一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法及系统

1.本发明涉及带电作业机器人技术领域，尤其是涉及一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法及系统。


背景技术：

2.随着带电作业机器人的逐渐发展，传统的人机共处绝缘仓式的操作已经不能满足带电作业环境下的控制性能与安全性需求。此前，运维人员可以通过主操作手远程遥控机器人的带电作业机器人，可保证作业人员与高压电场隔离；远程遥控操作时，运维人员根据作业场景监控系统监控作业过程，提高了作业安全性。但是，在使用前述带电作业机器人进行精确定位的倒闸操作时，例如冷热备用切换、合上接地倒闸、固定倒闸刀等，主要通过观察作业环境图像(包括实时图像和3d建模图像)来判断机器人是否操作到位，难以判断操作精度是否符合操作要求，运维人员只有能够在操作端收到末端执行器和作业目标的受力信息，才能更好地保障运维安全、有效的进行。
3.目前，在远程控制倒闸作业的过程中，仅能为控制端提供视觉图像，这将导致控制端操作手对视觉图像的过分依赖，容易产生视觉疲劳。而且，由于视觉图像存在偏差，可能会导致控制端操作手的误操作，不仅会降低操作手的工作效率，还可能引发事故。例如，控制端操作手根据视觉图像远程控制机器人进行倒闸作业，当操作工具与高压柜体接触后若继续与高压柜体摩擦，操作手则无法继续根据视觉图像对机器人进行控制，这不仅会降低操作手的工作效率，还存在产生安全事故的隐患。
4.为此，现急需提供一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法和系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法及系统。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.根据本发明的第一方面，提供了一种用于所述的面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤s1、获取远程倒闸作业的基础图像，识别用于末端执行器维修的作业目标和非作业目标；
9.步骤s2、力反馈检测模块获取包括所述末端执行器所处的运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息；
10.步骤s3、基于所述运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息，确定所述末端执行器的受力信息；
11.步骤s4、基于所述受力信息，控制遥操作端的三维力反馈控制手柄(1)向运维工人提供与所述受力信息对应的反馈力。
12.优选地，所述运动信息为末端执行器的运行速度，表达式为：
13.v
t+1
＝(1-γ)(x
·vt
+y
·
f)+γv
t
14.式中，v
t+1
为t+1时刻的末端执行器速度，γ为权重系数，表示当前末端执行器速度变化的权重，x矩阵表征末端执行器速度在运动过程中动态变化规律，v
t
为t时刻的末端执行器速度，y矩阵为机械臂在运动过程中的阻尼、摩擦因素对速度的影响，f为三维力反馈手柄的控制输入力。
15.优选地，所述碰撞信息包括末端执行器进入约束区域时在三维力反馈控制手柄上产生的碰撞阻碍力，表达式为：
[0016][0017]
式中，f为碰撞阻碍力，α为常数，di为末端执行器的位置与非作业目标的距离，d
max
为裕量值，pi为末端执行器距离非作业目标最近的各个节点。
[0018]
优选地，所述抓握力信息具体为：
[0019]
末端执行器设备上配置的触控传感器实实时检测更新抓握力信息，并与自动与最大限制抓握力σ
max
进行比较；
[0020]
如果抓握力σ大于最大限制抓握力σ
max
，此时作业端只施加σ
max
的力进行运维；
[0021]
倒闸推动手车环节对应的抓握力σ表达式为：
[0022][0023]
式中，m为工具的质量，a为工具的加速度，μ为工具和作业目标之间的摩擦系数，θ为操作角度，i为作业目标的惯性矩，α为作业目标的角加速度，r为作业目标的半径。
[0024]
根据本发明的第二方面，提供了一种基于所述的面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法的系统，该系统包括三维力反馈控制手柄、以及通过数据通信模块与所述三维力反馈控制手柄相连接的终端控制子系统；所述三维力反馈控制手柄包括三维力反馈手柄位置信息采集模块、三维力反馈手柄控制板和三维力反馈电机驱动模块；所述终端控制子系统包括数据显示模块、实际机械臂控制模块、力反馈检测模块和力反馈计算模块；
[0025]
其中，所述三维力反馈手柄位置信息采集模块采集的位置信息通过数据通信模块传输至终端控制子系统，并在数据显示模块上显示；所述末端执行器中的受力信息通过数据通信模块传输至三维力反馈电机驱动模块，同时，力反馈检测模块为末端执行器提供力反馈检测服务并获取测量反馈值；力反馈计算模块实时计算反馈力大小并通过数据通信模块传输到三维力反馈手柄控制板，所述三维力反馈手柄控制板驱动三维力反馈电机驱动模块，提供实时力反馈。
[0026]
优选地，所述三维力反馈手柄位置信息采集模块包括陀螺仪、加速度计和位置信息计算子模块；
[0027]
根据陀螺仪和加速度计采集三维力反馈控制手柄的角速度和加速度，通过位置信息计算子模块计算出三维力反馈控制手柄的运动角度位置信息。
[0028]
优选地，所述三维力反馈电机驱动模块根据终端控制子系统的边缘侧末端执行器和操作环境，由上位机发出指令，通过数据通信模块传输到三维力反馈手柄控制板，通过控制伺服电机的位置、速度和加速度参数，对三维力反馈电机进行驱动和控制。
[0029]
优选地，所述力反馈计算模块根据末端执行器的运动信息、碰撞信息和抓握力信
息，实时计算三维力反馈控制手柄的反馈力大小，并由终端控制子系统通过数据通信模块将其反馈力值传输到三维力反馈手柄控制板，驱动三维力反馈电机驱动模块输出。
[0030]
优选地，所述力反馈检测模块获取包括末端执行器所处的运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息；
[0031]
基于所述运动信息，确定在作业过程中末端执行器的运行速度；
[0032]
基于所述碰撞信息，确定作业过程中所述执行器与危险目标之间是否产生碰撞；
[0033]
基于所述抓握力信息，确定作业过程中所述执行器与是否符合设定的最大抓握力范围。
[0034]
优选地，所述数据通信模块将三维力反馈手柄控制板与终端控制子系统通过以太网通信协议实现数据间的通信，串口端口参数由终端控制子系统配置。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0036]
1)在操作电力机器人进行倒闸等任务时，本发明能够向运维工人提供与末端执行器的受力信息对应的反馈力，使用户可以感受末端执行器的受力情况，降低用户对视觉图像的依赖程度，避免运维工人产生视觉疲劳；而且反馈力直接提供给运维工人，可以避免因视觉图像存在偏差而导致运维工人误操作的情况发生，不仅可以提高运维工人的工作效率，还可以提高操作安全性，也使运维工人具有现场操作的体验感。
[0037]
2)对末端执行器的运动信息、碰撞信息和抓握力信息等进行监测和反馈，从而及时调整操作方式和控制力度，保证操作的稳定性和可靠性；这种实时反馈的操作方式可以更好地控制操作过程中的动态变化，实现更加精准的力反馈控制，避免因误操作而引发的事故。
[0038]
3)通过终端控制子系统与三维力反馈控制手柄之间的数据传输和信息交互，机器人快速响应操作者的指令，保证操作的实时性和连贯性从而更好地掌握操作状态和进展情况，这种操作方式可以更好地满足电力机器人在倒闸等任务中的操作要求，提高操作者的工作效率和工作质量。
附图说明
[0039]
图1为本发明的系统结构框图；
[0040]
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0042]
实施例
[0043]
如图1所示，本实施例一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制系统，该系统包括三维力反馈控制手柄1、以及通过数据通信模块2与所述三维力反馈控制手柄1相连接的终端控制子系统3；
[0044]
三维力反馈控制手柄1包括三维力反馈手柄位置信息采集模块11、三维力反馈手
柄控制板12和三维力反馈电机驱动模块13；所述终端控制子系统3包括数据显示模块31、实际机械臂控制模块32、力反馈检测模块32和力反馈计算模块33；
[0045]
其中，三维力反馈手柄位置信息采集模块11采集的位置信息通过数据通信模块2传输至终端控制子系统3，并在数据显示模块31上显示；
[0046]
末端执行器中的受力信息通过数据通信模块2传输至三维力反馈电机驱动模块13，同时，力反馈检测模块32为末端执行器提供力反馈检测服务并获取测量反馈值；
[0047]
力反馈计算模块33实时计算反馈力大小并通过数据通信模块2传输到三维力反馈手柄控制板1，所述三维力反馈手柄控制板12驱动三维力反馈电机驱动模块13，提供实时力反馈。
[0048]
三维力反馈手柄位置信息采集模块11包括陀螺仪、加速度计和位置信息计算子模块；
[0049]
根据陀螺仪和加速度计采集三维力反馈控制手柄1的角速度和加速度，通过位置信息计算子模块计算出三维力反馈控制手柄1的运动角度位置信息。
[0050]
三维力反馈电机驱动模块13根据终端控制子系统3的边缘侧末端执行器和操作环境，由上位机发出指令，通过数据通信模块2传输到三维力反馈手柄控制板12，通过控制伺服电机的位置、速度和加速度参数，对三维力反馈电机进行驱动和控制。
[0051]
力反馈计算模块33根据末端执行器的运动信息、碰撞信息和抓握力信息，实时计算三维力反馈控制手柄1的反馈力大小，并由终端控制子系统3通过数据通信模块2将其反馈力值传输到三维力反馈手柄控制板12，驱动三维力反馈电机驱动模块13输出。
[0052]
力反馈检测模块32获取包括末端执行器所处的运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息；
[0053]
基于所述运动信息，确定在作业过程中末端执行器的运行速度；
[0054]
基于所述碰撞信息，确定作业过程中所述执行器与危险目标之间是否产生碰撞；
[0055]
基于所述抓握力信息，确定作业过程中所述执行器与是否符合设定的最大抓握力范围。
[0056]
数据通信模块2将三维力反馈手柄控制板12与终端控制子系统3通过以太网通信协议实现数据间的通信，串口端口参数由终端控制子系统3配置。
[0057]
接下来，如图2所示，本实施例给出了一种用于上述面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制系统的方法，该方法包括以下步骤：
[0058]
步骤s1、获取远程倒闸作业的基础图像，识别用于末端执行器维修的作业目标和非作业目标；
[0059]
步骤s2、力反馈检测模块32获取包括所述末端执行器所处的运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息；
[0060]
步骤s3、基于所述运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息，确定所述末端执行器的受力信息；
[0061]
步骤s4、基于所述受力信息，控制遥操作端的三维力反馈控制手柄1向运维工人提供与所述受力信息对应的反馈力。
[0062]
运动信息为末端执行器的运行速度，表达式为：
[0063]vt+1
＝(1-γ)(x
·vt
+y
·
f)+γv
t
[0064]
式中，v
t+1
为t+1时刻的末端执行器速度，γ为权重系数，表示当前末端执行器速度变化的权重，x矩阵表征末端执行器速度在运动过程中动态变化规律，v
t
为t时刻的末端执行器速度，y矩阵为机械臂在运动过程中的阻尼、摩擦因素对速度的影响，f为三维力反馈手柄的控制输入力。
[0065]
常矩阵x具体如下：
[0066][0067]
t为时间间隔，m为机械臂的质量，ε为阻尼系数。
[0068]
矩阵y具体如下：
[0069]
y＝e6×
6-a)
·
ε-1
[0070]
e6×6为6
×
6的单位矩阵。
[0071]
碰撞信息包括末端执行器进入约束区域时在三维力反馈控制手柄1上产生的碰撞阻碍力，表达式为：
[0072][0073]
式中，f为碰撞阻碍力，α为常数，di为末端执行器的位置与非作业目标的距离，d
max
为裕量值，pi为末端执行器距离非作业目标最近的各个节点。
[0074]
设置当di的数值超过d
max
时，末端执行器收到的反作用力大小为0，以避免对自由牵引和引导夹具功能的干扰。
[0075]
如果末端执行器发生了碰撞，可以通过测量到的末端执行器位置与非作业目标之间的距离di。如果di等于0，此时末端执行器已经发生了碰撞。di的测量由以下方法实现：
[0076][0077]
其中，r为激光雷达探测到的距离，h为末端执行器的高度，h为激光雷达的高度，β为激光雷达发射的激光束与地面的夹角。
[0078]
当末端执行器与危险目标发生碰撞，对末端执行器除前后移动和旋转之外的4个自由度进行约束，使末端执行器先离开非作业目标，再控制机械臂其他关节沿着路径区域从起点运动到终点。
[0079]
抓握力信息具体为：
[0080]
末端执行器设备上配置的触控传感器实实时检测更新抓握力信息，并与自动与最大限制抓握力σ
max
进行比较；
[0081]
如果抓握力σ大于最大限制抓握力σ
max
，此时作业端只施加σ
max
的力进行运维；
[0082]
倒闸推动手车环节对应的抓握力σ表达式为：
[0083][0084]
式中，m为工具的质量，a为工具的加速度，μ为工具和作业目标之间的摩擦系数，θ为操作角度，i为作业目标的惯性矩，α为作业目标的角加速度，r为作业目标的半径。
[0085]
下表1为倒闸操作各阶段任务σ
max
参数。
[0086]
表1
[0087][0088][0089]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤s1、获取远程倒闸作业的基础图像，识别用于末端执行器维修的作业目标和非作业目标；步骤s2、获取末端执行器所处的运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息；步骤s3、根据所述运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息，确定所述末端执行器的受力信息；步骤s4、根据所述受力信息，控制遥操作端的三维力反馈控制手柄向运维工人提供与所述受力信息对应的反馈力。2.根据权利要求1所述的一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法，其特征在于，所述运动信息为末端执行器的运行速度，表达式为：v
t+1
＝(1-γ)(x
·
v
t
+y
·
f)+γv
t
式中，v
t+1
为t+1时刻的末端执行器速度，γ为权重系数，表示当前末端执行器速度变化的权重，x矩阵表征末端执行器速度在运动过程中动态变化规律，v
t
为t时刻的末端执行器速度，y矩阵为机械臂在运动过程中的阻尼、摩擦因素对速度的影响，f为三维力反馈手柄的控制输入力。3.根据权利要求1所述的一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法，其特征在于，所述碰撞信息包括末端执行器进入约束区域时在三维力反馈控制手柄上产生的碰撞阻碍力，表达式为：式中，f为碰撞阻碍力，α为常数，d
i
为末端执行器的位置与非作业目标的距离，d
max
为裕量值，p
i
为末端执行器距离非作业目标最近的各个节点。4.根据权利要求1所述的一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法，其特征在于，所述抓握力信息具体为：末端执行器设备上配置的触控传感器实实时检测更新抓握力信息，并与自动与最大限制抓握力σ
max
进行比较；如果抓握力σ大于最大限制抓握力σ
max
，此时作业端只施加σ
max
的力进行运维；倒闸推动手车环节对应的抓握力σ表达式为：式中，m为工具的质量，a为工具的加速度，μ为工具和作业目标之间的摩擦系数，θ为操作角度，i为作业目标的惯性矩，α为作业目标的角加速度，r为作业目标的半径。5.一种基于权利要求1～4任一项所述的面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法的系统，其特征在于，该系统包括三维力反馈控制手柄(1)、以及通过数据通信模块(2)与所述三维力反馈控制手柄(1)相连接的终端控制子系统(3)；所述三维力反馈控制手柄(1)包括三维力反馈手柄位置信息采集模块(11)、三维力反馈手柄控制板(12)和三维力反馈电机驱动模块(13)；所述终端控制子系统(3)包括数据显示模块(31)、力反馈检测模块(32)和
力反馈计算模块(33)；其中，所述三维力反馈手柄位置信息采集模块(11)采集的位置信息通过数据通信模块(2)传输至终端控制子系统(3)，并在数据显示模块(31)上显示；末端执行器中的受力信息通过数据通信模块(2)传输至三维力反馈电机驱动模块(13)，同时，力反馈检测模块(32)为末端执行器提供力反馈检测服务并获取测量反馈值；力反馈计算模块(33)实时计算反馈力大小并通过数据通信模块(2)传输到三维力反馈手柄控制板(12)，所述三维力反馈手柄控制板(12)驱动三维力反馈电机驱动模块(13)，提供实时力反馈。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述三维力反馈手柄位置信息采集模块(11)包括陀螺仪、加速度计和位置信息计算子模块；根据陀螺仪和加速度计采集三维力反馈控制手柄(1)的角速度和加速度，通过位置信息计算子模块计算得到三维力反馈控制手柄(1)的运动角度位置信息。7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述三维力反馈电机驱动模块(13)根据终端控制子系统(3)的边缘侧末端执行器和操作环境，由上位机发出指令，通过数据通信模块(2)传输到三维力反馈手柄控制板(12)，通过控制伺服电机的位置、速度和加速度参数，对三维力反馈电机进行驱动和控制。8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述力反馈计算模块(33)根据末端执行器的运动信息、碰撞信息和抓握力信息，实时计算三维力反馈控制手柄(1)的反馈力大小，并由终端控制子系统(3)通过数据通信模块(2)将其反馈力值传输到三维力反馈手柄控制板(12)，驱动三维力反馈电机驱动模块(13)输出。9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述力反馈检测模块(32)获取包括末端执行器所处的运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息；基于所述运动信息，确定在作业过程中末端执行器的运行速度；基于所述碰撞信息，确定作业过程中所述执行器与危险目标之间是否产生碰撞；基于所述抓握力信息，确定作业过程中所述执行器与是否符合设定的最大抓握力范围。10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据通信模块(2)将三维力反馈手柄控制板(12)与终端控制子系统(3)通过以太网通信协议实现数据间的通信，串口端口参数由终端控制子系统(3)配置。

技术总结
本发明涉及一种面向电力机器人倒闸的遥操作力反馈控制方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤S1、获取远程倒闸作业的基础图像，识别用于末端执行器维修的作业目标和非作业目标；步骤S2、获取末端执行器所处的运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息；步骤S3、根据所述运动信息、碰撞信息和/或抓握力信息，确定所述末端执行器的受力信息；步骤S4、根据所述受力信息，控制遥操作端的三维力反馈控制手柄向运维工人提供与所述受力信息对应的反馈力。与现有技术相比，本发明具有安全可靠的优点。本发明具有安全可靠的优点。本发明具有安全可靠的优点。


技术研发人员：冒建亮 郭玮琪 张彦洁 龚俊豪 李茗慧 张传林
受保护的技术使用者：上海电力大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/13