輪對(duì)智能檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張碩，干慧，邢宇航，韋騰坤，肖彥東

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230012）

據(jù)交通運(yùn)輸部數(shù)據(jù)顯示，2021年1月，中國(guó)大陸共有44個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路234條，運(yùn)營(yíng)里程7623.3公里，實(shí)際開(kāi)行列車(chē)229萬(wàn)列次，按一輛列車(chē)6節(jié)編組，一節(jié)車(chē)廂對(duì)應(yīng)兩個(gè)輪對(duì)進(jìn)行計(jì)算，市場(chǎng)即將面臨著有4122萬(wàn)個(gè)輪對(duì)存在檢測(cè)需求。但市場(chǎng)調(diào)研的檢測(cè)現(xiàn)狀表明，各大地鐵公司目前對(duì)輪對(duì)的檢測(cè)仍舊采用的是傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，因此，在實(shí)際工作中存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、漏檢和工作環(huán)境差等問(wèn)題，改革傳統(tǒng)檢測(cè)手段，使用智能化檢測(cè)技術(shù)是改善這些情況的有效途徑。

本項(xiàng)目根據(jù)輪對(duì)的實(shí)際檢測(cè)需求，現(xiàn)將人工智能引入它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)工作中，以實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的自動(dòng)化、智能化檢測(cè)目標(biāo)。

1 探傷機(jī)器人系統(tǒng)組成

該探傷機(jī)器人系統(tǒng)主要由探傷機(jī)器人本體、探傷作業(yè)子系統(tǒng)以及控制管理子系統(tǒng)三大模塊組成。

1.1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的探傷機(jī)器人本體主要采用了履帶式機(jī)械臂小車(chē)搭載探傷檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，履帶式小車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)的輪式巡檢小車(chē)，有更大的工作空間，可以適應(yīng)較為復(fù)雜的地理環(huán)境，具有較高的穩(wěn)定性，符合輪對(duì)檢測(cè)車(chē)間的使用要求，同時(shí)，它還使用了兩個(gè)直流電機(jī)分別對(duì)兩側(cè)主輪進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)小車(chē)的向前、向后、轉(zhuǎn)彎等移動(dòng)模式，這種運(yùn)動(dòng)特性可以更好地輔助探傷作業(yè)的開(kāi)展。

探傷機(jī)器人搭載的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)采用的是仿生的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，它具有人類(lèi)手臂的靈活性，且為六軸結(jié)構(gòu)，相較于二自由度和四自由度的機(jī)械臂，它的自由度更大，故可以根據(jù)輪對(duì)的檢測(cè)要求，調(diào)節(jié)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)探頭的精準(zhǔn)定位，使探傷作業(yè)具有可行性，如圖1所示。

圖1 探傷機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型

1.2 探傷作業(yè)子系統(tǒng)

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的無(wú)損探傷，主要分為超聲波探傷和磁粉探傷兩種。超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢查零件缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來(lái)判斷缺陷位置和大小。而磁粉探傷則是通過(guò)磁粉在缺陷附近漏磁場(chǎng)中的堆積以檢測(cè)鐵磁性材料表面或近表面處缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。將鋼鐵等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位的漏磁能吸附磁粉的特征，依磁粉分布顯示被探測(cè)物件表面缺陷和近表面缺陷的探傷方法，因此，磁粉探傷較適用于金屬表面的探傷，輪對(duì)在使用過(guò)程中一方面承受著來(lái)自軌道車(chē)輛的全部靜、動(dòng)載荷，一方面與鋼軌和閘瓦接觸摩擦，受力情況較為復(fù)雜，容易發(fā)生內(nèi)部損傷，所以選用具有較強(qiáng)的穿透力、精確度和靈敏度等優(yōu)勢(shì)的超聲波探傷系統(tǒng)，更能符合輪對(duì)的內(nèi)部損傷檢測(cè)需求。

本項(xiàng)目的超聲波探傷作業(yè)子系統(tǒng)是由超聲波探頭、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等組成。執(zhí)行級(jí)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的控制命令，實(shí)現(xiàn)探傷任務(wù)。

1.3 控制管理子系統(tǒng)

控制管理子系統(tǒng)由履帶式小車(chē)控制系統(tǒng)、機(jī)械臂控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成，采用了計(jì)算機(jī)、無(wú)線接發(fā)模塊、攝像機(jī)以及掃描儀等設(shè)備，計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行串口通信，下發(fā)探傷任務(wù)，進(jìn)行探傷作業(yè)管理，探測(cè)結(jié)果通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)回傳至計(jì)算機(jī)，后臺(tái)對(duì)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總分析處理，同時(shí)，計(jì)算機(jī)還通過(guò)攝像機(jī)監(jiān)控探傷機(jī)器人整個(gè)移動(dòng)以及探傷過(guò)程，完成監(jiān)控工作。

2 探傷機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 探傷機(jī)器人的定位、導(dǎo)航系統(tǒng)

本項(xiàng)目的探傷機(jī)器人為移動(dòng)式機(jī)器人，相對(duì)有軌式巡檢機(jī)器人，其具有較高的靈活度，并可根據(jù)檢測(cè)模塊的需求快速移動(dòng)，有效地縮短了到達(dá)檢測(cè)區(qū)域的時(shí)間，提高了檢測(cè)效率，但在該系統(tǒng)提供便捷的同時(shí)，也給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的要求，即實(shí)現(xiàn)探傷機(jī)器人的精準(zhǔn)定位，并需要合理規(guī)劃行走路線。目前，市場(chǎng)上的移動(dòng)式機(jī)器人主要采用的是SLAM算法進(jìn)行定位，傳統(tǒng)的同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（SLAM技術(shù)）雖然在實(shí)時(shí)性方面取得了較高的水平，但因光線、車(chē)間環(huán)境等因素的影響，它的魯棒性以及定位精準(zhǔn)度會(huì)出現(xiàn)偏差，從而影響檢測(cè)結(jié)果，所以需要對(duì)傳統(tǒng)的SLAM技術(shù)進(jìn)行改良。為此，本項(xiàng)目提出了一種VIO算法，該算法首先要明確系統(tǒng)傳遞的狀態(tài)變量結(jié)構(gòu)，IMU姿態(tài)R、位置p1、速度v、零偏b、m個(gè)特征點(diǎn)的3D空間位置pp等，將R、p1、v、pp構(gòu)造為高維的特殊歐氏群矩陣，即。通過(guò)計(jì)算可得，整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)變量均值為隨機(jī)偏差向量為然后，通過(guò)構(gòu)建采樣容積點(diǎn)描述狀態(tài)變量的分布并經(jīng)過(guò)IMU運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行傳遞，對(duì)容積點(diǎn)加權(quán)求和獲得傳遞后的狀態(tài)均值和方差，以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)測(cè)，最后通過(guò)對(duì)特征點(diǎn)觀測(cè)跟蹤，實(shí)現(xiàn)濾波器的狀態(tài)更新，但在相機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)跟蹤的觀測(cè)特征點(diǎn)會(huì)部分離開(kāi)相機(jī)視域，所以需要將新的特征點(diǎn)補(bǔ)充到狀態(tài)變量中，所以采用了高維李群矩陣來(lái)表示n個(gè)時(shí)刻相機(jī)位姿，并通過(guò)容積變換傳遞相機(jī)位姿不確定性，完成新增特征點(diǎn)位置和方差的估計(jì)，保障了探傷機(jī)器人的定位精度。

2.2 探傷作業(yè)流程

如圖2所示，為實(shí)現(xiàn)探傷機(jī)器人的智能化檢測(cè)，系統(tǒng)設(shè)置了多元檢測(cè)模塊，包括踏面檢測(cè)模塊、軸頸檢測(cè)模塊以及全輪對(duì)檢測(cè)模塊，探傷機(jī)器人可根據(jù)任務(wù)要求，利用PLC系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)模塊的自主切換。

圖2 探傷作業(yè)流程圖

探傷機(jī)器人啟動(dòng)后，通過(guò)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，運(yùn)用到輪對(duì)的標(biāo)識(shí)區(qū)，通過(guò)掃描儀識(shí)別輪對(duì)標(biāo)識(shí)，確定檢測(cè)模塊，待準(zhǔn)備工作就緒后，電機(jī)啟動(dòng)，機(jī)械臂攜帶探頭下降直至輪對(duì)的檢測(cè)表面，通過(guò)壓力傳感器的反饋信息，調(diào)整探頭的檢測(cè)位置，使探頭與輪對(duì)表面具有一定的壓力接觸，再開(kāi)始探傷作業(yè)，整個(gè)探測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)機(jī)器人需配合探頭的檢測(cè)需求進(jìn)行移動(dòng)，為防止探測(cè)機(jī)器人偏離運(yùn)行軌跡，該系統(tǒng)還采用了高清攝像頭對(duì)整體探傷過(guò)程以及機(jī)器人的運(yùn)行軌跡進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)偏離就會(huì)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)，為區(qū)別探傷過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)的警報(bào)，系統(tǒng)采用了分級(jí)警報(bào)的設(shè)置，便于工作人員進(jìn)行區(qū)分。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的探傷機(jī)器人系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)輪對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的智能化、自動(dòng)化以及個(gè)性化檢測(cè)，改革了傳統(tǒng)的人工檢測(cè)模式，將人工檢查轉(zhuǎn)變?yōu)榱藱C(jī)器自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)人工檢測(cè)的電子化，降低了現(xiàn)場(chǎng)人工勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力資源和成本，同時(shí)還有效避免了因人工經(jīng)驗(yàn)不足等造成的誤判、漏判等現(xiàn)象，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)輪對(duì)內(nèi)部故障信息，強(qiáng)化檢測(cè)結(jié)果的精確度、準(zhǔn)確度，保障了運(yùn)營(yíng)安全，改善了現(xiàn)有的輪對(duì)檢測(cè)市場(chǎng)痛點(diǎn)問(wèn)題，使車(chē)輛零部件的檢測(cè)變得智能化，也為其他零部件以及機(jī)電設(shè)備等的檢測(cè)提供了思路，但因條件的影響，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的探傷機(jī)器人系統(tǒng)仍存在檢測(cè)項(xiàng)目少等問(wèn)題，后期筆者將進(jìn)一步研究輪對(duì)智能檢測(cè)系統(tǒng)，拓展研究范圍，擴(kuò)充檢測(cè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的全方位智能化檢測(cè)。