魯守銀，劉珍娜，劉金存

LU Shou-yin,LIU Zhen-na,LIU Jin-cun

（山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101）

0 引言

高壓帶電作業(yè)機器人是一種特種作業(yè)機器人，它能夠代替人工從事帶電作業(yè)，將工作人員從危險、繁重和精神緊張的工作中解放出來，同時可以帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。

目前國外的高壓帶電作業(yè)機器人大都采用遙操作方式，即操作人員在移動車體的操作室內(nèi)，利用遙操作設備實現(xiàn)遠端機器人系統(tǒng)的遙控。國內(nèi)在帶電作業(yè)機器人的研究上起步晚，在遙操作方式的應用研究上還處在初級階段，還有很多問題需要解決。這種作業(yè)方式雖然能夠?qū)⑷藦母呖?、高壓的環(huán)境中徹底解脫出來，提高了操作人員在作業(yè)過程中的舒適性。然而操作人員在操作室內(nèi)無法直接觀看高空中機器人工作進行的情況而且所需完成的一些配電線路檢修作業(yè)任務步驟繁多、流程復雜和增加了操作的難度。要想提高機器人系統(tǒng)的工作效率和準確度，需要對機器人系統(tǒng)人機交互的智能性提出更高要求。 因此采用任務流的方法對帶電作業(yè)機器人任務流程進行合理的規(guī)劃和設計是很有必要的[2]。

任務流的作用是將復雜的任務流程分解成若干層子任務域，每一層任務域包含有可獨立運行或被控制的若干子任務。帶電作業(yè)機器人在執(zhí)行復雜作業(yè)任務的過程中，操作人員為直接的任務分派者，配電線路或柱上設備為系統(tǒng)中的作業(yè)對象，通過監(jiān)控系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋可觀察每一項子任務完成狀態(tài)，確認無誤后繼續(xù)下一項子任務[3,4]。

因此將任務流的思想運用到機器人控制系統(tǒng)中，操作人員可通過人機接口在操作室內(nèi)清楚的了解正在運行的作業(yè)任務完成狀況，使得操作人員的任務分派和任務的完成狀態(tài)最大程度地人性化和自動化，從而有效的提高了人機交互的智能性。

1 作業(yè)任務分析

傳統(tǒng)的人工帶電作業(yè)，為保證作業(yè)的有序開展，根據(jù)設備結(jié)構(gòu)、使用工器具類型和習慣性安全操作方法都編制有規(guī)范的作業(yè)流程。同樣利用機器人代替人工完成作業(yè)任務時，每項任務都有一系列的步驟子程序也稱子任務程序，根據(jù)專家的經(jīng)驗定義好步驟名稱，列出任務清單。操作者可以決定每一步驟如何執(zhí)行，有些步驟控制系統(tǒng)在程序中事先定義好則可自動完成，對于系統(tǒng)不能自動識別的任務則需要操作者通過主手在監(jiān)控系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)的幫助下控制從手完成。根據(jù)專家經(jīng)驗列好的帶電斷、接線及更換跌落開關任務清單如圖1所示。

圖1 帶電作業(yè)任務清單圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

本文所述的機器人系統(tǒng)由機器人本體、移動升降平臺和絕緣防護系統(tǒng)組成，如圖2所示。

1）機器人本體包括6自由度主從式機械臂、雙目視覺定位模塊、自適應末端執(zhí)行器及智能化自動工具。機械臂主手放置在車載地面操作室內(nèi)，兩從手機械臂放置在作業(yè)平臺上，主從手均具有相同的拓撲結(jié)構(gòu)使從手對于主手的運動有很好的跟隨性，另外機械臂采用液壓驅(qū)動方式不僅持重大、自重小而且性能穩(wěn)定可靠，保證了作業(yè)人員安全和任務的高效完成。雙目視覺定位模塊安裝在從手機械臂末端，用于獲取作業(yè)對象的目標位姿。機械臂末端執(zhí)行器的手指關節(jié)設計兩個被動自由度，可根據(jù)所夾持工具和零件的重量和尺寸自動調(diào)節(jié)手指的距離。智能化自動工具通過統(tǒng)一的機械連接和電氣控制接口，建立與機械臂、末端執(zhí)行器的連接可以快速更換，由遙控模塊控制。

2）移動升降平臺包括移動車體、升降機構(gòu)和作業(yè)平臺。升降機構(gòu)安裝在移動車體上，能夠?qū)⒆鳂I(yè)平臺推舉相應作業(yè)位置。作業(yè)平臺安裝到升降機構(gòu)上，可為機器人帶電作業(yè)提供支撐平臺，具有自調(diào)平功能。

3）絕緣防護系統(tǒng)：為了避免低壓供電帶來的絕緣和電位差的問題，在機械臂升降平臺上配備了我們自行研制的額定絕緣等級10千伏的隔離變壓器，以實現(xiàn)各個機械臂之間、機械臂與大地之間的絕緣隔離[5]。

圖2 帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 智能控制系統(tǒng)設計

帶電作業(yè)機器人在完成作業(yè)任務時，針對不同作業(yè)任務可選擇不同的控制模式，同時作業(yè)工具控制和狀態(tài)信息監(jiān)控可保證作業(yè)人員在車載地面控制室內(nèi)通過友好的人機交互系統(tǒng)完成作業(yè)任務。因此帶電作業(yè)機器人智能控制系統(tǒng)可分為主從控制模式子系統(tǒng)、基于視覺伺服的跟蹤控制模式子系統(tǒng)、作業(yè)工具控制子系統(tǒng)、帶電作業(yè)狀態(tài)信息監(jiān)控子系統(tǒng)及其人機交互和安全策略。其中：

1）主從控制模式子系統(tǒng)：主手和從機械臂的每個關節(jié)都安裝一個電位計，用來提供主手和從機械臂的位置信息。操作人員操作主手運動，主手控制器采集主手的位置信息并實時的將信息發(fā)送到從機械臂控制器，從機械臂通過對主手的位置跟蹤來完成機械臂的運動。另外，機械臂在運動過程中檢測到的位置信息也通過光纖通信反饋給主手控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。斷線和接線作業(yè)任務通過主從控制就能實現(xiàn)。

圖3 主從控制結(jié)構(gòu)圖

2）基于視覺伺服的跟蹤控制子系統(tǒng)：機器人的視覺伺服是利用視覺傳感器得到的圖像作為反饋信息，構(gòu)造機器人的位置閉環(huán)控制。帶電作業(yè)機器人在完成需要精確裝配的如更換跌落開關作業(yè)項目時，為解決視線被遮擋、升降系統(tǒng)的不穩(wěn)定等不確定性因素造成操作困難及作業(yè)效率低的問題，研究了基于視覺伺服的跟蹤控制系統(tǒng)[6,7]。操作人員首先啟動主從控制模式控制機械臂運動，確保作業(yè)對象在雙目攝像機的視覺范圍內(nèi)，然后將采集到的運動圖像經(jīng)過圖像匹配和分析處理估計出作業(yè)對象的速度和位置信息，得到其預測位姿，利用被跟蹤對象的位姿與機器人末端工具的位姿之差結(jié)合控制規(guī)則進行機器人下一步的運動軌跡規(guī)劃，并將運動學逆解運算出的各關節(jié)運動角度信息發(fā)送到機器人液壓伺服控制單元，從而使機器人對作業(yè)對象進行跟蹤運動，引導機器人自主裝配，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 基于視覺伺服的跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3）作業(yè)工具控制子系統(tǒng)：為完成作業(yè)任務機器人設計有高壓帶電自動剝皮器、電動扳手、斷線鉗、破螺母工具、并股線夾和導線遮蔽罩等多種智能化自動工具[8]。在作業(yè)任務開始前，首先將每種智能化自動工具的使用步驟列出清單，根據(jù)具體的作業(yè)任務確定所要選用的作業(yè)工具組合，建立好與末端執(zhí)行器的連接并保證與遙控裝置的正常通信，然后根據(jù)監(jiān)控模塊觀察到的實際情況選擇機器人控制模式，操作人員針對步驟清單，安全有效的操作不同作業(yè)工具。

敵手已落敗，毫無還手之力，以秦鐵崖的胸襟，不會殺他，也不屑殺他。奇怪的是，花五奇居然死了。只見他伏于地面一動不動，身下汩汩地流出鮮血。原來，他剛才撕下自己衣服前襟時，有一片破布料殘留在胸前，旗子一樣飄揚。兵器掉下，卻未落地，而是勾在那片破布上，秦鐵崖在他身后，沒留意這個。花五奇臉朝下摔在地上，正好伏在兵器上。那古怪兵器有太多的勾，太多的尖，太多的刃，結(jié)果可想而知。

4）帶電作業(yè)狀態(tài)信息監(jiān)控子系統(tǒng)研究：帶電作業(yè)狀態(tài)信息監(jiān)控是保證作業(yè)過程安全有效完成的重要手段。作業(yè)狀態(tài)信息包括作業(yè)過程的視頻圖像、機械臂末端夾持工具及作業(yè)對象的位置信息和各關節(jié)上安裝的角度和壓力等傳感器信息反饋。在完成具體的作業(yè)任務中，每完成作業(yè)流程中的一個步驟，操作人員都可通過監(jiān)控模塊得到機器人及作業(yè)對象的狀態(tài)信息，保證每一步驟的正確完成，提高作業(yè)人員的作業(yè)效率[9]。

5）人機交互與安全策略：高壓帶電作業(yè)機器人是工作在非結(jié)構(gòu)危險環(huán)境下的特種機器人，因此安全策略是首先要思考到的問題，可能由于操作人員的操作不當造成機器人、作業(yè)線路或?qū)Ｓ霉ぞ叩膿p壞。為此研究設計了完善的人機交互與安全策略。

(1)機械限位：包括機械臂各關節(jié)的機械限位、移動升降平臺的限位和主手活動空間的限位。

(2)電器保護：機器人作業(yè)的專用工具都進行了電磁兼容設計能夠抗外部擾動和過壓過流保護，合理的機械結(jié)構(gòu)設計確保夾持牢靠，并配有防墜落安全裝置，確保作業(yè)安全。

另外在操作人員進行遙操作的主控制界面上設有機器人系統(tǒng)的各部分急停按鈕、液壓機械臂各關節(jié)運動變量參數(shù)和末端執(zhí)行器的位置信息顯示窗口、作業(yè)現(xiàn)場的視頻監(jiān)控窗口。如果在工作過程中發(fā)現(xiàn)異常，可以及時停止動作，避免不必要的損傷保證作業(yè)安全。

4 帶電作業(yè)操作流程

帶電作業(yè)機器人需要完成的復雜作業(yè)任務流程交織在一起，不同的指令和反饋信息可能會影響隨后的控制，再加上為安全考慮的保護措施，可謂龐大而繁瑣[10]。為了提高機器人的執(zhí)行效率，需要對機器人操作流程進行整理、歸納和制定一套準確可行的流程方案，帶電作業(yè)操作流程如表1所示。

表1 帶電作業(yè)操作流程

5 智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)

圖5 智能控制系統(tǒng)人機界面

控制系統(tǒng)的軟件部分選用Visua1 Studio編程，在人機交互和安全策略的保證下，機器人系統(tǒng)各部分按帶電作業(yè)操作流程有序運行，操作者在遙控作業(yè)車內(nèi)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻指導下通過操作機器人的主手控制兩從機械臂到達指定工作區(qū)域，保證被操作對象位于雙目攝像機的視野中。在人機交互界面上選擇需要執(zhí)行的作業(yè)任務，根據(jù)系統(tǒng)彈出的信息提示窗口，操作人員調(diào)出適合的作業(yè)方案，按照此前設定好的作業(yè)步驟和監(jiān)控模塊提供的狀態(tài)信息提示，遠程遙控機械臂夾持智能化專用工具半自主的完成作業(yè)任務。帶電作業(yè)機器人智能控制系統(tǒng)人機界面運行截圖如圖5所示。

6 結(jié)束語

本文通過對帶電作業(yè)任務的分析，制定了主要作業(yè)任務的子任務清單，詳細描述了機器人和作業(yè)控制系統(tǒng)各部分組成的功能結(jié)構(gòu)特點，表達了任務流程之間的聯(lián)系和先后關系，引入以人為本的設計方式，設計基于任務流的帶電作業(yè)機器人智能控制系統(tǒng)，解決了遙操作無法直接觀察作業(yè)情況且作業(yè)流程復雜導致機器人帶電作業(yè)效率低的問題，并實現(xiàn)了具有友好界面的人機交互接口，使控制系統(tǒng)更加智能化。

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[10] 張玎飛,王田苗,等.基于任務流的中醫(yī)按摩機器人任務流程研究與設計[J].機器人技術與應用,2012,(1)∶23-27.