鐵路編組站駝峰解體全自動智能提鉤系統研究與探索

侯習洪

（北京鐵路局南倉站，北京 100000）

1 方案設計

1.1 結構設計

（1）信息處理模塊作用是將調車作業通知單及TW-2系統下達的命令進行信息轉化，建立數據傳輸接口，實現調車作業通知單傳輸系統、TW-2系統與本系統的無縫對接。（2）控制模塊作用是將數據信息傳遞給峰頂全自動智能提鉤機器人，實現摘鉤機器人的運動控制、摘鉤動作控制、車輛信息及車速識別模塊的信息轉換輸入輸出等。（3）車輛信息及車速識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器人，摘鉤是否成功取決于采集的信息是否準確。（4）摘鉤機器人行走模塊作用是根據車列的運行速度，驅動摘鉤機器人實現加速、追蹤、減速的要求。（5）摘鉤機器人主體模塊作用是實時調整摘鉤動作的姿態，滿足不同鉤提桿位置的摘鉤動作需要。（6）摘鉤執行模塊作用是執行摘鉤動作的執行元件，通過執行元件夾住鉤提桿后轉動鉤提桿，完成摘鉤動作。（7）摘鉤結果檢測模塊作用是摘鉤動作完畢后對車鉤狀態的檢測，對摘鉤結果信息反饋到控制模塊并提示相應的輸出信號。

1.2 功能設計

要實現摘鉤作業自動化，摘鉤機器人系統必須要具備以下功能。

（1）摘鉤機器人系統與調車作業通知單及TW-2系統接口相匹配，實現調車作業的信息轉換功能；（2）調車機將車列推入駝峰時，摘鉤機器人要識別車輛信息及車列的運行速度功能；（3）列車進入摘鉤區域時，摘鉤機器人要具備鉤提桿位置識別功能；（4）摘鉤作業時，摘鉤機器人要具備執行摘鉤動作功能；（5）摘鉤作業完成時，摘鉤機器人要具備摘鉤檢測功能，確保摘鉤成功。

2 系統功能

2.1 信息處理模塊

信息處理模塊主要實現調車作業計劃與TW-2系統的信息進行處理，并將處理后的信息反饋到控制模塊中。例如，車列尚未到達編組站時，車列的各種信息已由始發站傳輸到編組站的信息處理系統，信息處理系統自動生成調車計劃直接傳輸至本系統信息處理模塊實現信息交互。TW-2系統與本系統交互時，提供摘鉤作業的始發信號及摘鉤結果信號。

2.2 控制模塊

（1）與本系統交換信息，接收調車作業通知單及TW-2系統信息，逐列規劃本系統摘鉤作業計劃；（2）接收并處理來自車輛信息及車速識別模塊識別的車數、車長、車速、車種、車號等信息；（3）存儲信息處理模塊和車輛信息及車速識別模塊的數據；（4）接收并處理摘鉤結果；（5）處理待解車輛提鉤桿位置、車速等信息，控制摘鉤機器人啟動、姿態調整、跟隨、摘鉤等動作。

2.3 車輛信息及車速識別模塊

（1）系統接收調車機進入駝峰指令，啟動鐵路車號自動識別系統和車輛信息識別設備，進行車輛信息采集；（2）根據目標檢測算法，系統能夠準確的識別多種車型的車號識別，為后續工作做準備；（3）對于光照不均現象，根據圖像處理相關算法，系統能夠準確的定位車號，要有較強的干擾能力；（4）采用圖像處理技術與深度學習算法，系統能夠進行車號的字符分割與識別；（5）系統能夠存儲完整的原始圖像信息并按指定路徑存儲識別結果；（6）系統能夠準確的識別車列的實時運行速度；（7）系統能夠在風、雨、雪、霧等惡劣天氣下進行工作，并且要能夠長期在線運行，具有較高的穩定性。

2.4 摘鉤機器人行走模塊

摘鉤機器人行走模塊是保障摘鉤機器人本體行走與車列能否同速的關鍵性模塊。現有移動機器人移動方式有：輪式移動機構、履帶式移動機構、軌道移動機構及足式移動機構。駝峰地面大多由地磚鋪成，地面不平整，而軌道式移動機構具有高度、水平都可以根據實際需要進行調節的特點，宜采用軌道式移動機構。峰頂作業區域人為劃分了三個作業區域，分段設置軌道，模擬人工作業方法，節約資源、易于控制。綜上所述，采用分段式軌道移動機構。

機器人行走軌道主要有以下幾部分組成：地腳、地軌底座、導軌、滑臺組件、滾輪及伺服驅動電機組成。對軌道受力簡化后采用有限元分析對結構進行輕度校核。

2.5 摘鉤機器人本體模塊

本模塊分為圖像采集系統和機械人本體控制系統。其中，圖像采集系統負責像處理以及運動跟蹤預測等工作，機器人本體控制系統根據控制指令進行運動學逆解。工作原理為：車列駛入待摘鉤區域，圖像采集裝置獲取到車輛鉤提桿二維圖像，通過算法轉換為三維坐標構建合適的機器人本體關節坐標系，并且將信息傳輸到機器人本體模塊，控制其運動達到指定位置。

本模塊圖像采集系統采用單目視覺，攝像機固定在機器人移動底座上，以此滿足系統對于實時性與準確性要求。圖像預處理：由于攝像機成像存在圖像畸變現象，獲取相機的內參數、外參數及畸變參數之后，通過畸變矯正技術還原實際的場景信息，而后進入正常的圖像處理工作，便于后續的目標檢測工作；目標檢測跟蹤：目標識別跟蹤任務在機器人本體控制追蹤中至關重要。該部分內容需從圖像中識別鉤提桿，同時進行圖像追蹤，以達到機器人本體追隨鉤提桿位置進行實時運動。視覺測距：將機器人所需三維坐標與攝像機坐標系相重合，從而得出平面內的像素坐標系與三維坐標系之間的轉換，最終獲得目標對象在空間中的三維坐標信息；決策控制：利用相應的算法求出鉤提桿的位置信息，并將該信息傳輸給機械人本體，控制其運動到達指定位置；運動規劃：機器人本體根據控制指令和接收的位置信息，完成運動學的逆解，再根據各個軸的狀態信息調整姿態，控制摘鉤執行模塊達到指定位置即可視為完成工作；實時運動控制：由于車列處于運動中，只有實時控制才能保證運動指令被正確的執行。摘鉤機器人作業時，摘鉤機器人手臂要適應不同種類的鉤提桿，這就要求機器人可自由調節末端機械手的位置和姿態；其次，機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，在摘鉤作業中會有忽快忽慢的現象，為保護鐵路車輛和提鉤機器人本體作業過程中不因受力過大而造成設備損壞，采用6軸柔性機械人最為合適。采用六軸機器人不僅可以實現柔性摘鉤，而且可通過設定機器人每個軸的輸出力，當速度不匹配時根據力矩大小調節機器人姿態。

2.6 摘鉤執行模塊

鉤提桿為棒材折彎而成。摘鉤機械手應保證能順利夾住鉤提桿、執行脫鉤動作及松開鉤提桿等功能。機械手采用夾爪形式，指端根據提手形狀設計為V型指，V型指結構簡單，對圓棒型材適應能力強。峰頂全自動智能提鉤機器人機械手要求性能穩定可靠，結構簡單，動作靈活。提鉤機械手執行動作為：機器人根據控制系統發出的指令，移動至摘鉤位置，機器手上方相機拍攝照片，利用計算機圖形處理技術確定鉤提桿位置，并判定鉤提桿是上作用式還是下作用式，機器人調整自身關節姿態并到達指定位置后，機械手夾住鉤提桿，旋轉關節回轉，完成摘鉤作業。

2.7 摘鉤結果檢測模塊

摘鉤結果檢測模塊是將摘鉤結果反饋至控制模塊，控制模塊將此摘鉤結果作為判斷執行下一組動作的啟始信號。摘鉤成功結果判定：摘鉤成功后，兩車鉤之間空擋距離會變長，由圖像識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作是否完成，通過設在下坡道第一分路道岔區段內的記軸器，獲取當前溜放的實際車輛數，再與調車作業計劃單中車輛數進行比較，一致時判定摘鉤成功，機器人開始下一組摘鉤動作。反之，車輛數不一致時判定為摘鉤失敗，系統報警并暫停作業，人工排查后機器人進入下一組摘鉤。

3 結語

國內自動摘鉤機器人研究工作起步較晚，但也積累了一些相關方面的實驗數據，為自動摘鉤機器人技術的發展奠定了基礎。本文研究的智能摘鉤機器人主要有以下創新：基于RFID和圖像識別技術，采用兩者相結合方式分析處理車輛信息，從而實現車輛信息采集“雙保險”，進一步保障信息數據的準確性。引入了目標檢測算法進行貨運列車車鉤識別方法，相對于傳統電氣信號控制系統降低了系統的復雜程度，提升了鉤提桿目標追蹤的靈活性和準確性。測速測距系統采用2路輪軸轉速計（OPG）實現高精度的測速測距，同時融合雷達傳感器信息，消除車輪發生的空轉打滑的測量誤差。