本發明屬于電力技術領域，具體涉及一種輸電線路帶電作業機器人的作業監控系統。

背景技術：

目前，我國高壓帶電作業主要為人工作業。即便已經出現代替人工作業的機器人，其安全性也不能得到保障，仍然需要人工對其作業進行監控。由于輸電線路機器人一般采用高空作業，操作人員在地面上通過目視無法及時有效地發現機器人作業過程中發生的故障。我國帶電作業機器人起步較晚，目前沒有針對輸電線路帶電作業機器人的監控方案，電網、機器人和操作人員的安全不能得到保障。為避免或減小機器人作業引發的安全事故，需要針對輸電線路帶電作業機器人設計專用的監控系統。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題為，作業人員可通過監控系統遠程監控機器人帶電作業，保障了作業人員的安全。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種帶電作業機器人作業監控系統，包括帶電作業機器人和監控系統；所述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，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、第二機械臂和輔助機械臂，所述攝像機包括雙目攝像頭、深度攝像頭和全景攝像頭，所述第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂上均搭載有雙目攝像頭；所述第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂均為多自由度機構，多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；所述數據采集系統包括設置在機器人平臺上的攝像機，攝像機用于采集機械臂作業場景圖像，并將所述作業場景圖像發送給數據處理和控制系統；所述數據處理和控制系統根據所述作業場景圖像生成3D虛擬作業場景或者規劃出機械臂空間路徑，包括第一工控機、第二工控機；所述監控系統的監控對象為：第一機械臂、第二機械臂、輔助機械臂、蓄電池以及作業場景；所述監控系統中的監控設備為：溫濕度傳感器、壓力傳感器、電流采集器、電壓采集器、數據采集卡、全景攝像頭、雙目攝像頭、深度攝像頭；溫濕度傳感器置于機器人平臺上，用于采集作業環境溫濕度；壓力傳感器安裝在各機械臂末端，用于采集機械臂與環境的接觸力；電壓采集器與機械臂各關節的伺服驅動電機相連，用于采集伺服驅動電機的電流的大小；數據采集卡用于各項采集數據轉換為數據處理和控制系統所識別的格式；全景攝像頭、雙目攝像頭和深度攝像頭拍攝的圖像傳遞給顯示器顯示；所述監控系統中的人機交互設備為：第二工控機、顯示器。

進一步，所述第一工控機將溫濕度傳感器、壓力傳感器、電流采集器和電壓采集器采集的數據與相應的安全范圍值進行比較，如果當前采集的數據在相應的安全范圍內，則認為帶電機器人作業正常，如果當前采集的數據不在相應的安全范圍內，則向第二工控機發送相應的告警信息；第二工控機將相應的告警信息顯示在顯示器上，操作人員根據顯示器顯示的告警信息，通過第二工控機做出機械臂動作指令，第二工控機向第一工控機發送機械臂動作指令，第一工控機根據機械臂動作指令控制機械臂動作。

進一步，所述第一工控機將溫濕度傳感器、壓力傳感器、電流采集器和電壓采集器采集的數據與相應的安全范圍值進行比較，如果當前采集的數據在相應的安全范圍內，則認為帶電機器人作業正常，如果當前采集的數據不在相應的安全范圍內，則向第二工控機發送相應的告警信息；第二工控機將相應的告警信息顯示在顯示器上，同時，第一工控機根據告警信息類型控制機械臂動作。

進一步，全景攝像頭、雙目攝像頭、深度攝像頭將圖像數據發送給第二工控機，第二工控機將圖像數據顯示在顯示器上，操作人員根據顯示器顯示的圖像監控機器人作業過程，當發現異常情況時，操作人員通過第二工控機做出機械臂動作指令，第二工控機向第一工控機發送機械臂動作指令，第一工控機根據機械臂動作指令控制機械臂動作。

進一步，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；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機械臂與作業對象之間的相對位置關系，第二工控機所述相對位置關系以及具體帶電作業所對應的動作序列規劃機械臂的空間路徑，并將所述機械臂的空間路徑數據發送給第一工控機；第一工控機根據所述機械臂的空間路徑控制機械臂動作。

進一步，所述絕緣斗臂車上設置有控制室，所述第一工控機、第二工控機和顯示屏設置在控制室內，控制室內還設置有主操作手，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；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，本發明帶電作業機器人的作業監控系統同時采集作業現場視頻圖像數據、機器人自身數據等監控數據，可從多個角度監控機器人作業；當機器人作業出現故障時，作業監控系統能夠根據監控數據發現故障并根據故障采取相應的應急措施，作業人員也可以根據視頻及機器人數據提前發現可能出現的故障。

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是帶電作業機器人作業監控系統組成示意圖。

圖中，1為絕緣斗臂車、2為控制室、3為伸縮臂、4為機器人平臺，46為絕緣子、43為第一機械臂、44為第二機械臂、42為輔助機械臂、48為第一工控機、45為雙目攝像頭、41為全景攝像頭、410為深度攝像頭、49為蓄電池、47為專用工具箱，431為基座、432為腰關節、433為肩關節、434為大臂、435為肘關節、436為小臂、437為腕關節。

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帶電作業機器人作業監控系統的多種實施方式。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，監控系統所應用的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。

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、輔助主操作手以及通信模塊等。

機器人平臺4包括絕緣子46、第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、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、輔助機械臂42，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、輔助機械臂42、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和輔助機械臂42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、第二主操作手以及輔助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和輔助機械臂42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。

作為一種實施方式，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。考慮到靈活性，可以再增加一個強壯的輔助機械臂，此時，輔助機械臂專司器件夾持等力道大的動作，第一機械臂和第二機械臂則進行相關業務操作。

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。

在本發明中，被監控對象包括：第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、和蓄電池；

在本發明中，監控數據獲取設備包括：溫濕度傳感器、壓力傳感器、電流采集器、電壓采集器、全景攝像頭41、雙目攝像頭45、深度攝像頭410、數據采集卡；

在本發明中，監控數據收集設備包括：第一工控機；

人機交互設備包括：第二工控機、顯示器。

溫濕度傳感器安裝在機器人平臺4上，用于采集作業環境的溫度和濕度。

壓力傳感器安裝在第一機械臂43、第二機械臂44和輔助機械臂42的腕關節437末端，用于采集機械臂與環境的接觸力。

電流采集器與第一機械臂43、第二機械臂44和輔助機械臂42的每個關節的伺服驅動電機相連，用于采集驅動電機的電流的大小。

電壓采集器與蓄電池的正負極連接，用于采集蓄電池的電壓的大小。

數據采集卡安裝在第一工控機48上，用于獲取溫濕度傳感器、壓力傳感器、電流采集器以及電壓采集器采集的采集數據，并將這些數據轉換成計算機容易處理的數據格式。

第一工控機將各個傳感器的數據與其安全范圍的數據相比較，如果當前采集到某一傳感器的數據在安全范圍內，則不處理，如果當前采集到某一傳感器的數據在安全范圍外，則將對應數據的錯誤指令發送到第二工控機。

具體故障分類及措施：

環境溫度過低：第一工控機48獲取溫濕度傳感器采集的溫度數據，將該溫度數據的值與存儲在第一工控機48內的溫度數據的安全范圍的值的大小進行比較，若該溫度數據的值小于安全范圍的值，則發生環境溫度過低故障。第一工控機48將環境溫度過低的故障指令發送給第二工控機，第二工控機將環境溫度過低的故障信息顯示在顯示屏上。操作人員輸入全平臺停止工作指令，第二工控機將該指令發送給第一工控機48，第一工控機48依次控制第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、全景攝像頭41、雙目攝像頭45、深度攝像頭410關閉。

環境溫度過高：第一工控機48獲取溫濕度傳感器采集的溫度數據，將該溫度數據的值與存儲在第一工控機48內的溫度數據的安全范圍的值的大小進行比較，若該溫度數據的值大于安全范圍的值，則發生環境溫度過高故障。第一工控機48將環境溫度過高的故障指令發送給第二工控機，第二工控機將環境溫度過高的故障信息顯示在顯示屏上。操作人員輸入全平臺停止工作指令，第二工控機將該指令發送給第一工控機48，第一工控機48依次控制第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、全景攝像頭41、雙目攝像頭45、深度攝像頭410關閉。

環境濕度過高：第一工控機48獲取溫濕度傳感器采集的濕度數據，將該濕度數據的值與存儲在第一工控機48內的濕度數據的安全范圍的值的大小進行比較，若該濕度數據的值大于安全范圍的值，則發生環境濕度過高故障。第一工控機48將環境濕度過高的故障指令發送給第二工控機，第二工控機將環境濕度過高的故障信息顯示在顯示屏上。操作人員輸入全平臺停止工作指令，第二工控機將該指令發送給第一工控機48，第一工控機48依次控制第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、全景攝像頭41、雙目攝像頭45、深度攝像頭410關閉。

機械臂接觸壓力過大：第一工控機48獲取壓力傳感器采集的壓力數據，將該壓力數據的值與存儲在第一工控機48內的壓力數據的安全范圍的值的大小進行比較，若該壓力數據的值大于安全范圍的值，則發生機械臂接觸壓力過大故障。第一工控機48將機械臂接觸壓力過大的故障指令發送給第二工控機，第二工控機將機械臂接觸壓力過大的故障信息顯示在顯示屏上。操作人員輸入機械臂停止工作指令，若第二工控機處于自主工作模式，第二工控機將退出自主工作模式并將機械臂停止工作指令發送給第一工控機48，第一工控機48控制第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42停止工作。

機械臂負載過大：第一工控機48獲取電流采集器采集的電流數據，將該電流數據的值與存儲在第一工控機48內的電流數據的安全范圍的值的大小進行比較，若該電流數據的值大于安全范圍的值，則發生機械臂負載過大故障。第一工控機48將機械臂負載過大的故障指令發送給第二工控機，第二工控機將機械臂負載過大的故障信息顯示在顯示屏上。操作人員輸入機械臂停止工作指令，若第二工控機處于自主工作模式，第二工控機將退出自主工作模式并將機械臂停止工作指令發送給第一工控機48，第一工控機48控制第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42停止工作。

蓄電池欠壓：第一工控機48獲取電壓采集器采集的電壓數據，將該電壓數據的值與存儲在第一工控機48內的電壓數據的安全范圍的值的大小進行比較，若該電壓數據的值小于安全范圍的值，則發生蓄電池欠壓故障。第一工控機48將蓄電池欠壓的故障指令發送給第二工控機，第二工控機將蓄電池欠壓的故障信息顯示在顯示屏上。操作人員輸入全平臺停止工作指令，第二工控機將該指令發送給第一工控機48，第一工控機48依次控制第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、全景攝像頭41、雙目攝像頭45、深度攝像頭410關閉。操作人員為蓄電池充電。該監控系統的工作過程分為自動檢測監控和人工遠程監控兩個部分。

自動檢測監控按照以下步驟進行：

步驟1，數據采集卡采集溫濕度傳感器、壓力傳感器、電流采集器、電壓采集器測量得到的數據；

步驟2，根據濕度傳感器、壓力傳感器、電流采集器、電壓采集器各自的標定數據表，第一工控機48將步驟1采集得到的數據轉換成便于人類識別的數據；

步驟3，第一工控機48將步驟2得到的數據與安全范圍數據表對比，如果步驟2得到的數據超出安全數據表范圍，第一工控機48將超出安全數據表范圍的數據的錯誤指令發送給第二工控機；

步驟4，第二工控機接收錯誤指令，將錯誤指令顯示在顯示屏上；

步驟5，操作人員根據錯誤指令決定是否需要輸入緊急停止指令。

人工遠程監控按照以下步驟進行：

步驟1，全景攝像頭41、雙目攝像頭45、深度攝像頭410將圖像數據發送給第二工控機；

步驟2，第二工控機將步驟1中的圖像數據顯示在顯示屏上。

步驟3，操作人員根據顯示的圖像監控機器人作業過程，發現其中可能出現的故障，決定是否需要輸入緊急停止指令。