配電線路維護機器人虛擬現實仿真系統設計

陸懷谷，楊 光，李光彥，郭 毓

(1. 國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000；2. 南京理工大學自動化學院，江蘇 南京 210094)

1 引言

在科技高速發展的今天，人類在高危環境下的工作將被機器人逐步代替[1]。配電線路維護帶電作業機器人正是在此背景下立項研發的[2]。

在配電線路維護機器人帶電作業過程中，機械臂的作業任務復雜，對其控制精度要求亦高[3]。利用機器人進行高危帶電作業，需要操作人員提前對機械臂的作業任務進行分析，并對機械臂的運動軌跡進行規劃，以保證運動平穩、安全[4]。同時，由于機器人進行配電線路維護作業時處于高空，地面操作人員無法通過肉眼直接觀察到作業場景信息，對操控機械臂作業帶來很大困難[5]。

目前，虛擬現實技術發展漸漸成熟，正被越來越廣泛地應用于機器人的遠程控制中[6，7]。虛擬現實是由計算機生成的一種多元信息融合的可交互三維環境，用戶通過這種計算機仿真系統，能夠置身于一個虛擬的三維空間中，獲得與實際場景非常相似的臨場感[8，9]。日本MEL實驗室研發了一個預測環境系統，操作者操作虛擬環境中的機器人與操作實際機器人的感覺很相似，操作者除了能體驗逼真的視覺畫面之外，還可以感受到力覺反饋[10]。文獻[11]提出的虛擬現實機器人實操教學系統，通過將虛擬現實引擎Unity3D構建的機器人平臺與六軸串聯機器人結合，達到了六軸串聯機器人示教器實操教學仿真的目的。

本文將虛擬現實技術與機器人運動學模型相結合，研究機械臂軌跡規劃及三維顯示方法，開發了配電線路維護機器人虛擬現實仿真軟件，通過遙顯示界面可使操作者能夠更好地把握全局場景，更自然地實現人機協作，使機器人能夠在復雜的非結構化場景下安全作業，順利完成配電線路維護任務。

2 虛擬現實軟件平臺搭建

為了實現配電作業機器人遠程控制及路徑規劃功能，首先需要搭建機械臂模型和虛擬作業環境，實現機械臂與軟件操控平臺的實時數據通訊。

2.1 軟件平臺總體設計

系統主要由控制模塊、通信及信息處理模塊、顯示模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

圖1中各部分功能如下所示：

1)通信及信息處理模塊

采用SOCKET TCP連接機器人作業端及虛擬現實顯示端，將通過服務器獲取的機器人關節姿態信息發送至數據層，用于虛擬現實環境中機械臂姿態同步，同時使虛擬環境中的場景與真實場景保持一致。操作人員可以在虛擬現實環境下調整虛擬機械臂的姿態，再將姿態關節信息發送至機器人服務器，用于實體機械臂軌跡規劃。

2)控制模塊

運動學解算：為了使機械臂完成配電線路維護任務，需建立機械臂運動學模型。通過處理傳感器信息獲取作業目標位姿，并通過機械臂逆運動學可求解到達目標位姿的機械臂關節角，從而實現機械臂路徑點的解算。

軌跡規劃：為了實現機械臂末端到達指定點或者按照規劃的路徑運動的功能，需對機械臂進行軌跡規劃。

3)顯示模塊

場景運動控制：為了實現離線訓練仿真和實時在線控制功能，在Unity3D引擎中完成對機械臂、工器具等其它電力設備動態信息的管理和顯示。

危險警示：機械臂同時碰觸兩相裸線時可能發生短路事故，為防止誤操作，當機械臂觸碰一相電時，將該機械臂突出顯示為高亮的顏色，提示操作者關注。

場景渲染：完成場景遍歷和渲染，為操作者呈現一個具有良好沉浸性的畫面，使操作者通過簡單操作就能夠順利完成機械臂運動仿真或者遙控機械臂作業的任務，實現人機共融。

2.2 場景三維建模

為了對帶電作業現場進行重構，根據作業現場各個部件在整個場景中分布情況以及各部件的外形尺寸和機械連接關系，通過3D MAX軟件進行帶電作業場景模型庫搭建，并將模型庫導入Unity3D中重建帶電作業場景。

帶電作業場景主要由電線桿塔、三相高壓線、單個元器件等組成。為了對帶電作業現場進行重構，需要掌握各個部件在整個場景中排布以及各部件的外形尺寸和機械連接關系。在建模的過程中，需要對照各個部件實體及其機械手冊的參數，在統一的尺度標尺下根據1：1比例完成建模。部分設備三維模型如圖2所示。

圖2 帶電作業場景建模

帶電作業場景的模型一般為異形件，模型曲面由大量的三角形構成，導致用Unity3D加載整個場景速度過慢。本文選用Polygen Crunch減面工具對模型減小三角形面片，選中需要簡化的模型后，通過鼠標拖拽拉動條來調整簡化程度，在保證加載速度的時候不至于使場景過于失真，圖3展示了絕緣子減面后的效果。

圖3 絕緣子減面效果圖

3 機械臂運動規劃

通過對機械臂的運動學仿真，可以在虛擬現實環境中控制機械臂運動，模擬作業任務，保證配電線路作業過程中機械臂操作的精準性，同時可以避免機械臂誤操作及觸電事故的發生。

3.1 機械臂運動學建模

機械臂運動是以末端移動與關節旋轉的形式實現的，對機械臂運動學分析，需要對機械臂系統進行運動學建模，即獲取機械臂末端的位姿信息，分析各關節的位姿坐標系變換關系，建立機械臂各關節角度與末端位姿的對應關系[12]。

本文中采用優傲機械臂UR5作為作業機械臂，如圖4所示，該機械臂由基座、6根連桿和4個旋轉關節組成，其肩關節有2個自由度，肘關節有1個自由度和腕關節有3個自由度。根據UR5的D-H參數，且連桿位姿的坐標變換遵循“由左到右”的原則，根據機械臂連桿坐標系及其變換求解運動方程，建立機械臂的運動學模型。

圖4 UR機器人與連桿坐標系的建立

連桿的位姿變換矩陣為

Ai=Rot(zi，θi)Trans(0，0，di)Trans(ai，0，0)Rot(xi，αi) (1)

(2)

對于連桿參數固定的機械臂，當輸入各個關節角度時可得到末端執行器的位姿。

3.2 機械臂逆運動學分析

機械臂逆運動學求解采用代數解析法實現，可以避免迭代誤差的問題，求解快速、實時性高。由于機械臂運動學逆解不唯一，需根據實際機械臂各關節的運動范圍以及應用場景增加相應的限制條件，以求取符合實際應用的最優解。UR5機械臂連桿參數(α，d，a)及機械臂末端執行器位姿的齊次變換矩陣T已知，可以求出機械臂各個關節的關節角θ1～θ6。

由式(2)，得到

(3)

將等式兩端同時展開，根據等式兩邊矩陣對應位置元素相等，可分別求出機械臂各個關節的關節角θ1，θ5，θ6其中當θ5為0°或180°時，機械臂處于奇異狀態。此時，關節軸4和6重合或相反，無法求出具體的θ4。在奇異點時，θ4是任意的，再計算對應的θ6，此時θ4和θ6有無窮多組解，運動學逆解的結果也有無窮多個。

對式(3)進一步變換得

(4)

將等式兩端同時展開，根據等式兩邊矩陣對應位置元素相等，可分別求出機械臂各個關節的關節角θ3，θ2，θ4。

根據上述步驟可知反向求解機械臂各關節角度的結果是多解的。當θ5不為0°或180°時，UR5機器人的逆運動學解共有8組，可根據作業環境限制等實際情況進行選擇，排除那些因場景或機械臂結構限制不可行的解，再考慮相關性能指標求出最優解。

3.3 關節空間的插值方法

為了使機械臂能夠完成特定動作，可以利用遙操作桿調節機械臂各關節角，改變機械臂的位姿使其末端到達目標路徑點；再對每個關節進行插值運算，獲得關節信息；最后將各關節的信息輸出至運動控制模塊。通過設計合理的插值方法，可以保證機器人運動過程中關節速度、加速度的連續性，提高機器人的運動精度，減少抖動帶來的沖擊損害。

θ(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5

(5)

對上式求導可得

(6)

可知速度和加速度均光滑連續。點到點的運動中一般默認起始時刻t0=0，當t0≠0時令t-t0→t即可，根據起始狀態得到五次多項式的邊界約束條件為

(7)

可以得到多項式參數的解為

(8)

4 仿真與分析

4.1 插值控制系統仿真

為了驗證五次多項式插值法對機械臂運動規劃的效果，設計機械臂取避雷器的路徑過程，設置路徑上的起始點、中間過程路徑和目標點，初始點是機械臂末端初始位置，中間點1是機械臂接近桿塔的位置，中間點2選在靠近避雷器的附近點，終點為避雷器目標位置點。控制機械臂作業場景如圖5所示。

圖5 規劃取避雷器路徑圖

選取實際作業過程中機械臂路徑的起始點、中間點1、中間點2和目標點，選取的路徑點機械臂各關節角度數據不變，得到各關節角度、關節角速度隨時間變化的曲線圖如下圖6所示。

圖6 關節五次多項式插值

從圖6(a)中可以看出，關節角度隨時間變化的曲線處處連續，而且處處可導，關節的位置、速度以及加速度對時間的曲線均光滑連續，且在指定時刻到達目標狀態，表明插值算法具有良好的軌跡精度，極大地減小了運動過程中的沖擊。經過選取的中間點，能夠完成指定的路徑和相應的任務。從圖6(b)可以看出角速度隨時間變化的曲線是連續的，在選取的路徑點處，機械臂的角速度為0，之后從0連續變到下一個路徑點。從實際機械臂的運動狀態看，機臂運動到指定路徑點時，機械臂各關節角速度減速為0，之后各關節開始加速。可見利用五次多項式插值能夠很好地完成相應的規劃任務，在虛擬現實環境下可以很好地實現遠程控制機器人的作業需求。

4.2 逆運動學求解控制系統仿真

為了驗證機械臂逆運動學求解的準確性，設計機械臂末端按圓周運動，通過虛擬現實系統仿真運動過程。

根據機械臂逆運動學求解機械臂關節角度如圖7(a)所示。從圖中可以看出，各關節角變換平緩，未出現奇異，所有關節角均在允許的運動范圍。圓周運動軌跡規劃下機器人各關節角速度的曲線變化如圖7(b)所示。可以看出機械臂各關鍵角速度變化平穩，且沒有角速度過大的問題。

圖7 圓周運動關節信息圖

為了更好地展示機械臂逆運動學規劃的效果，實驗中讓機械臂手爪末端夾持一個黑色水筆，通過機械臂畫下圖形驗證圓周運動過程中機械臂運動軌跡及平穩性，如下圖8所示，實驗結果表明，實際機械臂能夠平穩地完成末端圓周運動。

圖8 圓周運動實驗圖

5 結語

本文以配電線路維護機器人項目為背景，設計了一種配電線路維護機器人虛擬現實仿真系統，將虛擬現實技術與機器人路徑規劃相結合。通過仿真證明系統的虛擬現實模塊可以直觀、安全和高效地顯示三維作業場景，實時同步機械臂動作，同時系統的插值軌跡控制控制模式和逆運動學求解軌跡控制模式均能良好的實現軌跡規劃，為配電線路維護機器人完成帶電作業任務奠定基礎。