列車設備箱自動裝配系統(tǒng)設計

楊智才，林群煦，吳月玉*,，劉勝祥，翟玉江，鄭錦瑞

列車設備箱自動裝配系統(tǒng)設計

楊智才1，林群煦1，吳月玉*,1，劉勝祥1，翟玉江1，鄭錦瑞2

（1.五邑大學 軌道交通學院，廣東 江門 529020；2.中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東 新會 529100）

目前列車設備箱的裝配采用人工或半自動化的方法進行裝配，主要存在需要人員多、工作周期長等問題。為此，本文提出一種列車設備箱智能裝配系統(tǒng)設計的研究。首先，設備箱放置于機器人上面以后，機器人通過自主循跡方式運動到車輛下方的設備箱安裝位置；其次，采用攝像頭進行圖像識別和定位，令設備箱的安裝孔與車輛底部的螺栓或裝配孔對準，并抬升到預定位置；最后，操作人員進行設備箱螺栓的緊固后，機器人退出安裝位置并自主運動回預定位置，準備其他設備箱的裝配。此系統(tǒng)能夠顯著減少人手、縮短裝配時間。

列車設備箱；智能裝配；自主循跡

《中國制造2025》提出把智能制造作為信息化和工業(yè)化深度融合的主攻方向，而為了服務國家實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標，各行業(yè)骨干企業(yè)和高等院校、科研院所等建立了一批產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟、協(xié)同推進智能裝備和產(chǎn)品的研發(fā)工作[1-2]。先進軌道交通裝備是大力推動的重點領(lǐng)域突破發(fā)展之一，立足自身的基礎和優(yōu)勢，五邑大學軌道交通學院與生產(chǎn)企業(yè)協(xié)同研發(fā)一種列車設備箱智能裝配系統(tǒng)[3]。

目前列車設備箱的裝配多為定位作業(yè)，天車、人、氣墊搬運車等一起協(xié)同工作完成裝配，主要存在精度、需要人員多、工作周期長等問題[4-5]。為此，本設計開展列車設備箱的自動化裝配的研究，從而減少人手、縮短裝配時間。

1 總體設計

如圖1所示，列車設備箱智能裝配系統(tǒng)由搬運平臺和機器人控制系統(tǒng)兩大部分組成。機器人控制系統(tǒng)由硬件和軟件組成：硬件包括上位機（工控機）和與傳感器、下位機連接的端口設備；軟件指基于ROS（Robot Operating System，機器人操作系統(tǒng)）、Qt（Qt Creator，界面開發(fā)）和OpenCV（Open Source Computer Vision Library，計算機視覺）開發(fā)的機器人操作系統(tǒng)，用于接收、分析傳感器的信號，與下位機通信，從而控制和檢測搬運平臺的運動狀態(tài)，提供可視化界面為操作人員監(jiān)控設備箱自動裝配機器人提供方便[6]。

圖1 列車設備箱自動裝配機器人

裝配機器人停放于上料點，設備箱通過天車等方式放置在機器人上；機器人依靠電子羅盤、激光雷達和攝像頭實現(xiàn)自主導航，移動到與車下設備箱平行處；接著，機器人平移到設備箱的安裝工位處。通過攝像頭跟蹤螺栓上標志物的位置，首先調(diào)整機器人移動底盤的姿態(tài)，接著進行四自由度運動裝置的精密調(diào)節(jié)，令設備箱的安裝孔與車輛底部的螺栓精確對中，最后完成設備箱的舉升[7]。

1.1 搬運平臺

搬運平臺是設備箱自動裝配的實體，由機械結(jié)構(gòu)和下位機組成。搬運平臺可以采用人工操控方式完成設備箱的自動裝配；操作人員通過機器人操作系統(tǒng)輸入控制任務以后，搬運平臺接受上位機（工控機）的指令，進行設備箱的自動裝配。

總體機械結(jié)構(gòu)如圖2所示，搬運平臺由底部的移動底盤和底盤上的四自由度運動裝置兩大部分組成。本方案的設計在不增加其他輔助元器件的前提下可以完成不同規(guī)格設備箱的裝配。支撐架在放置比較長的設備箱時作為輔助支撐作用。針對不同的設備箱要設置相應的定位夾具進行定位和緊固，同時設置多個水平泡保證設備箱的平衡度。

圖2 設備箱自動裝配機器人示意圖

設備箱通過紅外、超聲波傳感器等監(jiān)測設備箱是否遇到障礙物或者即將觸碰到車體，機器人可作出預警提示并停止運動，同時需要操作人員現(xiàn)場排除障礙，確認可繼續(xù)工作[8]。除了對中定位攝像頭以外，還安裝了多個觀察其他安裝孔的攝像頭，對抬升過程中安裝孔和螺栓的干涉進行人工判斷和自動識別監(jiān)控。設置限位接觸開關(guān)防止設備箱過度抬升與橫梁發(fā)生碰撞，保證設備的安全。針對不同設備箱，螺栓對中定位裝置的支撐塊采用多自由度的滑軌加限位的靈活方式，便于操作并保證裝配精度。

1.2 移動底盤

由于設備箱安裝空間狹小，外界干擾比較大，對設備的靈活度要求高，在能滿足重載并不破壞工作地面的前提下，該系統(tǒng)的移動底盤如圖3所示。

運動采用雙舵輪驅(qū)動、輔助萬向輪承載的方式。雙舵輪驅(qū)動行走方向可實現(xiàn)前進后退、左右平移，轉(zhuǎn)彎半徑可實現(xiàn)直接平移或原地轉(zhuǎn)90°[9]。在直線運動模式下，直線度達到運行5 m的偏差不超過1 cm。在最大負載時，速度不低于20 m/min；在低速階段，運動速度可以低至1 mm/s。

圖3 移動底盤結(jié)構(gòu)圖

1.3 四自由度運動裝置

對角雙舵輪驅(qū)動的精度并不高，為了滿足裝配的高精度要求，精確定位采用四自由度的定位裝置。該四自由度運動裝置具有、和軸的平移，以及繞軸旋轉(zhuǎn)的四個自由度，實現(xiàn)設備箱安裝孔和螺栓的最終對中定位[10]。最大負載能力為1 t，放置負載的平臺面積為2 m×1.5 m（最終尺寸根據(jù)實際要求來確定）。和軸運動的范圍是±100 mm（即總行程為200 mm），定位精度為0.05 mm，軸的運動精度為0.1 mm。旋轉(zhuǎn)運動的精度為0.05 mm/1.5 m（0.05 mm表示旋轉(zhuǎn)時，搬運平臺的四個角處的位移精度，1.5 m表示搬運平臺中心到四個角的距離），對應的旋轉(zhuǎn)角度精度為0.0019°。旋轉(zhuǎn)角度的范圍是±5°。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)選用伺服旋轉(zhuǎn)平臺。為保證安裝精度，盡量減小負載放置于四自由度裝置后的傾斜。

2 導航方式

在不增添其他導航設備并盡量減少標志物安裝的前提下，實現(xiàn)裝配系統(tǒng)的自主導航，本系統(tǒng)采用三級定位和導航的方式，實現(xiàn)機器人的自主巡航和螺栓對中定位裝配。機器人的運行路徑如圖4所示。

2.1 第一級定位和導航

第一級定位和導航從處（上料點）到處及處，采用高精度電子羅盤、光電導航傳感器和舵輪內(nèi)置的編碼器結(jié)合的導航方式[11]。電子羅盤可以保證機器人在整個運行過程中保持姿態(tài)與車體縱向以及地面黃線平行。在處，機器人裝載設備箱后將根據(jù)電子羅盤的信號調(diào)整自身的姿態(tài)直到與車體平行。舵輪轉(zhuǎn)向，機器人由處平移，直到光電導航傳感器檢測到處黃線后停止。光電導航傳感器選用8位光電導航傳感器，經(jīng)過測試該傳感器可以檢測綠色油漆地板上的黃線。

在電子羅盤不斷修正機器人姿態(tài)以及光電導航傳感器檢測地面黃線的共同作用下，機器人從處直線運行到處。如圖4所示，從1處到2處地面是沒有黃線的，這需要依靠電子羅盤和舵輪的直線性保證航向不偏移，同時舵輪內(nèi)置的編碼器可以計算從處開始的路程（如果沒到處附近機器人不會停止運行），從而保證順利通過無黃線線路。部分黃線破損比較嚴重，對光電導航傳感器的檢測會造成一定的影響，甚至會導致機器人偏離黃線。為此，用編碼器計算從處開始的位移量，如果沒到處附近機器人不會停止；降低光電導航傳感器對破損黃線的敏感度，也就是光電傳感器的檢測結(jié)果不是以某時刻而是以一段時間內(nèi)的結(jié)果為準。

圖4 裝配機器人搬運路徑

2.2 第二級定位和導航

第二級定位和導航，機器人從處運動到處。依靠電子羅盤、激光雷達和攝像頭完成機器人在安裝位置的定位，定位精度預計達到10 cm以內(nèi)。

激光雷達可以掃描周圍物體、建立二維地圖，根據(jù)標志物與自身的相對位置，引導機器人精確定位和運行[12]。激光雷達的一大特點是能夠測量物體的反光率，不同的反光率用不同的顏色顯示出來。根據(jù)這一特點，在標志物上粘貼具有強反光率的貼紙，將有利于避免激光雷達受到周圍物體的干擾。

為實現(xiàn)機器人沿列車縱向方向（軸方向）的精確定位，在左側(cè)螺栓左側(cè)的地面分別設置兩個粘貼了強反光率貼紙的標志物，兩個標志物的縱向位置與兩個螺栓對應，如圖5所示。激光雷達監(jiān)測到兩個標志物與自身的相對位置，從而實現(xiàn)機器人的縱向定位。

圖5 裝配機器人縱向定位原理圖

為實現(xiàn)機器人的橫向（軸）定位，在對角的兩個螺栓底部中心加上紅色的標志物，該標志物帶磁性可以吸附在螺栓上，如圖6所示。同時，在設備箱對應的安裝孔位置放置兩個豎直朝上的攝像頭。機器人向左運動時，攝像頭會對螺栓底部的紅色標志物進行視覺檢測和位置計算，直到攝像頭運行到螺栓正下方位置。即實現(xiàn)了機器人的橫向定位[13]，如圖7所示。

圖6 裝配機器人橫向定位原理圖

圖7 裝配機器人通過攝像頭進行橫向定位原理圖

綜上所述，依靠電子羅盤、激光雷達和攝像頭可以完成機器人在安裝工位的定位。

2.3 第三級定位和導航

第三級定位和導航，在處（設備箱安裝工位）完成。通過攝像頭跟蹤螺栓上標志物的位置，首先調(diào)整機器人移動底盤的姿態(tài)，接著進行四自由度運動裝置的精密調(diào)節(jié)，令設備箱的安裝孔與車輛底部的螺栓精確對中[14]，最后完成設備箱的舉升。

如圖8所示設備箱的安裝孔向螺栓的左側(cè)有一定偏移量，如圖9所示設備箱向右移動，令安裝孔與對應螺栓對中。如圖10所示為設備箱被抬升令螺栓插入設備箱安裝孔的過程，在此過程中滑塊頂住車體底部的安裝梁，并帶動定位套和攝像頭向下退出安裝孔。

圖8 設備箱對中裝置示意圖

圖9 設備箱對中

圖10 設備箱抬升

3 控制系統(tǒng)

列車設備箱自動裝配機器人的控制系統(tǒng)如如11所示。

上位機（工控機）和基于Qt、OpenCV和ROS開發(fā)的機器人操作系統(tǒng)，監(jiān)控分析電子羅盤、光電導航傳感器、激光雷達和攝像頭的信號，同時與下位機通信，從而控制和檢測搬運平臺的運動狀態(tài)，提供可視化界面為操作人員監(jiān)控設備箱自動裝配機器人提供方便[15]。

圖11 機器人控制系統(tǒng)

下位機可接收無線或有線遙控器的控制信號，當遙控器向下位機發(fā)送運動指令，下位機控制移動底盤的運動和四自由度運動裝置的動作。移動底盤和四自由度運動裝置的運動狀態(tài)，如電池電量、裝配進度、速度、轉(zhuǎn)彎半徑、抬升高度、四自由度運動裝置的位移量和旋轉(zhuǎn)角度、設備箱安裝孔與螺栓的對位圖像等在遙控器中顯示。下位機也可以由上位機發(fā)送控制指令進行控制（機器人處于自動運動模式），下位機同時把運動狀態(tài)信息傳送給上位機，遙控器上有控制按鈕，可以在人工操控和機器人自動運動兩種模式之間進行轉(zhuǎn)換[16]。

4 結(jié)語

本文提出了一種列車設備箱智能裝配系統(tǒng)設計，系統(tǒng)能夠通過自主循跡方式運動到車輛下方的設備箱安裝位置，采用攝像頭進行圖像識別和定位，實現(xiàn)設備箱與安裝螺栓或安裝孔的自動對位。減少列車設備箱裝配所需人員數(shù)量，縮短裝配時間，實現(xiàn)裝配過程的自動化。

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Design of Intelligent Assembly System for Train Equipment Box

YANG Zhicai1，LIN Qunxu1，WU Yueyu1，LIU Shengxiang1，ZHAI Yujiang1，ZHENG Jinrui2

(1.School of Railway Tracks and Transportation, Wuyi University,Jiangmen 529020, China; 2.CRRC Guangdong Rolling Stock Co., Ltd., Xinhui 529100, China)

At present, the assembly of train equipment box is generally carried out manually or semi- automatically, which requires more manpower and longer working cycle. In this paper, a study on the design of intelligent assembly system for train equipment box is conducted to solve the problems. First, the equipment box is placed on the robot, and the robot moves to the installation position of the equipment box under the vehicle by way of independent tracking. Then, the camera is used for image recognition and positioning, so that the installation hole of the equipment box is aligned with the bolt or assembly hole at the bottom of the vehicle, and lifted to the predetermined position. Finally, after the operator fastens the bolt of the equipment box, the robot moves from the installation position back to the preset position automatically to prepare for the assembly of other equipment boxes. It turns out that this system can significantly reduce the human cost and assembly time.

train equipment box；intelligent assembly；independent tracking

TP273

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.006

1006－0316 (2020) 03－0031－06

2019－10－29

國家重點研發(fā)計劃（2018YFB1201601）；國家自然基金（51307170）；廣東省自然科學基金（2018A030310046）；五邑大學青年科研基金（2016zk02）；2019五邑大學學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（2019CX05，2019CX16，2019CX17）；江門市基礎與理論科學研究類科技計劃項目（2016030100040006742）

楊智才（1993－），男，甘肅慶陽人，碩士研究生，主要研究方向為圖像識別與定位技術(shù)；林群煦（1983－），男，廣東江門人，博士，副教授，主要研究方向為智能化裝配、無人駕駛。

吳月玉（1995-），女，廣東湛江人，碩士研究生，主要研究方向為先進制造技術(shù)與裝備、圖像識別，E-mail：2919628580@qq.com