高壓帶電作業(yè)雙臂機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 康，劉 亮，李慧杰，余志森，龍 飛，蔣 鑫，陳雙葉，白勁松，田悅谷

(1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045；2.北京工業(yè)大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，北京 100124)

0 引言

為保障國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展，提高配電網(wǎng)絡(luò)的供電能力和供電可靠性，對(duì)高壓配電網(wǎng)帶電作業(yè)檢修提出了更高的要求。一方面要求電力部門提高檢修效率，減少電力故障帶來的損失，另一方面也要努力降低電力檢修成本、減輕檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，更重要是要保障檢修人員的生命安全，防止高壓、高空、高勞動(dòng)強(qiáng)度帶來的傷亡事故[1-3]。因此如何利用科技手段提高高壓配電線路帶電作業(yè)的自動(dòng)化水平、減輕帶電作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度、保障操作人員的人生安全就成為了行業(yè)研究熱點(diǎn)[7-15]。

針對(duì)10 kV配電網(wǎng)帶電作業(yè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了雙臂六軸機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)采用協(xié)作型六軸機(jī)械臂進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，在6軸機(jī)械臂末端擴(kuò)展絕緣臂和作業(yè)工具來實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)，如斷、接引流線、更換絕緣子。帶電作業(yè)機(jī)器人包含機(jī)械臂、絕緣擴(kuò)展臂、作業(yè)工具、快接裝置、視覺定位系統(tǒng)、遙操作控制盤，帶電作業(yè)機(jī)器人結(jié)合了現(xiàn)代的機(jī)器人技術(shù)、傳感器技術(shù)、視覺圖像處理與定位技術(shù)，通訊技術(shù)以及人工智能技術(shù)，是一個(gè)集多學(xué)科、多領(lǐng)域技術(shù)的交叉融合的綜合智能系統(tǒng)。

機(jī)器人系統(tǒng)采用wifi和LoRa無線通訊網(wǎng)絡(luò)，通過遙操作控制盤，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)六軸機(jī)械臂和專用作業(yè)工具的操作控制，可以代替絕大部分人工帶電作業(yè)，大大減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也有利于保障作業(yè)人員的人生安全。

1 雙臂六軸機(jī)器人系統(tǒng)組成

高壓帶電作業(yè)雙臂機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由左、右兩臺(tái)六軸機(jī)械臂、深度相機(jī)、視覺定位系統(tǒng)、路由器、機(jī)器人控制器以及機(jī)械臂末端專用作業(yè)工具構(gòu)成。機(jī)械臂末端專用作業(yè)工具采用快接方式進(jìn)行換裝，不同作業(yè)采用不同的專用工具，專用作業(yè)工具和機(jī)器人本體之間采用600 mm長(zhǎng)高壓絕緣桿連接；兩臺(tái)六軸機(jī)械臂和視覺定位系統(tǒng)通過RJ45連接到路由器，并一起安裝在可升降的移動(dòng)平臺(tái)上，機(jī)器人控制器通過WIFI接入到路由器構(gòu)成的局域網(wǎng)，深度相機(jī)通過USB連接到視覺算法計(jì)算機(jī)，由視覺算法計(jì)算機(jī)完成目標(biāo)識(shí)別和視覺定位。在該局域網(wǎng)中，兩臺(tái)六軸機(jī)械臂，視覺定位系統(tǒng)均作為TCP SERVER，分別具有不同的IP地址和端口號(hào)，機(jī)器人控制器作為TCP CLIENT，可隨時(shí)和服務(wù)器端建立連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙臂六軸機(jī)器人的操作控制。

圖1 高壓帶電作業(yè)雙臂機(jī)器人

1.1 六自由度協(xié)作型機(jī)械臂

雙臂六軸機(jī)器人系統(tǒng)采用6自由度協(xié)作型機(jī)械臂，包括左機(jī)械臂、右機(jī)械臂以及機(jī)械臂安裝底座，如圖2所示。

圖2 六軸協(xié)作型機(jī)械臂

雙臂機(jī)器人底座安裝在可移動(dòng)式升降機(jī)作業(yè)平臺(tái)上，最大升降高度12米。六自由度協(xié)作型機(jī)械臂模仿人的手臂，共有6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)表示一個(gè)自由度，機(jī)械臂關(guān)節(jié)包括2個(gè)肩部，一個(gè)肘部和3個(gè)腕部，每個(gè)關(guān)節(jié)之間都采用臂管連接，控制各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以控制機(jī)械臂末端移動(dòng)到不同的位姿。機(jī)械臂大臂長(zhǎng)615 mm，小臂572.5 mm，腕部116.5 mm，臂展1 533 mm。機(jī)械臂工作空間，是一個(gè)半徑為1 304 mm的球體，基座正上方和正下方的圓柱形空間是奇異點(diǎn)區(qū)。奇異點(diǎn)是機(jī)器人因配置或者軌跡的命令速度導(dǎo)致關(guān)節(jié)速度超過安全限制而失去自由度的位置。在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)奇異點(diǎn)，因?yàn)槠娈慄c(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂突然或快速移動(dòng)，或者中斷程序?qū)е缕溥^早停止。6軸機(jī)械臂不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，只能在指定的范圍內(nèi)工作，除關(guān)節(jié)3的旋轉(zhuǎn)角度在負(fù)168o至正168o，其余關(guān)節(jié)均可在負(fù)360o至正360o范圍內(nèi)工作。

Denavit-Hartenberg參數(shù)或D-H參數(shù)是表示機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的傳統(tǒng)方式，用于在給定機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度的情況下，在基座坐標(biāo)系中表示工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)位置，機(jī)械臂D-H參數(shù)模型如表1所示。

表1 D-H參數(shù)模型

機(jī)械臂的正解函數(shù)可以通過JSON協(xié)議獲得：

{" jsonrpc "："2.0"，" method "：" positiveKinematic "，"params "：{" targetPos "：

targetPos }，"id"：id}，通過正解函數(shù)，根據(jù)機(jī)械臂關(guān)節(jié)角信息得到對(duì)應(yīng)的位姿信息，參數(shù) targetpos為目標(biāo)關(guān)節(jié)角度信息，機(jī)械臂返回參數(shù)為六軸位姿信息。假設(shè)機(jī)器人ip地址為：192.168.1.200，則通過SOCKET編程獲取機(jī)械臂正解的示例如下：

設(shè)置機(jī)械臂的ip地址

r o b o t _ i p =” 1 9 2. 1 6 8. 1. 2 0 0 ”

建立和機(jī)械臂的通訊連接

conSuc, s o c k = c o n n e c t E T C o n t r o l l e r ( r o b o t _ i p )

獲取機(jī)械臂當(dāng)前的位置信息

i f ( conSuc ) ： suc, r e s u l t, i d = sendCMD ( sock, ” g e t R o b o t P o s ” )

向機(jī)械臂發(fā)出JSON指令,等待機(jī)械臂返回由正解函數(shù)得到的6軸位置信息。

suc, r e s u l t, i d =sendCMD ( sock, ” p o s i t i v e K i n e m a t i c ”, { ” t a r g e t P o s ” ： r e s u l t} )

獲得機(jī)械臂的逆解函數(shù)的JSON協(xié)議：

{" jsonrpc "："2.0"," method "：" inverseKinematic ","params "：{" targetPose "：

targetPose },"id"：id},逆解函數(shù)根據(jù)位姿信息得到對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度信息,targetpose為目標(biāo)位姿信息,機(jī)械臂響應(yīng)返回關(guān)節(jié)角度信息。逆解函數(shù)通訊示例如下：

指定機(jī)械臂ip地址

r o b o t _ i p =” 1 9 2. 1 6 8. 1. 2 0 0 ”

和機(jī)械臂建立通訊連接

conSuc, s o c k = c o n n e c t E T C o n t r o l l e r ( r o b o t _ i p )

獲取機(jī)器人當(dāng)前位姿信息

i f ( conSuc ) ：

suc, r e s u l t, i d = sendCMD ( sock, ” g e t R o b o t P o s e ” )

向機(jī)器人發(fā)送JSON協(xié)議指令,得到機(jī)械臂由逆解函數(shù)得到的關(guān)節(jié)角信息。

suc, r e s u l t, i d =sendCMD ( sock, ” i n v e r s e K i n e m a t i c ”, { ” t a r g e t P o s e ” ： r e s u l t} )

也可以通過JSON協(xié)議{" jsonrpc "："2.0"，" method "：" inverseKinematic "，"params "：{" targetPose "：targetPose，" referencePos "：referencePos }，"id"：id} 得到帶參考點(diǎn)的位置逆解，可以根據(jù)位姿信息得到對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)角信息，參數(shù)targetPose為目標(biāo)位姿信息，referencePos為逆解參考點(diǎn)關(guān)節(jié)角信息。示例代碼如下：

設(shè)置機(jī)器人IP 地址

r o b o t _ i p =” 1 9 2. 1 6 8. 1. 2 0 0 ”

指定參考點(diǎn)

P000 =[ 0, ?90, 90, ?90, 90, 0, 0, 0 ]

和機(jī)械臂建立通訊連接

conSuc, s o c k = c o n n e c t E T C o n t r o l l e r ( r o b o t _ i p )

獲取機(jī)器人當(dāng)前位姿信息

i f ( conSuc ) ：

suc,result,i d=sendCMD(sock,”getRobotPose”)

得到帶參考點(diǎn)位置逆解

suc, r e s u l t, i d =sendCMD ( sock, ” i n v e r s e K i n e m a t i c ”, { ” t a r g e t P o s e ” ： r e s u l t, ” r e f e r e n c e P o s ” ： P000 } )

機(jī)械臂從起始位置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位需要將其離散成多個(gè)中間目標(biāo)位置，決定中間離散點(diǎn)和離散點(diǎn)之間以何種軌跡運(yùn)動(dòng)的方法稱為插補(bǔ)方法。常用的插補(bǔ)算法有空間直線插補(bǔ)算法和空間圓弧插補(bǔ)算法，插補(bǔ)算法按插補(bǔ)方式又有脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)[25]。采用直線插補(bǔ)算法可以控制機(jī)器人末端工具的端點(diǎn)移動(dòng)路徑為直線，而機(jī)器人手腕則是根據(jù)插補(bǔ)算法得到的插補(bǔ)位置自動(dòng)變化；圓弧插補(bǔ)可以控制機(jī)器人末端工具按指定的圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)，在圓弧軌跡的運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制由圓弧插補(bǔ)算法確定。

機(jī)械臂提供了多個(gè)IO接口以及網(wǎng)絡(luò)通訊接口，利用機(jī)械臂提供的IO接口，可根據(jù)應(yīng)用需求擴(kuò)展機(jī)械臂末端的操作工具，通過網(wǎng)絡(luò)通訊接口，采用SOCKET編程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和姿態(tài)控制。

軟件設(shè)計(jì)上，通過SOCKET通訊向機(jī)械臂以太網(wǎng)端口發(fā)送指定格式的json字符串來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，采取客戶端/服務(wù)器模型，客戶端主動(dòng)發(fā)送json字符串，服務(wù)器端接收json串并解析，根據(jù)解析結(jié)果返回給客戶端應(yīng)答json串。json通訊協(xié)議如下。

客戶端發(fā)送json字符串：

{“jsonrpc”：“2.0”,“method”：方法名稱,“params”：參數(shù),“id”： id }

機(jī)械臂控制器收json字符串,并解析,若結(jié)果正常,則向客戶端回復(fù)json串：

{“jsonrpc”： “2.0”, “result”： 結(jié)果, “id”： id }

若結(jié)果錯(cuò)誤,則回復(fù)json串：

{“jsonrpc”： “2.0”, “error”： {“code”： 錯(cuò)誤代碼, “message”： 出錯(cuò)信息}, “id”： id }

發(fā)送json 字符串時(shí)的id 和接收結(jié)果時(shí)的id 一致。比如要設(shè)置機(jī)械臂負(fù)載重心,只需要向機(jī)械臂發(fā)送json字符串：

課堂提問比較常見，而要想把課堂提問的有效作用充分發(fā)揮出來，卻是一件非常有技術(shù)含量的事情。作為教師來說，都應(yīng)該明白這個(gè)道理，如果整節(jié)課教師一直在講解而無視學(xué)生的狀態(tài)，那么，這節(jié)課的教學(xué)效果肯定不好。因?yàn)檎n堂教學(xué)應(yīng)是師生間的雙邊活動(dòng)，講究的是以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，學(xué)生才是課堂的主人。

{“jsonrpc”： “2.0”, “method” ： “ cmd_set_payload”, “params”：{ “tool_num” ： tool_num, “m” ：m, “point” ： point}, “id” ：id}

其中：tool_num：工具號(hào),范圍：0～7,m：負(fù)載重量,單位Kg,范圍：0～12,point：重心,x,y,z,單位毫米,范圍：-5 000～5 000,返回值：成功true,失敗false。

1.2 深度相機(jī)與視覺定位

深度相機(jī)采用Intel Realsense D415，由1個(gè)RGB相機(jī)，2個(gè)紅外線機(jī)和1個(gè)紅外投影儀組成，其中紅外投影儀負(fù)責(zé)發(fā)射紅外結(jié)構(gòu)光，紅外相機(jī)負(fù)責(zé)接收物體表面反射回來的結(jié)構(gòu)光圖像，根據(jù)三角測(cè)距原理計(jì)算得到物體表面的深度信息。D415可測(cè)量0.3～3 m之間的物體，不受環(huán)境光影響，測(cè)量精度可達(dá)mm級(jí)。視覺定位系統(tǒng)根據(jù)深度相機(jī)采集到的物體表面的深度信息和RGB相機(jī)得到像素坐標(biāo)信息，通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、平移和轉(zhuǎn)換，將像素坐標(biāo)和深度信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器人坐標(biāo)，得到目標(biāo)物體的三維信息，采用聚類和圖像分割算法[11-12]，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺目標(biāo)檢測(cè)與定位。

1.3 雙臂機(jī)器人控制器

機(jī)器人控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)操作控制，要求操作時(shí)使用方便，具有友好的人機(jī)交互界面。圖3是雙臂機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)框圖，由工業(yè)平板電腦和機(jī)械鍵盤構(gòu)成，工業(yè)平板電腦主要用于參數(shù)顯示、設(shè)置、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換以及機(jī)械臂控制指令解析，機(jī)械鍵盤主要用于操作控制，它們之間可以采用USB或者無線wifi連接。機(jī)械鍵盤采用ARM嵌入式處理器設(shè)計(jì)，由鍵盤、指示燈接口電路、USB接口電路，wifi無線通訊接口電路構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描、組合按鍵編碼、操作控制、數(shù)據(jù)幀構(gòu)造與發(fā)送，用戶使用機(jī)械鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的操作控制。

圖3 雙臂機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)框圖

鍵盤軟件設(shè)計(jì)中定義了不同的功能鍵和組合鍵的按鍵編碼，只要相應(yīng)的功能鍵和組合鍵按下，處理器就將相應(yīng)的按鍵編碼按照通訊協(xié)議規(guī)范發(fā)送給工業(yè)平板電腦做進(jìn)一步的任務(wù)處理，按鍵編碼定義在0x00～0x43區(qū)域內(nèi)；如：機(jī)械臂選擇功能鍵，按鍵碼是0x03，長(zhǎng)按該功能鍵5秒以上，轉(zhuǎn)換選擇要操作的機(jī)械臂，并有相應(yīng)的指示燈顯示所選擇的機(jī)械臂；組合按鍵碼0x11，當(dāng)選擇1號(hào)位作業(yè)工具時(shí)，長(zhǎng)按工具功能鍵和加號(hào)鍵，處理器就會(huì)產(chǎn)生抓取1號(hào)位作業(yè)工具的按鍵編碼0x11，并根據(jù)操作者的具體操作和機(jī)械臂的運(yùn)行狀態(tài)形成一幀通訊數(shù)據(jù)，并將該幀數(shù)據(jù)通過USB或無線通訊接口發(fā)送給工業(yè)平板電腦，工業(yè)平板電腦上的控制軟件通過wifi控制機(jī)械臂執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。如通訊數(shù)據(jù)幀：

0x55,0xaa,0x00,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01, 0x11,0xaa,0x55

1.4 雙臂機(jī)器人無線通訊網(wǎng)絡(luò)

為保障機(jī)器人系統(tǒng)和檢修人員的生命安全，機(jī)器人本體和帶電高壓線纜之間采用高壓絕緣桿隔離。在2臺(tái)6軸機(jī)械臂末端擴(kuò)展了長(zhǎng)600 mm絕緣桿快接頭，可以根據(jù)操作人員操作指令快接和更換作業(yè)工具，完成特定帶電作業(yè)。絕緣桿快接頭和快接作業(yè)工具是根據(jù)特定帶電作業(yè)需求專門設(shè)計(jì)的。國內(nèi)配電網(wǎng)帶電作業(yè)主要是帶電斷、接引流線，帶電更換絕緣子[16-18]。目前設(shè)計(jì)的快接作業(yè)工具有：自動(dòng)剝皮器，引線鎖緊裝置，電動(dòng)扳手，電動(dòng)線鉗，電動(dòng)夾具。由于快接作業(yè)工具和機(jī)械臂本體之間采用絕緣桿隔離，機(jī)器人控制器只能通過無線方式和快接作業(yè)工具連接，結(jié)構(gòu)圖4所示。

圖4 快接作業(yè)工具

機(jī)器人控制器通過WIFI和機(jī)械臂連接，機(jī)械臂RS485接口和LoRa主站模連接，LoRa主站模塊采用定點(diǎn)發(fā)送的方式和LoRa快接作業(yè)工具進(jìn)行無線通訊[20-21]，從而可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器對(duì)快接作業(yè)工具的通訊控制，操作快接作業(yè)工具完成特定的作業(yè)任務(wù)。

2 雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與軟件設(shè)計(jì)

2.1 雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

雙臂機(jī)器人系統(tǒng)安裝在可移動(dòng)升降平臺(tái)上，可根據(jù)作業(yè)需求和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境移動(dòng)到指定工作位置，具體作業(yè)實(shí)施則依靠機(jī)械臂及快接作業(yè)工具來完成的。機(jī)械臂作業(yè)過程中，共有6種工作狀態(tài)S0～S5。S0狀態(tài)是機(jī)械臂鎖定狀態(tài)，也是機(jī)器人最初開始作業(yè)和作業(yè)結(jié)束返回的狀態(tài)，S1狀態(tài)是機(jī)器人復(fù)位狀態(tài)，該種狀態(tài)是機(jī)器人從鎖定狀態(tài)解除到準(zhǔn)備就緒，可以開始工作的狀態(tài)，S2 狀態(tài)是機(jī)器人從復(fù)位狀態(tài)到取完快接作業(yè)工具以后的一種預(yù)備狀態(tài)，S3狀態(tài)是快接完作業(yè)工具到達(dá)預(yù)設(shè)作業(yè)點(diǎn)的狀態(tài)，S4是目標(biāo)作業(yè)點(diǎn)狀態(tài)，在該狀態(tài)下，作業(yè)工具已處于就緒狀態(tài)，機(jī)器人系統(tǒng)給作業(yè)工具發(fā)送操作指令來完成具體作業(yè)，如剝皮、夾緊、擰緊螺絲等，S5是機(jī)械臂作業(yè)結(jié)束狀態(tài)，在此狀態(tài)下，機(jī)械臂需要回到S2狀態(tài)卸掉作業(yè)工具，再回到S1復(fù)位狀態(tài)。在S1復(fù)位狀態(tài)，可控制機(jī)械臂更換其它作業(yè)工具，實(shí)施其它作業(yè)任務(wù)，也可以回到S0鎖定狀態(tài)，結(jié)束作業(yè)任務(wù)。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃狀態(tài)機(jī)如圖5所示。

圖5 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃狀態(tài)機(jī)

通訊方面，機(jī)器人控制器采用client/server方式連接到機(jī)械臂，左右2臺(tái)機(jī)械臂作為服務(wù)器端，它們有各自的IP地址和服務(wù)器端口號(hào)，機(jī)器人控制器作為客戶端。開機(jī)后機(jī)械臂處于S0鎖定狀態(tài)，通過鍵盤復(fù)位操作，機(jī)械臂運(yùn)行到S1復(fù)位狀態(tài)，在S1復(fù)位狀態(tài)下，可以根據(jù)不同的任務(wù)要求，機(jī)器人通過快接方式快接不同的專用作業(yè)工具，并根據(jù)實(shí)際作業(yè)點(diǎn)和預(yù)定的路徑規(guī)劃控制機(jī)械臂工具末端到達(dá)目標(biāo)工作點(diǎn)位，通過LoRa無線通訊控制專用工具執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，比如螺絲擰緊裝置自動(dòng)緊固螺絲、剝皮器自動(dòng)剝皮等。當(dāng)前作業(yè)工具任務(wù)完成后，機(jī)械臂重新回到S2狀態(tài)，自動(dòng)卸載掉作業(yè)工具，回到S1復(fù)位狀態(tài)，若需要進(jìn)行下一道工序，則可以再次快接其它作業(yè)工具進(jìn)行作業(yè)，若已經(jīng)完成任務(wù)，則機(jī)械臂自動(dòng)回到S0鎖定狀態(tài)。

2.2 雙臂機(jī)器人控制器軟件設(shè)計(jì)

雙臂機(jī)器人控制器通過解析鍵盤發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀或觸摸屏操作按鈕，經(jīng)分析計(jì)算，構(gòu)造JSON格式控制命令，采用SOCKET方式發(fā)送給機(jī)械臂，機(jī)械臂收到命令后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)將機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息返回給機(jī)器人控制器。雙臂機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)包括2部分內(nèi)容：工業(yè)平板電腦上運(yùn)行的機(jī)器人系統(tǒng)控制軟件和嵌入式機(jī)械鍵盤軟件。嵌入式機(jī)械鍵盤軟件主要負(fù)責(zé)機(jī)械鍵盤的鍵值獲取，按鍵組合、工作狀態(tài)獲取，并最終構(gòu)造鍵盤數(shù)據(jù)幀，通過USB或wifi發(fā)送給工業(yè)平板，工業(yè)平板對(duì)收到數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，控制機(jī)器人進(jìn)行操作。鍵盤通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議如表2所示。

表2 鍵盤數(shù)據(jù)幀協(xié)議

定義0x55，0xaa為鍵盤通訊數(shù)據(jù)幀幀頭的高字節(jié)和低字節(jié)，0xaa，0x55為幀尾的高字節(jié)和低字節(jié)，定義通訊變量：鍵盤鎖狀態(tài)，當(dāng)前選擇的工具，當(dāng)前選擇的預(yù)備位，當(dāng)前選定的機(jī)械臂軸，當(dāng)前選擇的激光打點(diǎn)舵機(jī)，當(dāng)前選擇的機(jī)械臂，當(dāng)前的按鍵操作碼。機(jī)器人控制器軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。收到鍵盤發(fā)來的數(shù)據(jù)幀后，首先判斷數(shù)據(jù)幀的幀頭和幀尾是否正確，若不正確，給出數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)錯(cuò)誤提示，然后退出本次接收流程；若數(shù)據(jù)校驗(yàn)無誤，進(jìn)一步判斷鍵盤鎖定狀態(tài)，若鍵盤鎖，則不響應(yīng)此次的鍵盤操作，退出流程；若鍵盤沒有鎖，則取出通訊變量，保存當(dāng)前要操作的機(jī)械臂、機(jī)械臂軸、當(dāng)前操作的工具號(hào)，作業(yè)預(yù)備位、舵機(jī)號(hào)以及本次按鍵操作碼?？刂破鲗?duì)收到的按鍵操作碼進(jìn)行判斷，若等于0，則表示此次接收到的數(shù)據(jù)幀是心跳包，無實(shí)際按鍵操作，退出此次流程；若不等于0，則查找機(jī)器人操作碼表，向?qū)?yīng)機(jī)械臂發(fā)送SOCKET控制命令，控制機(jī)械臂執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

圖6 機(jī)器人控制軟件流程圖

鍵盤軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。CPU每隔100 ms掃描1次鍵盤，檢測(cè)是否有按鍵按下，若沒有按鍵按下則構(gòu)造鍵盤心跳包，并通過wifi或USB發(fā)送給機(jī)器人控制器，然后結(jié)束本次掃描。若有鍵按下，讀取鍵值判斷是否是功能鍵按下，若是功能鍵按下則設(shè)置功能鍵變量，構(gòu)造鍵盤數(shù)據(jù)幀并通過wifi或USB發(fā)送給控制器；若不是功能鍵按下，則判斷是否是選擇鍵和組合鍵按下，若不是則不做處理，退出鍵盤掃描；若是組合鍵按下，則查表得到機(jī)械臂操作碼并構(gòu)造數(shù)據(jù)幀，通過wifi或USB發(fā)送給機(jī)器人控制器，完成此次鍵盤掃描。

圖7 鍵盤服務(wù)程序流程圖

圖8 機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖9 機(jī)器人系統(tǒng)功能測(cè)試

3 調(diào)試與試驗(yàn)

對(duì)高壓帶電作業(yè)雙臂機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了綜合試驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)試了工業(yè)平板和左右兩臺(tái)6軸機(jī)械臂的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，通過SOCKET通訊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)6軸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與姿態(tài)控制功能；測(cè)試雙臂機(jī)器人控制器的按鍵操作、網(wǎng)絡(luò)通訊功能，通過鍵盤操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人6軸機(jī)械臂的操作控制；測(cè)試了LoRa主站模塊和LoRa工具模塊，LoRa主站模塊通過RS485和機(jī)械臂通訊，通過LoRa定點(diǎn)方式和工具模塊通訊，最終通過腳本變量可以實(shí)現(xiàn)全部工具模塊的通訊控制。

在某培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)基地10 kV配電線路上，對(duì)帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠完成斷、接引流線、更換絕緣子等作業(yè)任務(wù)。

圖10為機(jī)器人10 kV絕緣導(dǎo)線剝皮實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)線標(biāo)稱截面為1×120 mm2，絕緣標(biāo)稱厚度3.4 mm，電纜計(jì)算外徑21.3 mm。機(jī)器人從接收到剝皮指令開始到剝皮完成，整個(gè)過程用時(shí)3分20秒。

圖10 機(jī)器人電纜線剝皮實(shí)驗(yàn)

圖11為機(jī)器人接引流線實(shí)驗(yàn)，整個(gè)過程用時(shí)2分50秒。

圖11 機(jī)器人接引流線實(shí)驗(yàn)

機(jī)器人系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況表明，帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作方便、性能穩(wěn)定，依靠LoRa無線通訊，不僅實(shí)現(xiàn)了前端操作工具和機(jī)器人本體的高壓絕緣隔離，而且實(shí)現(xiàn)了作業(yè)工具的操作控制，可代替人工完成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)。

4 結(jié)束語

高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主體由12米高液壓升降平臺(tái)，左右兩臺(tái)6軸機(jī)械臂構(gòu)成。設(shè)計(jì)開發(fā)了雙臂機(jī)器人控制器硬件、軟件和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法，通過機(jī)械鍵盤或觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)機(jī)械臂的有效控制；采用LoRa通訊和組網(wǎng)方式，對(duì)6軸機(jī)械臂進(jìn)行了末端擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器對(duì)任意專用工具模塊進(jìn)行裝卸；設(shè)計(jì)開發(fā)了LoRa主站模塊和LoRa專用工具模塊，采用LoRa定點(diǎn)掃描通訊方式，實(shí)現(xiàn)了各工具模塊和機(jī)器人控制器的相互通訊；通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)器人系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能。