本發(fā)明屬于電力技術領域，具體涉及一種雙機械臂帶電作業(yè)機器人。

背景技術：

目前，廣泛采用的帶電作業(yè)技術主要是人工帶電作業(yè)，要求操作人員攀爬高壓鐵塔或借助絕緣斗臂車進行不停電作業(yè)。但人工帶電作業(yè)，意味著操作人員要處在高空、高壓、強電磁場的危險環(huán)境中，勞動強度大，且人體姿態(tài)不易控制，稍有不慎就容易發(fā)生人身傷亡事故。為解決人工帶電作業(yè)帶來的危險，以及提高作業(yè)效率，國內(nèi)外出現(xiàn)了使用機器人代替人工作業(yè)的帶電作業(yè)技術。

帶電作業(yè)機器人的研究成果主要采用主從機械臂的遙操作方法，作業(yè)人員通過主操作手遙控從機械臂。該方法保障了操作人員的安全，但仍對操作人員有較高要求，且具有如下缺點：要求作業(yè)人員具有較高的技術熟練度，且在作業(yè)過程中精神高度集中；作業(yè)緩慢，必須確保作業(yè)環(huán)境的安全后再進行下一步操作；若操作不當，可能損毀機械臂，嚴重影響作業(yè)效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題為：在遙操作工作方式基礎上，具有自主作業(yè)工作功能的雙機械臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法；采用自主作業(yè)方式，一方面可以保證操作人員的安全，另一方面也可以減少誤操作的發(fā)生，提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種雙機械臂帶電作業(yè)機器人，包括絕緣斗臂車，搭載在絕緣斗臂車上的機器人平臺，安裝在機器人平臺上的機械臂，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)；

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

所述絕緣斗臂車上設置有控制室，所述數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)包括第一工控機、第二工控機、顯示屏和主操作手，第二工控機內(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)動作序列庫中預先存儲有各項帶電作業(yè)對應的動作序列數(shù)據(jù)；顯示屏和主操作手位于控制室內(nèi)；主操作手與機械臂為主從操作關系，通過改變主操作手的姿態(tài)控制機械臂運動；

第二工控機生成械臂運動控制信號，并將械臂運動控制信號發(fā)送給第一工控機；

第一工控機根據(jù)械臂運動控制信號控制機械臂動作。

進一步，所述械臂運動控制信號為機械臂各關節(jié)角度的期望值；第二工控機采樣主操作手各關節(jié)的角度數(shù)據(jù)，第一工控機采集機械臂各關節(jié)的角度數(shù)據(jù)并發(fā)送給第二工控機，當主操作手各關節(jié)角度與機械臂各關節(jié)角度存在差異時，第二工控機將主操作手各關節(jié)角度作為機械臂各關節(jié)角的期望值發(fā)送給第一工控機，第一工控機根據(jù)角度期望值通過伺服電機控制機械臂各關節(jié)的運動。

進一步，所述攝像機采集的作業(yè)場景圖像發(fā)送給第二工控機，圖像處理器對作業(yè)場景圖像進行處理后獲的3D虛擬作業(yè)場景，并送顯示器顯示。

進一步，所述械臂運動控制信號為第二工控機規(guī)劃的機械臂空間路徑，第一工控機根據(jù)機械臂空間路徑解算出機械臂各關節(jié)角度的期望值，通過控制伺服驅(qū)動電機控制按機械臂各關節(jié)運動。

進一步，機械臂空間路徑的規(guī)劃方法為：以雙目攝像頭視野中心的一點作為作業(yè)對象參考點及圓弧中心點，以機械臂末端到作業(yè)對象參考點的距離作為弧面半徑，設定一圓弧面，雙目攝像機在該圓弧面上的不同角度采集作業(yè)對象的多幅雙目圖像，第二工控機根據(jù)雙目視覺測距原理對多幅雙目圖像進行處理獲得作業(yè)對象多角度的三維點云數(shù)據(jù)，使用迭代最近點算法對多角度三維點云數(shù)據(jù)進行融合和配準，建立作業(yè)對象三維模型；

第一工控機采集機械臂各關節(jié)的角度數(shù)據(jù)并發(fā)送給第二工控機；第二工控機根據(jù)作業(yè)對象三維模型、機械臂末端到作業(yè)對象參考點的距離以及機械臂各關節(jié)的角度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，獲得雙機械臂相對作業(yè)對象三維模型的位姿信息；

第二工控機根據(jù)雙機械臂相對作業(yè)對象三維模型的位姿信息和作業(yè)任務動作序列進行機器人笛卡爾空間和關節(jié)空間的路徑規(guī)劃。

進一步，所述機械臂或者主操作手為六自由度機構(gòu)，包括基座，旋轉(zhuǎn)軸方向與基座平面垂直的腰關節(jié)，與腰關節(jié)連接的肩關節(jié)，與肩關節(jié)連接的大臂，與大臂連接的肘關節(jié)，與肘關節(jié)連接的小臂，與小臂連接的腕關節(jié)，腕關節(jié)由三個旋轉(zhuǎn)關節(jié)組成，分別為腕俯仰關節(jié)、腕搖擺關節(jié)和腕旋轉(zhuǎn)關節(jié)；

所述六自由度機構(gòu)中各個關節(jié)均具有相應的正交旋轉(zhuǎn)編碼器和伺服驅(qū)動電機，正交旋轉(zhuǎn)編碼器用于采集各個關節(jié)的角度數(shù)據(jù)，伺服驅(qū)動電機用于控制各關節(jié)的運動；

第一工控機根據(jù)機械臂各關節(jié)角度的期望值，通過控制伺服驅(qū)動電機控制按機械臂各關節(jié)運動。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于，本發(fā)明可在不斷電不帶負荷的情況下通過帶電作業(yè)機器人的機械臂進行帶電作業(yè)；本發(fā)明使用帶電作業(yè)機器人由操作人員搖桿控制，對于作業(yè)人員勞動強度要求小，減少了作業(yè)強度大出現(xiàn)人為失誤的情況，大大提高了作業(yè)過程中的安全性，從一定程度上可以減少事故的發(fā)生。

附圖說明

圖1為本發(fā)明帶電作業(yè)機器人一種實施例的整體結(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)明中機器人平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明主操作手控制原理框圖。

圖6是本發(fā)明自主式作業(yè)控制方法流程圖。

具體實施方式

容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術方案，在不變更本發(fā)明的實質(zhì)精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想象出本發(fā)明雙機械臂帶電作業(yè)機器人的多種實施方式。因此，以下具體實施方式和附圖僅是對本發(fā)明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術方案的限制或限定。

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

絕緣斗臂車1可供操作人員駕駛，從而將機器人平臺4運輸?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，從而給控制室2及伸縮臂3供電。

伸縮臂3設有沿伸縮方向的驅(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，用于實現(xiàn)機器人平臺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構(gòu)或其他機構(gòu)代替。

作為一種實施方式，控制室2中設置有第二工控機、顯示屏、第一主操作手、第二主操作手以及通信模塊等。

作為一種實施方式，機器人平臺4包括絕緣子46、第一機械臂43、第二機械臂44、第一工控機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。

機器人平臺4的絕緣子46用于支撐第一機械臂43、第二機械臂44，將這三個機械臂的外殼與機器人平臺4絕緣。

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

作為一種實施方式，雙目攝像頭45一共有三個，分別安裝在第一機械臂43、第二機械臂44的腕關節(jié)437上，負責采集作業(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。雙目攝像頭45由兩個光軸平行的工業(yè)相機組成，平行光軸之間的距離固定。

深度攝像頭410安裝在機器人平臺4正對作業(yè)場景的側(cè)面，負責采集作業(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。

全景攝像頭41通過支架安裝在機器人平臺4的上方，負責采集作業(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，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。機械臂末端安裝有工具快換裝置。機械臂根據(jù)作業(yè)任務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、第二主操作手是一種用于人工遠程操作機械臂的操作裝置，他們與第一機械臂43、第二機械臂44構(gòu)成主從操作關系。機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)格比機械臂小，以便于操作人員操作。機械臂和主操作手擁有六個關節(jié)，每個關節(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節(jié)的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機。

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

作為一種實施方式，機器人平臺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)絡傳輸。機器人平臺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，從而在通信上實現(xiàn)機器人平臺4與控制室2的電氣隔離。控制室2中的通信模塊是光纖收發(fā)器，光纖收發(fā)器用于實現(xiàn)光纖中的光信號與雙絞線中的電信號的相互轉(zhuǎn)換，從而在通信上實現(xiàn)機器人平臺4與控制室2的電氣隔離。

作為一種實施方式，第二工控機可以完成以下任務：

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

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

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

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。

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

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

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

對相關圖像數(shù)據(jù)進行處理和計算，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，對機器臂與作業(yè)對象之間、機械臂之間、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，遠離機械臂作業(yè)現(xiàn)場，提高了人作業(yè)人員的人身安全。

作為一種實施方式，第一工控機可以完成以下任務：

根據(jù)第二工控機發(fā)送的主操作手各關節(jié)的角度信息，控制機械臂各關節(jié)的運動。

獲取第二工控機發(fā)送的機械臂的空間路徑數(shù)據(jù)，根據(jù)作業(yè)任務的動作序列，解算出機械臂各關節(jié)的角度數(shù)據(jù)運動量，并控制機械臂各關節(jié)運動。

本發(fā)明中，第一機械臂和第二機械臂相互配合，可以模仿人的兩個手的作業(yè)順序完成帶電作業(yè)。

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

如果選擇人工遠程搖操作，則由第二工控機根據(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，主操作手中各關節(jié)的光電編碼器采集各關節(jié)角度，各主操作手的微型控制器通過串口將各關節(jié)的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機。第二工控機將主操作手各關節(jié)的角度數(shù)據(jù)作為機械臂各關節(jié)角度的期望值發(fā)送給第一工控機，第一工控機根據(jù)角度期望值通過伺服電機控制機械臂各關節(jié)的運動，已完成帶電作業(yè)。

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

雙機械臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括第一機械臂43、第二機械臂44、機械臂上的雙目攝像頭45、全景攝像頭41、主操作手22、主控柜20、從控柜40；顯示器21。

作為一種實施方式，主操作手22由按機械臂等比例縮小的連桿30、正交旋轉(zhuǎn)編碼器31、控制按鈕32和微控制器33組成。正交旋轉(zhuǎn)編碼器31聯(lián)接在主操作手22的各個關節(jié)上，檢測各個關節(jié)角度，并將表示關節(jié)角度的模擬信號傳輸?shù)轿⒖刂破?3?？刂瓢粹o32連接到微控制器33的輸入端口上，用于向微控制器33發(fā)送控制指令。微控制器采集正交旋轉(zhuǎn)編碼器31的模擬信號并將其數(shù)字化后發(fā)送給主控柜，采集控制按鈕32發(fā)來的控制信號并發(fā)送給主控柜。

第二工控機外接工作方式切換開關，用于指定當前雙機械臂控制系統(tǒng)的工作方式。包含遙操作和自主兩種工作方式。當系統(tǒng)復位或切換開關設置為遙操作模式時，系統(tǒng)工作在遙操作模式下。當切換開關設置為自主作業(yè)模式時，系統(tǒng)工作在自主作業(yè)模式下。

雙機械臂遙操作控制方法為：

定時采樣主操作手六個關節(jié)的關節(jié)角度和機械臂六個關節(jié)的關節(jié)角度，當主操作手關節(jié)角度與機械臂關節(jié)角度存在差異時，以主操作手的關節(jié)角度作為機械臂關節(jié)角的期望值，通過伺服控制器驅(qū)動機械臂不斷趨近于主操作手的姿態(tài)，最終使主操作手與機械臂關節(jié)角度達到一致。

雙機械臂自主式控制方法，包括如下步驟：

第一，根據(jù)作業(yè)規(guī)范，將作業(yè)任務分解成動作序列，建立各種作業(yè)任務的動作序列庫。

第二，作業(yè)人員通過全景攝像頭監(jiān)控作業(yè)場景，操縱主操作手，調(diào)整雙機械臂到合適的位置和姿態(tài)，完成機械臂的位姿初始化。合適的位姿是指：可以保證機械臂處于該位姿時，能從機械臂上的雙目攝像頭拍到的圖像中識別并鎖定作業(yè)對象。并保證作業(yè)對象處于圖像中的合理位置，以確保在機械臂的移動過程中仍能跟蹤作業(yè)對象。

第三，第二工控機由雙目攝像頭拍攝的圖像，根據(jù)雙目視覺測距原理，獲得所拍攝作業(yè)對象的三維點云數(shù)據(jù)。由于雙目攝像頭固定于機械臂末端，隨著機械臂的移動，可獲得多組三維點云。對多組不同位置的三維點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，即可重構(gòu)出作業(yè)對象精確的三維模型。

第四，為重構(gòu)出作業(yè)對象精確的三維模型，同時保證重構(gòu)中機械臂的運動不與障礙物相撞，規(guī)劃機械臂末端在一圓弧面內(nèi)運動。因此，選定機械臂位姿初始化后處于視野中心的一點作為作業(yè)對象參考點及圓弧中心點，選定機械臂末端到作業(yè)對象參考點的距離作為弧面半徑，作一圓弧面作為機械臂末端規(guī)劃路徑。第二工控機根據(jù)所得點云數(shù)據(jù)，獲得上述弧面信息并發(fā)送給第一工控機。第一工控機根據(jù)第二工控機發(fā)來的圓弧面信息，在該弧面作一條軌線作為機械臂的笛卡爾空間位置規(guī)劃路徑，將該規(guī)劃路徑信息作為控制信號傳輸至從控柜。從控柜根據(jù)該控制信號解算出關節(jié)角度，根據(jù)該關節(jié)角度作為控制器期望值，驅(qū)動機械臂關節(jié)旋轉(zhuǎn)。在沿圓弧面上的軌線運動過程中，雙目攝像頭和第二工控機繼續(xù)完成對作業(yè)對象表面點云數(shù)據(jù)的采集，并將其存儲以備下一步驟使用。

第五，第二工控機對上一步驟多角度獲得的三維點云數(shù)據(jù)根據(jù)迭代最近點算法進行融合和配準，建立作業(yè)對象高精度的三維模型。同時，第一工控機對從控柜發(fā)來的機械臂關節(jié)角度信息和第二工控機發(fā)來的機械臂末端到作業(yè)對象參考點的距離進行數(shù)據(jù)融合，獲得機械臂相對作業(yè)對象三維模型精確的位姿信息。

第六，第一工控機根據(jù)第五步得到的作業(yè)對象的三維模型、機械臂末端相對作業(yè)對象的位置關系和第一步的動作序列規(guī)定的當前要執(zhí)行的動作，確定機器人末端目標位姿，并進行機器人笛卡爾空間和關節(jié)空間路徑規(guī)劃。并將該規(guī)劃路徑信息作為控制信號傳輸至從控柜。從控柜根據(jù)該控制信號解算出關節(jié)角度，根據(jù)該關節(jié)角度驅(qū)動機械臂關節(jié)旋轉(zhuǎn)。

第七，若當前動作序列未結(jié)束。則回到第六步執(zhí)行動作序列中的下一動作。