基于混合现实的线路操作空中机器人研究

基于混合现实 的线路操作空中机器人研究

张静 孙喆 王丹阳 乔红

西安电力高等专科学校

摘要：我国架空输电线路覆盖范围广，地形复杂，环境恶劣。因此，电力检测已成为保证电力系统安全稳定的重要任务。近年来，无人机在巡检中的应用，克服了人工巡检的大部分缺点，引起了广泛的关注和实施。然而，目前无人机检测的运行对操作人员的技术要求仍然很高，需要两个或两个以上的操作人员同时配合。为此，基于混合技术和人机交互设计思想，提出了一种采用机械臂示教和第一视角技术的线路操作空中机器人研究。借助于该系统，操作者只需转动头部即可观察无人机的周围环境，通过操作者手中示教机械臂控制空中机器人的操作，使得机械臂可以精准完成任务。通过模拟实验，该检测系统能在35kv电压水平和距电力线3ｍ的距离下有效工作。与目前广泛使用的无人机巡检相比，该系统将把巡检作业的安全性和效率提高到一个更高的水平，实现了将操作人员由两人以上减少到一人以上的目标。

关键词：混合现实；人机交互；机械臂；无人机

基于混合现实的输电线路操作空中机器人。其中，示教机械臂，虚拟现实头盔和双目网络摄像头用于与空中机器人交互。在这项工作中，使用虚拟现实头盔和摄像头结合，提供了机械臂及其工作空间的临场感交互体验。同时，示教机械臂使得操作者者能够通过虚拟从远程位置与机器人交互。工作主要目的在于利用虚拟现实的新兴技术来改善与机器人技术的交互体验，并结合控制器的虚拟模型实现混合现实效果。这项工作的意义在于为危险环境(例如处理高空线路的异物场所)或其他远程环境中的机器人(例如太空机器人)进行示教提供一种解决方案，使得人类示范者无需靠近机器人进能与机器人进行临场感的交互，并对它进行示教，学习相关工作技能。在这个系统中，操作员通过示教机械臂控制无人机搭载的机械臂。同时，通过戴着虚拟现实眼镜，操作员可以以第一视角实时观察输电线路状态及机械臂的运动状态。从而实现了真实逼真的临场感交互，使得操作员可以更好地远程控制机器人完成任务。

随着我国电网高速发展，输电线路规模越来越大，输电线路设备数量日益庞大，位于复杂地形条件、恶劣环境下的输电线路长度日益增大，需要特别巡视和维护的输电线路数量日益增加，且这些输电线路检查维护困难技术含量高。电网安全关系社会稳定、政治稳定、经济发展的全局，维护电网系统输电线路的安全具有重大意义。因此，必须通过创新巡查模式和融合各种新科技来提高输电线路巡查的效率和质量，以达到提高电网维护的水平。

无人机的出现，点亮了解决输电线路巡检难题的新的火光。无人机以其成本低、效率高、机动灵活、拍摄覆盖范围广等优势，迅速引起了电力巡检人员的注意，并很快在电力巡检领域崭露头角。进行输电线路故障隐患排查、红外测温、喷火清障等，逐渐形成了“机巡为主，人巡为辅”的输电线路巡检新模式，极大程度弥补了传统人工巡检的不足。通过无人机进行输电线路巡视采集数据之后，经过数据分析发现的缺陷隐患，需要巡检人员前往现场去解决，大多数时候需要进行登塔作业，无人机与外界物理环境直接接触很少。在无人机上增加机械臂，自然而然地无人机就相当于一架空中行动自如的空中机器人了，如实施救援、电力巡检、高空作业等任务，需要无人机不只有“眼睛”，更需要有可以去与外物接触的“手臂”，来对其所处环境施加主动影响，由此便诞生了作业型无人机(ＵＡＭｓ)这一分支。

为了让空中机器人尽可能题提高智能性与自主性，需要研究如何赋予机器人学习的能力，从而在机器人领域出现了一个重要的分支 -机器人示教。使机器人具备学习的能力是提高机器人智能化程度的一种行之有效方法，使之更加自主地为人服务。自然界中，模仿是人类和其他生物掌握运动技能最直接、最有效的学习方式。同时，模仿学习是人类和其他生物对同伴的行为模式和活动进行效仿，并获得这些行为模式的过程。依据仿生学理论，机器人同样可以尝试通过模仿学习机制获取新的技能。赋予机器人像人类一样模仿学习的能力，使得机器人能够通过模仿示教者的动作实现快速学习，从而有效地解决机器人运动技能获取的问题。因此，模仿学习(示教学习)无论在军事领域还是民事领域都具有广泛的应用前景。

对于空中机器人，人们期望能够以更加直接的方式来对机器人进行操作，除了地面的遥操作外，机器人还应该能与操作者进行直接的人机交互。其中，最主要的就是希望机器人能够在人体的拖动下，记录运动的过程和轨迹并进行重现，通过这种方法对机器人进行示教。拖动示教就是通过人体与机械臂的直接接触来驱动机械臂，并记录运动过程。这种简单的示教的方式，可以在空间环境下降低机械臂操作的复杂性。基于人机交互的示范学习方法可以通过示范者利用自然直接的交互方式来指导机器人完成任务，从而使得机器人学习类似人类的操作技能，以实现直接编程的效果。并且这种方法可以使机器人以高效的方式学习新技能，机器人示教所涉及的学习所包含的技能主要包括各种感知能力或运动能力，例如机械臂运动，机器手的抓取，机器人与人类之间的交互式技能等。

线路操作空中机器人的优点：(1)快速到达人类无法到达的危险区域获取灾害中心实况以及适当性投递救生物资。无人机可以适应恶劣环境下的飞行任务，是一种飞行仪器。当受灾现场情况复杂，救援人员无法及时进入受灾现场，这时无人机可以搭载机械臂等云台快速到达或最大极限靠近受灾现场为救援人员提供最为直接的现场受灾程度。为制定有效的救灾方案提供有力的依据。(2)有效减少检修人员的工作时间以及危险系数，提高工作效率，节约成本。定期需要对高压输电线路进行检修与及时抢修高压线路是保障千家万户安全用电、维护社会公共秩序的基础保障。带机械臂的空中机器人可以随时随地起飞，代替检修人员进行高空线路的安全排查。为高压输电线路的维护工作提供最为直接的帮助。正因此有以上优势的存在，无人机本身具有携带方便、机动性强、能适应恶劣环境下的飞行，在此基础上增加实施需要的云台，更加拓展了无人机的应用范围。(3)通过机器人示范学习，操作者只需要具有关于要实现的任务的隐含知识，而不需要具备大量机器人技术相关的专业知识，就可以通过演示任务的实现流程来让机器人学习技能。(4)将无人机和机械臂结合，利用虚拟现实技术，以第一视角呈现空中机器人的实时画面，通过操作者拖动手中示教机械臂实现高压输电线路异物清障功能。通过无人机自带摄像头及示教控制信号无线传输来完成高空输电线路简单作业，如执行末端为2轴机械夹时可实施输电线路悬挂物的缠绕、清理；一个基于人机交互混合现实的输电线路操作空中机器人。其中，示教机械臂，虚拟现实头盔和双目网络摄像头用于与空中机器人交互。在这项工作中，使用虚拟现实头盔和摄像头结合，提供了机械臂及其工作空间的临场感交互体验。同时，示教机械臂使得操作者者能够通过虚拟从远程位置与机器人交互。工作主要目的在于利用虚拟现实的新兴技术来改善与机器人技术的交互体验，并结合控制器的虚拟模型实现混合现实效果。这项工作的意义在于为危险环境(例如处理高空线路的异物场所)或其他远程环境中的机器人(例如太空机器人)进行示教提供一种解决方案，使得人类示范者无需靠近机器人进能与机器人进行临场感的交互，并对它进行示教，学习相关工作技能。在这个系统中，操作员通过示教机械臂控制无人机搭载的机械臂。同时，通过戴着虚拟现实眼镜，操作员可以以第一视角实时观察输电线路状态及机械臂的运动状态。从而实现了真实逼真的临场感交互，使得操作员可以更好地远程控制机器人完成任务。