CN108466269A - 一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法，实现高压输电线路移动作业机器人机械手与线路螺栓的自主定位及对接控制方法。该自主定位控制过程主由3阶段组成，第一步通过电磁阵列传感器实现机器人作业空间的定位，第二步通过双机械臂***的运动学分析及线路结构参数实现机械手与螺栓的粗定位，第三步通过视觉伺服控制实现螺栓的精定位及机械手与螺栓的对接；本发明中的机械手自主定位控制方法将机器人螺栓紧固作业合理的分为3个阶段，每个阶段采取了不同的定位控制方法，整个作业过程稳定可靠；本发明的实施有效地提高了机器人的作业效率、作业可靠性及机器人作业过程的智能性。

Description

一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法，属于智能电网行业领域。

背景技术

带电作业机器人是一种辅助或代替人工进行带电作业，服役于高压输电线路的特种作业机器人，在电力行业具有广泛应用价值。引流板、防震锤、间隔棒、各类线夹等都是输电线路上的常见金具，它们都需要通过螺栓的联接与输电线路形成一个整体，在野外恶劣环境下，定期和不定期的对这些线路金具的联接部件螺栓进行拧紧作业是保证线路的安全可靠运行的关键，因此，螺栓拧紧作业对于面向不同带电作业任务具有较强的代表性，螺栓紧固作业机器人及其机械手对于降低作业风险、保证作业安全、提高作业效率和作业可靠性具有重要理论意义与实际应用价值。在作业过程中机械手与作业对象关键环节的定位控制是高质量完成作业任务的关键，机械手的定位效果及定位智能性直接关系到机器人作业过程的自动化及作业效率。

目前机械手定位控制的研究大多是在多传感器信息融合与视觉伺服的半自主定位方法，且难以适应高压输电线路特定的作业环境。因此，本发明提出了一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法，可以提高作业效率和作业过程的自动化程度及增强机器人的智能行为能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是提供一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法，能够在高压、强电磁干扰、不同线路结构参数及野外不确定性的情况下，实现机械手与作业对象螺栓的自主定位，提高机器人作业效率和作业过程的智能性。为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。

首先本发明提出带电作业机器人定位控制的分层体系架构。完整的定位控制过程可以抽象为三个层次，即定位控制决策层、定位任务分解层、定位动作执行层。其中定位控制决策层是机器人的中枢，所有的定位控制命令都是由此发出，机器人的定位控制主要通过双臂各关节运动和行走轮运动交替切换实现，定位任务分解层为根据不同作业任务确定不同定位方式，当进行螺栓紧固作业时主要包括机器人线上行走、行走轮定位压接管、螺栓头定位、螺母定位，在定位任务分解层中关键部位的定位是通过定位动作执行层中作业臂的伸缩、旋转、横移、纵移关节基本动作及机器人行走实现的，定位状态信息由底层向上层传递，而控制命令由上层向底层逐层传递，同时各层之间通过人机交互***相联接，通过运动学实现粗定位、通过视觉处理控制实现精定位，从而实现作业过程中机械手对作业对象关键部位的精确定位控制，其体系结构如图1所示。

其次本发明提出带电作业机器人作业空间的定位。机器人沿输电导线低速前进逐渐靠近引流板螺栓，首先需要定位引流板压接管，当机器人定位到引流板后，机器人即进入工作位，双机械手及可开始准备作业。引流板压接管的定位是通过行走轮的碰检、行走轮电机的伺服控制以及安装在机器人两个行走轮上电磁传感器三个方面来实现的，定位原理为机器人通过检测电磁传感器线圈在输电导线交变磁场中感应电动势的变化以及其相对于导线的距离和夹角来获取机器人的位姿，进而控制机器人的下一步动作如图2所示。理想情况下高压输电导线可视为通有交变电流的无限长直导线，由于引流板压接管为铁质材料，它包裹了高压输电导线的绝大部分区域，极大地增强了连接处导线周围的磁场强度，尤其是高出导线的两侧臂间的区，磁力线密度得到显著增强，当机器人在无障碍物的输电导线上行驶时，远离和靠近悬垂线夹的两个传感器的输出基本相等；当机器人接近引流板压接管时，安装在前行走轮上的电磁传感器的输出变大，而安装在后臂行走轮上的电磁传感器的输出基本不变。根据电磁传感器输出信号可以实现引流板压接管的定位控制，当机器人定位到引流板后前臂电磁传感器线圈的感应电动势会增大，因此可通过机器人实时监测感应电动势，当其增大时自动执行刹车动作，此时可认为机器人已准确定位到引流板压接管，此时机器人进入工作位。

再次本发明提出基于运动学的机械手初定位。通过双作业臂的运动学分析可知双机械手套筒位姿相对于基坐标系双作业臂各关节变量(θ₁,d₁,d₂,d₃,θ₂,d₄,d₅)的运动函数，从而获取了双机械手套筒在各关节运动时的实时位姿。在机器人上线后行走轮沿导线缓慢前进并碰检和定位压接管后如图3(a)所示，定义该姿态为双机械手初始位姿，该状态下机械手在基坐标系中的坐标为P_0i(x_0i,y_0i,z_0i)(i＝1,2分别表示机械手1和机械手2)，定义如图3(b)所示状态为双机械手理想位姿，该状态下机械手在基坐标系中的坐标为P_ri(x_ri,y_ri,z_ri)，在行走轮定位到压接管后机器人进入初始工作位，双机械手各关节协调运动可到达工作区。因此，通过上述分析可知机器人双机械手由初始位姿通过各关节的协调运动至捕捉并粗定位到螺栓头螺母，到达对准状态整个过程可抽象为机器人基于机械手运动学反解的非线性逼近控制问题，其实质是机械手在空间坐标系中由初始位姿P_0i通过机器人双作业臂的旋转、伸缩、横移和机械手的纵移四种基本动作不断动态调节机器人机械手在空间坐标系中的实际位姿，并不断逼近理想位姿P_ri的过程，假设P_i ^*为各关节运动过程中机械手的实时动态位姿坐标，由机器人作业臂运动学分析可知机械手1和机械手2套筒在空间基座标系中的实时位姿坐标为(1)式，螺栓头和螺母在基坐标系中的坐标即理想位姿P_ri(x_ri,y_ri,z_ri)的值是可以通过实际测量得到，因此可得实现机械手与螺母对准定位误差函数为式(2)，从而自主定位控制目标为使得双机械手在逼近螺栓头和螺母的过程中其定位误差无限趋近于零如(3)式所示。

最后本发明提出基于视觉伺服的机械手精定位。实现螺栓螺母的定位与对接的两个关键是机械手套筒与螺母轴向中心线的对准与棱边的对准，其中轴向中心线的对准是前提与基础，棱边的对准才是对接的充要条件，轴向的定位与对准是通过基于BP网络与运动学的原理实现的，而棱边的对准则可以通过视觉伺服特征参数的获取与控制原理实现。如图4(a)所示，以任意位姿螺母外侧面为水平面，螺母外侧面中心为坐标原点建立直角坐标系XOY，将Y轴正向与Y轴右侧最邻近的六边形外接圆内径之间的夹角定义为螺母的位姿偏差角β，在作业前首先调整机械手套筒内六角有一边平行于参考地面，按照螺母偏差角的定义，初始状态下机械手套筒内六角的初始偏差角为30°如图4(b)所示。通过机械手内六角套筒偏差角与螺母偏差角的对比可以得出实现套筒内六角棱边与螺母棱边对准，内六角套筒需要旋转的最小角位移γ，设图4(a)中六边形顶点F坐标为(x*，y*)则可得螺母的偏差角以及内六角套筒需要运动的角位移γ分别为5(a)式和5(b)式。

由于双机械手由初始位姿到螺栓螺母对接状态需要双作业臂的横移、纵移、伸缩、旋转4种基本动作，初始状态下，调节拧螺母电机旋转一定角度使得机械手套筒内六角的一条棱边与地面平行，对于作业臂的4种动作，在机械手套筒轴线与螺母轴线对准的过程中，只有旋转动作对机械手内六角棱边与地面的平行状态(初始状态)会产生影响。因此，在轴线对准后首先需要调节拧螺母电机旋转一定角度以补偿旋转动作对初始状态的影响，作业臂的旋转角度与内六角棱边的偏转角度的关系如图5所示。通过旋转关节电机的控制变量和螺母丝杆机构的转换可得到作业臂的旋转角为γ，由该图几何关系可得螺母平行于地面的一条棱边也会由于作业臂的旋转相对地面偏转角度为δ，且这个角度正好与作业臂的偏转角是相等的。因此机械手由初始状态到达轴线对准状态后，首先需要拧螺母电机运动一个位姿补偿值δ，以保证在作业臂旋转动作后套筒内六角棱边有一条边始终与地面参考面平行，从而在此初始状态下实现机械手套筒棱边与螺母棱边的对准与定位。

通过上述分析可以得到机械手套筒棱边对准视觉处理定位的控制流程为，首先确定好机械手套筒内六角的初始参考位姿，通过拧螺母电机的转动将内六角的一条棱边调至与参考面地面平行，通过基于运动学和神经网络的方法实现机械手套筒中心线与螺母中心线的对准定位，然后补偿套筒内六角的初始位置偏差，通过螺母视频图像的处理计算螺母偏差角β，判断偏差角是否为30°，如果是则可以执行机械手纵移实现机械手与螺母的对接，如果不等于30°，则计算内六角套筒需要运动的角位移γ＝β-30°，按照这个角度采用位置环的模式调节拧螺母电机旋转以补偿螺母定位误差。

由于采用了以上技术方案，本发明一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法有以下优点：

(1)本发明中的自主定位方法综合了多源传感器信息融合定位、运动学及先验知识定位以及视觉伺服定位3大主流方法的优点，其定位精度更高，保障了作业过程的可靠性；

(2)本发明中的自主定位方法对于输电线路不同结构线路参数的引流板螺栓的自主定位具有很强的适应性，其作业效率更高，保障了机器人对于作业环境的鲁棒性；

(3)本发明中的自主定位方法有部分主要是通过软件实现，因此在一定程度上节省了硬件消耗，可以有效降低开发实际的机器人机械手自主定位控制***的成本；

(4)本发明中的自主定位方法具有较强的通用性，其不仅可以应用于特种电力作业机器人，还可以推广应用于其它工业或民用机器人的机械手自主定位控制。

具体实施方式

机器人机械手自主定位控制结构如图6所示，整个控制***是由基于运动学的位姿反馈和基于视觉伺服的特征参数反馈所组成的双闭环控制***，其中一个闭环实现机械手的粗定位，另一个闭环实现机械手的精定位。第一个闭环的功能是控制机器人机械手在空间坐标系中由初始位姿不断逼近理想位姿，在自主定位控制***中，BP网络控制以机械手位姿误差为输入，输出为控制变量u(t)，通过BP网络的学习动态调节控制机器人作业臂的旋转、伸缩和机械手的纵移电机转速并通过积分位姿变换得到机械手的实际位姿，然后再与理想位姿比较得到位姿误差，通过位姿误差微分变换得到机械手速度误差，并作为控制器的输入，而形成的一个闭环控制***，通过控制器的动态调节，当机械手的实际位姿逼近到理想位姿，位姿误差阈值能够满足定位要求时整个动态调节过程结束，双机械手粗定位到螺栓螺母，基于粗定位，通过后一轮闭环视觉处理控制实现螺栓的精确定位，当控制过程结束后机械手可实现与螺栓的对准与对接。

以上所述仅为本发明专利的一般实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，或直接或间接运用在相关的技术领域，皆应属于本发明专利的涵盖范围。

附图说明

图1是本发明提供的带电作业机器人分层定位控制结构的示意图；

图2是本发明提供的电磁传感器与导线磁场位置关系示意图的示意图；

图3是本发明提供的螺栓紧固作业双机械手运动示意图的示意图；

图4是本发明提供的螺母与机械手套筒外侧面视觉成像的示意图；

图5是本发明提供的作业臂运动转角对内六角棱边转角的影响的示意图；

图6是本发明提供的机械手自主定位控制结构图的示意图。

Claims (4)

1.一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法，其特征在于整个定位控制过程被分为了3个阶段，即：基于电磁传感器的机器人作业空间定位，基于运动学和线路参数的机器人机械手与螺栓对准的粗定位，基于视觉伺服的机械手与螺栓对准的精定位。

2.根据权利1所述一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法，其中机器人作业空间定位其特征是通过行走轮的碰检、行走轮电机的伺服控制以及安装在两个行走轮上电磁传感器三个方面来实现的，通过检测电磁传感器线圈在输电导线交变磁场中感应电动势的变化以及其相对于导线的距离和夹角来获取机器人的位姿，进而控制机器人的下一步动作。

3.根据权利1所述一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法，其中基于运动学和线路参数的机器人机械手与螺栓粗定位其特征是通过机械手理想位姿对机器人逆运动学求解，获得各关节变量值，控制机器人运动以获得实际位姿并与给定理想位姿比较得到定位位姿误差，如果误差满足定位控制性能需求则输出当前关节变量值，控制各关节运动实现各机械手对螺栓的捕捉与定位，否则以当前实际位姿继续求解新的关节控制参数，重复上述迭代过程，直到实际位姿等于理想位姿为止，整个粗定位控制过程结束。

4.根据权利1所述一种用于电力线缆作业机器人机械手的自主定位控制方法，其中基于视觉伺服的机械手与螺栓对准的精定位其特征是通过对摄像机采集的螺栓图像进行视觉处理，获取其特征参数，定义螺栓偏差角，通过机械手运动过程中的动态偏差角实时计算获取并与初始偏差角的对比，得到拧螺栓电机控制参数及运动行程，实现作业机械手与螺栓的精确定位。