1.本发明涉及高压带电作业机器人技术领域，具体涉及一种适用于35kv以下(包括35kv)的高压带电作业机器人的碰撞保护方法。


背景技术：

2.电能是现代生活和生产中不可或缺的重要组成部分。为保障生活和生产活动的正常运行，需要经常对输电电路进行检修、更换设备等操作，目前一般都采用人工带电作业的形式来进行。在这种作业方式中，操作人员需在露天、高空、高压和强电磁辐射的环境中工作，导致发生跌落或高压触电等事故。
3.随着机器人、人工智能、智能控制等技术的发展，采用机器人代替人工完成高压带电作业已成为可能，这种作业方式将作业人员从高空、高压、高辐射的危险环境中解放出来，增加带电作业的安全性。其次，机器人在带电作业时可以使用专用工具，既保证了作业人员的安全，又在很大程度上提高了作业效率和作业质量，其应用前景非常广阔。机器人在带电操作过程中，如与高压电线或其他物品发生碰撞，为保护机械臂和碰撞物体，需要机械臂及时作出停止的保护动作，因此机械臂的碰撞保护控制对于保证高压带电作业机器人的安全作业非常重要。
4.目前高压带电作业机器人的碰撞保护主要有两种方式，一种方式是通过外接视频采集、视觉判断等外设，控制机器人实现碰撞保护。这种方法对碰撞判断准确，但由于视觉采集处理存在一定的时延，对碰撞的保护处理存在一定的滞后，影响保护的效果。另外一种方式是机器人通过采集电流信号，通过判断机器人关节电机负载电流的大小来实现碰撞保护，这种方式实现起来较为简单，系统响应也很快，但当机器人作业时，有时候瞬时加速度很大，也会产生很大的机器人关节电机负载电流，容易产生误判，影响机器人正常的带电作业。


技术实现要素：

5.本发明为解决现有技术中高压带电作业机器人碰撞保护存在保护处理滞后、容易误判的技术问题，提出了一种高压带电作业机器人的碰撞保护方法，通过采集高压带电作业机器人关节伺服控制系统中采集的电机负载电流和电机转速，该方法实现方便、响应快、碰撞判断准确、不需要额外的传感器，能满足高压带电作业机器人的碰撞保护要求。
6.本发明的技术方案：
7.一种高压带电作业机器人的碰撞保护方法，系统通过视觉与定位单元检测机器人末端工具的位置和运动速度，并不断测量末端工具与目标的距离，当距离小于25cm时或运动速度大于0.5m/s时，系统进入碰撞保护预警状态。
8.进一步地，系统进入碰撞保护预警状态后，开始计算系统负载力矩观测值，当观测值大于设定阈值且末端工具与目标的距离小于3cm时，系统进入碰撞保护状态，机器人停止工作。
9.进一步地，负载力矩观测器通过检测电机的q轴电流、转速计算出负载转矩，当碰撞发生时，电机的转速会显著降低，负载力矩发生显著变化，通过负载力矩观测器，计算负载力矩的大小，结合速度的变化分析，判断碰撞发生的时机，系统在极短的时间内作出反应，让机器人停止
10.采用上述技术方案后，本发明提供的一种高压带电作业机器人的碰撞保护方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
11.1、本发明通过视觉与定位单元检测机器人末端工具的运动速度以及与目标的距离来设定系统进入碰撞保护预警状态的条件，避免了控制系统长时间进行碰撞保护计算，显著减少了计算量。
12.2、本发明设计机器人关节电机的负载力矩观测器，并根据负载力矩观测器的观测值和速度来判断碰撞发生的时机，并迅速做出反应，以达到保护的目的。
13.3、本发明设计的机器人关节电机的负载力矩观测器，与通过单纯检测电机电流来判断碰撞相比较，判断更加准确。
14.4、本发明设计的机器人关节电机的负载力矩观测器，与通过外加力矩传感器来判断碰撞相比较，结构更加简单，成本更低。
附图说明
15.图1为本实施例提供的高压带电作业机器人系统控制结构示意图；
16.图2为本实施例提供的带电作业机器人的结构示意图；
17.图3为本实施例提供的带电作业机器人关节伺服系统控制结构原理图；
18.图4为负载观测器的原理框图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附
图中不需要对其进行进一步讨论。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
23.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
24.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
25.如图1-4所示，以最常见的11千伏高压线路为作业场景，为保证系统能安全稳定的工作，高压带电作业机器人系统主要包括绝缘斗臂车及升降系统、斗臂、机器人、专用工具、控制系统等。
26.机器人、专用工具、控制箱等设备安装在斗臂内，系统工作时，升降系统将斗臂升到指定的位置，机器人按照作业要求抓取专用工具在控制系统的作用下，完成相应的作业。
27.主控器为系统的控制核心，通过外设控制器连接指示灯、气象传感器和转台控制单元；通过网络交换机连接视觉与定位单元、无线wifi和机器人及其控制器。其中，气象传感器采集外界的横风和温度信息，转台控制单元主要完成激光雷达的运动，指示灯则用来指示系统的状态信息；无线wifi主要实现系统与外部的通讯，视觉与定位单元获取作业场景信息，主控器通过人机协作或自主控制算法控制机器人完成带电作业。本发明所涉及的碰撞保护方法包括以下几个步骤：
28.(1)视觉与定位单元检测机器人末端工具的位置和运动速度，并不断测量末端工具与目标的距离，当距离小于25cm时或运动速度大于0.5m/s时，系统进入碰撞保护预警状态。
29.(2)系统进入碰撞保护预警状态后，开始计算系统负载力矩观测值，当观测值大于设定阈值且末端工具与目标的距离小于3cm时，系统进入碰撞保护状态，机器人停止工作。
30.(3)负载力矩观测器通过检测电机的q轴电流、转速计算出负载转矩，当碰撞发生时，电机的转速会显著降低，负载力矩发生显著变化，通过负载力矩观测器，计算负载力矩的大小，结合速度的变化分析，判断碰撞发生的时机，系统在极短的时间内作出反应，让机器人停止，以达到保护机器人和碰撞物的目的。具体地，所设计的高压带电作业机器人为串联的六自由度机械臂，机器人关节将电机、减速器、制动器、控制与驱动电路等有机集成于一体，机器人关节的主要功能是控制与驱动关节电机的转动，通过减速器带动负载旋转。电
机为永磁同步电动机，为满足机器人关节响应速度快，定位精度高的要求，驱动电机采用永磁同步电机，关节电机驱动采用电压空间矢量控制，控制结构包括位置-速度-电流三环。
31.永磁同步电机的动态方程为：
[0032][0033]
式中：ω—电机转速，t
em
—电机输出的电磁转矩，t
l
—折算到电机轴的负载转矩，j—折算到电机轴的总转动惯量，b—电机转速的阻尼系数。
[0034]
电机的电磁转矩方程如下：
[0035]
t
em
＝pn(ψdi
q-ψqid)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0036]
式中的pn,id,iq,ψd,ψq分别为电机的极对数，d、q轴电流、磁链。
[0037]
联立式(1)和(2)得：
[0038][0039]
(3)式中的电机的极对数，d轴电流、磁链、阻尼系数、转动惯量为常数，由上式可得，通过检测电机的q轴电流、转速就可计算出负载转矩。当碰撞发生时，电机的转速会显著降低，负载力矩发生显著变化，通过设计负载力矩观测器，计算负载力矩的大小，结合速度的变化分析，就能准确判断碰撞发生的时机，系统在极短的时间内作出反应，以达到保护机器人和碰撞物的目的。
[0040]
为了减少负载扰动对关节性能的影响，通过对负载扰动值进行估计，并实时在线补偿。为了减少噪声对系统的干扰，在观测器的输出端附加了噪声滤波器，对式(3)两边取拉氏变换得：
[0041][0042]iq
和ω可以在实际系统中测得，所构造的负载观测器如式(4)所示，可以实现对系统负载力矩的观测。系统负载力矩观测值大于保护力矩阈值时，机器人停止，以达到碰撞保护的目的。
[0043]
由上述内容可知，本实施例提供的一种高压带电作业机器人的碰撞保护方法，实现方便、响应快、碰撞判断准确、不需要额外的传感器，能满足高压带电作业机器人的碰撞保护要求。
[0044]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其
发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。