CN112366615B - 一种垂直距离1m场景的不移斗线路搭接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直距离1m场景的不移斗线路搭接方法，包括步骤：(1)在机械臂与工作末端之间增加绝缘杆；(2)通过激光雷达获取主线与引线的点云，进行位姿建模并分别计算出三相主线的主线剥线点和引线抓线点；(3)结合机器人的工作空间分别计算得到各相作业时的最佳作业位置；(4)进行单相作业，将机器人运动至该相作业的最佳作业位置；(5)再次进行激光建模并计算在当前机器人坐标系下该相的主线剥线点及引线抓线点位；(6)机械臂处于竖直状态，工作末端抓取引线并牵引达到主线剥线点下方，进行线路搭接流程。本发明可以实现在同一相主线作业流程中不移斗即可完成线路搭接，作业效率高，安全性好。

Description

一种垂直距离1m场景的不移斗线路搭接方法

技术领域

本发明涉及带电作业机器人领域，尤其涉及一种垂直距离1m场景的不移斗线路搭接方法。

背景技术

配网带电作业机器人典型作业场景包括单回路线路与双回路线路，单回路线路场景中，主线三角排列，引线与主线平行的场景是常见的作业场景，此种场景中，引线与主线的垂直间距为800-1000mm，水平间距为600-900mm，中相主线与横担的垂直距离为1.6-1.9m。其中，中相主线与边相主线垂直高度差为1m的带电作业场景为1m场景。

由于引线与主线的垂直间距大，主线三角排列形成的操作空间狭小，配网带电作业机器人很难在同一个停斗位置完成整个搭线的流程。在现有技术方案中，机器人首先抓取引线，然后工程人员控制斗臂车移动配网带电作业机器人到下一个工作位置，最后进行剥线、穿线和搭线的工序。由于移斗操作目前难以进行自动化控制，并且由于斗臂车的移动是多个自由度的耦合，需要工程人员使用较长的时间把配网带电作业机器人移动到计算好的位姿，降低了作业的效率；另外，移斗过程中有各种风险，如碰到主线、瓷瓶，造成事故；此外，现有技术中一般引线的抓线点是在引线末端附近，这种策略导致配网带电作业机器人由于工作空间的问题，能支持的引线与主线的高度差非常有限；最后，由于机器人与场景中的物体的位置发生了变化，需要增加操作步骤重新对场景中的物体进行建模或者定位，增加了流程的复杂性以及作业时间。

发明内容

发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种垂直距离1m场景的不移斗线路搭接方法。

技术方案：

一种垂直距离1m场景的不移斗线路搭接方法，包括步骤：

(1)在机器人机械臂与工作末端之间增加绝缘杆；

(2)通过机器人的激光雷达获取主线与引线的点云，进行位姿建模，根据建模结果分别计算出三相主线的主线剥线点和引线抓线点；

(3)根据步骤(2)计算得到的三相主线的主线剥线点和引线抓线点以及机器人的工作空间分别计算得到各相作业时的最佳作业位置；

(4)按照近相、中相、远相的作业顺序依次作业；在进行某一相作业时，斗臂车移斗将机器人移动至步骤(3)确定的该相作业的最佳作业位置；

(5)单相作业时，通过机器人的激光雷达获取该相主线与引线的点云，进行激光建模，计算在当前机器人坐标系下该相的主线剥线点及引线抓线点位；

(6)工作末端根据步骤(5)计算得到的引线抓线点抓取引线，机械臂处于竖直状态，带动其末端的工作末端先做X方向的移动，再做Y、Z方向上的移动，将引线牵引达到步骤(5)计算得到的主线剥线点下方30～40cm处的位置，进行线路搭接流程。

所述绝缘杆的长度为40～60cm。

所述步骤(2)中主线剥线点计算如下：

(211)根据机器人上的激光雷达获取主线与引线点云数据；

(212)分别对主线与引线点云数据进行点云的范围滤波、离群点滤波、体素滤波后，对点云进行自动聚类，然后对聚类点云进行种子自动生长和分段切割，提取每一段点云的质心，最后通过ros提供的tf树进行坐标转换，将前述得到的一系列分段点坐标从激光雷达坐标系转换到机器人坐标系下得到主线和引线；

(213)根据步骤(212)识别得到的主线与引线，计算得到引线长度及引线的搭接形态，进而计算得到三相的主线剥线点。

所述步骤(2)中引线抓线点位置的计算具体如下：

(221)通过机器人上的激光雷达获取引线点云并进行过滤，以一定的步长进行点云聚类计算引线各部分的中心点；通过各中心点在激光雷达坐标系下的Z方向坐标进行比较，得到引线的最高点；其中，一定的步长根据得到的引线点云数据和引线实际长度来确定；

(222)向引线末端方向搜索距离最高点设定距离的点K，计算点K与瓷瓶距离，并判断是否大于等于安全距离，若满足则输出点K作为引线的抓线点；若不满足则转至步骤(223)；

(223)以点K为基准点，向引线末端方向搜索距离点K设定距离的点，并赋值为K，判断其距瓷瓶距离是否大于等于安全距离，若满足则输出点K作为引线的抓线点；若不满足则重复本步骤直到满足条件，最后输出点K作为引线的抓线点。

所述距离最高点设定距离为15cm，所述安全距离为20cm。

所述步骤(2)中引线抓线点位置的计算具体如下：在引线中选取斜率tanθ为某定值的点，其中θ取30～45°。

所述步骤(5)计算的在当前机器人坐标系下该相的主线剥线点满足如下条件：

以机器人两只手臂的中间点作为原点，从右指向左为X轴，从前指向后为Y轴，从下指向上为Z轴；

其中，边相主线和中相主线的剥线点的x轴坐标范围均为(-0.3，0.3)；边相主线剥线点的y轴坐标的理想位置为-0.8，中相主线剥线点的y轴坐标的理想位置为-0.55；结合机器人机器臂的工作空间确定边相主线和中相主线的剥线点的z轴坐标的理想位置，最终计算得到主线剥线点坐标。

有益效果：采用本发明的方法，配网带电作业机器人在不移斗的情况下可以实现主线三角排列的场景的线路搭接，实现在同一相主线作业流程中不移斗即可完成线路搭接。本发明支持的引线与主线的距离差大，作业效率高，安全性好。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为绝缘杆安装示意图。

图3为引线抓线点位置计算流程图。

图4为计算得到的引线抓线点示意图。

图5为牵引引线到主线下方过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

图1为本发明的垂直距离1m场景的不移斗线路搭接方法流程图，如图1所示，本发明的垂直距离1m场景的不移斗线路搭接方法如下步骤：

(1)在配网带电作业机器人机械臂与工作末端之间增加绝缘杆；

配网带电作业机器人一般在机械臂上安装作业过程中需要使用的工作末端，为了使得操作灵活，并且提升配网带电作业机器人的负载能力，现有配网带电作业机器人的工作末端长度一般小于40cm，虽然为运动控制提供了简便，但使得配网带电作业机器人的作业空间较小，本发明在配网带电作业机器人的机械臂与工作末端之间增加绝缘杆，绝缘杆的长度为40～60cm有效的增大了配网带电作业机器人的作业空间，同时增加配网带电作业机器人的绝缘安全距离，如图2所示。

(2)计算三相主线的剥线点和引线抓线点；

通过配网带电作业机器人的激光雷达获取主线与引线的点云，进行位姿建模，根据建模结果分别计算出三相的主线剥线点和引线抓线点；

主线剥线点计算如下：

(211)根据配网带电作业机器人上的激光雷达获取主线与引线点云数据；

(212)分别对主线与引线点云数据进行点云的范围滤波、离群点滤波、体素滤波后，对点云进行自动聚类，然后对聚类点云进行种子自动生长和分段切割，提取每一段点云的质心，最后通过ros提供的tf树进行坐标转换，将前述得到的一系列分段点坐标从激光雷达坐标系转换到机器人坐标系下得到主线和引线；

(213)根据步骤(212)识别得到的主线与引线，计算得到引线长度及引线的搭接形态，进而计算得到三相的主线剥线点；

图3为引线抓线点位置计算流程图。如图3所示，引线抓线点位置的计算具体如下：

(221)通过配网带电作业机器人上的激光雷达获取引线点云并进行过滤，以一定的步长进行点云聚类计算引线各部分的中心点；通过各中心点在激光雷达坐标系下的Z方向坐标进行比较，得到引线的最高点；其中，一定的步长根据得到的引线点云数据和引线实际长度来确定，一般为5cm；

(222)最高点并不一定适合抓取，有时候最高点离瓷瓶比较近，并不适合抓取，因此向引线末端方向进行搜索距离最高点设定距离(本发明设为15cm)的点K，计算点K与瓷瓶距离，并判断是否大于等于安全距离，本发明设为20cm，若满足则输出点K作为引线的抓线点；若不满足则转至步骤(223)；

(223)以点K为基准点，向引线末端方向搜索距离点K设定距离的点，并赋值为K，判断其距瓷瓶距离是否大于等于20cm，若满足则输出点K作为引线的抓线点；若不满足则重复本步骤直到满足条件，最后输出点K作为引线的抓线点。

在本发明中，抓线点的确定还可以使用另外一种策略，在最高点附近选取斜率为某定值的点，其中斜率tanθ，θ一般取30～45°，此处不再赘述。

如图4所示，通过上述方法计算得到的引线抓线点位置有两个好处：

首先，可以扩大配网带电作业机器人的作业支持的场景的高度差，可以较大的扩大配网带电作业机器人的作业范围；机器人的机械臂其工作区间是确定的，抓线点与剥线点包含在机械臂的工作空间时，配网带电作业机器人才能够完成作业；采用上述计算得到的引线抓线点可以使得在横担与主线间的高度差H较大时，选取的引线抓线点与剥线点仍然处于配网带电作业机器人的工作空间内；

其次，抓线时抓线工具的姿态与其后的操作“把引线牵引到主线下方”的姿态基本保持一致，可以较好的解决动作工程中机械臂出现保护性停止的问题。当动作过程中机械臂的关节所需力矩大于机械臂关节的力矩所设定的极限值时，机械臂就会出现保护性停止，把引线牵引到主线下方时，受力情况较为复杂，包括重力，摩擦力，引线由于与操作末端不适配产生弹性形变而产生的弹力，弹力是机械臂产生保护性停止的主要原因；

(3)计算最佳停靠位置；

垂直距离1m场景中相主线与边相主线在水平方向上的距离为0.5-0.8m，在0.5m的情况下，作业区域非常有限，配网带电作业机器人需要停在与场景适配的一个较为精确的位置。根据步骤(2)计算得到的每相的主线剥线点和引线抓线点以及机器人的工作空间分别计算三相主线的最佳作业位置(即机器人最佳停靠位置)，即：机器人停放在该位置时，剥线/抓线点都在机器人的工作空间内，且能顺利完成该相抓线、剥线、搭线所有流程；根据该最佳作业位置和机器人位姿建模时所停放的位置，计算出机器人应该移动到当前位置的什么方位，每个方向移动多少距离后，可到达的作业位置。

配网带电作业机器人的作业位置对搭线的成功率有重大影响。搭线场景中的主线、引线既是操作对象，也是障碍物，作业过程中还需要保证机器人与主线的安全距离，避免发生相间短路的事故。本发明中为了达到不移斗完成作业的目的，中相作业采用侧下方作业，如图4所示，侧下方作业可以在不移斗的情况下，停斗位置避开引线，完成搭线的所有流程。

(4)按照近相、中相、远相的作业顺序依次作业；在进行某一相作业时，根据步骤(3)确定的三相主线的最佳作业位置将带电作业机器人停放到各相主线的最佳作业位置；

(5)进行激光建模(即单相建模)，然后再计算在当前机器人坐标系下该相的主线剥线点及引线抓线点位。其中单相作业下，各相的主线剥线点满足：

以机器人两只手臂的中间点作为原点，从右指向左为X轴，从前指向后为Y轴，从下指向上为Z轴；

其中，边相主线和中相主线的剥线点的x轴坐标范围均为(-0.3，0.3)；边相主线剥线点的y轴坐标的理想位置为-0.8，中相主线剥线点的y轴坐标的理想位置为-0.55，其中该部分坐标的单位均为m；结合机器人机器臂的工作空间确定边相主线和中相主线的剥线点的z轴坐标的理想位置，最终计算得到主线剥线点坐标。

引线抓线点的计算同步骤(2)。

(6)规划配网带电作业机器人的工作末端牵引引线路径；

在确定引线抓线点位置后，由于引线与主线的高度差大，引线较长，操作空间狭窄，把引线牵引到主线附近也是一个技术难点。在牵引的过程中，引线的位置与方向是动态变化的，并且由于工况的多变性，很难进行准确的数学建模，机械臂的工作末端(抓线工具)难以与引线的方向适配，特别是150引线，由于引线的抗弯强度比较大，容易出现机械臂保护性停止的问题，导致动作执行失败。这是一个较难解决的问题。解决此问题的策略：一、牵引动作采取较为竖直的姿态；二、先做X方向的移动，再做Y、Z方向上的移动。

一、牵引动作采取机械臂较为竖直的姿态：在牵引引线到主线下方的这个过程中采用机械臂处于竖直的姿态；由于在牵引线的过程中，引线在机械臂末端的抓线工具中的相对姿态变化主要为绕Y轴的旋转，采用较为竖直的姿态，可以利用抓线工具在Z方向上的空间来适配牵线过程中引线姿态的变化，避免机械臂的第六关节保护性停止。

二、先做X方向的移动，再做Y、Z方向上的移动：把引线牵引到主线附近，牵引轨迹先做X方向上的运动，然后再做Y、Z方向的运动。如图5所示，这是因为根据悬臂梁的挠度方程，在抗弯强度不变的条件下，要达到同样的挠度，离根部越远，所需的弯矩越小，这避免了由于所需力矩过大而出现的机械臂保护性停止。

根据抓线工具当前的位置信息和剥线点位信息二者的差值，先将抓线工具在X方向进行移动，再做Y和Z方向上的移动，最终完成抓线工具牵引着引线到达主线下方(剥线点下方的30～40cm处的位置)。

主要实现方式是：通过设置一些中间路点，让抓线工具牵引引线经过这些中间点到达主线下方，进行线路搭接流程。具体抓线器如何从当前点经过中间路点到达目标点为现有技术，不在本专利所保护的范围内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (6)

1.一种垂直距离1m场景的不移斗线路搭接方法，其特征在于：包括步骤：

(1)在机器人机械臂与工作末端之间增加绝缘杆；

(2)通过机器人的激光雷达获取主线与引线的点云，进行位姿建模，根据建模结果分别计算出三相主线的主线剥线点和引线抓线点；

所述引线抓线点位置的计算具体如下：

通过机器人上的激光雷达获取引线点云并进行过滤，以一定的步长进行点云聚类计算引线各部分的中心点；通过各中心点在激光雷达坐标系下的Z方向坐标进行比较，得到引线的最高点；其中，一定的步长根据得到的引线点云数据和引线实际长度来确定；

向引线末端方向搜索距离最高点设定距离的点K，计算点K与瓷瓶距离，并判断是否大于等于安全距离，若满足则输出点K作为引线的抓线点；若不满足则以点K为基准点，向引线末端方向搜索距离点K设定距离的点，并赋值为K，判断其距瓷瓶距离是否大于等于安全距离，若满足则输出点K作为引线的抓线点；若不满足则重复本步骤直到满足条件，最后输出点K作为引线的抓线点；

(3)根据步骤(2)计算得到的三相主线的主线剥线点和引线抓线点以及机器人的工作空间分别计算得到各相作业的最佳作业位置；

(4)按照近相、中相、远相的作业顺序依次作业；在进行某一相作业时，斗臂车移斗将机器人移动至步骤(3)确定的该相作业的最佳作业位置；

(5)单相作业时，通过机器人的激光雷达获取该相主线与引线的点云，进行激光建模，计算在当前机器人坐标系下该相的主线剥线点及引线抓线点位；

(6)工作末端根据步骤(5)计算得到的引线抓线点抓取引线，机械臂处于竖直状态，带动其末端的工作末端先做X方向的移动，再做Y、Z方向上的移动，将引线牵引达到步骤(5)计算得到的主线剥线点下方30～40cm处的位置，进行线路搭接流程。

2.根据权利要求1所述的不移斗线路搭接方法，其特征在于：所述绝缘杆的长度为40～60cm。

3.根据权利要求1所述的不移斗线路搭接方法，其特征在于：所述步骤(2)中主线剥线点计算如下：

(211)根据机器人上的激光雷达获取主线与引线点云数据；

(212)分别对主线与引线点云数据进行点云的范围滤波、离群点滤波、体素滤波后，对点云进行自动聚类，然后对聚类点云进行种子自动生长和分段切割，提取每一段点云的质心，最后通过ros提供的tf树进行坐标转换，将前述得到的一系列分段点坐标从激光雷达坐标系转换到机器人坐标系下得到主线和引线；

(213)根据步骤(212)识别得到的主线与引线，计算得到引线长度及引线的搭接形态，进而计算得到三相的主线剥线点。

4.根据权利要求1所述的不移斗线路搭接方法，其特征在于：所述距离最高点设定距离为15cm，所述安全距离为20cm。

5.根据权利要求1所述的不移斗线路搭接方法，其特征在于：所述步骤(2)中引线抓线点位置的计算具体如下：在引线中选取斜率tanθ为某定值的点，其中θ取30～45°。

6.根据权利要求1所述的不移斗线路搭接方法，其特征在于：所述步骤(5)计算的在当前机器人坐标系下该相的主线剥线点满足如下条件：

以机器人两只手臂的中间点作为原点，从右指向左为X轴，从前指向后为Y轴，从下指向上为Z轴；

其中，边相主线和中相主线的剥线点的x轴坐标范围均为(-0.3，0.3)；边相主线剥线点的y轴坐标的理想位置为-0.8，中相主线剥线点的y轴坐标的理想位置为-0.55；结合机器人的工作空间确定边相主线和中相主线的剥线点的z轴坐标的理想位置，最终计算得到主线剥线点坐标。

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