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摘要：我國電力系統(tǒng)配電網(wǎng)目前主要采用人工帶電作業(yè)方式進行系統(tǒng)的搶修及日常維護，帶電作業(yè)機器人的研發(fā)與應(yīng)用迫在眉睫。本文介紹了一種新型的帶電作業(yè)機器人操作控制方法：基于六軸慣導(dǎo)系統(tǒng)的帶電作業(yè)機器人操控系統(tǒng)。通過配置雙目立體攝像機，機器人獲取精準環(huán)境目標信息，通過系統(tǒng)配置的六軸慣導(dǎo)系統(tǒng)，實時獲取操作員手部的位姿信息，控制器通過對這些位姿信息的解算，映射為機器臂的末端操作軌跡信息，通過遙操作方式，操作云臺上的機器臂完成帶電作業(yè)任務(wù)。實際環(huán)境測試取得理想效果，具有廣泛推廣價值。

關(guān)鍵詞：六軸慣導(dǎo)；操作控制；帶電作業(yè)機器人；電力配電網(wǎng)

Abstract: The manual hot-line work is often adopted by the power distribution network in China currently for the emergency repair and routine maintenance Therefore, it has become urgent to develop robots for automatic hot-line work to replace manual operation. Based on the introduction of hot-line work robots, a new type of remote control system and algorithms are designed and analyzed in this paper. Generally, the robot arm on the operating platform can be remotely controlled to complete the task of hot-line work. In specific, the robot can obtain precise environmental target information by using binocular stereo camera. Through the six axes IMU devices, the position and pose information of the operator's hands can be acquired in real time. In the end, the trajectory information of the robot arm can be obtained by analyzing the above information. The presented remote control system deserves an extensive promotion after the site test in electrical power system.

Key words: Six axes IMU; Remote control system; Hot-line work robot; Power distribution system

1　前言

目前，我國10kV配電網(wǎng)需要頻繁帶電作業(yè)操作。當前帶電作業(yè)要求操作人員攀爬10kV電線桿或借助絕緣斗臂車進行作業(yè)，需要操作人員在高空、高壓、強電磁場等極端危險環(huán)境下進行接線、解線等手工操作，勞動強度大，精神高度緊張，不僅給帶電作業(yè)人員帶來人身危險，而且完成作業(yè)效率低下。

機器人技術(shù)自20世紀六十年代開始，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)取得巨大進步，得到了廣泛應(yīng)用。操作機器人從第一代的示教/在線方式，到第二代環(huán)境感知模式，到目前的智能機器人，可以在更多領(lǐng)域替代人類完成各種危險復(fù)雜任務(wù)。配電網(wǎng)帶電作業(yè)任務(wù)復(fù)雜，操作環(huán)境危險復(fù)雜，是典型應(yīng)用機器人替代人類的操作環(huán)境。由于配電網(wǎng)帶電作業(yè)的特殊性，要想應(yīng)用機器人完成任務(wù)，需要對機器人系統(tǒng)進行全新設(shè)計才能更好地滿足配電作業(yè)特殊需求。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國際上從事帶電作業(yè)機器人的研究起步較早，日本作為機器人產(chǎn)業(yè)強國之一，在20世紀80年代就開始了相關(guān)技術(shù)的研究^[1]。美國、法國、加拿大、烏克蘭、韓國等國家，也都進行過帶電作業(yè)機器人的研究，但大多還停留在研究和實驗階段，沒有像日本的機器人那樣投入實際使用。國內(nèi)對配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人的研究近 幾年來已取得多項研究成果^[2]，但是目前主要采用由國外引進主體結(jié)構(gòu)，自主改進的方式，一直沒有真正實現(xiàn)自主發(fā)明。

目前國內(nèi)外帶電作業(yè)機器人主要采用兩種模式：一是操作員隨絕緣斗在空中直接在電纜旁操作機器臂完成帶電作業(yè)；二是操作員在地面，機器臂隨高空云臺升入作業(yè)現(xiàn)場，操作員通過監(jiān)視器觀察高空現(xiàn)場情況，操控機器臂進行帶電作業(yè)。由于第一種模式操作員仍然需要在空中電纜旁進行操作，存在觸電風險；目前的帶電機器人研發(fā)主要集中在第二種模式，即操作員在地面對空中的機器臂進行遙操作的方式。對于這種模式，目前主要存在的問題是由于多自由度機器臂的靈活性不足和多自由度遙控復(fù)雜度高導(dǎo)致的人類操作員遙控機器臂操作效率低下，可靠性差，任務(wù)完成精準度低。

針對帶電作業(yè)機器人的遙操作問題，本文設(shè)計了一種新的遙操作模式，以及配套的機器臂控制系統(tǒng)，可以有效提升遙操作的易用性和準確性。

3　基于六軸慣導(dǎo)的帶電作業(yè)機器人遙操作

目前研制的帶電作業(yè)機器人主要采用雙機器臂結(jié)構(gòu)，每個機器臂配置6~7自由度，以保證足夠的靈活性，通過模擬人類操作員的胳膊來完成帶電作業(yè)任務(wù)。由于雙自由度共12~14自由度，傳統(tǒng)的遙控方式為操作員的遙操作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。無論是針對單自由度依次控制，還是針對多自由度進行并行控制，實際測試表明遙操作的效率和準確度都不理想。針對這個問題，國內(nèi)外很多研究都期望設(shè)計新的遙操作方法，來提升遙控效率，降低對人類操作員的要求^[3]。最有特色的研究是：采用運動跟蹤的方式，利用立體相機直接跟蹤人類操作員的雙臂動作，并進行空間坐標結(jié)算，然后驅(qū)動機器臂追蹤操作員雙臂，完成帶電作業(yè)任務(wù)。但是在實際測試中，發(fā)現(xiàn)存在控制問題。由于機器臂的自由度空間分布和靈活性相比人類臂膀有很大差距，導(dǎo)致很多人類操作員簡單的雙臂移動，會帶來機器臂操作空間運動的紊亂，以及自由度閉鎖等問題，導(dǎo)致機器臂無法準確追蹤人類雙臂的運動軌跡。針對機器臂遙操作效率低、誤操作風險大的問題，結(jié)合機器臂軌跡控制存在的風險，我們設(shè)計了一種新型帶電作業(yè)機器人遙操作系統(tǒng)：基于六軸慣導(dǎo)的帶電作業(yè)機器人遙操作控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括操作員手持慣導(dǎo)設(shè)備和機器臂控制器兩個部分。下面詳細介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。

3.1　基于慣導(dǎo)的帶電作業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于慣性導(dǎo)航的帶電作業(yè)機器人控制系統(tǒng)主要包括三個部分：空間機器臂、手持慣導(dǎo)設(shè)備及機器臂控制器。
帶電作業(yè)操作使用輕型雙機器臂作為執(zhí)行機構(gòu)。手持慣導(dǎo)設(shè)備包含三軸陀螺儀及三軸加速度計，主要負責采集操作員手部動作。機器臂控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)接收手持慣導(dǎo)設(shè)備發(fā)送的六軸慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，自動計算機器臂各關(guān)節(jié)自由度的運轉(zhuǎn)軌跡，并控制機器臂末端最終手持慣導(dǎo)設(shè)備軌跡。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2　基于慣導(dǎo)的帶電作業(yè)機器人遙操作工作模式

本系統(tǒng)的工作模式，就是機器臂和環(huán)境感知部被云臺直接推送到作業(yè)高空，人類操作員在地面通過視覺引導(dǎo)的方式，操作機器臂完成作業(yè)任務(wù)。遙操作系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。首先云臺上的雙目立體攝像機會實施傳輸前端圖像到地面，操作員通過監(jiān)視器觀察到環(huán)境中的所有目標信息；然后操作員手持慣導(dǎo)設(shè)備，進行空間移動；機器臂遙操作控制器根據(jù)采集的操作員手部末端的空間位姿信息，結(jié)合機器臂的自由度分布和幾何參數(shù)，自動規(guī)劃各自由度的運行軌跡，并驅(qū)動機器臂運動，保證機器人末端操作工具到達操作員期望的空間位置，并驅(qū)動機器人末端搭載的操作工具執(zhí)行作業(yè)任務(wù)。詳細流程如圖2、圖3所示。

圖2 遙操作系統(tǒng)控制流程

圖3 手持慣導(dǎo)設(shè)備工作流程

4　結(jié)語

遙操作系統(tǒng)是帶電作業(yè)機器人的核心，只有通過簡捷高效而準確的遙操作方式，操作員才能遙控機器臂完成帶電作業(yè)任務(wù)。本文介紹的新型帶電作業(yè)機器人遙操作系統(tǒng)，就是采用六軸慣性導(dǎo)航技術(shù)，采集操作員的手部位姿信息，為結(jié)合機器臂空間軌跡規(guī)劃算法，高效完成遙操作任務(wù)。通過現(xiàn)場演示，實際效果達到設(shè)計目標，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1] Sawada J, Kusumoto K, Maikawa Y, et al. A Mobile Robot for Inspection of Power Transmission Lines[J]. IEEE Trans on Power Delibery, 1991, 6 ( 1 ) : 309 - 315.

[2] Nakashima M, Yano K, Maruyama Y, et al. The Hot Line Work Robot Sytem “Phase II” and Its Human-robot Interface “Mos”[J]. Proc of the IEEE/RSJ Inter Conf on Intelligent Robots and Systems, 1995,( 2 ) : 116 - 123.

[3] 戚暉. 高壓帶電作業(yè)機器人及其跟蹤裝配系統(tǒng)的研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2003.

作者簡介：

尹春麗（1971-），女，遼寧沈陽人，高級工程師，現(xiàn)就職于國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，主要研究領(lǐng)域為電力系統(tǒng)及其自動化。

劉　波（1983-），男，江蘇徐州人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，主要研究領(lǐng)域為城市配電。

李　穎（1974-），男，安徽宿州人，高級工程師，現(xiàn)就職于國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，主要研究領(lǐng)域為電力系統(tǒng)及其自動化。

王　丹（1988-），女，江蘇徐州人，工程師，現(xiàn)就職于國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，主要研究領(lǐng)域為城區(qū)配電。

摘自《自動化博覽》2019年6月刊