輪對智能檢測機器人系統的設計研究

張碩，干慧，邢宇航，韋騰坤，肖彥東

（合肥職業技術學院，安徽 合肥 230012）

據交通運輸部數據顯示，2021年1月，中國大陸共有44個城市開通運營城市軌道交通線路234條，運營里程7623.3公里，實際開行列車229萬列次，按一輛列車6節編組，一節車廂對應兩個輪對進行計算，市場即將面臨著有4122萬個輪對存在檢測需求。但市場調研的檢測現狀表明，各大地鐵公司目前對輪對的檢測仍舊采用的是傳統的人工作業方式，因此，在實際工作中存在勞動強度大、效率低、漏檢和工作環境差等問題，改革傳統檢測手段，使用智能化檢測技術是改善這些情況的有效途徑。

本項目根據輪對的實際檢測需求，現將人工智能引入它的內部結構質量檢測工作中，以實現輪對的自動化、智能化檢測目標。

1 探傷機器人系統組成

該探傷機器人系統主要由探傷機器人本體、探傷作業子系統以及控制管理子系統三大模塊組成。

1.1 機器人本體結構設計

本文設計的探傷機器人本體主要采用了履帶式機械臂小車搭載探傷檢測設備的結構，履帶式小車相對于傳統的輪式巡檢小車，有更大的工作空間，可以適應較為復雜的地理環境，具有較高的穩定性，符合輪對檢測車間的使用要求，同時，它還使用了兩個直流電機分別對兩側主輪進行控制，以此實現小車的向前、向后、轉彎等移動模式，這種運動特性可以更好地輔助探傷作業的開展。

探傷機器人搭載的機械臂結構采用的是仿生的關節型機械臂，它具有人類手臂的靈活性，且為六軸結構，相較于二自由度和四自由度的機械臂，它的自由度更大，故可以根據輪對的檢測要求，調節機械臂的旋轉角度，以實現探頭的精準定位，使探傷作業具有可行性，如圖1所示。

圖1 探傷機器人本體結構模型

1.2 探傷作業子系統

目前，市場上常見的無損探傷，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，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。而磁粉探傷則是通過磁粉在缺陷附近漏磁場中的堆積以檢測鐵磁性材料表面或近表面處缺陷的一種無損檢測方法。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，輪對在使用過程中一方面承受著來自軌道車輛的全部靜、動載荷，一方面與鋼軌和閘瓦接觸摩擦，受力情況較為復雜，容易發生內部損傷，所以選用具有較強的穿透力、精確度和靈敏度等優勢的超聲波探傷系統，更能符合輪對的內部損傷檢測需求。

本項目的超聲波探傷作業子系統是由超聲波探頭、驅動器、傳感器、單片機、步進電機等組成。執行級利用無線網絡接收來自計算機的控制命令，實現探傷任務。

1.3 控制管理子系統

控制管理子系統由履帶式小車控制系統、機械臂控制系統、監控系統以及數據管理系統組成，采用了計算機、無線接發模塊、攝像機以及掃描儀等設備，計算機通過無線網絡對單片機進行串口通信，下發探傷任務，進行探傷作業管理，探測結果通過無線網絡回傳至計算機，后臺對收集的數據信息進行匯總分析處理，同時，計算機還通過攝像機監控探傷機器人整個移動以及探傷過程，完成監控工作。

2 探傷機器人的系統設計

2.1 探傷機器人的定位、導航系統

本項目的探傷機器人為移動式機器人，相對有軌式巡檢機器人，其具有較高的靈活度，并可根據檢測模塊的需求快速移動，有效地縮短了到達檢測區域的時間，提高了檢測效率，但在該系統提供便捷的同時，也給系統的設計提出了新的要求，即實現探傷機器人的精準定位，并需要合理規劃行走路線。目前，市場上的移動式機器人主要采用的是SLAM算法進行定位，傳統的同步定位與地圖構建技術（SLAM技術）雖然在實時性方面取得了較高的水平，但因光線、車間環境等因素的影響，它的魯棒性以及定位精準度會出現偏差，從而影響檢測結果，所以需要對傳統的SLAM技術進行改良。為此，本項目提出了一種VIO算法，該算法首先要明確系統傳遞的狀態變量結構，IMU姿態R、位置p1、速度v、零偏b、m個特征點的3D空間位置pp等，將R、p1、v、pp構造為高維的特殊歐氏群矩陣，即。通過計算可得，整個系統的狀態變量均值為隨機偏差向量為然后，通過構建采樣容積點描述狀態變量的分布并經過IMU運動模型進行傳遞，對容積點加權求和獲得傳遞后的狀態均值和方差，以實現狀態預測，最后通過對特征點觀測跟蹤，實現濾波器的狀態更新，但在相機運動過程中，系統跟蹤的觀測特征點會部分離開相機視域，所以需要將新的特征點補充到狀態變量中，所以采用了高維李群矩陣來表示n個時刻相機位姿，并通過容積變換傳遞相機位姿不確定性，完成新增特征點位置和方差的估計，保障了探傷機器人的定位精度。

2.2 探傷作業流程

如圖2所示，為實現探傷機器人的智能化檢測，系統設置了多元檢測模塊，包括踏面檢測模塊、軸頸檢測模塊以及全輪對檢測模塊，探傷機器人可根據任務要求，利用PLC系統進行檢測模塊的自主切換。

圖2 探傷作業流程圖

探傷機器人啟動后，通過定位導航系統，運用到輪對的標識區，通過掃描儀識別輪對標識，確定檢測模塊，待準備工作就緒后，電機啟動，機械臂攜帶探頭下降直至輪對的檢測表面，通過壓力傳感器的反饋信息，調整探頭的檢測位置，使探頭與輪對表面具有一定的壓力接觸，再開始探傷作業，整個探測過程中，檢測機器人需配合探頭的檢測需求進行移動，為防止探測機器人偏離運行軌跡，該系統還采用了高清攝像頭對整體探傷過程以及機器人的運行軌跡進行監控，一旦出現偏離就會發出警報，同時，為區別探傷過程中發現缺陷時的警報，系統采用了分級警報的設置，便于工作人員進行區分。

3 結語

本文設計的探傷機器人系統，可實現輪對內部結構損傷的智能化、自動化以及個性化檢測，改革了傳統的人工檢測模式，將人工檢查轉變為了機器自動檢測，實現人工檢測的電子化，降低了現場人工勞動強度，節省了人力資源和成本，同時還有效避免了因人工經驗不足等造成的誤判、漏判等現象，便于及時發現輪對內部故障信息，強化檢測結果的精確度、準確度，保障了運營安全，改善了現有的輪對檢測市場痛點問題，使車輛零部件的檢測變得智能化，也為其他零部件以及機電設備等的檢測提供了思路，但因條件的影響，本項目設計的探傷機器人系統仍存在檢測項目少等問題，后期筆者將進一步研究輪對智能檢測系統，拓展研究范圍，擴充檢測項目，實現輪對的全方位智能化檢測。