一种带电作业机器人的制作方法

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种输电线路带电作业机器人。

背景技术：

目前，我国高压带电作业主要采用绝缘手套作业法，要求操作人员攀爬高压铁塔或借助绝缘斗臂车进行不停电作业，即要求人工带电作业。但人工带电作业意味着操作人员要处在高空、高压、强电磁场的危险环境中，劳动强度大，且人体姿态不易控制，即使严格遵守安全操作规范并增加绝缘防护措施，也无法完全缓解作业人员的精神压力和体力损耗，稍有不慎就容易发生人身伤亡事故，给家庭和社会带来严重的损失。

虽然国内已研发有带电作业机器人，但仍然需要操作人员在绝缘斗内随机器人升至线路附近，并没有从根本上解决操作人员的安全问题。并且，该作业机器人完全由操作人员控制，并不能自主完成带电作业，较传统的绝缘手套作业法反而降低了工作效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种带电作业机器人，既可以遥控操作完成带电作业，也可以自主完成带电作业；在遥控操作，操作人员远距离作业，远离带电作业现场，提高了带电作业的安全性；自主作业时，在操作人员远离带电作业现场的情况下，可以精确高效地完成带电作业。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种带电作业机器人，包括绝缘斗臂车，搭载在绝缘斗臂车上的机器人平台，安装在机器人平台上的机械臂，还包括数据采集系统以及数据处理和控制系统；所述数据采集系统包括设置在机器人平台上的摄像机，摄像机用于采集机械臂作业场景图像，并将所述作业场景图像发送给数据处理和控制系统；所述数据处理和控制系统根据所述作业场景图像生成3D虚拟作业场景或者规划出机械臂空间路径。

进一步，数据处理和控制系统根据所述作业场景图像获取机械臂与作业对象之间的相对位置关系，根据所述相对位置关系和带电作业内容规划机械臂的空间路径，根据所述空间路径控制机械臂动作以完成带电作业。

进一步，所述数据处理和控制系统包括第一工控机、第二工控机，第二工控机内置图像处理器和带电作业动作序列库，所述带电作业动作序列库中预先存储有各项带电作业对应的动作序列数据；所述摄像机采集的作业场景图像发送给第二工控机，图像处理器对作业场景图像进行处理后获的机械臂与作业对象之间的相对位置关系，第二工控机根据所述相对位置关系以及具体带电作业所对应的动作序列规划机械臂的空间路径，并将所述机械臂的空间路径数据发送给第一工控机；第一工控机根据所述机械臂的空间路径控制机械臂动作。

进一步，所述机械臂包括第一机械臂和第二机械臂，所述摄像机包括双目摄像头，所述第一机械臂和第二机械臂上均搭载有双目摄像头，所述第一机械臂和第二机械臂使用作业工具相互配合完成带电作业。

进一步，所述机械臂包括第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂，所述摄像机包括双目摄像头，所述第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂上均搭载有双目摄像头，所述第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂配合完成带电作业，其中，辅助机械臂用于夹持作业对象，第一机械臂和第二机械臂使用作业工具进行作业操作。

进一步，所述绝缘斗臂车上设置有控制室，所述数据处理和控制系统包括第一工控机、第二工控机、显示屏和主操作手，第二工控机内置图像处理器，显示屏和主操作手位于控制室内；主操作手与机械臂为主从操作关系，通过改变主操作手的姿态控制机械臂运动；所述摄像机采集的作业场景图像发送给第二工控机，图像处理器对作业场景图像进行处理后获的3D虚拟作业场景，并送显示器显示。

进一步，所述机械臂包括第一机械臂和第二机械臂，所述摄像机包括双目摄像头和深度摄像头，所述第一机械臂和第二机械臂上均搭载有双目摄像头；所述主操作手包括第一主操作手和第二主操作手，第一主操作手和第二主操作手分别用于控制第一机械臂和第二机械臂。

进一步，所述机械臂包括第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂，所述摄像机包括双目摄像头和深度摄像头，所述第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂上均搭载有双目摄像头，所述主操作手包括第一主操作手、第二主操作手、辅助主操作手；第一主操作手、第二主操作手以及辅助主操作手分别用于控制第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂。

进一步，所述摄像机还包括全景摄像头。

进一步，所述机械臂或者主操作手为六自由度机构，包括基座，旋转轴方向与基座平面垂直的腰关节，与腰关节连接的肩关节，与肩关节连接的大臂，与大臂连接的肘关节，与肘关节连接的小臂，与小臂连接的腕关节，腕关节由三个旋转关节组成，分别为腕俯仰关节、腕摇摆关节和腕旋转关节；所述六自由度机构中各个关节均具有相应的正交旋转编码器和伺服驱动电机，正交旋转编码器用于采集各个关节的角度数据，伺服驱动电机用于控制各关节的运动；第一工控机根据机械臂各关节角度的期望值，通过控制伺服驱动电机控制按机械臂各关节运动。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明采用机器人进行带电作业，作业人员可以通过主操作手远程遥控机器人，机器人控制信号由无线或光纤传输，可保证作业人员与高压电场隔离；

(2)远程遥控操作时，操作人员根据3D虚拟作业场景监控作业过程，与全景图像相比，3D虚拟作业场景综合和深度图像信息和双目图像信息，对机器臂与作业对象之间、机械臂之间、作业对象与作业环境之间的相对位置的判断更精确，且不会存在视觉死角。因此，操作人员通过3D虚拟作业场景进行作业监控，操作精度更高，可以防止碰撞发生，提高了作业安全性。

(3)对于需要精确定位的带电操作，如拆接隔离刀闸、跌落式熔断器及避雷器两端导线等，数据处理和控制系统根据所述作业场景图像获取机械臂与作业对象之间的相对位置关系，根据所述相对位置关系和带电作业内容规划机械臂的空间路径，根据所述空间路径控制机械臂动作以完成带电作业，提高了机器人作业的自动化和作业精度，同时提高了作业安全性。

附图说明

图1为本发明带电作业机器人一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明中绝缘斗臂车的系统组成框图；

图3为本发明中机器人平台的结构示意图；

图4为本发明中机械臂的结构示意图。

图中，1为绝缘斗臂车、2为控制室、3为伸缩臂、4为机器人平台，46为绝缘子、43为第一机械臂、44为第二机械臂、42为辅助机械臂、48为第一工控机、45为双目摄像头、41为全景摄像头、410为深度摄像头、49为蓄电池、47为专用工具箱，431为基座、432为腰关节、433为肩关节、434为大臂、435为肘关节、436为小臂、437为腕关节。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明带电作业机器人的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合附图，带电作业机器人包括绝缘斗臂车1、控制室2、伸缩臂3、机器人平台4。其中，绝缘斗臂车1上架设控制室2和伸缩臂3，伸缩臂3末端连接机器人平台4，机器人平台4与控制室2之间采用光纤以太网通信或者无线网络通信。

绝缘斗臂车1可供操作人员驾驶，从而将机器人平台4运输到作业现场。绝缘斗臂车1上装有支撑腿，支撑腿可以展开，从而将绝缘斗臂车1与地面稳固支撑。绝缘斗臂车1上装有发电机，从而给控制室2及伸缩臂3供电。

伸缩臂3设有沿伸缩方向的驱动装置，操作人员可以通过控制驱动装置，从而将机器人平台4升降到作业高度。该伸缩臂3由绝缘材料制成，用于实现机器人平台4与控制室2的绝缘。在本发明中，伸缩臂3可有由剪叉式升降机构或其他机构代替。

作为一种实施方式，控制室2中设置有第二工控机、显示屏、第一主操作手、第二主操作手、辅助主操作手以及通信模块等。

作为一种实施方式，机器人平台4包括绝缘子46、第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42、第一工控机48、双目摄像头45、全景摄像头41、深度摄像头410、蓄电池49、专用工具箱47、通信模块。

机器人平台4的绝缘子46用于支撑第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42，将这三个机械臂的外壳与机器人平台4绝缘。

蓄电池49为第一工控机48、第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42、全景摄像头41、双目摄像头45、深度摄像头410、通信模块供电。

作为一种实施方式，双目摄像头45一共有三个，分别安装在第一机械臂43、第二机械臂44和辅助机械臂42的腕关节437上，负责采集作业场景的图像数据，并将图像数据发送给第二工控机。双目摄像头45由两个光轴平行的工业相机组成，平行光轴之间的距离固定。

深度摄像头410安装在机器人平台4正对作业场景的侧面，负责采集作业场景的景深数据，将景深数据发送给第二工控机。

全景摄像头41通过支架安装在机器人平台4的上方，负责采集作业场景的全景图像数据，将图像数据发送给第二工控机，并显示在显示器上，作业人员可以通过全景图像监控作业场景。

专用工具箱47是放置抓具、扳手等作业工具的场所。机械臂末端安装有工具快换装置。机械臂根据作业任务的类型到专用工具箱47中使用工具快换装置获取作业工具。

控制室2中第一主操作手、第二主操作手以及辅助主操作手是一种用于人工远程操作机械臂的操作装置，他们与第一机械臂43、第二机械臂44和辅助机械臂42构成主从操作关系。机械臂和主操作手具有相同的结构，只是主操作手尺寸规格比机械臂小，以便于操作人员操作。机械臂和主操作手拥有六个关节，每个关节都有光电编码器采集角度数据，各主操作手的微型控制器通过串口将六个关节的角度数据发送给第二工控机。

作为本发明一个实施例，所述机械臂为六自由度机构，包括基座431，旋转轴方向与基座平面垂直的腰关节432，与腰关节432连接的肩关节433，与肩关节433连接的大臂434，与大臂434连接的肘关节435，与肘关节435连接的小臂436，与小臂436连接的腕关节437，腕关节437由三个旋转关节组成，分别为腕俯仰关节、腕摇摆关节和腕旋转关节；所述六自由度机构中各个关节均具有相应的正交旋转编码器31和伺服驱动电机，正交旋转编码器31用于采集各个关节的角度数据，伺服驱动电机用于控制各关节的运动；第一工控机根据所述机械臂的空间路径解算出各关节的运动角度，控制伺服驱动电机按照所述运动角度控制机械臂各关节运动。

作为一种实施方式，机器人平台4与控制室2之间的数据传输通过光纤有线传输，或者使用无线网络传输。机器人平台4上的通信模块是光纤收发器，光纤收发器用于实现光纤中的光信号与双绞线中的电信号的相互转换，从而在通信上实现机器人平台4与控制室2的电气隔离。控制室2中的通信模块是光纤收发器，光纤收发器用于实现光纤中的光信号与双绞线中的电信号的相互转换，从而在通信上实现机器人平台4与控制室2的电气隔离。

作为一种实施方式，第二工控机可以完成以下任务：

建立动作序列库。预先将各项带电作业任务分解为作用序列，组成动作序列库，存储在第二工控机中，用于机械臂路径规划。

建立作业对象模型库。预先制作各项带电作业任务所涉及的作业对象的三维模型和目标识别模型，例如，根据电力塔杆、电线、耐张绝缘子、隔离刀闸、避雷器等器件实物，制作三维模型和目标识别模型，用于带电作业机器人自动识别作业对象，构建作业场景三维虚拟场景。

建立机械臂和专用工具模型库。预先制作机械臂和专用工具的三维模型和目标识别模型，例如，扳手等，用于带电作业机器人自动构建作业场景三维虚拟场景，规划机械臂空间路径。

获取图像数据。获取全景图像、深度图像和双目图像的数据信息。

根据图像数据识别和跟踪作业目标。

获取主操作手的角度、角速度和角加速度数据，获取机械臂的角度、角速度和角加速度数据。

对相关图像数据进行处理和计算，获取机械臂位置，获取作业对象的位置，获取机械臂与作业对象之间的相对位置，并根据相对位置和作业任务规划机械臂的空间路径。

根据图像数据构建作业对象三维场景，根据机械臂角度信息和作业对象三维场景获得机械臂与作业对象的相对位置，并根据相对位置和作业任务规划机械臂的空间路径。

对相关图像数据进行处理和计算，构建3D虚拟作业场景，送显示器显示，操作人员根据3D虚拟作业场景监控作业过程。与全景图像相比，3D虚拟作业场景综合和深度图像信息和双目图像信息，对机器臂与作业对象之间、机械臂之间、作业对象与作业环境之间的相对位置的判断更精确，且不会存在视觉死角。因此，操作人员通过3D虚拟作业场景进行作业监控，操作精度更高，可以防止碰撞发生，提高了安全性。同时，3D虚拟作业场景显示在控制室2中的显示器上，远离机械臂作业现场，提高了人作业人员的人身安全。

作为一种实施方式，第一工控机可以完成以下任务：

根据第二工控机发送的主操作手各关节的角度信息，控制机械臂各关节的运动。

获取第二工控机发送的机械臂的空间路径数据，根据作业任务的动作序列，解算出机械臂各关节的角度数据运动量，并控制机械臂各关节运动。

本发明中，第一机械臂和第二机械臂相互配合，可以模仿人的两个手的作业顺序完成带电作业。考虑到灵活性，可以再增加一个强壮的辅助机械臂，此时，辅助机械臂专司器件夹持等力道大的动作，第一机械臂和第二机械臂则进行相关业务操作。

根据第二工控机和第一工控机完成的不同任务的组合，本发明带电作业机器人既可以由作业人员进行远程摇操作以完成带电作业，又可以进行自主带电作业。在进行带电作业之前，作业人员先通过观察全景图像，将机器人平台4移动至作业对象附近。

如果选择人工远程摇操作，则由第二工控机根据数目图像和深度图像构建3D虚拟作业场景并送显示器显示，作业人员通过3D虚拟作业场景监控操作过程，通过主操作手控制机械臂的动作，以完成带电作业。在此过程中，作业人员改变主操作手姿态后，主操作手中各关节的光电编码器采集各关节角度，各主操作手的微型控制器通过串口将各关节的角度数据发送给第二工控机。第二工控机将主操作手各关节的角度数据作为机械臂各关节角度的期望值发送给第一工控机，第一工控机根据角度期望值通过伺服电机控制机械臂各关节的运动，已完成带电作业。

如果选择自主作业，则由第二工控机根据数目图像和深度图像计算获取作业对象和机械臂之间的相对位置关系，然后依据作业任务所对应的动作序列进行机械臂空间路径规划，并将空间路径发送给第一工控机，第一工控机解算出机械臂各关节需要转动的角度数据作为机械臂各关节角度的期望值，通过伺服电机控制机械臂各关节的运动，已完成带电作业。