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中国电业【2020年第7期】

  • ID:271850
  • 浏览:5531
  • 学科:产业经济
  • 更新时间:2020-07-17 15:16:34
  • 期刊: 中国电业
内容简介
《中国电业》杂志创办于1950年,是全国电力行业创办时间最早、覆盖面最广、影响最大的杂志。杂志以多种形式准确、及时、深刻地反映电力工业的改革和发展,以深度调查和理论探讨形成独到风格,在国际国内及电力行业内外都有较大影响,在电力媒体中长期处于领军位置。

主从遥操作机器人系统在 配网带电作业中的应用 设计

2020-07-20 16:51:27 产业经济 梁鑫海
资料简介

摘要 : 配网带电作业属于高危工作,随着科技的发展,使用机器人替代工人直接接触电网成为可能。为制造出一款适用于 配网带电作业的 机器人,本文开发 了一套拥有 力觉临场感的主从遥操作系统与之匹配 。研发该系统分为两步:第一 ,依照 ROS开发遥操作系统软件 ;第二 ,构成 主从臂之间的位姿映射模型。最后对样机进行模拟实验。

主从遥操作机器人系统在 配网带电作业中的应用 设计

梁鑫海

国网三明供电公司 365000

摘要配网带电作业属于高危工作,随着科技的发展,使用机器人替代工人直接接触电网成为可能。为制造出一款适用于配网带电作业的机器人,本文开发了一套拥有力觉临场感的主从遥操作系统与之匹配。研发该系统分为两步:第一,依照ROS开发遥操作系统软件;第二,构成主从臂之间的位姿映射模型。最后对样机进行模拟实验。

关键词:配网带电作业机器人;主从异构型遥操作;逆运动学

1 引言

因为配电网负载相对集中、接线复杂、占地面积小,所以配网工作人员必须克服绝缘负荷重、操作检修空间局限性大、高温等问题。如果制造出配网带电作业机器人,就可以替代人工操作避免人员伤亡,未来配网运营维护也必然会有大量这种机器人投入使用。在此基础上,本文提出一种异构型主从遥操作机器人的逆运动学求解方法,完成了实验室环境下的系统试验。

2 遥操作系统软件构架

本文依照ROS点对点的传讯原理,开发了主从遥操作系统程序。系统程序是由力觉传感、主臂、从臂3个子系统组成。

  1. 主臂子系统

主臂子系统有两个功能,第一个是收集主臂末端位置姿态信息,经滤波处理后传导至主控器,第二个是主控器接收从臂末端传来的受力信息并将受力情况映射到主臂末端。

  1. 从臂子系统

从臂子系统有两个功能,第一个是对应主臂末端位置姿态改变情况实现从臂同步动作,第二个是收集从臂关节角度信息,运算并且传导从臂末端位置姿态信息。

  1. 力觉传感子系统

力觉传感子系统能够实现收集从臂末端与物体触碰时产生的力以及力矩,并将其转化为信息同步传导给主臂的要求。图1为机器人操作系统平台下力觉传感子系统结构与信号流。

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图1

3 逆运动学求解方法

开发异构型主从遥操作机器人的关键步骤是构建从臂末端与主臂末端之间的位姿映射模型,图2就是该思路下设计的主臂、从臂模型结构示意图。本文将机械主臂、从臂的末端位置姿态分别建立对应关系,实现了对六自由度机器人的逆运动学问题的分解,将其成功转换成两个三自由度逆运动学问题。

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图2

4 主从机械臂间末端接触力映射方法

为实现主臂与从臂末端受力情况的互相传导,需要运用六维力/力矩传感器采集外界作用力的功能。然后构建主从臂之间的末端接触力/力矩映射模型,完成力信息的传送,达到增强临场感的目标。将从臂末端受到的作用力 fs映射到主臂末端,即:

fm=[fx fy fz]mT=[n,o,a]s·R·[fx fy fz]sT

5 样机实验分析

5.1位姿同步实验

在精确度方面:第一,本方法下开发的异构型主从遥操作机器人,它的逆运动学模型能按照主臂末端位姿计算出从臂各个关节应做出的角度动作,理论上位置的同步率误差在毫米单位,姿态同步率的误差不超过0.3°;第二,本方法构建的遥操作控制系统能使从臂做到对主臂位姿的精确同步,实际位置同步率误差控制在毫米单位,姿态同步率误差不超过1.15°。

在误差来源方面:第一,遥操作系统在信息处理上存在延迟。第二,不是所有机器人操作系统平台都是即时平台。第三,从臂关节重量大,主臂重量小,从臂末端运动是由关节转动耦合而成,主臂末端运动是由实验人员直接驱动,所以从臂的工作频率低于主臂,从臂不能接收主臂生成位姿信号中的高频部分,关节空间一直存在延迟。

5.2力反馈同步实验

实验结果说明,本方法下开发的遥操作系统拥有一定的力觉临场感,实验人员能够在具体操作中感觉到从臂与外界物体触碰时,物体作用在从臂末端的力。

6 结论

本文开发了一套拥有力觉临场感的主从遥操作系统,该系统将主臂末端位置映射于从臂手腕位置,将主臂末端姿态映射于从臂末端姿态,构成主从臂之间的位姿映射模型,并达到了主臂与从臂的位置姿态相互转换、主臂与从臂受力情况相互传递的目的。该系统能促进机器人在配网带电作业方面的运用和研发,减少相关工作人员的伤亡。

参考文献

[1]戚晖.高压带电作业机器人及其跟踪装配系统的研究[D].天津:天津

大学,2003.

[2]贠今天,从敬德.主从遥操作机器人系统的附加反馈力补偿方法[J]. 天津工业大学学报,2018,37(1):74-82

[3]严水峰.主从异构型遥操作机器人工作空间映射与运动控制研究[D]. 杭州:浙江大学,2017

作者简介:

梁鑫海,男,汉,1988年6月-,福建泉州,国网三明供电公司 ,本科,工程师,电气工程及其自动化,

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