本發(fā)明屬于電力技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人。

背景技術(shù)：

目前，我國高壓帶電作業(yè)主要采用絕緣手套作業(yè)法，要求操作人員攀爬高壓鐵塔或借助絕緣斗臂車進(jìn)行不停電作業(yè)，即要求人工帶電作業(yè)。但人工帶電作業(yè)意味著操作人員要處在高空、高壓、強(qiáng)電磁場的危險環(huán)境中，勞動強(qiáng)度大，且人體姿態(tài)不易控制，即使嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)范并增加絕緣防護(hù)措施，也無法完全緩解作業(yè)人員的精神壓力和體力損耗，稍有不慎就容易發(fā)生人身傷亡事故，給家庭和社會帶來嚴(yán)重的損失。

雖然國內(nèi)已研發(fā)有帶電作業(yè)機(jī)器人，但仍然需要操作人員在絕緣斗內(nèi)隨機(jī)器人升至線路附近，并沒有從根本上解決操作人員的安全問題。并且，該作業(yè)機(jī)器人完全由操作人員控制，并不能自主完成帶電作業(yè)，較傳統(tǒng)的絕緣手套作業(yè)法反而降低了工作效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種帶電作業(yè)機(jī)器人，既可以遙控操作完成帶電作業(yè)，也可以自主完成帶電作業(yè)；在遙控操作，操作人員遠(yuǎn)距離作業(yè)，遠(yuǎn)離帶電作業(yè)現(xiàn)場，提高了帶電作業(yè)的安全性；自主作業(yè)時，在操作人員遠(yuǎn)離帶電作業(yè)現(xiàn)場的情況下，可以精確高效地完成帶電作業(yè)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種帶電作業(yè)機(jī)器人，包括絕緣斗臂車，搭載在絕緣斗臂車上的機(jī)器人平臺，安裝在機(jī)器人平臺上的機(jī)械臂，還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括設(shè)置在機(jī)器人平臺上的攝像機(jī)，攝像機(jī)用于采集機(jī)械臂作業(yè)場景圖像，并將所述作業(yè)場景圖像發(fā)送給數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)根據(jù)所述作業(yè)場景圖像生成3D虛擬作業(yè)場景或者規(guī)劃出機(jī)械臂空間路徑。

進(jìn)一步，數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)根據(jù)所述作業(yè)場景圖像獲取機(jī)械臂與作業(yè)對象之間的相對位置關(guān)系，根據(jù)所述相對位置關(guān)系和帶電作業(yè)內(nèi)容規(guī)劃機(jī)械臂的空間路徑，根據(jù)所述空間路徑控制機(jī)械臂動作以完成帶電作業(yè)。

進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)包括第一工控機(jī)、第二工控機(jī)，第二工控機(jī)內(nèi)置圖像處理器和帶電作業(yè)動作序列庫，所述帶電作業(yè)動作序列庫中預(yù)先存儲有各項帶電作業(yè)對應(yīng)的動作序列數(shù)據(jù)；所述攝像機(jī)采集的作業(yè)場景圖像發(fā)送給第二工控機(jī)，圖像處理器對作業(yè)場景圖像進(jìn)行處理后獲的機(jī)械臂與作業(yè)對象之間的相對位置關(guān)系，第二工控機(jī)根據(jù)所述相對位置關(guān)系以及具體帶電作業(yè)所對應(yīng)的動作序列規(guī)劃機(jī)械臂的空間路徑，并將所述機(jī)械臂的空間路徑數(shù)據(jù)發(fā)送給第一工控機(jī)；第一工控機(jī)根據(jù)所述機(jī)械臂的空間路徑控制機(jī)械臂動作。

進(jìn)一步，所述機(jī)械臂包括第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂，所述攝像機(jī)包括雙目攝像頭，所述第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂上均搭載有雙目攝像頭，所述第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂使用作業(yè)工具相互配合完成帶電作業(yè)。

進(jìn)一步，所述機(jī)械臂包括第一機(jī)械臂、第二機(jī)械臂和輔助機(jī)械臂，所述攝像機(jī)包括雙目攝像頭，所述第一機(jī)械臂、第二機(jī)械臂和輔助機(jī)械臂上均搭載有雙目攝像頭，所述第一機(jī)械臂、第二機(jī)械臂和輔助機(jī)械臂配合完成帶電作業(yè)，其中，輔助機(jī)械臂用于夾持作業(yè)對象，第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂使用作業(yè)工具進(jìn)行作業(yè)操作。

進(jìn)一步，所述絕緣斗臂車上設(shè)置有控制室，所述數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)包括第一工控機(jī)、第二工控機(jī)、顯示屏和主操作手，第二工控機(jī)內(nèi)置圖像處理器，顯示屏和主操作手位于控制室內(nèi)；主操作手與機(jī)械臂為主從操作關(guān)系，通過改變主操作手的姿態(tài)控制機(jī)械臂運(yùn)動；所述攝像機(jī)采集的作業(yè)場景圖像發(fā)送給第二工控機(jī)，圖像處理器對作業(yè)場景圖像進(jìn)行處理后獲的3D虛擬作業(yè)場景，并送顯示器顯示。

進(jìn)一步，所述機(jī)械臂包括第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂，所述攝像機(jī)包括雙目攝像頭和深度攝像頭，所述第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂上均搭載有雙目攝像頭；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別用于控制第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂。

進(jìn)一步，所述機(jī)械臂包括第一機(jī)械臂、第二機(jī)械臂和輔助機(jī)械臂，所述攝像機(jī)包括雙目攝像頭和深度攝像頭，所述第一機(jī)械臂、第二機(jī)械臂和輔助機(jī)械臂上均搭載有雙目攝像頭，所述主操作手包括第一主操作手、第二主操作手、輔助主操作手；第一主操作手、第二主操作手以及輔助主操作手分別用于控制第一機(jī)械臂、第二機(jī)械臂和輔助機(jī)械臂。

進(jìn)一步，所述攝像機(jī)還包括全景攝像頭。

進(jìn)一步，所述機(jī)械臂或者主操作手為六自由度機(jī)構(gòu)，包括基座，旋轉(zhuǎn)軸方向與基座平面垂直的腰關(guān)節(jié)，與腰關(guān)節(jié)連接的肩關(guān)節(jié)，與肩關(guān)節(jié)連接的大臂，與大臂連接的肘關(guān)節(jié)，與肘關(guān)節(jié)連接的小臂，與小臂連接的腕關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)由三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，分別為腕俯仰關(guān)節(jié)、腕搖擺關(guān)節(jié)和腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；所述六自由度機(jī)構(gòu)中各個關(guān)節(jié)均具有相應(yīng)的正交旋轉(zhuǎn)編碼器和伺服驅(qū)動電機(jī)，正交旋轉(zhuǎn)編碼器用于采集各個關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)，伺服驅(qū)動電機(jī)用于控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動；第一工控機(jī)根據(jù)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角度的期望值，通過控制伺服驅(qū)動電機(jī)控制按機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)動。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明采用機(jī)器人進(jìn)行帶電作業(yè)，作業(yè)人員可以通過主操作手遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人，機(jī)器人控制信號由無線或光纖傳輸，可保證作業(yè)人員與高壓電場隔離；

(2)遠(yuǎn)程遙控操作時，操作人員根據(jù)3D虛擬作業(yè)場景監(jiān)控作業(yè)過程，與全景圖像相比，3D虛擬作業(yè)場景綜合和深度圖像信息和雙目圖像信息，對機(jī)器臂與作業(yè)對象之間、機(jī)械臂之間、作業(yè)對象與作業(yè)環(huán)境之間的相對位置的判斷更精確，且不會存在視覺死角。因此，操作人員通過3D虛擬作業(yè)場景進(jìn)行作業(yè)監(jiān)控，操作精度更高，可以防止碰撞發(fā)生，提高了作業(yè)安全性。

(3)對于需要精確定位的帶電操作，如拆接隔離刀閘、跌落式熔斷器及避雷器兩端導(dǎo)線等，數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)根據(jù)所述作業(yè)場景圖像獲取機(jī)械臂與作業(yè)對象之間的相對位置關(guān)系，根據(jù)所述相對位置關(guān)系和帶電作業(yè)內(nèi)容規(guī)劃機(jī)械臂的空間路徑，根據(jù)所述空間路徑控制機(jī)械臂動作以完成帶電作業(yè)，提高了機(jī)器人作業(yè)的自動化和作業(yè)精度，同時提高了作業(yè)安全性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明帶電作業(yè)機(jī)器人一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中絕緣斗臂車的系統(tǒng)組成框圖；

圖3為本發(fā)明中機(jī)器人平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1為絕緣斗臂車、2為控制室、3為伸縮臂、4為機(jī)器人平臺，46為絕緣子、43為第一機(jī)械臂、44為第二機(jī)械臂、42為輔助機(jī)械臂、48為第一工控機(jī)、45為雙目攝像頭、41為全景攝像頭、410為深度攝像頭、49為蓄電池、47為專用工具箱，431為基座、432為腰關(guān)節(jié)、433為肩關(guān)節(jié)、434為大臂、435為肘關(guān)節(jié)、436為小臂、437為腕關(guān)節(jié)。

具體實(shí)施方式

容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)明帶電作業(yè)機(jī)器人的多種實(shí)施方式。因此，以下具體實(shí)施方式和附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。

結(jié)合附圖，帶電作業(yè)機(jī)器人包括絕緣斗臂車1、控制室2、伸縮臂3、機(jī)器人平臺4。其中，絕緣斗臂車1上架設(shè)控制室2和伸縮臂3，伸縮臂3末端連接機(jī)器人平臺4，機(jī)器人平臺4與控制室2之間采用光纖以太網(wǎng)通信或者無線網(wǎng)絡(luò)通信。

絕緣斗臂車1可供操作人員駕駛，從而將機(jī)器人平臺4運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)現(xiàn)場。絕緣斗臂車1上裝有支撐腿，支撐腿可以展開，從而將絕緣斗臂車1與地面穩(wěn)固支撐。絕緣斗臂車1上裝有發(fā)電機(jī)，從而給控制室2及伸縮臂3供電。

伸縮臂3設(shè)有沿伸縮方向的驅(qū)動裝置，操作人員可以通過控制驅(qū)動裝置，從而將機(jī)器人平臺4升降到作業(yè)高度。該伸縮臂3由絕緣材料制成，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺4與控制室2的絕緣。在本發(fā)明中，伸縮臂3可有由剪叉式升降機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)代替。

作為一種實(shí)施方式，控制室2中設(shè)置有第二工控機(jī)、顯示屏、第一主操作手、第二主操作手、輔助主操作手以及通信模塊等。

作為一種實(shí)施方式，機(jī)器人平臺4包括絕緣子46、第一機(jī)械臂43、第二機(jī)械臂44、輔助機(jī)械臂42、第一工控機(jī)48、雙目攝像頭45、全景攝像頭41、深度攝像頭410、蓄電池49、專用工具箱47、通信模塊。

機(jī)器人平臺4的絕緣子46用于支撐第一機(jī)械臂43、第二機(jī)械臂44、輔助機(jī)械臂42，將這三個機(jī)械臂的外殼與機(jī)器人平臺4絕緣。

蓄電池49為第一工控機(jī)48、第一機(jī)械臂43、第二機(jī)械臂44、輔助機(jī)械臂42、全景攝像頭41、雙目攝像頭45、深度攝像頭410、通信模塊供電。

作為一種實(shí)施方式，雙目攝像頭45一共有三個，分別安裝在第一機(jī)械臂43、第二機(jī)械臂44和輔助機(jī)械臂42的腕關(guān)節(jié)437上，負(fù)責(zé)采集作業(yè)場景的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機(jī)。雙目攝像頭45由兩個光軸平行的工業(yè)相機(jī)組成，平行光軸之間的距離固定。

深度攝像頭410安裝在機(jī)器人平臺4正對作業(yè)場景的側(cè)面，負(fù)責(zé)采集作業(yè)場景的景深數(shù)據(jù)，將景深數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機(jī)。

全景攝像頭41通過支架安裝在機(jī)器人平臺4的上方，負(fù)責(zé)采集作業(yè)場景的全景圖像數(shù)據(jù)，將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機(jī)，并顯示在顯示器上，作業(yè)人員可以通過全景圖像監(jiān)控作業(yè)場景。

專用工具箱47是放置抓具、扳手等作業(yè)工具的場所。機(jī)械臂末端安裝有工具快換裝置。機(jī)械臂根據(jù)作業(yè)任務(wù)的類型到專用工具箱47中使用工具快換裝置獲取作業(yè)工具。

控制室2中第一主操作手、第二主操作手以及輔助主操作手是一種用于人工遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂的操作裝置，他們與第一機(jī)械臂43、第二機(jī)械臂44和輔助機(jī)械臂42構(gòu)成主從操作關(guān)系。機(jī)械臂和主操作手具有相同的結(jié)構(gòu)，只是主操作手尺寸規(guī)格比機(jī)械臂小，以便于操作人員操作。機(jī)械臂和主操作手擁有六個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都有光電編碼器采集角度數(shù)據(jù)，各主操作手的微型控制器通過串口將六個關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機(jī)。

作為本發(fā)明一個實(shí)施例，所述機(jī)械臂為六自由度機(jī)構(gòu)，包括基座431，旋轉(zhuǎn)軸方向與基座平面垂直的腰關(guān)節(jié)432，與腰關(guān)節(jié)432連接的肩關(guān)節(jié)433，與肩關(guān)節(jié)433連接的大臂434，與大臂434連接的肘關(guān)節(jié)435，與肘關(guān)節(jié)435連接的小臂436，與小臂436連接的腕關(guān)節(jié)437，腕關(guān)節(jié)437由三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，分別為腕俯仰關(guān)節(jié)、腕搖擺關(guān)節(jié)和腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；所述六自由度機(jī)構(gòu)中各個關(guān)節(jié)均具有相應(yīng)的正交旋轉(zhuǎn)編碼器31和伺服驅(qū)動電機(jī)，正交旋轉(zhuǎn)編碼器31用于采集各個關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)，伺服驅(qū)動電機(jī)用于控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動；第一工控機(jī)根據(jù)所述機(jī)械臂的空間路徑解算出各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度，控制伺服驅(qū)動電機(jī)按照所述運(yùn)動角度控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)動。

作為一種實(shí)施方式，機(jī)器人平臺4與控制室2之間的數(shù)據(jù)傳輸通過光纖有線傳輸，或者使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。機(jī)器人平臺4上的通信模塊是光纖收發(fā)器，光纖收發(fā)器用于實(shí)現(xiàn)光纖中的光信號與雙絞線中的電信號的相互轉(zhuǎn)換，從而在通信上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺4與控制室2的電氣隔離?？刂剖?中的通信模塊是光纖收發(fā)器，光纖收發(fā)器用于實(shí)現(xiàn)光纖中的光信號與雙絞線中的電信號的相互轉(zhuǎn)換，從而在通信上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺4與控制室2的電氣隔離。

作為一種實(shí)施方式，第二工控機(jī)可以完成以下任務(wù)：

建立動作序列庫。預(yù)先將各項帶電作業(yè)任務(wù)分解為作用序列，組成動作序列庫，存儲在第二工控機(jī)中，用于機(jī)械臂路徑規(guī)劃。

建立作業(yè)對象模型庫。預(yù)先制作各項帶電作業(yè)任務(wù)所涉及的作業(yè)對象的三維模型和目標(biāo)識別模型，例如，根據(jù)電力塔桿、電線、耐張絕緣子、隔離刀閘、避雷器等器件實(shí)物，制作三維模型和目標(biāo)識別模型，用于帶電作業(yè)機(jī)器人自動識別作業(yè)對象，構(gòu)建作業(yè)場景三維虛擬場景。

建立機(jī)械臂和專用工具模型庫。預(yù)先制作機(jī)械臂和專用工具的三維模型和目標(biāo)識別模型，例如，扳手等，用于帶電作業(yè)機(jī)器人自動構(gòu)建作業(yè)場景三維虛擬場景，規(guī)劃機(jī)械臂空間路徑。

獲取圖像數(shù)據(jù)。獲取全景圖像、深度圖像和雙目圖像的數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)圖像數(shù)據(jù)識別和跟蹤作業(yè)目標(biāo)。

獲取主操作手的角度、角速度和角加速度數(shù)據(jù)，獲取機(jī)械臂的角度、角速度和角加速度數(shù)據(jù)。

對相關(guān)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算，獲取機(jī)械臂位置，獲取作業(yè)對象的位置，獲取機(jī)械臂與作業(yè)對象之間的相對位置，并根據(jù)相對位置和作業(yè)任務(wù)規(guī)劃機(jī)械臂的空間路徑。

根據(jù)圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建作業(yè)對象三維場景，根據(jù)機(jī)械臂角度信息和作業(yè)對象三維場景獲得機(jī)械臂與作業(yè)對象的相對位置，并根據(jù)相對位置和作業(yè)任務(wù)規(guī)劃機(jī)械臂的空間路徑。

對相關(guān)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算，構(gòu)建3D虛擬作業(yè)場景，送顯示器顯示，操作人員根據(jù)3D虛擬作業(yè)場景監(jiān)控作業(yè)過程。與全景圖像相比，3D虛擬作業(yè)場景綜合和深度圖像信息和雙目圖像信息，對機(jī)器臂與作業(yè)對象之間、機(jī)械臂之間、作業(yè)對象與作業(yè)環(huán)境之間的相對位置的判斷更精確，且不會存在視覺死角。因此，操作人員通過3D虛擬作業(yè)場景進(jìn)行作業(yè)監(jiān)控，操作精度更高，可以防止碰撞發(fā)生，提高了安全性。同時，3D虛擬作業(yè)場景顯示在控制室2中的顯示器上，遠(yuǎn)離機(jī)械臂作業(yè)現(xiàn)場，提高了人作業(yè)人員的人身安全。

作為一種實(shí)施方式，第一工控機(jī)可以完成以下任務(wù)：

根據(jù)第二工控機(jī)發(fā)送的主操作手各關(guān)節(jié)的角度信息，控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動。

獲取第二工控機(jī)發(fā)送的機(jī)械臂的空間路徑數(shù)據(jù)，根據(jù)作業(yè)任務(wù)的動作序列，解算出機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)運(yùn)動量，并控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)動。

本發(fā)明中，第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂相互配合，可以模仿人的兩個手的作業(yè)順序完成帶電作業(yè)?？紤]到靈活性，可以再增加一個強(qiáng)壯的輔助機(jī)械臂，此時，輔助機(jī)械臂專司器件夾持等力道大的動作，第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂則進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)操作。

根據(jù)第二工控機(jī)和第一工控機(jī)完成的不同任務(wù)的組合，本發(fā)明帶電作業(yè)機(jī)器人既可以由作業(yè)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程搖操作以完成帶電作業(yè)，又可以進(jìn)行自主帶電作業(yè)。在進(jìn)行帶電作業(yè)之前，作業(yè)人員先通過觀察全景圖像，將機(jī)器人平臺4移動至作業(yè)對象附近。

如果選擇人工遠(yuǎn)程搖操作，則由第二工控機(jī)根據(jù)數(shù)目圖像和深度圖像構(gòu)建3D虛擬作業(yè)場景并送顯示器顯示，作業(yè)人員通過3D虛擬作業(yè)場景監(jiān)控操作過程，通過主操作手控制機(jī)械臂的動作，以完成帶電作業(yè)。在此過程中，作業(yè)人員改變主操作手姿態(tài)后，主操作手中各關(guān)節(jié)的光電編碼器采集各關(guān)節(jié)角度，各主操作手的微型控制器通過串口將各關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機(jī)。第二工控機(jī)將主操作手各關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)作為機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角度的期望值發(fā)送給第一工控機(jī)，第一工控機(jī)根據(jù)角度期望值通過伺服電機(jī)控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，已完成帶電作業(yè)。

如果選擇自主作業(yè)，則由第二工控機(jī)根據(jù)數(shù)目圖像和深度圖像計算獲取作業(yè)對象和機(jī)械臂之間的相對位置關(guān)系，然后依據(jù)作業(yè)任務(wù)所對應(yīng)的動作序列進(jìn)行機(jī)械臂空間路徑規(guī)劃，并將空間路徑發(fā)送給第一工控機(jī)，第一工控機(jī)解算出機(jī)械臂各關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動的角度數(shù)據(jù)作為機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角度的期望值，通過伺服電機(jī)控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，已完成帶電作業(yè)。