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作者：

中國科學院自動化研究所 李實

國網徐州供電公司 劉波

中國科學院自動化研究所 韓剛，邱育東，張文生

摘要：我國電力系統配電網目前主要采用人工帶電作業方式進行系統的搶修及日常維護。在介紹國內外帶電作業機器人研發特色的基礎上，本文介紹了一種新型的帶電作業機器人：基于增強現實技術的帶電作業機器人系統。通過配置雙目立體攝像機和激光雷達，獲取精準環境目標信息和距離數據，標注在監視器上，保障操作員方便迅速地通過遙操作方式，操作云臺上的機器臂完成帶電作業任務。實際環境測試取得理想效果，具有廣泛推廣價值。

關鍵詞：遙操作；增強現實；帶電作業機器人；電力配電網

1　前言

目前，我國10kV配電網需要頻繁帶電作業操作。當前帶電作業要求操作人員攀爬10kV電線桿或借助絕緣斗臂車進行作業，需要操作人員在高空、高壓、強電磁場等極端危險環境下進行接線、解線等手工操作，勞動強度大，精神高度緊張；不僅給帶電作業人員帶來人身危險，而且完成作業效率低下。

機器人技術自上世紀六十年代開始，經過多年的發展，已經得到了巨大的進步，得到了廣泛的應用。操作機器人從第一代的示教/在線方式，到第二代環境感知模式，到目前的智能機器人，可以在更多領域替代人類完成各種危險復雜任務。配電網帶電作業任務復雜，操作環境危險復雜，是典型應用機器人替代人類的操作環境。由于配電網帶電作業的特殊性，要想應用機器人完成任務，需要對機器人系統進行全新設計才能更好的滿足配電作業的特殊需求。

2　國內外研究現狀

國際上從事帶電作業機器人的研究起步較早，日本作為機器人產業的強國，在20世紀80年代就開始了相關技術的研究[1]。美國、法國、加拿大、烏克蘭、韓國等國家，也都進行過帶電作業機器人的研究，但大多還停留在研究和實驗階段，沒有像日本的機器人那樣投入實際使用。國內對配電網帶電作業機器人的研究近幾年來已取得多項研究成果[2]；但是目前主要采用由國外引進主體結構，自主改進的方式，一直沒有真正實現自主發明。

目前國內外帶電作業機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器臂完成帶電作業；二是操作員在地面，機器臂隨高空云臺升入作業現場，操作員通過監視器，觀察高空現場情況，操控機器臂進行帶電作業。由于第一種模式操作員仍然需要在空中電纜旁進行操作，存在觸電風險；目前的帶電機器人研發主要集中在第二種模式，即操作員在地面對空中的機器臂進行遙操作的方式。對于這種模式，目前主要存在的問題是操作員獲取的顯示現場信息不充分，現場攝像頭獲取的信息通過監控屏幕顯示，會丟失大量三維信息，無法真實反應現場情況，由于遮擋關系，監視器無法準確呈現機器臂末端與電纜之間的位置關系。由于操作員不能直觀準確地獲取現場信息，導致目前操作員在遙操作時，效率低下，存在誤操作風險[3]。

3　基于增強現實的帶電作業機器人

針對帶電作業現場信息采集和顯示，導致操作員無法簡單直觀獲取信息，對機器臂進行遙操作效率低、誤操作風險大的問題，我們設計了一種新型帶電作業機器人遙操作系統：基于增強現實技術的遙操作系統。系統除了在機器臂末端裝配攝像頭之外，還在高空操作云臺上，設置雙目立體攝像機和二維激光雷達，利用增強現實技術，獲取機器臂在進行帶電作業操作時，機器臂本體、機器臂末端與操作現場所有電纜之間的三維位姿關系，以及準確的距離數值，通過三維建模的方式，顯示在操作員的監控顯示器上，并動態標注機器臂末端手爪與目標電纜之間的準確距離數值，讓操作員可以通過最直觀的方式，獲取現場目標之間的所有位置關系和準確的距離信息，以方便操作員進行遙操作。下面詳細介紹系統結構和功能。

3.1　增強現實帶電作業機器人結構

新型增強現實帶電作業機器人主要包括三個部分：空間機器臂及環境感知部分、高空作業云臺、及地面遙操作平臺。

帶電作業操作使用雙輕型雙機器臂作為執行機構。環境感知部包含雙目立體攝像機和安裝在二維云臺上的激光雷達。高空作業云臺具有18米升降高度，末端負載能力150公斤，負責把機器臂和環境感知部托舉到配電帶電作業電纜旁。地面遙操作平臺包含監控顯示器和操作手柄，操作員在地面通過操作手柄對云臺上的機器臂進行遙控操作。基于增強現實的軟件顯示如圖1所示。

圖1 基于增強現實技術的操作軟件界面

3.2　增強現實帶電作業機器人工作模式

本系統的工作模式，就是機器臂和環境感知部被云臺直接推送到作業所需高空，人類操作員在地面通過視覺引導的方式，操作機器臂完成作業任務。遙操作系統發揮著至關重要的作用。首先云臺上的雙目立體攝像機會實施傳輸前端圖像到地面，與此同時，雙目攝像機對環境目標進行三維重構，建立目標的三維模型。再利用云臺上裝配的激光雷達，對環境目標進行距離測量，通過增強現實技術，與三維模型數據進行融合；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境中的所有三維目標模型，同時又能清晰地看到標注在模型之間，以及模型與機器臂末端手爪之間的精確距離信息，這是肉眼在真實環境中也無法獲取的信息。通過增強現實，顯示出來的環境模型和距離信息，極大的提高操作員的操作精度和準確性，減少誤操作可能性。詳細流程如圖2所示。

圖2 帶電作業機器人模塊流程

4　結語

遙操作系統是帶電作業機器人的核心，只有操作員能獲取帶電作業現場準確信息后，才能遙控機器臂完成帶電作業任務。本文介紹的新型帶電作業機器人，就是采用增強現實技術，為操作員提供直觀精準的現場信息，完成遙操作任務。通過現場演示，實際效果達到設計目標，具有廣泛的應用前景。

作者簡介：

李實（1974-），男，滿族，遼寧沈陽人，博士，現就職于中國科學院自動化研究所精密感知與控制研究中心，主要研究領域為智能控制與智能機器人。

劉波（1983-），男，漢族，江蘇徐州人，工程師，學士，現就職于國網徐州供電公司配電運檢室，主要研究領域為城市配電。

韓剛（1980-），男，漢族，陜西扶風人，副研究員，博士，現就職于中國科學院自動化研究所精密感知與控制研究中心，主要研究領域為機器智能、深度學習、計算機視覺、嵌入式系統等。

邱育東（1961-），男，漢族，福建龍巖人，高級工程師，學士，中國科學院自動化研究所精密感知與控制研究中心主要研究領域為計算機控制與信號檢測。

張文生（1965-），男，漢族，河南鄭州人，研究員，博士，現就職于中國科學院自動化研究所精密感知與控制研究中心，主要研究領域為人工智能、智能機器人等。

參考文獻：

[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. 高壓帶電作業機器人及其跟蹤裝配系統的研究[D]. 天津：天津大學, 2003.

摘自《自動化博覽》2018年4月刊