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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，帶電作業機器人的研發與應用迫在眉睫。本文介紹了一種新型的帶電作業機器人操作控制方法：基于六軸慣導系統的帶電作業機器人操控系統。通過配置雙目立體攝像機，機器人獲取精準環境目標信息，通過系統配置的六軸慣導系統，實時獲取操作員手部的位姿信息，控制器通過對這些位姿信息的解算，映射為機器臂的末端操作軌跡信息，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：六軸慣導；操作控制；帶電作業機器人；電力配電網

Abstract: The manual hot-line work is often adopted by the power distribution network in China currently for the emergency repair and routine maintenance Therefore, it has become urgent to develop robots for automatic hot-line work to replace manual operation. Based on the introduction of hot-line work robots, a new type of remote control system and algorithms are designed and analyzed in this paper. Generally, the robot arm on the operating platform can be remotely controlled to complete the task of hot-line work. In specific, the robot can obtain precise environmental target information by using binocular stereo camera. Through the six axes IMU devices, the position and pose information of the operator's hands can be acquired in real time. In the end, the trajectory information of the robot arm can be obtained by analyzing the above information. The presented remote control system deserves an extensive promotion after the site test in electrical power system.

Key words: Six axes IMU; Remote control system; Hot-line work robot; Power distribution system

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20世紀六十年代開始，經過多年的發展，已經取得巨大進步，得到了廣泛應用。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地滿足配電作業特殊需求。

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強國之一，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由于多自由度機器臂的靈活性不足和多自由度遙控復雜度高導致的人類操作員遙控機器臂操作效率低下，可靠性差，任務完成精準度低。

針對帶電作業機器人的遙操作問題，本文設計了一種新的遙操作模式，以及配套的機器臂控制系統，可以有效提升遙操作的易用性和準確性。

3　基于六軸慣導的帶電作業機器人遙操作

目前研制的帶電作業機器人主要采用雙機器臂結構，每個機器臂配置6~7自由度，以保證足夠的靈活性，通過模擬人類操作員的胳膊來完成帶電作業任務。由于雙自由度共12~14自由度，傳統的遙控方式為操作員的遙操作帶來了巨大的挑戰。無論是針對單自由度依次控制，還是針對多自由度進行并行控制，實際測試表明遙操作的效率和準確度都不理想。針對這個問題，國內外很多研究都期望設計新的遙操作方法，來提升遙控效率，降低對人類操作員的要求^[3]。最有特色的研究是：采用運動跟蹤的方式，利用立體相機直接跟蹤人類操作員的雙臂動作，并進行空間坐標結算，然后驅動機器臂追蹤操作員雙臂，完成帶電作業任務。但是在實際測試中，發現存在控制問題。由于機器臂的自由度空間分布和靈活性相比人類臂膀有很大差距，導致很多人類操作員簡單的雙臂移動，會帶來機器臂操作空間運動的紊亂，以及自由度閉鎖等問題，導致機器臂無法準確追蹤人類雙臂的運動軌跡。針對機器臂遙操作效率低、誤操作風險大的問題，結合機器臂軌跡控制存在的風險，我們設計了一種新型帶電作業機器人遙操作系統：基于六軸慣導的帶電作業機器人遙操作控制系統。系統主要包括操作員手持慣導設備和機器臂控制器兩個部分。下面詳細介紹系統結構和功能。

3.1　基于慣導的帶電作業機器人控制系統結構

基于慣性導航的帶電作業機器人控制系統主要包括三個部分：空間機器臂、手持慣導設備及機器臂控制器。
帶電作業操作使用輕型雙機器臂作為執行機構。手持慣導設備包含三軸陀螺儀及三軸加速度計，主要負責采集操作員手部動作。機器臂控制器通過無線網絡接收手持慣導設備發送的六軸慣導數據，自動計算機器臂各關節自由度的運轉軌跡，并控制機器臂末端最終手持慣導設備軌跡。系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

3.2　基于慣導的帶電作業機器人遙操作工作模式

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，操作員通過監視器觀察到環境中的所有目標信息；然后操作員手持慣導設備，進行空間移動；機器臂遙操作控制器根據采集的操作員手部末端的空間位姿信息，結合機器臂的自由度分布和幾何參數，自動規劃各自由度的運行軌跡，并驅動機器臂運動，保證機器人末端操作工具到達操作員期望的空間位置，并驅動機器人末端搭載的操作工具執行作業任務。詳細流程如圖2、圖3所示。

圖2 遙操作系統控制流程

圖3 手持慣導設備工作流程

4　結語

遙操作系統是帶電作業機器人的核心，只有通過簡捷高效而準確的遙操作方式，操作員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遙操作系統，就是采用六軸慣性導航技術，采集操作員的手部位姿信息，為結合機器臂空間軌跡規劃算法，高效完成遙操作任務。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。

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”[J]. Proc of the IEEE/RSJ Inter Conf on Intelligent Robots and Systems, 1995,( 2 ) : 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.

作者簡介：

尹春麗（1971-），女，遼寧沈陽人，高級工程師，現就職于國網江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，主要研究領域為電力系統及其自動化。

劉　波（1983-），男，江蘇徐州人，工程師，學士，現就職于國網江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，主要研究領域為城市配電。

李　穎（1974-），男，安徽宿州人，高級工程師，現就職于國網江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，主要研究領域為電力系統及其自動化。

王　丹（1988-），女，江蘇徐州人，工程師，現就職于國網江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，主要研究領域為城區配電。

摘自《自動化博覽》2019年6月刊