張 安，李紅軍，江 維，嚴(yán) 宇，劉雪強

（1.武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.湖南省電力有限公司 檢修公司，湖南 長沙 410009；3.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010）

0 引言

帶電作業(yè)[1-5]是在高壓電氣設(shè)備上不停電進(jìn)行檢修、測試的一種作業(yè)方法，其對電網(wǎng)穩(wěn)定運行，確保穩(wěn)定供電具有極其重要的意義。用帶電作業(yè)機器人代替工人進(jìn)行帶電作業(yè)，不僅能夠徹底消除工人等電位作業(yè)的安全隱患，還能大幅度提高作業(yè)效率，是電力系統(tǒng)自動化巡檢的發(fā)展趨勢。耐張線夾引流板螺栓緊固是帶電作業(yè)的重要內(nèi)容之一，由于跳線常年受風(fēng)載荷作用，耐張線夾引流板螺栓易發(fā)生松動[6-9]。螺栓松動之后其接頭處電阻變大，導(dǎo)致溫度大幅上升，如不及時解決，不僅產(chǎn)生電能損耗，而且會對輸電線路以及金具耐久性產(chǎn)生惡劣影響，甚至造成停電事故。傳統(tǒng)解決方法是帶電作業(yè)工人登塔等電位作業(yè)，人工將螺栓擰緊，此種方法作業(yè)效率較低，緊固效果因人而異，幵且對工作人員的人身安全有較大風(fēng)險。有關(guān)帶電作業(yè)機器人的研究工作日本九州公司[10]研制一種帶電作業(yè)升降平臺，可以實現(xiàn)承載工作人員等電位作業(yè)，但其主要用于配電網(wǎng)，不適用于高壓輸電線路。加拿大魁北克電力研究所[11]研究的LineScout機器人可以搭載多種末端工具在輸電線路上實現(xiàn)線路暫時束緊、防震錘螺栓緊固等功能，由于其機械結(jié)構(gòu)限制，幵不能滿足耐張線夾螺栓緊固所需位姿要求。國內(nèi)山東電科院[12]研究的帶電作業(yè)機器人試驗樣機和相應(yīng)的作業(yè)工具，操作人員在絕緣斗內(nèi)進(jìn)行操作，其所具有的功能包括線路的帶電切斷、接引、帶電更換絕緣子等，但該樣機僅適用于10 kV及以下的電壓等級，難以適應(yīng)實際輸電線路高電壓的要求。

綜上所述，雖然帶電作業(yè)機器人研究已經(jīng)有所進(jìn)展，但是在高壓輸電線路耐張線夾引流板螺栓緊固作業(yè)方面研究十分稀少，在引流板柔性作業(yè)面上耐張線夾螺栓緊固機構(gòu)位姿控制、作業(yè)末端與螺栓螺母對準(zhǔn)定位以及自適應(yīng)控制是該項作業(yè)所需攻克的重點問題，當(dāng)前此項定位控制技術(shù)大多是基于視頻交互的手動調(diào)節(jié)，需要人工干預(yù)對準(zhǔn)作業(yè)過程，雙機械手聯(lián)動控制粗定位技術(shù)在一定程度上提高了作業(yè)效率，但幵不能最終解決機器人作業(yè)末端與作業(yè)對象的自動對準(zhǔn)對接定位問題。基于上述分析本文提出了一種基于改進(jìn)Canny算子[13-15]的機械手末端與螺栓螺母自動對準(zhǔn)定位控制算法，較常規(guī)人工手動對準(zhǔn)控制在提高機器人作業(yè)效率的同時還進(jìn)一步提高其定位的精度。

1 帶電作業(yè)機器人作業(yè)環(huán)境及機器人實體結(jié)構(gòu)

1.1 帶電作業(yè)機器人作業(yè)環(huán)境

如圖1所示為高壓輸電線路耐張桿塔圖，耐張線夾位于輸電線路與跳線連接處，引流板及螺栓模型圖如圖2所示。由于在耐張桿塔處線路的轉(zhuǎn)角、桿塔的型號等因素不同，導(dǎo)致引流板與垂直面之間夾角產(chǎn)生差異，因此在一定程度上給機器人的作業(yè)控制帶來一定難度。

圖1 高壓輸電線路耐張塔示意圖

圖2 引流板模型圖

1.2 帶電作業(yè)機器人的實體結(jié)構(gòu)

帶電作業(yè)機器人由奇偶兩個行走臂、兩個機械臂1和機械臂2兩個作業(yè)臂、控制箱組成。其中行走臂具有夾緊機構(gòu)，能夠在線路上行走及定位；機械臂1由下而上由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)、縱移關(guān)節(jié)組成，機械臂2由下而上由橫移關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)、縱移關(guān)節(jié)組成。兩個作業(yè)臂在線路上作業(yè)時都有足夠裕度，使其能滿足帶電作業(yè)機器人的空間作業(yè)要求。

圖3 螺栓緊固帶電作業(yè)機器人實體結(jié)構(gòu)圖

擰螺栓作業(yè)末端通過燕尾槽固定在作業(yè)臂縱移關(guān)節(jié)上。安裝于作業(yè)臂2的作業(yè)末端有大功率電機，可以實現(xiàn)螺栓緊固。末端采用六角套筒扳手形式，以確保套筒與螺栓接觸面足夠大；末端采用內(nèi)設(shè)復(fù)位彈簧的虎克鉸，能夠適應(yīng)耐張線夾螺栓一定角度的位置，減小緊固螺栓時對末端產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。螺栓緊固帶電作業(yè)機器人實體圖如圖3所示。

2 機器人螺栓緊固作業(yè)流程及機械手末端位姿定位控制方法

2.1 螺栓緊固作業(yè)流程

如圖4所示，機器人進(jìn)行耐張線夾螺栓緊固作業(yè)時，作業(yè)機械手也需要在機器人行駛過程中由初始姿態(tài)運動至工作姿態(tài)，待前輪位于耐張線夾正上方時，完成對耐張線夾的初定位；而后進(jìn)行螺栓固定操作，對機械手1的旋轉(zhuǎn)及伸縮關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使螺栓固定裝置的內(nèi)六角套筒與螺栓頭同軸心，隨之將機械手1的縱移關(guān)節(jié)靠近螺栓頭，直至將螺栓頭壓住，以限制其轉(zhuǎn)動；接著進(jìn)行擰螺母操作，對機械手1的橫移旋轉(zhuǎn)及伸縮關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使螺栓固定裝置的內(nèi)六角套筒與螺栓頭同軸心，隨之將機械手2的縱移關(guān)節(jié)靠近螺母，直至將螺母完全套住，擰螺母裝置電機旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行螺母的擰緊；當(dāng)機器人完成一套螺栓組件的緊固工作后，擰螺母裝置以及螺栓固定裝置分別由機械手 1、2縱移裝置攜帶至外限位，進(jìn)行下一個螺栓緊固作業(yè)。帶電作業(yè)機器人螺栓緊固作業(yè)流程如圖4所示。

圖4 機器人螺栓緊固作業(yè)流程

2.2 基于機器視覺的機械手末端空間位姿定位方法

帶電作業(yè)機器人奇臂行走輪定位到壓接管后，雙機械手可協(xié)調(diào)運動開始作業(yè)。在螺栓緊固作業(yè)中，擰螺栓作業(yè)末端需與螺栓實現(xiàn)完全對接之后才能進(jìn)行螺栓緊固工作，對接對機器人末端執(zhí)行器空間位姿要求極高，首先套筒中心點在對接時須與螺栓內(nèi)六角中心點重合，或者說套筒中心點在螺栓中心線上，這是套筒能夠套住螺栓的必要條件，然后套筒內(nèi)六角面須與螺栓六角面平行，才能夠控制縱移關(guān)節(jié)內(nèi)移，完成對接任務(wù)，對接成功后擰螺母機構(gòu)可以開始執(zhí)行擰螺母操作。為了實現(xiàn)套筒與螺栓的準(zhǔn)確對接，在螺栓套筒與螺栓軸之間安裝有十字聯(lián)軸器，可進(jìn)行角度的微調(diào)。為了全方位地觀察螺栓固定裝置與螺栓的相對位姿，在固定螺栓裝置箱體上安裝有2個呈垂直角度布置的攝像頭。擰螺母裝置與螺栓固定裝置結(jié)構(gòu)相似，多了一個傳動機構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，在旋轉(zhuǎn)軸與擰螺母套筒之間也安裝有十字聯(lián)軸器，可以實現(xiàn)套筒與螺母的準(zhǔn)確對接。

3 機器人末端套筒中心識別與自動對準(zhǔn)對接控制方法

3.1 Canny算子及其改進(jìn)圖像邊緣檢測算法

Canny算子圖像邊緣檢測算法實現(xiàn)過程主要包括四步：

STEP1：圖像平滑處理。一般可利用（1）式高斯函數(shù)G(x)構(gòu)造濾波器，按行、列對待處理圖像f(x,y)進(jìn)行卷積運算后得到待處理圖像的平滑圖像I(x,y)，（1）式中σ是高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，其作用是控制圖像平滑程度。

STEP2：計算圖像梯度幅值和方向。計算平滑后圖像I(x,y)的梯度幅值M(x,y)和梯度方向H(x,y)，其中梯度幅值為（2）式，梯度方向為（3）式。kx、ky分別為圖像I(x,y)被濾波器fx、fy行列檢測后的結(jié)果。

STEP3：對圖像梯度和幅值進(jìn)行非極大值的抑制。非極大值抑制其目的是尋找I(x,y)中所有可能的邊緣點，其基本原理為利用 3×3 的鄰域作用在梯度幅值陣列M(x,y)的所有點上，若鄰域中心點的梯度幅值 M(x,y)較沿梯度方向上的兩個相鄰點的幅值大，則將當(dāng)前的鄰域中心點認(rèn)定為可能的邊緣點，否則將M(x,y)賦值為零，認(rèn)定為非邊緣點。

STEP4：雙閾值方法檢測和邊緣連接。雙閾值算法是對經(jīng)非極大值抑制的圖像使用高、低兩閾值進(jìn)行分割處理，得到兩閾值的邊緣圖像，再用遞歸跟蹤算法，不斷搜索邊緣，直到將所有邊緣點都連接起來后停止搜索。

在進(jìn)行圖像邊緣檢測時，傳統(tǒng)的Canny算子是用高斯濾波器去噪，平滑度控制參數(shù)σ在實際中很難找到較準(zhǔn)確的值，導(dǎo)致在圖像邊緣檢測中該算法存在一定的局限性。此外傳統(tǒng) Canny 算子只提取x方向和y方向的梯度后進(jìn)行計算，一定程度上會丟失一些重要的邊緣信息，尤其是一些斜方向上的信息。因此應(yīng)對圖像兩個斜方向上的梯度信息進(jìn)行計算，最后綜合原有梯度信息和斜方向上得到的梯度信息得到最終的邊緣圖像，整個改進(jìn)Canny 算子圖像邊緣檢測算法流程如圖5所示。

圖5 改進(jìn)Canny算子圖像邊緣檢測流程

3.2 基于Canny算子的末端套筒邊緣檢測與中心點識別

基于作業(yè)過程中四路視頻信息采集到的末端套筒圖像，通過改進(jìn)Canny算法從視頻圖像中識別機器人執(zhí)行末端套筒圓柱體的上下邊線，然后在兩條線上取點，繪出兩條直線的中心線，同時通過識別算法得出末端套筒的中心點，由六角螺栓幾何特征可計算出六角螺栓的中心點和中心線方程。通過控制伸縮機構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，調(diào)整中心點的位置，最終使套筒中心點位于螺栓中心線上，縱移機構(gòu)運動，使末端與螺栓端面貼合，此時基于機器視覺的自動對準(zhǔn)對接即完成。如圖 6所示為普通Canny算子和改進(jìn)Canny算子在帶電作業(yè)機器人末端套筒邊緣檢測與中心點的識別效果圖。從圖6 Canny算子末端套筒邊緣檢測與中心識別效果來看，圖6（a）普通Canny算子基本能夠識別套筒邊緣，但是有些邊緣線不連續(xù)，效果一般；對于套筒中心點的識別普通Canny算子的識別效果明顯存在一定偏差，但是由于末端套筒的旋轉(zhuǎn)彈簧使得在存在一定誤差的情況下對接過程中末端通過自適應(yīng)調(diào)整依然能夠?qū)崿F(xiàn)成功對接操作。圖6（b）改進(jìn)Canny算子能夠較清晰的識別到套筒邊緣，套筒邊緣保持連續(xù)，中心點的識別位置精度較普通Canny算法明顯提高，上述結(jié)果驗證了改進(jìn)Canny算子套筒邊緣檢測與中心識別是有效性。

圖6 Canny算子套筒圖像邊緣檢測與中心點識別效果

4 試驗

為驗證本文基于改進(jìn)Canny算子的機器人執(zhí)行末端套筒與引流板螺栓螺母的自動對準(zhǔn)對接控制算法的有效性，在國家電網(wǎng)某帶電作業(yè)中心進(jìn)行帶電擰緊引流板螺栓試驗，試驗步驟為首先是機械手1末端套筒與螺栓頭的對準(zhǔn)對接，其次是機械手2末端套筒與螺母的對準(zhǔn)對接，最后是執(zhí)行擰螺母操作，作業(yè)完成后雙機械手末端與螺栓頭螺母分離，機器人退出工作區(qū)準(zhǔn)備下線。通過安裝在兩個機械手末端上的4個攝像頭所拍攝到作業(yè)過程如圖7所示。通過整個作業(yè)過程可知，雙機械手末端套筒與螺栓頭螺母的自動對準(zhǔn)對接及分離整個動作連貫、流暢、平穩(wěn)，幵且由于末端套筒具有一定的自適應(yīng)性允許套筒與螺栓螺母對準(zhǔn)在存在一定誤差的情況下依然能夠?qū)崿F(xiàn)成功對接，由此可見本文所提出的改進(jìn)Canny算子末端套筒定位控制算法具有較強的工程實用價值。

圖7 雙機械手末端與螺栓螺母的定位效果

5 結(jié)論

本文提出幵設(shè)計了面向高壓輸電線路耐張線夾螺栓緊固帶電作業(yè)機器人的基本構(gòu)型，分析了螺栓緊固作業(yè)原理與作業(yè)流程。在常規(guī)Canny算子圖像邊緣檢測算法的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)算法，將改進(jìn)算法應(yīng)用到帶電作業(yè)機器人作業(yè)末端套筒的邊緣檢測與中心點識別上，改進(jìn)算法在套筒邊緣檢測上邊緣更加連續(xù)，在中心點識別上精度更高。通過現(xiàn)場帶電作業(yè)試驗也驗證了基于改進(jìn)Canny算子的雙機械手末端套筒與螺栓頭螺母自動對準(zhǔn)、對接定位控制方法具有較強的工程實用性。