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作者：

中國科學(xué)院自動化研究所 李實

國網(wǎng)徐州供電公司 劉波

中國科學(xué)院自動化研究所 韓剛，邱育東，張文生

摘要：我國電力系統(tǒng)配電網(wǎng)目前主要采用人工帶電作業(yè)方式進行系統(tǒng)的搶修及日常維護。在介紹國內(nèi)外帶電作業(yè)機器人研發(fā)特色的基礎(chǔ)上，本文介紹了一種新型的帶電作業(yè)機器人：基于增強現(xiàn)實技術(shù)的帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)。通過配置雙目立體攝像機和激光雷達(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遙操作方式，操作云臺上的機器臂完成帶電作業(yè)任務(wù)。實際環(huán)境測試取得理想效果，具有廣泛推廣價值。

關(guān)鍵詞：遙操作；增強現(xiàn)實；帶電作業(yè)機器人；電力配電網(wǎng)

1　前言

目前，我國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行作業(yè)，需要操作人員在高空、高壓、強電磁場等極端危險環(huán)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(yè)人員帶來人身危險，而且完成作業(yè)效率低下。

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

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國際上從事帶電作業(yè)機器人的研究起步較早，日本作為機器人產(chǎn)業(yè)的強國，在20世紀(jì)80年代就開始了相關(guān)技術(shù)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(yè)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(nèi)對配電網(wǎng)帶電作業(yè)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(jié)構(gòu)，自主改進的方式，一直沒有真正實現(xiàn)自主發(fā)明。

目前國內(nèi)外帶電作業(yè)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(yè)；二是操作員在地面，機器臂隨高空云臺升入作業(yè)現(xiàn)場，操作員通過監(jiān)視器，觀察高空現(xiàn)場情況，操控機器臂進行帶電作業(yè)。由于第一種模式操作員仍然需要在空中電纜旁進行操作，存在觸電風(fēng)險；目前的帶電機器人研發(fā)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(xiàn)場信息不充分，現(xiàn)場攝像頭獲取的信息通過監(jiān)控屏幕顯示，會丟失大量三維信息，無法真實反應(yīng)現(xiàn)場情況，由于遮擋關(guān)系，監(jiān)視器無法準(zhǔn)確呈現(xiàn)機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)場信息，導(dǎo)致目前操作員在遙操作時，效率低下，存在誤操作風(fēng)險[3]。

3　基于增強現(xiàn)實的帶電作業(yè)機器人

針對帶電作業(yè)現(xiàn)場信息采集和顯示，導(dǎo)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(fēng)險大的問題，我們設(shè)計了一種新型帶電作業(yè)機器人遙操作系統(tǒng)：基于增強現(xiàn)實技術(shù)的遙操作系統(tǒng)。系統(tǒng)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(shè)置雙目立體攝像機和二維激光雷達(dá)，利用增強現(xiàn)實技術(shù)，獲取機器臂在進行帶電作業(yè)操作時，機器臂本體、機器臂末端與操作現(xiàn)場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，通過三維建模的方式，顯示在操作員的監(jiān)控顯示器上，并動態(tài)標(biāo)注機器臂末端手爪與目標(biāo)電纜之間的準(zhǔn)確距離數(shù)值，讓操作員可以通過最直觀的方式，獲取現(xiàn)場目標(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　增強現(xiàn)實帶電作業(yè)機器人結(jié)構(gòu)

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

帶電作業(yè)操作使用雙輕型雙機器臂作為執(zhí)行機構(gòu)。環(huán)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(dá)。高空作業(yè)云臺具有18米升降高度，末端負(fù)載能力150公斤，負(fù)責(zé)把機器臂和環(huán)境感知部托舉到配電帶電作業(yè)電纜旁。地面遙操作平臺包含監(jiān)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(xiàn)實的軟件顯示如圖1所示。

圖1 基于增強現(xiàn)實技術(shù)的操作軟件界面

3.2　增強現(xiàn)實帶電作業(yè)機器人工作模式

本系統(tǒng)的工作模式，就是機器臂和環(huán)境感知部被云臺直接推送到作業(yè)所需高空，人類操作員在地面通過視覺引導(dǎo)的方式，操作機器臂完成作業(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(huán)境目標(biāo)進行三維重構(gòu)，建立目標(biāo)的三維模型。再利用云臺上裝配的激光雷達(dá)，對環(huán)境目標(biāo)進行距離測量，通過增強現(xiàn)實技術(shù)，與三維模型數(shù)據(jù)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(huán)境中的所有三維目標(biāo)模型，同時又能清晰地看到標(biāo)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(huán)境中也無法獲取的信息。通過增強現(xiàn)實，顯示出來的環(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)機器人模塊流程

4　結(jié)語

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

作者簡介：

李實（1974-），男，滿族，遼寧沈陽人，博士，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院自動化研究所精密感知與控制研究中心，主要研究領(lǐng)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(xué)士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)徐州供電公司配電運檢室，主要研究領(lǐng)域為城市配電。

韓剛（1980-），男，漢族，陜西扶風(fēng)人，副研究員，博士，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院自動化研究所精密感知與控制研究中心，主要研究領(lǐng)域為機器智能、深度學(xué)習(xí)、計算機視覺、嵌入式系統(tǒng)等。

邱育東（1961-），男，漢族，福建龍巖人，高級工程師，學(xué)士，中國科學(xué)院自動化研究所精密感知與控制研究中心主要研究領(lǐng)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(xiàn)就職于中國科學(xué)院自動化研究所精密感知與控制研究中心，主要研究領(lǐng)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(yè)機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《自動化博覽》2018年4月刊