翻車機摘鉤機器人的研發(fā)與應用

裴傳福，成功，崔凱

（華能沁北發(fā)電有限責任公司，河南 濟源 459000）

1 前言

現(xiàn)階段，國內(nèi)外的翻車機系統(tǒng)，主要設備翻車機、重車調(diào)車機、空車調(diào)車機、遷車臺等作業(yè)已基本實現(xiàn)自動化，但重車摘鉤仍然由人工完成（圖1）。

圖1 翻車機重車人工摘鉤作業(yè)場景

人工摘鉤操作存在以下幾方面的安全隱患，易發(fā)生安全事故。（1）操作空間比較狹窄。（2）作業(yè)時間不分晝夜，經(jīng)常在半夜或者凌晨，人員困乏精力不佳。（3）操作人員年齡偏大，安全意識弱，體力、精力、眼力跟不上。

隨著輸煤設備無人值守的發(fā)展趨勢，非常有必要進行利用機器人代替翻車作業(yè)過程中人工摘鉤操作的探索研究，以實現(xiàn)摘鉤機器代人作業(yè)，節(jié)約人力成本，降低翻車過程安全風險，實現(xiàn)本質(zhì)安全。

2 相關(guān)技術(shù)

本文設計的翻車機自動化摘鉤機器人主要依靠機器視技術(shù)、機械臂控制技術(shù)、摘鉤機器人控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

2.1 機器視覺技術(shù)

摘鉤機器人的機器視覺技術(shù)是非常重要的一項技術(shù)，它用于幫助機器人識別和捕捉需要抓取的物體。

摘鉤機器人通常會配備攝像頭和其他相關(guān)傳感器，利用這些設備可以實現(xiàn)以下功能。

（1）目標檢測。機器人可以通過攝像頭捕捉到目標物體的圖像數(shù)據(jù)，并利用計算機視覺技術(shù)進行圖像處理，識別出目標物體的位置、大小、形狀等特征信息。

（2）物體跟蹤。機器人可以根據(jù)目標物體的特征信息，追蹤其在空間中的位置和運動軌跡，以便更準確地抓取和移動物體。

（3）抓取規(guī)劃。機器人可以根據(jù)目標物體的形狀和大小，計算出合適的抓取位置和抓取角度，以便更好地抓取物體。

（4）姿態(tài)控制。機器人可以根據(jù)目標物體的特征信息和抓取規(guī)劃，對其自身的姿態(tài)進行實時控制，以便更準確地完成抓取任務。

機器視覺技術(shù)是摘鉤機器人實現(xiàn)自動化抓取的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以作為激光雷達檢測系統(tǒng)的輔助，大幅度提高機器人的抓取成功率和效率。

2.2 機械臂控制技術(shù)

摘鉤機器人的機械臂控制技術(shù)是實現(xiàn)機器人精準抓取、移動和放置物體的關(guān)鍵技術(shù)之一。

機械臂控制技術(shù)通常包括以下幾個方面。

（1）運動學控制。運動學控制是機械臂控制的基礎(chǔ)，它可以根據(jù)機械臂的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，計算機械臂的位置和姿態(tài)。運動學控制對于控制機械臂在空間中的運動，完成精準的定位和抓取任務至關(guān)重要。

（2）動力學控制。動力學控制是控制機械臂在運動過程中的運動學參數(shù)，包括速度、加速度等。通過動力學模型計算機械臂的運動，可以實現(xiàn)高精度、高速度的工作。

（3）路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃是機械臂控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以計算出機械臂在空間中的最優(yōu)運動軌跡，并對機械臂進行控制。路徑規(guī)劃可以根據(jù)不同的任務需求，選擇不同的運動路徑，以實現(xiàn)更加高效的機械臂控制。

（4）力控制。力控制是機械臂控制的另一項重要技術(shù)。通過力傳感器等器件，可以實現(xiàn)機械臂對物體的接觸力度和壓力的精準控制，以實現(xiàn)高精度抓取和放置任務。

摘鉤機器人的機械臂控制技術(shù)是摘鉤機器人的核心技術(shù)之一，它通過運動學、動力學、路徑規(guī)劃等技術(shù)手段，實現(xiàn)了機械臂的精準定位和控制，從而實現(xiàn)了更加高效、高質(zhì)量的機器人抓取任務。

2.3 摘鉤機器人控制系統(tǒng)

摘鉤機器人的控制系統(tǒng)是負責實時控制機器人運動，完成各種任務的關(guān)鍵技術(shù)之一。摘鉤機器人的控制系統(tǒng)通常包括以下幾個部分。

（1）傳感器。傳感器可以采集機器人和環(huán)境的信息，包括位置、姿態(tài)、力度、視覺等。不同的傳感器可用于不同的控制任務，例如，位置傳感器用于控制機械臂的位置，視覺傳感器用于實現(xiàn)自主視覺導航等。

（2）控制器?？刂破魇钦^機器人控制系統(tǒng)的核心，它通過對傳感器信息的處理和分析，實現(xiàn)對機器人的控制?？刂破鞯墓δ芡ǔ０窂揭?guī)劃、機械臂控制、運動規(guī)劃、力控制等。

（3）通訊模塊。通訊模塊可以將控制器與其他設備或系統(tǒng)連接起來。例如，將控制器連接到網(wǎng)絡可以實現(xiàn)遠程控制，將控制器連接到其他機器人可以實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)等。

（4）軟件系統(tǒng)。摘鉤機器人的控制系統(tǒng)需要配有相應的軟件系統(tǒng)，例如，運動控制軟件、機器視覺軟件、路徑規(guī)劃軟件等，來實現(xiàn)各種控制任務。

（5）電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)提供機器人所需的電力，包括直流電源、交流電源、電池、伺服電源等。

摘鉤機器人的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人各種控制任務的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通過傳感器、控制器、通訊模塊、軟件系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等部分的協(xié)作，實現(xiàn)了對機器人的精準控制，從而實現(xiàn)了各種高效、高質(zhì)量的機器人任務。

3 翻車機自動化摘鉤機器人設計

翻車機自動化摘鉤機器人的設計包括機械設計和控制系統(tǒng)設計兩個方向。

3.1 機械設計

翻車機自動化摘鉤機器人的機械設計應該考慮以下幾個方面。

（1）機械臂設計。機械臂是翻車機自動化摘鉤機器人的核心部分，它需要具備足夠的靈活性、剛度和負載能力，以適應不同的工作環(huán)境和工作負載。機械臂設計應該考慮關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、傳動機構(gòu)、材料選擇等方面，以實現(xiàn)高效、可靠、精準的運動控制。

（2）摘鉤機構(gòu)設計。摘鉤機構(gòu)是翻車機自動化摘鉤機器人實現(xiàn)夾取鉤子的關(guān)鍵部分。摘鉤機構(gòu)應該具備良好的精度和重復性，同時還需要考慮其可靠性和維修性等因素。

（3）小車機構(gòu)設計。小車機構(gòu)是摘鉤機器人隨動火車車廂和重車調(diào)車機的重要機構(gòu)，它需要具備足夠的安全性、機動性和可控性。設計應該考慮包括加減速性能、懸掛和運行穩(wěn)定性等因素，同時還需要考慮燈光、聲音、信號等傳感器的安裝位置。

（4）夾持機構(gòu)設計。夾持機構(gòu)是翻車機自動化摘鉤機器人的關(guān)鍵部分，它需要具備足夠的力度、精度和穩(wěn)定性，以實現(xiàn)有效的夾緊操作。夾持機構(gòu)設計應該考慮夾持力度、夾持方式以及力矩方向等因素。

翻車機自動化摘鉤機器人的機械設計應充分考慮工作環(huán)境和工作負載等因素，以實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、有效的運動控制和夾緊操作，從而實現(xiàn)高效的翻車機自動化作業(yè)。

3.2 控制系統(tǒng)設計

翻車機自動化摘鉤機器人的控制系統(tǒng)設計需要考慮以下幾個方面。

（1）機器人的運動控制。機器人需要精確執(zhí)行預設的運動軌跡以摘取鉤柄。因此，需要選擇適合的運動控制器和驅(qū)動器，并編制合適的運動控制程序。

（2）攝像頭和圖像處理系統(tǒng)。攝像頭和圖像處理系統(tǒng)用于檢測和定位待摘取的鉤柄。需要選擇高分辨率的攝像頭，并使用圖像處理算法實現(xiàn)鉤柄的準確識別和定位。

（3）機械臂控制系統(tǒng)。機械臂控制系統(tǒng)用于控制機器人的各個關(guān)節(jié)，以實現(xiàn)多自由度的運動。需要選擇適合的機械臂控制器和編程軟件，并編寫與運動控制程序的通信接口。

（4）傳感器與反饋控制系統(tǒng)。傳感器與反饋控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)機器人的自動化控制。需要選擇適合的傳感器并實時讀取其數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)運動精確控制和鉤柄摘取過程中的力控制。

（5）通信與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。機器人需要與翻車機PLC系統(tǒng)和主控單元進行通信，以實現(xiàn)信息的共享和控制命令的下達。需要選擇適合的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理軟件。

翻車機自動化摘鉤機器人的控制系統(tǒng)設計需要對機械設計、控制算法、傳感器與反饋控制系統(tǒng)、通信與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等方面進行綜合考慮。

4 摘鉤機器人的優(yōu)缺點

本文基于翻車機自動化摘鉤機器人模型，進行了實際應用，摘鉤成功率達到了95%以上。

4.1 翻車機自動化摘鉤機器人的優(yōu)點

提高工作效率：翻車機自動化摘鉤機器人可以自主執(zhí)行作業(yè)任務，減少了人工干預，縮短了作業(yè)周期，提高了工作效率。

（1）降低工作風險。翻車機人工摘鉤操作存在風險，使用摘鉤機器人可以避免人員有關(guān)的操作風險，保護作業(yè)人員的生命安全。

（2）減少人力成本。傳統(tǒng)作業(yè)需要使用大量的人力，而摘鉤機器人可以代替人力完成作業(yè)，從而降低了成本。

（3）提高作業(yè)準確性。摘鉤機器人通過預設運動軌跡、力矩檢測與控制、圖像識別算法等技術(shù)，實現(xiàn)準確的作業(yè)動作，消除了操作人員的非準確性。

（4）高適應性。翻車機自動化摘鉤機器人可以通過軟件編程和深度學習技術(shù)，實現(xiàn)針對不同型號的翻車機的調(diào)整和優(yōu)化。同時，在各種天氣或環(huán)境條件下，工作都相對穩(wěn)定。

4.2 翻車機自動化摘鉤機器人的缺點

（1）缺乏靈活性。翻車機自動化摘鉤機器人的操控需要使用預設的程序，無法像人類一樣快速做出復雜的判斷以及應對不同的情況，因此，靈活性有一定的限制。

（2）復雜性。機器人需要經(jīng)過專業(yè)人員的專業(yè)培訓才能操作，維修也需要相關(guān)專業(yè)知識和技能，這增加了維護和操作成本。

總的來說，翻車機自動摘鉤機器人的使用可以提高工作效率，降低工作風險，提高作業(yè)準確性，減少人力成本，并且適應性較強。

5 結(jié)語

本文基于機器人技術(shù)，設計了一種具有較高效率和安全性的翻車機自動摘鉤機器人，并在電廠翻車機線得到了實際應用，結(jié)果表明，該機器人在翻車機摘鉤操作中具有可行性和實用性。對于后續(xù)的研究，可以進一步優(yōu)化控制系統(tǒng)的性能，提高機器人的智能化水平。