融合3D視覺的機器人自主更換變壓器熔斷器系統

趙云濤，唐 千，王曉飛，曹 念，王龍祥

（1.武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢430081；2.武漢海默機器人有限公司，武漢430000）

配電變壓器進線熔斷器是使用數量最大、更換頻率最高的配網物資之一，目前各地的檢測更換方式仍主要依靠人工實現，存在自動化程度低、工作量大、危險性較高、以及對檢修人員的專業性要求高的問題，不能滿足日益增長的電力檢修作業需求。為達到“減員、增效、提質、保安全”目標，采用“機器換人”是重要途徑[1]。 而傳統機器人多用于弧焊、點焊、裝配、搬運、切割等重復或單調的生產作業中[2]。

針對工件的分類、定位等工作，文獻[3]建立了基于立體視覺的工件識別定位系統，完成目標的三維姿態估計， 結合OpenCV 視覺庫及機器人控制系統實現工件識別定位實驗。 文獻[4]采用工業相機、工業投影機、普通攝像頭、計算機和機器人開發了一套具有三維立體視覺的機器人智能抓取分類系統，實現了物體的自動識別和分類。 文獻[5]設計了采用DFK 33GX174 工業相機的雙目立體視覺汽車零件自動化分檢生產線， 三維立體定位確定抓取點，提高零件的裝配精度。 但以上多采用工業機器人，近年來協作機器人因具有更高安全等級而得到迅猛發展[6]。 因此將具有高安全等級協作機器人融合彩色3D 深度相機，進而提高熔斷器更換的智能化水平，將成為電力無人檢修作業的有益嘗試。

變壓器熔斷器具有種類型號多等特點，常采用人工檢修更換。 本文針對變壓器熔斷器人工更換工作量大、安全性低的問題，設計開發了融合3D 視覺的機器人自主更換變壓器熔斷器系統。 該系統以協作機器人為基礎，采用彩色及深度相機獲取環境數據。 使用變壓器熔斷器作業場景3D 實景還原，識別出熔斷器安裝位置和需要拆卸的螺栓位置，從而實現機器人自主更換變壓器熔斷器。 通過在國家電網內部試驗場地測試，證明該系統可以替代檢修人員進行無人作業。

1 系統總體設計

為實現變壓器熔斷器更換，協作機器人安裝于多功能升降車平臺上。 當升降平臺升至工作位置后， 使用彩色3D 深度相機全方位掃描獲取變壓器熔斷器周圍場景數據。 機器人手臂末端帶有彩色深度相機和可旋轉高壓絕緣桿。 彩色深度相機用于獲取目標實物特征。 高壓絕緣桿用于旋開螺栓，更換熔斷器。 圖1 為自主更換變壓器熔斷器系統框架。

圖1 自主更換變壓器熔斷器系統框架Fig.1 Framework of automatic replacement transformer fuse system

融合3D 視覺的機器人根據獲得彩色深度信息， 采用3D 實景還原技術對原始彩色點云數據進行融合，生成熔斷器三維點云模型。 判斷熔斷器的裝配位置及所需拆卸的螺栓位置，并將螺栓位置設為目標位置點。 在獲取目標位置后，通過軌跡規劃算法實現自動避障。 得到機器人末端的有效運動軌跡，發送至協作機器人。 機器人獲得執行命令，開始執行更換熔斷器作業。

2 場景3D 實景還原

如圖2 所示，相機裝于機器人末端法蘭，采用eye-in-hand 方式采集數據（方框內為相機）。 彩色深度相機圍繞目標物件進行全方位掃描，獲取場景原始物理特征數據。

圖2 熔斷器場景數據采集Fig.2 Data acquisition of scene

由于目標自身會有遮擋的原因，單個角度拍攝無法獲取全方位三維數據信息。 為此協作機器人從不同角度進行拍攝變壓器熔斷器，獲取四幀點云數據并記錄當前機器人末端的位置，如圖3 所示。

圖3 不同角度四幀彩色點云數據Fig.3 Four-frame color point cloud data from different perspectives

相機固定于機器人末端，即相機與機器人末端相對位置不變，移動相機可獲取機器人末端位置。

通過手眼標定算法[7]，可得到國家電網試驗測試環境下相機坐標系和工具坐標系之間的變換矩陣toolHcam。 根據相機位置對每次所拍攝的點云坐標轉換，將所拍攝點云轉換至世界坐標系。

記錄4 次拍照時相機位置， 通過坐標轉換和相機坐標系與工具坐標系之間的變換矩陣可得到相機拍照獲得的點云數據相對于機器人原點的單應性矩陣。 統一至世界坐標系下通過點云融合算法將四幀點云進行融合，以及模型合成、去噪、優化等處理，將熔斷器等比縮放于虛擬空間，最終生成全方位無遮擋的變壓器熔斷器點云圖。 點云融合后，可獲取清晰完整的變壓器熔斷器3D 實景彩色點云模型，見圖4（a）。 通過指定或匹配方式，即可容易獲得作業目標點位置（熔斷器螺栓裝配位置），見圖4（b）方框內。

圖4 彩色點云模型作業目標位置Fig.4 Target location of color point cloud model

3 自主更換熔斷器避障作業

通過3D 實景還原技術可獲取目標實體空間模型和特征（實際大小、顏色、空洞、邊緣、棱角等）。 在得到作業目標位置后，系統通過軌跡規劃算法可自動生成機器人運動軌跡。 由三維實體空間模型可獲取目標位置點、機器人等周圍物體實際空間位置關系，最終實現自動蔽障。

點云數據通過八叉樹方法[8]處理后得到用于描述三維空間的樹狀數據結構， 快速獲得物體在3D場景中的位置， 或判斷與其它物體是否有碰撞等。每個點云節點經八叉樹處理后，表示為正方體的體積元素。 每個節點有8 個子節點，將8 個子節點所表示的體積元素加在一起就等于父節點的體積。

3D 實景經過八叉樹處理后，障礙物以綠色方塊形式表現在機器人三維實體空間。 圖5 中，當檢測到協作機器人與周圍環境碰撞時，機器人的碰撞部分呈現紅色，并重新進行機器人自動軌跡規劃。

圖5 自動避障軌跡規劃Fig.5 Trajectory planning of obstacle avoidance

最終得到無障礙的運動路徑后，系統生成機器人作業程序，并自動導入機器人執行文件。 然后協作機器人末端運動至變壓器熔斷器螺栓位置，通過可旋轉高壓絕緣桿擰開螺栓，機器人執行自主更換變壓器熔斷器作業，見圖6。

圖6 機器人自主更換變壓器熔斷器作業Fig.6 Operation of replacement transformer fuse system

4 結語

根據電力檢修更換變壓器熔斷器 “機器換人”的工作需要， 設計開發了融合3D 視覺的機器人自主更換變壓器熔斷器系統。 將具有高安全性的協作機器人作為執行作業主體，結合彩色深度相機用以采集實際場景環境特征。 采用3D 實景還原技術，自動規劃無障礙作業軌跡實現機器人對電力變壓器熔斷器的檢修和更換。

通過國家電網內部試驗場地測試，本文提出的融合3D 視覺的機器人系統具有安全性高、 自動化工作等特點。 可實現自主識別障礙物，以及適應不同規格的變壓器熔斷器更換。