摘要：随着机器人在电力行业的应用不断走向深入，电力机器人已经从早期的巡检机器人，导轨机器人，发展到今天的带电作业机器人，仿生机械手在带电作业领域的应用使得电力工人在作业时安全风险大幅度降低，本文讨论了基于数据手套的带电作业车辆控制系统，对数据手套和机械手做了描述，验证了系统可行性。
关键词：数据手套；机械手；带电作业车辆
引言：
随着机器人在电力行业的应用不断走向深入，电力机器人已经从早期的巡检机器人，导轨机器人，发展到今天的带电作业机器人，仿生机械手在带电作业领域的应用使得电力工人在作业时安全风险大幅度降低，习总书记在视察天津滨海新区成果展时，指出带电作业机器人是未来发展方向，相信未来几年会有跟多科研机构投入其中。
本文研究的主要内容是：以仿生机械手、数据手套和 RS-232 串口线为基础，利用串口通信技术，操作者可以直接通过操纵数据手套来控制机械手。
传统的机械手控制软件大多采用的是：[1]操作者通过向计算机发送命令来控制机器人的运动，这种控制操作复杂且很不直观，操作者要事先进行培训，对操作者要求较高；而在本课题中采用的形式是：操作者戴上数据手套通过计算机，直接来控制机器人，并且在计算机上有生成的虚拟场景辅助操作，操作简单、直观，操作者事先不需要进行培训，对操作者要求较低，操作者可以很容易的对机器人实时、准确的控制。
电力公司带电作业任务频繁，例如配电接搭头等。这种业务存在很大安全风险，由于带电作业工人流失大，专业培训也缺乏，由此带来安全风险很大，本系统基于数据手套开发，使得带电作业工人不需要直接和高压电接触，极大降低了带电作业风险。
利用串口通信技术和面向对象技术，使操作者可以直接通过操纵数据手套来控制机械手，以达到高效、自然的人机交互目的，为实现遥操作做准备。
本课题的意义重大，最主要的有以下两点：
（1）大大增强了交互性：操作者能直接通过控制数据手套来控制机械手，操作简单、直观，并且可以完成复杂的操作。
（2）应用前景广泛：不仅可以满足电力行业的需要，还可以满足其他高技术领域发展的急需，如空间探索（卫星的修理，空间站的维护，月球、火星等行星的勘探）和海洋开发（海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海洋钻井平台维护，海底考古等）以及原子能应用，而且可以广泛地应用于军事领域（战场、防化、扫雷、救护等）和民用领域（远程医疗、远程教育、远程科学实验、旅游娱乐等）。
一、系统概述
本系统技术路线：【2】操作者戴上数据手套通过计算机系统实时的控制机器人，并且计算机上有生成的虚拟场景辅助操作，在看不到机械手的情况下，操作者也能通过改变虚拟手的姿态对机械手做出相应的调整，操作简单、直观，操作者事先不需要进行培训，对操作者要求较低，操作者可以很容易的对机器人实时、准确的控制。本系统由数据手套，仿生机械手，仿真虚拟手三大部分组成，操作者可以戴上数据手套做各种动作，数据手套各传感器采集手部动作信息，生成控制信号输入到系统控制单元，控制单元则把输入控制信号映射成手指各关节角度信息，以此作为控制参数，控制仿真虚拟手和仿人机械手的动作。数据手套和控制单元通过RS232接口通信。系统可让电力工人不需要直接接触高压设备，使用数据手套去控制机械手，完成各类操作如配电接搭头等业务。系统框架如下所示：
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图 1
二、研究内容
1.仿真控制架构
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图2 实时仿真控制架构图
系统采用实时仿真控制模式，首先需要对数据手套做校正，因为不同操作者掌型不同，校正完成后才开始实时仿真控制，系统首先不断采集数据手套输入信息，手指关节角度分析模块将14个传感器采集到的信息映射成14个对应关节角度，然后虚拟手关节角度映射模块把14个关节角度根据映射关系，映射成仿真虚拟手的21个关节角度。虚拟手关节角度传送给接口层的虚拟手驱动模块，虚拟手驱动模块驱动仿真平台中的虚拟手完成相应动作，动作完成效果同步反馈给操作者。
2. 仿生机械手
机器人灵巧手简称灵巧手，是一种具有类似人手结构和功能的机器人末端执行器。
如图3所示，自主开发的仿人形灵巧手。其设计指标如下：
1) 采用仿人手布局，具有5指11自由度，尺寸小于人手1.5倍，重量小于2.5Kg；
2) 手指端法向捏紧力大于10N，手指单关节运行速度大于1rad/s；
3) 拇指、食指和中指指端具有6维力/矩传感器，主动关节轴装有电位计测量转角；
4) 单指设计模块化直流伺服驱动电机藏于手指或手掌内，内部走线。
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图3 图4
3.数据手套
数据手套技术指标:
基本参数
操作系统： Win7及以上版本Windows操作系统，安卓系统
二次开发： 提供面向C++、Uinty3D及UE4引擎的SDK
传感器模块：双手14组高精度 九轴惯性传感器模块；
双手2组食指振动反馈模块；
双手2组食指指控按键模块；
双手36颗TS4231高精度定位芯片
手套载具： 高弹双层织物手套；
航向角自定义：支持航向角自定义；
空间定位:支持lighthouse2.0空间定位系统 ，无须增加位置追踪器
头显适配：htc vive头显
自由度： 三自由度(航向、横滚、俯仰)；
角度范围： 航向、横滚、俯仰360度全角度；
最大加速度： +/-16g；
最大角速度： +/-2000º/s；
动态精度： 航向：1 º，俯仰：0.25º，横滚：0.25 º；
角度分辨率： 0.01 º；
数据更新速率：100hz；
波特率： 115200bps；
传输方式： 蓝牙（可选有线）；
传输距离： ≤10m（视环境情况而定）；
电池容量： 800mah锂电池；
使用温度： 0 度到45度；
尺寸： 67*54*28mm；
手势识别：支持静态/动态手势识别自定义
动画录制：支持Unity3D引擎内直接导出fbx格式动画文件
导出文件可在3DMAX,MAYA,MOTIONBUILDER 中优化
一键校准：支持大拇指一键校准
支持动态/静态校准
结束语：
习总书记在视察天津滨海新区成果展时，指出天津供电公司配电作业机器人是电力公司发展方向，相信会有更多的科研机构投入到电力行业机器人应用中来，本项目初步探讨了基于数据手套的带电作业车辆控制系统，为后续研究打下基础。
参考文献：
1. 张俊杰 基于数据手套的机械手控制系统开发研究 华中科技大学 2005 硕士论文
2.韦婷、肖建南 基于数据手套的仿人机械手控制系统 计算机工程与设计 2009,30（7）
论文作者:沈晨,刘飞,张淑萍,胡旭,王彧,丁旭峰,张健
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：操作者论文; 手套论文; 机械手论文; 作业论文; 数据论文; 机器人论文; 关节论文; 《电力设备》2019年第22期论文;