城軌車多股道作業智能日檢機器人的設計與應用

莊 軍， 李 鵬， 孟范鵬， 班 赟

(1. 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2. 中國鐵路濟南局集團有限公司 青島動車段， 山東 青島 266000)

近年來，我國城市軌道交通發展快速，目前全國城市軌道交通(不含有軌電車)運營線路已達 6 500 km以上，擁有地鐵運營線路的城市已達 38 個，城市軌道交通線路之長和城市之多都位居世界首位，成為世界城市軌道交通大國[1-2]。城軌交通行業的蓬勃發展，給軌道車輛的檢修工作帶來了巨大的壓力。目前，城軌車輛日檢基本以人工檢修為主，以計劃檢修為核心[3]。但由于被檢修列車組成復雜、部件繁多，使得人工檢修負擔沉重，檢修效率不高[4]。城軌車多股道作業智能日檢機器人的研發將智能化、自動化作業引入到車輛的日檢工作中，用以輔助替代人工檢查，總體采用單元化設計，行動靈活，既可無軌道走行作業，也可實現軌上移動作業[5]。

1 設計目的及系統功能

多股道作業智能日檢機器人系統(以下稱機器人)設計的主要目的是輔助替代人工完成車輛日檢作業。機器人可以根據作業目標自行完成任務路徑規劃，快速移動至檢修維護目標區域，通過機械臂、雙自由度平臺聯動，實現預先示教或編訂的指令動作，將視覺監控單元精準送至目標檢測位置進行圖像采集檢測，獲取圖像后進行智能分析判斷故障，進而輔助替代人工日檢[6-7]。可實現的功能有：

(1) 機器人具備軌上、軌下走行功能，可以記錄行走里程，軌下具備穿越平交直道及爬坡能力，可自由進出股道地溝。

(2) 機器人以激光雷達傳感器為依托，可以實現自導引走行功能，可以根據指令目標自動規劃路徑、避障，并完成股道轉移。

(3) 機器人整機移動平臺配合機械臂和水平、垂直移動模組，可實現目標位置精準移動及機器人動作的精準復現。通過軟件示教可以實現對每一個動作的編輯、記錄、修改、存儲、執行。

(4) 機器人可實現整機全自主工作，可以在示教完成或指令編訂后，通過示教文件自主依據作業工藝指令流程進行工作。

(5) 機器人具有工作項點動作可編輯功能，可線下編輯指令，可以控制順序、逆序、連續、分步完成指令動作。

(6) 機器人具備圖像采集功能，可以通過視覺監控單元對車輛情況進行圖像采集，并通過內部算法分析圖像，輔助替代人工分辨車輛故障。

2 結構組成

機器人主要由導航系統、機械臂運動機構、控制管理系統、多功能底盤、視覺監控單元構成(圖1)[8]。導航系統與多功能底盤交互信息，機械臂運動機構與多功能底盤交互信息[9]。導航系統為多功能底盤提供行進坐標和當前位置，機械臂運動機構與多功能底盤配合運動，控制管理系統整體控制機器人平臺系統協作工作，視覺監控單元負責采集圖像信息[10]。

圖1 機器人

導航系統采用激光輪廓導航，工作現場無需改造，通過多線激光雷達創建地圖后實現精準導航。

機械臂運動機構采用6自由度機器人配合水平、垂直移動模組，通過示教或指令編輯可實現動作精準復現。

控制管理系統采用研華APAX-5580作為控制主機，配有模擬量輸入輸出、數字量輸入輸出模塊，實現總體控制。

多功能底盤采用四舵輪驅動結構，每個舵輪獨立運轉，通過角度傳感器，實時監測底盤在縱向和橫向狀態下兩組輪子與底盤之間的角度關系，實現精準移動。

視覺監控單元采用復合型工業相機實現3D圖像采集，并配有圖像分析邊緣計算單元對圖片內容進行分析。

機器人電控構架如圖2所示，主要包含：控制中心、機械臂控制器、水平模組控制器、垂直模組控制器、視覺監控單元、底盤控制器、導航控制器等。

圖2 機器人電控構架圖

控制中心內設有主程序，控制中心通過以太網與機械臂、水平模組控制器、垂直模組控制器、視覺監控單元、底盤控制器和導航控制器交互控制。

控制中心通過擴展模塊控制電控系統。

電控系統由各類電氣元件構成，在控制中心控制下，實現機械臂、水平模組、垂直模組、視覺監控單元、底盤、導航的驅動控制及信號控制。

3 控制軟件

機器人系統軟件操作界面如圖3所示。本軟件實現了機器人各單元的程序控制以及機器人工作流程的示教、編輯。具體功能分區包括整體控制區、工作文件編輯區、機械臂控制區、X方向控制區、Y方向控制區、Z方向控制區、拍照控制區、繼電器控制區、位移傳感器顯示區。

圖3 軟件界面

整體控制區可以實現機器人執行文件的新建、打開、保存，機器人按照控制文件自主運行。

工作文件編輯區可以實現指令選擇、載入、執行、暫停、聯動以及文件指令的增、刪、改、查。

機械臂控制區可以實現機械臂各個關節位置顯示，可以控制單點運動，可以添加運動軌跡點實現軌跡運動。

X方向控制區可以實現零點設定，獲取當前X方向坐標，配置底盤運動模式，設置運動速度以及執行命令。

Y方向控制區可以實現Y方向位置信息獲取，可以設置Y方向目標位置，可以設置運行速度，可以控制Y方向運動。

Z方向控制區可以實現Z方向位置信息獲取，可以設置Z方向目標位置，可以設置運行速度，可以控制Z方向運動。

拍照控制區可以實現UDP指令通信，可以通過通信協議實現對視覺監控單元的控制。

繼電器控制區可以實現對機器人的各單元供電控制。

位移傳感器顯示區可以實時顯示位移傳感器的數據信息。

4 功能操作與應用驗證

4.1 機器人作業人員基本操作流程

(1) 作業人員在現場根據待檢測項點進行機器人圖像采集初步路徑規劃[11]；

(2) 根據初步路徑規劃，采用示教方式完成機器人詳細動作路徑學習[12]；

(3) 對路徑上圖像采集區域內關鍵檢測點規劃識別標注；

(4) 操作機器人示教路徑復現，驗證示教路徑重復可靠性；

(5) 機器人全流程自動采集基準圖像；

(6) 待檢測項點圖像配準域值設置；

(7) 機器人全流程檢測作業，完成全部項點圖像采集。

圖4為機器人路徑規劃現場。

圖4 機器人路徑規劃現場

4.2 機器人自主作業邏輯流程

(1) 系統初始化，載入日檢任務動作清單；

(2) 系統自檢各子系統通信狀態、初始位置狀態、動作功能是否正常；

(3) 執行當前示教動作指令，同步獲取圖像信息；

(4) 通過圖像進行三維坐標分析，計算是否需要修正；

(5) 如需要修正坐標則進行修正，若坐標正常則進行日檢圖像故障分析；

(6) 相關數據與服務器進行交互；

(7) 系統判定是否完成全部目標任務清單，未完成載入下一條示教動作指令，完成結束整體任務。

圖5為機器人自主作業流程圖。

圖5 機器人自主作業流程圖

4.3 機器人動作基本功能驗證

主要檢查確認控制信號的正確性，確定可正常控制動作；檢查水平、垂直移動模組和機械臂運動的穩定性；通過控制器控制機械臂6軸電動機，測試單軸、多軸運行的穩定性；確認各動作機構動作是否到位，各控制單元是否到達限位和零位；測試傳感器是否觸發有效，檢測限位傳感器、零位傳感器定位情況[13]；重復定位精度測試，并進行定量驗證，測試結果如表1所示。

表1 重復定位精度測試結果 mm

對表1的結果進行分析可得出：機械臂整體、末端精度為0.5 mm，不受動作影響；導航系統在地溝內和地溝外的導航精度基本一致，坡上導航采用二維碼輔助導航，精度由11 mm提升至3 mm；水平模組和垂直模組精度為0.5 mm，為機械系統引入誤差，不因運行速度而改變；整體直線運動因為打滑等因素影響，機器人運動誤差隨運動速度增大而增加，最大誤差達到2.5 mm，滿足圖像采集需求。

4.4 機器人整體日檢功能故障識別驗證

選取青島地鐵2號線列車運行車輛進行驗證。經與青島地鐵作業人員共同梳理，采用本系統機器人替代人工巡檢 1 420個待檢測項點。由于整體樣本數量有限，試驗按照置信度90%、失效比例小于20%、同類型不低于11個故障取樣進行模擬測試。選取人工標記故障共計85處，其中：松動故障共11處，包括齒輪箱螺栓松動、油面觀察窗螺栓松動、車鉤連接螺栓松動；脫落故障共33處，包括排障器開口銷脫落、制動夾鉗螺栓脫落、單元制動機螺栓脫落、線夾螺栓脫落、車底電器箱螺栓脫落、吊掛螺栓脫落、受流器螺栓脫落、架空制動單元螺栓脫落；斷裂故障共14處，包括轉向架構架防松鐵絲斷裂、齒輪箱防松鐵絲斷裂；表面異常故障共16處，包括車底管線接頭異常、車底管路異常、噴油嘴異常、油面觀察窗液位異常；閉合不良故障共11處，包括二級鎖和航空插頭閉合不良。檢測結果如表2所示。

表2 機器人日檢項點統計表

對測試結果統計分析可知，機器人系統整體誤報率0.56%，故障檢出率92.94%，整體效果優于90%，但在表面異常故障識別上漏報率較高，漏報率18.75%。圖6所示為采集的架控制動單元圖像，上部分為3D圖像，下部分為與之對應的2D圖像。通過圖像對比可知，3D圖像中明顯丟失了一些信息，因為3D圖像深度分辨率受限，當表面異物過薄時很難發現，因此導致了漏報。在后續工作中將優化算法，提升硬件能力，進一步減少誤報、漏報的發生。

圖6 架控制動單元圖像

5 結束語

多股道作業智能日檢機器人目前已經在地鐵車輛段進行試用，受到了業主好評。該系統的應用在減輕人工作業負擔的同時，提升了軌道車輛日檢作業的整體水平。機器人因其作業靈活，性能穩定，作為常規日檢作業的有力補充有著明顯優勢。而數字化作業采集在能夠智能判斷車輛潛在故障信息的基礎上，實現了全壽命周期建檔，可隨時追溯查詢，為進一步實現大數據、AI技術在地鐵車輛智能檢修中的應用提供了有力的基礎保障[14-15]。

同時，機器人因采用平臺化、模塊化設計，系統易于拆分，可快速平行遷移應用，各單元均可更換，通過使用不同類型檢測單元，可以勝任不同的檢測工作，因此應用前景廣泛。