作者：

中国科学院自动化研究所 李实

国网徐州供电公司 刘波

中国科学院自动化研究所 韩刚，邱育东，张文生

摘要：我国电力系统配电网目前主要采用人工带电作业方式进行系统的抢修及日常维护。在介绍国内外带电作业机器人研发特色的基础上，本文介绍了一种新型的带电作业机器人：基于增强现实技术的带电作业机器人系统。通过配置双目立体摄像机和激光雷达，获取精准环境目标信息和距离数据，标注在监视器上，保障操作员方便迅速地通过遥操作方式，操作云台上的机器臂完成带电作业任务。实际环境测试取得理想效果，具有广泛推广价值。

关键词：遥操作；增强现实；带电作业机器人；电力配电网

1　前言

目前，我国10kV配电网需要频繁带电作业操作。当前带电作业要求操作人员攀爬10kV电线杆或借助绝缘斗臂车进行作业，需要操作人员在高空、高压、强电磁场等极端危险环境下进行接线、解线等手工操作，劳动强度大，精神高度紧张；不仅给带电作业人员带来人身危险，而且完成作业效率低下。

机器人技术自上世纪六十年代开始，经过多年的发展，已经得到了巨大的进步，得到了广泛的应用。操作机器人从第一代的示教/在线方式，到第二代环境感知模式，到目前的智能机器人，可以在更多领域替代人类完成各种危险复杂任务。配电网带电作业任务复杂，操作环境危险复杂，是典型应用机器人替代人类的操作环境。由于配电网带电作业的特殊性，要想应用机器人完成任务，需要对机器人系统进行全新设计才能更好的满足配电作业的特殊需求。

2　国内外研究现状

国际上从事带电作业机器人的研究起步较早，日本作为机器人产业的强国，在20世纪80年代就开始了相关技术的研究[1]。美国、法国、加拿大、乌克兰、韩国等国家，也都进行过带电作业机器人的研究，但大多还停留在研究和实验阶段，没有像日本的机器人那样投入实际使用。国内对配电网带电作业机器人的研究近几年来已取得多项研究成果[2]；但是目前主要采用由国外引进主体结构，自主改进的方式，一直没有真正实现自主发明。

目前国内外带电作业机器人主要采用两种模式：一是操作员随绝缘斗在空中直接在电缆旁操作机器臂完成带电作业；二是操作员在地面，机器臂随高空云台升入作业现场，操作员通过监视器，观察高空现场情况，操控机器臂进行带电作业。由于第一种模式操作员仍然需要在空中电缆旁进行操作，存在触电风险；目前的带电机器人研发主要集中在第二种模式，即操作员在地面对空中的机器臂进行遥操作的方式。对于这种模式，目前主要存在的问题是操作员获取的显示现场信息不充分，现场摄像头获取的信息通过监控屏幕显示，会丢失大量三维信息，无法真实反应现场情况，由于遮挡关系，监视器无法准确呈现机器臂末端与电缆之间的位置关系。由于操作员不能直观准确地获取现场信息，导致目前操作员在遥操作时，效率低下，存在误操作风险[3]。

3　基于增强现实的带电作业机器人

针对带电作业现场信息采集和显示，导致操作员无法简单直观获取信息，对机器臂进行遥操作效率低、误操作风险大的问题，我们设计了一种新型带电作业机器人遥操作系统：基于增强现实技术的遥操作系统。系统除了在机器臂末端装配摄像头之外，还在高空操作云台上，设置双目立体摄像机和二维激光雷达，利用增强现实技术，获取机器臂在进行带电作业操作时，机器臂本体、机器臂末端与操作现场所有电缆之间的三维位姿关系，以及准确的距离数值，通过三维建模的方式，显示在操作员的监控显示器上，并动态标注机器臂末端手爪与目标电缆之间的准确距离数值，让操作员可以通过最直观的方式，获取现场目标之间的所有位置关系和准确的距离信息，以方便操作员进行遥操作。下面详细介绍系统结构和功能。

3.1　增强现实带电作业机器人结构

新型增强现实带电作业机器人主要包括三个部分：空间机器臂及环境感知部分、高空作业云台、及地面遥操作平台。

带电作业操作使用双轻型双机器臂作为执行机构。环境感知部包含双目立体摄像机和安装在二维云台上的激光雷达。高空作业云台具有18米升降高度，末端负载能力150公斤，负责把机器臂和环境感知部托举到配电带电作业电缆旁。地面遥操作平台包含监控显示器和操作手柄，操作员在地面通过操作手柄对云台上的机器臂进行遥控操作。基于增强现实的软件显示如图1所示。

图1 基于增强现实技术的操作软件界面

3.2　增强现实带电作业机器人工作模式

本系统的工作模式，就是机器臂和环境感知部被云台直接推送到作业所需高空，人类操作员在地面通过视觉引导的方式，操作机器臂完成作业任务。遥操作系统发挥着至关重要的作用。首先云台上的双目立体摄像机会实施传输前端图像到地面，与此同时，双目摄像机对环境目标进行三维重构，建立目标的三维模型。再利用云台上装配的激光雷达，对环境目标进行距离测量，通过增强现实技术，与三维模型数据进行融合；一同显示在操作员的操作屏幕，或者3D头盔上。操作员既能观察到环境中的所有三维目标模型，同时又能清晰地看到标注在模型之间，以及模型与机器臂末端手爪之间的精确距离信息，这是肉眼在真实环境中也无法获取的信息。通过增强现实，显示出来的环境模型和距离信息，极大的提高操作员的操作精度和准确性，减少误操作可能性。详细流程如图2所示。

图2 带电作业机器人模块流程

4　结语

遥操作系统是带电作业机器人的核心，只有操作员能获取带电作业现场准确信息后，才能遥控机器臂完成带电作业任务。本文介绍的新型带电作业机器人，就是采用增强现实技术，为操作员提供直观精准的现场信息，完成遥操作任务。通过现场演示，实际效果达到设计目标，具有广泛的应用前景。

作者简介：

李实（1974-），男，满族，辽宁沈阳人，博士，现就职于中国科学院自动化研究所精密感知与控制研究中心，主要研究领域为智能控制与智能机器人。

刘波（1983-），男，汉族，江苏徐州人，工程师，学士，现就职于国网徐州供电公司配电运检室，主要研究领域为城市配电。

韩刚（1980-），男，汉族，陕西扶风人，副研究员，博士，现就职于中国科学院自动化研究所精密感知与控制研究中心，主要研究领域为机器智能、深度学习、计算机视觉、嵌入式系统等。

邱育东（1961-），男，汉族，福建龙岩人，高级工程师，学士，中国科学院自动化研究所精密感知与控制研究中心主要研究领域为计算机控制与信号检测。

张文生（1965-），男，汉族，河南郑州人，研究员，博士，现就职于中国科学院自动化研究所精密感知与控制研究中心，主要研究领域为人工智能、智能机器人等。

参考文献：

[1] Sawada J, Kusumoto K, Maikawa Y, et al. A Mobile Robot for Inspection of Power Transmission Lines[J]. IEEE Trans on Power Delibery, 1991, 6 (1) : 309 - 315.

[2] Nakashima M, Yano K, Maruyama Y, et al. The Hot Line Work Robot Sytem "Phase II" and Its Human-robot Interface "Mos".In: Proc of the IEEE/RSJ Inter Conf on Intelligent Robots and Systems, Vol 2. 1995. 116 - 123.

[3] 戚晖. 高压带电作业机器人及其跟踪装配系统的研究[D]. 天津：天津大学, 2003.

摘自《自动化博览》2018年4月刊