火車車輛輪軸智能運(yùn)輸機(jī)器人的設(shè)計

齊海強(qiáng)，張晉塬，王 興

(1.晉西鐵路車輛有限公司；2.太原科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000)

2015年，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》，文件中提出我國要通過“三步走”實現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。中國正由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型，以智能制造為主攻方向，提升我國制造業(yè)的智能化程度[1]。然而目前，在火車輪軸生產(chǎn)檢測領(lǐng)域，輪軸從一個檢測工位到另一個檢測工位的運(yùn)輸仍需要通過行車吊裝，甚至有的檢測生產(chǎn)線需要通過人工輔助推送。因此，為了響應(yīng)國家完成重點(diǎn)企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的號召，在輪軸生產(chǎn)檢測領(lǐng)域進(jìn)一步提高自動化、智能化程度，筆者設(shè)計了一臺可以自動運(yùn)輸火車輪軸的智能機(jī)器人。通過該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)輪軸在各個檢測工位間的自動運(yùn)輸，完成檢測過程中自動上下貨的過程。從而實現(xiàn)火車輪對生產(chǎn)檢測過程中的高效、可靠、智能化。

1 設(shè)備總體設(shè)計

1.1 設(shè)備的組成

火車車輛輪軸智能運(yùn)輸機(jī)器人是基于物聯(lián)網(wǎng)[2]的三層基本架構(gòu)設(shè)計，由感知層(包括感知傳感器、限位傳感器、測距傳感器和力矩傳感器)、傳輸層(控制器和通信系統(tǒng))、工作系統(tǒng)(包括電動的推移擋桿單元、移動機(jī)構(gòu)和裝置本體)等部分組成，如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

本設(shè)備是基于PLC的計算機(jī)控制系統(tǒng)[3]，設(shè)備裝有電源開關(guān)以及設(shè)備的緊急停止控制按鈕。運(yùn)行狀態(tài)指示燈、報警蜂鳴器用來顯示機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，推移擋桿機(jī)構(gòu)用來托運(yùn)輪軸，每個運(yùn)輸機(jī)器人均有安裝一臺嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)，以實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控，故障查詢，數(shù)據(jù)記錄，以及各個動作的控制，如推移擋桿的升降，舵輪的啟停轉(zhuǎn)向等。手持控制器與該計算機(jī)Wi-Fi連接以實現(xiàn)現(xiàn)場工作人員遠(yuǎn)程控制，監(jiān)控系統(tǒng)裝于總控制室，與每個機(jī)器人的計算機(jī)控制系統(tǒng)無線通信，實現(xiàn)對廠房內(nèi)所有運(yùn)輸機(jī)器人查看控制。

1.2 設(shè)備的行走方式

火車車輛輪軸智能運(yùn)輸機(jī)器人通過PLC控制舵輪，采用導(dǎo)航磁鐵條[4]的行走方式。首先機(jī)器人通過限位傳感器定位導(dǎo)航磁鐵條來尋找輪軸位置，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行到輪軸正下方時，感知傳感器向控制器發(fā)送數(shù)字信號，控制器收到來自感知傳感器的信號后，向驅(qū)動器發(fā)送停止信號，機(jī)器人停止移動。此時推移擋桿機(jī)構(gòu)升起夾住輪對，動作完成后，控制器對移動機(jī)構(gòu)發(fā)出啟動信號，機(jī)器人托運(yùn)輪軸走向下一個檢測工位。行走方式如圖2所示。

圖2 行走方式

2 設(shè)備的硬件設(shè)計

2.1 控制器設(shè)計

火車車輛輪軸智能運(yùn)輸機(jī)器人的控制器以PLC為控制核心，負(fù)責(zé)接收來自上位機(jī)的控制指令，將該指令轉(zhuǎn)換成控制信號發(fā)送給搬運(yùn)機(jī)器人，進(jìn)而控制搬運(yùn)機(jī)器人動作?？刂破髦饕蒔LC模塊、電源模塊、指示燈、手動開關(guān)、空氣開關(guān)、熔斷器、繼電器組成，按設(shè)計好的電路原理圖進(jìn)行接線，然后將其封裝在定制的機(jī)箱當(dāng)中。PLC模塊的選型是根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)量、存儲器容量、控制功能、輸出類型來確定的，根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模來選擇，PLC模塊選擇的是西門子CPU226。設(shè)備采用梯形圖的編程方式，將設(shè)備的控制邏輯工作全部放在計算機(jī)當(dāng)中來完成，上位機(jī)將控制指令下發(fā)到PLC當(dāng)中，PLC接收到指令后根據(jù)對應(yīng)的程序執(zhí)行相應(yīng)的動作。

由于串口通信接口[5]具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、通信簡單的優(yōu)點(diǎn)，計算機(jī)與PLC之間采用串行通信。選擇串行通信方式后還需要進(jìn)一步確定接口標(biāo)準(zhǔn)，目前適用于PLC的有RS-232、RS-422和RS-485，根據(jù)比較傳輸距離、傳輸帶寬、傳輸模式等可得RS-485的優(yōu)勢明顯，所以PLC上的串口通常默認(rèn)為RS-485，而計算機(jī)端的串口默認(rèn)為RS-232，通常需要專用的通信線纜實現(xiàn)RS-232轉(zhuǎn)RS-485?？刂破鹘M成如圖3所示。

圖3 控制器組成

2.2 舵輪機(jī)構(gòu)設(shè)計

舵輪機(jī)構(gòu)采用ARIPS控制系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)綜合內(nèi)外側(cè)車輪側(cè)向力非線性特性和垂直載荷轉(zhuǎn)移的影響，為提高機(jī)器人行走的穩(wěn)定性，最大程度利用導(dǎo)向輪側(cè)向力，需通過不同幅值的脈沖轉(zhuǎn)向信號。

脈沖轉(zhuǎn)角包括脈沖形式、頻率和幅值3個基本參數(shù)。脈沖信號選用標(biāo)準(zhǔn)正弦脈沖信號，其頻率和幅值可通過驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，脈沖方程式如式1所示。

(1)

式中：f為脈沖頻率，N為脈沖幅值。

線性輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角關(guān)系如式2所示。

(2)

式中：?f和?r分別為前后主動輪的側(cè)偏剛度。

由于脈沖頻率對于機(jī)器人的側(cè)傾角和質(zhì)心側(cè)傾角有很大影響，當(dāng)脈沖頻率為1 Hz時，機(jī)器人的側(cè)傾穩(wěn)定性變差；4 Hz時，機(jī)器人在行走過程中可以發(fā)揮其穩(wěn)定性能。

3 設(shè)備軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為了使用戶能夠方便實時查控運(yùn)輸機(jī)器人，設(shè)計了一個監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過Visual Basic程序語言設(shè)計，因考慮到用戶使用的便捷性，系統(tǒng)設(shè)置了文件、監(jiān)控主界面、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)日志、故障報警、設(shè)備維護(hù)、用戶管理等多個模塊[7]。用戶可根據(jù)系統(tǒng)提示界面，實現(xiàn)對應(yīng)的功能。

主控制界面由菜單欄、監(jiān)控畫面、設(shè)備狀態(tài)窗口、系統(tǒng)控制窗口、功能按鈕組成。設(shè)備狀態(tài)窗口包括設(shè)備運(yùn)行指示、通信狀態(tài)指示和傳感器狀態(tài)指示，其中報警指示紅燈亮表示“警報”，黃燈亮表示“警告”，綠燈亮表示“正常運(yùn)行”，當(dāng)指示燈變?yōu)辄S燈、紅燈時，蜂鳴器發(fā)出對應(yīng)的報警聲。通信設(shè)置窗口可以控制計算機(jī)與PLC的通信連接或斷開，系統(tǒng)狀態(tài)可以查看所有連接設(shè)備的通信狀態(tài)。圖像采集畫面主要顯示當(dāng)前系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)信息，實時監(jiān)控搬運(yùn)設(shè)備的運(yùn)行情況。系統(tǒng)控制窗口主要用于對行走電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、前行走輪電機(jī)、后行走輪電機(jī)、電動推桿進(jìn)行手動控制。參數(shù)設(shè)置是對前后行走電機(jī)的空載啟動頻率、固有步距角、保持轉(zhuǎn)矩，舵機(jī)的速度、扭矩，壓力傳感器的最大載荷、靈敏度，電動推桿的推力、速度等進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)日志界面中，用戶可以按起止時間對工作量、報警和故障事件、當(dāng)日工作人員進(jìn)行查詢。故障報警模塊可以將搬運(yùn)機(jī)器人遇到障礙物或線路發(fā)生故障等不能正常運(yùn)行的信息反饋到系統(tǒng)界面。設(shè)備維護(hù)模塊是對運(yùn)輸機(jī)器人各個部件工作時長進(jìn)行一個計時，技術(shù)人員根據(jù)部件的運(yùn)行時長對其進(jìn)行定時維護(hù)更換。用戶管理模塊是對用戶進(jìn)行添加、刪除、修改信息、修改密碼等操作。

首先用戶選擇要操控的設(shè)備，設(shè)置通信狀態(tài)建立計算機(jī)與PLC之間的通信，通信狀態(tài)顯示已連接之后選擇手動控制或系統(tǒng)自動控制搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)輸，點(diǎn)擊系統(tǒng)自檢，此時系統(tǒng)將對所有連接設(shè)備進(jìn)行自診斷。若選擇手動控制，待系統(tǒng)自檢完成后，用戶可以自行對搬運(yùn)機(jī)器人的啟停、前舵輪、后舵輪、電動推桿等進(jìn)行控制。若選擇自動控制，則在系統(tǒng)完成自檢后開始自行搬運(yùn)，此時用戶對設(shè)備的一系列控制將不能操作，在點(diǎn)擊停止按鈕之后默認(rèn)轉(zhuǎn)為手動控制。主控制模塊如圖4所示。

圖4 主控制模塊

3.2 智能控制方法設(shè)計

火車車輛輪軸智能運(yùn)輸機(jī)器人采用路徑規(guī)劃導(dǎo)航算法[8]，設(shè)備之間采用聯(lián)動控制技術(shù)。通過設(shè)備間端對端的通信方式，實現(xiàn)輪軸運(yùn)輸設(shè)備間聯(lián)動控制。

3.2.1 智能導(dǎo)航算法。A*算法[9]是一種靈活性高和適應(yīng)性強(qiáng)的路徑搜索算法，經(jīng)常應(yīng)用于環(huán)境已知的全局路徑規(guī)劃中。在路徑搜索過程中，依據(jù)估價函數(shù)計算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的每個可拓展相鄰節(jié)點(diǎn)的代價估值，將相鄰節(jié)點(diǎn)中代價估值最小的節(jié)點(diǎn)作為下一個計算的節(jié)點(diǎn)，然后再對新節(jié)點(diǎn)重復(fù)上面的步驟，直至搜索到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時停止搜索，從而找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)理論上的最優(yōu)路徑，路徑規(guī)劃流程圖如圖5所示。

圖5 路徑規(guī)劃流程

該方法在實行路徑規(guī)劃過程中，需通過OPEN表和CLOSE表完成最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的選取。

設(shè)置p(t)、(xt,yt)以及(xn,yn)分別表示啟發(fā)式信息、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，且(xt,yt)和(xn,yn)之間的直線距離可用p(t)表示，因此得出：

(3)

基于A*算法的運(yùn)輸機(jī)器人路徑規(guī)劃步驟如下：①向OPEN表和CLOSE表中分別引入起點(diǎn)和障礙點(diǎn)。②向CLOSE表中引入具有最小f值的節(jié)點(diǎn)n，并且引入節(jié)點(diǎn)同屬于OPEN表中。③對引入節(jié)點(diǎn)n進(jìn)行判斷，分析是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果是，最優(yōu)路徑的生成以引入節(jié)點(diǎn)方向指針為依據(jù)；反之，需生成后續(xù)節(jié)點(diǎn)m，通過實行擴(kuò)展完成。④將后繼節(jié)點(diǎn)m返回至n的指針建立在OPEN表中，并對f(m)=g(m)+p(m)求解。⑤通過判斷語句，確定后繼節(jié)點(diǎn)m是否存在OPEN表中。若不存在，則將m添加至OPEN表中；若m位于OPEN表中，則對不同前向指針的f(m)進(jìn)行比較，將最小f值保留。⑥更新g(m)、f(m)和m前指向針。⑦根據(jù)f(m)數(shù)值的大小進(jìn)行排列，并在OPEN表中重新完成 f值排序，并返回步驟②。

3.2.2 聯(lián)動控制技術(shù)?；疖囕嗇S在檢測運(yùn)輸過程中為提高檢測效率需由多臺機(jī)器人同時運(yùn)行，設(shè)備間通過確立協(xié)同插補(bǔ)[10]的輸入輸出，進(jìn)行主從同步速度規(guī)劃，以及進(jìn)行協(xié)同軌跡過渡，協(xié)同插補(bǔ)的輸入由用戶協(xié)同運(yùn)動指令經(jīng)過譯碼器解析然后由組控制模塊處理得到，協(xié)同插補(bǔ)的輸出直接作用于機(jī)器人伺服驅(qū)動器。當(dāng)一臺運(yùn)輸機(jī)器人將輪軸運(yùn)輸至檢測工位，下一臺機(jī)器人將輪軸運(yùn)輸至指定位置等候檢測，從而實現(xiàn)多個運(yùn)輸機(jī)器人間的聯(lián)動控制，以此提高檢測效率。

同時運(yùn)輸機(jī)器人與檢測設(shè)備之間實現(xiàn)聯(lián)動控制，檢測設(shè)備裝有感知傳感器和壓力傳感器，當(dāng)感知傳感器和壓力傳感器檢測到輪軸時，對檢測設(shè)備發(fā)送開始檢測信號，檢測設(shè)備開始檢測，待檢測完成后，檢測設(shè)備通過無線通信對運(yùn)輸機(jī)器人發(fā)送移動信號，運(yùn)輸機(jī)器人將已完成檢測的輪軸運(yùn)輸至指定位置。

4 機(jī)械設(shè)計

火車車輛輪軸智能運(yùn)輸機(jī)器人包括推移擋桿機(jī)構(gòu)，設(shè)于所述裝置本體內(nèi)且具有一組對稱安裝的推移擋桿單元，每組推移擋桿單元中均包括有一對相向設(shè)置后能夠升降且保持運(yùn)動同步的擋桿，當(dāng)所述擋桿升起時，用以夾住被檢測輪對的中心軸，推移擋桿單元還包括減速器、連接軸和圓形檔輪，減速器安裝在所述裝置本體內(nèi)并接受所述控制器的控制，減速器的左右兩側(cè)的輸出端上分別與連接軸相連接，在每個連接軸上還設(shè)有擋桿，擋桿上自上而下還設(shè)有若干個均勻分布的、可自由滑動的圓形檔輪，相向設(shè)置的兩擋桿之間的距離略大于被檢測輪對的中心軸的直徑。

感知傳感器[11]為紅外傳感器，置于裝置本體的上表面且位于所述推移擋桿機(jī)構(gòu)的中心位置，中心位置是指在對稱安裝的兩個減速器的正中間。用以感知被檢測輪對是否處于感知傳感器的上方。在其裝置本體的左右兩側(cè)還分別設(shè)有測距傳感器，同時還在其擋桿上還配置有力矩傳感器，且所述紅外傳感器、測距傳感器以及力矩傳感器均分別與所述控制器進(jìn)行通信。

限位傳感器，置于裝置本體的下表面并感應(yīng)地面鋪設(shè)的導(dǎo)航條或電子標(biāo)簽，通過導(dǎo)航條或電子標(biāo)簽引導(dǎo)所述裝置本體在地面上行走。

移動機(jī)構(gòu)，安裝于所述裝置本體的四角上，驅(qū)動所述裝置本體沿規(guī)劃的路線移動。移動機(jī)構(gòu)包括對角線設(shè)置的一組舵輪和對角線設(shè)置的一組萬向腳輪，且舵輪和萬向腳輪均安裝在所述裝置本體內(nèi)并位于該裝置本體的四角上。舵輪還包括有控制舵輪行走方向的第一伺服驅(qū)動器和控制舵輪前進(jìn)后退的第二伺服驅(qū)動器，第一伺服驅(qū)動器和第二伺服驅(qū)動器均分別與控制器保持通信并接收控制器發(fā)出的移動信號。舵輪通過舵輪連接座安裝在裝置本體內(nèi)，萬向腳輪通過腳輪支座安裝在所述裝置本體內(nèi)。

控制器，設(shè)于所述裝置本體內(nèi)，接收所述感知傳感器和限位傳感器的采集信號，并發(fā)出控制推移擋桿機(jī)構(gòu)內(nèi)擋桿的升降信號和控制移動機(jī)構(gòu)前進(jìn)后退的移動信號，實現(xiàn)被檢測輪對的自動推移。

裝置本體內(nèi)還設(shè)置有供電電池，用以對裝置本體內(nèi)的用電設(shè)備進(jìn)行供電。裝置本體的殼體上還設(shè)有與供電電池相連的充電端子，充電端子與配置在外部充電設(shè)備上的電動伸縮充電刷相接觸后為電池進(jìn)行供電。模型設(shè)計圖如圖6所示。

1.推移擋桿機(jī)構(gòu)；2.舵輪機(jī)構(gòu)；3.裝置本體；4.控制器。

5 結(jié)束語

火車車輛輪軸智能運(yùn)輸機(jī)器人通過控制器、移動機(jī)構(gòu)、推桿機(jī)構(gòu)、各個傳感器之間的相互通信，實現(xiàn)了將火車輪軸自動運(yùn)輸至檢測工位的過程，同時智能運(yùn)輸機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計具備的方便、直觀、實時控制等特點(diǎn)。該設(shè)備的成功應(yīng)用，在一定程度上解決了火車輪軸在檢測工位上頻繁轉(zhuǎn)換、生產(chǎn)效率低下的問題，從而為相關(guān)企業(yè)帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。