嚴(yán) 宇，江 維，張 安，李紅軍

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 檢修公司，湖南 長沙 410004；2.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430073;3.工業(yè)雷管智能裝配湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430073）

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，各地區(qū)電力能源互聯(lián)關(guān)系越來越緊密，作為在高壓輸電系統(tǒng)中完成交流電變換為直流電或者將直流電變換為交流電轉(zhuǎn)換的重要裝備，特高壓變流站[1-4]對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及電能質(zhì)量的提升具有至關(guān)重要的作用，可以說特高壓變流站是我國電力系統(tǒng)大規(guī)模輸送清潔能源的“落點(diǎn)站”和“源動力”。由于換流站特殊的超強(qiáng)電磁場環(huán)境和惡劣的自然環(huán)境，站內(nèi)設(shè)備尤其是立式絕緣子表面污穢嚴(yán)重，容易產(chǎn)生絕緣子污閃現(xiàn)象[5-8]，顯著降低了絕緣子的憎水性能和電氣性能，給換流站設(shè)備安全運(yùn)行帶來極大的安全隱患，因此，為保證特高壓換流站的正常穩(wěn)定運(yùn)行，需要定期和不定期的對站內(nèi)立式絕緣子串進(jìn)行清洗作業(yè)。

根據(jù)絕緣子清掃方式主要可分為停電清掃[9-10]和帶電清掃[11-12]兩種途徑，停電清掃需專業(yè)人員在作業(yè)區(qū)域停電時攜帶擦拭工具攀爬至設(shè)備上進(jìn)行絕緣子的清掃，勞動強(qiáng)度大，清洗效果差，為解決此類問題， 國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)很早就開始進(jìn)行絕緣子表面污穢清掃作業(yè)研究，具有一定代表性的就是高壓絕緣子清洗機(jī)器人的研究[13-14]，然而，在絕緣子清洗機(jī)構(gòu)與機(jī)器人的設(shè)計與開發(fā)方面多見于輸電線路懸垂絕緣子清洗機(jī)器人的研發(fā)，其主要是通過毛刷和攀爬機(jī)構(gòu)實現(xiàn)懸垂絕緣子的清洗，機(jī)器人主要依賴于人工操控，智能行為能力較弱，為進(jìn)一步提高特高壓換流站立式絕緣子機(jī)器人的清洗效率，立式絕緣子的自動識別與定位是第一步，它是機(jī)器人視覺伺服控制的基礎(chǔ)。目前絕緣子識別的主要方法通過視覺處理算法實現(xiàn)，如常用的CANNY算子[15-16]，改進(jìn)CANNY算子[17-18]，Hough變換[19-20]等，上述算法在一定程度上解決了絕緣子的識別問題，但是識別精度、以及算法的效率需要進(jìn)一步的深入研究，更重要的是將視覺識別算法用于機(jī)器人機(jī)械手視覺伺服控制是提升機(jī)器人作業(yè)智能行為能力的關(guān)鍵。因此，尋求一種智能的方法獲取實現(xiàn)絕緣子的在線識別與定位是絕緣子清洗機(jī)器人研究中的一項重要關(guān)鍵技術(shù)。

基于此研究背景，為實現(xiàn)絕緣子自主識別定位與清洗，進(jìn)一步提高特高壓絕緣子清洗的作業(yè)效率，保障特高壓換流站穩(wěn)定運(yùn)行，本文設(shè)計了一種絕緣子清洗機(jī)器人，該機(jī)器人通過移動機(jī)載平臺，搭載具有多自由度的機(jī)械臂系統(tǒng)，通過機(jī)載平臺運(yùn)動接近達(dá)立式絕緣子，然后通過機(jī)械手上搭載的攝像頭獲取作業(yè)環(huán)境照片，根據(jù)絕緣子的幾何特性，提出了一種基于最小二乘法的立式絕緣子識別與定位算法，并用于機(jī)器人機(jī)械手的視覺伺服控制，通過多自由度機(jī)械臂系統(tǒng)的伸縮、旋轉(zhuǎn)、橫移、縱移等基本動作，將機(jī)械臂末端自主送入作業(yè)空間，實現(xiàn)立式絕緣子串的自主識別與定位，通過位于末端上的兩組高壓噴頭對絕緣子串進(jìn)行噴水清洗作業(yè)，由規(guī)范的作業(yè)流程從上到下，由下到上進(jìn)行清洗作業(yè)，最后，開發(fā)了特高壓換流站立式絕緣子清洗機(jī)器人物理樣機(jī)，通過現(xiàn)場運(yùn)行驗證了本文所提出的絕緣子識別算法及絕緣子清洗機(jī)器人視覺伺服控制的有效性和工程實用性，為實現(xiàn)換流站的智能穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力技術(shù)保障。

1 絕緣子清洗機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計與清洗運(yùn)動規(guī)劃

1.1 立式絕緣子作業(yè)環(huán)境與結(jié)構(gòu)分析

如圖 1所示為立式絕緣子串的結(jié)構(gòu)示意圖，立式絕緣子串由多片單片絕緣子構(gòu)成，立式絕緣子主要分為頂部、中部、底部三個部分，機(jī)器人在進(jìn)行絕緣子串清洗的時候?qū)θ齻€部分輪番沖洗，機(jī)械手通過搭載的攝像頭獲取環(huán)境信息，對絕緣子進(jìn)行捕捉與定位，由于機(jī)械臂的不同運(yùn)動狀態(tài)導(dǎo)致末端不同位姿，從而導(dǎo)致攝像頭與絕緣子之間不同視角，理論上講，所獲取的絕緣子邊緣主要有圓形、橢圓形、弧邊梯形等三種形態(tài)，分別對應(yīng)攝像頭與絕緣子之間的成像角度為正視圖、俯視圖和側(cè)視圖三種，由于攝像頭在機(jī)械臂上的安裝位置是固定的和已知的，因此，通過轉(zhuǎn)換，可以得到機(jī)械臂與作業(yè)對象絕緣子的位姿關(guān)系，從而實現(xiàn)機(jī)器人的視覺伺服定位控制。

圖1 立式絕緣子串的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 絕緣子清洗機(jī)器人的實體結(jié)構(gòu)圖

1.2 絕緣子清洗機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計

通過絕緣子清洗需求分析，設(shè)計如圖2所示的絕緣子清洗機(jī)器人機(jī)構(gòu)，整個機(jī)器人系統(tǒng)包含兩個部分，第一部分為車載平臺系統(tǒng)即移動機(jī)器人，第二部分為機(jī)械臂系統(tǒng)，其中車載移動平臺可以搭載機(jī)械臂通過履帶在地面行駛，并接近特高壓立式絕緣子串，當(dāng)車載平臺定位到絕緣子串附近后，車載平臺停止前進(jìn)，此時機(jī)械臂系統(tǒng)開始動作，機(jī)械臂系統(tǒng)是一個5-DOF機(jī)構(gòu)，包含伸縮關(guān)節(jié)1，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1，伸縮關(guān)節(jié) 2，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1，俯仰關(guān)節(jié)，總共 5個關(guān)節(jié)，末端呈大夾爪的形式，作業(yè)過程中，通過5-DOF機(jī)械臂系統(tǒng)各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動將作業(yè)末端送至工作位，將立式絕緣子卡在作業(yè)末端夾爪正中心，通過俯仰、旋轉(zhuǎn)、伸縮關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動和高壓噴嘴，對立式絕緣子上下來回進(jìn)行多輪清洗作業(yè)。

1.3 絕緣子清洗機(jī)器人清洗運(yùn)動規(guī)劃

特高壓絕緣子清洗機(jī)器人的作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃主要分為以下幾個部分，首先車載平臺搭載作業(yè)臂系統(tǒng)通過履帶在地面上移動靠近絕緣子串如圖3（a）所示，當(dāng)可以通過伸縮機(jī)構(gòu)伸長作業(yè)末端能夠?qū)⒔^緣子串卡在末端夾爪中央時，車載平臺停止運(yùn)動如圖3（b）所示，然后機(jī)械臂兩個伸縮關(guān)節(jié)伸長，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，將作業(yè)末端送到工作區(qū)，并將立式絕緣子串卡在末端中央，從頂部開始如圖 3（d），到中部如圖 3（e），再到底部如圖3（f）通過位于末端上的兩組高壓噴頭水槍對絕緣子進(jìn)行水沖洗作業(yè)，在完成由上到下的一輪清洗作業(yè)后，根據(jù)絕緣子表面污穢的殘留情況，重復(fù)此過程完成對絕緣子的多輪清洗作業(yè)，直到絕緣子污穢清洗干凈或滿足性能絕緣子電氣性能要求時，整個清洗作業(yè)過程結(jié)束。

圖3 機(jī)器人絕緣子水沖洗作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃

2 基于最小二乘法的絕緣子識別方法

2.1 最小二乘法的基本原理

最小二乘法是一種最常用的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，利用最小二乘法可以簡便地求得未知數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小。最小二乘法多用于曲線擬合，及解決一些可通過最小化能量或最大化熵的優(yōu)化問題。下面以直線擬合來簡要描述最小二乘法的基本原理，在直線擬合的時候，其基本的原則是使得坐標(biāo)點(diǎn)xi所對應(yīng)的實際點(diǎn)yi和擬合y之間的誤差能夠盡可能的小，即滿足（1）式的性能指標(biāo)要求，為求得誤差最小值，在（1）式中，分別對k和b求偏導(dǎo)數(shù)，可得（2）式，再根據(jù)（2）式所得到的方程組，可求得滿足誤差均方最小的參數(shù)k，b如（3）式所示。在絕緣子的識別研究中，主要是圓形和橢圓形的擬合問題，其方法與直線擬合流程類似，只是參數(shù)個數(shù)有所增加，完全可以效仿本節(jié)的內(nèi)容。

2.2 橢圓一般方程的推導(dǎo)

在絕緣子識別過程中，由于攝像頭成像角度不同，其邊緣一般為圓形或者橢圓形，且橢圓形的幾率更大，而圓形又是橢圓形的特殊形式，因此，在絕緣子識別過程中，首先需要推導(dǎo)出橢圓的一般方程。對于圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)半徑為 1的圓的方程為（4）式，由于橢圓長軸和短軸不等，所以在標(biāo)準(zhǔn)圓方程的基礎(chǔ)上加入縮放因子可得（5）式，由于（5）式橢圓中心與原點(diǎn)重合，通過平移橢圓圓心可得（6）式，更一般化，在（6）式中加入旋轉(zhuǎn)因子（7）式，并通過化簡可得橢圓的一般方程為（8）式。

2.3 絕緣子的識別過程

單片絕緣子的邊緣一般呈現(xiàn)為橢圓狀，因此，單片絕緣子的識別主要過程為在圖像上取點(diǎn)，并計算測量點(diǎn)到理想橢圓距離的平方和最小這一準(zhǔn)則來確定理想橢圓，即識別到的絕緣子平面，設(shè)Pi(xi， yi)為橢圓輪廓上的測量點(diǎn)，根據(jù)距離平方和最小原則，可構(gòu)造距離目標(biāo)函數(shù)如（9）式所示，根據(jù)最小二乘法的基本原理，為求得目標(biāo)函數(shù)最小值，用目標(biāo)函數(shù)分別對目標(biāo)函數(shù)中的參數(shù)A、 B、 C、 D、 E求一階偏導(dǎo)數(shù)，并令一階導(dǎo)數(shù)為0可得（10）式，因此，可構(gòu)造出便于MATLAB軟件求解的矩陣方程，從而求解橢圓方程中的5個系數(shù)。

由式（10）所得方程組可求得橢圓參數(shù) A、B、C、D、E，即滿足最小平方誤差的絕緣子邊緣橢圓方程的系數(shù)，橢圓方程確定后， 當(dāng)Pi(xi， yi) ＜0 表示點(diǎn)Pi(xi， yi)在橢圓曲線內(nèi)部，Pi(xi， yi)＞0 表示點(diǎn)Pi(xi，yi) 在橢圓曲線外部。對單個絕緣子來說，解得橢圓方程后，即可將橢圓內(nèi)部即絕緣子盤面提取出來，即滿足Pi(xi， yi) ＜0 的點(diǎn)Pi(xi， yi)都在橢圓內(nèi)部，當(dāng)遍歷橢圓內(nèi)的無數(shù)點(diǎn)，這些點(diǎn)的集合就是識別得到的絕緣子面，從而實現(xiàn)絕緣子圖像的重構(gòu)與識別。

2.4 絕緣子清洗機(jī)器人的視覺伺服控制

基于 2.3中絕緣子的識別結(jié)果可以對機(jī)器人的機(jī)械手實施視覺伺服控制，其主要流程為：多自由度機(jī)械臂系統(tǒng)通過移動車載平臺緩慢靠近立式絕緣子串，啟動機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)，作業(yè)臂各關(guān)節(jié)開始運(yùn)動，位于作業(yè)末端上的攝像頭采集作業(yè)現(xiàn)場圖像信息，通過視覺算法和視覺系統(tǒng)對獲取的現(xiàn)場圖像信息進(jìn)行處理，得到現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的邊緣圖像，將邊緣圖像與不同角度下的標(biāo)準(zhǔn)庫（橢圓、圓、梯形）進(jìn)行比較，獲取攝像頭與絕緣子之間的位置關(guān)系，由于攝像頭的安裝位置為已知信息，通過這種方式轉(zhuǎn)換可以獲得機(jī)器人的作業(yè)機(jī)械手與作業(yè)對象立式絕緣子之間的相對位姿關(guān)系，從而實現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械手對于立式絕緣子的自主捕捉與定位視覺伺服控制。機(jī)器人機(jī)械手的視覺伺服控制流程如圖4所示。

圖4 絕緣子清洗機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 機(jī)器人絕緣子更換作業(yè)試驗

3 現(xiàn)場作業(yè)試驗

通過機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的集成設(shè)計，開發(fā)了立式特高壓絕緣子清洗機(jī)器人物理樣機(jī)，為進(jìn)一步檢驗本文所提出的立式絕緣子清洗機(jī)器人機(jī)械手視覺伺服控制及絕緣子識別方法的有效性，在現(xiàn)場作業(yè)實驗環(huán)境下，利用機(jī)器人機(jī)械手視覺伺服控制進(jìn)行了絕緣子清洗作業(yè)試驗，其詳細(xì)的絕緣子清洗作業(yè)過程如圖5所示，通過車載移動平臺搭載的多機(jī)械臂系統(tǒng)伸縮、旋轉(zhuǎn)等關(guān)節(jié)運(yùn)動，作業(yè)末端順利將立式絕緣子卡在了中央，兩對噴頭上下多輪沖洗，絕緣子污穢被清除，滿足電氣性能的要求，整個作業(yè)過程中，機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動流暢，沒有發(fā)生機(jī)器人機(jī)械手與絕緣子之間的碰撞與干涉，人機(jī)交互協(xié)調(diào)，機(jī)器人順利完成了立式絕緣子的清洗作業(yè)任務(wù)，并取得了良好的清洗效果。

通過現(xiàn)場作業(yè)試驗絕緣子清洗結(jié)果可知，本文所開發(fā)的絕緣子清洗機(jī)器人能實現(xiàn)特高壓換流站立式絕緣子的清洗作業(yè)，且從清洗方式上看，人工清洗、機(jī)器人人工操控下的清洗、機(jī)器人視覺伺服控制下的清洗，其作業(yè)效率逐級提高，機(jī)器人的智能性不斷增強(qiáng)，在絕緣子識別效果方面，基于最小二乘法的識別效率也高于人工識別方法，因此，絕緣子識別精度變高，機(jī)器人絕緣子清洗效率大大提高，實用效果良好。

4 結(jié)論

（1）提出了一種通過機(jī)載平臺搭載多機(jī)械臂系統(tǒng)的特高壓立式絕緣子清洗機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)平臺，通過機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，將末端定位至絕緣子，并由位于末端的兩對高壓噴頭實現(xiàn)了對絕緣子進(jìn)行清洗作業(yè)。

（2）基于絕緣子的幾何特性，提出了一種基于最小二乘法的絕緣子識別方法，并將其用于機(jī)器人的視覺伺服定位控制，實現(xiàn)了機(jī)器人作業(yè)機(jī)械手對于立式絕緣子的自主捕捉與定位，提高了機(jī)器人作業(yè)效率。

（3）通過系統(tǒng)集成設(shè)計，開發(fā)了機(jī)器人物理樣機(jī)，通過仿真實驗和現(xiàn)場作業(yè)試驗，驗證了本文所提出的絕緣子識別算法及基于該算法的機(jī)器人機(jī)械手視覺伺服控制方法的有效性和工程實用性。