CN106329399B - 一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法及控制器，用于解决现有技术中缺乏高效、准确率高以及输电线路螺栓紧固机器人控制算法，大部分带电作业机器人无法完成输电线路上螺栓的自动对中与紧固，带电作业机器人没有考虑到风动情况下螺栓和机器人的摆动情况，通过视频来远程控制对准，作业效率低下，阻碍了带电作业领域自动化的发展。并且螺栓在环境影响下，内部应力发生变化，仅应用经验来以恒力矩拧螺栓会对螺栓寿命产生极大损伤，影响了供电的可靠性的技术问题。

Description

一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法及控制器

技术领域

本发明涉及电力***高压带电作业自动化领域，尤其涉及一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法及控制器。

背景技术

螺栓作为输电线路上的连接器件，由于其结构简单，成本低，所以广泛应用于输电线路中。然而，输电线路上螺栓在高压线路上的工作环境是相当复杂的，由于风力的变化引起的输电线路的摆动和线路本身的热胀冷缩，线路上的螺栓会产生松动的现象，这可能会导致电力传输线的严重损坏，给电力供应商和用户带来巨大的经济损失。

现有的巡线机器人通过远程视频操作，没有考虑到风力的影响，作业效率低，难以对准。并且在紧固螺栓时，凭借经验用恒定扭矩拧螺栓，没有考虑螺栓内部应力变化，不仅对螺栓会造成二次伤害，还无法保证输电线路的安全运行。

发明内容

本发明实施例提供了一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法及控制器，解决了现有技术中缺乏高效、准确率高以及输电线路螺栓紧固机器人控制算法，大部分带电作业机器人无法完成输电线路上螺栓的自动对中与紧固，带电作业机器人没有考虑到风动情况下螺栓和机器人的摆动情况，通过视频来远程控制对准，作业效率低下，阻碍了带电作业领域自动化的发展。并且螺栓在环境影响下，内部应力发生变化，仅应用经验来以恒力矩拧螺栓会对螺栓寿命产生极大损伤，影响了供电的可靠性的技术问题。

本发明实施例提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法，包括：

S1：计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

S2：判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若相同，则控制所述机械臂对准螺栓，若不相同，则返回所述步骤S1进行所述螺栓紧固套筒和所述螺栓的倾角的再次计算；

S3：控制所述机械臂对准螺栓后，通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度；

S4：通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

优选地，所述步骤S1具体包括：

建立加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***和特征模型，计算所述螺栓紧固套筒的倾角，同时通过对所述螺栓的轨迹进行预测，计算所述螺栓的倾角。

优选地，所述步骤S1具体包括：

建立加速度的模型为：α_Acc＝α_extra-g+b_a+n_a，其中α_extra,g,b_a,n_a分别代表外部重力加速度，重力加速度，加速度计的偏差和噪声，陀螺仪的姿态角度测量***为：ω_gyro＝ω+b_g+n_g，其中b_g和n_g分别代表陀螺仪的偏差和噪声，通过卡尔曼滤波器测量得到机器人倾角的最优估计，根据相应的机械机构转换，得到所述螺栓紧固套筒的倾角；

同时通过已知的螺栓历史位置数据，使用最小二乘法拟合出螺栓的轨迹，进行预测螺栓的位置，根据所述螺栓的轨迹和预测位置，分解出所述螺栓预测位置的倾角。

优选地，所述步骤S4具体包括：

通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定扭矩系数和预紧力，根据所述扭矩系数和预紧力，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

优选地，通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定扭矩系数和预紧力，根据所述扭矩系数和预紧力，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓具体包括：

获得预紧力-扭矩计算公式为T＝T₁+T₂＝KdF，其中T为拧紧力矩，T₁为螺纹副的螺纹阻力矩，T₂为头部支承面的摩擦力矩，预紧力为F，被连接件受的预紧力为:

其中C_s是螺纹副及被连接间的***总刚度，P为螺纹螺距；

预定K_t＝dT/dt，得到

和扭矩与预紧力的关系式为：

通过所述扭矩随时间变化的斜率K_t和C_s，确定扭矩系数，C_s＝F/δ，δ是螺栓内部形变量，确定预紧力对应的控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

本发明实施例中提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制器，包括：

第一计算单元，用于计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

判断单元，用于判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若相同，则控制所述机械臂对准螺栓，若不相同，则继续通过所述第一计算单元计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

第二计算单元，用于控制所述机械臂对准螺栓后，通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度；

确定单元，用于通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

优选地，所述第一计算单元具体包括：

建模子单元，用于建立加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***；

第一计算子单元，用于通过所述加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***，计算所述螺栓紧固套筒的倾角；

第二计算子单元，用于通过对所述螺栓的轨迹进行预测，计算所述螺栓的倾角。

优选地，

所述建模子单元，具体用于建立加速度的模型为：α_Acc＝α_extra-g+b_a+n_a，其中α_extra,g,b_a,n_a分别代表外部重力加速度，重力加速度，加速度计的偏差和噪声，陀螺仪的姿态角度测量***为：ω_gyro＝ω+b_g+n_g，其中b_g和n_g分别代表陀螺仪的偏差和噪声；

所述第一计算子单元，具体用于通过所述加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***，通过卡尔曼滤波器测量得到机器人倾角的最优估计，根据相应的机械机构转换，得到所述螺栓紧固套筒的倾角；

所述第二计算子单元，具体用于同时通过已知的螺栓历史位置数据，使用最小二乘法拟合出螺栓的轨迹，进行预测螺栓的位置，根据所述螺栓的轨迹和预测位置，分解出所述螺栓预测位置的倾角。

优选地，所述确定单元具体包括：

第一确定子单元，用于通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定扭矩系数和预紧力；

第二确定子单元，用于根据所述扭矩系数和预紧力，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

优选地，

所述第一确定单元，具体用于获得预紧力-扭矩计算公式为T＝T₁+T₂＝KdF，其中T为拧紧力矩，T₁为螺纹副的螺纹阻力矩，T₂为头部支承面的摩擦力矩，预紧力为F，被连接件受的预紧力为:

其中C_s是螺纹副及被连接间的***总刚度，P为螺纹螺距；

预定K_t＝dT/dt，得到

和扭矩与预紧力的关系式为：

通过所述扭矩随时间变化的斜率K_t和C_s，确定扭矩系数，根据C_s＝F/δ，δ是螺栓内部形变量，确定预紧力。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法及控制器，其中一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法包括S1：计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；S2：判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若相同，则控制所述机械臂对准螺栓，若不相同，则返回所述步骤S1进行所述螺栓紧固套筒和所述螺栓的倾角的再次计算；S3：控制所述机械臂对准螺栓后，通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度；S4：通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。本实施例中，考虑到风力作用干扰下，螺栓和机器人做不同频率的摆动，故采用轨迹预测估计两者位置，结合伺服电机多关节协调控制策略，来完成其对准工作。然后对螺栓内部应力变化进行分析，采用扭矩系数控制法来选用合适的力矩，完成螺栓紧固作业，解决了现有技术中缺乏高效、准确率高以及输电线路螺栓紧固机器人控制算法，大部分带电作业机器人无法完成输电线路上螺栓的自动对中与紧固，带电作业机器人没有考虑到风动情况下螺栓和机器人的摆动情况，通过视频来远程控制对准，作业效率低下，阻碍了带电作业领域自动化的发展。并且螺栓在环境影响下，内部应力发生变化，仅应用经验来以恒力矩拧螺栓会对螺栓寿命产生极大损伤，影响了供电的可靠性的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例中提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制器的一个实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制器的另一个实施例的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的硬件结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓紧固作业末端执行器结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法及控制器，解决了现有技术中缺乏高效、准确率高以及输电线路螺栓紧固机器人控制算法，大部分带电作业机器人无法完成输电线路上螺栓的自动对中与紧固，带电作业机器人没有考虑到风动情况下螺栓和机器人的摆动情况，通过视频来远程控制对准，作业效率低下，阻碍了带电作业领域自动化的发展。并且螺栓在环境影响下，内部应力发生变化，仅应用经验来以恒力矩拧螺栓会对螺栓寿命产生极大损伤，影响了供电的可靠性的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法的一个实施例包括：

101、计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

102、判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若是，则执行步骤103，若否，则返回步骤101；

103、控制所述机械臂对准螺栓；

104、控制所述机械臂对准螺栓后，通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度；

105、通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

本实施例中，通过计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角，控制所述机械臂对准螺栓和通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓，解决了带电作业机器人没有考虑到风动情况下螺栓和机器人的摆动情况，通过视频来远程控制对准，作业效率低下，阻碍了带电作业领域自动化的发展。并且螺栓在环境影响下，内部应力发生变化，仅应用经验来以恒力矩拧螺栓会对螺栓寿命产生极大损伤，影响了供电的可靠性的技术问题。

上面是对一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法的过程进行详细的描述，下面将对一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法的具体过程进行详细的描述，本发明实施例提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法的另一个实施例包括：

201、建立加速度的模型为：α_Acc＝α_extra-g+b_a+n_a，其中α_extra,g,b_a,n_a分别代表外部重力加速度，重力加速度，加速度计的偏差和噪声，陀螺仪的姿态角度测量***为：ω_gyro＝ω+b_g+n_g，其中b_g和n_g分别代表陀螺仪的偏差和噪声，通过卡尔曼滤波器测量得到机器人倾角的最优估计，根据相应的机械机构转换，得到所述螺栓紧固套筒的倾角，同时通过已知的螺栓历史位置数据，使用最小二乘法拟合出螺栓的轨迹，进行预测螺栓的位置，根据所述螺栓的轨迹和预测位置，分解出所述螺栓预测位置的倾角；

具体实施时，螺栓的轨迹预测方法包括：一种多传感器信息融合最优卡尔曼滤波器预测算法、基于感兴趣区域的最小二乘法。

为了完成螺栓的对准工作，需要知道螺栓和套筒的位置。考虑到输电线路上两者受到风力的影响，做不同频率的非线性运动，所以很难建立螺栓和套筒的数学模型，所以采用轨迹预测来获取两者的位置。本文采用多传感器信息融合最优卡尔曼滤波器预测算法。机器人控制器建立加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***和特征模型，采用卡尔曼滤波方法，机器人控制器对来自加速度计和陀螺仪的信号进行融合，得到较为精准的倾角预测。加速度的模型如下式：

α_Acc＝α_extra-g+b_a+n_a (1)

这里，α_extra,g,b_a,n_a分别代表外部重力加速度，重力加速度，加速度计的偏差和噪声。陀螺仪用于测量在X、Y、Z轴的角速度。不容易受外部干扰,但其数据易产生漂移。

ω_gyro＝ω+b_g+n_g (2)

这里，b_g和n_g分别代表陀螺仪的偏差和噪声。卡尔曼滤波器通过测量产生一个***状态最优估计。

卡尔曼滤波器的设计分为两部分：预测和更新。

预测均方误差方程:

P(k/k-1)＝AP(k-1/k-1)A^T+Q (3)

更新均方误差方程:

P(k/k)＝[I-K_g(k)H]P(k/k-1) (4)

其中，I为单位阵，对于本***则有K_g(k)为卡尔曼增益。当***进入k+1状态时，P(k/k)就是式子(3)的P(k-1/k-1)。得到机器人的倾斜角度的预测值后，根据相应的机械机构转换，便能得到套筒的倾斜角度。

基于感兴趣区域的最小二乘法来预测螺栓的运动轨迹，该方法根据目标的历史位置，使用最小二乘法拟合出目标物体的运动轨迹，进而得到x,z方向上运动目标的预测位置。并结合加权法来限定目标的搜索范围，进而缩小图像的搜索范围，快速准确地获得螺栓的实际位置信息，满足运动控制***的实时性要求。

螺栓在相对于摄像机运动过程中，可获得其前m个位置，使用最小二乘法来拟合螺栓的运动轨迹，由此可以预测下一时刻螺栓的位置。根据已知的一组螺栓历史位置数据(x_i,z_i)(i＝1,2,3......,m)和螺栓运动轨迹的曲线P_n(x)，令拟合误差的平方和最小，即

其中：并且a_k(k＝0,1,......,n)为p_n(x)的常系数。由多元函数求极值的必要条件得：

即

上式为关于a₀,a₁,a₂,......,a_m的方程组，根据上式可解得a₀,a₁,a₂,......,a_m，由此可得描述螺栓运动轨迹曲线P_n(x)。根据得到的轨迹曲线和预测位置，可以分解出螺栓预测位置的倾角值，即θ＝X/Z。

最小二乘法拟合曲线的预测位置与实际位置必然存在一定的误差。并且螺栓在整幅图像中有自己的大小，为了减少误差，应该在以预测位置为中心的一个范围内进行目标搜索，采用m次预测精度的不同权重的加权法来决定本次的图像搜索范围。图像搜索范围如下：

这里D_x与D_y分别为搜索区域(即兴趣区域)的宽度和高度的半径，m为参考位置的个数，b为常数，与螺栓的大小和参考位置数量相关。

202、判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若是，则执行步骤203，若否，则返回步骤201；

判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若是，则控制所述机械臂对准螺栓，若否，则返回步骤201。

203、控制所述机械臂对准螺栓；

若套筒和所述螺栓的倾角相同，结合伺服电机多关节协调控制策略，通过机械手的操作，完成螺栓和套筒的对准工作。

204、控制所述机械臂对准螺栓后，通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度；

在本装置采用力矩传感器计算螺栓的扭矩随时间变化的斜率，利用力传感器测量螺栓内螺纹副的***刚度；

205、获得预紧力-扭矩计算公式为T＝T₁+T₂＝KdF，其中T为拧紧力矩，T₁为螺纹副的螺纹阻力矩，T₂为头部支承面的摩擦力矩，预紧力为F，被连接件受的预紧力为:

其中C_s是螺纹副及被连接间的***总刚度，P为螺纹螺距；

预定K_t＝dT/dt，得到

和扭矩与预紧力的关系式为：

通过所述扭矩随时间变化的斜率K_t和C_s，确定扭矩系数，C_s＝F/δ，δ是螺栓内部形变量，确定预紧力对应的控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

螺栓的紧固工作方法采用扭矩系数控制法。拧紧力矩过大往往会导致联接失效，螺栓拧紧力矩过大，垫片会被压死失去弹性或者螺栓拧断，拧紧力矩太小就达不到紧固作用。所以根据螺栓内部应力的变化来相应的控制螺栓的力矩是螺栓紧固过程的关键。

根据经典理论拧紧力矩T是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T₁及头部支承面的摩擦力矩T₂得到的预紧力-扭矩计算公式如下：

T＝T₁+T₂＝KdF (10)

预紧力F与螺母转角θ呈线性关系，此时被连接件受的预紧力为:

其中C_s是螺纹副及被连接间的***总刚度，P为螺纹螺距。

令K_t＝dT/dt，可得

由此可得扭矩与预紧力的关系式为

可以得出，K_t和C_s是两个变量，也是扭矩系数的核心，C_s＝F/δ，F是螺栓受到的力，δ是螺栓内部形变量。若能够得到扭矩随时间变化的斜率以及***的刚度，我们就可以该根据相应的预紧力对应的控制力矩。同时K_t包含了与摩擦系数之间的关系，所以针对不同质量的螺栓，就可以得到不同的控制力矩，保证了装配螺栓时预紧力的一致性，通过机械手的操作，完成螺栓紧固作业。在此，本装置采用力矩传感器计算扭矩随时间变化K_t，利用力传感器来测量***刚度。

在本实施例中，通过考虑到风力作用干扰下，螺栓和机器人做不同频率的摆动，故采用轨迹预测估计两者位置，结合伺服电机多关节协调控制策略，来完成其对准工作。然后对螺栓内部应力变化进行分析，采用扭矩系数控制法来选用合适的力矩，完成螺栓紧固作业，解决了现有技术中缺乏高效、准确率高以及输电线路螺栓紧固机器人控制算法，大部分带电作业机器人无法完成输电线路上螺栓的自动对中与紧固，带电作业机器人没有考虑到风动情况下螺栓和机器人的摆动情况，通过视频来远程控制对准，作业效率低下，阻碍了带电作业领域自动化的发展。并且螺栓在环境影响下，内部应力发生变化，仅应用经验来以恒力矩拧螺栓会对螺栓寿命产生极大损伤，影响了供电的可靠性的技术问题。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制器的一个实施例包括：

第一计算单元301，用于计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

判断单元302，用于判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若相同，则控制所述机械臂对准螺栓，若不相同，则继续通过所述第一计算单元计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

第二计算单元303，用于控制所述机械臂对准螺栓后，通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度；

确定单元304，用于通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

本实施例中，通过第一计算单元301计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角，判断单元302控制所述机械臂对准螺栓和第二计算单元303通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度，确定单元304确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓，解决了带电作业机器人没有考虑到风动情况下螺栓和机器人的摆动情况，通过视频来远程控制对准，作业效率低下，阻碍了带电作业领域自动化的发展。并且螺栓在环境影响下，内部应力发生变化，仅应用经验来以恒力矩拧螺栓会对螺栓寿命产生极大损伤，影响了供电的可靠性的技术问题。

上面是对本发明实施例提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制器的各单元进行详细的描述，下面将对一种输电线路螺栓紧固机器人的控制器的各附加单元进行详细的描述，请参阅图3，本发明实施例提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的控制器的另一个实施例包括：

第一计算单元401，用于计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

第一计算单元401具体包括：

建模子单元4011，具体用于建立加速度的模型为：α_Acc＝α_extra-g+b_a+n_a，其中α_extra,g,b_a,n_a分别代表外部重力加速度，重力加速度，加速度计的偏差和噪声，陀螺仪的姿态角度测量***为：ω_gyro＝ω+b_g+n_g，其中b_g和n_g分别代表陀螺仪的偏差和噪声；

第一计算子单元4012，具体用于通过所述加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***，通过卡尔曼滤波器测量得到机器人倾角的最优估计，根据相应的机械机构转换，得到所述螺栓紧固套筒的倾角；

第二计算子单元4013，具体用于同时通过已知的螺栓历史位置数据，使用最小二乘法拟合出螺栓的轨迹，进行预测螺栓的位置，根据所述螺栓的轨迹和预测位置，分解出所述螺栓预测位置的倾角。

判断单元402，用于判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若相同，则控制所述机械臂对准螺栓，若不相同，则继续通过所述第一计算单元计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

第二计算单元403，用于控制所述机械臂对准螺栓后，通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度；

确定单元404，用于通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

确定单元具体包括：

第一确定子单元4041，具体用于获得预紧力-扭矩计算公式为T＝T₁+T₂＝KdF，其中T为拧紧力矩，T₁为螺纹副的螺纹阻力矩，T₂为头部支承面的摩擦力矩，预紧力为F，被连接件受的预紧力为:

其中C_s是螺纹副及被连接间的***总刚度，P为螺纹螺距；

预定K_t＝dT/dt，得到

和扭矩与预紧力的关系式为：

通过所述扭矩随时间变化的斜率K_t和C_s，确定扭矩系数，根据C_s＝F/δ，δ是螺栓内部形变量，确定预紧力。

第二确定子单元4042，用于根据所述扭矩系数和预紧力，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

在本实施例中，通过考虑到风力作用干扰下，螺栓和机器人做不同频率的摆动，故通过建模子单元4011、第一计算子单元4012、第二计算子单元4013采用轨迹预测估计两者位置，通过判断单元402结合伺服电机多关节协调控制策略，来完成其对准工作。然后通过第一确定子单元4041和第二确定子单元4042对螺栓内部应力变化进行分析，采用扭矩系数控制法来选用合适的力矩，完成螺栓紧固作业，解决了现有技术中缺乏高效、准确率高以及输电线路螺栓紧固机器人控制算法，大部分带电作业机器人无法完成输电线路上螺栓的自动对中与紧固，带电作业机器人没有考虑到风动情况下螺栓和机器人的摆动情况，通过视频来远程控制对准，作业效率低下，阻碍了带电作业领域自动化的发展。并且螺栓在环境影响下，内部应力发生变化，仅应用经验来以恒力矩拧螺栓会对螺栓寿命产生极大损伤，影响了供电的可靠性的技术问题。

由于现有技术中缺乏高效、准确率高以及输电线路螺栓紧固机器人控制算法，大部分带电作业机器人无法完成输电线路上螺栓的自动对中与紧固，带电作业机器人没有考虑到风动情况下螺栓和机器人的摆动情况，通过视频来远程控制对准，作业效率低下，阻碍了带电作业领域自动化的发展。并且螺栓在环境影响下，内部应力发生变化，仅应用经验来以恒力矩拧螺栓会对螺栓寿命产生极大损伤，影响了供电的可靠性。因此，本发明提出了一种用于输电线路螺栓紧固机器人的视觉伺服控制算法，以高效搜索螺栓、精确识别螺栓，提高输电线路螺栓紧固工作的效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种输电线路螺栓紧固机器人的控制算法，包括螺栓的对中策略和螺栓的紧固算法，能够自动对中，紧固引流板上的螺栓。

螺栓紧固机器人通过螺栓对准与紧固的控制策略来保证螺栓在输电线路上稳定性。控制策略包括：螺栓通过设定引流线为参考物，先定位引流线，然后沿着引流线进行螺栓追踪。追踪到螺栓后，螺栓与机器人在风摆情况下的对中策略；针对螺栓内部应力改变进行力矩控制。其中对中控制包括：螺栓的轨迹预测；机器人的轨迹预测。螺栓力矩控制包括：扭矩随时间变化的斜率；***刚度的确定。

由于气候变化引起输电线路振动，机器人和螺栓做不同频率的非线性运动，难以建立两者的数学模型。为了对准螺栓，采用一种多传感器信息融合最优卡尔曼滤波器预测算法来预测摄像机的运动轨迹。螺栓的轨迹使用基于感兴趣区域的最小二乘法，采用局部搜索螺栓运动位置来满足***实时响应要求。

不同的螺纹副的摩擦力是不确定的，螺栓在线路上受到风摆及温度的影响会发生松动，内部应力发生变化，只是提高控制转矩精度无法保证预紧力的一致性，为了解决这一问题提出了扭矩系数的控制方法。

本发明实施例提供的一种输电线路螺栓紧固机器人的视觉算法，其运行所需的机器人硬件结构如附图4示：输电线路螺栓紧固作业机器人，其整体结构包括机器人本体和螺栓紧固作业执行器，其中机器人本体由箱体、行走轮3.1、以及锁紧夹3.2等组成，机器人箱体具备可以在导线3.3上行走的行走轮3.1，安装在行走轮一侧的锁紧夹3.2能锁紧导线3.3以保证机器人在线上平稳的移动。在行走轮左边有等电位轮3.4，以保证机器人在输电线路上安全运行。机器人本体包括多自由度机械臂3.5、末端紧固装置3.6，可以完成输电线路螺栓紧固工作。

具体实施时，作为本算法的硬件要求，所述螺栓紧固作业执行器，其结构包括多自由度机械臂、螺栓紧固末端执行器。其中多自由度机械臂由3个关节构成，分别为摆动关节3.5.1、伸缩关节3.5.2、旋转关节3.5.3，多关节组合协同工作，可以带动螺栓作业末端执行器到任意位置。所述螺栓紧固末端执行器包括旋转电机4.1、对向伸缩电机4.2，2个扳手套筒4.3，2个近焦摄像头4.4，其结构如附图5所示。输电线路螺栓紧固机器人通过机械臂控制螺栓紧固末端执行器，即可完成指定工作。2个近焦摄像头安装于扳手套筒的后端中央位置，末端执行器的两个扳手套筒由旋转电机驱动旋转，由对向伸缩电机驱动对向移动，在定位、微调完成后，即螺栓出现在图像正中央的时候，伸缩电机驱动套筒头对卡入螺栓，旋转电机驱动扳手套筒旋转完成螺栓紧固工作。

具体实施时，螺栓紧固带电作业装置的末端执行器中，2个摄像头为近焦摄像头放置在套筒内部，在获取清晰度较高的近距离螺栓图像的同时，可将无关的复杂背景一定程度的虚化，由于风摆的影响，机械手会调节套筒位置，使螺栓出现在摄像头中心，为后期螺栓夹紧、紧固工作提供有利条件。

具体实施时，2个近焦摄像头安装于扳手套筒的后端中央位置，在定位、微调完成后，即螺栓出现在图像正中央的时候，旋转电机驱动套筒头对卡入螺栓，对向伸缩电机驱动扳手套筒旋转完成螺栓紧固工作。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种输电线路螺栓紧固机器人的控制方法，其特征在于，包括：

S1：计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

S2：判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若相同，则控制所述机械臂对准螺栓，若不相同，则返回所述步骤S1进行所述螺栓紧固套筒和所述螺栓的倾角的再次计算；

S3：控制所述机械臂对准螺栓后，通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度；

S4：通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓；

所述步骤S1具体包括：

建立加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***，计算所述螺栓紧固套筒的倾角，同时通过对所述螺栓的轨迹进行预测，计算所述螺栓的倾角；

所述步骤S1具体包括：

建立加速度的模型为：α_Acc＝α_extra-g+b_a+n_a，其中α_extra,g,b_a,n_a分别代表外部重力加速度，重力加速度，加速度计的偏差和噪声，陀螺仪的姿态角度测量***为：ω_gyro＝ω+b_g+n_g，其中b_g和n_g分别代表陀螺仪的偏差和噪声，通过卡尔曼滤波器测量得到机器人倾角的最优估计，根据相应的机械机构转换，得到所述螺栓紧固套筒的倾角；

同时通过已知的螺栓历史位置数据，使用最小二乘法拟合出螺栓的轨迹，进行预测螺栓的位置，根据所述螺栓的轨迹和预测位置，分解出所述螺栓预测位置的倾角。

2.根据权利要求1所述的输电线路螺栓紧固机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定扭矩系数和预紧力，根据所述扭矩系数和预紧力，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

3.根据权利要求2所述的输电线路螺栓紧固机器人的控制方法，其特征在于，通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定扭矩系数和预紧力，根据所述扭矩系数和预紧力，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓具体包括：

获得预紧力-扭矩计算公式为T＝T₁+T₂＝KdF，其中T为拧紧力矩，T₁为螺纹副的螺纹阻力矩，T₂为头部支承面的摩擦力矩，预紧力为F，被连接件受的预紧力为:

其中C_s是螺纹副及被连接间的***总刚度，P为螺纹螺距；

预定K_t＝dT/dt，得到

和扭矩与预紧力的关系式为：

通过所述扭矩随时间变化的斜率K_t和C_s，确定扭矩系数，C_s＝F/δ，δ是螺栓内部形变量，确定预紧力对应的控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

4.一种输电线路螺栓紧固机器人的控制器，其特征在于，包括：

第一计算单元，用于计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

判断单元，用于判断所述套筒和所述螺栓的倾角是否相同，若相同，则控制所述机械臂对准螺栓，若不相同，则继续通过所述第一计算单元计算机器人机械臂末端的螺栓紧固套筒的倾角和螺栓的倾角；

第二计算单元，用于控制所述机械臂对准螺栓后，通过力矩传感器计算所述螺栓的扭矩随时间变化的斜率，并通过力传感器测量所述螺栓内螺纹副的***刚度；

确定单元，用于通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓；

所述第一计算单元具体包括：

建模子单元，用于建立加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***；

第一计算子单元，用于通过所述加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***，计算所述螺栓紧固套筒的倾角；

第二计算子单元，用于通过对所述螺栓的轨迹进行预测，计算所述螺栓的倾角；

所述建模子单元，具体用于建立加速度的模型为：α_Acc＝α_extra-g+b_a+n_a，其中α_extra,g,b_a,n_a分别代表外部重力加速度，重力加速度，加速度计的偏差和噪声，陀螺仪的姿态角度测量***为：ω_gyro＝ω+b_g+n_g，其中b_g和n_g分别代表陀螺仪的偏差和噪声；

所述第一计算子单元，具体用于通过所述加速度计和陀螺仪的姿态角度测量***，通过卡尔曼滤波器测量得到机器人倾角的最优估计，根据相应的机械机构转换，得到所述螺栓紧固套筒的倾角；

所述第二计算子单元，具体用于同时通过已知的螺栓历史位置数据，使用最小二乘法拟合出螺栓的轨迹，进行预测螺栓的位置，根据所述螺栓的轨迹和预测位置，分解出所述螺栓预测位置的倾角。

5.根据权利要求4所述的输电线路螺栓紧固机器人的控制器，其特征在于，所述确定单元具体包括：

第一确定子单元，用于通过所述扭矩随时间变化的斜率和所述***刚度，确定扭矩系数和预紧力；

第二确定子单元，用于根据所述扭矩系数和预紧力，确定控制扭矩，控制所述机械臂紧固螺栓。

6.根据权利要求5所述的输电线路螺栓紧固机器人的控制器，其特征在于，

所述第一确定单元，具体用于获得预紧力-扭矩计算公式为T＝T₁+T₂＝KdF，其中T为拧紧力矩，T₁为螺纹副的螺纹阻力矩，T₂为头部支承面的摩擦力矩，预紧力为F，被连接件受的预紧力为:

其中C_s是螺纹副及被连接间的***总刚度，P为螺纹螺距；

预定K_t＝dT/dt，得到

和扭矩与预紧力的关系式为：

通过所述扭矩随时间变化的斜率K_t和C_s，确定扭矩系数，根据C_s＝F/δ，δ是螺栓内部形变量，确定预紧力。