用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統和控制方法與流程

2023-06-19 21:03:46 3

本發明涉及電力巡視領域，特別是指一種用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統和控制方法。

背景技術：

近年來，在電力巡視領域，巡線機器人得到越來越多的關注和應用。巡線機器人遠離地面懸掛在線路上，完成巡視、監測、檢修等工作，大大提高了電力巡視的效率和安全性，為電力系統正常運行提供了保證。

巡線機器人在線路上工作時，需要地面工作人員對其發出指令進行控制。現有的巡線機器人控制主要通過兩種方式實現：

(1)遠距離遙控控制：地面工作人員通過手柄、搖杆或計算機控制巡線機器人，給巡線機器人發出動作指令。這種控制方式原理簡單，容易實現，缺點是控制過程不夠直觀，由於高壓輸電線路工作環境複雜多變，單純採用遙控控制不能使機器人精確完成某些動作。

(2)編程控制：根據線路的規格，預先將機器人需要執行的指令存儲到巡線機器人上，這樣，在線路上工作時，巡線機器人將依據到達的區域執行特定的命令。這種巡線機器人在一定程度上能實現自主控制，但是由於線路規格複雜多變，且機器人視覺並沒有發展到能夠識別全部障礙或故障的程度，因此這種控制往往需要人的介入。

技術實現要素：

本發明提供一種用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統和控制方法，能模擬人的雙眼視覺，控制過程直觀，保證巡線作業準確、高效進行。

為解決上述技術問題，本發明提供技術方案如下：

一方面，本發明提供一種用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統，包括模擬機械臂、工作機械臂、用於採集視頻信號的攝像機、第一控制板、第二控制板、第一無線模塊、第二無線模塊和視頻眼鏡，其中：

所述工作機械臂用於在現場執行操作，所述攝像機的數據輸出端連接所述第一無線模塊或者所述攝像機的數據輸出端連接所述第一控制板，所述第一控制板連接所述第一無線模塊和所述工作機械臂；

所述模擬機械臂用於遠程控制所述工作機械臂，所述模擬機械臂的輸出端連接所述第二控制板，所述第二控制板連接所述第二無線模塊和所述視頻眼鏡。

進一步的，所述模擬機械臂依據所述工作機械臂按一定比例製作，所述模擬機械臂包括鉸接設置在一底座上的第一連架杆，所述第一連架杆的末端鉸接有第一上臂，所述第一上臂的末端鉸接有第一小臂，所述第一小臂的末端鉸接有第一機械手，所述底座、第一連架杆、第一上臂、第一小臂和第一機械手的鉸接處均設置有測量旋轉角度的傳感器；

所述工作機械臂包括鉸接設置在所述巡線機器人的機架上的第二連架杆，所述第二連架杆的末端鉸接有第二上臂，所述第二上臂的末端鉸接有第二小臂，所述第二小臂的末端鉸接有第二機械手，所述機架、第二連架杆、第二上臂、第二小臂和第二機械手的鉸接處均設置有驅動裝置；

所述模擬機械臂的控制電路包括所述第二控制板，所述第二控制板的輸入端連接所述傳感器，所述第二控制板的輸出端經轉換板連接有第一通訊模塊；

所述工作機械臂的控制電路包括所述第一控制板，所述第一控制板的輸入端連接有與所述第一通訊模塊進行通信的第二通訊模塊，所述第一控制板的輸出端分別經驅動板連接所述驅動裝置。

進一步的，所述攝像機包括前攝像機和後攝像機，所述攝像機的攝像頭由可見光攝像頭和紅外攝像頭組成，所述第二無線模塊接收攝像機的信號後傳輸至所述視頻眼鏡的顯示器上，所述前攝像機和後攝像機獲得的圖像信息發送至兩副不同的視頻眼鏡上或發送至同一副視頻眼鏡上，所述攝像機設置在雲臺上，所述攝像機的數量為兩組以上。

進一步的，所述第二控制板的輸出端還連接有供工作人員觀看的顯示器，所述第二控制板還連接有手柄，所述可見光攝像頭和紅外攝像頭的方向通過點擊顯示器的方向箭頭或調整手柄進行控制。

進一步的，所述第一機械手包括一對第一手指，所述第一手指包括相鉸接的第一節和第二節，所述第一節和第二節之間也設置有測量角度的傳感器；

所述第二機械手包括一對相互鉸接第二手指，所述第二手指的鉸接處也設置有驅動裝置，所述第二手指採用嚙合不完全齒輪相互連接，或者採用獨立驅動。

進一步的，所述模擬機械臂的各鉸接處均採用阻尼關節，所述阻尼關節包括設置在相鄰兩臂鉸接處的蓋板、螺杆和所述傳感器，其中：

所述相鄰兩臂包括第一臂和第二臂，所述相鄰兩臂的鉸接處設置有限位結構，所述蓋板包括中空的蓋板帽和設置在所述蓋板帽上的圓環狀凸臺，所述凸臺穿過所述第一臂的鉸接孔與所述第二臂的上表面接觸，所述蓋板和第一臂之間、所述第二臂和第一臂之間均設置有圓環形摩擦片，所述螺杆為中空螺杆，所述中空螺杆穿過所述蓋板和第一臂的鉸接孔，連接至所述第二臂的鉸接孔，將所述蓋板和第一臂鉸接在所述第二臂上；

所述傳感器包括基部和位於所述基部上的轉動軸，所述轉動軸自所述第二臂的鉸接孔穿入，從所述中空螺杆中伸出，所述傳感器上端配有傳感器軸套，所述傳感器的轉動軸固定在所述傳感器軸套上，所述傳感器軸套固定在所述第一臂上，所述傳感器的基部固定在所述第二臂上。

進一步的，所述傳感器為電位器或旋轉編碼器，所述限位結構為位於所述第二臂與第一臂的接觸面邊緣的限位凸臺，所述第一臂相對於所述第二臂位於轉角範圍內的任意角度；

所述蓋板的圓環狀凸臺的末端表面設置有若干等距的第一圓柱突起，所述第二臂的上表面設置有與所述第一圓柱突起相適應的第一卡槽；所述傳感器的基部與所述第二臂接觸的表面上設置有第二圓柱突起，所述第二臂上設置有與所述第二圓柱突起相適應的第二卡槽。

進一步的，所述第二控制板的輸出端經轉換板與第一通訊模塊、第二通訊模塊與第一控制板均通過串口連接。

另一方面，本發明還提供一種上述的用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統的控制方法，包括：

步驟1：所述攝像機監測巡線線路狀況和所述工作機械臂的作業狀況，將採集到的視頻信號實時傳輸至所述第一無線模塊，地面上的第二無線模塊接收視頻信號經由所述第二控制板輸送至視頻眼鏡；

步驟2：工作人員通過步驟1中視頻眼鏡的信號，用手操作模擬機械臂，所述模擬機械臂的第二控制板採集所述傳感器的數值，所述第一通訊模塊將採集到的所述傳感器的數值實時發送給所述工作機械臂的第二通訊模塊；

步驟3：所述工作機械臂上的第二通訊模塊接收數據信號後，通過所述第一控制板解析接收到的數據，然後發送相應的脈衝給不同部位的所述驅動裝置，所述驅動裝置轉動相應的角度。

其中，所述步驟2中，所述第一通訊模塊使用編號+傳感器的數據方式發送所述傳感器的數值。

本發明具有以下有益效果：

本發明的用於巡線機器人機械臂的虛擬實境監測控制系統和控制方法，工作時巡線機器人上的攝像機將採集到的現場視頻信號經由控制板通過第一無線模塊傳輸至地面的第二無線模塊，地面上的第二無線模塊將攝像機採集到的信息經由控制板傳輸至視頻眼鏡上，模擬人的雙眼視覺，使控制過程更加直觀。根據巡線機器人實時傳輸的畫面，地面工作人員可以通過模擬機械臂遙控巡線機器人上的機械臂，精準地完成檢修、清理等工作，保證巡線作業準確、高效進行。

附圖說明

圖1為本發明的用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統的工作原理圖；

圖2為本發明的用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統的前攝像頭髮送視頻信號原理圖；

圖3為本發明的用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統的視頻接收原理圖；

圖4為本發明的模擬機械臂的結構示意圖；

圖5為本發明的巡線機器人的結構示意圖；

圖6為本發明的工作機械臂的機械手的嚙合連接示意圖；

圖7為本發明的用於模擬機械臂的阻尼關節的整體結構示意圖；

圖8為本發明的用於模擬機械臂的阻尼關節的整體結構爆炸圖；

圖9為本發明的用於模擬機械臂的阻尼關節的蓋板、第一臂和第二臂的連接爆炸圖；

圖10為本發明的模擬機械臂的控制電路示意圖；

圖11為本發明的工作機械臂的控制電路示意圖。

具體實施方式

為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。

一方面，本發明提供一種用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統，如圖1-11所示，包括模擬機械臂1、工作機械臂2、用於採集視頻信號的攝像機3、第一控制板4、第二控制板5、第一無線模塊6、第二無線模塊7和視頻眼鏡8，其中：

工作機械臂2用於在現場執行操作，攝像機3的數據輸出端連接第一無線模塊6或者攝像機3的數據輸出端連接第一控制板4，第一控制板4連接第一無線模塊6和工作機械臂2，攝像機將現場畫面先傳輸到控制板做識別處理，然後再傳輸到無線發送模塊，這種流程主要用於巡線機器人需要做自主識別的情況，例如機器人可能需要自主識別線路上的絕緣子、懸垂線夾等線路設施並做標記；

模擬機械臂1用於遠程控制工作機械臂2，模擬機械臂1的輸出端連接第二控制板5，第二控制板5連接第二無線模塊7和視頻眼鏡8。

本發明的用於巡線機器人機械臂的虛擬實境監測控制系統，工作時巡線機器人上的攝像機將採集到的現場視頻信號經由控制板通過第一無線模塊傳輸至地面的第二無線模塊，地面上的第二無線模塊將攝像機採集到的信息經由控制板傳輸至視頻眼鏡上，模擬人的雙眼視覺，使控制過程更加直觀。根據巡線機器人實時傳輸的畫面，地面工作人員可以通過模擬機械臂遙控巡線機器人上的機械臂，精準地完成檢修、清理等工作，保證巡線作業準確、高效進行。

進一步的，模擬機械臂1依據工作機械臂2按一定比例製作，模擬機械臂1包括鉸接設置在一底座9上的第一連架杆10，第一連架杆10的末端鉸接有第一上臂11，第一上臂11的末端鉸接有第一小臂12，第一小臂12的末端鉸接有第一機械手13，底座9、第一連架杆10、第一上臂11、第一小臂12和第一機械手13的鉸接處均設置有測量旋轉角度的傳感器14；

工作機械臂2包括鉸接設置在巡線機器人的機架15上的第二連架杆16，第二連架杆16的末端鉸接有第二上臂17，第二上臂17的末端鉸接有第二小臂18，第二小臂18的末端鉸接有第二機械手19，機架15、第二連架杆16、第二上臂17、第二小臂18和第二機械手19的鉸接處均設置有驅動裝置；

模擬機械臂1的控制電路包括第二控制板5，第二控制板5的輸入端連接所述傳感器20，第二控制板5的輸出端經轉換板21連接有第一通訊模塊22；

工作機械臂2的控制電路包括第一控制板4，第一控制板4的輸入端連接有與第一通訊模塊22進行通信的第二通訊模塊23，第一控制板4的輸出端分別經驅動板24連接所述驅動裝置25。工作時作業人員用手操縱模擬機械臂，通過採集模擬機械臂上傳感器的值，傳輸至工作機械臂的控制板，控制板根據傳感器值的變化量，控制對應的驅動機構轉動相應的角度，這樣，模擬機械臂的動作便映射到了巡線機器人的工作機械臂上，實現了無線模擬控制。

優選的，攝像機3包括前攝像機和後攝像機，攝像機3的攝像頭由可見光攝像頭和紅外攝像頭組成，第二無線模塊7接收攝像機3的信號後傳輸至視頻眼鏡8的顯示器上，前攝像機和後攝像機獲得的圖像信息發送至兩副不同的視頻眼鏡8上或發送至同一副視頻眼鏡8上，攝像機3設置在雲臺26上，攝像機3的數量為兩組以上。前攝像頭和後攝像頭分別監控前後兩部分視野範圍，當前攝像機和後攝像機獲得的圖像信息發送至兩副不同的視頻眼鏡上時，要變換巡線機器人的視野，只需更換眼鏡即可，這樣兩位工作人員可分別佩戴一副視頻眼鏡分別監測巡線機器人的前後部分；當前攝像機和後攝像機獲得的圖像信息發送至同一副視頻眼鏡上時，視頻的切換按鈕可以設置在控制器上、視頻眼鏡上或獨立手柄上，這樣工作人員不需要更換眼鏡即可切換監測畫面。

優選的，第二控制板5的輸出端還連接有供工作人員觀看的顯示器27，可見光攝像頭和紅外攝像頭的方向通過點擊顯示器27的方向箭頭或調整手柄28進行控制，這種方法更直觀。

進一步的，第一機械手13包括一對第一手指29，第一手指29包括相鉸接的第一節和第二節，第一節和第二節之間也設置有測量角度的傳感器，這種結構方便工作人員操作一對第一手指的張開和閉合；

第二機械手19包括一對相互鉸接第二手指30，第二手指30的鉸接處也設置有驅動裝置，第二手指30採用嚙合不完全齒輪相互連接，或者採用獨立驅動，採用嚙合不完全齒輪相互連接只需要在其中一個第二手指安裝驅動機構，另一個第二手指由於嚙合關係會反方向張開或閉合。

進一步的，模擬機械臂1的各鉸接處均採用阻尼關節，阻尼關節包括設置在相鄰兩臂鉸接處的蓋板31、螺杆32和傳感器14，其中：

相鄰兩臂包括第一臂33和第二臂34，相鄰兩臂的鉸接處設置有限位結構，蓋板31包括中空的蓋板帽35和設置在蓋板帽35上的圓環狀凸臺36，凸臺36穿過第一臂33的鉸接孔與第二臂34的上表面接觸，蓋板31和第一臂33之間、第二臂34和第一臂33之間均設置有圓環形摩擦片37，螺杆32為中空螺杆，中空螺杆穿過蓋板31和第一臂33的鉸接孔，連接至第二臂34的鉸接孔，將蓋板31和第一臂33鉸接在第二臂34上；

傳感器14包括基部38和位於基部38上的轉動軸39，轉動軸39自第二臂34的鉸接孔穿入，從中空螺杆中伸出，傳感器14上端配有傳感器軸套40，傳感器14的轉動軸39固定在傳感器軸套40上，傳感器軸套40固定在第一臂33上，傳感器14的基部38固定在第二臂34上。這種結構既能使第一臂相對於第二臂在轉角範圍內自由轉動，又能對模擬機械臂施加預緊力，使機械臂保持特定姿態。

作為本發明的一種改進，傳感器14為電位器或旋轉編碼器，電位器的轉角範圍為0～300°，限位結構為位於第二臂34與第一臂33的接觸面邊緣的限位凸臺41，第一臂33相對於第二臂34的轉角範圍限定在0～300°之間的任意角度。限位凸臺限定了轉角範圍，防止超出傳感器的轉角範圍對傳感器本身造成傷害，也防止人手的誤操作導致工作機械臂做出不可預測的動作；

蓋板31的圓環狀凸臺36的末端表面設置有若干等距的第一圓柱突起42，第二臂34的上表面設置有與第一圓柱突起42相適應的第一卡槽43；傳感器14的基部38與第二臂34接觸的表面上設置有第二圓柱突起44，第二臂34上設置有與第二圓柱突起44相適應的第二卡槽(未示出)。這樣蓋板與第二臂不會產生相對滑動，傳感器的主體和第二臂也不會相對轉動。

本發明中，第二控制板5的輸出端經轉換板21與第一通訊模塊22、第二通訊模塊23與第一控制板4均通過串口連接，可以實時發送和接收傳感器的數據。

另一方面，本發明還提供一種上述的用於巡線機器人的虛擬實境監測控制系統的控制方法，包括：

步驟1：攝像機3監測巡線線路狀況和工作機械臂2的作業狀況，將採集到的視頻信號實時傳輸至第一無線模塊6，地面上的第二無線模塊7接收視頻信號經由第二控制板5輸送至視頻眼鏡8；

步驟2：工作人員通過步驟1中視頻眼鏡8的信號，用手操作模擬機械臂1，如圖10所示，模擬機械臂1的第二控制板5採集傳感器20的數值，第一通訊模塊22將採集到的傳感器20的數值實時發送給工作機械臂2的第二通訊模塊23；

步驟3：如圖11所示，工作機械臂2上的第二通訊模塊23接收數據信號後，通過第一控制板4解析接收到的數據，然後發送相應的脈衝給不同部位的驅動裝置25，驅動裝置25轉動相應的角度。

本發明的用於巡線機器人機械臂的虛擬實境監測控制系統的控制方法，工作時巡線機器人上的攝像機將採集到的現場視頻信號經由控制板通過第一無線模塊傳輸至地面的第二無線模塊，地面上的第二無線模塊將攝像機採集到的信息經由控制板傳輸至視頻眼鏡上，模擬人的雙眼視覺，使控制過程更加直觀。根據巡線機器人實時傳輸的畫面，地面工作人員可以通過模擬機械臂遙控巡線機器人上的機械臂，精準地完成檢修、清理等工作，保證巡線作業準確、高效進行。

優選的，步驟2中，第二控制板5連續獲得五次傳感器的當前值，使用冒泡算法取中間值作為當前傳感器的數值。這樣可以減小採集到的傳感器數值的波動誤差。

進一步的，步驟2中，第一通訊模塊22使用編號+傳感器的數據方式發送傳感器20的數值。這種方式可以有效發送第二控制板獲取的多組傳感器的數值。

以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。