本發(fā)明屬于電力技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶攝像頭的機械臂的絕緣防護系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

采用機器人自主完成帶電作業(yè)，不僅可以將工作人員從危險的、繁重的、精神緊張的工作中解放出來，有效避免帶電作業(yè)時人員傷亡事故的發(fā)生，使帶電作業(yè)更加安全，提高作業(yè)效率；同時還可以提高電網(wǎng)的運行質(zhì)量，進一步減少供電系統(tǒng)的人員投入，降低人員成本，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

絕緣防護措施是帶電作業(yè)機器人能否完成帶電作業(yè)工作的關(guān)鍵。如果沒有完備可靠的絕緣安全防護措施，不但會給機器人和操作人員帶來危害，還可能造成電網(wǎng)短路故障，后果不堪設(shè)想。自主完成帶電作業(yè)的機器人，它的機械臂末端可能會安裝攝像頭，而國內(nèi)現(xiàn)有的絕緣防護措施一般針對帶電作業(yè)人員或者非自主式的帶電作業(yè)機器人，還沒有帶攝像頭的機械臂的絕緣防護方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種帶攝像頭的機械臂的絕緣防護系統(tǒng)，針對帶電作業(yè)機械臂的絕緣防護，設(shè)計一種機械臂專用絕緣護套，起到機械臂本體遮蔽或隔離的保護作用，防止發(fā)生相間短路；針對攝像頭的絕緣防護，設(shè)計一種攝像頭專用絕緣護套，保證攝像頭在隨機械臂一起運動的過程中不受高壓電場的影響，從而保障機器人在自主帶電作業(yè)時的安全性能，提高帶電作業(yè)的作業(yè)效率和自動化水平。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種帶攝像頭的機械臂的絕緣防護系統(tǒng)，機械臂為帶電作業(yè)機器人的機械臂，帶電作業(yè)機器人包括絕緣斗臂車、控制室、伸縮臂、機器人平臺；其中，絕緣斗臂車上架設(shè)控制室和伸縮臂，伸縮臂末端連接機器人平臺，機器人平臺與控制室之間采用光纖以太網(wǎng)通信或者無線網(wǎng)絡(luò)通信；控制室中設(shè)置有第二工控機、顯示屏、主操作手；機器人平臺上設(shè)置機械臂、攝像頭安以及第一工控機；所述機械臂為六自由度機構(gòu)，包括基座，旋轉(zhuǎn)軸方向與基座平面垂直的腰關(guān)節(jié)，與腰關(guān)節(jié)連接的肩關(guān)節(jié)，與肩關(guān)節(jié)連接的大臂，與大臂連接的肘關(guān)節(jié)，與肘關(guān)節(jié)連接的小臂，與小臂連接的腕關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)由三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，分別為腕俯仰關(guān)節(jié)、腕搖擺關(guān)節(jié)和腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；所述六自由度機構(gòu)中各個關(guān)節(jié)均具有相應的正交旋轉(zhuǎn)編碼器和伺服驅(qū)動電機，正交旋轉(zhuǎn)編碼器用于采集各個關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)，伺服驅(qū)動電機用于控制各關(guān)節(jié)的運動；機械臂的肩關(guān)節(jié)、大臂和小臂均用硅橡膠材質(zhì)的卡扣式絕緣護套包裹；腕關(guān)節(jié)外套可伸縮的波紋狀絕緣套管；所述攝像頭外罩絕緣護套，絕緣護套包括左側(cè)護套和右側(cè)護套；左側(cè)護套和右側(cè)護套是的尺寸略大于攝像頭，分別包住攝像頭的左半邊和右半邊，鏡頭外露；左側(cè)護套和右側(cè)護套設(shè)置有相互配合的卡扣；左側(cè)護套和右側(cè)護套的后方開設(shè)有攝像頭信號線過線孔；攝像頭信號線用絕緣軟管包裹。

進一步，所述第二工控機內(nèi)置圖像處理器和帶電作業(yè)動作序列庫，所述帶電作業(yè)動作序列庫中預先存儲有各項帶電作業(yè)對應的動作序列數(shù)據(jù)；所述攝像機采集的作業(yè)場景圖像發(fā)送給第二工控機，圖像處理器對作業(yè)場景圖像進行處理后獲的機械臂與作業(yè)對象之間的相對位置關(guān)系，第二工控機所述相對位置關(guān)系以及具體帶電作業(yè)所對應的動作序列規(guī)劃機械臂的空間路徑，并將所述機械臂的空間路徑數(shù)據(jù)發(fā)送給第一工控機；第一工控機根據(jù)所述機械臂的空間路徑控制機械臂動作。

進一步，所述機械臂包括第一機械臂和第二機械臂，所述攝像機包括雙目攝像頭，所述第一機械臂和第二機械臂上均搭載有雙目攝像頭，所述第一機械臂和第二機械臂使用作業(yè)工具相互配合完成帶電作業(yè)。

進一步，所述機械臂包括第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂，所述攝像機包括雙目攝像頭，所述第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂上均搭載有雙目攝像頭，所述第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂配合完成帶電作業(yè)，其中，輔助機械臂用于夾持作業(yè)對象，第一機械臂和第二機械臂使用作業(yè)工具進行作業(yè)操作。

進一步，所述主操作手與機械臂為主從操作關(guān)系，通過改變主操作手的姿態(tài)控制機械臂運動；所述攝像機采集的作業(yè)場景圖像發(fā)送給第二工控機，圖像處理器對作業(yè)場景圖像進行處理后獲的3d虛擬作業(yè)場景，并送顯示器顯示。

進一步，所述機械臂包括第一機械臂和第二機械臂，所述攝像機包括雙目攝像頭和深度攝像頭，所述第一機械臂和第二機械臂上均搭載有雙目攝像頭；所述主操作手包括第一主操作手和第二主操作手，第一主操作手和第二主操作手分別用于控制第一機械臂和第二機械臂。

進一步，所述機械臂包括第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂，所述攝像機包括雙目攝像頭和深度攝像頭，所述第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂上均搭載有雙目攝像頭，所述主操作手包括第一主操作手、第二主操作手、輔助主操作手；第一主操作手、第二主操作手以及輔助主操作手分別用于控制第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂。

進一步，所述攝像機還包括全景攝像頭。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：

(1)針對驅(qū)動控制一體化的關(guān)節(jié)式機械臂設(shè)計了專用絕緣護套安裝、拆卸簡單方便，不影響機械臂的活動空間，硅橡膠材質(zhì)的護套的絕緣性能、機械性能均符合gb12168帶電作業(yè)用遮蔽罩技術(shù)要求和試驗要求。

(2)攝像頭專用絕緣護套不僅適用于雙目攝像頭，同樣也適用于單目攝像頭，安裝拆卸簡單方便，同時保證了攝像頭的正常工作。

(3)保障機器人在自主帶電作業(yè)時的安全性能，提高帶電作業(yè)的作業(yè)效率和自動化水平。

附圖說明

圖1為本發(fā)明帶電作業(yè)機器人一種實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中絕緣斗臂車的系統(tǒng)組成框圖；

圖3為本發(fā)明中機器人平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是波紋狀絕緣套管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明攝像頭專用絕緣護套的左側(cè)護套和右側(cè)護套的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是左側(cè)護套和右側(cè)護套的后方示意圖。

具體實施方式

容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)明帶攝像頭的機械臂的絕緣防護系統(tǒng)的多種實施方式。因此，以下具體實施方式和附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應當視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。

結(jié)合附圖，帶電作業(yè)機器人包括絕緣斗臂車1、控制室2、伸縮臂3、機器人平臺4。其中，絕緣斗臂車1上架設(shè)控制室2和伸縮臂3，伸縮臂3末端連接機器人平臺4，機器人平臺4與控制室2之間采用光纖以太網(wǎng)通信或者無線網(wǎng)絡(luò)通信。

絕緣斗臂車1可供操作人員駕駛，從而將機器人平臺4運輸?shù)阶鳂I(yè)現(xiàn)場。絕緣斗臂車1上裝有支撐腿，支撐腿可以展開，從而將絕緣斗臂車1與地面穩(wěn)固支撐。絕緣斗臂車1上裝有發(fā)電機，從而給控制室2及伸縮臂3供電。

伸縮臂3設(shè)有沿伸縮方向的驅(qū)動裝置，操作人員可以通過控制驅(qū)動裝置，從而將機器人平臺4升降到作業(yè)高度。該伸縮臂3由絕緣材料制成，用于實現(xiàn)機器人平臺4與控制室2的絕緣。在本發(fā)明中，伸縮臂3可有由剪叉式升降機構(gòu)或其他機構(gòu)代替。

作為一種實施方式，控制室2中設(shè)置有第二工控機、顯示屏、第一主操作手、第二主操作手、輔助主操作手以及通信模塊等。

作為一種實施方式，機器人平臺4包括絕緣子46、第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、第一工控機48、雙目攝像頭45、全景攝像頭41、深度攝像頭410、蓄電池49、專用工具箱47、通信模塊。

機器人平臺4的絕緣子46用于支撐第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42，將這三個機械臂的外殼與機器人平臺4絕緣。

蓄電池49為第一工控機48、第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、全景攝像頭41、雙目攝像頭45、深度攝像頭410、通信模塊供電。

作為一種實施方式，雙目攝像頭45一共有三個，分別安裝在第一機械臂43、第二機械臂44和輔助機械臂42的腕關(guān)節(jié)437上，負責采集作業(yè)場景的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機。雙目攝像頭45由兩個光軸平行的工業(yè)相機組成，平行光軸之間的距離固定。

深度攝像頭410安裝在機器人平臺4正對作業(yè)場景的側(cè)面，負責采集作業(yè)場景的景深數(shù)據(jù)，將景深數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機。

全景攝像頭41通過支架安裝在機器人平臺4的上方，負責采集作業(yè)場景的全景圖像數(shù)據(jù)，將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機，并顯示在顯示器上，作業(yè)人員可以通過全景圖像監(jiān)控作業(yè)場景。

專用工具箱47是放置抓具、扳手等作業(yè)工具的場所。機械臂末端安裝有工具快換裝置。機械臂根據(jù)作業(yè)任務的類型到專用工具箱47中使用工具快換裝置獲取作業(yè)工具。

控制室2中第一主操作手、第二主操作手以及輔助主操作手是一種用于人工遠程操作機械臂的操作裝置，他們與第一機械臂43、第二機械臂44和輔助機械臂42構(gòu)成主從操作關(guān)系。機械臂和主操作手具有相同的結(jié)構(gòu)，只是主操作手尺寸規(guī)格比機械臂小，以便于操作人員操作。機械臂和主操作手擁有六個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都有光電編碼器采集角度數(shù)據(jù)，各主操作手的微型控制器通過串口將六個關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機。

作為本發(fā)明一個實施例，所述機械臂為六自由度機構(gòu)，包括基座431，旋轉(zhuǎn)軸方向與基座平面垂直的腰關(guān)節(jié)432，與腰關(guān)節(jié)432連接的肩關(guān)節(jié)433，與肩關(guān)節(jié)433連接的大臂434，與大臂434連接的肘關(guān)節(jié)435，與肘關(guān)節(jié)435連接的小臂436，與小臂436連接的腕關(guān)節(jié)437，腕關(guān)節(jié)437由三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，分別為腕俯仰關(guān)節(jié)、腕搖擺關(guān)節(jié)和腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；所述六自由度機構(gòu)中各個關(guān)節(jié)均具有相應的正交旋轉(zhuǎn)編碼器31和伺服驅(qū)動電機，正交旋轉(zhuǎn)編碼器31用于采集各個關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)，伺服驅(qū)動電機用于控制各關(guān)節(jié)的運動；第一工控機根據(jù)所述機械臂的空間路徑解算出各關(guān)節(jié)的運動角度，控制伺服驅(qū)動電機按照所述運動角度控制機械臂各關(guān)節(jié)運動。

作為一種實施方式，機器人平臺4與控制室2之間的數(shù)據(jù)傳輸通過光纖有線傳輸，或者使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。機器人平臺4上的通信模塊是光纖收發(fā)器，光纖收發(fā)器用于實現(xiàn)光纖中的光信號與雙絞線中的電信號的相互轉(zhuǎn)換，從而在通信上實現(xiàn)機器人平臺4與控制室2的電氣隔離。控制室2中的通信模塊是光纖收發(fā)器，光纖收發(fā)器用于實現(xiàn)光纖中的光信號與雙絞線中的電信號的相互轉(zhuǎn)換，從而在通信上實現(xiàn)機器人平臺4與控制室2的電氣隔離。

作為一種實施方式，第二工控機可以完成以下任務：

建立動作序列庫。預先將各項帶電作業(yè)任務分解為作用序列，組成動作序列庫，存儲在第二工控機中，用于機械臂路徑規(guī)劃。

建立作業(yè)對象模型庫。預先制作各項帶電作業(yè)任務所涉及的作業(yè)對象的三維模型和目標識別模型，例如，根據(jù)電力塔桿、電線、耐張絕緣子、隔離刀閘、避雷器等器件實物，制作三維模型和目標識別模型，用于帶電作業(yè)機器人自動識別作業(yè)對象，構(gòu)建作業(yè)場景三維虛擬場景。

建立機械臂和專用工具模型庫。預先制作機械臂和專用工具的三維模型和目標識別模型，例如，扳手等，用于帶電作業(yè)機器人自動構(gòu)建作業(yè)場景三維虛擬場景，規(guī)劃機械臂空間路徑。

獲取圖像數(shù)據(jù)。獲取全景圖像、深度圖像和雙目圖像的數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)圖像數(shù)據(jù)識別和跟蹤作業(yè)目標。

獲取主操作手的角度、角速度和角加速度數(shù)據(jù)，獲取機械臂的角度、角速度和角加速度數(shù)據(jù)。

對相關(guān)圖像數(shù)據(jù)進行處理和計算，獲取機械臂位置，獲取作業(yè)對象的位置，獲取機械臂與作業(yè)對象之間的相對位置，并根據(jù)相對位置和作業(yè)任務規(guī)劃機械臂的空間路徑。

根據(jù)圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建作業(yè)對象三維場景，根據(jù)機械臂角度信息和作業(yè)對象三維場景獲得機械臂與作業(yè)對象的相對位置，并根據(jù)相對位置和作業(yè)任務規(guī)劃機械臂的空間路徑。

對相關(guān)圖像數(shù)據(jù)進行處理和計算，構(gòu)建3d虛擬作業(yè)場景，送顯示器顯示，操作人員根據(jù)3d虛擬作業(yè)場景監(jiān)控作業(yè)過程。與全景圖像相比，3d虛擬作業(yè)場景綜合和深度圖像信息和雙目圖像信息，對機器臂與作業(yè)對象之間、機械臂之間、作業(yè)對象與作業(yè)環(huán)境之間的相對位置的判斷更精確，且不會存在視覺死角。因此，操作人員通過3d虛擬作業(yè)場景進行作業(yè)監(jiān)控，操作精度更高，可以防止碰撞發(fā)生，提高了安全性。同時，3d虛擬作業(yè)場景顯示在控制室2中的顯示器上，遠離機械臂作業(yè)現(xiàn)場，提高了人作業(yè)人員的人身安全。

作為一種實施方式，第一工控機可以完成以下任務：

根據(jù)第二工控機發(fā)送的主操作手各關(guān)節(jié)的角度信息，控制機械臂各關(guān)節(jié)的運動。

獲取第二工控機發(fā)送的機械臂的空間路徑數(shù)據(jù)，根據(jù)作業(yè)任務的動作序列，解算出機械臂各關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)運動量，并控制機械臂各關(guān)節(jié)運動。

本發(fā)明中，第一機械臂和第二機械臂相互配合，可以模仿人的兩個手的作業(yè)順序完成帶電作業(yè)?？紤]到靈活性，可以再增加一個強壯的輔助機械臂，此時，輔助機械臂專司器件夾持等力道大的動作，第一機械臂和第二機械臂則進行相關(guān)業(yè)務操作。

根據(jù)第二工控機和第一工控機完成的不同任務的組合，本發(fā)明帶電作業(yè)機器人既可以由作業(yè)人員進行遠程搖操作以完成帶電作業(yè)，又可以進行自主帶電作業(yè)。在進行帶電作業(yè)之前，作業(yè)人員先通過觀察全景圖像，將機器人平臺4移動至作業(yè)對象附近。

如果選擇人工遠程搖操作，則由第二工控機根據(jù)數(shù)目圖像和深度圖像構(gòu)建3d虛擬作業(yè)場景并送顯示器顯示，作業(yè)人員通過3d虛擬作業(yè)場景監(jiān)控操作過程，通過主操作手控制機械臂的動作，以完成帶電作業(yè)。在此過程中，作業(yè)人員改變主操作手姿態(tài)后，主操作手中各關(guān)節(jié)的光電編碼器采集各關(guān)節(jié)角度，各主操作手的微型控制器通過串口將各關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給第二工控機。第二工控機將主操作手各關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)作為機械臂各關(guān)節(jié)角度的期望值發(fā)送給第一工控機，第一工控機根據(jù)角度期望值通過伺服電機控制機械臂各關(guān)節(jié)的運動，已完成帶電作業(yè)。

如果選擇自主作業(yè)，則由第二工控機根據(jù)數(shù)目圖像和深度圖像計算獲取作業(yè)對象和機械臂之間的相對位置關(guān)系，然后依據(jù)作業(yè)任務所對應的動作序列進行機械臂空間路徑規(guī)劃，并將空間路徑發(fā)送給第一工控機，第一工控機解算出機械臂各關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動的角度數(shù)據(jù)作為機械臂各關(guān)節(jié)角度的期望值，通過伺服電機控制機械臂各關(guān)節(jié)的運動，已完成帶電作業(yè)。

絕緣防護系統(tǒng)包括械臂專用絕緣護套和攝像頭專用絕緣護套。

機械臂專用絕緣護套，包括肩關(guān)節(jié)433、大臂434和小臂436部分的絕緣以及腕關(guān)節(jié)437的特殊絕緣處理。肩關(guān)節(jié)433、大臂434和小臂436都是形狀規(guī)則的圓柱體，所以可以根據(jù)尺寸建模，定制硅橡膠材質(zhì)的卡扣式絕緣護套包裹在外圍。腕關(guān)節(jié)437結(jié)構(gòu)緊湊復雜、活動范圍大，若采用卡扣式絕緣護套會束縛它的活動范圍。因此在腕關(guān)節(jié)437處采用如圖5所示的可伸縮的波紋狀絕緣套管21，這樣腕關(guān)節(jié)437可以靈活運動不受限制。

所述攝像頭專用絕緣護套，包括左側(cè)護套23、右側(cè)護套24和信號線的絕緣。左側(cè)護套23和右側(cè)護套24是根據(jù)攝像頭尺寸設(shè)計的，略大于攝像頭，分別包住攝像頭的左半邊和右半邊，鏡頭露在外面正常工作。包裹時，上方的卡扣一231與卡扣二241緊扣，下方的卡扣三232與卡扣四242緊扣，從而左側(cè)護套與右側(cè)護套包裹住整個攝像頭。如圖4所示，左側(cè)護套23和右側(cè)護套24的后方均有一個圓形狀的地方被掏空去除，這是為了方便連接攝像頭的信號線。另外，為了對信號線進行好的保護和絕緣，采用絕緣軟管包裹。