鐵路編組站駝峰解體全自動(dòng)智能提鉤系統(tǒng)研究與探索

侯習(xí)洪

（北京鐵路局南倉站，北京 100000）

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）信息處理模塊作用是將調(diào)車作業(yè)通知單及TW-2系統(tǒng)下達(dá)的命令進(jìn)行信息轉(zhuǎn)化，建立數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)通知單傳輸系統(tǒng)、TW-2系統(tǒng)與本系統(tǒng)的無縫對接。（2）控制模塊作用是將數(shù)據(jù)信息傳遞給峰頂全自動(dòng)智能提鉤機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)摘鉤機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、摘鉤動(dòng)作控制、車輛信息及車速識(shí)別模塊的信息轉(zhuǎn)換輸入輸出等。（3）車輛信息及車速識(shí)別模塊作用是采集車輛的信息及速度信息，將此信息反饋給摘鉤機(jī)器人，摘鉤是否成功取決于采集的信息是否準(zhǔn)確。（4）摘鉤機(jī)器人行走模塊作用是根據(jù)車列的運(yùn)行速度，驅(qū)動(dòng)摘鉤機(jī)器人實(shí)現(xiàn)加速、追蹤、減速的要求。（5）摘鉤機(jī)器人主體模塊作用是實(shí)時(shí)調(diào)整摘鉤動(dòng)作的姿態(tài)，滿足不同鉤提桿位置的摘鉤動(dòng)作需要。（6）摘鉤執(zhí)行模塊作用是執(zhí)行摘鉤動(dòng)作的執(zhí)行元件，通過執(zhí)行元件夾住鉤提桿后轉(zhuǎn)動(dòng)鉤提桿，完成摘鉤動(dòng)作。（7）摘鉤結(jié)果檢測模塊作用是摘鉤動(dòng)作完畢后對車鉤狀態(tài)的檢測，對摘鉤結(jié)果信息反饋到控制模塊并提示相應(yīng)的輸出信號(hào)。

1.2 功能設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)摘鉤作業(yè)自動(dòng)化，摘鉤機(jī)器人系統(tǒng)必須要具備以下功能。

（1）摘鉤機(jī)器人系統(tǒng)與調(diào)車作業(yè)通知單及TW-2系統(tǒng)接口相匹配，實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)的信息轉(zhuǎn)換功能；（2）調(diào)車機(jī)將車列推入駝峰時(shí)，摘鉤機(jī)器人要識(shí)別車輛信息及車列的運(yùn)行速度功能；（3）列車進(jìn)入摘鉤區(qū)域時(shí)，摘鉤機(jī)器人要具備鉤提桿位置識(shí)別功能；（4）摘鉤作業(yè)時(shí)，摘鉤機(jī)器人要具備執(zhí)行摘鉤動(dòng)作功能；（5）摘鉤作業(yè)完成時(shí)，摘鉤機(jī)器人要具備摘鉤檢測功能，確保摘鉤成功。

2 系統(tǒng)功能

2.1 信息處理模塊

信息處理模塊主要實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)計(jì)劃與TW-2系統(tǒng)的信息進(jìn)行處理，并將處理后的信息反饋到控制模塊中。例如，車列尚未到達(dá)編組站時(shí)，車列的各種信息已由始發(fā)站傳輸?shù)骄幗M站的信息處理系統(tǒng)，信息處理系統(tǒng)自動(dòng)生成調(diào)車計(jì)劃直接傳輸至本系統(tǒng)信息處理模塊實(shí)現(xiàn)信息交互。TW-2系統(tǒng)與本系統(tǒng)交互時(shí)，提供摘鉤作業(yè)的始發(fā)信號(hào)及摘鉤結(jié)果信號(hào)。

2.2 控制模塊

（1）與本系統(tǒng)交換信息，接收調(diào)車作業(yè)通知單及TW-2系統(tǒng)信息，逐列規(guī)劃本系統(tǒng)摘鉤作業(yè)計(jì)劃；（2）接收并處理來自車輛信息及車速識(shí)別模塊識(shí)別的車數(shù)、車長、車速、車種、車號(hào)等信息；（3）存儲(chǔ)信息處理模塊和車輛信息及車速識(shí)別模塊的數(shù)據(jù)；（4）接收并處理摘鉤結(jié)果；（5）處理待解車輛提鉤桿位置、車速等信息，控制摘鉤機(jī)器人啟動(dòng)、姿態(tài)調(diào)整、跟隨、摘鉤等動(dòng)作。

2.3 車輛信息及車速識(shí)別模塊

（1）系統(tǒng)接收調(diào)車機(jī)進(jìn)入駝峰指令，啟動(dòng)鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)和車輛信息識(shí)別設(shè)備，進(jìn)行車輛信息采集；（2）根據(jù)目標(biāo)檢測算法，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的識(shí)別多種車型的車號(hào)識(shí)別，為后續(xù)工作做準(zhǔn)備；（3）對于光照不均現(xiàn)象，根據(jù)圖像處理相關(guān)算法，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的定位車號(hào)，要有較強(qiáng)的干擾能力；（4）采用圖像處理技術(shù)與深度學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)能夠進(jìn)行車號(hào)的字符分割與識(shí)別；（5）系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)完整的原始圖像信息并按指定路徑存儲(chǔ)識(shí)別結(jié)果；（6）系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的識(shí)別車列的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度；（7）系統(tǒng)能夠在風(fēng)、雨、雪、霧等惡劣天氣下進(jìn)行工作，并且要能夠長期在線運(yùn)行，具有較高的穩(wěn)定性。

2.4 摘鉤機(jī)器人行走模塊

摘鉤機(jī)器人行走模塊是保障摘鉤機(jī)器人本體行走與車列能否同速的關(guān)鍵性模塊。現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)方式有：輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、軌道移動(dòng)機(jī)構(gòu)及足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。駝峰地面大多由地磚鋪成，地面不平整，而軌道式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有高度、水平都可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，宜采用軌道式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。峰頂作業(yè)區(qū)域人為劃分了三個(gè)作業(yè)區(qū)域，分段設(shè)置軌道，模擬人工作業(yè)方法，節(jié)約資源、易于控制。綜上所述，采用分段式軌道移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

機(jī)器人行走軌道主要有以下幾部分組成：地腳、地軌底座、導(dǎo)軌、滑臺(tái)組件、滾輪及伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。對軌道受力簡化后采用有限元分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕度校核。

2.5 摘鉤機(jī)器人本體模塊

本模塊分為圖像采集系統(tǒng)和機(jī)械人本體控制系統(tǒng)。其中，圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)像處理以及運(yùn)動(dòng)跟蹤預(yù)測等工作，機(jī)器人本體控制系統(tǒng)根據(jù)控制指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。工作原理為：車列駛?cè)氪^區(qū)域，圖像采集裝置獲取到車輛鉤提桿二維圖像，通過算法轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)構(gòu)建合適的機(jī)器人本體關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，并且將信息傳輸?shù)綑C(jī)器人本體模塊，控制其運(yùn)動(dòng)達(dá)到指定位置。

本模塊圖像采集系統(tǒng)采用單目視覺，攝像機(jī)固定在機(jī)器人移動(dòng)底座上，以此滿足系統(tǒng)對于實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性要求。圖像預(yù)處理：由于攝像機(jī)成像存在圖像畸變現(xiàn)象，獲取相機(jī)的內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)及畸變參數(shù)之后，通過畸變矯正技術(shù)還原實(shí)際的場景信息，而后進(jìn)入正常的圖像處理工作，便于后續(xù)的目標(biāo)檢測工作；目標(biāo)檢測跟蹤：目標(biāo)識(shí)別跟蹤任務(wù)在機(jī)器人本體控制追蹤中至關(guān)重要。該部分內(nèi)容需從圖像中識(shí)別鉤提桿，同時(shí)進(jìn)行圖像追蹤，以達(dá)到機(jī)器人本體追隨鉤提桿位置進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)。視覺測距：將機(jī)器人所需三維坐標(biāo)與攝像機(jī)坐標(biāo)系相重合，從而得出平面內(nèi)的像素坐標(biāo)系與三維坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，最終獲得目標(biāo)對象在空間中的三維坐標(biāo)信息；決策控制：利用相應(yīng)的算法求出鉤提桿的位置信息，并將該信息傳輸給機(jī)械人本體，控制其運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定位置；運(yùn)動(dòng)規(guī)劃：機(jī)器人本體根據(jù)控制指令和接收的位置信息，完成運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解，再根據(jù)各個(gè)軸的狀態(tài)信息調(diào)整姿態(tài)，控制摘鉤執(zhí)行模塊達(dá)到指定位置即可視為完成工作；實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制：由于車列處于運(yùn)動(dòng)中，只有實(shí)時(shí)控制才能保證運(yùn)動(dòng)指令被正確的執(zhí)行。摘鉤機(jī)器人作業(yè)時(shí)，摘鉤機(jī)器人手臂要適應(yīng)不同種類的鉤提桿，這就要求機(jī)器人可自由調(diào)節(jié)末端機(jī)械手的位置和姿態(tài)；其次，機(jī)器人行走速度需和車列速度要保持一至，而車列行駛速度是非線性的，在摘鉤作業(yè)中會(huì)有忽快忽慢的現(xiàn)象，為保護(hù)鐵路車輛和提鉤機(jī)器人本體作業(yè)過程中不因受力過大而造成設(shè)備損壞，采用6軸柔性機(jī)械人最為合適。采用六軸機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)柔性摘鉤，而且可通過設(shè)定機(jī)器人每個(gè)軸的輸出力，當(dāng)速度不匹配時(shí)根據(jù)力矩大小調(diào)節(jié)機(jī)器人姿態(tài)。

2.6 摘鉤執(zhí)行模塊

鉤提桿為棒材折彎而成。摘鉤機(jī)械手應(yīng)保證能順利夾住鉤提桿、執(zhí)行脫鉤動(dòng)作及松開鉤提桿等功能。機(jī)械手采用夾爪形式，指端根據(jù)提手形狀設(shè)計(jì)為V型指，V型指結(jié)構(gòu)簡單，對圓棒型材適應(yīng)能力強(qiáng)。峰頂全自動(dòng)智能提鉤機(jī)器人機(jī)械手要求性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活。提鉤機(jī)械手執(zhí)行動(dòng)作為：機(jī)器人根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，移動(dòng)至摘鉤位置，機(jī)器手上方相機(jī)拍攝照片，利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)確定鉤提桿位置，并判定鉤提桿是上作用式還是下作用式，機(jī)器人調(diào)整自身關(guān)節(jié)姿態(tài)并到達(dá)指定位置后，機(jī)械手夾住鉤提桿，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)，完成摘鉤作業(yè)。

2.7 摘鉤結(jié)果檢測模塊

摘鉤結(jié)果檢測模塊是將摘鉤結(jié)果反饋至控制模塊，控制模塊將此摘鉤結(jié)果作為判斷執(zhí)行下一組動(dòng)作的啟始信號(hào)。摘鉤成功結(jié)果判定：摘鉤成功后，兩車鉤之間空擋距離會(huì)變長，由圖像識(shí)別裝置采集兩車鉤距離的圖像傳送至控制模塊，控制模塊將圖像處理并分析對比判定摘鉤動(dòng)作是否完成，通過設(shè)在下坡道第一分路道岔區(qū)段內(nèi)的記軸器，獲取當(dāng)前溜放的實(shí)際車輛數(shù)，再與調(diào)車作業(yè)計(jì)劃單中車輛數(shù)進(jìn)行比較，一致時(shí)判定摘鉤成功，機(jī)器人開始下一組摘鉤動(dòng)作。反之，車輛數(shù)不一致時(shí)判定為摘鉤失敗，系統(tǒng)報(bào)警并暫停作業(yè)，人工排查后機(jī)器人進(jìn)入下一組摘鉤。

3 結(jié)語

國內(nèi)自動(dòng)摘鉤機(jī)器人研究工作起步較晚，但也積累了一些相關(guān)方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為自動(dòng)摘鉤機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本文研究的智能摘鉤機(jī)器人主要有以下創(chuàng)新：基于RFID和圖像識(shí)別技術(shù)，采用兩者相結(jié)合方式分析處理車輛信息，從而實(shí)現(xiàn)車輛信息采集“雙保險(xiǎn)”，進(jìn)一步保障信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。引入了目標(biāo)檢測算法進(jìn)行貨運(yùn)列車車鉤識(shí)別方法，相對于傳統(tǒng)電氣信號(hào)控制系統(tǒng)降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提升了鉤提桿目標(biāo)追蹤的靈活性和準(zhǔn)確性。測速測距系統(tǒng)采用2路輪軸轉(zhuǎn)速計(jì)（OPG）實(shí)現(xiàn)高精度的測速測距，同時(shí)融合雷達(dá)傳感器信息，消除車輪發(fā)生的空轉(zhuǎn)打滑的測量誤差。