莊 軍， 李 鵬， 孟范鵬， 班 赟

(1. 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2. 中國鐵路濟南局集團有限公司 青島動車段， 山東 青島 266000)

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展快速，目前全國城市軌道交通(不含有軌電車)運營線路已達(dá) 6 500 km以上，擁有地鐵運營線路的城市已達(dá) 38 個，城市軌道交通線路之長和城市之多都位居世界首位，成為世界城市軌道交通大國[1-2]。城軌交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，給軌道車輛的檢修工作帶來了巨大的壓力。目前，城軌車輛日檢基本以人工檢修為主，以計劃檢修為核心[3]。但由于被檢修列車組成復(fù)雜、部件繁多，使得人工檢修負(fù)擔(dān)沉重，檢修效率不高[4]。城軌車多股道作業(yè)智能日檢機器人的研發(fā)將智能化、自動化作業(yè)引入到車輛的日檢工作中，用以輔助替代人工檢查，總體采用單元化設(shè)計，行動靈活，既可無軌道走行作業(yè)，也可實現(xiàn)軌上移動作業(yè)[5]。

1 設(shè)計目的及系統(tǒng)功能

多股道作業(yè)智能日檢機器人系統(tǒng)(以下稱機器人)設(shè)計的主要目的是輔助替代人工完成車輛日檢作業(yè)。機器人可以根據(jù)作業(yè)目標(biāo)自行完成任務(wù)路徑規(guī)劃，快速移動至檢修維護目標(biāo)區(qū)域，通過機械臂、雙自由度平臺聯(lián)動，實現(xiàn)預(yù)先示教或編訂的指令動作，將視覺監(jiān)控單元精準(zhǔn)送至目標(biāo)檢測位置進(jìn)行圖像采集檢測，獲取圖像后進(jìn)行智能分析判斷故障，進(jìn)而輔助替代人工日檢[6-7]?？蓪崿F(xiàn)的功能有：

(1) 機器人具備軌上、軌下走行功能，可以記錄行走里程，軌下具備穿越平交直道及爬坡能力，可自由進(jìn)出股道地溝。

(2) 機器人以激光雷達(dá)傳感器為依托，可以實現(xiàn)自導(dǎo)引走行功能，可以根據(jù)指令目標(biāo)自動規(guī)劃路徑、避障，并完成股道轉(zhuǎn)移。

(3) 機器人整機移動平臺配合機械臂和水平、垂直移動模組，可實現(xiàn)目標(biāo)位置精準(zhǔn)移動及機器人動作的精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)。通過軟件示教可以實現(xiàn)對每一個動作的編輯、記錄、修改、存儲、執(zhí)行。

(4) 機器人可實現(xiàn)整機全自主工作，可以在示教完成或指令編訂后，通過示教文件自主依據(jù)作業(yè)工藝指令流程進(jìn)行工作。

(5) 機器人具有工作項點動作可編輯功能，可線下編輯指令，可以控制順序、逆序、連續(xù)、分步完成指令動作。

(6) 機器人具備圖像采集功能，可以通過視覺監(jiān)控單元對車輛情況進(jìn)行圖像采集，并通過內(nèi)部算法分析圖像，輔助替代人工分辨車輛故障。

2 結(jié)構(gòu)組成

機器人主要由導(dǎo)航系統(tǒng)、機械臂運動機構(gòu)、控制管理系統(tǒng)、多功能底盤、視覺監(jiān)控單元構(gòu)成(圖1)[8]。導(dǎo)航系統(tǒng)與多功能底盤交互信息，機械臂運動機構(gòu)與多功能底盤交互信息[9]。導(dǎo)航系統(tǒng)為多功能底盤提供行進(jìn)坐標(biāo)和當(dāng)前位置，機械臂運動機構(gòu)與多功能底盤配合運動，控制管理系統(tǒng)整體控制機器人平臺系統(tǒng)協(xié)作工作，視覺監(jiān)控單元負(fù)責(zé)采集圖像信息[10]。

圖1 機器人

導(dǎo)航系統(tǒng)采用激光輪廓導(dǎo)航，工作現(xiàn)場無需改造，通過多線激光雷達(dá)創(chuàng)建地圖后實現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航。

機械臂運動機構(gòu)采用6自由度機器人配合水平、垂直移動模組，通過示教或指令編輯可實現(xiàn)動作精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)。

控制管理系統(tǒng)采用研華APAX-5580作為控制主機，配有模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出模塊，實現(xiàn)總體控制。

多功能底盤采用四舵輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，每個舵輪獨立運轉(zhuǎn)，通過角度傳感器，實時監(jiān)測底盤在縱向和橫向狀態(tài)下兩組輪子與底盤之間的角度關(guān)系，實現(xiàn)精準(zhǔn)移動。

視覺監(jiān)控單元采用復(fù)合型工業(yè)相機實現(xiàn)3D圖像采集，并配有圖像分析邊緣計算單元對圖片內(nèi)容進(jìn)行分析。

機器人電控構(gòu)架如圖2所示，主要包含：控制中心、機械臂控制器、水平模組控制器、垂直模組控制器、視覺監(jiān)控單元、底盤控制器、導(dǎo)航控制器等。

圖2 機器人電控構(gòu)架圖

控制中心內(nèi)設(shè)有主程序，控制中心通過以太網(wǎng)與機械臂、水平模組控制器、垂直模組控制器、視覺監(jiān)控單元、底盤控制器和導(dǎo)航控制器交互控制。

控制中心通過擴展模塊控制電控系統(tǒng)。

電控系統(tǒng)由各類電氣元件構(gòu)成，在控制中心控制下，實現(xiàn)機械臂、水平模組、垂直模組、視覺監(jiān)控單元、底盤、導(dǎo)航的驅(qū)動控制及信號控制。

3 控制軟件

機器人系統(tǒng)軟件操作界面如圖3所示。本軟件實現(xiàn)了機器人各單元的程序控制以及機器人工作流程的示教、編輯。具體功能分區(qū)包括整體控制區(qū)、工作文件編輯區(qū)、機械臂控制區(qū)、X方向控制區(qū)、Y方向控制區(qū)、Z方向控制區(qū)、拍照控制區(qū)、繼電器控制區(qū)、位移傳感器顯示區(qū)。

圖3 軟件界面

整體控制區(qū)可以實現(xiàn)機器人執(zhí)行文件的新建、打開、保存，機器人按照控制文件自主運行。

工作文件編輯區(qū)可以實現(xiàn)指令選擇、載入、執(zhí)行、暫停、聯(lián)動以及文件指令的增、刪、改、查。

機械臂控制區(qū)可以實現(xiàn)機械臂各個關(guān)節(jié)位置顯示，可以控制單點運動，可以添加運動軌跡點實現(xiàn)軌跡運動。

X方向控制區(qū)可以實現(xiàn)零點設(shè)定，獲取當(dāng)前X方向坐標(biāo)，配置底盤運動模式，設(shè)置運動速度以及執(zhí)行命令。

Y方向控制區(qū)可以實現(xiàn)Y方向位置信息獲取，可以設(shè)置Y方向目標(biāo)位置，可以設(shè)置運行速度，可以控制Y方向運動。

Z方向控制區(qū)可以實現(xiàn)Z方向位置信息獲取，可以設(shè)置Z方向目標(biāo)位置，可以設(shè)置運行速度，可以控制Z方向運動。

拍照控制區(qū)可以實現(xiàn)UDP指令通信，可以通過通信協(xié)議實現(xiàn)對視覺監(jiān)控單元的控制。

繼電器控制區(qū)可以實現(xiàn)對機器人的各單元供電控制。

位移傳感器顯示區(qū)可以實時顯示位移傳感器的數(shù)據(jù)信息。

4 功能操作與應(yīng)用驗證

4.1 機器人作業(yè)人員基本操作流程

(1) 作業(yè)人員在現(xiàn)場根據(jù)待檢測項點進(jìn)行機器人圖像采集初步路徑規(guī)劃[11]；

(2) 根據(jù)初步路徑規(guī)劃，采用示教方式完成機器人詳細(xì)動作路徑學(xué)習(xí)[12]；

(3) 對路徑上圖像采集區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵檢測點規(guī)劃識別標(biāo)注；

(4) 操作機器人示教路徑復(fù)現(xiàn)，驗證示教路徑重復(fù)可靠性；

(5) 機器人全流程自動采集基準(zhǔn)圖像；

(6) 待檢測項點圖像配準(zhǔn)域值設(shè)置；

(7) 機器人全流程檢測作業(yè)，完成全部項點圖像采集。

圖4為機器人路徑規(guī)劃現(xiàn)場。

圖4 機器人路徑規(guī)劃現(xiàn)場

4.2 機器人自主作業(yè)邏輯流程

(1) 系統(tǒng)初始化，載入日檢任務(wù)動作清單；

(2) 系統(tǒng)自檢各子系統(tǒng)通信狀態(tài)、初始位置狀態(tài)、動作功能是否正常；

(3) 執(zhí)行當(dāng)前示教動作指令，同步獲取圖像信息；

(4) 通過圖像進(jìn)行三維坐標(biāo)分析，計算是否需要修正；

(5) 如需要修正坐標(biāo)則進(jìn)行修正，若坐標(biāo)正常則進(jìn)行日檢圖像故障分析；

(6) 相關(guān)數(shù)據(jù)與服務(wù)器進(jìn)行交互；

(7) 系統(tǒng)判定是否完成全部目標(biāo)任務(wù)清單，未完成載入下一條示教動作指令，完成結(jié)束整體任務(wù)。

圖5為機器人自主作業(yè)流程圖。

圖5 機器人自主作業(yè)流程圖

4.3 機器人動作基本功能驗證

主要檢查確認(rèn)控制信號的正確性，確定可正?？刂苿幼?；檢查水平、垂直移動模組和機械臂運動的穩(wěn)定性；通過控制器控制機械臂6軸電動機，測試單軸、多軸運行的穩(wěn)定性；確認(rèn)各動作機構(gòu)動作是否到位，各控制單元是否到達(dá)限位和零位；測試傳感器是否觸發(fā)有效，檢測限位傳感器、零位傳感器定位情況[13]；重復(fù)定位精度測試，并進(jìn)行定量驗證，測試結(jié)果如表1所示。

表1 重復(fù)定位精度測試結(jié)果 mm

對表1的結(jié)果進(jìn)行分析可得出：機械臂整體、末端精度為0.5 mm，不受動作影響；導(dǎo)航系統(tǒng)在地溝內(nèi)和地溝外的導(dǎo)航精度基本一致，坡上導(dǎo)航采用二維碼輔助導(dǎo)航，精度由11 mm提升至3 mm；水平模組和垂直模組精度為0.5 mm，為機械系統(tǒng)引入誤差，不因運行速度而改變；整體直線運動因為打滑等因素影響，機器人運動誤差隨運動速度增大而增加，最大誤差達(dá)到2.5 mm，滿足圖像采集需求。

4.4 機器人整體日檢功能故障識別驗證

選取青島地鐵2號線列車運行車輛進(jìn)行驗證。經(jīng)與青島地鐵作業(yè)人員共同梳理，采用本系統(tǒng)機器人替代人工巡檢 1 420個待檢測項點。由于整體樣本數(shù)量有限，試驗按照置信度90%、失效比例小于20%、同類型不低于11個故障取樣進(jìn)行模擬測試。選取人工標(biāo)記故障共計85處，其中：松動故障共11處，包括齒輪箱螺栓松動、油面觀察窗螺栓松動、車鉤連接螺栓松動；脫落故障共33處，包括排障器開口銷脫落、制動夾鉗螺栓脫落、單元制動機螺栓脫落、線夾螺栓脫落、車底電器箱螺栓脫落、吊掛螺栓脫落、受流器螺栓脫落、架空制動單元螺栓脫落；斷裂故障共14處，包括轉(zhuǎn)向架構(gòu)架防松鐵絲斷裂、齒輪箱防松鐵絲斷裂；表面異常故障共16處，包括車底管線接頭異常、車底管路異常、噴油嘴異常、油面觀察窗液位異常；閉合不良故障共11處，包括二級鎖和航空插頭閉合不良。檢測結(jié)果如表2所示。

表2 機器人日檢項點統(tǒng)計表

對測試結(jié)果統(tǒng)計分析可知，機器人系統(tǒng)整體誤報率0.56%，故障檢出率92.94%，整體效果優(yōu)于90%，但在表面異常故障識別上漏報率較高，漏報率18.75%。圖6所示為采集的架控制動單元圖像，上部分為3D圖像，下部分為與之對應(yīng)的2D圖像。通過圖像對比可知，3D圖像中明顯丟失了一些信息，因為3D圖像深度分辨率受限，當(dāng)表面異物過薄時很難發(fā)現(xiàn)，因此導(dǎo)致了漏報。在后續(xù)工作中將優(yōu)化算法，提升硬件能力，進(jìn)一步減少誤報、漏報的發(fā)生。

圖6 架控制動單元圖像

5 結(jié)束語

多股道作業(yè)智能日檢機器人目前已經(jīng)在地鐵車輛段進(jìn)行試用，受到了業(yè)主好評。該系統(tǒng)的應(yīng)用在減輕人工作業(yè)負(fù)擔(dān)的同時，提升了軌道車輛日檢作業(yè)的整體水平。機器人因其作業(yè)靈活，性能穩(wěn)定，作為常規(guī)日檢作業(yè)的有力補充有著明顯優(yōu)勢。而數(shù)字化作業(yè)采集在能夠智能判斷車輛潛在故障信息的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了全壽命周期建檔，可隨時追溯查詢，為進(jìn)一步實現(xiàn)大數(shù)據(jù)、AI技術(shù)在地鐵車輛智能檢修中的應(yīng)用提供了有力的基礎(chǔ)保障[14-15]。

同時，機器人因采用平臺化、模塊化設(shè)計，系統(tǒng)易于拆分，可快速平行遷移應(yīng)用，各單元均可更換，通過使用不同類型檢測單元，可以勝任不同的檢測工作，因此應(yīng)用前景廣泛。