[发明专利]一种带电作业机器人的母线金具螺丝锁卸设备及其锁卸方法

权利要求书

1.一种带电作业机器人的母线金具螺丝锁卸设备，包括绝缘斗臂车(8)，架设于绝缘斗臂车(8)上的斗臂车工作臂(7)，其特征在于：所述斗臂车工作臂(7)上设有作业平台(6)，所述作业平台(6)上设有三维扫描仪(3)、从动机械臂(2)、锁/卸电动螺丝机构(5)、主动机械臂(1)及等电位杆(4)，所述主动机械臂(1)的前部设有主动机械臂双目摄像头(51)，所述从动机械臂(2)的前部设有从动机械臂(2)双目摄像头(21)，所述锁/卸电动螺丝机构(5)安装在主动机械臂(1)的末端。

2.根据权利要求1所述的带电作业机器人的母线金具螺丝锁卸设备的锁卸方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：开始；操作人员将绝缘斗臂车(8)开往变电站检修的工作位，通过对斗臂车工作臂(7)的起升，调整工作斗的空间位置，直至待检修金具处于双机械臂的作业范围以内；

第二步：等电位操作；操作人员在远端监控站点击拆装金具按钮后，从动机械臂(2)从上平台指定位置夹持等电位杆(4)并挂扣于管型母线(10)上，以此实现双机械臂基体与高压线的等电位；等电位操作完毕后，从动机械臂(2)自动复位；

第三步：三维重构；从动机械臂(2)从初始位置开始运动，其末端执行器在上平台指定位置抓取三维扫描仪(3)，并对现场的环境进行局部扫描，并将扫描图像传输至工控机；扫描完毕后，工控机根据预设图像处理算法及扫描数据，自动计算出主机械臂末端与母线金具螺孔之间的相对距离以及从机械臂与软母线端子的相对距离；同时，程序自动建立周边设备的三维模型，并对环境内几何特征鲜明的物体进行标识，并标识出机械臂作业的安全空间；该模型也会被传输到远端监控站以供操作人员监视；之后，从动机械臂的末端执行器将三维扫描仪(3)放回工具箱，并自动复位；

第四步：抓持软母线；首先执行粗调阶段，根据之前构建的三维重构模型，计算软母线端子(9)与从动机械臂(2)的空间相对坐标，并依据机械臂作业的安全空间，规划从动机械臂的运动路径，使之末端执行器快速移动到软母线端子(9)附近；考虑到工作斗在机械臂的运动过程中会发生抖振，仅通过粗调阶段无法实现从动机械臂的对软母线端子(9)的准确抓持；因此，在粗调阶段结束后，依靠双目摄像头自动进行精调阶段，此时，从动机械臂(2)上的双目摄像头动态搜寻软母线端子(9)，再次通过图像处理，解算出软母线端子(9)与从动机械臂末端的相对距离；此时，工控机下发控制数据，从动机械臂反复修正其空间位姿，并缓缓移动至软母线端子(9)处，利用末端机械爪准确夹持软母线端子；

第五步：拆卸螺丝；该工序可分为三个阶段，即粗调阶段、精调阶段和拆卸阶段，且每次仅拆卸一个螺丝；首先执行粗调阶段，利用第三步中产生的三维重构结果，解算主动机械臂(1)与母线金具(11)的相对距离，在考虑当前从动机械臂(2)空间位姿及其它电器设备空间位姿的前提下，规划主动机械臂(1)的运动路径，使之末端执行器快速到待拆卸金具附近；考虑到工作斗在机械臂的运动过程中会发生抖振，仅通过粗调阶段无法实现主动机械臂精确定准金具螺孔，因此，在粗调阶段结束后，自动进行精调阶段；此时，主动机械臂双目摄像头(51)动态搜寻母线金具螺丝，再次通过对母线金具的图像处理，标识母线金具螺孔，并解算主动机械臂(1)末端与母线金具螺孔之间的相对距离；此时，工控机下发控制数据，主动机械臂(1)反复修正其空间位姿，缓缓对准母线金具上的螺孔并利用末端的锁卸螺丝工装对金具螺丝进行卡扣；最后，主动机械臂(1)利用末端的锁/卸电动螺丝机构(5)拆卸金具上的螺丝，并将已拆卸下的螺丝缓缓放入上平台备料盒中；金具上其它三个螺丝的拆卸过程可类比上述过程；

第六步：软母线入架；夹持有软母线的从动机械臂(2)按规划运动路径运动至工作斗的专用软母线架，并置软母线于专用软母线架上，且固定，之后从动机械臂(2)自动复位；

第七步：结束等电位；从动机械臂(2)夹持挂扣于管型母线(10)上的等电位杆(4)，使其脱离管型母线(10)，并将其重新安置在指定位置，以此结束双机械臂基体与高压线的等电位；

第八步：软母线接地；通过对斗臂车工作臂(7)的降下操作，使得工作斗接近于地面；此时，操作人员从专用软母线架中拾取软母线，并手动接地；

第九步：人工检修；待第八步操作完毕后，下部分检修装置已断电，工作环境已达到安全状态；因此，可通过人工介入的方式对下部分检修装置实施其它操作；

第十步：回置母线；待人工操作完毕后，操作人员需要将已接地的软母线重置于软母线架上；

第十一步：等电位与三维重构；通过对斗臂车工作臂(7)的起升，调整工作斗的空间位置，直至待检修装置处于双机械臂的作业范围以内；重复执行第二步所述的等电位操作；由于工作斗的空间绝对位置相对于上一次操作的所处位置会出现变化，因此重复执行第三步所述的三维扫描操作；

第十二步：抓持软母线；从动机械臂(2)按已规划的运动路径运动到工作斗的专用软母线架附近，抓持软母线；

第十三步：对准金具(11)；该工序可分为两个阶段，即粗调阶段与精调解阶段；首先执行粗调阶段，利用第十一步中产生的待检测装置三维扫描结果，计算从动机械臂(2)与金具(11)的相对坐标，规划从动机械臂的运动路径，使之末端执行器快速移动到待装配的母线金具(11)附近；在粗调阶段结束后，自动执行精调阶段；此时，从动机械臂上的双目摄像头动态搜寻并定位金具(11)上的4个螺孔，通过在运动过程中的图像处理，反复修正从动机械臂(2)末端执行器的空间位姿，最终确保软母线母线端子螺孔与金具(11)下螺孔的精确配合；

第十四步：锁螺丝；主动机械臂(1)从初始位姿开始运动，在上平台上专用的备料盒中夹持专用的锁卸螺丝工装(5)自动装配新的螺栓和螺母后，开始执行后续操作；将后续过程主要分为两个阶段，即粗调阶段与精调阶段，且每次仅装配一个螺丝；首先执行粗调阶段，利用第十一步中产生的待检测装置三维扫描结果，计算主动机械臂与金具(11)的相对坐标，在考虑当前从动机械臂空间位姿及其他电器设备空间位姿的前提下，规划主动机械臂的运动路径，使之末端执行器快速移动到母线金具(11)附近；粗调阶段结束后，自动执行精调阶段；此时，主动机械臂(1)上的双目摄像头动态搜寻并定位金具(11)上的螺孔，通过在运动过程中的图像处理，反复修正主动机械臂末端执行器的空间位姿，并缓缓对准母线金具(11)螺孔，直至对金具(11)上的螺孔准确定位并插入；利用主动机械臂(1)末端的锁/卸电动螺丝机构(5)锁金具(11)上的螺丝，金具(11)上的其它三个螺丝的装配过程可类比上述过程；

第十五步：结束等电位；同第六步；

第十六步：结束；重复执行第十一步和第十五步操作,以此完成三相管母线中其它两个装置的安装工作；待所有检修工作完毕后，通过对斗臂车工作臂(7)的降下操作，使得工作斗收回，并将绝缘斗臂车驶出变电站，结束检修。

3.根据权利要2所述的带电作业机器人的母线金具螺丝锁卸设备的锁卸方法，其特征在于：所述第四步、第五步、第十三步、第十四步中的精调阶段之前首先需要对摄像头进行标定，标定过程涉及3种坐标系，分别是世界坐标系(X_w,Y_w,Z_w)，图像坐标系(u，00，v)和摄像机坐标系系(x，y，z)，世界坐标系是摄像机坐标系的位置参考，当进行双目立体标定时，左摄像头光心与世界坐标系原点重合，图像坐标系分为像素坐标系(u，00，v)，和物理坐标系(X，01，Y)，二者坐标系原点不同，摄像机坐标与世界坐标之间可以用式(1)来描述；

其中[Xw,Yw,Zw,1]为世界坐标系下P点的齐次坐标，[x,y,z,1]为摄像机坐标系下P的齐次坐标；

R为从摄像机坐标到世界坐标的3*3旋转矩阵，T为从摄像机坐标到世界坐标的3*1平移矩阵矩阵，具体R、T的可表示为：

其中，α，β，γ为三轴旋转角度，x₀，y₀，z₀为三轴平移量；

摄像机坐标系中的P点物理坐标系表示如式(4)所示；

X＝fx/z，Y＝fy/z (4)

其中X，Y为图像坐标系下，P点的物理坐标；f为摄像机的焦距；x，y，z为摄像机坐标系下P点的坐标；

像素坐标系和物理坐标系间关系如式(5)所示；

v＝v₀+Y/dY，u＝u₀+X/dX (5)

(u,v)为像素坐标系坐标，(u₀,v₀)为相机主点坐标，分别为每个像素在X，Y轴方向的尺寸；

因此，整理式(3)、式(4)和式(5)可得世界坐标系和图像坐标系的关系表达为式(6)：

f_x、f_y是分别为f在X、Y轴方向的等效分量化简式(6)，像素坐标系与世界坐标系的关系如式(7)所示；

M₁为内参数矩阵，涉及相机焦距和主点坐标等；M₂为外参数矩阵，涉及旋转矩阵R和平移矩阵T；R为3x3的矩阵，包含3个欧拉角α，β，γ；T为3x1的矩阵，表示在x、y、z轴三个方向上2个摄像机光心间的平移量，包含x。、y。、z。三个分量。