一种带电作业机器人数据通信系统的制作方法

实用新型属于电力技术领域，具体涉及一种带电作业机器人数据通信系统。

背景技术：

目前，我国高压带电作业主要使用人工作业。即便已经出现代替人工作业的机器人，其安全性也不能得到保障，仍然需要人工对其作业进行监控。由于输电线路机器人一般采用高空作业，操作人员在地面上通过目视无法及时有效地发现机器人作业过程中发生的故障。为避免或减小机器人作业引发的安全事故，需要设计针对输电线路带电作业机器人的专用监控系统。

我国带电作业机器人起步较晚，目前仍然没有针对输电线路带电作业机器人的监控方案，电网、机器人和操作人员的安全不能得到保障。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题为，为带电作业机器人提供一套通信系统，提高了带电作业机器人的自动化程度和控制的实时性。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种带电作业机器人数据通信系统，包括带电作业机器人、多路图像传输子系统、指令\数据光纤传输子系统和指令\数据无线冗余子系统；

所述多路图像传输子系统，包括双目摄像头、深度摄像头、全景摄像头、主控柜光交换机、从控柜光交换机和第一工控机；双目摄像头、深度摄像头、全景摄像头均通过网线与从控柜光交换机的双绞线以太网口连接，采用以太网口传输所拍摄到的图像；所述从控柜光交换机采用千兆工业级以太网交换机，各摄像机和第一工控机均单独使用从控柜光交换机的VLAN接口；从控柜光交换机通三个光口与主控柜光交换机相连，用于从控柜光交换机向主控柜光交换机发送数据；主控柜光交换机通过另外三个光口与从控柜光交换机相连，用于主控柜光交换机向从控柜光交换机发送数据；主控柜光交换机通过三个双绞线以太网口与第三工控机相连；

所述指令\数据光纤传输子系统，包括第一工控机、主控柜光交换机、从控柜光交换机和第二工控机；第一工控机将采集到的机械臂关节角度信息通过网口传输到从控柜光交换机；从控柜光交换机通过一光口与主控柜光交换机的一光口相连，主控柜光交换机通过双绞线以太网口与第二工控机相连；第二工控机通过主控柜光交换机和从控柜光交换机将机械臂空间路径数据传输给第一工控机；

所述指令\数据无线冗余子系统包括第一工控机、全景摄像头、从控柜无线网桥、主控柜无线网桥和第二工控机；从控柜无线网桥将全景摄像头的图像数据和第一工控机采集到的机械臂关节角度信息发送给主控柜无线网桥；主控柜无线网桥将接收到的数据发送给第二工控机；同样地，第二工控机通过该链路发送控制指令给第一工控机。

进一步，所述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，数据采集系统以及数据处理和控制系统；所述数据采集系统为设置在机器人平台上的用于采集机械臂作业场景图像的双目摄像头、深度摄像头、全景摄像头；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；所述数据处理和控制系统包括第一工控机、第二工控机、第三工控机，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得机械臂与作业对象之间的相对位置关系，第三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还包括显示屏和主操作手，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得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机械臂各关节运动。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点在于，本实用新型通信系统可以保证多路高分辨率监控图像和实时控制信号同时传输，具备较强的数据吞吐能力；图像数据与控制信号采用不同的传输通路，减小了带电作业机器人实时控制的延时；通信系统配备了无线信道硬件冗余，使带电作业机器人在故障时仍具有一定的可控性。

附图说明

图1为本实用新型带电作业机器人一种实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型中绝缘斗臂车的系统组成框图；

图3为本实用新型中机器人平台的结构示意图；

图4为本实用新型中机械臂的结构示意图；

图5为本实用新型通信系统原理框图；

图6为本实用新型通信系统拓扑结构图。

具体实施方式

容易理解，依据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型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实用新型带电作业机器人数据通信系统的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型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。在本实用新型中，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、第三工控机、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。

作为本实用新型一个实施例，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。

所述主操作手22与第一机械臂43、第二机械臂44同构。主操作手22由机械臂等比例缩小的连杆30、正交旋转编码器31、控制按钮32和微控制器33组成。正交旋转编码器31联接在主操作手22的各个关节上，检测各个关节角度，并将表示关节角度的模拟信号传输到微控制器33。控制按钮32连接到微控制器33的输入端口上，用于向微控制器33发送控制指令。微控制器采集正交旋转编码器31的模拟信号并将其数字化后发送给主控柜，采集控制按钮32发来的控制信号并发送给主控柜。

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；

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；

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，第三工控机可以完成以下任务：根据相对位置和作业任务规划机械臂的空间路径。

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。

本实用新型中，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、第二工控机和第一工控机完成的不同任务的组合，本实用新型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，第三工控机依据相对位置关系和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。

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。

数据通信系统具体结构如下：

绝缘斗臂车1上设置有主控柜20，机器人平台4上设置有从控柜40。其中，主操作手的输出接主控柜20输入，主控制柜20的输出接显示器21的输入。主控柜20包括第二工控机26、第三工控机23、主控柜光交换机27和主控柜无线网桥28。

第二工控机26接收并处理多个摄像头通过光纤传输来的图像，并将处理结果发送给第三工控机23。在遥操作工作方式，第二工控机26下读取主操作手22的控制信号并通过无线网桥28传输到从控柜40中的第一工控机。在自主作业中，第三工控机23接收第二工控机23图像处理得到的信息，结合要执行的动作序列，完成笛卡尔空间路径规划和关节空间运动规划，并将控制信息传输到从控柜40。

从控柜40包括第一工控机52、稳压电源53、伺服电机驱动器55、运动控制器54、从控柜光交换机50和从控柜无线网桥51。稳压电源53分别给第一工控机52、伺服电机驱动器55、运动控制器54、光交换机50和无线网桥51供电。伺服电机驱动器55接收运动控制器54的控制信号，将其转换成驱动信号驱动机械臂的伺服电机旋转。运动控制器54与第一工控机52相连，接收第一工控机52发来关节位置控制信号，并将其转换成电机控制信号发送给伺服电机驱动器55。

所述带电作业机器人通信系统由多路图像传输子系统、指令\数据光纤传输子系统和指令\数据无线冗余子系统三部分组成。

所述多路图像传输子系统，包括双机械臂上的两组双目摄像头45和全景摄像头41 共计5只摄像头，主控柜光交换机27、从控柜光交换机50和第三工控机23。两组双目摄像头45和全景摄像头41共计5只摄像头都采用以太网口传输所拍摄到的图像，5只摄像头引出5条网线接在从控柜光交换机50的5个双绞线以太网口上。所述从控柜光交换机50采用千兆工业级以太网交换机，其单个端口的传输带宽为1Gbps。由于所述摄像头均为机器视觉相机，其传输数据量较大，只用一条传输通道无法传输全部的图像数据，因此多路图像传输子系统划分了多个VLAN、采用多条传输通道来传输图像数据。每组双目摄像头45的两只摄像头所接端口被划分为同一个VLAN，分别为VLAN2和 VLAN3。全景相机所接端口被划分VLAN4。从控柜光交换机50通过3个光口与主控柜光交换机27相连，这三个端口分别被划分在VLAN2、VLAN3和VLAN4中。类似地，主控柜光交换机27通过3个光口与从控柜光交换机50相连，这三个端口分别被划分在VLAN2、VLAN3和VLAN4中。主控柜光交换机27通过3个双绞线以太网口与第三工控机23相连，这三个端口分别被划分在VLAN2、VLAN3和VLAN4中。第三工控机23外扩多个以太网卡，不同VLAN发送来的数据可以由不同的网卡采集并发送给第三工控机23的不同的进程处理。

所述指令\数据光纤传输子系统，包括第一工控机52、主控柜光交换机27、从控柜光交换机50和第二工控机26。第一工控机52将采集到的双机械臂位姿信息和实时控制参数通过网口传输到从控柜光交换机50。从控柜光交换机50通过光口与主控柜光交换机27的光口相连，(图像、电信号、光信号之间的转换)主控柜光交换机27通过双绞线以太网口与第二工控机26相连。同样地，第二工控机26将控制指令通过该链路传输到第一工控机52，即第二工控机26与第二工控机52通过该传输路径传输数据。该条链路上的端口都被划分到VLAN5中，以实现控制信号与图像数据的隔离，从而保证控制信号传输的实时性。

所述指令\数据无线冗余子系统，是指令\数据光纤传输子系统的硬冗余，当以太网通讯出现故障时，采用该子系统控制双机械臂系统紧急停止。指令\数据无线冗余子系统包括第二工控机52、全景摄像头41、从控柜无线网桥51、主控柜无线网桥28、和第二工控机26。当以太网子系统发生故障时，通过从控柜无线网桥51将全景摄像头41的图像数据和第一工控机52实时控制信息发送给主控柜无线网桥28。主控柜无线网桥28 将接收到的数据发送给第二工控机26。同样地，第二工控机通过该链路发送控制指令给第一工控机，即第二工控机26与第一工控机52通过该传输路径传输数据。