基于任務(wù)流的帶電作業(yè)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)

魯守銀，劉珍娜，劉金存

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

（山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

0 引言

高壓帶電作業(yè)機(jī)器人是一種特種作業(yè)機(jī)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(jì)效益和社會效益[1]。

目前國外的高壓帶電作業(yè)機(jī)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(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)端機(jī)器人系統(tǒng)的遙控。國內(nèi)在帶電作業(yè)機(jī)器人的研究上起步晚，在遙操作方式的應(yīng)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藦母呖铡⒏邏旱沫h(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(jī)器人工作進(jìn)行的情況而且所需完成的一些配電線路檢修作業(yè)任務(wù)步驟繁多、流程復(fù)雜和增加了操作的難度。要想提高機(jī)器人系統(tǒng)的工作效率和準(zhǔn)確度，需要對機(jī)器人系統(tǒng)人機(jī)交互的智能性提出更高要求。 因此采用任務(wù)流的方法對帶電作業(yè)機(jī)器人任務(wù)流程進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計是很有必要的[2]。

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

因此將任務(wù)流的思想運(yùn)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)中，操作人員可通過人機(jī)接口在操作室內(nèi)清楚的了解正在運(yùn)行的作業(yè)任務(wù)完成狀況，使得操作人員的任務(wù)分派和任務(wù)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(jī)交互的智能性。

1 作業(yè)任務(wù)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(shè)備結(jié)構(gòu)、使用工器具類型和習(xí)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(jī)器人代替人工完成作業(yè)任務(wù)時，每項任務(wù)都有一系列的步驟子程序也稱子任務(wù)程序，根據(jù)專家的經(jīng)驗定義好步驟名稱，列出任務(wù)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(wù)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(guān)任務(wù)清單如圖1所示。

圖1 帶電作業(yè)任務(wù)清單圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

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

1）機(jī)器人本體包括6自由度主從式機(jī)械臂、雙目視覺定位模塊、自適應(yīng)末端執(zhí)行器及智能化自動工具。機(jī)械臂主手放置在車載地面操作室內(nèi)，兩從手機(jī)械臂放置在作業(yè)平臺上，主從手均具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使從手對于主手的運(yùn)動有很好的跟隨性，另外機(jī)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(wù)的高效完成。雙目視覺定位模塊安裝在從手機(jī)械臂末端，用于獲取作業(yè)對象的目標(biāo)位姿。機(jī)械臂末端執(zhí)行器的手指關(guān)節(jié)設(shè)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(jī)械連接和電氣控制接口，建立與機(jī)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(jī)構(gòu)和作業(yè)平臺。升降機(jī)構(gòu)安裝在移動車體上，能夠?qū)⒆鳂I(yè)平臺推舉相應(yīng)作業(yè)位置。作業(yè)平臺安裝到升降機(jī)構(gòu)上，可為機(jī)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(hù)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(jī)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(jī)械臂之間、機(jī)械臂與大地之間的絕緣隔離[5]。

圖2 帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

帶電作業(yè)機(jī)器人在完成作業(yè)任務(wù)時，針對不同作業(yè)任務(wù)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(jī)交互系統(tǒng)完成作業(yè)任務(wù)。因此帶電作業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械臂的每個關(guān)節(jié)都安裝一個電位計，用來提供主手和從機(jī)械臂的位置信息。操作人員操作主手運(yùn)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(jī)械臂控制器，從機(jī)械臂通過對主手的位置跟蹤來完成機(jī)械臂的運(yùn)動。另外，機(jī)械臂在運(yùn)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(wù)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(jī)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(jī)器人的位置閉環(huán)控制。帶電作業(yè)機(jī)器人在完成需要精確裝配的如更換跌落開關(guān)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(jī)械臂運(yùn)動，確保作業(yè)對象在雙目攝像機(jī)的視覺范圍內(nèi)，然后將采集到的運(yùn)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(yù)測位姿，利用被跟蹤對象的位姿與機(jī)器人末端工具的位姿之差結(jié)合控制規(guī)則進(jìn)行機(jī)器人下一步的運(yùn)動軌跡規(guī)劃，并將運(yùn)動學(xué)逆解運(yùn)算出的各關(guān)節(jié)運(yùn)動角度信息發(fā)送到機(jī)器人液壓伺服控制單元，從而使機(jī)器人對作業(yè)對象進(jìn)行跟蹤運(yùn)動，引導(dǎo)機(jī)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(wù)機(jī)器人設(shè)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(dǎo)線遮蔽罩等多種智能化自動工具[8]。在作業(yè)任務(wù)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(wù)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(jī)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?xì)⑺Ｆ婀值氖牵ㄎ迤婢尤凰懒恕Ｖ灰娝诘孛嬉粍硬粍樱硐裸殂榈亓鞒鲺r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(yáng)。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(jī)械臂末端夾持工具及作業(yè)對象的位置信息和各關(guān)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(wù)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(jī)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(jī)交互與安全策略：高壓帶電作業(yè)機(jī)器人是工作在非結(jié)構(gòu)危險環(huán)境下的特種機(jī)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(dāng)造成機(jī)器人、作業(yè)線路或?qū)Ｓ霉ぞ叩膿p壞。為此研究設(shè)計了完善的人機(jī)交互與安全策略。

(1)機(jī)械限位：包括機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的機(jī)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(hù)：機(jī)器人作業(yè)的專用工具都進(jìn)行了電磁兼容設(shè)計能夠抗外部擾動和過壓過流保護(hù)，合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行遙操作的主控制界面上設(shè)有機(jī)器人系統(tǒng)的各部分急停按鈕、液壓機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)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(jī)器人需要完成的復(fù)雜作業(yè)任務(wù)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(hù)措施，可謂龐大而繁瑣[10]。為了提高機(jī)器人的執(zhí)行效率，需要對機(jī)器人操作流程進(jìn)行整理、歸納和制定一套準(zhǔn)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(jī)界面

控制系統(tǒng)的軟件部分選用Visua1 Studio編程，在人機(jī)交互和安全策略的保證下，機(jī)器人系統(tǒng)各部分按帶電作業(yè)操作流程有序運(yùn)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(dǎo)下通過操作機(jī)器人的主手控制兩從機(jī)械臂到達(dá)指定工作區(qū)域，保證被操作對象位于雙目攝像機(jī)的視野中。在人機(jī)交互界面上選擇需要執(zhí)行的作業(yè)任務(wù)，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(shè)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(yuǎn)程遙控機(jī)械臂夾持智能化專用工具半自主的完成作業(yè)任務(wù)。帶電作業(yè)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)人機(jī)界面運(yùn)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(wù)的分析，制定了主要作業(yè)任務(wù)的子任務(wù)清單，詳細(xì)描述了機(jī)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(diǎn)，表達(dá)了任務(wù)流程之間的聯(lián)系和先后關(guān)系，引入以人為本的設(shè)計方式，設(shè)計基于任務(wù)流的帶電作業(yè)機(jī)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(fù)雜導(dǎo)致機(jī)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(jī)交互接口，使控制系統(tǒng)更加智能化。

[1] 李靜軒.機(jī)器人帶電作業(yè)自動化技術(shù)[J].科技前沿,2006(1),47.

[2] R.Araci1 et a1,＂ROBTET∶A New Te1eoperated System for Live-Line Maintence＂,6th IEEE ESMO-95,1995.

[3] 陳立志.基于任務(wù)流的測繪生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].城市勘測,2009(1)∶24-27.

[4] 史孝忠.基于任務(wù)流的目標(biāo)管理信息系統(tǒng)[D].華北電力大學(xué),2008.

[5] 魯守銀,史向東,等.10KV配電帶電作業(yè)機(jī)器人絕緣防護(hù)設(shè)計[J].2006,12(1)∶8-10.

[6] 戚輝.高壓帶電作業(yè)機(jī)器人及其跟蹤裝配控系統(tǒng)的研究[D].天津大學(xué),2003.

[7] 唐潤宏.基于圖像的機(jī)器人視覺伺服控制研究[D].北京工業(yè)大學(xué),2007.

[8] 趙玉良,李運(yùn)廠,等.高壓線路帶電作業(yè)智能化自動工具研究[J].制造業(yè)自動化,2012,34(2)∶12-14.

[9] L.F.Penin et a1,TELEROBOTIC SYSTEM FOR LIVE POWER LINES MAINTENANCE∶ROBTET,10th IEEE ESMO-98,1998.

[10] 張玎飛,王田苗,等.基于任務(wù)流的中醫(yī)按摩機(jī)器人任務(wù)流程研究與設(shè)計[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2012,(1)∶23-27.