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带电作业机器人末端姿态优化与路径规划

机械设计与研究 2023年第4期39卷 16-20,26页

作者：刘磊袁齐坤陈武王璋石利荣张伟军上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 云南电网有限责任公司曲靖供电局云南曲靖655000

使用机器人自主进行高压带电作业,需要解决机器人在高空作业环境中的路径规划问题。在对带电作业机器人引流作业过程进行路径规划时,面临着非结构化的作业环境、末端姿态约束、作业范围受限等因素的影响。根据作业任务要求,针对机器人... 详细信息

使用机器人自主进行高压带电作业,需要解决机器人在高空作业环境中的路径规划问题。在对带电作业机器人引流作业过程进行路径规划时,面临着非结构化的作业环境、末端姿态约束、作业范围受限等因素的影响。根据作业任务要求,针对机器人携带作业工具移动至目标线缆位置的运动过程,提出基于瞬态速度的末端作业姿态优化方法以及基于加权人工势场的RRT*路径规划方法,并进行实验与分析。

关键词：带电作业机器人姿态优化路径规划人工势场 RRT*

带电作业机器人场景建模方法和避障路径规划算法研究

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带电作业机器人场景建模方法和避障路径规划算法研究

作者：王佳浙江理工大学

学位级别：硕士

带电检修对于智能变电站的运行和维护来说是至关重要的,同时也能保证居民和企业用户的电能质量。以往带电作业检修多依靠人工,输电线路作业环境复杂危险且作业难度较高,这对人员的心理素质和作业能力均有较高的要求。为提高带电作业效率... 详细信息

带电检修对于智能变电站的运行和维护来说是至关重要的,同时也能保证居民和企业用户的电能质量。以往带电作业检修多依靠人工,输电线路作业环境复杂危险且作业难度较高,这对人员的心理素质和作业能力均有较高的要求。为提高带电作业效率,降低带电作业的危险指数,人们开始考虑用机器人来代替人工进行线路检修工作,由此开始对带电作业机器人进行大量研究。本文在带电作业机器人研发项目中就机械臂从起始点到目标点如何能够快速规划出一条无碰撞的最优路径这一问题展开研究,同时提出一种联合激光雷达和相机的融合的输电线路场景建模方法,为相关带电作业机器人的研发提供技术支撑。(1)对机器人本体机械臂进行正逆运动学分析。首先利用改进D-H参数法建立机械臂的坐标系得到D-H参数表,用来描述UR10机械臂,通过齐次坐标变换矩阵推导出了UR10的正逆运动学公式,根据实际工况进行关节角限位求出双臂实际的可达空间。并在MATLAB中进行机器人模型建立和工作空间的求取。(2)针对RRT*算法的不足,提出了三点改进策略,并将改进后的算法命名为M-RRT*算法(Modified Rapidly-exploring Random Trees Star algorithm):利用人工势场法增加随机点扩展的目标偏置导向性,使之向着目标点的方向扩展;利用自适应步长来提高路径规划的效率;使用准均匀B样条曲线来平滑规划路径。利用MATLAB分别在二维环境下和三维环境下对RRT*算法、Informed-RRT*算法和M-RRT*算法进行避障路径规划仿真,仿真证明改进后的M-RRT*算法规划路径时相比于另外两种算法所花费的时间大大减少,初始路径成本和最优路径成本也更低,得到的路径也更平滑,并在后续实验中得到验证。(3)提出一种联合激光雷达与相机融合的输电线路场景建模方法。联合标定激光雷达与相机的相对位置关系,然后将激光雷达扫描到的地图点云进行过滤、分割等预处理来去除不必要信息。利用Octomap将处理好的点云模型转化为八叉树模型,仅保留其位置信息。用YOLOv5s神经网络模型对相机采集的图像进行检测,最后将激光雷达扫描的点云数据和相机图像数据进行坐标融合,便于机器人感知周围环境并识别障碍物进行避障路径规划。(4)搭建了带电作业机器人进行避障路径规划的实验场景,用Move It!给机器人配置运动规划组,将真实机器人与上位机中ROS环境下的机器人本体模型进行通信,将RRT*和M-RRT*规划得到的路径信息发送给真实机器人。分别在简单环境下和复杂环境下控制机械臂运动至目标点,并记录机械臂运动过程中六个关节角度变化和末端位姿变化来验证机械臂运行轨迹的平稳性。对RRT*、Informed-RRT*和M-RRT*这三种算法的初始路径成本Cinit、初始路径运行时间Tinit、最优路径成本Cbest、最优路径运行时间Tbest四个指标进行对比,并取10次实验的均值来验证M-RRT*算法性能提升的有效性和可行性。实验证明相比于RRT*算法,M-RRT*算法的初始路径求取时间和最优路径求取时间分别下降88.4%和85%;初始路径成本和最优路径成本分别下降11.4%和0.88%。相比于Informed-RRT*算法,M-RRT*算法的初始路径求取时间和最优路径求取时间分别下降86.1%和79.4%,初始路径成本和最优路径成本分别下降6.7%和0.63%,这证明了M-RRT*算法的有效性。

关键词：带电作业机器人 M-RRT*算法避障路径规划激光SLAM 目标检测

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带电作业机器人视觉系统设计与实现

带电作业机器人视觉系统设计与实现

作者：黄朝晖华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

为了确保国家电力供应的及时性和可靠性,在配电线路维护和检修作业中,通常采用带电作业的方式。随着当前工业机器人技术的迅猛发展,工业机器人也开始引入到电力系统中,出现了不同类型的用于电力系统的专业机器人,辅助人工进行带电线路... 详细信息

为了确保国家电力供应的及时性和可靠性,在配电线路维护和检修作业中,通常采用带电作业的方式。随着当前工业机器人技术的迅猛发展,工业机器人也开始引入到电力系统中,出现了不同类型的用于电力系统的专业机器人,辅助人工进行带电线路的检修与部件更换工作。本文在国机智能技术研究院研发的10KV架空配电线路带电更换器件作业机器人的基础上,设计并研发出该款带电作业机器人的视觉系统,明确研发的重点是双目立体显示功能和目标绝缘子识别与定位功能。在双目立体显示功能研究中,本文主要研究快门式立体显示技术,采用VS2015平台通过OpenCV获取双目相机的图像,通过OpenGL将双目相机的图像分别传入左右缓冲区,实现左右图像的交叉显示,配置NVIDIA显卡,设置编译好的程序支持3D vision,这样可以使人眼通过快门式立体显示设备观看立体影像。在目标绝缘子识别与定位功能研究中,本文使用MATLAB2012a对双目相机做相机标定,同时大量收集目标绝缘子图像制作数据集。首先处理数据集图像,然后用HOG提取样本特征,最后使用SVM分类器进行模型训练。用训练好的模型,分别对双相机左右眼成像画面进行绝缘子识别,提取目标物体上某一特征点在图像中的像素坐标,依据空间坐标转换和三角测量原理计算该特征点相对于双目相机左相机的空间坐标。本文最后设计视觉系统GUI界面,搭建实验现场,实验人员在视觉系统的辅助下操控带电作业机器人主从手系统抓取目标绝缘子,完成本文的设计与实现。

关键词：快门式立体显示 HOG特征 SVM分类双目测距带电作业机器人

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带电作业机器人三维环境重建与监控系统设计

计算机仿真 2020年第11期37卷 334-338,449页

作者：饶志强韩昊一郭毓郭健南京理工大学自动化学院江苏南京210094

为在远端实现对带电作业机器人系统状态和所处环境的感知,使电力线路维护人员远离高空高压的危险环境,提出了一种基于结构化环境预建模和视觉测量动态修正的带电作业环境重建方法,并基于开源机器人操作系统ROS完成了监控系统的开发。系... 详细信息

为在远端实现对带电作业机器人系统状态和所处环境的感知,使电力线路维护人员远离高空高压的危险环境,提出了一种基于结构化环境预建模和视觉测量动态修正的带电作业环境重建方法,并基于开源机器人操作系统ROS完成了监控系统的开发。系统主要由运动学求解、机器人通信及驱动、视觉系统通信服务器端以及场景重建和可视化四大模块组成,各模块通过ROS灵活的进程间通信方式实现功能集成。试验结果表明,开发的带电作业机器人监控系统可实时获取机器人状态和环境信息,实现作业场景的重建和可视化,达到了对机器人带电作业过程进行安全、可靠远程监控的目的。

关键词：带电作业机器人机器人操作系统三维环境重建运动学

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带电作业机器人的轨迹规划和自适应控制研究

带电作业机器人的轨迹规划和自适应控制研究

作者：邾根豪天津大学

学位级别：硕士

随着我国社会经济的不断发展,人民生活质量的不断提高,持续可靠供电的要求也在不断提高。高压电气设备在长期的连续运行过程中容易老化,使得故障频繁发生,因此需要定期进行测试、检查和维护。研发带电作业机器人代替人工实现高压电气设... 详细信息

随着我国社会经济的不断发展,人民生活质量的不断提高,持续可靠供电的要求也在不断提高。高压电气设备在长期的连续运行过程中容易老化,使得故障频繁发生,因此需要定期进行测试、检查和维护。研发带电作业机器人代替人工实现高压电气设备带电作业对提高供电可靠性、减少停电损失、降低人员触电风险和保障电网的安全运行具有极其重要的意义。带电作业机器人对机器人的运动性能提出了越来越高的要求。本文针对安全高效的带电作业机器人的轨迹规划方法和控制策略开展了研究,主要工作如下:提出一种基于时间最优的带电作业机器人的轨迹规划算法。首先,根据带电作业机器人所要完成的带电作业任务,利用多项式插值法对机械臂在任务空间中的运动轨迹进行规划。进一步地,为了提高带电作业机器人的作业效率,研究机械臂基于时间最优的轨迹规划算法,首先需要通过逆运动学求出与任务空间离散点对应的关节位置-时间序列,然后利用三次样条插值进行关节轨迹规划,再通过粒子群算法对运动轨迹进行时间最短优化,得到带电作业机器人在满足运动学约束的条件下,完成既定轨迹所需要的最优时间;最后,通过实验仿真验证了该轨迹规划算法的关节角速度和角加速度均满足约束条件,且具有最短的运动时间。提出一种基于屏障势能函数的带电作业机器人机械臂的自适应控制算法。针对在带电作业机器人控制过程中遇到的奇异点问题,通过在奇异点附近构造势能函数,提出一种基于屏障势能函数的控制方法,使得机械臂在运动过程中可以远离奇异点,从而避免由于奇异点存在而导致系统的不稳定;同时,还结合屏障李雅普诺夫函数保证了机械臂的安全作业环境,通过李雅普诺夫稳定性分析方法证明了该控制器的稳定性。最后,在实验平台上对该方法进行实验验证,验证了该方法的有效性。

关键词：智能电网带电作业机器人轨迹规划自适应控制

带电作业机器人绝缘防护装置漏电自适应检测技术的研究

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自动化与仪器仪表 2023年第9期 284-288页

作者：麦嘉颖罗灼见潘正焘李雪玲钟冠杰广东电网有限责任公司清远清新供电局广东清远511500

绝缘防护装置受电场、环境与自身热量的影响,其绝缘性能会下降,出现漏电问题,危害作业人员生命安全,为此提出带电作业机器人绝缘防护装置漏电自适应检测技术。运用PCI数据采集卡、电信号采集卡获取绝缘防护装置电信号,采用小波分解方式... 详细信息

绝缘防护装置受电场、环境与自身热量的影响,其绝缘性能会下降,出现漏电问题,危害作业人员生命安全,为此提出带电作业机器人绝缘防护装置漏电自适应检测技术。运用PCI数据采集卡、电信号采集卡获取绝缘防护装置电信号,采用小波分解方式分解电信号,通过自适应函数选取最佳小波阈值,去除电流信号上噪声,根据向量函数表征电流幅值特征,运用小波变换滤波器去除正常电流信号,输出漏电的电流信号,实现漏电自适应检测。实验结果表明,所提技术能够及时检测出漏电信号,漏电检测精度高,且用时较短,具有较强的实用性强。

关键词：带电作业机器人绝缘防护装置电信号采集漏电信号小波阈值小波变换

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带电作业机器人及其路径规划研究

带电作业机器人及其路径规划研究

作者：陶志远上海交通大学

学位级别：硕士

带电检修是智能变电站运维中的重要环节,它能有效地降低变电站的运维成本。传统人工带电检修对操作人员技术要求高,劳动强度大,并有一定的危险性。机器人带电检修具有安全、高效,不会造成人员损伤的特点,是带电检修的发展趋势。随着我... 详细信息

带电检修是智能变电站运维中的重要环节,它能有效地降低变电站的运维成本。传统人工带电检修对操作人员技术要求高,劳动强度大,并有一定的危险性。机器人带电检修具有安全、高效,不会造成人员损伤的特点,是带电检修的发展趋势。随着我国综合国力的不断提升以及新一代智能变电站的建设,国内对于带电作业机器人的需求明显增加。本文针对110kv智能变电站隔离断路器带电检修任务设计了原型机,并就路径规划关键技术进行了深入研究,为相关带电作业特种机器人的研制提供了进一步的技术支撑。1)分析带电作业原理结合带电作业任务要求,选定等电位作为带电作业机器人的带电作业形式,设计适用于自动化作业的新型电力金具。对检修作业现场环境和带电作业的操作对象进行了分析,总结作业过程中的约束,提出110kV变电站带电作业机器人设计指标。在此基础上确定了机器人的系统结构方案。最后结合机器人系统结构方案和等电位作业形式制定了110kV变电站带电作业机器人的作业流程。2)分析110kV变电站带电作业机器人带电作业对电场分布的影响,结合长间隙极不均匀电场空气击穿过程,提出以软导线周围电场强度小于起晕电场强度为判据的机器人带电作业安全距离确定方法,利用该方法结合实验确定了110kV变电站带电作业机器人带电作业安全距离。3)对作业平台分别建立以粗精定位视觉结果为核心的坐标系转换链。完成由视觉定位结果到机械臂末端关节目标位姿的映射。针对机械臂建立运动学模型,分析机械臂末端位姿到关节构型的映射并作为路径规划的基础。结合上文带电作业安全距离,建立规划模型,从而求解在带电作业安全性约束下的作业空间,验证其满足作业任务需求。4)对带电作业路径规划展开研究。针对无路径约束下运动的特点,提出了基于目标构型优化和改进算法的路径规划算法;针对有路径约束下的运动过程,提出了利用自运动特性,基于梯度下降和贪婪算法思想的变步长迭代路径规划算法。最后,通过仿真验证过了上述算法的正确性。5)对110kV变电站带电作业机器人软件系统进行详细设计,并通过软件系统在模拟现场环境中进行了金具拆卸实验,验证了本文关节-手-眼映射关系和路径规划算法的正确性。

关键词：带电作业机器人带电作业安全距离路径规划自运动流形

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带电作业机器人系统设计与轨迹规划研究

带电作业机器人系统设计与轨迹规划研究

作者：殷凤健上海交通大学

学位级别：硕士

带电作业机器人是智能电网电气设备不断电检修的发展和趋势,它能有效提高智能变电站的检修效率与经济效应,大大降低事故的发生率与人员伤亡率。随着我国新一代智能变电站的推广建设,国内对带电作业机器人的需求明显增加,因此有必要对带... 详细信息

带电作业机器人是智能电网电气设备不断电检修的发展和趋势,它能有效提高智能变电站的检修效率与经济效应,大大降低事故的发生率与人员伤亡率。随着我国新一代智能变电站的推广建设,国内对带电作业机器人的需求明显增加,因此有必要对带电作业机器人开展相关技术研究。本文针对某110 kV智能变电站隔离断路器的不断电检修任务,对带电作业机器人进行了系统设计与轨迹规划研究,并研制出实验样机。具体研究内容包括:(1)对某智能变电站的现场环境和带电作业的操作对象进行了简要分析,并在此基础上根据机器人的系统设计要求确定了机器人的整体结构组成和配套的专用工具。为了保证整个带电作业过程的安全有序进行,制定了带电作业机器人的操作流程。(2)利用D-H参数化方法对操作平台使用的的库卡机械臂进行运动学建模并建立了相应的坐标系,求出了连杆参数。利用齐次变换矩阵求出了机械臂运动学的正解表达式,利用封闭解析法求出了机械臂运动学的逆解表达式,并使用matlab robotic工具箱验证了表达式的正确性。在此基础上,建立了机器人操作平台的运动学模型,将目标位置点在世界坐标系下的位姿通过矩阵变换转换成机械臂末端坐标系相对于基坐标系的位姿,通过运动学逆解求出机械臂到达目标位置时各关节所对应的角度,为后面的轨迹规划奠定了基础。(3)为了确保带电作业机器人在高压变电站环境下能够安全作业,本文按照机器人的操作流程对其相地、相间安全空间进行了分析,提出一种附加约束条件的蒙特卡洛法来求解相关的安全作业空间。同时,为了提高机器人的操作空间,提出了一种以机械臂可达性和相间安全为约束条件,以机械臂最小能耗为评价指标的机械臂基座位置规划算法来控制滑台位移量。(4)提出了一种基于时间最优的机械臂关节空间轨迹规划算法。将机械臂笛卡尔空间下的路径点转化为关节空间下的关节角位置序列,利用三次样条插值对其进行轨迹规划,得到光滑连续的运动轨迹。在轨迹规划的基础上利用自适应遗传算法对多项式插值时间进行优化,求出机械臂在满足运动学约束的条件下完成既定轨迹所需要的最优时间。对机器人操作平台进行了拆卸金具的模拟实验,验证了本文关于带电作业机器人系统设计和轨迹规划研究的可行性。

关键词：带电作业机器人运动学作业空间轨迹规划

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配网带电作业机器人的精细作业控制技术研究

配网带电作业机器人的精细作业控制技术研究

作者：周阿芬中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着国民经济的稳步发展,配网作业机器人的研究日益深入。现阶段,配网带电作业机器人的作业任务大多为断、接引线,或给导线剥皮等,对拆卸避雷器这种需要精细作业控制的研究较少。本文围绕配网带电作业场景下的拆卸避雷器任务,展开配网... 详细信息

随着国民经济的稳步发展,配网作业机器人的研究日益深入。现阶段,配网带电作业机器人的作业任务大多为断、接引线,或给导线剥皮等,对拆卸避雷器这种需要精细作业控制的研究较少。本文围绕配网带电作业场景下的拆卸避雷器任务,展开配网带电作业机器人精细作业控制技术研究,主要研究内容如下:1.设计配网带电作业机器人的作业工具和视觉系统。在本课题组自主研发的配网带电作业机器人基础上,面向拆卸避雷器任务,设计了专用作业工具电动抓手和电动扳手,并给出了作业工具控制方案;为配网带电作业机器人设计视觉系统,并对视觉系统做校正和标定,为后续的精细作业控制提供理论依据和硬件基础。2.开展配网带电作业机器人目标识别与定位技术研究。采用基于YOLOv7的作业目标识别算法,实现对配网场景下避雷器、螺母的识别;阐述了全局相机的双目测距原理和手眼相机的单目深度估计原理,并通过测距实验验证这两种方法的有效性;通过HSV结合图像矩的方法确定避雷器的姿态,提出多信息融合定位方法精确定位螺母,为后续的精细作业提供精细的位姿信息。3.研究配网带电作业机器人精细化作业控制方法。提出一种避障路径规划算法,通过可替换的规划器,扩展算法的应用场景,通过多分辨率碰撞检测算法,提高整个路径规划的效率和成功率;并在仿真环境下,进行了碰撞检测实验和避障路径规划实验,对比了多分辨率包络和精细包络的碰撞检测性能,验证了避障路径规划算法中规划器的可替换性和碰撞检测部分的高效性;最后分析了配网带电作业机器人的精细作业流程,以拆卸避雷器为例,在室内模拟场景下开展配网带电作业机器人的精细作业实验,验证了本文研制的工具和视觉系统的实用性,提出的目标识别定位算法的有效性和避障路径规划算法的可行性。

关键词：带电作业机器人配电网目标识别路径规划碰撞检测