專利名稱：一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)及工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種視覺系統(tǒng)及工作方法，尤其涉及一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)及工作方法。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)數(shù)字化、信息化的不斷發(fā)展，電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性顯得尤為重要。高壓帶電作業(yè)作為一種在高壓電氣設(shè)備不停電情況下進(jìn)行檢修、測試的作業(yè)方法，是避免檢修停電，保證正常供電的有效措施。傳統(tǒng)的高壓帶電作業(yè)可以分為三種:等電位作業(yè)、地電位作業(yè)、中間電位作業(yè)等。等電位作業(yè)中操作者直接接觸高壓帶電部分，通過絕緣衣褲、絕緣鞋襪、絕緣帽子和絕緣手套等保證操作人員的安全；地電位作業(yè)時(shí)，人體處于接地的桿塔或構(gòu)架上，通過絕緣工具實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)；中間電位作業(yè)系通過絕緣棒等工具進(jìn)入高壓電場中某一區(qū)域，但還未直接接觸高壓帶電體，是前兩種作業(yè)的中間狀況。無論那種作業(yè)方式，作業(yè)人員都處于高電壓、高空環(huán)境中，具有作業(yè)勞動(dòng)量大，條件惡劣，作業(yè)危險(xiǎn)性大等缺點(diǎn)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使用機(jī)器人代替人來完成高壓帶電作業(yè)業(yè)務(wù)成為各研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。國外在該領(lǐng)域的研究起步較早，日本于1984年開始高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的研究，并在九州地區(qū)得到現(xiàn)場應(yīng)用。西班牙、美國、法國和加拿大等國也在20世紀(jì)八十年代中期開始開展相應(yīng)的研究，并且取得了一些科研成果。相對(duì)于國外，國內(nèi)在高壓帶電作業(yè)的起步較晚，20世紀(jì)九十年代末期才開始相應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)研究，其中以山東電力研究院發(fā)明的專利號(hào)201210095860的“一種高壓帶電作業(yè)主從控制機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)”為主要的代表。該發(fā)明通過液壓升降平臺(tái)將放置于絕緣斗內(nèi)的機(jī)器人操作系統(tǒng)提升至作業(yè)高度，操作人員站在絕緣斗內(nèi)，操控主手遙控機(jī)械臂夾持專用工具接觸線路完成各種高壓帶電作業(yè)。上述研究都取得了一定程度上的有益效果，但該發(fā)明對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高，操作人員須熟練掌握機(jī)械臂操作的相關(guān)理論和技術(shù)，培訓(xùn)難度較大，另外操作人員仍需在高空環(huán)境中作業(yè)，依然存在一定的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)及工作方法，它具有使操作人員在地面遙控端即可方便、高效的完成帶電作業(yè)業(yè)務(wù)的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，它包括操作端，所述操作端包括左機(jī)械臂和右機(jī)械臂，左機(jī)械臂和右機(jī)械臂均安裝在絕緣斗上，在左機(jī)械臂上安裝有左立體攝像機(jī)，在左立體攝像機(jī)上方安裝左立體相機(jī)，在右機(jī)械臂上安裝有右立體攝像機(jī)，在右立體攝像機(jī)上方安裝右立體相機(jī)；在絕緣斗左機(jī)械臂和右機(jī)械臂的前側(cè)設(shè)有可見光攝像機(jī)I，在絕緣斗左機(jī)械臂和右機(jī)械臂的后側(cè)設(shè)有攝像機(jī)支柱，在支柱的頂端設(shè)有可見光攝像機(jī)II ;左立體攝像機(jī)、右立體攝像機(jī)、左立體相機(jī)、右立體相機(jī)、可見光攝像機(jī)I和可見光攝像機(jī)II均與地面遙控端連接。所述地面遙控端包括機(jī)器人控制系統(tǒng)、視頻處理器和人機(jī)接口 ；操作端通過光纖與機(jī)器人控制系統(tǒng)連接，視頻處理器連接通過RJ45與左立體攝像機(jī)、右立體攝像機(jī)、左立體相機(jī)、右立體相機(jī)、可見光攝像機(jī)I和可見光攝像機(jī)II，視頻處理器分別與人機(jī)接口、機(jī)器人控制系統(tǒng)連接。所述操作端安裝在液壓升降平臺(tái)。所述可見光攝像機(jī)I和可見光攝像機(jī)II采用高清數(shù)字(XD攝像機(jī)，通過RJ45線與視頻處理器連接。所述左立體攝像機(jī)和右立體攝像機(jī)采用全高清裸眼立體攝像機(jī)，均通過RJ45線與視頻處理器連接。所述左立體相機(jī)和右立體相機(jī)通過千兆網(wǎng)與視頻處理器相連，通過分析左立體相機(jī)和右立體相機(jī)視頻，實(shí)現(xiàn)觀測物體的空間信息的識(shí)別，包括空間的三維坐標(biāo)和姿態(tài)。所述視頻處理器采用圖形工作站，通過RS232與機(jī)器人控制系統(tǒng)連接，為機(jī)器人控制系統(tǒng)提供伺服控制信號(hào)。所述人機(jī)接口采用VGA線與視頻處理器連接，為操作人員提供操作時(shí)的視頻指導(dǎo)。所述高壓帶電作業(yè)機(jī)器人為山東電力研究院發(fā)明的專利號(hào)201210095860的“一種高壓帶電作業(yè)主從控制機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)”中所述機(jī)器人，該機(jī)器人包括機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)支承架、液壓升降平臺(tái)控制集成、機(jī)器人操作系統(tǒng)和絕緣斗。一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)其主要特點(diǎn)是將所述雙目立體相機(jī)、所述視頻處理器、所述機(jī)器人控制系統(tǒng)和所述高壓帶電作業(yè)機(jī)器人通過視頻處理算法有機(jī)結(jié)合為一視覺伺服系統(tǒng)。所述視頻處理器接受所述雙目立體相機(jī)采集的視頻信息，通過視頻處理算法獲取目標(biāo)物的三維信息，將該三維信息與目標(biāo)三維信息進(jìn)行比較，得到機(jī)器人控制量信息，所述機(jī)器人控制系統(tǒng)接受該控制信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的伺服控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的自主作業(yè)。對(duì)雙目相機(jī)所獲取的左右圖像分別利用上述算法計(jì)算目標(biāo)的三維信息，若兩者計(jì)算結(jié)果一致則說明該信息為準(zhǔn)確的信息，否則認(rèn)為該信息無效，這樣可以保證方法的魯棒性?；谝环N用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)的工作方法，具體步驟為:步驟一:高壓帶電作業(yè)機(jī)器人通過液壓升降平臺(tái)將機(jī)器人操作系統(tǒng)上送到作業(yè)高度；步驟二:地面操作人員在人機(jī)接口中展示的由操作端安裝的可見光攝像機(jī)1、可見光攝像機(jī)I1、左立體攝像機(jī)和右立體攝像機(jī)回傳的信息指導(dǎo)下，人工控制機(jī)器人到適當(dāng)?shù)挠^察位置，保證被操作設(shè)備位于操作端的左立體相機(jī)和右立體相機(jī)的視野中；步驟三:切換為自動(dòng)控制模式，視頻處理器對(duì)左立體相機(jī)和右立體相機(jī)回傳的視頻進(jìn)行處理，通過視覺伺服方法實(shí)現(xiàn)被操作設(shè)備的空間信息的識(shí)別；
步驟四:將視頻處理器處理的信息通過串口發(fā)送給機(jī)器人操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的伺服控制，自主完成帶電作業(yè)業(yè)務(wù)。所述步驟三的具體步驟為:(3-1)根據(jù)目標(biāo)的實(shí)際形狀和大小，在三維畫圖軟件中建立目標(biāo)的三維模型；(3-2)以目標(biāo)三維模型為中心，以R為半徑的球面上經(jīng)度為P、緯度為Q處設(shè)置虛擬相機(jī)，對(duì)三維模型進(jìn)行觀察，得到三維目標(biāo)的二維模型；(3-3)對(duì)目標(biāo)三維模型的建立中獲取的二維圖像序列經(jīng)行邊緣信息進(jìn)行邊緣提取，生成與向量(R，P，Q) —一對(duì)應(yīng)的目標(biāo)圖像的形狀模型，從而建立形狀模型庫；(3-4)對(duì)右立體相機(jī)和左立體相機(jī)獲取的圖像信息提取邊緣，將圖像邊緣信息與形狀模型庫中的所有的模板進(jìn)行匹配，在形狀模型庫中利用模板匹配算法搜索與該圖像邊緣信息最為匹配的邊緣信息；搜索到的形狀模型所對(duì)應(yīng)的由半徑R，經(jīng)度P，緯度Q組成的向量即目標(biāo)的三維信息。所述步驟(3-2)中半徑R的最小值為目標(biāo)外接球體半徑，最大為目標(biāo)外界球體半徑的5倍，采樣間隔為最小球體半徑的二分之一，經(jīng)度P和緯度Q的采樣間隔為5度。所述步驟(3-3)中的邊緣是指二維圖像周圍像素灰度有階躍變化的像素集合，邊緣的銳利程度由圖像灰度的梯度決定，選取其銳利程度大于給定閾值的信息為二維圖像的
邊緣，圖像梯度的計(jì)算公式如下，其中f為圖像函數(shù)，
權(quán)利要求
1.一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，其特征是，它包括操作端，所述操作端包括左機(jī)械臂和右機(jī)械臂，左機(jī)械臂和右機(jī)械臂均安裝在絕緣斗上，在左機(jī)械臂上安裝有左立體攝像機(jī)，在左立體攝像機(jī)上方安裝左立體相機(jī)，在右機(jī)械臂上安裝有右立體攝像機(jī)，在右立體攝像機(jī)上方安裝右立體相機(jī)；在絕緣斗左機(jī)械臂和右機(jī)械臂的前側(cè)設(shè)有可見光攝像機(jī)I，在絕緣斗左機(jī)械臂和右機(jī)械臂的后側(cè)設(shè)有攝像機(jī)支柱，在支柱的頂端設(shè)有可見光攝像機(jī)II ;左立體攝像機(jī)、右立體攝像機(jī)、左立體相機(jī)、右立體相機(jī)、可見光攝像機(jī)I和可見光攝像機(jī)II均與地面遙控端連接。
2.按權(quán)利要求1所述一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，其特征是，所述地面遙控端包括機(jī)器人控制系統(tǒng)、視頻處理器和人機(jī)接口 ；操作端通過光纖與機(jī)器人控制系統(tǒng)連接，視頻處理器連接通過RJ45與左立體攝像機(jī)、右立體攝像機(jī)、左立體相機(jī)、右立體相機(jī)、可見光攝像機(jī)I和可見光攝像機(jī)II，視頻處理器分別與人機(jī)接口、機(jī)器人控制系統(tǒng)連接。
3.按權(quán)利要求1所述一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，其特征是，所述操作端安裝在液壓升降平臺(tái)。
4.按權(quán)利要求1所述一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，其特征是，所述可見光攝像機(jī)I和可見光攝像機(jī)II采用高清數(shù)字CXD攝像機(jī)，通過RJ45線與視頻處理器連接；所述左立體攝像機(jī)和右立體攝像機(jī)采用全高清裸眼立體攝像機(jī),均通過RJ45線與視頻處理器連接。
5.按權(quán)利要求1所述一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，其特征是，所述左立體相機(jī)和右立體相機(jī)通過千兆網(wǎng)與視頻處理器相連，通過分析左立體相機(jī)和右立體相機(jī)視頻的視差，實(shí)現(xiàn)觀測物體的空間信息的識(shí)別，包括空間的三維坐標(biāo)和姿態(tài)。
6.按權(quán)利要求2所述一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，其特征是，所述視頻處理器采用圖形工作站，通過RS232與機(jī)器人控制系統(tǒng)連接，為機(jī)器人控制系統(tǒng)提供伺服控制信號(hào)；所述人機(jī)接口采用VGA線與視頻處理器連接，為操作人員提供操作時(shí)的視頻指導(dǎo)。
7.關(guān)于權(quán)利要求1所述一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)的工作方法，其特征是，具體步驟為: 步驟一:高壓帶電作業(yè)機(jī)器人通過液壓升降平臺(tái)將機(jī)器人操作系統(tǒng)上送到作業(yè)高度； 步驟二:地面操作人員在人機(jī)接口中展示的由操作端安裝的可見光攝像機(jī)1、可見光攝像機(jī)I1、左立體攝像機(jī)和右立體攝像機(jī)回傳的信息指導(dǎo)下，人工控制機(jī)器人到適當(dāng)?shù)挠^察位置，保證被操作設(shè)備位于操作端的左立體相機(jī)和右立體相機(jī)的視野中； 步驟三:切換為自動(dòng)控制模式，視頻處理器對(duì)左立體相機(jī)和右立體相機(jī)回傳的視頻進(jìn)行處理，通過分析左立體相機(jī)和右立體相機(jī)的視頻，實(shí)現(xiàn)被操作設(shè)備的空間信息的識(shí)別； 步驟四:將視頻處理器處理的信息通過串口發(fā)送給機(jī)器人操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的伺服控制，自主完成帶電作業(yè)業(yè)務(wù)。
8.按權(quán)利要求7所述高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)的工作方法，其特征是，所述步驟三的具體步驟為: (3-1)根據(jù)目標(biāo)的實(shí)際形狀和大小，在三維畫圖軟件中建立目標(biāo)的三維模型； (3-2)以目標(biāo)三維模型為中心，以R為半徑的球面上經(jīng)度為P、緯度為Q處設(shè)置虛擬相機(jī)，對(duì)三維模型進(jìn)行觀察，得到三維目標(biāo)的二維模型，半徑R的最小值為目標(biāo)外接球體半徑，最大為目標(biāo)外界球體半徑的5倍，采樣間隔為最小球體半徑的二分之一，經(jīng)度P和緯度Q的米樣間隔為5度； (3-3)對(duì)目標(biāo)三維模型的建立中獲取的二維圖像序列經(jīng)行邊緣信息進(jìn)行邊緣提取，生成與向量(R，P，Q) —一對(duì)應(yīng)的目標(biāo)圖像的形狀模型，從而建立形狀模型庫； (3-4)對(duì)右立體相機(jī)和左立體相機(jī)獲取的圖像信息提取邊緣，將圖像邊緣信息與形狀模型庫中的所有的模板進(jìn)行匹配，在形狀模型庫中利用模板匹配算法搜索與該圖像邊緣信息最為匹配的邊緣信息；搜索到的形狀模型所對(duì)應(yīng)的由半徑R，經(jīng)度P，緯度Q組成的向量即目標(biāo)的三維信息。
9.按權(quán)利要求7所述高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)的工作方法，其特征是，所述步驟(3-3)中的邊緣是指二維圖像周圍像素灰度有階躍變化的像素集合，邊緣的銳利程度由圖像灰度的梯度決定，選取其銳利程度大于給定閾值的信息為二維圖像的邊緣，圖像梯度的計(jì)算公式如下，其中f為圖像函數(shù)，
10.如權(quán)利要求7所述高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)的工作方法，其特征是，所述步驟(3-4)中模板匹配算法，公式如下:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，它包括操作端，所述操作端包括左機(jī)械臂和右機(jī)械臂，左機(jī)械臂和右機(jī)械臂均安裝在絕緣斗上，在左機(jī)械臂上安裝有左立體攝像機(jī)和左立體相機(jī)，在右機(jī)械臂上安裝有右立體攝像機(jī)和右立體相機(jī)；在絕緣斗的前側(cè)設(shè)有可見光攝像機(jī)I，在絕緣斗后側(cè)設(shè)有攝像機(jī)支柱，在支柱的頂端設(shè)有可見光攝像機(jī)II；左立體攝像機(jī)、右立體攝像機(jī)、左立體相機(jī)、右立體相機(jī)、可見光攝像機(jī)I和可見光攝像機(jī)II均與地面遙控端連接，并公開了一種工作方法，采用本發(fā)明可以使操作人員徹底擺脫高空、高危的工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高工作安全性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被操作物體位置和姿態(tài)的自動(dòng)識(shí)別，提高作業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平。
文檔編號(hào)B25J13/08GK103085084SQ20131003311
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者王振利, 魯守銀, 李健, 呂曦晨, 趙玉良 申請(qǐng)人:山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司