基于數(shù)字孿生的電力機(jī)器人作業(yè)控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

甘志堅(jiān)，黃國(guó)方，張靜，劉曉銘

（1.南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京 211106；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

0 引言

隨著人工智能技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展，機(jī)器人在電力系統(tǒng)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。電力機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的工作場(chǎng)景是非常復(fù)雜與危險(xiǎn)的，運(yùn)動(dòng)控制出現(xiàn)差錯(cuò)，將帶來(lái)不可估量的危害[1-2]。因此在面對(duì)實(shí)際執(zhí)行任務(wù)之前，有必要通過(guò)仿真對(duì)作業(yè)任務(wù)和功能進(jìn)行驗(yàn)證，確保機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)與安全。實(shí)時(shí)監(jiān)控是電力機(jī)器人安全作業(yè)不可缺失的重要部分，能及時(shí)掌握機(jī)器人作業(yè)過(guò)程狀態(tài)信息，確保機(jī)器人安全可靠完成作業(yè)任務(wù)[3-4]。在作業(yè)過(guò)程中如發(fā)生異常情況，操作人員可以及時(shí)采取異常處理措施。

目前大多數(shù)機(jī)器人仿真平臺(tái)功能單一、仿真精度低、可靠性差，不能有效高精度地完成作業(yè)任務(wù)仿真，導(dǎo)致在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中發(fā)生故障。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)可視化效果差，監(jiān)控方式單一，不能對(duì)機(jī)器人作業(yè)全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與管理[5-6]。

2005年由Grieves等[7]提出數(shù)字孿生技術(shù)，物理空間與數(shù)字空間交互映射系統(tǒng)，該技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了一種新方法。Bielefeldt等[8]對(duì)機(jī)翼?yè)p害建立數(shù)字孿生模型，Armendia等[9]針對(duì)機(jī)床的設(shè)計(jì)而建立機(jī)床數(shù)字孿生模型。在國(guó)內(nèi)方面，陶飛等[10]對(duì)設(shè)備的生命周期監(jiān)控提出了五維架構(gòu)數(shù)字孿生理論，劉志峰等[11]提出了車(chē)間零件生產(chǎn)過(guò)程生命周期監(jiān)控的數(shù)字孿生技術(shù)。針對(duì)數(shù)字孿生機(jī)器人的研究，大部分集中在數(shù)字孿生的建模架構(gòu)理論研究和生產(chǎn)制造生命周期監(jiān)控研究?jī)蓚€(gè)方面。而對(duì)真實(shí)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程缺乏雙向數(shù)據(jù)相互仿真功能，監(jiān)控系統(tǒng)不夠通透，狀態(tài)管理不全面。因此，本文建立配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)仿真與監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，對(duì)配網(wǎng)帶電作業(yè)控制仿真與監(jiān)控進(jìn)行研究，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性和是否有效反映真實(shí)的機(jī)器人作業(yè)過(guò)程狀態(tài)。

1 配網(wǎng)電力機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 配網(wǎng)電力機(jī)器人數(shù)字孿生架構(gòu)

基于數(shù)字孿生技術(shù)理論的作業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包含物理空間、虛擬空間、數(shù)據(jù)交互和服務(wù)系統(tǒng)4個(gè)部分組成。以物聯(lián)網(wǎng)底層技術(shù)和虛擬仿真為依托，實(shí)現(xiàn)真實(shí)空間與虛擬空間之間的雙向數(shù)據(jù)互通、指令控制、虛實(shí)聯(lián)動(dòng)。

圖2 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人

圖3 配網(wǎng)電力機(jī)器人的末端工具

圖4 機(jī)器人URDF模型的部件之間連接

物理空間由機(jī)器人本體（如機(jī)械臂）、末端工具、傳感器和作業(yè)環(huán)境組成。機(jī)器人本體完成作業(yè)任務(wù)相關(guān)運(yùn)動(dòng)，如控制末端工具到達(dá)作業(yè)目標(biāo)位置。末端工具完成作業(yè)任務(wù)精細(xì)運(yùn)動(dòng)，如剝削行線絕緣材料、連接固定引線和行線任務(wù)。傳感器主要完成作業(yè)環(huán)境信息采集，提供三維環(huán)境模型數(shù)據(jù)。作業(yè)環(huán)境是指作業(yè)過(guò)程中周邊相關(guān)環(huán)境物體，例如配網(wǎng)作業(yè)的行線與引流線等作業(yè)對(duì)象、絕緣子與樹(shù)木等周邊環(huán)境障礙物。

數(shù)據(jù)交互由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，為建立與驅(qū)動(dòng)虛擬空間提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采集數(shù)據(jù)主要是物理參數(shù)表達(dá)和指令與傳感數(shù)據(jù)。物理參數(shù)化表達(dá)主要是機(jī)器人模型參數(shù)、末端工具模型參數(shù)、環(huán)境物體模型參數(shù)等物理模型參數(shù)。指令與傳感數(shù)據(jù)主要是作業(yè)任務(wù)控制指令、機(jī)器人傳感數(shù)據(jù)、環(huán)境采集數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息。

虛擬空間是物理空間的虛擬對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)作業(yè)場(chǎng)景、真實(shí)機(jī)器人的映射。虛擬空間由孿生模型和孿生數(shù)據(jù)組成。孿生模型是將機(jī)器人和作業(yè)場(chǎng)景的物理參數(shù)以數(shù)字化形式建立模型，物理參數(shù)包括位置、幾何尺寸、顏色、材質(zhì)、從屬關(guān)系、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征等。孿生數(shù)據(jù)是從物理空間采集、傳輸和處理得到數(shù)據(jù)，用于驅(qū)動(dòng)孿生模型。

服務(wù)系統(tǒng)建立在物理空間、虛擬空間的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)交互層連接，對(duì)應(yīng)具體模型功能的應(yīng)用，包括作業(yè)任務(wù)仿真、運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)、作業(yè)過(guò)程回放以及全方位可視化監(jiān)控。

1.2 配網(wǎng)電力機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

本文研究的電力機(jī)器人作業(yè)控制系統(tǒng)可應(yīng)用于配網(wǎng)帶電作業(yè)，機(jī)器人由機(jī)械臂、控制系統(tǒng)、末端工具、傳感器等組成。

機(jī)械臂與末端工具相互配合完成剝線、穿線、接線、抓線等作業(yè)。配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人采用雙機(jī)械臂，左右分布安裝在機(jī)器人底座上。根據(jù)機(jī)械臂與引流線距離不同，每個(gè)機(jī)械臂的作業(yè)任務(wù)不同。靠近引流線的機(jī)械臂用于抓取引流線，將引流線調(diào)整到穿線作業(yè)最佳位姿，另一個(gè)機(jī)械臂則是用于控制末端工具完成剝線、穿線、接線等作業(yè)。本文所采用的機(jī)械臂是UR10機(jī)械臂，由6各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成六自由度機(jī)械臂，由基座、肩部、肘部、手腕1、手腕2、手腕3等組成。其中基座、肩部和肘部決定機(jī)械臂的作業(yè)位置，手腕1、手腕2和手腕3決定了機(jī)械臂末端的位姿。

控制系統(tǒng)指揮配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的各個(gè)部件按照指令功能要求協(xié)調(diào)工作，是配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的神經(jīng)中樞和指揮中心，由存儲(chǔ)器、程序計(jì)數(shù)器、操作驅(qū)動(dòng)器組成。存儲(chǔ)器主要存放控制機(jī)器人各部件工作程序指令和機(jī)器人作業(yè)過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)。程序計(jì)數(shù)器指明作業(yè)程序中下一次要執(zhí)行的指令地址，記錄當(dāng)前執(zhí)行指令地址以及指令計(jì)數(shù)功能。操作驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行存儲(chǔ)器的作業(yè)程序，用來(lái)產(chǎn)生各種操作驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)以及傳感部件工作。

末端工具連接機(jī)械臂末端執(zhí)行器，用于協(xié)調(diào)機(jī)械臂完成配網(wǎng)帶電作業(yè)相關(guān)任務(wù)。末端工具包括剝線工具、接線工具及夾爪等。剝線工具作用是切除行線的絕緣皮，便于引線和行線連接導(dǎo)電。接線工具利用線夾將引線與行線連接固定。夾爪作用抓取引線，將引線調(diào)整到適合穿線作業(yè)姿態(tài)。

傳感系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)器人自身運(yùn)行狀態(tài)以及檢測(cè)作業(yè)對(duì)象、環(huán)境與機(jī)器人的關(guān)系。傳感系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成。內(nèi)部傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度、力矩、溫度等本身狀態(tài)和檢測(cè)其他傳感器工作狀態(tài)。外部傳感器用于采集環(huán)境信息，檢測(cè)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人所處環(huán)境是什么物體，物體的位姿及抓取的物體是否滑落狀況。外部傳感器主要是激光雷達(dá)傳感器，激光雷達(dá)傳感器選用2D LiDAR SICK TIM561。2D激光雷達(dá)傳感器和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組合完成3D作業(yè)環(huán)境信息采集。

2 數(shù)字孿生模型建立

數(shù)字孿生模型對(duì)物理空間的機(jī)器人和環(huán)境的結(jié)構(gòu)、屬性、功能等進(jìn)行數(shù)字化可視化表達(dá)。孿生模型由機(jī)器人模型和環(huán)境模型組成。在保證孿生建模精度下，為減少數(shù)字孿生模型建模難度，分別采用不同方法對(duì)機(jī)器人模型和環(huán)境模型進(jìn)行單獨(dú)的模型創(chuàng)建。

2.1 機(jī)器人模型

機(jī)器人由固定部件（如機(jī)器人底座）和運(yùn)動(dòng)部件（如機(jī)械臂）組成。其運(yùn)動(dòng)部件分為連桿和關(guān)節(jié)兩部分。用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接兩個(gè)連桿。關(guān)節(jié)坐標(biāo)系可以由父坐標(biāo)系進(jìn)行變換，子坐標(biāo)系也可以由關(guān)節(jié)坐標(biāo)系進(jìn)行變換。關(guān)鍵是要使所有的關(guān)節(jié)都有一個(gè)正確的空間關(guān)系。URDF（Unified Robot Description Format，統(tǒng)一機(jī)器人描述格式）是一種機(jī)器人描述格式XML規(guī)范來(lái)描述機(jī)器人。URDF文件用于記錄虛擬機(jī)器人的全部信息。為了提高建模精度和仿真效果，采用（CAD）計(jì)算機(jī)繪圖設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建機(jī)器人模型，然后將CAD模型轉(zhuǎn)換成URDF機(jī)器人描述模型。

2.2 基于激光雷達(dá)三維點(diǎn)云作業(yè)環(huán)境模型

配網(wǎng)作業(yè)場(chǎng)景三維重建在機(jī)器人帶電作業(yè)過(guò)程中是一項(xiàng)重要的任務(wù)，因?yàn)閾碛袦?zhǔn)確的環(huán)境表征是與環(huán)境安全交互的必要條件。通過(guò)三維重建技術(shù)對(duì)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境虛擬建模，提高作業(yè)仿真精度，減少機(jī)器人作業(yè)安全事故的發(fā)生。本文主要針對(duì)與配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人關(guān)聯(lián)的環(huán)境建立三維點(diǎn)云環(huán)境模型。

將激光雷達(dá)2D采集平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)3D環(huán)境采集。利用PCL庫(kù)將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、分割、參數(shù)屬性提取、對(duì)象重建，最終得到三維作業(yè)環(huán)境模型。三維環(huán)境建模方法步驟如下。

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。激光雷達(dá)掃描頻率較高，采集空間大，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度大。對(duì)原始數(shù)據(jù)體積濾波和噪聲處理，減少數(shù)據(jù)量提高點(diǎn)云處理效率。對(duì)于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪，主要采用拉普拉斯算法。Wetzler等[12]將拉普拉斯算子運(yùn)用到濾波過(guò)程中，其基本公式為

2）點(diǎn)云分割處理。采用聚類(lèi)優(yōu)化算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)域分割, 將點(diǎn)云劃分為包含原始對(duì)象特征信息的各個(gè)聚類(lèi)區(qū)域。配網(wǎng)帶電作業(yè)環(huán)境形狀組合由圓柱面和平面組成。利用不同區(qū)域曲面或平面屬性將點(diǎn)云劃歸到相同的點(diǎn)云子集中。

3）參數(shù)屬性提取。為了簡(jiǎn)化建模難度，我們提取行線、橫擔(dān)、桿塔的幾何特征。對(duì)行線、橫擔(dān)、桿塔區(qū)域點(diǎn)云進(jìn)行切片處理，得到平面質(zhì)心、行線半徑、橫擔(dān)和桿塔長(zhǎng)寬。采用最小二乘法進(jìn)行直線擬合得到行線、橫擔(dān)、桿塔等軸線。對(duì)行線、橫擔(dān)、桿塔區(qū)域點(diǎn)云之間相互坐標(biāo)進(jìn)行提取。

4）作業(yè)環(huán)境對(duì)象重建。根據(jù)行線、橫擔(dān)、桿塔的幾何屬性，利用OpenGL庫(kù)對(duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行三維建模。將模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)中常用的stl文件保存。利用激光雷達(dá)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位，得到機(jī)器人在世界坐標(biāo)系位姿。環(huán)境模型和機(jī)器人模型發(fā)布到虛擬空間進(jìn)行可視化。

3 作業(yè)控制系統(tǒng)仿真與3D可視化監(jiān)控

配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)控制系統(tǒng)仿真與3D可視化監(jiān)控技術(shù)，有利于保證機(jī)器人作業(yè)可靠與安全。

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與路徑規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)任務(wù)仿真，需要對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和軌跡規(guī)劃。利用D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法，得到連桿i的位姿矩陣在連桿i－1關(guān)系矩陣i－1i T。

本文采用的是UR10 機(jī)械臂，其關(guān)節(jié)坐標(biāo)系分布如圖5所示。

路徑規(guī)劃是機(jī)械臂控制末端工具到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的重要環(huán)節(jié)。機(jī)械臂具有高自由度、非線性的特點(diǎn)，不能直接使用傳統(tǒng)的平面路徑規(guī)劃算法。本文采用快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)算法完成機(jī)械臂多維空間路徑規(guī)劃。首先，以當(dāng)前機(jī)械臂位置為樹(shù)根節(jié)點(diǎn)。然后子節(jié)點(diǎn)通過(guò)隨機(jī)采樣不斷進(jìn)行擴(kuò)展，從而在搜索空間形成隨機(jī)擴(kuò)展樹(shù)。當(dāng)父節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)樹(shù)中找到目標(biāo)點(diǎn)后，則完成路徑搜索任務(wù)。

隨機(jī)采樣點(diǎn)xrand，在擴(kuò)展樹(shù)中距離隨機(jī)采樣點(diǎn)最近的點(diǎn)xnear，從最近的點(diǎn)xnear到采樣點(diǎn)xrand方向以固定長(zhǎng)度l生成的新子節(jié)點(diǎn)xnew公式為

式中，‖ ‖為兩點(diǎn)間距離。

3.2 基于層次包圍盒碰撞檢測(cè)技術(shù)

碰撞檢測(cè)是驗(yàn)證配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)仿真安全性和正確性的重要功能。本文通過(guò)建立層次包圍盒模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，在虛擬空間對(duì)機(jī)器人作業(yè)仿真過(guò)程進(jìn)行碰撞檢測(cè)驗(yàn)證，確保配網(wǎng)帶電作業(yè)安全可靠。

本文利用AABB包圍盒和OBB包圍盒建立配網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人的層次包圍盒模型。SAO 混合包圍盒結(jié)構(gòu)樹(shù)中的Sphere 包圍球用于排除相距較遠(yuǎn)不可能發(fā)生碰撞的物體；AABB 層為粗略檢測(cè)階段，用來(lái)處理逐漸靠近的物體雖然與包圍盒相交但實(shí)際物體還未發(fā)生碰撞的情況；OBB 層為精確檢測(cè)階段，用來(lái)處理與包圍盒相交、實(shí)際物體也發(fā)生碰撞的情況。

3.3 作業(yè)控制系統(tǒng)仿真

根據(jù)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人在復(fù)雜多變環(huán)境中開(kāi)展多任務(wù)作業(yè)需求，為提高作業(yè)安全性和效率，作業(yè)任務(wù)仿真又可細(xì)分為作業(yè)前仿真、作業(yè)過(guò)程中仿真和作業(yè)后的全流程復(fù)盤(pán)。

1）作業(yè)前仿真。作業(yè)前仿真主要是驗(yàn)證相關(guān)算法功能的正確性，以及通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)文件開(kāi)展全流程作業(yè)仿真，排除不確定性因素的干擾，快速建立與完善當(dāng)前作業(yè)環(huán)境的作業(yè)文件。首先獲取仿真作業(yè)環(huán)境對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立環(huán)境模型。建立和調(diào)試作業(yè)文件過(guò)程中，需加載線路環(huán)境仿真模型、機(jī)器人模型和通用作業(yè)文件進(jìn)行全數(shù)字化仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，確定最佳流程。最后將最佳流程應(yīng)用于實(shí)際機(jī)器人進(jìn)行驗(yàn)證。

2）作業(yè)中仿真。作業(yè)中仿真為確保機(jī)器人在執(zhí)行作業(yè)過(guò)程中避免由于實(shí)時(shí)場(chǎng)景與模型的差異性帶來(lái)誤碰的情況，確保機(jī)器人作業(yè)的安全性。因此，作業(yè)中仿真是基于實(shí)際作業(yè)環(huán)境的數(shù)字模型，將關(guān)鍵步序執(zhí)行器替換為對(duì)應(yīng)的仿真組件，仿真組件將執(zhí)行結(jié)果或問(wèn)題反饋給作業(yè)任務(wù)管控模塊，只有在仿真無(wú)問(wèn)題后才能切換到實(shí)際執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。通過(guò)關(guān)鍵步的虛實(shí)結(jié)合仿真，提高了機(jī)器人對(duì)作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，確保了機(jī)器人作業(yè)的安全可靠。

3）作業(yè)后的全流程復(fù)盤(pán)。在完成作業(yè)后，利用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境模型、機(jī)器人作業(yè)數(shù)據(jù)，在仿真環(huán)境中進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，其中執(zhí)行器狀態(tài)和動(dòng)作根據(jù)實(shí)際作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)問(wèn)題快速定位。此外，在獲取現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)后，機(jī)器人可在仿真環(huán)境中基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知、規(guī)劃和控制知識(shí)的迭代學(xué)習(xí)，以及對(duì)作業(yè)流程的持續(xù)完善，并通過(guò)項(xiàng)目研究的云端協(xié)同管控技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人知識(shí)共享，進(jìn)而不斷提高機(jī)器人的智能化水平。

3.4 可視化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可視化監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程進(jìn)行三維映射監(jiān)控和異常監(jiān)控，對(duì)真實(shí)作業(yè)場(chǎng)景實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以可視化模型復(fù)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程。可視化監(jiān)控系統(tǒng)由狀態(tài)監(jiān)控和感知監(jiān)控組成。

狀態(tài)監(jiān)控是配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人和作業(yè)環(huán)境三維可視化監(jiān)控及機(jī)器人狀態(tài)異常監(jiān)控。首先對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)狀態(tài)信息、末端工具位姿和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)、傳感系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)等物理空間的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)物理空間狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，機(jī)械臂關(guān)節(jié)狀態(tài)信息、末端工具位姿和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)、傳感系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)以ROS標(biāo)準(zhǔn)話題形式發(fā)布到RViz可視化平臺(tái)[13]，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控。同時(shí)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行常態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)是否超過(guò)正常數(shù)值或者機(jī)器人部件是否發(fā)生干涉碰撞。

感知監(jiān)控是對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。傳感系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)以可視化標(biāo)準(zhǔn)話題結(jié)構(gòu)發(fā)布到rviz平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)傳感采集數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 作業(yè)仿真功能實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)仿真功能，構(gòu)建了剝線作業(yè)任務(wù)進(jìn)行仿真測(cè)試。配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人剝線作業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)如圖6所示。利用激光雷達(dá)傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行點(diǎn)云采集，完成環(huán)境建模。通過(guò)對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和路徑規(guī)劃，完成機(jī)械臂取放工具和到達(dá)剝線點(diǎn)的剝線作業(yè)仿真。

圖6 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人剝線作業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)

4.2 配網(wǎng)帶電作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證基于數(shù)字孿生技術(shù)的配網(wǎng)帶電作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，搭建了簡(jiǎn)易配網(wǎng)線路的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行剝線作業(yè)三維可視化監(jiān)控實(shí)驗(yàn)，如圖7、圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可視化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控。環(huán)境模型和機(jī)器人模型進(jìn)行可視化顯示，根據(jù)真實(shí)機(jī)器人與環(huán)境中定位信息，建立環(huán)境模型和機(jī)器人模型位姿關(guān)系。利用作業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人模型，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過(guò)程三維可視化監(jiān)控。機(jī)械臂關(guān)節(jié)位置傳感數(shù)據(jù)和末端工具狀態(tài)數(shù)據(jù)以列表形式顯示，激光雷達(dá)感知數(shù)據(jù)以點(diǎn)云形式進(jìn)行可視化顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可視化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控。

圖7 剝線作業(yè)三維可視化監(jiān)控實(shí)驗(yàn)

圖8 移動(dòng)終端中對(duì)機(jī)器人感知可視化監(jiān)控界面

4.3 碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證碰撞檢測(cè)功能，我們測(cè)試機(jī)器人與環(huán)境和機(jī)器人自身發(fā)生碰撞，碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于數(shù)字孿生技術(shù)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與環(huán)境和機(jī)器人自身碰撞檢測(cè)功能。

圖9 碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)電力機(jī)器人作業(yè)控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于配網(wǎng)帶電作業(yè)。搭建配網(wǎng)了帶電作業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)帶電作業(yè)虛擬空間和物理空間互聯(lián)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)三維可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控、剝線作業(yè)任務(wù)仿真和碰撞檢測(cè)功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有效提高了開(kāi)發(fā)人員研發(fā)效率以及作業(yè)安全性。

我們未來(lái)工作包括：1）進(jìn)一步完善環(huán)境建模、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型及碰撞檢測(cè)模型，使得虛擬空間與真實(shí)作業(yè)更為真實(shí)；2）利用深度學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，使得監(jiān)控與預(yù)測(cè)更為智能；3）結(jié)合5G通信與云服務(wù)技術(shù)，降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延性和數(shù)據(jù)共享便攜性。