一种基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制系统，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；所述双目摄像头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规划出机械臂空间路径，具体方法为：将机械臂末端位置与作业目标位置转换到同一参考坐标系下，获取械臂末端位置和作业目标位置在同一参考坐标系下的坐标之差；根据所述坐标之差使用运动学逆解计算方法解算出机械臂每个关节的角度期望值。本发明专利技术基于双目视觉结合坐标变换的方法自主式地控制机械臂完成配电线路带电作业的任务，减轻作业人员的劳动强度，提高了安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力
，具体涉及一种基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制系统。
技术介绍
带电作业是在高压电气设备上不停电进行检查、维修及部件更换的一种特殊的工程技术。长期以来,我国普遍釆用的是人工带电作业或者主从操作的作业方式。对于作业对象是10KV及以下的高压架空线路,这些作业方式要求作业人员长时间处在高空、高压、强电磁场的环境中,极易发生人身伤亡的事故。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。面向这些较为复杂且危险的作业任务，需要自主作业机器人具有很高的智能，带电作业安全可靠，这对整个控制系统的设计提出了很高的要求。为使作业机械手具有一定的自主作业能力，需具备多种关键技术，使其能够安全可靠地自主完成带电作业任务。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制系统，基于双目视觉结合坐标变换的方法自主式地控制机械臂完成配电线路带电作业的任务，减轻作业人员的劳动强度，提高了安全性。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制系统，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，还包括数据处理和控制系统；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；所述双目摄像头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规划出机械臂空间路径，具体方法为：将机械臂末端位置与作业目标位置转换到同一参考坐标系下，获取械臂末端位置和作业目标位置在同一参考坐标系下的坐标之差；根据所述坐标之差使用运动学逆解计算方法解算出机械臂每个关节的角度期望值。进一步，使用D-H参数法以机械臂基座的中心点为原点建立基坐标系，将机械臂末端位置与作业目标位置均转换到基坐标系下；将机械臂末端位置转换到基坐标系下的过程为：1-1：在机械臂的每一个关节处建立连杆坐标系，并在机械臂末端执行工器具处建立工具坐标系；以双目摄像头连线的中垂点为原点建立双目坐标系；1-2：由机械臂各关节处的编码器采集每个关节当前的角度数据并发送给第二工控机，第二工控机根据关节角度确定机械臂基座到末端执行工器具间的总连杆变换矩阵；1-3：根据所述总连杆变换矩阵获得机械臂末端在基坐标系下的坐标。将作业目标的位置转换到基坐标系下的过程为：2-1：通过模板匹配的方法获取作业目标在双目摄像机左、右图像中的位置，并根据立体视觉三维测量原理计算获得作业目标在双目坐标系下的坐标；2-2：将作业目标在双目坐标系下的坐标左乘平移坐标变换矩阵得到目标在机械臂腕旋转关节坐标系下的坐标，再左乘腕旋转关节坐标系到基坐标系的连杆变换矩阵得到作业目标在基坐标系下的坐标。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械臂末端位置和作业目标位置在同一参考坐标系下的坐标之差，第二工控机根据械臂末端位置和作业目标位置在同一参考坐标系下的坐标之差以及具体带电作业所对应的动作序列解算出机械臂每个关节的角度期望值，并将所述角度期望值数据发送给第一工控机；第一工控机根据所述角度期望值控制机械臂动作。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。进一步，各机械臂间之间分配有优先级，第一机械臂设置为第一优先级，第二机械臂设置为第二优先级，辅助机械臂的优先级在其需要抓取执行工器具时设置为第一优先级，在不需要抓取执行工器具时，设置为第三优先级，优先级最高的机械臂在执行任务过程中不受约束，优先级较低的机械臂在执行任务过程中主动规避与优先级最高的机械臂发生避碰。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于，该控制系统是基于双目视觉结合坐标变换的方法自主式地控制机械臂完成配电线路带电作业的任务，减轻作业人员的劳动强度，提高了安全性。另外，相较于常规的双机械臂带电作业人增加了辅助作业机械臂，它可以与双机械臂进行协同作业，完成测量和监测的任务，并且机械臂之间可以共享图像信息。通过双机械臂与辅助机械臂的协同作业，能够完成一些以往较为难完成的作业任务，如：更换跌落式熔断器，更换隔离刀闸等等，提高了作业的可靠性与便捷性。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整体结构示意图；图2为本专利技术带电作业机器人控制系统组成框图；图3为本专利技术中机器人平台的结构示意图；图4为本专利技术中机械臂的结构示意图；图5为本专利技术中机械臂连杆坐标系示意图；图6为本专利技术中机械臂控制原理框图。具体实施方式容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术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专利技术基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制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专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人结合附图，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。在本专利技术中，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，机器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制系统，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，其特征在于，还包括数据处理和控制系统；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；所述双目摄像头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规划出机械臂空间路径，具体方法为：将机械臂末端位置与作业目标位置转换到同一参考坐标系下，获取械臂末端位置和作业目标位置在同一参考坐标系下的坐标之差；根据所述坐标之差使用运动学逆解计算方法解算出机械臂每个关节的角度期望值。

【技术特征摘要】
1.一种基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制系统，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，其特征在于，还包括数据处理和控制系统；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；所述双目摄像头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规划出机械臂空间路径，具体方法为：将机械臂末端位置与作业目标位置转换到同一参考坐标系下，获取械臂末端位置和作业目标位置在同一参考坐标系下的坐标之差；根据所述坐标之差使用运动学逆解计算方法解算出机械臂每个关节的角度期望值。2.如权利要求1所述基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制系统，其特征在于，使用D-H参数法以机械臂基座的中心点为原点建立基坐标系，将机械臂末端位置与作业目标位置均转换到基坐标系下；将机械臂末端位置转换到基坐标系下的过程为：1-1：在机械臂的每一个关节处建立连杆坐标系，并在机械臂末端执行工器具处建立工具坐标系；以双目摄像头连线的中垂点为原点建立双目坐标系；1-2：由机械臂各关节处的编码器采集每个关节当前的角度数据并发送给第二工控机，第二工控机根据关节角度确定机械臂基座到末端执行工器具间的总连杆变换矩阵；1-3：根据所述总连杆变换矩阵获得机械臂末端在基坐标系下的坐标。将作业目标的位置转换到基坐标系下的过程为：2-1：通过模板匹配的方法获取作业目标在双目摄像机左、右图像中的位置，并根据立体视觉三维测量原理计算获得作业目标在双目坐标系下的坐标；2-2：将作业目标在双目坐标系下的坐标左乘平移坐标变换矩阵得到目标在机械臂腕旋转关节坐标系下的坐标，再左乘腕旋转关节坐标系到基坐标系的连杆变换矩阵得到作业目标在基坐标系下的坐标。3.如权利要求1基于双机械臂和辅助臂的带电作业机器人控制系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭健，吴禹均，郭毓，苏鹏飞，吴巍，韩昊一，李光彦，黄颖，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