特高壓換流站立式絕緣子清洗機器人機械手視覺伺服定位控制

嚴 宇，江 維，張 安，李紅軍

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 檢修公司，湖南 長沙 410004；2.武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430073;3.工業(yè)雷管智能裝配湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430073）

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，各地區(qū)電力能源互聯(lián)關(guān)系越來越緊密，作為在高壓輸電系統(tǒng)中完成交流電變換為直流電或者將直流電變換為交流電轉(zhuǎn)換的重要裝備，特高壓變流站[1-4]對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行及電能質(zhì)量的提升具有至關(guān)重要的作用，可以說特高壓變流站是我國電力系統(tǒng)大規(guī)模輸送清潔能源的“落點站”和“源動力”。由于換流站特殊的超強電磁場環(huán)境和惡劣的自然環(huán)境，站內(nèi)設(shè)備尤其是立式絕緣子表面污穢嚴重，容易產(chǎn)生絕緣子污閃現(xiàn)象[5-8]，顯著降低了絕緣子的憎水性能和電氣性能，給換流站設(shè)備安全運行帶來極大的安全隱患，因此，為保證特高壓換流站的正常穩(wěn)定運行，需要定期和不定期的對站內(nèi)立式絕緣子串進行清洗作業(yè)。

根據(jù)絕緣子清掃方式主要可分為停電清掃[9-10]和帶電清掃[11-12]兩種途徑，停電清掃需專業(yè)人員在作業(yè)區(qū)域停電時攜帶擦拭工具攀爬至設(shè)備上進行絕緣子的清掃，勞動強度大，清洗效果差，為解決此類問題， 國內(nèi)外多家機構(gòu)很早就開始進行絕緣子表面污穢清掃作業(yè)研究，具有一定代表性的就是高壓絕緣子清洗機器人的研究[13-14]，然而，在絕緣子清洗機構(gòu)與機器人的設(shè)計與開發(fā)方面多見于輸電線路懸垂絕緣子清洗機器人的研發(fā)，其主要是通過毛刷和攀爬機構(gòu)實現(xiàn)懸垂絕緣子的清洗，機器人主要依賴于人工操控，智能行為能力較弱，為進一步提高特高壓換流站立式絕緣子機器人的清洗效率，立式絕緣子的自動識別與定位是第一步，它是機器人視覺伺服控制的基礎(chǔ)。目前絕緣子識別的主要方法通過視覺處理算法實現(xiàn)，如常用的CANNY算子[15-16]，改進CANNY算子[17-18]，Hough變換[19-20]等，上述算法在一定程度上解決了絕緣子的識別問題，但是識別精度、以及算法的效率需要進一步的深入研究，更重要的是將視覺識別算法用于機器人機械手視覺伺服控制是提升機器人作業(yè)智能行為能力的關(guān)鍵。因此，尋求一種智能的方法獲取實現(xiàn)絕緣子的在線識別與定位是絕緣子清洗機器人研究中的一項重要關(guān)鍵技術(shù)。

基于此研究背景，為實現(xiàn)絕緣子自主識別定位與清洗，進一步提高特高壓絕緣子清洗的作業(yè)效率，保障特高壓換流站穩(wěn)定運行，本文設(shè)計了一種絕緣子清洗機器人，該機器人通過移動機載平臺，搭載具有多自由度的機械臂系統(tǒng)，通過機載平臺運動接近達立式絕緣子，然后通過機械手上搭載的攝像頭獲取作業(yè)環(huán)境照片，根據(jù)絕緣子的幾何特性，提出了一種基于最小二乘法的立式絕緣子識別與定位算法，并用于機器人機械手的視覺伺服控制，通過多自由度機械臂系統(tǒng)的伸縮、旋轉(zhuǎn)、橫移、縱移等基本動作，將機械臂末端自主送入作業(yè)空間，實現(xiàn)立式絕緣子串的自主識別與定位，通過位于末端上的兩組高壓噴頭對絕緣子串進行噴水清洗作業(yè)，由規(guī)范的作業(yè)流程從上到下，由下到上進行清洗作業(yè)，最后，開發(fā)了特高壓換流站立式絕緣子清洗機器人物理樣機，通過現(xiàn)場運行驗證了本文所提出的絕緣子識別算法及絕緣子清洗機器人視覺伺服控制的有效性和工程實用性，為實現(xiàn)換流站的智能穩(wěn)定運行提供了有力技術(shù)保障。

1 絕緣子清洗機器人機構(gòu)設(shè)計與清洗運動規(guī)劃

1.1 立式絕緣子作業(yè)環(huán)境與結(jié)構(gòu)分析

如圖 1所示為立式絕緣子串的結(jié)構(gòu)示意圖，立式絕緣子串由多片單片絕緣子構(gòu)成，立式絕緣子主要分為頂部、中部、底部三個部分，機器人在進行絕緣子串清洗的時候?qū)θ齻€部分輪番沖洗，機械手通過搭載的攝像頭獲取環(huán)境信息，對絕緣子進行捕捉與定位，由于機械臂的不同運動狀態(tài)導(dǎo)致末端不同位姿，從而導(dǎo)致攝像頭與絕緣子之間不同視角，理論上講，所獲取的絕緣子邊緣主要有圓形、橢圓形、弧邊梯形等三種形態(tài)，分別對應(yīng)攝像頭與絕緣子之間的成像角度為正視圖、俯視圖和側(cè)視圖三種，由于攝像頭在機械臂上的安裝位置是固定的和已知的，因此，通過轉(zhuǎn)換，可以得到機械臂與作業(yè)對象絕緣子的位姿關(guān)系，從而實現(xiàn)機器人的視覺伺服定位控制。

圖1 立式絕緣子串的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 絕緣子清洗機器人的實體結(jié)構(gòu)圖

1.2 絕緣子清洗機器人機構(gòu)設(shè)計

通過絕緣子清洗需求分析，設(shè)計如圖2所示的絕緣子清洗機器人機構(gòu)，整個機器人系統(tǒng)包含兩個部分，第一部分為車載平臺系統(tǒng)即移動機器人，第二部分為機械臂系統(tǒng)，其中車載移動平臺可以搭載機械臂通過履帶在地面行駛，并接近特高壓立式絕緣子串，當(dāng)車載平臺定位到絕緣子串附近后，車載平臺停止前進，此時機械臂系統(tǒng)開始動作，機械臂系統(tǒng)是一個5-DOF機構(gòu)，包含伸縮關(guān)節(jié)1，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1，伸縮關(guān)節(jié) 2，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1，俯仰關(guān)節(jié)，總共 5個關(guān)節(jié)，末端呈大夾爪的形式，作業(yè)過程中，通過5-DOF機械臂系統(tǒng)各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動將作業(yè)末端送至工作位，將立式絕緣子卡在作業(yè)末端夾爪正中心，通過俯仰、旋轉(zhuǎn)、伸縮關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動和高壓噴嘴，對立式絕緣子上下來回進行多輪清洗作業(yè)。

1.3 絕緣子清洗機器人清洗運動規(guī)劃

特高壓絕緣子清洗機器人的作業(yè)運動規(guī)劃主要分為以下幾個部分，首先車載平臺搭載作業(yè)臂系統(tǒng)通過履帶在地面上移動靠近絕緣子串如圖3（a）所示，當(dāng)可以通過伸縮機構(gòu)伸長作業(yè)末端能夠?qū)⒔^緣子串卡在末端夾爪中央時，車載平臺停止運動如圖3（b）所示，然后機械臂兩個伸縮關(guān)節(jié)伸長，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，將作業(yè)末端送到工作區(qū)，并將立式絕緣子串卡在末端中央，從頂部開始如圖 3（d），到中部如圖 3（e），再到底部如圖3（f）通過位于末端上的兩組高壓噴頭水槍對絕緣子進行水沖洗作業(yè)，在完成由上到下的一輪清洗作業(yè)后，根據(jù)絕緣子表面污穢的殘留情況，重復(fù)此過程完成對絕緣子的多輪清洗作業(yè)，直到絕緣子污穢清洗干凈或滿足性能絕緣子電氣性能要求時，整個清洗作業(yè)過程結(jié)束。

圖3 機器人絕緣子水沖洗作業(yè)運動規(guī)劃

2 基于最小二乘法的絕緣子識別方法

2.1 最小二乘法的基本原理

最小二乘法是一種最常用的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，利用最小二乘法可以簡便地求得未知數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小。最小二乘法多用于曲線擬合，及解決一些可通過最小化能量或最大化熵的優(yōu)化問題。下面以直線擬合來簡要描述最小二乘法的基本原理，在直線擬合的時候，其基本的原則是使得坐標點xi所對應(yīng)的實際點yi和擬合y之間的誤差能夠盡可能的小，即滿足（1）式的性能指標要求，為求得誤差最小值，在（1）式中，分別對k和b求偏導(dǎo)數(shù)，可得（2）式，再根據(jù)（2）式所得到的方程組，可求得滿足誤差均方最小的參數(shù)k，b如（3）式所示。在絕緣子的識別研究中，主要是圓形和橢圓形的擬合問題，其方法與直線擬合流程類似，只是參數(shù)個數(shù)有所增加，完全可以效仿本節(jié)的內(nèi)容。

2.2 橢圓一般方程的推導(dǎo)

在絕緣子識別過程中，由于攝像頭成像角度不同，其邊緣一般為圓形或者橢圓形，且橢圓形的幾率更大，而圓形又是橢圓形的特殊形式，因此，在絕緣子識別過程中，首先需要推導(dǎo)出橢圓的一般方程。對于圓心在坐標原點半徑為 1的圓的方程為（4）式，由于橢圓長軸和短軸不等，所以在標準圓方程的基礎(chǔ)上加入縮放因子可得（5）式，由于（5）式橢圓中心與原點重合，通過平移橢圓圓心可得（6）式，更一般化，在（6）式中加入旋轉(zhuǎn)因子（7）式，并通過化簡可得橢圓的一般方程為（8）式。

2.3 絕緣子的識別過程

單片絕緣子的邊緣一般呈現(xiàn)為橢圓狀，因此，單片絕緣子的識別主要過程為在圖像上取點，并計算測量點到理想橢圓距離的平方和最小這一準則來確定理想橢圓，即識別到的絕緣子平面，設(shè)Pi(xi， yi)為橢圓輪廓上的測量點，根據(jù)距離平方和最小原則，可構(gòu)造距離目標函數(shù)如（9）式所示，根據(jù)最小二乘法的基本原理，為求得目標函數(shù)最小值，用目標函數(shù)分別對目標函數(shù)中的參數(shù)A、 B、 C、 D、 E求一階偏導(dǎo)數(shù)，并令一階導(dǎo)數(shù)為0可得（10）式，因此，可構(gòu)造出便于MATLAB軟件求解的矩陣方程，從而求解橢圓方程中的5個系數(shù)。

由式（10）所得方程組可求得橢圓參數(shù) A、B、C、D、E，即滿足最小平方誤差的絕緣子邊緣橢圓方程的系數(shù)，橢圓方程確定后， 當(dāng)Pi(xi， yi) ＜0 表示點Pi(xi， yi)在橢圓曲線內(nèi)部，Pi(xi， yi)＞0 表示點Pi(xi，yi) 在橢圓曲線外部。對單個絕緣子來說，解得橢圓方程后，即可將橢圓內(nèi)部即絕緣子盤面提取出來，即滿足Pi(xi， yi) ＜0 的點Pi(xi， yi)都在橢圓內(nèi)部，當(dāng)遍歷橢圓內(nèi)的無數(shù)點，這些點的集合就是識別得到的絕緣子面，從而實現(xiàn)絕緣子圖像的重構(gòu)與識別。

2.4 絕緣子清洗機器人的視覺伺服控制

基于 2.3中絕緣子的識別結(jié)果可以對機器人的機械手實施視覺伺服控制，其主要流程為：多自由度機械臂系統(tǒng)通過移動車載平臺緩慢靠近立式絕緣子串，啟動機器人視覺伺服控制系統(tǒng)，作業(yè)臂各關(guān)節(jié)開始運動，位于作業(yè)末端上的攝像頭采集作業(yè)現(xiàn)場圖像信息，通過視覺算法和視覺系統(tǒng)對獲取的現(xiàn)場圖像信息進行處理，得到現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的邊緣圖像，將邊緣圖像與不同角度下的標準庫（橢圓、圓、梯形）進行比較，獲取攝像頭與絕緣子之間的位置關(guān)系，由于攝像頭的安裝位置為已知信息，通過這種方式轉(zhuǎn)換可以獲得機器人的作業(yè)機械手與作業(yè)對象立式絕緣子之間的相對位姿關(guān)系，從而實現(xiàn)機器人機械手對于立式絕緣子的自主捕捉與定位視覺伺服控制。機器人機械手的視覺伺服控制流程如圖4所示。

圖4 絕緣子清洗機器人視覺伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 機器人絕緣子更換作業(yè)試驗

3 現(xiàn)場作業(yè)試驗

通過機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的集成設(shè)計，開發(fā)了立式特高壓絕緣子清洗機器人物理樣機，為進一步檢驗本文所提出的立式絕緣子清洗機器人機械手視覺伺服控制及絕緣子識別方法的有效性，在現(xiàn)場作業(yè)實驗環(huán)境下，利用機器人機械手視覺伺服控制進行了絕緣子清洗作業(yè)試驗，其詳細的絕緣子清洗作業(yè)過程如圖5所示，通過車載移動平臺搭載的多機械臂系統(tǒng)伸縮、旋轉(zhuǎn)等關(guān)節(jié)運動，作業(yè)末端順利將立式絕緣子卡在了中央，兩對噴頭上下多輪沖洗，絕緣子污穢被清除，滿足電氣性能的要求，整個作業(yè)過程中，機器人關(guān)節(jié)運動流暢，沒有發(fā)生機器人機械手與絕緣子之間的碰撞與干涉，人機交互協(xié)調(diào)，機器人順利完成了立式絕緣子的清洗作業(yè)任務(wù)，并取得了良好的清洗效果。

通過現(xiàn)場作業(yè)試驗絕緣子清洗結(jié)果可知，本文所開發(fā)的絕緣子清洗機器人能實現(xiàn)特高壓換流站立式絕緣子的清洗作業(yè)，且從清洗方式上看，人工清洗、機器人人工操控下的清洗、機器人視覺伺服控制下的清洗，其作業(yè)效率逐級提高，機器人的智能性不斷增強，在絕緣子識別效果方面，基于最小二乘法的識別效率也高于人工識別方法，因此，絕緣子識別精度變高，機器人絕緣子清洗效率大大提高，實用效果良好。

4 結(jié)論

（1）提出了一種通過機載平臺搭載多機械臂系統(tǒng)的特高壓立式絕緣子清洗機器人作業(yè)系統(tǒng)平臺，通過機械臂各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動，將末端定位至絕緣子，并由位于末端的兩對高壓噴頭實現(xiàn)了對絕緣子進行清洗作業(yè)。

（2）基于絕緣子的幾何特性，提出了一種基于最小二乘法的絕緣子識別方法，并將其用于機器人的視覺伺服定位控制，實現(xiàn)了機器人作業(yè)機械手對于立式絕緣子的自主捕捉與定位，提高了機器人作業(yè)效率。

（3）通過系統(tǒng)集成設(shè)計，開發(fā)了機器人物理樣機，通過仿真實驗和現(xiàn)場作業(yè)試驗，驗證了本文所提出的絕緣子識別算法及基于該算法的機器人機械手視覺伺服控制方法的有效性和工程實用性。