CN215903513U - 一种机器人作业系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种机器人作业系统，所述系统包括作业机器人、观测设备、绝缘设备、升降设备、承载设备和控制设备，所述作业机器人和观测设备均设置在绝缘设备上，所述绝缘设备固定连接升降设备，所述升降设备和控制设备均设置在承载设备上。所述机械臂包括功能按键、大臂、小臂、腕部、平衡部、腰部和底座，所述功能按键、腕部、平衡部、小臂、大臂、腰部和底座依次连接，形成六自由度杆系，本实用新型采用快速接头工艺、分离式电动驱动、独立电池系统供电，保证了操作的高效性和安全性。

Description

一种机器人作业系统

【技术领域】

本实用新型涉及电网作业设备技术领域，尤其涉及一种机器人作业系统。

【背景技术】

国内在机器人方面的研究，自80年代中后期，由于国家高技术研究发展计划(即863计划)专项支持，得到了极大发展，已成为世界上研究机器人的主要国家之一。从我国已经形成的研究体系看，基本形成了工业机器人和特种机器人两大主要门类，尤其是特种机器人的研究已成为国内的研究热点。特种机器人主要是指工作极限环境和危险环境及危害人身健康环境的机器人，由于这些环境对机器人要求的必要性和迫切性强，因而市场前景好。

国内电力机器人近几年来发展迅速，特别是在变电领域成果显著。2002 年在国家科技部“863”计划和山东省电力公司科技计划支持下，山东电力研究院和山东鲁能智能技术有限公司率先开展了变电站设备巡检机器人的研究。 2005年完成了变电站巡检机器人功能样机的研制，并通过了国家“863”计划专家组的验收；同年10月又完成了国内首台变电站巡检机器人产品样机的研制，并在山东电力超高压公司500kV长清变电站投入实际运行。2010年以后，国内先后涌现出沈自所、浙江国自、深圳朗驰等具有自主研发产品厂家，其产品也已经实际应用于变电站场所。上海交通大学于2002年开始了绝缘子清扫机器人的研究，该机器人主要通过剪叉式升降机构实现机器人的伸缩移动。陕西银河电气防污技术有限公司开发的自动清扫装置，是通过叉车载运清扫装置完成作业任务。

在配电系统领域带电检修作业机器人起步稍晚。在2002年山东电力研究院最早开展了高压作业机器人的研究，采用两台MOTOMAN机械臂，操作人员进行作业时通过键盘控制机械臂运动，由于控制系统不开放，不能实现主从控制。山东鲁能智能技术公司开展高压作业机器人研究多年，在带电作业方面积累了丰富经验。在2012年完成高压作业机器人研究研制，采用两台自主研发的电机机械臂，控制系统采用主从控制方式。操作人员进行作业时通过主手和键盘控制机械臂运动，实现了机器人系统的主从/自主控制，由于自身重量大，不能适合绝缘斗臂车作业要求。在2012年，山东电力研究院在国家“863”计划的支持下开展了“面向电力带电抢修作业机器人研究开发与应用”，所研发的配网作业机器人，应该是目前国内较成熟的、为数不多的可以实现带电设备检修作业的机器人。但其研究成果受制于人机配合操作，处于样机研发阶段

国外：为了提高带电作业的自动化水平和安全性，减轻操作人员的劳动强度和强电磁场对操作人员的人身威胁，从80年代起许多国家都先后开展了作业机器人的研究，如日本、西班牙、美国、加拿大、法国等国家先后开展了对作业机器人的研究。

日本是国外对机器人研究起步较早，研究成果和使用化程度都比较好的国家之一。在80年代初，日本九州电力公司就开始了第一代作业机器人——主从操纵式机器人系统Phase I的研究工作，其研究工作涉及电线的连接、切断、输送等硬件的模块化和机器人化。现在，其Phase I机器人业已达到了使用化。目前，九州电力公司从1990年就开始进行研究的适用于AC6kv及 AC22kv电压等级的第二代作业机器人—半自动式的Phase II也已经研制出了实验样机。

在80年代末和90年代初，日本爱知公司和日本四国电力公司也分别开发出了基本液压驱动机械臂的作业机器人，所适用的作业对象均为6.6KV的配电系统，也都是操作人员在升降机构末端的绝缘斗内以遥控方式来控制机器。

西班牙在1990年开展了作业机器人的研制，以半自主控制方式完成该国 69KV及以下电压等级的带电作业工作。它主要由升降作业平台和控制室两大部分。在升降平台上安装着两个6自由度的Kraft力反馈型机械臂，一个三自由度辅助臂；以及摄像机等；控制室中有一对主手、监视器、主控和图像处理系统；作业平台和主控系统之间通过光纤通信。

在80年代中期，美国电力研究院也开始了作业机器人的研究，其第一代机器人只有一个液压驱动的机械臂，操作人员在地面操作机械臂可以完成 50KV至345KV的架空线路上的带电作业。现在已经研制出了第二代半自主机器人，升降平台上安装两台液压机械臂。

加拿大也在80年代中期开展了高空作业机器人的研究，他们研制的作业机器人的机械臂也是液压驱动的，操作人员在升降机构末端的绝缘斗内进行遥控作业，该机器人的绝缘等级为25kV。

纵观20多年来作业机器人的发展历史，可以将其分为三代：

第一代，主从控制机器人。这也是国外正在广泛使用的形式，采取主从控制，有两个作业机械臂，人在操作斗内控制机械臂的动作来完成带电作业工作。

第二代，半自主机器人。操作人员在地面控制机器人作业，应用了一些视觉、激光测距等传感器，能识别作业目标的大体位置，通过人机交互来精确定位，不能识别较为复杂的环境。

第三代，全自主机器人。目前尚未研制出样机，具有较高的智能，具有对环境的三维别、自身控制以及自主作业决策的功能，这种全自主的机器人研制尚需一定的时日。

配网系统带电作业现场广泛采用绝缘斗臂车中间电位作业方法，操作人员使用手动工具完成带电作业任务，劳动强度大，效率低，自动化水平低，最重要是操作人员直接接触导线，容易引发人身伤亡事故，存在很大的安全隐患。人工带电作业有其困难与局限性，因此研制具有更强的安全性和适应性的配网作业机器人，克服人工带电作业的困难和局限性，代替人进行带电作业非常必要，而且符合时代的要求。配网线路作业机器人具有良好的市场前景，其产业化研究是必要的、迫切的。

因此，有必要研究一种机器人作业系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【实用新型内容】

有鉴于此，本实用新型提供了一种机器人作业系统，采用快速接头工艺、分离式电动驱动、独立电池系统供电，保证了操作的高效性和安全性。

一方面，本实用新型提供一种机器人作业系统，所述系统包括作业机器人、观测设备、绝缘设备、升降设备、承载设备和控制设备，所述作业机器人和观测设备均设置在绝缘设备上，所述绝缘设备固定连接升降设备，所述升降设备和控制设备均设置在承载设备上。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述机器人包括主机械手、从机械手、驱动单元、控制中心和视频采集单元，所述主机械手、从机械手、驱动单元和视频采集单元均与控制中心连接，所述主机械手和从机械手均为具有相同自由度和结构的机械臂，所述视频采集单元设置在主机械手和从机械手周侧。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主机械手和从机械手中，有且仅有一个还包括夹持手，所述夹持手设置在主机械手或从机械手的末端，所述夹持手所在位置的两侧开有半圆弧形凸面，所述夹持手上设置有引流线预固定压接装置和主导线固定压接装置，所述引流线预固定压接装置将引流线固定螺栓紧固连接，主导线固定压接装置通过主导线固定螺栓将主导线压紧在上置压块的半圆弧面和下置固定支撑块的半圆弧面之间。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述机械臂包括功能按键、大臂、小臂、腕部、平衡部、腰部和底座，所述功能按键、腕部、平衡部、小臂、大臂、腰部和底座依次连接，形成六自由度杆系，所述功能按键、大臂、小臂、腕部、平衡部、腰部和底座内均设有位置编码器，所述六自由度杆系中，每个自由度中均设有执行部件，所述执行部件包括形变机构、位移传感器和限位开关，所述位置编码器通过限位开关连接形变机构，所述位移传感器连接形变机构。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述大臂与腰部之间的自由度中，形变机构为电动推杆机构，所述大臂的最大俯仰角度为120°。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述小臂与大臂之间的自由度中，形变机构为电动推杆机构，所述小臂的最大俯仰角度为110°。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述平衡部与小臂之间的自由度中，形变机构为行星齿轮减速机，所述平衡部的最大摇摆角度为105°。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述腕部与平衡部之间的自由度中，形变机构为电动推杆机构，所述腕部的最大俯仰角度为100°。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述功能按键与腕部之间的自由度中，形变机构为行星齿轮减速机，所述平衡部的最大摇摆角度为105。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述观测设备、绝缘设备、升降设备、承载设备和控制设备依次分别为全局观测云台、绝缘斗、升降臂、载体卡车和控制室。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主机械手和从机械手中，有且仅有一个还包括夹持手，所述夹持手设置在主机械手或从机械手的末端，所述夹持手所在位置的两侧开有半圆弧形凸面，所述夹持手上设置有引流线预固定压接装置和主导线固定压接装置，所述引流线预固定压接装置将引流线固定螺栓紧固连接，主导线固定压接装置通过主导线固定螺栓将主导线压紧在上置压块的半圆弧面和下置固定支撑块的半圆弧面之间，所述主导线固定螺栓即为导向尼龙槽连接螺栓。

与现有技术相比，本实用新型可以获得包括以下技术效果：

直接经济效益：

(1)按现每实施一次带电作业可多供电7700kW·h，每年通过智能机器臂带电作业可多开展带电作业1000次计算，每年可带多供电：

A＝每次作业多供电量*次数＝7700*1000＝770万kW·h

为供电企业添加收入为：

Y＝A*a＝770*10000*0.5＝385万元

公式中a电价，0.5元/kW·h

(2)按现有带电作业参与人员、效率及成本测算；

传统10kV带电作业(A)、10kV智能机械臂带电作业(B)

A＝每次作业费用*作业次数＝3000元/次*6000次作业＝1800万；

B＝每次作业费用*作业次数＝2400元/人次*6000次作业＝1440万；

节省成本C＝A-B＝1800-1440＝360(万元)

通过智能机械臂作业满足一年的年需求，解放劳动生产力，提高工作效率；

间接经济效益：

按照GDP总量4300亿元，270.54亿kW·h计算，每度电对GDP的贡献为：

P＝4300/270.54≈15.89元/kW·h

间接经济效益为：

7700000kW·h*15.89元/kW·h≈1.22亿元；

安全性能：本实用新型。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型一个实施例提供的机械臂的结构图；

图2是本实用新型一个实施例提供的机器人的结构图；

图3是本实用新型一个实施例提供的夹持手的结构图；

图4是本实用新型一个实施例提供的D-H建模原理图；

图5是本实用新型一个实施例提供的作业机器人的用例图；

图6是本实用新型一个实施例提供的主控系统的主要类图；

图7是本实用新型一个实施例提供的双目立体视觉原理图；

图8是本实用新型一个实施例提供的作业系统的结构图。

其中，图中：

1-功能按键；2-腕部；3-平衡部；4-小臂；5-大臂；6-腰部；7-液压开关； 8-底座；9-线缆插头；10-视频采集单元；11-主机械手；12-从机械手；13-引流线固定螺栓；14-主导线固定螺栓；15-引流线预固定压接装置；16-主导线固定压接装置；17-全局观测云台；18-绝缘斗；19-升降臂；20-载体卡车；21- 控制室。

【具体实施方式】

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本实用新型提供本实用新型提供一种机器人作业系统，所述系统包括作业机器人、观测设备、绝缘设备、升降设备、承载设备和控制设备，所述作业机器人和观测设备均设置在绝缘设备上，所述绝缘设备固定连接升降设备，所述升降设备和控制设备均设置在承载设备上，所述机器人包括主机械手(右臂)11、从机械手(左臂)12、驱动单元、控制中心和视频采集单元(相机)10，所述主机械手(右臂)11、从机械手(左臂)12、驱动单元和视频采集单元均与控制中心连接，所述主机械手(右臂)11和从机械手(左臂)12均为具有相同自由度和结构的机械臂，所述视频采集单元(相机)10设置在主机械手(右臂)11和从机械手(左臂)12周侧，所述主机械手(右臂)11和从机械手(左臂)12中，有且仅有一个还包括夹持手，所述夹持手设置在主机械手(右臂)11或从机械手(左臂)12的末端，所述夹持手所在位置的两侧开有半圆弧形凸面，所述夹持手上设置有引流线预固定压接装置15和主导线固定压接装置16，所述引流线预固定压接装置15将引流线固定螺栓13紧固连接，主导线固定压接装置16通过主导线固定螺栓14将主导线压紧在上置压块的半圆弧面和下置固定支撑块的半圆弧面之间，所述机械臂包括功能按键1、大臂5、小臂4、腕部2、平衡部3、腰部6 和底座8，所述功能按键1、腕部2、平衡部3、小臂4、大臂5、腰部6和底座8 依次连接，形成六自由度杆系，所述功能按键1、大臂5、小臂4、腕部2、平衡部3、腰部6和底座8内均设有位置编码器，所述六自由度杆系中，每个自由度中均设有执行部件，所述执行部件包括形变机构、位移传感器和限位开关，所述位置编码器通过限位开关连接形变机构，所述位移传感器连接形变机构。

所述腰部6与底座8之间的自由度中，形变机构为谐波减速机，所述腰部6 的旋转范围为0°～180°。所述小臂4与大臂5之间的自由度中，形变机构为电动推杆机构，所述小臂4的最大俯仰角度为110°。所述平衡部3与小臂4之间的自由度中，形变机构为行星齿轮减速机，所述平衡部3的最大摇摆角度为105°。所述腕部2与平衡部3之间的自由度中，形变机构为电动推杆机构，所述腕部2的最大俯仰角度为100°。所述功能按键1与腕部2之间的自由度中，形变机构为行星齿轮减速机，所述平衡部3的最大摇摆角度为105°

所述观测设备、绝缘设备、升降设备、承载设备和控制设备依次分别为全局观测云台17、绝缘斗18、升降臂19、载体卡车20和控制室21。

系统采用操作者在下面控制室21，基于虚拟现实和视频监控反馈对机械臂进行遥控操作的模式。遥操作系统采用主从机械臂配合的方式进行，可以保证驱动方式的简单化以及降低操作人员对于遥操作系统的适应难度，减少虚拟现实场景带来的不适应性。

机器人系统包括以下几大部分：载体卡车20(绝缘斗18臂车)，车上控制室21，绝缘升降支撑臂，绝缘斗18，双冗余操作机械臂、三维立体摄像机械臂、全局辅助观察摄像云台，视频监视系统、发电机系统和其他附属设备。

带电抢修作业机器人样机主要组成部分有：移动升降机构、机械臂、主控制系统、从控制系统、专用作业工具等。样机结构示意图如图8所示。

移动升降机构由履带车改装，车斗内搭载独立供电系统、升降机构、主控制室21、平衡装置。操作人员在主控制室21内进行操作，采用人机交互主从控制和自主控制相结合的方式控制作业机械臂完成各种带电作业。10kV配电架空线路大多距地面15m左右，所以机器人使用了由可旋转的基座以及可俯仰的推杆伸缩臂作为升降机构。伸缩臂大臂5俯仰角为65°，小臂4伸缩，配合作业机械臂，使最高作业高度达18m，同时通过控制升降平台各个自由度的运动保证了机械臂作业平台的水平。伸缩臂末端负载800kg，除去绝缘斗18的自重，末端安装机械臂平台约500Kg。机械臂平台上配置两个6自由度机械臂、一个多自由度三维立体观察摄像头、一个全方位广角摄像云台系统，以及机械臂运动控制系统，机械臂末端可安装各种专用工具来完成带电维修作业，摄像机作为遥控操作时现场视频采集设备和自主控制时机器视觉前端采集设备。整个系统供电由移动平台上搭载的隔离电池组系统提供。为保证绝缘等级，主控制系统与运动控制系统间采用光纤通讯，供电线路采用隔离变压器进行电气隔离。

因升降机构完全伸展之后距地面高度较高，机器人整机的平衡就显得非常重要。移动车体有配重及平衡机构，但仍需考虑尽量减少顶端作业机械臂的重量。有很多带电作业需要大扭力或大扭矩，因此功率重量比就成为一个重要的指标。另外作业过程中应尽量减少升降机构的振动，这就要求机械臂作业过程中传递运动要平稳，且运动方向改变时要减少换向冲击。

由于采用丝杆结构的电动缸系统可以在较小的体积质量条件下，以大减速比的形式提供非常可观的驱动力，而且电动缸系统在伺服驱动技术的控制下，运动均匀，加减速过程均可多重控制，可使换向冲击大大减少。基于以上考虑，作业机器人的顶端作业机械臂采用了基于电动缸系统的推杆结构作为主要驱动形式。

为增加带电作业范围及作业时的灵活性，作业机械臂采用了6自由度关节型机械臂。把机械臂的旋转底座8称为腰部6，其旋转范围为0～180°。第一、二关节分别称为大臂5和小臂4，都可上下俯仰，大臂5最大俯仰角度为120°，小臂4最大俯仰角度为110°。机械臂腕部2由3个轴组成，可完成上下俯仰、左右摇摆和连续旋转，最大俯仰角度为100°，最大摇摆角度为105°。根据D-H方法建立6轴机械臂的坐标系，如图4所示。

为保证简洁易读，图4中部分坐标系只画出了两个坐标轴。由此坐标系，可得机械臂的各个D-H参数，从而得出各连杆的变换方程，最终能比较容易的实现运动学正解、逆解。

在ADAMS中建立机械臂的几何模型，进行运动学、动力学仿真，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，根据结果优化各部件参数，使其在保证灵活工作空间的前提下达到较好的动力学性能。同时为获得各杆的最大动态作用力，利用 ANSYS进行有限元分析，对各杆结构进行优化，在满足强度要求的前提下尽可能减小杆的质量，提高其有效负载能力。最终完成的样机中，单个机械臂的最大持质量为80kg，最大伸展持质量为20kg。

机械臂机电控制系统主要由工控机、交流伺服驱动器、交流伺服电机、电机编码器、制动器、限位开关等以及其他一些闭环伺服控制系统必要元器件构成，工控机通过计算给伺服驱动器发出动作指令，再由驱动器控制电机，驱动各节机械臂运动。

执行部件共包括1个谐波减速机和3个电动推杆机构，2个行星齿轮减速机构对应作业机械臂的腰部6旋转、大臂5俯仰、小臂4俯仰、腕部2俯仰、腕部 2摇摆以及腕部2旋转。各关节执行部件均装有位移传感器和限位开关，实时测量各执行部件的运动参数，并反馈至运动控制系统和主控制系统。因机械臂使用主手控制操作，为了提供高保真的力觉临场感，应尽量减小机械臂的运动阻抗，并使其结构紧凑、重量轻，因此电动推杆选用滚珠丝杆结构，该种推杆具有驱动效率高，传动比大的特点。

作业机器人工作任务多样，但无论进行何种作业，左臂的作用都为抓取部件，右臂任务根据不同作业内容而变化。如更换跌落开关时，在任务的不同阶段，左臂的抓持对象分别为上引线、跌落开关、横担、下引线等，而右臂的任务则分别为断线、拧螺母、夹持绝缘子、接线等。因此左臂末端安装一个具有一定机械自适应能力的夹持手，能抓住不同形状的物体，且抓持力大、传动效率高、结构简单、重量轻。夹持手如图3所示。

为便于夹持，夹持位置两侧开有半圆弧形凸面。夹持手为夹持导线做了专门的设计，设置了引流线预固定压接装置15和主导线固定压接装置16。引流线预固定压接装置15将引流线固定螺栓13紧固连接，加装弹簧垫圈起到螺栓放松作用，通过固定支撑侧面的定位槽来配合完成定位安装。主导线固定压接装置16，将主导线由主导线固定螺栓14压紧在上置压块的半圆弧面和下置固定支撑块的半圆弧面之间。

右臂末端也安装夹持手，并根据任务内容更换不同的专用工具，包括多功能分体式扳手、绝缘线自动剥皮装置、分体式接线钳、圆弧断线钳、断接线绝缘牵引工具、导线提升可调装置等。专用工具均采用快速接头工艺、分离式电动驱动、独立电池系统供电，保证了操作的高效性和安全性。

作业机器人控制系统可以划分为主控制系统和从控制系统。主控制系统负责整体任务规划、图形计算和人机交互，从控制系统负责机械臂各关节运动控制。主控系统由主机械臂、主控制器、主计算机(工控机)、图形处理器、显示器、VR 显示设备。主控制程序运行在主计算机上，分为任务规划模块、基础人机交互模块、异常处理模块、日志管理模块。主臂控制程序运行在主控制器上，分为运动学模块、柔顺控制模块、主从通信模块。图形和三维计算的程序运行在图形控制器上，分为标准三维模型库、机器视觉模块、实时场景目标识别模块、实时在线仿真模块、智能辅助作业模块、虚拟现实模块等。操作员可以通过主手操作机械臂，也可以使用键盘、鼠标在人机界面中操作。主控制系统和从控制系统之间使用光纤通讯，保证图像信息和控制信息的实时高速传输。设备间通讯采用ZeroMQ 通讯协议，采用发布-订阅机制，保证多设备之间的交互通讯顺利完成。

主机械臂的位置信息通过实时通讯发送到从机械臂，由从臂控制器从机械臂复现主臂的位置姿态，同时把从臂的位置、力矩信息发送到主控制器。操作员牵引主臂末端运动时，从臂会复制主臂运动位置和速度。同时，主臂根据从臂反馈的力矩信息会反馈给主臂操作者一定的反作用力，提示操作者当前从臂的受力状态。

作业机器人并发执行的任务很多，因此本系统采用分布式机构，根据任务性质将不同模块运行在不同的计算机或控制器中。主程序运行在可靠性高的工控机上，保证整体系统的管理和应急处理。机械臂的实时控制任务，通过两个实时控制器完成。计算量巨大的图形处理和三维仿真任务有高性能图形计算器完成。计算机或控制器的通讯采用多对多的ZMQ通讯方式，降低通讯设计的复杂性，进而提高可靠性。图像数据与控制数据采用不同的物理网络，提高通讯带宽的同时，降低通讯的延时。

主控系统软件运行在通用的WindowXP操作系统上，使用UML分析和设计，建立了系统软件模型，采用C++语言编写程序，以开源的MYSQL作为数据库管理系统。运行主从臂运动控制程序的控制器采用实时控制系统(RTS，Real Time Syetem)。图形处理程勋运行在windows平台，采用OpenCV，OpenGL的开源库进行开发。

主控系统将面向对象的方法运用到软件工程的分析和设计阶段，以对象的观点考虑问题和提出解决方案，确定和描述系统中的对象、对象的静态特征和动态特征、对象间的关系及对象的行为约束，建立系统的对象模型。UML简单但又功能强大，提供了面向对象的核心概念及扩展方案，可方便的定义大多数领域中的复杂系统。UML是一种基于用例驱动的建模语言，用例不但被用于捕获需求，还用于提供从分析到测试的活动基础。用例模型描述的是外部执行者所理解的系统功能。作业机器人的用例图如图5所示。

类是面向面向对象技术的基本元素，指具有相同属性和相同操作的对象的集合，展示了对象的结构以及与系统的交互行为。UML的类图展示了系统的逻辑结构以及类和接口的关系，显示了系统的静态结构。图6为主控系统的主要类图。

类图中每个类表示成1个、分为3个部分的矩形。最上面的部分显示类的名称，中间部分显示类的属性，最下面的部分显示类的方法。在类名部分的一对双角括号“《》”之间表示的是类的构造类型。图中的属性和方法的前面有一个字符用来表示属性或方法的作用域，“－”表示属性或方法是私有的(private)，“#”表示属性或方法是保护的(protcted)，“+”表示属性或方法是公用的(public)。紧邻属性或参数名称之后的冒号引出的是变量类型，整个方法描述中的最后一个冒号引出的是方法的返回值类型。

从控制系统以倍福(BeckHoff)CX2020运动制器为核心，该控制器采用TwinCAT 实时控制系统，可以同时控制32个伺服轴的进行控制。本系统两机械臂共15个轴，用一台CX2020即可。运动控制器通过特别定制的以太网接口和主控系统相连接，网络信号经过光纤收发器转换为光信号，进行高速传输。机械臂伺服通过 EtherCAT现场总线以链式结构进行连接，控制器与伺服间为主从式结构，控制器为主站，各伺服为从站，通过时钟同步的方式进行管理，实现实时控制。各个伺服轴的位置信息和力矩信息，通过安装在电机上的编码器和伺服的霍尔传感器检测，并经过EehtrCAT总线发送至控制器，构成闭环控制系统。

很多带电作业任务需要考虑作业过程中的力控制问题，如断线过程中导线对夹持手的拉力变化，拧螺母过程中螺母的吃力情况，误碰导线时导线的反弹力等。作业机器人可以描述为一个力冗余系统，力冗余也就引出了两个机械臂之间的力度分配问题。目前双臂系统经常采用的主从控制方式，一只机械臂测量接触力，另一只机械臂是被动跟随，以此来保证运学约束，但主从结构实时效果不理想。本系统中，从臂双臂的柔顺控制是通过住力反馈的方式实现。通过力感反馈，操作者可以感知末端的受力状态，从而控制机械臂移动避免异常受力。

异构式的主、从机械手(左臂)12没有明确的结构及运动关系，需经过运动学、动力学正逆解计算，将关节空间映射到操作空间，控制算法较复杂。同构式的主、从机械手(左臂)12的结构形式及自由度完全相同，从手按比例跟随主手运动，结构简单，控制方法较容易实现。本系统采用了同构主手，为6自由度杆系，由与作业机械臂对应的腰、臂、腕关节以及平衡块、基本杆件组成，其结构示意如图2所示。活动空间由非完全齿轮进行限制，各关节内部装有位置编码器，可以精确采集关节的位置信息。主控室内配备了两个个6自由度主手，对应控制两个从机械臂。

主手控制系统采用与从臂相同的控制结构，以倍福(BeckHoff)CX2020运动制器为核心，各轴驱动电机采用力矩控制方式。系统能够实时的获取各轴电机的轴位置和力矩大小。通过在控制算法中引入机械臂动力学模型和阻抗模型，可以计算出操作者作用在末端的作用力，同时消除重力、摩擦力的干扰。根据末端作用力方向和大小，控制主手沿着操作者牵引方向运动，操作者用较小的力就可以牵引主手运动，减小操作者负担。

作业机器人操作员在主控制室21，高空作业现场工作环境通过现场摄像机传输到主控台，操作员通过主控显示器上显示的现场视频操作主控台，用主手或键盘鼠标控制作业机械臂完成带电作业。这种方式改进了以前的作业机器人工作方式(操作员站在高空绝缘斗18内操作机械臂)，提高了人员的安全性和舒适性。但进行位置精确的作业时，仅凭目视判断再通过手动控制机械臂到达目标点的操作方式容易造成位置错误，降低了作业效率和作业质量。比如，更换绝缘子时，机械臂需要拧下绝缘子的固定螺栓，10kV配电网绝缘子螺栓外径较小，一般在3 cm以内，机械臂夹持套筒套到螺栓的过程就需要较高精度。因为如果位置有偏差，套筒看似套到螺栓上，但可能套歪或套偏，造成螺栓无法旋下。为解决这一问题，作业机器人使用了主从控制和自主控制相结合的方式。机械臂长距离粗精度的位移和定位，由人工目视操作；短距离高精度的位移和定位，通过机器视觉识别定位，自主控制移动。

通常机器视觉系统摄像机的安装位置有两种，一种是摄像机安装在机械臂之外的某个固定位置，称之为固定相机系统；另一种是摄像机安装在机械臂上，一般是末端关节上，称这种方式为手眼统。固定相机系统图像坐标系固定，计算简单，对机器人的运动学误差不敏感，而且在带电作业过程中有可能存在因机械臂遮挡而拍摄不到目标的情况。手眼系统能够实现精确控制，可避免遮挡，但对系统的标定误差和机器人运动误差敏感。本系统采用了双目相机和手眼系统结合的方式，取两种方式之优点，相互配合工作。系统有一个单独的观察机械臂，在观察臂上安装一个双目摄像机，通过双目视觉技术对目标进行识别和定位；每个机械臂末端关节上方安装一个摄像机，随机械臂运动，且离设备距离较近，能满足项目精度的要求。系统工作时，由操作员在主控制室21内通过主手控制机械臂运动，同时观察手眼系统摄像机传回的图像，当作业对象出现在画面中时，用鼠标在画面中确定作业对象，启动自主控制，机械臂自主寻找作业对象。安装在观察臂上的双目相机对目标和机械臂进行识别和定位，并为机械臂提供位置信息作为运动参考。手臂末端相机的一方面可以为操作者提供监视图像，另一方面利用其距离近的优势提供目标高分辨率图像，辅助定位。

系统相机采用高分辨率模拟量相机，采用多路机进行数据传输，减少了网络相机解压缩过程造成的图像延时问题，同时可以传输多路高清图像。

配电作业机器人作业环境为室外，天气晴朗时光线比较强烈，获取的图像经常出现白斑，造成图像处理信息错误。为解决这一问题，在摄像机镜头前加上了由小孔光阑、窄带滤光片和偏振片组成的复合滤光系统，可有效进入的光通量和光强度，滤去非特征中心波长的光波，提高图像清晰度。

目标点分别在左右相机中的成像存在坐标差，通常称为视差，双目立体视觉三维测量就是基于视差原理，其示意图如图7所示。

设两摄像机在同一时刻拍下目标点P(x，y，z)的图像，在左相机和右相机上的图像坐标分别为p左＝(x左，y右)，p左＝(x右，y右)。假定两摄像机在同一个平面上，则特征点P的左右图像的坐标y坐标相同，统一记作y，设相机焦距为f，则由三角几何关系可得，

则视差为：

D＝x_左-x_右。

由此可计算出P在立体相机坐标系下的三维坐标：

移动载体由一款越障性能出色的履带车样机改装，可以提供良好的驱动效果以及支撑稳定效果，在此基础上，设计由4个可伸缩折叠的支撑脚结构作为额外的辅助支撑，用以增加升降平台高处作业时整个系统的稳定性。额外支撑脚结构在底部移动平台运输过程中可以完全收缩至车体附近，以保持移动载体部分的紧凑外形，增加越障能力。

运载车数据

高压作业机器人移动载体履带式移动载体主要由柴油发动机和油泵等组成的液压动力源、履带行走系统、支重轮、托轮和机架等组成。

柴油发动机的选择：高压作业机器人移动载体发动机是履带式移动载体组成部分的重要部件。选型时要考虑的问题较多，如移动载体的用途、总重、总布置、动力性能、经济性、使用要求、排放噪声和对油泵匹配功率要求等。

选用的发动机应具备以下特性：1、对地理和气候环境的适应性强；2、热负荷小，功率高；3、散热效果好；4、排放指标和节油效果好；5、冷起动后暖机时间短；6、高可靠性，维护简便等。

选择水冷柴油机相对风冷柴油机将冷却液做冷却介质，冷却液从发动机高温部分把热量带走，然后经散热器把热量传递给大气。水冷方式不直接向大气散热，而是利用中间冷却介质--冷却液来传递热量。表面上看，热的传递多了一个中间环节十分麻烦，实际上并非如此，正是由于冷却液的存在，使水冷方式的冷却效果处于优势。冷却液容易人为调节各部位的冷却强度，调节发动机的温度。冷却液的流向与冷风的吹向无关，能自由地把发动机各处的热量带走，可以重点地加强局部区域的冷却，并对某些部位进行保温。当机器人低速行驶或停车时只要冷却风扇旋转，冷却系统就有足够的散热能力，并能保证发动机始终处于最佳温度状态下工作。因此确定选用水冷柴油机作为高压作业机器人移动载体的动力源。

高压作业机器人移动载体的履带行走系包括机架履带、行走装置和驱动桥三大部分组成。机架是整机的骨架，用来安装高压作业机器人移动载体所有的总成和部件，使整机成为封闭的框架；行走装置是用来支持机体，把柴油机组成的动力源传到驱动轮上的驱动扭矩和旋转运动转变为高压作业机器人移动载体执行工况与行驶所需的驱动力和前后运动。

履带行走装置由履带、驱动轮、支重轮、托轮、引导轮和履带张紧装置等组成，左右两条履带包绕在上述四种轮子之外，由张紧装置张紧，直接与地面接触。驱动轮驱动履带绕四种轮子转动，不直接在地面上滚动。引导轮的作用是张紧履带，并引导它正确卷绕，但不能使它相对于机身偏转，即不能起转向作用。许多支重轮在履带轨道面上自由滚动，起着传递机重给履带的作用。托轮支持着履带的上半边，还使之不下垂，履带行走装置比轮胎的接地面积大，接地比压小，履带所支承的整机重量都是附着重量，而且在履带的支承面上大多制有履刺，抓地能力强，不易打滑，因此比轮胎式行走装置的附着牵引性能和通过性能都好得多。这种性能在履带移动载体行驶于松软地面时，尤其显著。履带是用来将履带式整机的重量传给地面，并保证履带式机械能发出足够的驱动力。履带经常在泥水，凸凹不平地面及环境恶劣的地方工作，受力情况不良，易磨损。因此，除要求履带有良好的附着性能外，还要求它有足够的强度，刚度和耐磨性，但重量还尽可能轻。目前，履带式底盘大部分履带采用钢制和橡胶的材料，小型的一般采用橡胶的。履带橡胶层中间有钢丝，可加强抗拉强度，又具有吸震的能力。驱动轮用来驱动履带。它安装在最终传动装置的从动轮轮毂上，一般用碳钢铸成，经热处理后齿面不经过机械加工。它的齿距一般为履带节距的一半，也就是每隔一个齿和履带节距相啮合。高压作业机器人移动载体的驱动轮轮径很小，不易布置过量的齿，故驱动轮齿距与履带节距相等。支重轮用来传递高压作业机器人移动载体的重量给履带，在整机行驶过程中，它除了沿履带的轨面滚动外，还要夹持履带，不让它横向滑出。在整机转向时，它又要迫使履带在地面上横向滑移。支重轮常在泥水，尘土中工作，环境较差，且承受强烈的冲击，工作条件差，因此要求它的相对转动部分密封可靠。轮圈耐磨，支重轮有单边和双边两种。单边轮只是两个轮的内侧或外侧带有凸边，双边轮则在轮的内、外侧都是凸边，使之更好地夹持履带，但其滚动阻力较大，由于高压作业机器人移动载体轴距较短，履带在运动时不易脱落，所以整机都采用单边轮。托轮用来承托履带上部的重量，不让它下垂过多，以减少运动时的振跳现象，同时引导履带上部运动方向，防止它侧向滑落。托轮的形式与支重轮相似，但承受的力量较小，工作条件较好，所以它的结构比较简单，尺寸较小。导向轮的功用是支承链轨和引导履带正确地卷绕，同时它与其后面安装的张紧装置一起使履带保持一定的张紧度，并缓和道路传来的冲击力，减小履带在运动过程中的振跳现象。履带运动过程的振跳会导致冲击载荷和额外功率消耗，加快履带和导轮之间的磨损。当履带遇到障碍物时，张紧装置可以让引导轮后移一些，免得履带过于局部张紧。高压作业机器人移动载体的导向轮，采用中部具有凸缘的整体滚轮，其断面呈箱形，凸缘部分正好卡在履带的左右履带节之间，导向轮通过一对带双金属衬套的滑动轴承装在导向轮轴上，轴承的形式和固定方式与支重轮相同。导向轮轴的两端装在左、右两个支承块内，并用锥形止动螺栓卡在轴端部的半圆缺口内，以阻止轴的转动和轴向移动。导向轮支承滑块由两个用弹簧压紧的导板固定在支架上，故支承滑块可以在支架上部沿导向板条前后移动。左、右支承块外侧面均固定着导板盖，导板盖和支承滑块之间有调整垫片，用来调整导板盖和支架之间的间隙，以保证导向轮和支重轮，托轮滚道面在一直线上。导板盖和支承滑块共同防止导向轮的侧向倾斜。左右支撑滑块的后面通过左右叉臂装着张紧装置。高压作业机器人移动载体的稳定性是指整机在运行和作业中抗倾翻的性能，它是确保整机安全及正常工作的重要衡量指标。高压作业机器人移动载体应有合适的稳定性，若稳定性差，将限制高压作业机器人移动载体的运行工作范围，影响排爆工作进行，危及人员安全，严重时会造成翻车事故。但若过分考虑整机的稳定性，则将增加机器人的自重，使整机的负荷相应增加。高压作业机器人移动载体的稳定性，分为纵向稳定性和横向稳定性，分别用倾翻力矩和稳定力矩这两个指标来度量高压作业机器人移动载体的稳定性能。使高压作业机器人移动载体发生倾翻的力矩：如高压作业机器人移动载体在执行工况时产生的反力以及整机的惯性力、坡度等产生的力矩；使高压作业机器人移动载体保持稳定的力矩：如整机自重所产生的力矩；如果作用在整机上的倾翻力矩大于稳定力矩，则整机就会丧失稳定性而发生倾翻。高压作业机器人移动载体的稳定程度可用稳定力矩倾翻力矩的比值表示，该比值K即称为稳定系数k＝稳定力矩/倾翻力矩。为确保高压作业机器人移动载体的稳定，考虑到排爆时的动载荷和地面离地高低不平，按照工程机械规定，稳定系数的K值一般取大于等于2。

1)纵向稳定性

如不考虑履带的弹性变形，则其纵向稳定性为

式中：Mo G sinαh为高压作业机器人移动载体纵向时的倾翻力矩；Ms G cosαa为高压作业机器人移动载体纵向时的稳定力矩。当高压作业机器人移动载体失去纵向稳定而绕后轮接地点联线倾翻时，导轮压力为高压作业机器人移动载体的总重，驱动轮压为零。因而导轮压增大，而驱动不承受负载，由于前后轮的变形不同，使高压作业机器人移动载体的支撑面增加了一个附加坡度，使稳定性降低，则实际的稳定角应减小。

2)横向稳定性

在横向外力矩M G sinαh的作用·下，左侧履带接地压力增大，而右侧履带接地压力减小，当M增加到一定值，使右侧接地压力为零，此时为倾翻的临界点，应减小外载荷，增加稳定力矩。

机械臂系统的绝缘采用如下设计。

作业机械臂末端杆件和升降机构末端连接件采用复合绝缘材料制成，其绝缘连接件由引拔棒外面缠绕环氧玻璃布加热固化而成。对于绝缘强度来说，层间绝缘已经满足，主要解决的是表面放电，为了保证10KV高压的绝缘可靠，绝缘材料部分的长度设计为120mm，并且制成波纹形状，使得表面放电距离达到 220mm。通过这种绝缘材料的连接，实现了机器人各部件之间的绝缘和平台对地的绝缘。

供电局现状年人均作业次数100次已接近饱和，满足2020年需求缺口20人，现有资源无法满足带电作业需求，且平均年龄42岁，50岁以上人员占比超高，作业效率偏低至少4人一组开展作业，地理环境因素限制严重。

直接经济效益：

(1)按现供电局每实施一次带电作业可多供电7700kW·h，每年通过智能机器臂带电作业可多开展带电作业1000次计算，每年可带多供电：

A＝每次作业多供电量*次数＝7700*1000＝770万kW·h

为供电企业添加收入为：

Y＝A*a＝770*10000*0.5＝385万元

公式中a电价，0.5元/kW·h

(2)按现有供电局带电作业参与人员、效率及成本测算；

传统10kV带电作业(A)、10kV智能机械臂带电作业(B)

A＝每次作业费用*作业次数＝3000元/次*6000次作业＝1800万；

B＝每次作业费用*作业次数＝2400元/人次*6000次作业＝1440万；

节省成本C＝A-B＝1800-1440＝360(万元)

通过智能机械臂作业满足2020年需求，解放劳动生产力，为提高工作效率，顺利实现“185611”战略目标，在部分配网带电作业项目中，引入自动化、机械化作业装备势在必行。

间接经济效益：

按照2016年地级市GDP总量4300亿元，270.54亿kW·h计算，

地级市每度电对GDP的贡献为：

P＝4300/270.54≈15.89元/kW·h

在地级市通过推广智能机械臂带电作业可带来的间接经济效益为

7700000kW·h*15.89元/kW·h≈1.22亿元。

以上对本申请实施例所提供的一种机器人作业系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机器人作业系统，其特征在于，所述系统包括作业机器人、观测设备、绝缘设备、升降设备、承载设备和控制设备，所述作业机器人和观测设备均设置在绝缘设备上，所述绝缘设备固定连接升降设备，所述升降设备和控制设备均设置在承载设备上。

2.根据权利要求1所述的机器人作业系统，其特征在于，所述机器人包括主机械手、从机械手、驱动单元、控制中心和视频采集单元，所述主机械手、从机械手、驱动单元和视频采集单元均与控制中心连接，所述主机械手和从机械手均为具有相同自由度和结构的机械臂，所述视频采集单元设置在主机械手和从机械手周侧。

3.根据权利要求2所述的机器人作业系统，其特征在于，所述主机械手和从机械手中，有且仅有一个还包括夹持手，所述夹持手设置在主机械手或从机械手的末端，所述夹持手所在位置的两侧开有半圆弧形凸面，所述夹持手上设置有引流线预固定压接装置和主导线固定压接装置，所述引流线预固定压接装置将引流线固定螺栓紧固连接，主导线固定压接装置通过主导线固定螺栓将主导线压紧在上置压块的半圆弧面和下置固定支撑块的半圆弧面之间。

4.根据权利要求3所述的机器人作业系统，其特征在于，所述机械臂包括功能按键、大臂、小臂、腕部、平衡部、腰部和底座，所述功能按键、腕部、平衡部、小臂、大臂、腰部和底座依次连接，形成六自由度杆系，所述功能按键、大臂、小臂、腕部、平衡部、腰部和底座内均设有位置编码器，所述六自由度杆系中，每个自由度中均设有执行部件，所述执行部件包括形变机构、位移传感器和限位开关，所述位置编码器通过限位开关连接形变机构，所述位移传感器连接形变机构。

5.根据权利要求4所述的机器人作业系统，其特征在于，所述腰部与底座之间的自由度中，形变机构为谐波减速机，所述腰部的旋转范围为0°～180°。

6.根据权利要求4所述的机器人作业系统，其特征在于，所述小臂与大臂之间的自由度中，形变机构为电动推杆机构，所述小臂的最大俯仰角度为110°。

7.根据权利要求4所述的机器人作业系统，其特征在于，所述平衡部与小臂之间的自由度中，形变机构为行星齿轮减速机，所述平衡部的最大摇摆角度为105°。

8.根据权利要求4所述的机器人作业系统，其特征在于，所述腕部与平衡部之间的自由度中，形变机构为电动推杆机构，所述腕部的最大俯仰角度为100°。

9.根据权利要求4所述的机器人作业系统，其特征在于，所述功能按键与腕部之间的自由度中，形变机构为行星齿轮减速机，所述平衡部的最大摇摆角度为105°。

10.根据权利要求1所述的机器人作业系统，其特征在于，所述观测设备、绝缘设备、升降设备、承载设备和控制设备依次分别为全局观测云台、绝缘斗、升降臂、载体卡车和控制室。

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