本發明屬于電力技術領域，具體涉及一種雙機械臂帶電作業機器人。

背景技術：

目前，廣泛采用的帶電作業技術主要是人工帶電作業，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。但人工帶電作業，意味著操作人員要處在高空、高壓、強電磁場的危險環境中，勞動強度大，且人體姿態不易控制，稍有不慎就容易發生人身傷亡事故。為解決人工帶電作業帶來的危險，以及提高作業效率，國內外出現了使用機器人代替人工作業的帶電作業技術。

帶電作業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：要求作業人員具有較高的技術熟練度，且在作業過程中精神高度集中；作業緩慢，必須確保作業環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，嚴重影響作業效率。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題為：在遙操作工作方式基礎上，具有自主作業工作功能的雙機械臂協調控制系統及方法；采用自主作業方式，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生，提高作業效率和作業質量。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種雙機械臂帶電作業機器人，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，還包括數據采集系統以及數據處理和控制系統；

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工具相互配合完成帶電作業；

所述絕緣斗臂車上設置有控制室，所述數據處理和控制系統包括第一工控機、第二工控機、顯示屏和主操作手，第二工控機內置圖像處理器和帶電作業動作序列庫，所述帶電作業動作序列庫中預先存儲有各項帶電作業對應的動作序列數據；顯示屏和主操作手位于控制室內；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送給第一工控機；

第一工控機根據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角度的期望值；第二工控機采樣主操作手各關節的角度數據，第一工控機采集機械臂各關節的角度數據并發送給第二工控機，當主操作手各關節角度與機械臂各關節角度存在差異時，第二工控機將主操作手各關節角度作為機械臂各關節角的期望值發送給第一工控機，第一工控機根據角度期望值通過伺服電機控制機械臂各關節的運動。

進一步，所述攝像機采集的作業場景圖像發送給第二工控機，圖像處理器對作業場景圖像進行處理后獲的3D虛擬作業場景，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劃的機械臂空間路徑，第一工控機根據機械臂空間路徑解算出機械臂各關節角度的期望值，通過控制伺服驅動電機控制按機械臂各關節運動。

進一步，機械臂空間路徑的規劃方法為：以雙目攝像頭視野中心的一點作為作業對象參考點及圓弧中心點，以機械臂末端到作業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對象的多幅雙目圖像，第二工控機根據雙目視覺測距原理對多幅雙目圖像進行處理獲得作業對象多角度的三維點云數據，使用迭代最近點算法對多角度三維點云數據進行融合和配準，建立作業對象三維模型；

第一工控機采集機械臂各關節的角度數據并發送給第二工控機；第二工控機根據作業對象三維模型、機械臂末端到作業對象參考點的距離以及機械臂各關節的角度數據進行數據融合，獲得雙機械臂相對作業對象三維模型的位姿信息；

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

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

所述六自由度機構中各個關節均具有相應的正交旋轉編碼器和伺服驅動電機，正交旋轉編碼器用于采集各個關節的角度數據，伺服驅動電機用于控制各關節的運動；

第一工控機根據機械臂各關節角度的期望值，通過控制伺服驅動電機控制按機械臂各關節運動。

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

附圖說明

圖1為本發明帶電作業機器人一種實施例的整體結構示意圖；

圖2為本發明中絕緣斗臂車的系統組成框圖；

圖3為本發明中機器人平臺的結構示意圖；

圖4為本發明中機械臂的結構示意圖。

圖5是本發明主操作手控制原理框圖。

圖6是本發明自主式作業控制方法流程圖。

具體實施方式

容易理解，依據本發明的技術方案，在不變更本發明的實質精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想象出本發明雙機械臂帶電作業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明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發明的全部或者視為對本發明技術方案的限制或限定。

結合附圖，帶電作業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通信或者無線網絡通信。

絕緣斗臂車1可供操作人員駕駛，從而將機器人平臺4運輸到作業現場。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與地面穩固支撐。絕緣斗臂車1上裝有發電機，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動裝置，操作人員可以通過控制驅動裝置，從而將機器人平臺4升降到作業高度。該伸縮臂3由絕緣材料制成，用于實現機器人平臺4與控制室2的絕緣。在本發明中，伸縮臂3可有由剪叉式升降機構或其他機構代替。

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437上，負責采集作業場景的圖像數據，并將圖像數據發送給第二工控機。雙目攝像頭45由兩個光軸平行的工業相機組成，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正對作業場景的側面，負責采集作業場景的景深數據，將景深數據發送給第二工控機。

全景攝像頭41通過支架安裝在機器人平臺4的上方，負責采集作業場景的全景圖像數據，將圖像數據發送給第二工控機，并顯示在顯示器上，作業人員可以通過全景圖像監控作業場景。

專用工具箱47是放置抓具、扳手等作業工具的場所。機械臂末端安裝有工具快換裝置。機械臂根據作業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構成主從操作關系。機械臂和主操作手具有相同的結構，只是主操作手尺寸規格比機械臂小，以便于操作人員操作。機械臂和主操作手擁有六個關節，每個關節都有光電編碼器采集角度數據，各主操作手的微型控制器通過串口將六個關節的角度數據發送給第二工控機。

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

作為一種實施方式，機器人平臺4與控制室2之間的數據傳輸通過光纖有線傳輸，或者使用無線網絡傳輸。機器人平臺4上的通信模塊是光纖收發器，光纖收發器用于實現光纖中的光信號與雙絞線中的電信號的相互轉換，從而在通信上實現機器人平臺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器，光纖收發器用于實現光纖中的光信號與雙絞線中的電信號的相互轉換，從而在通信上實現機器人平臺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，用于機械臂路徑規劃。

建立作業對象模型庫。預先制作各項帶電作業任務所涉及的作業對象的三維模型和目標識別模型，例如，根據電力塔桿、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，用于帶電作業機器人自動識別作業對象，構建作業場景三維虛擬場景。

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，用于帶電作業機器人自動構建作業場景三維虛擬場景，規劃機械臂空間路徑。

獲取圖像數據。獲取全景圖像、深度圖像和雙目圖像的數據信息。

根據圖像數據識別和跟蹤作業目標。

獲取主操作手的角度、角速度和角加速度數據，獲取機械臂的角度、角速度和角加速度數據。

對相關圖像數據進行處理和計算，獲取機械臂位置，獲取作業對象的位置，獲取機械臂與作業對象之間的相對位置，并根據相對位置和作業任務規劃機械臂的空間路徑。

根據圖像數據構建作業對象三維場景，根據機械臂角度信息和作業對象三維場景獲得機械臂與作業對象的相對位置，并根據相對位置和作業任務規劃機械臂的空間路徑。

對相關圖像數據進行處理和計算，構建3D虛擬作業場景，送顯示器顯示，操作人員根據3D虛擬作業場景監控作業過程。與全景圖像相比，3D虛擬作業場景綜合和深度圖像信息和雙目圖像信息，對機器臂與作業對象之間、機械臂之間、作業對象與作業環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虛擬作業場景進行作業監控，操作精度更高，可以防止碰撞發生，提高了安全性。同時，3D虛擬作業場景顯示在控制室2中的顯示器上，遠離機械臂作業現場，提高了人作業人員的人身安全。

作為一種實施方式，第一工控機可以完成以下任務：

根據第二工控機發送的主操作手各關節的角度信息，控制機械臂各關節的運動。

獲取第二工控機發送的機械臂的空間路徑數據，根據作業任務的動作序列，解算出機械臂各關節的角度數據運動量，并控制機械臂各關節運動。

本發明中，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順序完成帶電作業。

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

如果選擇人工遠程搖操作，則由第二工控機根據數目圖像和深度圖像構建3D虛擬作業場景并送顯示器顯示，作業人員通過3D虛擬作業場景監控操作過程，通過主操作手控制機械臂的動作，以完成帶電作業。在此過程中，作業人員改變主操作手姿態后，主操作手中各關節的光電編碼器采集各關節角度，各主操作手的微型控制器通過串口將各關節的角度數據發送給第二工控機。第二工控機將主操作手各關節的角度數據作為機械臂各關節角度的期望值發送給第一工控機，第一工控機根據角度期望值通過伺服電機控制機械臂各關節的運動，已完成帶電作業。

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

雙機械臂協調控制系統包括第一機械臂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、正交旋轉編碼器31、控制按鈕32和微控制器33組成。正交旋轉編碼器31聯接在主操作手22的各個關節上，檢測各個關節角度，并將表示關節角度的模擬信號傳輸到微控制器33。控制按鈕32連接到微控制器33的輸入端口上，用于向微控制器33發送控制指令。微控制器采集正交旋轉編碼器31的模擬信號并將其數字化后發送給主控柜，采集控制按鈕32發來的控制信號并發送給主控柜。

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的工作方式。包含遙操作和自主兩種工作方式。當系統復位或切換開關設置為遙操作模式時，系統工作在遙操作模式下。當切換開關設置為自主作業模式時，系統工作在自主作業模式下。

雙機械臂遙操作控制方法為：

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

雙機械臂自主式控制方法，包括如下步驟：

第一，根據作業規范，將作業任務分解成動作序列，建立各種作業任務的動作序列庫。

第二，作業人員通過全景攝像頭監控作業場景，操縱主操作手，調整雙機械臂到合適的位置和姿態，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對象。并保證作業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對象。

第三，第二工控機由雙目攝像頭拍攝的圖像，根據雙目視覺測距原理，獲得所拍攝作業對象的三維點云數據。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據進行數據融合，即可重構出作業對象精確的三維模型。

第四，為重構出作業對象精確的三維模型，同時保證重構中機械臂的運動不與障礙物相撞，規劃機械臂末端在一圓弧面內運動。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對象參考點及圓弧中心點，選定機械臂末端到作業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劃路徑。第二工控機根據所得點云數據，獲得上述弧面信息并發送給第一工控機。第一工控機根據第二工控機發來的圓弧面信息，在該弧面作一條軌線作為機械臂的笛卡爾空間位置規劃路徑，將該規劃路徑信息作為控制信號傳輸至從控柜。從控柜根據該控制信號解算出關節角度，根據該關節角度作為控制器期望值，驅動機械臂關節旋轉。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完成對作業對象表面點云數據的采集，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據根據迭代最近點算法進行融合和配準，建立作業對象高精度的三維模型。同時，第一工控機對從控柜發來的機械臂關節角度信息和第二工控機發來的機械臂末端到作業對象參考點的距離進行數據融合，獲得機械臂相對作業對象三維模型精確的位姿信息。

第六，第一工控機根據第五步得到的作業對象的三維模型、機械臂末端相對作業對象的位置關系和第一步的動作序列規定的當前要執行的動作，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空間路徑規劃。并將該規劃路徑信息作為控制信號傳輸至從控柜。從控柜根據該控制信號解算出關節角度，根據該關節角度驅動機械臂關節旋轉。

第七，若當前動作序列未結束。則回到第六步執行動作序列中的下一動作。