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作者：

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所 李實(shí)

國(guó)網(wǎng)徐州供電公司 劉波

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所 韓剛，邱育東，張文生

摘要：我國(guó)電力系統(tǒng)配電網(wǎng)目前主要采用人工帶電作業(yè)方式進(jìn)行系統(tǒng)的搶修及日常維護(hù)。在介紹國(guó)內(nèi)外帶電作業(yè)機(jī)器人研發(fā)特色的基礎(chǔ)上，本文介紹了一種新型的帶電作業(yè)機(jī)器人：基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。通過(guò)配置雙目立體攝像機(jī)和激光雷達(dá)，獲取精準(zhǔn)環(huán)境目標(biāo)信息和距離數(shù)據(jù)，標(biāo)注在監(jiān)視器上，保障操作員方便迅速地通過(guò)遙操作方式，操作云臺(tái)上的機(jī)器臂完成帶電作業(yè)任務(wù)。實(shí)際環(huán)境測(cè)試取得理想效果，具有廣泛推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：遙操作；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；帶電作業(yè)機(jī)器人；電力配電網(wǎng)

1　前言

目前，我國(guó)10kV配電網(wǎng)需要頻繁帶電作業(yè)操作。當(dāng)前帶電作業(yè)要求操作人員攀爬10kV電線桿或借助絕緣斗臂車進(jìn)行作業(yè)，需要操作人員在高空、高壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)等極端危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行接線、解線等手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，精神高度緊張；不僅給帶電作業(yè)人員帶來(lái)人身危險(xiǎn)，而且完成作業(yè)效率低下。

機(jī)器人技術(shù)自上世紀(jì)六十年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)得到了巨大的進(jìn)步，得到了廣泛的應(yīng)用。操作機(jī)器人從第一代的示教/在線方式，到第二代環(huán)境感知模式，到目前的智能機(jī)器人，可以在更多領(lǐng)域替代人類完成各種危險(xiǎn)復(fù)雜任務(wù)。配電網(wǎng)帶電作業(yè)任務(wù)復(fù)雜，操作環(huán)境危險(xiǎn)復(fù)雜，是典型應(yīng)用機(jī)器人替代人類的操作環(huán)境。由于配電網(wǎng)帶電作業(yè)的特殊性，要想應(yīng)用機(jī)器人完成任務(wù)，需要對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)才能更好的滿足配電作業(yè)的特殊需求。

2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)際上從事帶電作業(yè)機(jī)器人的研究起步較早，日本作為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)國(guó)，在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始了相關(guān)技術(shù)的研究[1]。美國(guó)、法國(guó)、加拿大、烏克蘭、韓國(guó)等國(guó)家，也都進(jìn)行過(guò)帶電作業(yè)機(jī)器人的研究，但大多還停留在研究和實(shí)驗(yàn)階段，沒(méi)有像日本的機(jī)器人那樣投入實(shí)際使用。國(guó)內(nèi)對(duì)配電網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的研究近幾年來(lái)已取得多項(xiàng)研究成果[2]；但是目前主要采用由國(guó)外引進(jìn)主體結(jié)構(gòu)，自主改進(jìn)的方式，一直沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)自主發(fā)明。

目前國(guó)內(nèi)外帶電作業(yè)機(jī)器人主要采用兩種模式：一是操作員隨絕緣斗在空中直接在電纜旁操作機(jī)器臂完成帶電作業(yè)；二是操作員在地面，機(jī)器臂隨高空云臺(tái)升入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，操作員通過(guò)監(jiān)視器，觀察高空現(xiàn)場(chǎng)情況，操控機(jī)器臂進(jìn)行帶電作業(yè)。由于第一種模式操作員仍然需要在空中電纜旁進(jìn)行操作，存在觸電風(fēng)險(xiǎn)；目前的帶電機(jī)器人研發(fā)主要集中在第二種模式，即操作員在地面對(duì)空中的機(jī)器臂進(jìn)行遙操作的方式。對(duì)于這種模式，目前主要存在的問(wèn)題是操作員獲取的顯示現(xiàn)場(chǎng)信息不充分，現(xiàn)場(chǎng)攝像頭獲取的信息通過(guò)監(jiān)控屏幕顯示，會(huì)丟失大量三維信息，無(wú)法真實(shí)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況，由于遮擋關(guān)系，監(jiān)視器無(wú)法準(zhǔn)確呈現(xiàn)機(jī)器臂末端與電纜之間的位置關(guān)系。由于操作員不能直觀準(zhǔn)確地獲取現(xiàn)場(chǎng)信息，導(dǎo)致目前操作員在遙操作時(shí)，效率低下，存在誤操作風(fēng)險(xiǎn)[3]。

3　基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的帶電作業(yè)機(jī)器人

針對(duì)帶電作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息采集和顯示，導(dǎo)致操作員無(wú)法簡(jiǎn)單直觀獲取信息，對(duì)機(jī)器臂進(jìn)行遙操作效率低、誤操作風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型帶電作業(yè)機(jī)器人遙操作系統(tǒng)：基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙操作系統(tǒng)。系統(tǒng)除了在機(jī)器臂末端裝配攝像頭之外，還在高空操作云臺(tái)上，設(shè)置雙目立體攝像機(jī)和二維激光雷達(dá)，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，獲取機(jī)器臂在進(jìn)行帶電作業(yè)操作時(shí)，機(jī)器臂本體、機(jī)器臂末端與操作現(xiàn)場(chǎng)所有電纜之間的三維位姿關(guān)系，以及準(zhǔn)確的距離數(shù)值，通過(guò)三維建模的方式，顯示在操作員的監(jiān)控顯示器上，并動(dòng)態(tài)標(biāo)注機(jī)器臂末端手爪與目標(biāo)電纜之間的準(zhǔn)確距離數(shù)值，讓操作員可以通過(guò)最直觀的方式，獲取現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)之間的所有位置關(guān)系和準(zhǔn)確的距離信息，以方便操作員進(jìn)行遙操作。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。

3.1　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)帶電作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

新型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)帶電作業(yè)機(jī)器人主要包括三個(gè)部分：空間機(jī)器臂及環(huán)境感知部分、高空作業(yè)云臺(tái)、及地面遙操作平臺(tái)。

帶電作業(yè)操作使用雙輕型雙機(jī)器臂作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。環(huán)境感知部包含雙目立體攝像機(jī)和安裝在二維云臺(tái)上的激光雷達(dá)。高空作業(yè)云臺(tái)具有18米升降高度，末端負(fù)載能力150公斤，負(fù)責(zé)把機(jī)器臂和環(huán)境感知部托舉到配電帶電作業(yè)電纜旁。地面遙操作平臺(tái)包含監(jiān)控顯示器和操作手柄，操作員在地面通過(guò)操作手柄對(duì)云臺(tái)上的機(jī)器臂進(jìn)行遙控操作。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的軟件顯示如圖1所示。

圖1 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的操作軟件界面

3.2　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)帶電作業(yè)機(jī)器人工作模式

本系統(tǒng)的工作模式，就是機(jī)器臂和環(huán)境感知部被云臺(tái)直接推送到作業(yè)所需高空，人類操作員在地面通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)的方式，操作機(jī)器臂完成作業(yè)任務(wù)。遙操作系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。首先云臺(tái)上的雙目立體攝像機(jī)會(huì)實(shí)施傳輸前端圖像到地面，與此同時(shí)，雙目攝像機(jī)對(duì)環(huán)境目標(biāo)進(jìn)行三維重構(gòu)，建立目標(biāo)的三維模型。再利用云臺(tái)上裝配的激光雷達(dá)，對(duì)環(huán)境目標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)量，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，與三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合；一同顯示在操作員的操作屏幕，或者3D頭盔上。操作員既能觀察到環(huán)境中的所有三維目標(biāo)模型，同時(shí)又能清晰地看到標(biāo)注在模型之間，以及模型與機(jī)器臂末端手爪之間的精確距離信息，這是肉眼在真實(shí)環(huán)境中也無(wú)法獲取的信息。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，顯示出來(lái)的環(huán)境模型和距離信息，極大的提高操作員的操作精度和準(zhǔn)確性，減少誤操作可能性。詳細(xì)流程如圖2所示。

圖2 帶電作業(yè)機(jī)器人模塊流程

4　結(jié)語(yǔ)

遙操作系統(tǒng)是帶電作業(yè)機(jī)器人的核心，只有操作員能獲取帶電作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確信息后，才能遙控機(jī)器臂完成帶電作業(yè)任務(wù)。本文介紹的新型帶電作業(yè)機(jī)器人，就是采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為操作員提供直觀精準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)信息，完成遙操作任務(wù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示，實(shí)際效果達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：

李實(shí)（1974-），男，滿族，遼寧沈陽(yáng)人，博士，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所精密感知與控制研究中心，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芸刂婆c智能機(jī)器人。

劉波（1983-），男，漢族，江蘇徐州人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國(guó)網(wǎng)徐州供電公司配電運(yùn)檢室，主要研究領(lǐng)域?yàn)槌鞘信潆姟?/p>

韓剛（1980-），男，漢族，陜西扶風(fēng)人，副研究員，博士，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所精密感知與控制研究中心，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器智能、深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、嵌入式系統(tǒng)等。

邱育東（1961-），男，漢族，福建龍巖人，高級(jí)工程師，學(xué)士，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所精密感知與控制研究中心主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)控制與信號(hào)檢測(cè)。

張文生（1965-），男，漢族，河南鄭州人，研究員，博士，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所精密感知與控制研究中心，主要研究領(lǐng)域?yàn)槿斯ぶ悄堋⒅悄軝C(jī)器人等。

參考文獻(xiàn)：

[1] Sawada J, Kusumoto K, Maikawa Y, et al. A Mobile Robot for Inspection of Power Transmission Lines[J]. IEEE Trans on Power Delibery, 1991, 6 (1) : 309 - 315.

[2] Nakashima M, Yano K, Maruyama Y, et al. The Hot Line Work Robot Sytem "Phase II" and Its Human-robot Interface "Mos".In: Proc of the IEEE/RSJ Inter Conf on Intelligent Robots and Systems, Vol 2. 1995. 116 - 123.

[3] 戚暉. 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人及其跟蹤裝配系統(tǒng)的研究[D]. 天津：天津大學(xué), 2003.

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年4月刊