[發明專利]一種帶電作業機器人的母線金具螺絲鎖卸設備及其鎖卸方法

有效

• 申請號: 201710932630.6
• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN109648303B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 周新風;李勁彬;汪濤;陳雋;張耀東;譚暢;陳鑫;劉振燾;劉勇;曾國;張海;李俊;高浦潤;張予;吳傳奇;夏天;劉帆;孫雙學;王康
• 申請（專利權）人: 國家電網公司;國網湖北省電力公司電力科學研究院;中國地質大學（武漢）;國網湖北省電力公司黃石供電公司
• 主分類號: B23P19/06
• 分類號: B23P19/06;B25J9/16
• 代理公司: 武漢楚天專利事務所 42113
• 代理人: 雷速

1.一種帶電作業機器人的母線金具螺絲鎖卸設備，包括絕緣斗臂車(8)，架設于絕緣斗臂車(8)上的斗臂車工作臂(7)，其特征在于：所述斗臂車工作臂(7)上設有作業平臺(6)，所述作業平臺(6)上設有三維掃描儀(3)、從動機械臂(2)、鎖/卸電動螺絲機構(5)、主動機械臂(1)及等電位桿(4)，所述主動機械臂(1)的前部設有主動機械臂雙目攝像頭(51)，所述從動機械臂(2)的前部設有從動機械臂(2)雙目攝像頭(21)，所述鎖/卸電動螺絲機構(5)安裝在主動機械臂(1)的末端。

2.根據權利要求1所述的帶電作業機器人的母線金具螺絲鎖卸設備的鎖卸方法，其特征在于包括如下步驟：

第一步：開始；操作人員將絕緣斗臂車(8)開往變電站檢修的工作位，通過對斗臂車工作臂(7)的起升，調整工作斗的空間位置，直至待檢修金具處于雙機械臂的作業范圍以內；

第二步：等電位操作；操作人員在遠端監控站點擊拆裝金具按鈕后，從動機械臂(2)從上平臺指定位置夾持等電位桿(4)并掛扣于管型母線(10)上，以此實現雙機械臂基體與高壓線的等電位；等電位操作完畢后，從動機械臂(2)自動復位；

第三步：三維重構；從動機械臂(2)從初始位置開始運動，其末端執行器在上平臺指定位置抓取三維掃描儀(3)，并對現場的環境進行局部掃描，并將掃描圖像傳輸至工控機；掃描完畢后，工控機根據預設圖像處理算法及掃描數據，自動計算出主機械臂末端與母線金具螺孔之間的相對距離以及從機械臂與軟母線端子的相對距離；同時，程序自動建立周邊設備的三維模型，并對環境內幾何特征鮮明的物體進行標識，并標識出機械臂作業的安全空間；該模型也會被傳輸到遠端監控站以供操作人員監視；之后，從動機械臂的末端執行器將三維掃描儀(3)放回工具箱，并自動復位；

第四步：抓持軟母線；首先執行粗調階段，根據之前構建的三維重構模型，計算軟母線端子(9)與從動機械臂(2)的空間相對坐標，并依據機械臂作業的安全空間，規劃從動機械臂的運動路徑，使之末端執行器快速移動到軟母線端子(9)附近；考慮到工作斗在機械臂的運動過程中會發生抖振，僅通過粗調階段無法實現從動機械臂的對軟母線端子(9)的準確抓持；因此，在粗調階段結束后，依靠雙目攝像頭自動進行精調階段，此時，從動機械臂(2)上的雙目攝像頭動態搜尋軟母線端子(9)，再次通過圖像處理，解算出軟母線端子(9)與從動機械臂末端的相對距離；此時，工控機下發控制數據，從動機械臂反復修正其空間位姿，并緩緩移動至軟母線端子(9)處，利用末端機械爪準確夾持軟母線端子；

第五步：拆卸螺絲；該工序可分為三個階段，即粗調階段、精調階段和拆卸階段，且每次僅拆卸一個螺絲；首先執行粗調階段，利用第三步中產生的三維重構結果，解算主動機械臂(1)與母線金具(11)的相對距離，在考慮當前從動機械臂(2)空間位姿及其它電器設備空間位姿的前提下，規劃主動機械臂(1)的運動路徑，使之末端執行器快速到待拆卸金具附近；考慮到工作斗在機械臂的運動過程中會發生抖振，僅通過粗調階段無法實現主動機械臂精確定準金具螺孔，因此，在粗調階段結束后，自動進行精調階段；此時，主動機械臂雙目攝像頭(51)動態搜尋母線金具螺絲，再次通過對母線金具的圖像處理，標識母線金具螺孔，并解算主動機械臂(1)末端與母線金具螺孔之間的相對距離；此時，工控機下發控制數據，主動機械臂(1)反復修正其空間位姿，緩緩對準母線金具上的螺孔并利用末端的鎖卸螺絲工裝對金具螺絲進行卡扣；最后，主動機械臂(1)利用末端的鎖/卸電動螺絲機構(5)拆卸金具上的螺絲，并將已拆卸下的螺絲緩緩放入上平臺備料盒中；金具上其它三個螺絲的拆卸過程可類比上述過程；

第六步：軟母線入架；夾持有軟母線的從動機械臂(2)按規劃運動路徑運動至工作斗的專用軟母線架，并置軟母線于專用軟母線架上，且固定，之后從動機械臂(2)自動復位；

第七步：結束等電位；從動機械臂(2)夾持掛扣于管型母線(10)上的等電位桿(4)，使其脫離管型母線(10)，并將其重新安置在指定位置，以此結束雙機械臂基體與高壓線的等電位；

第八步：軟母線接地；通過對斗臂車工作臂(7)的降下操作，使得工作斗接近于地面；此時，操作人員從專用軟母線架中拾取軟母線，并手動接地；

第九步：人工檢修；待第八步操作完畢后，下部分檢修裝置已斷電，工作環境已達到安全狀態；因此，可通過人工介入的方式對下部分檢修裝置實施其它操作；

第十步：回置母線；待人工操作完畢后，操作人員需要將已接地的軟母線重置于軟母線架上；

第十一步：等電位與三維重構；通過對斗臂車工作臂(7)的起升，調整工作斗的空間位置，直至待檢修裝置處于雙機械臂的作業范圍以內；重復執行第二步所述的等電位操作；由于工作斗的空間絕對位置相對于上一次操作的所處位置會出現變化，因此重復執行第三步所述的三維掃描操作；

第十二步：抓持軟母線；從動機械臂(2)按已規劃的運動路徑運動到工作斗的專用軟母線架附近，抓持軟母線；

第十三步：對準金具(11)；該工序可分為兩個階段，即粗調階段與精調解階段；首先執行粗調階段，利用第十一步中產生的待檢測裝置三維掃描結果，計算從動機械臂(2)與金具(11)的相對坐標，規劃從動機械臂的運動路徑，使之末端執行器快速移動到待裝配的母線金具(11)附近；在粗調階段結束后，自動執行精調階段；此時，從動機械臂上的雙目攝像頭動態搜尋并定位金具(11)上的4個螺孔，通過在運動過程中的圖像處理，反復修正從動機械臂(2)末端執行器的空間位姿，最終確保軟母線母線端子螺孔與金具(11)下螺孔的精確配合；

第十四步：鎖螺絲；主動機械臂(1)從初始位姿開始運動，在上平臺上專用的備料盒中夾持專用的鎖卸螺絲工裝(5)自動裝配新的螺栓和螺母后，開始執行后續操作；將后續過程主要分為兩個階段，即粗調階段與精調階段，且每次僅裝配一個螺絲；首先執行粗調階段，利用第十一步中產生的待檢測裝置三維掃描結果，計算主動機械臂與金具(11)的相對坐標，在考慮當前從動機械臂空間位姿及其他電器設備空間位姿的前提下，規劃主動機械臂的運動路徑，使之末端執行器快速移動到母線金具(11)附近；粗調階段結束后，自動執行精調階段；此時，主動機械臂(1)上的雙目攝像頭動態搜尋并定位金具(11)上的螺孔，通過在運動過程中的圖像處理，反復修正主動機械臂末端執行器的空間位姿，并緩緩對準母線金具(11)螺孔，直至對金具(11)上的螺孔準確定位并插入；利用主動機械臂(1)末端的鎖/卸電動螺絲機構(5)鎖金具(11)上的螺絲，金具(11)上的其它三個螺絲的裝配過程可類比上述過程；

第十五步：結束等電位；同第六步；

第十六步：結束；重復執行第十一步和第十五步操作,以此完成三相管母線中其它兩個裝置的安裝工作；待所有檢修工作完畢后，通過對斗臂車工作臂(7)的降下操作，使得工作斗收回，并將絕緣斗臂車駛出變電站，結束檢修。

3.根據權利要2所述的帶電作業機器人的母線金具螺絲鎖卸設備的鎖卸方法，其特征在于：所述第四步、第五步、第十三步、第十四步中的精調階段之前首先需要對攝像頭進行標定，標定過程涉及3種坐標系，分別是世界坐標系(X_w,Y_w,Z_w)，圖像坐標系(u，00，v)和攝像機坐標系系(x，y，z)，世界坐標系是攝像機坐標系的位置參考，當進行雙目立體標定時，左攝像頭光心與世界坐標系原點重合，圖像坐標系分為像素坐標系(u，00，v)，和物理坐標系(X，01，Y)，二者坐標系原點不同，攝像機坐標與世界坐標之間可以用式(1)來描述；

其中[Xw,Yw,Zw,1]為世界坐標系下P點的齊次坐標，[x,y,z,1]為攝像機坐標系下P的齊次坐標；

R為從攝像機坐標到世界坐標的3*3旋轉矩陣，T為從攝像機坐標到世界坐標的3*1平移矩陣矩陣，具體R、T的可表示為：

其中，α，β，γ為三軸旋轉角度，x₀，y₀，z₀為三軸平移量；

攝像機坐標系中的P點物理坐標系表示如式(4)所示；

X＝fx/z，Y＝fy/z (4)

其中X，Y為圖像坐標系下，P點的物理坐標；f為攝像機的焦距；x，y，z為攝像機坐標系下P點的坐標；

像素坐標系和物理坐標系間關系如式(5)所示；

v＝v₀+Y/dY，u＝u₀+X/dX (5)

(u,v)為像素坐標系坐標，(u₀,v₀)為相機主點坐標，分別為每個像素在X，Y軸方向的尺寸；

因此，整理式(3)、式(4)和式(5)可得世界坐標系和圖像坐標系的關系表達為式(6)：

f_x、f_y是分別為f在X、Y軸方向的等效分量化簡式(6)，像素坐標系與世界坐標系的關系如式(7)所示；

M₁為內參數矩陣，涉及相機焦距和主點坐標等；M₂為外參數矩陣，涉及旋轉矩陣R和平移矩陣T；R為3x3的矩陣，包含3個歐拉角α，β，γ；T為3x1的矩陣，表示在x、y、z軸三個方向上2個攝像機光心間的平移量，包含x。、y。、z。三個分量。