：人工辅助确定机械臂、设备抓取位置、螺栓拆卸位置在双目视觉图像中的 位置；
[0029] 步骤三：分别计算步骤二中确定的各个位置的三维坐标，通过坐标相减计算出左、 右机械臂移动到设备抓取点、螺栓拆卸点的移动向量；
[0030] 步骤四：根据移动向量控制机械臂将螺栓脱离螺栓孔，拆卸设备。
[0031] 所述跌落开关安装控制方法具体为：
[0032] 步骤一：人工辅助确定待安装设备的抓取位置、螺栓的顶端及尾端在双目图像中 的位置；
[0033] 步骤二：计算夹取设备机械臂的移动向量，控制机械臂移动；
[0034] 移动过程中，在双目视觉图像中实时跟踪设备的移动位置，并计算设备当前位置 的三维坐标，重新生成移动向量后引导机械臂的下一步移动方式，直至将设备移动到指定 位置；
[0035] 步骤三：通过坐标相减计算夹取螺栓机械臂的移动向量，控制机械臂移动；
[0036] 移动过程中，在双目图像中实时跟踪螺栓的位置，并计算螺栓两端当前位置的三 维坐标，根据螺栓两端的三维坐标计算螺栓当前的位姿及当前的移动向量；根据计算结果 控制机械臂不断调整螺栓位姿及移动方式，直至将螺栓移动到指定位置；
[0037] 步骤四：控制机械臂将螺栓放入螺栓孔径中，安装设备。
[0038] 确定双目