一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人导线修补方法技术

本发明专利技术提出一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人导线修补方法。机械臂、主操作手以及工控机构成力反馈主从控制系统，工控机根据机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动，以改变机械臂的力度。本发明专利技术提高了作业临场感，可以更加精准地判断各项操作是否精准到位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人导线修补方法
本专利技术属于电力
，具体涉及一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人导线修补方法。
技术介绍
由于外力破坏和金具磨损等原因，输电架空线路可能会出现损伤，当导线的损伤较小时，可以使用缠绕法修补导线。通常做法是停电修补，若停电面积较大，会造成无法估量的损失，严重影响供电企业的经济效益和社会效益。现在广大研究人员也在积极研究带电作业修补导线的方法。但是人工的架空线路带电修补，作业人员将在高压带电线路附近作业，具有一定的安全隐患。配电线路中带电作业主要采用绝缘手套作业法，当架空线路上的导线需要带电修补时，作业人员将在高压带电线路附近作业，具有一定的安全隐患。在更换过程中需要对导线进行拆接，也会有触电的危险；作业人员在绝缘斗臂车上的绝缘斗上作业，有高处坠落的风险。此前，作业人员可以通过主操作手远程遥控机器人的带电作业机器人，可保证作业人员与高压电场隔离；远程遥控操作时，操作人员根据作业场景监控系统监控作业过程，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，操作精度更高，可以防止碰撞发生，提高了作业安全性。但是，在使用前述带电作业机器人进行精确定位的带电操作时，例如拆接隔离刀闸、跌落式熔断器及避雷器两端导线等，主要通过观察作业环境图像(包括实时图像和3D建模图像)来判断机械臂是否操作到位，对于机械臂与操作对象之间以及机械臂与机械臂之间接触力度大小并无感知，难以判断操作精度是否符合操作要求。如果操作人员或者控制系统能够感知机械臂与操作对象之间以及机械臂与机械臂之间接触力度大小，则可以更加精准地判断各项操作是否精准到位。由于力反馈主手能够同时实现多个自由度的位置控制与力反馈，把力反馈主手应用到带电作业机器人主从控制的需求非常强烈。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是，提出一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人带电修补10kv配电线路中架空线路导线作业方法，该方法提高了作业临场感，可以更加精准地判断各项操作是否精准到位。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人导线修补方法，带电作业机器人具有设置在机器人平台上的机械臂，包括第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂，第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂响应于控制数据完成以下工作：第一机械臂和第二机械臂分别安装带汽油棉布刷和钢丝刷；辅助机械臂安装夹持工具；辅助机械臂使用夹持工具夹持修补范围内的导线，第一机械臂带动带汽油棉布刷在待修补导线处来回移动，以清洁导线；第二机械臂带动钢丝刷在待修补导线处来回移动，以清除导线补强范围内的氧化物；第一机械臂和第二机械臂换装导电膏涂抹刷，使用导电膏涂抹刷在补强范围内的导线表面涂抹导电膏；第一机械臂和第二机械臂换装夹持工具，第一机械臂夹持预绞丝修补条至待修补导线位置，使预绞丝修补条中心点与修补范围内导线中心位置重合；辅助机械臂移动到预绞丝修补条中点同时夹持预绞丝修补条和导线；第一机械臂和第二机械臂分别使用夹持工具从中心向两侧、顺着外层导线的绞合方向，紧密缠绕预绞丝修补条至平整；第一机械臂和第二机械臂使用夹持工具将预绞丝修补条两端的线条边缘紧扣到位；在上述过程中，工控机根据机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；在上述过程中，操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动。进一步，所述机械臂末端受力数据由安装在机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得，其标量为六自由度力/力矩数据。进一步，所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，其由工控机根据机械臂的末端位姿数据和末端速度数据，使用基于虚拟现实技术计算获得，具体过程为：步骤1，运用八分法对机械臂作业场景对应的虚拟现实场景进行逐步划分，构建八叉树；步骤2，获取机械臂末端位姿数据，以该末端位姿数据为球心，创建包围球，设置包围球的半径为所需碰撞检测的距离；步骤3，对步骤2的包围球与步骤1的八叉树进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则机械臂末端的六自由度力/力矩数据为零，若发生碰撞，则获取虚拟现实场景中发生碰撞的数据点，根据发生碰撞的数据点坐标与机械臂末端位姿数据，计算碰撞深度矢量；步骤4，根据碰撞深度矢量计算机械臂末端六自由度力/力矩数据，即采用弹簧阻尼模型计算反馈力，F＝-kx-cv其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，c为阻尼系数，v为机械臂末端速度矢量，F为反馈力，其标量为六自由度力/力矩数据。进一步，对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手各个关节扭矩数据的转换关系，工控机根据所述转换关系计算出主操作手各个关节的扭矩数据。进一步，获取机械臂末端速度矢量期望值的方法为：运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的各个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系；工控机接收主操作手发送的各个旋转关节的角度数据，根据所述转换关系计算得到主操作手末端位姿数据，然后将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据；根据主操作手末端位姿数据和末端速度数据，使用速度前馈PID控制器，计算得到机械臂末端速度矢量期望值。进一步，在作业前，第一机械臂和第二机械臂端部安装夹持工具，用夹持工具夹持绝缘遮蔽材料对标记的带电体进行绝缘遮蔽；在作业完毕后，第一机械臂和第二机械臂端部安装夹持工具，用夹持工具清除覆盖在带电体上的绝缘遮蔽材料。进一步，所述主操作手包括第一主操作手、第二主操作手和辅助主操作手；第一主操作手、第二主操作手和辅助主操作手分别与第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂对应，构成主从操作关系。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；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。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)操作人员通过操控主操作手的末端，带电作业机械臂的末端能够跟随主操作手末端的姿态，操作人员看到的主操作手的姿态也是带电作业机械臂的姿态，这使得操作直观、灵活；(2)力反馈功能的引入使得遥操作不再是单一的姿态给定，操作人员能够感受带电作业机械臂与环境的接触力，拥有更好的操作临场感，从而提高操作机械臂的便捷性和精确度；另外，通过力觉反馈能够发现机械臂与环境的碰撞，从而减小危险的发生，弥补仅靠视觉操作的不足；(3)本专利技术通过构建好的虚拟现实场景，运用碰撞检测技术，在机械臂碰撞前输出反馈力，使得操作人员感受到反馈力，从而限制操作人员的操作行为，提高系统的安全性；本专利技术进一步为了避免主从操作导致机械臂与高压带电设备碰撞，通过力反馈的方式提醒与限制操作人员进一步操作。(4)本专利技术整体上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为本专利技术带电作业机器人一种实施例的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人导线修补方法，其特征在于，带电作业机器人具有设置在机器人平台上的机械臂，包括第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂，第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂响应于控制数据完成以下工作：第一机械臂和第二机械臂分别安装带汽油棉布刷和钢丝刷；辅助机械臂安装夹持工具；辅助机械臂使用夹持工具夹持修补范围内的导线，第一机械臂带动带汽油棉布刷在待修补导线处来回移动，以清洁导线；第二机械臂带动钢丝刷在待修补导线处来回移动，以清除导线补强范围内的氧化物；第一机械臂和第二机械臂换装导电膏涂抹刷，使用导电膏涂抹刷在补强范围内的导线表面涂抹导电膏；第一机械臂和第二机械臂换装夹持工具，第一机械臂夹持预绞丝修补条至待修补导线位置，使预绞丝修补条中心点与修补范围内导线中心位置重合；辅助机械臂移动到预绞丝修补条中点同时夹持预绞丝修补条和导线；第一机械臂和第二机械臂分别使用夹持工具从中心向两侧、顺着外层导线的绞合方向，紧密缠绕预绞丝修补条至平整；第一机械臂和第二机械臂使用夹持工具将预绞丝修补条两端的线条边缘紧扣到位；在上述过程中，工控机根据机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；在上述过程中，操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动。...

【技术特征摘要】
1.一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人导线修补方法，其特征在于，带电作业机器人具有设置在机器人平台上的机械臂，包括第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂，第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂响应于控制数据完成以下工作：第一机械臂和第二机械臂分别安装带汽油棉布刷和钢丝刷；辅助机械臂安装夹持工具；辅助机械臂使用夹持工具夹持修补范围内的导线，第一机械臂带动带汽油棉布刷在待修补导线处来回移动，以清洁导线；第二机械臂带动钢丝刷在待修补导线处来回移动，以清除导线补强范围内的氧化物；第一机械臂和第二机械臂换装导电膏涂抹刷，使用导电膏涂抹刷在补强范围内的导线表面涂抹导电膏；第一机械臂和第二机械臂换装夹持工具，第一机械臂夹持预绞丝修补条至待修补导线位置，使预绞丝修补条中心点与修补范围内导线中心位置重合；辅助机械臂移动到预绞丝修补条中点同时夹持预绞丝修补条和导线；第一机械臂和第二机械臂分别使用夹持工具从中心向两侧、顺着外层导线的绞合方向，紧密缠绕预绞丝修补条至平整；第一机械臂和第二机械臂使用夹持工具将预绞丝修补条两端的线条边缘紧扣到位；在上述过程中，工控机根据机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；在上述过程中，操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动。2.如权利要求1所述导线修补方法，其特征在于，所述机械臂末端受力数据由安装在机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得，其标量为六自由度力/力矩数据。3.如权利要求1所述导线修补方法，其特征在于，所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，其由工控机根据机械臂的末端位姿数据和末端速度数据，使用基于虚拟现实技术计算获得，具体过程为：步骤1，运用八分法对机械臂作业场景对应的虚拟现实场景进行逐步划分，构建八叉树；步骤2，获取机械臂末端位姿数据，以该末端位姿数据为球心，创建包围球，设置包围球的半径为所需碰撞检测的距离；步骤3，对步骤2的包围球与步...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭健，韩若冰，郭毓，龚勋，汤冯炜，林立斌，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32