基于任务流的带电作业机器人智能控制系统

鲁守银，刘珍娜，刘金存

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

（山东建筑大学 信息与电气工程学院，济南 250101）

0 引言

高压带电作业机器人是一种特种作业机器人，它能够代替人工从事带电作业，将工作人员从危险、繁重和精神紧张的工作中解放出来，同时可以带来巨大的经济效益和社会效益[1]。

目前国外的高压带电作业机器人大都采用遥操作方式，即操作人员在移动车体的操作室内，利用遥操作设备实现远端机器人系统的遥控。国内在带电作业机器人的研究上起步晚，在遥操作方式的应用研究上还处在初级阶段，还有很多问题需要解决。这种作业方式虽然能够将人从高空、高压的环境中彻底解脱出来，提高了操作人员在作业过程中的舒适性。然而操作人员在操作室内无法直接观看高空中机器人工作进行的情况而且所需完成的一些配电线路检修作业任务步骤繁多、流程复杂和增加了操作的难度。要想提高机器人系统的工作效率和准确度，需要对机器人系统人机交互的智能性提出更高要求。 因此采用任务流的方法对带电作业机器人任务流程进行合理的规划和设计是很有必要的[2]。

任务流的作用是将复杂的任务流程分解成若干层子任务域，每一层任务域包含有可独立运行或被控制的若干子任务。带电作业机器人在执行复杂作业任务的过程中，操作人员为直接的任务分派者，配电线路或柱上设备为系统中的作业对象，通过监控系统和机器人系统状态信息反馈可观察每一项子任务完成状态，确认无误后继续下一项子任务[3,4]。

因此将任务流的思想运用到机器人控制系统中，操作人员可通过人机接口在操作室内清楚的了解正在运行的作业任务完成状况，使得操作人员的任务分派和任务的完成状态最大程度地人性化和自动化，从而有效的提高了人机交互的智能性。

1 作业任务分析

传统的人工带电作业，为保证作业的有序开展，根据设备结构、使用工器具类型和习惯性安全操作方法都编制有规范的作业流程。同样利用机器人代替人工完成作业任务时，每项任务都有一系列的步骤子程序也称子任务程序，根据专家的经验定义好步骤名称，列出任务清单。操作者可以决定每一步骤如何执行，有些步骤控制系统在程序中事先定义好则可自动完成，对于系统不能自动识别的任务则需要操作者通过主手在监控系统和视觉系统的帮助下控制从手完成。根据专家经验列好的带电断、接线及更换跌落开关任务清单如图1所示。

图1 带电作业任务清单图

2 系统结构概述

本文所述的机器人系统由机器人本体、移动升降平台和绝缘防护系统组成，如图2所示。

1）机器人本体包括6自由度主从式机械臂、双目视觉定位模块、自适应末端执行器及智能化自动工具。机械臂主手放置在车载地面操作室内，两从手机械臂放置在作业平台上，主从手均具有相同的拓扑结构使从手对于主手的运动有很好的跟随性，另外机械臂采用液压驱动方式不仅持重大、自重小而且性能稳定可靠，保证了作业人员安全和任务的高效完成。双目视觉定位模块安装在从手机械臂末端，用于获取作业对象的目标位姿。机械臂末端执行器的手指关节设计两个被动自由度，可根据所夹持工具和零件的重量和尺寸自动调节手指的距离。智能化自动工具通过统一的机械连接和电气控制接口，建立与机械臂、末端执行器的连接可以快速更换，由遥控模块控制。

2）移动升降平台包括移动车体、升降机构和作业平台。升降机构安装在移动车体上，能够将作业平台推举相应作业位置。作业平台安装到升降机构上，可为机器人带电作业提供支撑平台，具有自调平功能。

3）绝缘防护系统：为了避免低压供电带来的绝缘和电位差的问题，在机械臂升降平台上配备了我们自行研制的额定绝缘等级10千伏的隔离变压器，以实现各个机械臂之间、机械臂与大地之间的绝缘隔离[5]。

图2 带电作业机器人系统结构图

3 智能控制系统设计

带电作业机器人在完成作业任务时，针对不同作业任务可选择不同的控制模式，同时作业工具控制和状态信息监控可保证作业人员在车载地面控制室内通过友好的人机交互系统完成作业任务。因此带电作业机器人智能控制系统可分为主从控制模式子系统、基于视觉伺服的跟踪控制模式子系统、作业工具控制子系统、带电作业状态信息监控子系统及其人机交互和安全策略。其中：

1）主从控制模式子系统：主手和从机械臂的每个关节都安装一个电位计，用来提供主手和从机械臂的位置信息。操作人员操作主手运动，主手控制器采集主手的位置信息并实时的将信息发送到从机械臂控制器，从机械臂通过对主手的位置跟踪来完成机械臂的运动。另外，机械臂在运动过程中检测到的位置信息也通过光纤通信反馈给主手控制器，其结构框图如图3所示。断线和接线作业任务通过主从控制就能实现。

图3 主从控制结构图

2）基于视觉伺服的跟踪控制子系统：机器人的视觉伺服是利用视觉传感器得到的图像作为反馈信息，构造机器人的位置闭环控制。带电作业机器人在完成需要精确装配的如更换跌落开关作业项目时，为解决视线被遮挡、升降系统的不稳定等不确定性因素造成操作困难及作业效率低的问题，研究了基于视觉伺服的跟踪控制系统[6,7]。操作人员首先启动主从控制模式控制机械臂运动，确保作业对象在双目摄像机的视觉范围内，然后将采集到的运动图像经过图像匹配和分析处理估计出作业对象的速度和位置信息，得到其预测位姿，利用被跟踪对象的位姿与机器人末端工具的位姿之差结合控制规则进行机器人下一步的运动轨迹规划，并将运动学逆解运算出的各关节运动角度信息发送到机器人液压伺服控制单元，从而使机器人对作业对象进行跟踪运动，引导机器人自主装配，具体的系统结构图如图4所示。

图4 基于视觉伺服的跟踪控制系统结构图

3）作业工具控制子系统：为完成作业任务机器人设计有高压带电自动剥皮器、电动扳手、断线钳、破螺母工具、并股线夹和导线遮蔽罩等多种智能化自动工具[8]。在作业任务开始前，首先将每种智能化自动工具的使用步骤列出清单，根据具体的作业任务确定所要选用的作业工具组合，建立好与末端执行器的连接并保证与遥控装置的正常通信，然后根据监控模块观察到的实际情况选择机器人控制模式，操作人员针对步骤清单，安全有效的操作不同作业工具。

敌手已落败，毫无还手之力，以秦铁崖的胸襟，不会杀他，也不屑杀他。奇怪的是，花五奇居然死了。只见他伏于地面一动不动，身下汩汩地流出鲜血。原来，他刚才撕下自己衣服前襟时，有一片破布料残留在胸前，旗子一样飘扬。兵器掉下，却未落地，而是勾在那片破布上，秦铁崖在他身后，没留意这个。花五奇脸朝下摔在地上，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，结果可想而知。

4）带电作业状态信息监控子系统研究：带电作业状态信息监控是保证作业过程安全有效完成的重要手段。作业状态信息包括作业过程的视频图像、机械臂末端夹持工具及作业对象的位置信息和各关节上安装的角度和压力等传感器信息反馈。在完成具体的作业任务中，每完成作业流程中的一个步骤，操作人员都可通过监控模块得到机器人及作业对象的状态信息，保证每一步骤的正确完成，提高作业人员的作业效率[9]。

5）人机交互与安全策略：高压带电作业机器人是工作在非结构危险环境下的特种机器人，因此安全策略是首先要思考到的问题，可能由于操作人员的操作不当造成机器人、作业线路或专用工具的损坏。为此研究设计了完善的人机交互与安全策略。

(1)机械限位：包括机械臂各关节的机械限位、移动升降平台的限位和主手活动空间的限位。

(2)电器保护：机器人作业的专用工具都进行了电磁兼容设计能够抗外部扰动和过压过流保护，合理的机械结构设计确保夹持牢靠，并配有防坠落安全装置，确保作业安全。

另外在操作人员进行遥操作的主控制界面上设有机器人系统的各部分急停按钮、液压机械臂各关节运动变量参数和末端执行器的位置信息显示窗口、作业现场的视频监控窗口。如果在工作过程中发现异常，可以及时停止动作，避免不必要的损伤保证作业安全。

4 带电作业操作流程

带电作业机器人需要完成的复杂作业任务流程交织在一起，不同的指令和反馈信息可能会影响随后的控制，再加上为安全考虑的保护措施，可谓庞大而繁琐[10]。为了提高机器人的执行效率，需要对机器人操作流程进行整理、归纳和制定一套准确可行的流程方案，带电作业操作流程如表1所示。

表1 带电作业操作流程

5 智能控制系统实现

图5 智能控制系统人机界面

控制系统的软件部分选用Visua1 Studio编程，在人机交互和安全策略的保证下，机器人系统各部分按带电作业操作流程有序运行，操作者在遥控作业车内在视频监控系统的视频指导下通过操作机器人的主手控制两从机械臂到达指定工作区域，保证被操作对象位于双目摄像机的视野中。在人机交互界面上选择需要执行的作业任务，根据系统弹出的信息提示窗口，操作人员调出适合的作业方案，按照此前设定好的作业步骤和监控模块提供的状态信息提示，远程遥控机械臂夹持智能化专用工具半自主的完成作业任务。带电作业机器人智能控制系统人机界面运行截图如图5所示。

6 结束语

本文通过对带电作业任务的分析，制定了主要作业任务的子任务清单，详细描述了机器人和作业控制系统各部分组成的功能结构特点，表达了任务流程之间的联系和先后关系，引入以人为本的设计方式，设计基于任务流的带电作业机器人智能控制系统，解决了遥操作无法直接观察作业情况且作业流程复杂导致机器人带电作业效率低的问题，并实现了具有友好界面的人机交互接口，使控制系统更加智能化。

[1] 李静轩.机器人带电作业自动化技术[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] 陈立志.基于任务流的测绘生产管理系统设计与开发[J].城市勘测,2009(1)∶24-27.

[4] 史孝忠.基于任务流的目标管理信息系统[D].华北电力大学,2008.

[5] 鲁守银,史向东,等.10KV配电带电作业机器人绝缘防护设计[J].2006,12(1)∶8-10.

[6] 戚辉.高压带电作业机器人及其跟踪装配控系统的研究[D].天津大学,2003.

[7] 唐润宏.基于图像的机器人视觉伺服控制研究[D].北京工业大学,2007.

[8] 赵玉良,李运厂,等.高压线路带电作业智能化自动工具研究[J].制造业自动化,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] 张玎飞,王田苗,等.基于任务流的中医按摩机器人任务流程研究与设计[J].机器人技术与应用,2012,(1)∶23-27.