用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统及方法。所述数字化控制系统包括绝缘斗臂车、布设在斗臂车不同关节处的传感器单元、斗臂车三维模型修正模块、正反运动学解算模块和通讯模块；三维模型修正模块通过斗臂车自带三维仿真模型在各关节的最佳位置建立对应的三维坐标系，并根据传感器单元反馈的实时测量数据对自带三维仿真模型进行修正，然后把修正后的坐标系数据输送到正反运动学解算模块，得到从基坐标系变换到修正后坐标系的总变换矩阵，并进行矩阵的逆运算，完成斗臂车运动学的正解和反解。本发明专利技术实现了斗臂车的数字化控制，解决了现有绝缘斗臂车无法近距离控制的安全问题，以及调斗作业效率低、容易发生碰撞的问题。容易发生碰撞的问题。容易发生碰撞的问题。

【技术实现步骤摘要】
用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及数字化控制领域，特别涉及一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统及方法。

技术介绍

[0002]带电作业是电力设备检修、检测与维护的重要手段，它对提高供电可靠性、减少停电损失和保证电网安全具有极其重要的意义。随着机器人、人工智能等新兴技术的迅速发展，带电作业机器人成为了电网智能运检、安全带电作业的发展趋势及重要技术走向；带电作业机器人是一种融合有多自由度机械臂、立体视觉、专用作业工具、绝缘防护等个子系统的，可对电力设备进行带电作业的特种机器人。
[0003]目前带电作业机器人以配网和变电站为主要作业场景，其往往装载在斗臂车这类高空作业设备中，完成接引线、绝缘子清扫等带电作业任务。目前绝缘斗臂车大多是采用作业人员手持手柄进行关节控制，完成斗臂车的启动、行驶、大小臂的旋转、伸缩等动作，从而实现将机器人作业平台送至指定空间的目的。通过人为操作手柄，调节斗臂车的各关节，逐步将斗臂车末端的机器人送到目标区域的方式虽然简单、直接，但由于配网和变电站设备常常处于空间狭小、环境复杂的场景中，且机器人需要较为严格的作业位置，因此对斗臂车操作人员的专业素质要求较高，要求作业人员具有较丰富的作业经验，否则容易出现机器人撞击目标或够不到作业目标等问题；而且操作人员在斗臂车旁操作手柄进行控制时，存在安全风险；此外，作业人员需要与液压阀接触，没有从根本上解决作业人员安全问题。
[0004]申请号：CN202011042320.5，公开号：CN112379666A的专利技术专利公开了一种基于卫星组合导航信息的斗臂车调斗作业引导方法，包括以下步骤：(1)在机器人上安装组合导航设备，分别记录下在初始位置和目标作业位置的经纬度坐标信息；(2)转换到斗臂车坐标系下得到初始位置和目标作业位置机器人在斗臂车坐标系下的坐标；(3)机器人建模并计算得到各目标电缆的最佳作业位置在斗臂车坐标系下的坐标；(4)建立以斗臂车大臂旋转中心为原点的球坐标系，分别得到初始位置和各目标电缆的最佳作业位置在球坐标系中的半径、仰角、方位角和切向角；(5)将二者的半径、仰角、方位角和切向角进行对比，指导斗臂车的移斗操作。该方式能够有效指导移斗操作，将平均移斗时间缩短到1分钟，精度达到6～8cm。
[0005]申请号：CN202011044419.9，公开号：CN112408281A的专利技术专利一种基于视觉跟踪的斗臂车调斗作业引导方法，包括以下步骤：(1)将基准标定板固定于斗臂车车身上，在车斗上安装车斗标定板；根据基准标定板安装位置测量从基准标定板中心到斗臂车大臂旋转中心的偏移量和初始角度；(2)将车斗升至初始位置，视觉跟踪设备返回车斗标定板相对于基准标定板的位置和姿态关系；(3)将车斗标定板的空间位置和姿态转换到斗臂车坐标系下得到车斗在斗臂车坐标系下的位置和姿态；(4)机器人计算得到目标作业位置，并变换到以斗臂车大臂旋转中心为原点的球坐标系下； (5)在球坐标系下的参数差距进行调斗作业。该专利技术也能够有效指导移斗操作，实现平均调斗时间缩短到1分钟。
[0006]申请号：CN202010194313.0，公开号：CN111416296A的专利技术专利公开了一种液压阀调控装置及绝缘斗臂车。该装置可以通过遥控器或者带电作业机器人通过无线远程控制，机械部分包括拨叉、连杆机构、控制组件和驱动件，拨叉与液压阀连接，通过上下动作实现对液压阀调控；连杆机构与拨叉连接，驱动件与连杆机构连接，控制组件控制驱动件驱动连杆机构动作，使连杆机构带动拨叉按需要角度动作。该液压阀调控装置本从根本上解决了作业安全问题，且可以使斗臂车平台控制自动化，集成到带电作业机器人控制系统中，有助于实现全自动化带电作业机器人带电作业，作业效率高。
[0007]虽然上述通过基站/视觉的方法可以很好的实现斗臂车末端斗的定位，但上述方法的成本高，本质上无法对斗臂车进行量化控制，因而难以解决容易发生碰撞的问题。而通过液压阀调控装置对斗臂车进行控制，仍然需要专业的带电作业人员进行，在如今带电作业人员数量有限的情况下，单独训练特定的操作人员以对斗臂车进行熟练、高效地控制所需的时间、培训成本较高，且人员在复杂的配网、变电站场景内控制时，容易发生人为失误。为解决上述问题，需要在斗臂车硬件和软件上进行改造，以实现绝缘斗臂车的数字化改造，进而远程实现机器人与斗臂车的联动控制，在保障人身安全的情况下，提高带电作业机器人作业效率。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对现有技术存在的问题，提供了一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统及方法，通过在斗臂车的各关节安装编码器、角度传感器等设备，通过建模和运动学求解，可实现斗臂车的数字化控制，可以解决现有绝缘斗臂车只能通过人为操作手柄，将斗臂车末端的机器人送到待作业目标前实现带电作业，导致无法解决人近距离控制的安全问题，以及调斗作业效率低、容易发生碰撞的问题。
[0009]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统，其特征在于：所述数字化控制系统包括绝缘斗臂车、传感器单元和斗臂车主控单元，所述传感器单元与斗臂车主控单元通讯连接，斗臂车主控单元与绝缘斗臂车的液压控制系统信号连接；
[0010]所述传感器单元包括布设在绝缘斗臂车不同关节处的旋转编码器、长角传感器和倾角传感器，三种传感器根据绝缘斗臂车不同关节处的运动姿态进行设置，通过三种传感器测量绝缘斗臂车各个关节的实时摆动角度、伸缩长度和变幅角度，并将实时测量的数据传送到斗臂车主控单元；
[0011]所述斗臂车主控单元包括斗臂车三维模型修正模块、正反运动学解算模块、通讯模块；所述斗臂车三维模型修正模块通过斗臂车自带三维仿真模型在模型各关节的最佳位置建立对应的三维坐标系，并根据传感器单元反馈的实时测量数据对斗臂车自带三维仿真模型进行修正，使得传感器数据和三维模型进行融合得到一个修正后的坐标系数据，然后把修正后的坐标系数据输送到正反运动学解算模块；所述正反运动学解算模块通过接受斗臂车三维模型修正模块输送的修正后坐标系数据计算每个关节坐标系修正前后的转换关系，得到从基坐标系变换到修正后坐标系的总变换矩阵，最后进行矩阵的逆运算，完成斗臂车运动学的正解和反解，最终实现根据斗臂车编码器值计算末端坐标，根据斗臂车末端坐标运动量计算各关节需移动的距离；所述通讯模块将正反运动学解算模块计算的各关节需
移动的距离数据输送至液压控制系统，通过液压控制系统控制每个关节处液压油缸的控制阀实现绝缘斗臂车的数字化控制。
[0012]本专利技术进一步的技术方案：所述绝缘斗臂车为履带式绝缘斗臂车或车载式绝缘斗臂车，具体包括底座、旋转支座和伸缩臂，伸缩臂包括与旋转支座连接的下臂、铰链连接在下臂自由端的上臂、连接在上臂自由端的伸缩臂和安装在伸缩臂自由端的用于安装作业机器人的末端斗；
[0013]所述传感器单元包括分别设置在旋转支座与底座连接的第一关节处及末端斗连接作业机器人的第五关节处的旋转编码器，设置在下臂与旋转支本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统，其特征在于：所述数字化控制系统包括绝缘斗臂车、传感器单元和斗臂车主控单元，所述传感器单元与斗臂车主控单元通讯连接，斗臂车主控单元与绝缘斗臂车的液压控制系统信号连接；所述传感器单元包括布设在绝缘斗臂车不同关节处的旋转编码器、长角传感器和倾角传感器，三种传感器根据绝缘斗臂车不同关节处的运动姿态进行设置，通过三种传感器测量绝缘斗臂车各个关节的实时摆动角度、伸缩长度和变幅角度，并将实时测量的数据传送到斗臂车主控单元；所述斗臂车主控单元包括斗臂车三维模型修正模块、正反运动学解算模块、通讯模块；所述斗臂车三维模型修正模块通过斗臂车自带三维仿真模型在模型各关节的最佳位置建立对应的三维坐标系，并根据传感器单元反馈的实时测量数据对斗臂车自带三维仿真模型进行修正，使得传感器数据和三维模型进行融合得到一个修正后的坐标系数据，然后把修正后的坐标系数据输送到正反运动学解算模块；所述正反运动学解算模块通过接受斗臂车三维模型修正模块输送的修正后坐标系数据计算每个关节坐标系修正前后的转换关系，得到从基坐标系变换到修正后坐标系的总变换矩阵，最后进行矩阵的逆运算，完成斗臂车运动学的正解和反解，最终实现根据斗臂车编码器值计算末端坐标，根据斗臂车末端坐标运动量计算各关节需移动的距离；所述通讯模块将正反运动学解算模块计算的各关节需移动的距离数据输送至液压控制系统，通过液压控制系统控制每个关节处液压油缸的控制阀实现绝缘斗臂车的数字化控制。2.根据权利要求1所述的一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统，其特征在于：所述绝缘斗臂车为履带式绝缘斗臂车或车载式绝缘斗臂车，具体包括底座(1)、旋转支座(2)和伸缩臂，伸缩臂包括与旋转支座(2)连接的下臂(3)、铰链连接在下臂(3)自由端的上臂(4)、连接在上臂自由端的伸缩臂(5)和安装在伸缩臂(5)自由端的用于安装作业机器人的末端斗(6)；所述传感器单元包括分别设置在旋转支座(2)与底座(1)连接的第一关节(8)处及末端斗(6)连接作业机器人的第五关节(12)处的旋转编码器，设置在下臂(3)与旋转支座(2)连接的第二关节(9)及上臂(4)与下臂(3)连接的第三关节(10)处的倾角传感器，设置在伸缩臂(5)与上臂(4)连接的第四关节(11)处的长角传感器；通过第一关节(8)处和第五关节(12)处的旋转编码器分别实时测量旋转支座(2)和末端斗(6)的摆动角度；通过第二关节(9)和第三关节(10)处的倾角传感器分别实时测量下臂(3)和上臂(4)的变幅角度，通过第四关节处的长角传感器实时测量伸缩臂(5)的伸缩长度；并将测量的数据传输至斗臂车主控单元。3.根据权利要求1或2一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括人机交互子系统，所述人机交互子系统与斗臂车主控单元通讯连接，远程获取斗臂车的各关节、末端斗空间的坐标，并实时控制斗臂车的各关节的运动；所述斗臂车主控单元的通讯模块将正反运动学解算模块计算的各关节需移动的距离数据无线输送到人机交互子系统；所述人机交互子系统与安装在斗臂车伸缩臂末端的机器人系统也通讯连接，并远程控制机器人系统进行高空作业。4.根据权利要求1或2一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制系统，其特征在于：所述斗臂车主控单元通过光纤与每个关节处液压油缸控制阀信号连接。
5.一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一、根据带电作业机器人的绝缘斗臂车的关节部位的运动姿态，在绝缘斗臂车的每个关节部位安装不同的行程检测传感器，具体包括旋转编码器、长角传感器和倾角传感器；步骤二、基于传感器修正的斗臂车三维建模；通过步骤(1)中安装的行程检测传感器采集的实际数据结合斗臂车自带的仿真三维模型各个关节对应的三维坐标系进行修正，建立斗臂车实物与三维仿真模型运动值一致的斗臂车各个关节坐标系；步骤三、正反运动学解算：使用标准的D
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H参数法对绝缘斗臂车建模；具体是通过假设斗臂车由一系列关节和连杆组成，通过给各个关节指定坐标系，并确定从基坐标系变换到最后一个坐标系的总变换矩阵，实现对机器人模型的建立；步骤四、数字化控制；当斗臂车末端的机器人从空间的一个位置往另一个位置移动固定的距离时，首先进行正运动学解算，根据各关节角度值计算当前斗所处的空间位置；之后进行反运动学解算，计算移动到另一处时斗臂车末端各关节需变化的角度，再控制各个液压缸，使用PID闭环算法到合适位置，最后完成数字化控制。6.根据权利要求5所述的一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制方法，其特征在于：所述控制方法用于履带式或车载式绝缘斗臂车，具体包括底座、旋转支座和伸缩臂，伸缩臂包括与旋转支座连接的下臂、铰链连接在下臂自由端的上臂、连接在上臂自由端的伸缩臂和安装在伸缩臂自由端的末端斗；在旋转支座与底座连接的第一关节及末端斗与伸缩臂连接的第五关节处设有旋转编码器，在下臂与旋转支座连接的第二关节及上臂与下臂连接的第三关节处设有倾角传感器，在伸缩臂与上臂连接的第四关节处设有长角传感器。7.根据权利要求5所述的一种用于带电作业机器人的绝缘斗臂车数字化控制方法，其特征在于：所述步骤二中基于传感器修正的斗臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅欣，李劲彬，简旭，汪涛，陈隽，陈鑫，黄贝诺，吴传奇，文雅钦，杨选超，卢忠黎，徐尚超，张岩，郭仕泽，赵西莉，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉山东泰开汽车制造有限公司，
类型：发明
国别省市：