本發明屬于電力技術領域，具體涉及一種帶攝像頭的機械臂的絕緣防護系統。

背景技術：

采用機器人自主完成帶電作業，不僅可以將工作人員從危險的、繁重的、精神緊張的工作中解放出來，有效避免帶電作業時人員傷亡事故的發生，使帶電作業更加安全，提高作業效率；同時還可以提高電網的運行質量，進一步減少供電系統的人員投入，降低人員成本，具有巨大的經濟效益和社會效益。

絕緣防護措施是帶電作業機器人能否完成帶電作業工作的關鍵。如果沒有完備可靠的絕緣安全防護措施，不但會給機器人和操作人員帶來危害，還可能造成電網短路故障，后果不堪設想。自主完成帶電作業的機器人，它的機械臂末端可能會安裝攝像頭，而國內現有的絕緣防護措施一般針對帶電作業人員或者非自主式的帶電作業機器人，還沒有帶攝像頭的機械臂的絕緣防護方法。

技術實現要素：

為解決現有技術存在的不足，本發明提出一種帶攝像頭的機械臂的絕緣防護系統，針對帶電作業機械臂的絕緣防護，設計一種機械臂專用絕緣護套，起到機械臂本體遮蔽或隔離的保護作用，防止發生相間短路；針對攝像頭的絕緣防護，設計一種攝像頭專用絕緣護套，保證攝像頭在隨機械臂一起運動的過程中不受高壓電場的影響，從而保障機器人在自主帶電作業時的安全性能，提高帶電作業的作業效率和自動化水平。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種帶攝像頭的機械臂的絕緣防護系統，機械臂為帶電作業機器人的機械臂，帶電作業機器人包括絕緣斗臂車、控制室、伸縮臂、機器人平臺；其中，絕緣斗臂車上架設控制室和伸縮臂，伸縮臂末端連接機器人平臺，機器人平臺與控制室之間采用光纖以太網通信或者無線網絡通信；控制室中設置有第二工控機、顯示屏、主操作手；機器人平臺上設置機械臂、攝像頭安以及第一工控機；所述機械臂為六自由度機構，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；機械臂的肩關節、大臂和小臂均用硅橡膠材質的卡扣式絕緣護套包裹；腕關節外套可伸縮的波紋狀絕緣套管；所述攝像頭外罩絕緣護套，絕緣護套包括左側護套和右側護套；左側護套和右側護套是的尺寸略大于攝像頭，分別包住攝像頭的左半邊和右半邊，鏡頭外露；左側護套和右側護套設置有相互配合的卡扣；左側護套和右側護套的后方開設有攝像頭信號線過線孔；攝像頭信號線用絕緣軟管包裹。

進一步，所述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。

進一步，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，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配合完成帶電作業，其中，輔助機械臂用于夾持作業對象，第一機械臂和第二機械臂使用作業工具進行作業操作。

進一步，所述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和深度攝像頭，所述第一機械臂和第二機械臂上均搭載有雙目攝像頭；所述主操作手包括第一主操作手和第二主操作手，第一主操作手和第二主操作手分別用于控制第一機械臂和第二機械臂。

進一步，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和深度攝像頭，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，所述主操作手包括第一主操作手、第二主操作手、輔助主操作手；第一主操作手、第二主操作手以及輔助主操作手分別用于控制第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂。

進一步，所述攝像機還包括全景攝像頭。

本發明與現有技術相比，其顯著優點在于：

(1)針對驅動控制一體化的關節式機械臂設計了專用絕緣護套安裝、拆卸簡單方便，不影響機械臂的活動空間，硅橡膠材質的護套的絕緣性能、機械性能均符合gb12168帶電作業用遮蔽罩技術要求和試驗要求。

(2)攝像頭專用絕緣護套不僅適用于雙目攝像頭，同樣也適用于單目攝像頭，安裝拆卸簡單方便，同時保證了攝像頭的正常工作。

(3)保障機器人在自主帶電作業時的安全性能，提高帶電作業的作業效率和自動化水平。

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是波紋狀絕緣套管的結構示意圖；

圖6是本發明攝像頭專用絕緣護套的左側護套和右側護套的結構示意圖；

圖7是左側護套和右側護套的后方示意圖。

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帶攝像頭的機械臂的絕緣防護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，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、輔助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、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。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。

絕緣防護系統包括械臂專用絕緣護套和攝像頭專用絕緣護套。

機械臂專用絕緣護套，包括肩關節433、大臂434和小臂436部分的絕緣以及腕關節437的特殊絕緣處理。肩關節433、大臂434和小臂436都是形狀規則的圓柱體，所以可以根據尺寸建模，定制硅橡膠材質的卡扣式絕緣護套包裹在外圍。腕關節437結構緊湊復雜、活動范圍大，若采用卡扣式絕緣護套會束縛它的活動范圍。因此在腕關節437處采用如圖5所示的可伸縮的波紋狀絕緣套管21，這樣腕關節437可以靈活運動不受限制。

所述攝像頭專用絕緣護套，包括左側護套23、右側護套24和信號線的絕緣。左側護套23和右側護套24是根據攝像頭尺寸設計的，略大于攝像頭，分別包住攝像頭的左半邊和右半邊，鏡頭露在外面正常工作。包裹時，上方的卡扣一231與卡扣二241緊扣，下方的卡扣三232與卡扣四242緊扣，從而左側護套與右側護套包裹住整個攝像頭。如圖4所示，左側護套23和右側護套24的后方均有一個圓形狀的地方被掏空去除，這是為了方便連接攝像頭的信號線。另外，為了對信號線進行好的保護和絕緣，采用絕緣軟管包裹。