用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统和控制方法与流程

本发明涉及电力巡视领域，特别是指一种用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统和控制方法。

背景技术：

近年来，在电力巡视领域，巡线机器人得到越来越多的关注和应用。巡线机器人远离地面悬挂在线路上，完成巡视、监测、检修等工作，大大提高了电力巡视的效率和安全性，为电力系统正常运行提供了保证。

巡线机器人在线路上工作时，需要地面工作人员对其发出指令进行控制。现有的巡线机器人控制主要通过两种方式实现：

(1)远距离遥控控制：地面工作人员通过手柄、摇杆或计算机控制巡线机器人，给巡线机器人发出动作指令。这种控制方式原理简单，容易实现，缺点是控制过程不够直观，由于高压输电线路工作环境复杂多变，单纯采用遥控控制不能使机器人精确完成某些动作。

(2)编程控制：根据线路的规格，预先将机器人需要执行的指令存储到巡线机器人上，这样，在线路上工作时，巡线机器人将依据到达的区域执行特定的命令。这种巡线机器人在一定程度上能实现自主控制，但是由于线路规格复杂多变，且机器人视觉并没有发展到能够识别全部障碍或故障的程度，因此这种控制往往需要人的介入。

技术实现要素：

本发明提供一种用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统和控制方法，能模拟人的双眼视觉，控制过程直观，保证巡线作业准确、高效进行。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，本发明提供一种用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统，包括模拟机械臂、工作机械臂、用于采集视频信号的摄像机、第一控制板、第二控制板、第一无线模块、第二无线模块和视频眼镜，其中：

所述工作机械臂用于在现场执行操作，所述摄像机的数据输出端连接所述第一无线模块或者所述摄像机的数据输出端连接所述第一控制板，所述第一控制板连接所述第一无线模块和所述工作机械臂；

所述模拟机械臂用于远程控制所述工作机械臂，所述模拟机械臂的输出端连接所述第二控制板，所述第二控制板连接所述第二无线模块和所述视频眼镜。

进一步的，所述模拟机械臂依据所述工作机械臂按一定比例制作，所述模拟机械臂包括铰接设置在一底座上的第一连架杆，所述第一连架杆的末端铰接有第一上臂，所述第一上臂的末端铰接有第一小臂，所述第一小臂的末端铰接有第一机械手，所述底座、第一连架杆、第一上臂、第一小臂和第一机械手的铰接处均设置有测量旋转角度的传感器；

所述工作机械臂包括铰接设置在所述巡线机器人的机架上的第二连架杆，所述第二连架杆的末端铰接有第二上臂，所述第二上臂的末端铰接有第二小臂，所述第二小臂的末端铰接有第二机械手，所述机架、第二连架杆、第二上臂、第二小臂和第二机械手的铰接处均设置有驱动装置；

所述模拟机械臂的控制电路包括所述第二控制板，所述第二控制板的输入端连接所述传感器，所述第二控制板的输出端经转换板连接有第一通讯模块；

所述工作机械臂的控制电路包括所述第一控制板，所述第一控制板的输入端连接有与所述第一通讯模块进行通信的第二通讯模块，所述第一控制板的输出端分别经驱动板连接所述驱动装置。

进一步的，所述摄像机包括前摄像机和后摄像机，所述摄像机的摄像头由可见光摄像头和红外摄像头组成，所述第二无线模块接收摄像机的信号后传输至所述视频眼镜的显示器上，所述前摄像机和后摄像机获得的图像信息发送至两副不同的视频眼镜上或发送至同一副视频眼镜上，所述摄像机设置在云台上，所述摄像机的数量为两组以上。

进一步的，所述第二控制板的输出端还连接有供工作人员观看的显示器，所述第二控制板还连接有手柄，所述可见光摄像头和红外摄像头的方向通过点击显示器的方向箭头或调整手柄进行控制。

进一步的，所述第一机械手包括一对第一手指，所述第一手指包括相铰接的第一节和第二节，所述第一节和第二节之间也设置有测量角度的传感器；

所述第二机械手包括一对相互铰接第二手指，所述第二手指的铰接处也设置有驱动装置，所述第二手指采用啮合不完全齿轮相互连接，或者采用独立驱动。

进一步的，所述模拟机械臂的各铰接处均采用阻尼关节，所述阻尼关节包括设置在相邻两臂铰接处的盖板、螺杆和所述传感器，其中：

所述相邻两臂包括第一臂和第二臂，所述相邻两臂的铰接处设置有限位结构，所述盖板包括中空的盖板帽和设置在所述盖板帽上的圆环状凸台，所述凸台穿过所述第一臂的铰接孔与所述第二臂的上表面接触，所述盖板和第一臂之间、所述第二臂和第一臂之间均设置有圆环形摩擦片，所述螺杆为中空螺杆，所述中空螺杆穿过所述盖板和第一臂的铰接孔，连接至所述第二臂的铰接孔，将所述盖板和第一臂铰接在所述第二臂上；

所述传感器包括基部和位于所述基部上的转动轴，所述转动轴自所述第二臂的铰接孔穿入，从所述中空螺杆中伸出，所述传感器上端配有传感器轴套，所述传感器的转动轴固定在所述传感器轴套上，所述传感器轴套固定在所述第一臂上，所述传感器的基部固定在所述第二臂上。

进一步的，所述传感器为电位器或旋转编码器，所述限位结构为位于所述第二臂与第一臂的接触面边缘的限位凸台，所述第一臂相对于所述第二臂位于转角范围内的任意角度；

所述盖板的圆环状凸台的末端表面设置有若干等距的第一圆柱突起，所述第二臂的上表面设置有与所述第一圆柱突起相适应的第一卡槽；所述传感器的基部与所述第二臂接触的表面上设置有第二圆柱突起，所述第二臂上设置有与所述第二圆柱突起相适应的第二卡槽。

进一步的，所述第二控制板的输出端经转换板与第一通讯模块、第二通讯模块与第一控制板均通过串口连接。

另一方面，本发明还提供一种上述的用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统的控制方法，包括：

步骤1：所述摄像机监测巡线线路状况和所述工作机械臂的作业状况，将采集到的视频信号实时传输至所述第一无线模块，地面上的第二无线模块接收视频信号经由所述第二控制板输送至视频眼镜；

步骤2：工作人员通过步骤1中视频眼镜的信号，用手操作模拟机械臂，所述模拟机械臂的第二控制板采集所述传感器的数值，所述第一通讯模块将采集到的所述传感器的数值实时发送给所述工作机械臂的第二通讯模块；

步骤3：所述工作机械臂上的第二通讯模块接收数据信号后，通过所述第一控制板解析接收到的数据，然后发送相应的脉冲给不同部位的所述驱动装置，所述驱动装置转动相应的角度。

其中，所述步骤2中，所述第一通讯模块使用编号+传感器的数据方式发送所述传感器的数值。

本发明具有以下有益效果：

本发明的用于巡线机器人机械臂的虚拟现实监测控制系统和控制方法，工作时巡线机器人上的摄像机将采集到的现场视频信号经由控制板通过第一无线模块传输至地面的第二无线模块，地面上的第二无线模块将摄像机采集到的信息经由控制板传输至视频眼镜上，模拟人的双眼视觉，使控制过程更加直观。根据巡线机器人实时传输的画面，地面工作人员可以通过模拟机械臂遥控巡线机器人上的机械臂，精准地完成检修、清理等工作，保证巡线作业准确、高效进行。

附图说明

图1为本发明的用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统的工作原理图；

图2为本发明的用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统的前摄像头发送视频信号原理图；

图3为本发明的用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统的视频接收原理图；

图4为本发明的模拟机械臂的结构示意图；

图5为本发明的巡线机器人的结构示意图；

图6为本发明的工作机械臂的机械手的啮合连接示意图；

图7为本发明的用于模拟机械臂的阻尼关节的整体结构示意图；

图8为本发明的用于模拟机械臂的阻尼关节的整体结构爆炸图；

图9为本发明的用于模拟机械臂的阻尼关节的盖板、第一臂和第二臂的连接爆炸图；

图10为本发明的模拟机械臂的控制电路示意图；

图11为本发明的工作机械臂的控制电路示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统，如图1-11所示，包括模拟机械臂1、工作机械臂2、用于采集视频信号的摄像机3、第一控制板4、第二控制板5、第一无线模块6、第二无线模块7和视频眼镜8，其中：

工作机械臂2用于在现场执行操作，摄像机3的数据输出端连接第一无线模块6或者摄像机3的数据输出端连接第一控制板4，第一控制板4连接第一无线模块6和工作机械臂2，摄像机将现场画面先传输到控制板做识别处理，然后再传输到无线发送模块，这种流程主要用于巡线机器人需要做自主识别的情况，例如机器人可能需要自主识别线路上的绝缘子、悬垂线夹等线路设施并做标记；

模拟机械臂1用于远程控制工作机械臂2，模拟机械臂1的输出端连接第二控制板5，第二控制板5连接第二无线模块7和视频眼镜8。

本发明的用于巡线机器人机械臂的虚拟现实监测控制系统，工作时巡线机器人上的摄像机将采集到的现场视频信号经由控制板通过第一无线模块传输至地面的第二无线模块，地面上的第二无线模块将摄像机采集到的信息经由控制板传输至视频眼镜上，模拟人的双眼视觉，使控制过程更加直观。根据巡线机器人实时传输的画面，地面工作人员可以通过模拟机械臂遥控巡线机器人上的机械臂，精准地完成检修、清理等工作，保证巡线作业准确、高效进行。

进一步的，模拟机械臂1依据工作机械臂2按一定比例制作，模拟机械臂1包括铰接设置在一底座9上的第一连架杆10，第一连架杆10的末端铰接有第一上臂11，第一上臂11的末端铰接有第一小臂12，第一小臂12的末端铰接有第一机械手13，底座9、第一连架杆10、第一上臂11、第一小臂12和第一机械手13的铰接处均设置有测量旋转角度的传感器14；

工作机械臂2包括铰接设置在巡线机器人的机架15上的第二连架杆16，第二连架杆16的末端铰接有第二上臂17，第二上臂17的末端铰接有第二小臂18，第二小臂18的末端铰接有第二机械手19，机架15、第二连架杆16、第二上臂17、第二小臂18和第二机械手19的铰接处均设置有驱动装置；

模拟机械臂1的控制电路包括第二控制板5，第二控制板5的输入端连接所述传感器20，第二控制板5的输出端经转换板21连接有第一通讯模块22；

工作机械臂2的控制电路包括第一控制板4，第一控制板4的输入端连接有与第一通讯模块22进行通信的第二通讯模块23，第一控制板4的输出端分别经驱动板24连接所述驱动装置25。工作时作业人员用手操纵模拟机械臂，通过采集模拟机械臂上传感器的值，传输至工作机械臂的控制板，控制板根据传感器值的变化量，控制对应的驱动机构转动相应的角度，这样，模拟机械臂的动作便映射到了巡线机器人的工作机械臂上，实现了无线模拟控制。

优选的，摄像机3包括前摄像机和后摄像机，摄像机3的摄像头由可见光摄像头和红外摄像头组成，第二无线模块7接收摄像机3的信号后传输至视频眼镜8的显示器上，前摄像机和后摄像机获得的图像信息发送至两副不同的视频眼镜8上或发送至同一副视频眼镜8上，摄像机3设置在云台26上，摄像机3的数量为两组以上。前摄像头和后摄像头分别监控前后两部分视野范围，当前摄像机和后摄像机获得的图像信息发送至两副不同的视频眼镜上时，要变换巡线机器人的视野，只需更换眼镜即可，这样两位工作人员可分别佩戴一副视频眼镜分别监测巡线机器人的前后部分；当前摄像机和后摄像机获得的图像信息发送至同一副视频眼镜上时，视频的切换按钮可以设置在控制器上、视频眼镜上或独立手柄上，这样工作人员不需要更换眼镜即可切换监测画面。

优选的，第二控制板5的输出端还连接有供工作人员观看的显示器27，可见光摄像头和红外摄像头的方向通过点击显示器27的方向箭头或调整手柄28进行控制，这种方法更直观。

进一步的，第一机械手13包括一对第一手指29，第一手指29包括相铰接的第一节和第二节，第一节和第二节之间也设置有测量角度的传感器，这种结构方便工作人员操作一对第一手指的张开和闭合；

第二机械手19包括一对相互铰接第二手指30，第二手指30的铰接处也设置有驱动装置，第二手指30采用啮合不完全齿轮相互连接，或者采用独立驱动，采用啮合不完全齿轮相互连接只需要在其中一个第二手指安装驱动机构，另一个第二手指由于啮合关系会反方向张开或闭合。

进一步的，模拟机械臂1的各铰接处均采用阻尼关节，阻尼关节包括设置在相邻两臂铰接处的盖板31、螺杆32和传感器14，其中：

相邻两臂包括第一臂33和第二臂34，相邻两臂的铰接处设置有限位结构，盖板31包括中空的盖板帽35和设置在盖板帽35上的圆环状凸台36，凸台36穿过第一臂33的铰接孔与第二臂34的上表面接触，盖板31和第一臂33之间、第二臂34和第一臂33之间均设置有圆环形摩擦片37，螺杆32为中空螺杆，中空螺杆穿过盖板31和第一臂33的铰接孔，连接至第二臂34的铰接孔，将盖板31和第一臂33铰接在第二臂34上；

传感器14包括基部38和位于基部38上的转动轴39，转动轴39自第二臂34的铰接孔穿入，从中空螺杆中伸出，传感器14上端配有传感器轴套40，传感器14的转动轴39固定在传感器轴套40上，传感器轴套40固定在第一臂33上，传感器14的基部38固定在第二臂34上。这种结构既能使第一臂相对于第二臂在转角范围内自由转动，又能对模拟机械臂施加预紧力，使机械臂保持特定姿态。

作为本发明的一种改进，传感器14为电位器或旋转编码器，电位器的转角范围为0～300°，限位结构为位于第二臂34与第一臂33的接触面边缘的限位凸台41，第一臂33相对于第二臂34的转角范围限定在0～300°之间的任意角度。限位凸台限定了转角范围，防止超出传感器的转角范围对传感器本身造成伤害，也防止人手的误操作导致工作机械臂做出不可预测的动作；

盖板31的圆环状凸台36的末端表面设置有若干等距的第一圆柱突起42，第二臂34的上表面设置有与第一圆柱突起42相适应的第一卡槽43；传感器14的基部38与第二臂34接触的表面上设置有第二圆柱突起44，第二臂34上设置有与第二圆柱突起44相适应的第二卡槽(未示出)。这样盖板与第二臂不会产生相对滑动，传感器的主体和第二臂也不会相对转动。

本发明中，第二控制板5的输出端经转换板21与第一通讯模块22、第二通讯模块23与第一控制板4均通过串口连接，可以实时发送和接收传感器的数据。

另一方面，本发明还提供一种上述的用于巡线机器人的虚拟现实监测控制系统的控制方法，包括：

步骤1：摄像机3监测巡线线路状况和工作机械臂2的作业状况，将采集到的视频信号实时传输至第一无线模块6，地面上的第二无线模块7接收视频信号经由第二控制板5输送至视频眼镜8；

步骤2：工作人员通过步骤1中视频眼镜8的信号，用手操作模拟机械臂1，如图10所示，模拟机械臂1的第二控制板5采集传感器20的数值，第一通讯模块22将采集到的传感器20的数值实时发送给工作机械臂2的第二通讯模块23；

步骤3：如图11所示，工作机械臂2上的第二通讯模块23接收数据信号后，通过第一控制板4解析接收到的数据，然后发送相应的脉冲给不同部位的驱动装置25，驱动装置25转动相应的角度。

本发明的用于巡线机器人机械臂的虚拟现实监测控制系统的控制方法，工作时巡线机器人上的摄像机将采集到的现场视频信号经由控制板通过第一无线模块传输至地面的第二无线模块，地面上的第二无线模块将摄像机采集到的信息经由控制板传输至视频眼镜上，模拟人的双眼视觉，使控制过程更加直观。根据巡线机器人实时传输的画面，地面工作人员可以通过模拟机械臂遥控巡线机器人上的机械臂，精准地完成检修、清理等工作，保证巡线作业准确、高效进行。

优选的，步骤2中，第二控制板5连续获得五次传感器的当前值，使用冒泡算法取中间值作为当前传感器的数值。这样可以减小采集到的传感器数值的波动误差。

进一步的，步骤2中，第一通讯模块22使用编号+传感器的数据方式发送传感器20的数值。这种方式可以有效发送第二控制板获取的多组传感器的数值。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。