基于KUKA機(jī)器人的CRTSⅢ型軌道板三維點(diǎn)云自動(dòng)化采集系統(tǒng)研究

羅保林 張獻(xiàn)州 金 飛 葉昌堯

(1.成都市勘察測(cè)繪研究院，成都 610031; 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031;3.中鐵二十二局集團(tuán)有限公司，北京 100043)

1 概述

CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板是我國(guó)自主研發(fā)、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一項(xiàng)重大科技成果，也是我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的重要標(biāo)志[1]。目前，CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板外形尺寸偏差的檢測(cè)，主要采用“智能型全站儀+檢測(cè)工裝”的方法進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量。該方法檢測(cè)效率低下，重復(fù)測(cè)量精度較低，檢測(cè)工裝受重復(fù)安裝誤差、過(guò)程磨損誤差等因素影響，檢測(cè)質(zhì)量難以保證，必須定期對(duì)工裝進(jìn)行檢校。部分檢測(cè)項(xiàng)目采用卡尺人工輔助檢測(cè)，對(duì)人員操作要求高且人為操作誤差大，難以滿足高精度檢測(cè)的要求。Q/CR567—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板》要求，必須對(duì)CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)，傳統(tǒng)檢測(cè)方式已經(jīng)不能滿足高效普查性檢測(cè)的需求。

工業(yè)機(jī)器人作為信息化與工業(yè)化高度融合的產(chǎn)物，自20世紀(jì)60年代誕生以來(lái)，多年的不斷發(fā)展和完善，由最初的人工操作型機(jī)器人到現(xiàn)在的智能型機(jī)器人，其精細(xì)化和智能化程度取得了質(zhì)的飛躍，在穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提髙生產(chǎn)效率和改善勞動(dòng)條件等方面發(fā)揮著重要作用[2]。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)結(jié)合機(jī)器人的CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差自動(dòng)化檢測(cè)方法進(jìn)行了大量研究。袁凡提出了一種利用機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)加載掃描儀的方式自動(dòng)獲取軌道板的指標(biāo)數(shù)據(jù)[3]；葉昌堯?qū)C(jī)器人加掃描儀的組合檢測(cè)方法進(jìn)行了初步探索[4]；李朋亮在已獲取軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了檢測(cè)指標(biāo)自動(dòng)提取的可行性研究[5]；肖源淼等對(duì)機(jī)器人結(jié)合掃描儀的軌道板自動(dòng)化檢測(cè)方法進(jìn)行了可行性論證[6]。

以下在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)合高精度工業(yè)機(jī)器人的CRTSⅢ型軌道板自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了深化設(shè)計(jì)，采用機(jī)器人與掃描儀結(jié)合的方式，獲取軌道板局部特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以期提高檢測(cè)效率，減少人工投入，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的高度自動(dòng)化。

2 三維點(diǎn)云自動(dòng)化采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CRTSⅢ型軌道板三維點(diǎn)云自動(dòng)化采集系統(tǒng)由KUKA工業(yè)機(jī)器人、FARO三維成像掃描儀、設(shè)備連接桿件、上位機(jī)(計(jì)算機(jī))、通信線路等組成。其中，KUKA機(jī)器人控制柜和計(jì)算機(jī)組成主從控制系統(tǒng)，KUKA機(jī)器人、連接桿件和FARO三維成像掃描儀組成采集執(zhí)行系統(tǒng)。

2.1 主從控制系統(tǒng)

主從控制系統(tǒng)分工明確，主控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)分配、信息處理及人機(jī)交互操作界面的實(shí)現(xiàn)。從控制器負(fù)責(zé)機(jī)器人的所有事務(wù)，包括解譯和執(zhí)行主控制器的信息以及實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)，以保證人員和設(shè)備的安全。

從控制系統(tǒng)采用KR C4 standard標(biāo)準(zhǔn)控制器，該控制器與KUKA機(jī)器人配套使用，采用總線通訊方式與機(jī)器人建立連接并控制機(jī)器人6個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)KSS8.3機(jī)器人系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)規(guī)劃、安全控制及故障檢測(cè)等。KR C4通過(guò)網(wǎng)線與上位機(jī)(工作站計(jì)算機(jī))進(jìn)行信息交互，直接接收并翻譯上位機(jī)的控制信息，以指導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

2.2 采集執(zhí)行系統(tǒng)

采集執(zhí)行系統(tǒng)功能由機(jī)器人和三維掃描儀共同實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人負(fù)責(zé)攜帶三維掃描儀進(jìn)行高精度的定位移動(dòng)，三維掃描儀負(fù)責(zé)對(duì)CRTSⅢ型軌道板關(guān)鍵位置進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

3 自動(dòng)化采集系統(tǒng)工作流程

自動(dòng)化檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)一鍵式操作或自定義操作。一鍵式操作用于正常生產(chǎn)過(guò)程，只需要點(diǎn)擊啟動(dòng)鍵，系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)器人移動(dòng)和三維掃描儀數(shù)據(jù)采集，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人為干預(yù)；自定義操作多用于單個(gè)承軌臺(tái)的補(bǔ)測(cè)或緊急情況。在自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)前，只需要操作行車將CRTSⅢ型軌道板從水養(yǎng)池中吊出，并放置到檢測(cè)臺(tái)座上標(biāo)記的放板區(qū)域內(nèi)；自動(dòng)化檢測(cè)完成后，再將其吊入存板區(qū)即可，其余工作都由本系統(tǒng)自動(dòng)完成。整個(gè)檢測(cè)工作流程見(jiàn)圖1。

圖1 軌道板自動(dòng)化檢測(cè)工作流程

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，CRTSⅢ型軌道板成品板外形尺寸檢測(cè)項(xiàng)目分為7大類，19項(xiàng)。各檢測(cè)項(xiàng)目及偏差要求見(jiàn)表1。

表1 CRTSⅢ型軌道板外形尺寸檢測(cè)項(xiàng)目及允許偏差 mm

所有檢測(cè)項(xiàng)目中，除了長(zhǎng)度、寬度和厚度為框架約束指標(biāo)外，其余均為承軌臺(tái)內(nèi)部和承軌臺(tái)間相對(duì)關(guān)系的約束指標(biāo)。因此，該自動(dòng)化采集系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，僅對(duì)CRTSⅢ型軌道板表面每個(gè)承軌臺(tái)的特征位置進(jìn)行掃描，在提高檢測(cè)工作效率的同時(shí)，又減少了不必要的點(diǎn)云儲(chǔ)存和運(yùn)算。

4 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)機(jī)器人編程可保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程的可重復(fù)性和軌跡的可預(yù)見(jiàn)性，也是機(jī)器人能自動(dòng)運(yùn)行的前提。KUKA機(jī)器人編程采用KRL(KUKA Robot Language)實(shí)現(xiàn)。KUKA機(jī)器人的編程方式分為兩類：離線編程和在線編程。該系統(tǒng)采用“在線+離線”的混合編程模式，以實(shí)現(xiàn)效率最大化和生產(chǎn)影響最小化。

1.灌輸式、被動(dòng)的接受性教學(xué)仍是當(dāng)前高中政治課堂教學(xué)的主要模式，教師仍然起著絕對(duì)的主體作用，霸占著課堂教學(xué)的話語(yǔ)權(quán)，學(xué)生的主體地位沒(méi)有得到尊重和充分體現(xiàn)。教師習(xí)慣一講到底，惟恐學(xué)生聽(tīng)不懂，總認(rèn)為講得越細(xì)越好。

在線編程也稱示教法編程，程序員借助于手持式編程器(smart PAD)建立與軌道板類型相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)子程序，如P5600( Position:IN )為P5600型軌道板檢測(cè)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)子程序，Position為母程序傳入的運(yùn)動(dòng)位置編號(hào)。加載建立的運(yùn)動(dòng)子程序，手動(dòng)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到每個(gè)承軌臺(tái)待檢測(cè)的位置，設(shè)置運(yùn)動(dòng)方式(直線運(yùn)動(dòng)SLin或點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)PTP)、速度和負(fù)載等參數(shù)，確認(rèn)后系統(tǒng)將自動(dòng)生成一條機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令集用以保存該位置信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以此循環(huán)記錄所有檢測(cè)位置，完成在線編程部分。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程采用分支型流程控制，在線編程模塊程序流程見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的在線編程模塊流程

其中，在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)前的運(yùn)動(dòng)始終采用PTP(點(diǎn)到點(diǎn))的形式，該運(yùn)動(dòng)方式能保證機(jī)器人每次精確到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)掃描儀的位置和姿態(tài)都完全一致，為后續(xù)點(diǎn)云處理提供保障。但該方式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡由系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃，提前不可預(yù)知，遠(yuǎn)距離一般為未知弧線運(yùn)動(dòng)，可能出現(xiàn)撞板等安全事故。因此，系統(tǒng)加入了直線運(yùn)動(dòng)子過(guò)程，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)不在當(dāng)前位置附近時(shí)，先以軌跡可預(yù)知的SLin(直線運(yùn)動(dòng))方式安全運(yùn)行到目標(biāo)點(diǎn)附近，再使用PTP精確運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。

整個(gè)軌道板檢測(cè)過(guò)程中機(jī)器人的軌跡見(jiàn)圖3。圖2中規(guī)劃的所有PTP位置對(duì)應(yīng)圖3中的1～22位置。其中，位置6、11、17、22用以組合檢測(cè)軌道板的長(zhǎng)寬尺寸。檢測(cè)過(guò)程中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡俯視見(jiàn)圖4。

圖3 機(jī)器人掃描點(diǎn)位軌跡

圖4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡俯視

離線編程是一種使用KUKA推出的OfficeLite、KUKA Sim Pro、WorkVisual等軟件來(lái)模擬和代替現(xiàn)場(chǎng)編程工作的方法，該方法在軟件上編寫并調(diào)試好程序后可直接導(dǎo)入機(jī)器人控制系統(tǒng)中執(zhí)行，減少現(xiàn)場(chǎng)編程調(diào)試時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)工作影響較小。本系統(tǒng)選用KUKA機(jī)器人軟件WorkVisual進(jìn)行離線編程，相較于另外兩款軟件，其不需要復(fù)雜的前期模型裝配即可實(shí)現(xiàn)類似C語(yǔ)言的模塊化編程，滿足本系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人邏輯結(jié)構(gòu)和流程控制的編程需求。離線編程模塊程序流程見(jiàn)圖5。

圖5 機(jī)器人離線編程模塊流程

5 機(jī)器人通訊設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序基于Microsoft Visual Studio 2010平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。作為系統(tǒng)的核心，除了擁有友好的人機(jī)交互可視化界面外，還承擔(dān)了機(jī)器人和掃描儀的控制、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、處理和分析等工作。其中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與上位機(jī)之間控制信息的交互是系統(tǒng)成功運(yùn)行的關(guān)鍵。

由于機(jī)器人與上位機(jī)是兩個(gè)不同的系統(tǒng)，采用兩種不同的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，因此在數(shù)據(jù)交互前必須先建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。協(xié)議數(shù)據(jù)格式定義為XML文本塊，傳輸順序采用先進(jìn)先出的原則，以12 ms為周期進(jìn)行刷新，數(shù)據(jù)的確認(rèn)與拒收以是否是一個(gè)完整的XML格式文件為依據(jù)，不進(jìn)行內(nèi)容差錯(cuò)檢校。

6 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

為了保證設(shè)備和人員的安全，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中設(shè)計(jì)并啟用了4項(xiàng)安全控制措施。

(1)網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控

在機(jī)器人開(kāi)機(jī)時(shí)該項(xiàng)安全措施隨機(jī)啟動(dòng)并一直在后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，當(dāng)機(jī)器人與電腦的連接中斷時(shí)自動(dòng)觸發(fā)，用以停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)并循環(huán)進(jìn)行重新連接，直到再次連接成功后，繼續(xù)由上位機(jī)控制。該項(xiàng)安全措施可以避免因機(jī)器人脫離上位機(jī)控制后造成運(yùn)動(dòng)的不可預(yù)見(jiàn)性。

(2)安全空間監(jiān)控

本系統(tǒng)為機(jī)器人設(shè)定的安全運(yùn)行空間范圍為軌道板放置區(qū)域前方300 mm以外，該項(xiàng)安全措施在機(jī)器人開(kāi)機(jī)時(shí)啟動(dòng)，并在后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡距離軌道板低于300 mm時(shí)，停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)并向上位機(jī)發(fā)送安全信息，根據(jù)上位機(jī)反饋的信息執(zhí)行繼續(xù)運(yùn)動(dòng)或撤回。

(3)碰撞監(jiān)控

該項(xiàng)安全措施用以在不可預(yù)見(jiàn)的情況下，如機(jī)器人與其他物體發(fā)生碰撞時(shí)，及時(shí)停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。該項(xiàng)安全措施是在切實(shí)發(fā)生碰撞時(shí)才起作用，而此時(shí)對(duì)設(shè)備已經(jīng)造成了不可逆轉(zhuǎn)的損壞，故碰撞識(shí)別只能減少安全事故損失。

(4)緊急停止

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了外部緊急停止裝置，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，操作員可按下任意一個(gè)緊急停止按鈕，機(jī)器人即可停機(jī)。

7 系統(tǒng)性能測(cè)試

完成自動(dòng)化采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)之后，為保證生產(chǎn)過(guò)程中的正常使用，降低故障率，在系統(tǒng)投入正式運(yùn)行前進(jìn)行了穩(wěn)定性、便捷性、高效性、安全性和準(zhǔn)確性等各項(xiàng)系統(tǒng)性能的測(cè)試。

(1)模擬測(cè)試

采用多組不同類型的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)中所有功能模塊進(jìn)行逐一運(yùn)算，機(jī)器人和掃描儀采用虛擬運(yùn)算，測(cè)試結(jié)果顯示程序運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障。

(2)機(jī)上測(cè)試

選取10塊軌道板進(jìn)行自動(dòng)化采集測(cè)試。操作過(guò)程一鍵啟動(dòng)方便快捷，從啟動(dòng)檢測(cè)到一塊軌道板檢測(cè)完成用時(shí)均在5 min以內(nèi)，檢測(cè)效率較傳統(tǒng)方法提高了10倍。運(yùn)行過(guò)程中采用拔掉網(wǎng)線、修改機(jī)器人位置等進(jìn)行安全測(cè)試，系統(tǒng)均能及時(shí)識(shí)別異常并停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

(3)準(zhǔn)確性測(cè)試

以下僅對(duì)重復(fù)定位精度(系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo))進(jìn)行測(cè)試分析。在軌道板上選取4個(gè)特征位置，所選的位置盡可能遍布整個(gè)工作空間，移動(dòng)機(jī)器人從20個(gè)不同位置重復(fù)運(yùn)動(dòng)到測(cè)試位置進(jìn)行掃描并提取特征中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行分析。①坐標(biāo)分量離散度分析：求取各坐標(biāo)分量的偏差及標(biāo)準(zhǔn)差，X方向標(biāo)準(zhǔn)差為0.07 mm，Y方向標(biāo)準(zhǔn)差為0.08 mm，Z方向標(biāo)準(zhǔn)差為0.08 mm。各坐標(biāo)分量的重復(fù)精度滿足系統(tǒng)需求。②點(diǎn)位分析：計(jì)算4個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)位偏差，見(jiàn)圖6。點(diǎn)位偏差最大值為0.24 mm，最小值為0.03 mm，均值為0.12 mm，點(diǎn)位偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.06 mm，點(diǎn)位重復(fù)定位精度高且穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)需求。

圖6 重復(fù)定位點(diǎn)位偏差示意

8 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一套以上位機(jī)可視化程序?yàn)橹骺叵到y(tǒng)，KUKA工業(yè)機(jī)器人作為從操作手，F(xiàn)ARO三維成像掃描儀為數(shù)據(jù)采集器的CRTSⅢ型軌道板三維點(diǎn)云自動(dòng)化采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有檢測(cè)效率快、自動(dòng)化程度強(qiáng)、檢測(cè)精度高、適用范圍廣等特點(diǎn)。

自系統(tǒng)投入使用以來(lái)，整條生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了安全平穩(wěn)高效的運(yùn)行。該系統(tǒng)的應(yīng)用，為完善和提高我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CRTSⅢ型軌道板技術(shù)體系具有重要意義。