城轨车多股道作业智能日检机器人的设计与应用

庄 军， 李 鹏， 孟范鹏， 班 赟

(1. 中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031；
2. 中国铁路济南局集团有限公司 青岛动车段， 山东 青岛 266000)

近年来，我国城市轨道交通发展快速，目前全国城市轨道交通(不含有轨电车)运营线路已达 6 500 km以上，拥有地铁运营线路的城市已达 38 个，城市轨道交通线路之长和城市之多都位居世界首位，成为世界城市轨道交通大国[1-2]。城轨交通行业的蓬勃发展，给轨道车辆的检修工作带来了巨大的压力。目前，城轨车辆日检基本以人工检修为主，以计划检修为核心[3]。但由于被检修列车组成复杂、部件繁多，使得人工检修负担沉重，检修效率不高[4]。城轨车多股道作业智能日检机器人的研发将智能化、自动化作业引入到车辆的日检工作中，用以辅助替代人工检查，总体采用单元化设计，行动灵活，既可无轨道走行作业，也可实现轨上移动作业[5]。

多股道作业智能日检机器人系统(以下称机器人)设计的主要目的是辅助替代人工完成车辆日检作业。机器人可以根据作业目标自行完成任务路径规划，快速移动至检修维护目标区域，通过机械臂、双自由度平台联动，实现预先示教或编订的指令动作，将视觉监控单元精准送至目标检测位置进行图像采集检测，获取图像后进行智能分析判断故障，进而辅助替代人工日检[6-7]。可实现的功能有：

(1) 机器人具备轨上、轨下走行功能，可以记录行走里程，轨下具备穿越平交直道及爬坡能力，可自由进出股道地沟。

(2) 机器人以激光雷达传感器为依托，可以实现自导引走行功能，可以根据指令目标自动规划路径、避障，并完成股道转移。

(3) 机器人整机移动平台配合机械臂和水平、垂直移动模组，可实现目标位置精准移动及机器人动作的精准复现。通过软件示教可以实现对每一个动作的编辑、记录、修改、存储、执行。

(4) 机器人可实现整机全自主工作，可以在示教完成或指令编订后，通过示教文件自主依据作业工艺指令流程进行工作。

(5) 机器人具有工作项点动作可编辑功能，可线下编辑指令，可以控制顺序、逆序、连续、分步完成指令动作。

(6) 机器人具备图像采集功能，可以通过视觉监控单元对车辆情况进行图像采集，并通过内部算法分析图像，辅助替代人工分辨车辆故障。

机器人主要由导航系统、机械臂运动机构、控制管理系统、多功能底盘、视觉监控单元构成(图1)[8]。导航系统与多功能底盘交互信息，机械臂运动机构与多功能底盘交互信息[9]。导航系统为多功能底盘提供行进坐标和当前位置，机械臂运动机构与多功能底盘配合运动，控制管理系统整体控制机器人平台系统协作工作，视觉监控单元负责采集图像信息[10]。

图1 机器人

导航系统采用激光轮廓导航，工作现场无需改造，通过多线激光雷达创建地图后实现精准导航。

机械臂运动机构采用6自由度机器人配合水平、垂直移动模组，通过示教或指令编辑可实现动作精准复现。

控制管理系统采用研华APAX-5580作为控制主机，配有模拟量输入输出、数字量输入输出模块，实现总体控制。

多功能底盘采用四舵轮驱动结构，每个舵轮独立运转，通过角度传感器，实时监测底盘在纵向和横向状态下两组轮子与底盘之间的角度关系，实现精准移动。

视觉监控单元采用复合型工业相机实现3D图像采集，并配有图像分析边缘计算单元对图片内容进行分析。

机器人电控构架如图2所示，主要包含：控制中心、机械臂控制器、水平模组控制器、垂直模组控制器、视觉监控单元、底盘控制器、导航控制器等。

图2 机器人电控构架图

控制中心内设有主程序，控制中心通过以太网与机械臂、水平模组控制器、垂直模组控制器、视觉监控单元、底盘控制器和导航控制器交互控制。

控制中心通过扩展模块控制电控系统。

电控系统由各类电气元件构成，在控制中心控制下，实现机械臂、水平模组、垂直模组、视觉监控单元、底盘、导航的驱动控制及信号控制。

机器人系统软件操作界面如图3所示。本软件实现了机器人各单元的程序控制以及机器人工作流程的示教、编辑。具体功能分区包括整体控制区、工作文件编辑区、机械臂控制区、X方向控制区、Y方向控制区、Z方向控制区、拍照控制区、继电器控制区、位移传感器显示区。

图3 软件界面

整体控制区可以实现机器人执行文件的新建、打开、保存，机器人按照控制文件自主运行。

工作文件编辑区可以实现指令选择、载入、执行、暂停、联动以及文件指令的增、删、改、查。

机械臂控制区可以实现机械臂各个关节位置显示，可以控制单点运动，可以添加运动轨迹点实现轨迹运动。

X方向控制区可以实现零点设定，获取当前X方向坐标，配置底盘运动模式，设置运动速度以及执行命令。

Y方向控制区可以实现Y方向位置信息获取，可以设置Y方向目标位置，可以设置运行速度，可以控制Y方向运动。

Z方向控制区可以实现Z方向位置信息获取，可以设置Z方向目标位置，可以设置运行速度，可以控制Z方向运动。

拍照控制区可以实现UDP指令通信，可以通过通信协议实现对视觉监控单元的控制。

继电器控制区可以实现对机器人的各单元供电控制。

位移传感器显示区可以实时显示位移传感器的数据信息。

4.1 机器人作业人员基本操作流程

(1) 作业人员在现场根据待检测项点进行机器人图像采集初步路径规划[11]；

(2) 根据初步路径规划，采用示教方式完成机器人详细动作路径学习[12]；

(3) 对路径上图像采集区域内关键检测点规划识别标注；

(4) 操作机器人示教路径复现，验证示教路径重复可靠性；

(5) 机器人全流程自动采集基准图像；

(6) 待检测项点图像配准域值设置；

(7) 机器人全流程检测作业，完成全部项点图像采集。

图4为机器人路径规划现场。

图4 机器人路径规划现场

4.2 机器人自主作业逻辑流程

(1) 系统初始化，载入日检任务动作清单；

(2) 系统自检各子系统通信状态、初始位置状态、动作功能是否正常；

(3) 执行当前示教动作指令，同步获取图像信息；

(4) 通过图像进行三维坐标分析，计算是否需要修正；

(5) 如需要修正坐标则进行修正，若坐标正常则进行日检图像故障分析；

(6) 相关数据与服务器进行交互；

(7) 系统判定是否完成全部目标任务清单，未完成载入下一条示教动作指令，完成结束整体任务。

图5为机器人自主作业流程图。

图5 机器人自主作业流程图

4.3 机器人动作基本功能验证

主要检查确认控制信号的正确性，确定可正常控制动作；
检查水平、垂直移动模组和机械臂运动的稳定性；
通过控制器控制机械臂6轴电动机，测试单轴、多轴运行的稳定性；
确认各动作机构动作是否到位，各控制单元是否到达限位和零位；
测试传感器是否触发有效，检测限位传感器、零位传感器定位情况[13]；
重复定位精度测试，并进行定量验证，测试结果如表1所示。

表1 重复定位精度测试结果 mm

对表1的结果进行分析可得出：机械臂整体、末端精度为0.5 mm，不受动作影响；
导航系统在地沟内和地沟外的导航精度基本一致，坡上导航采用二维码辅助导航，精度由11 mm提升至3 mm；
水平模组和垂直模组精度为0.5 mm，为机械系统引入误差，不因运行速度而改变；
整体直线运动因为打滑等因素影响，机器人运动误差随运动速度增大而增加，最大误差达到2.5 mm，满足图像采集需求。

4.4 机器人整体日检功能故障识别验证

选取青岛地铁2号线列车运行车辆进行验证。经与青岛地铁作业人员共同梳理，采用本系统机器人替代人工巡检 1 420个待检测项点。由于整体样本数量有限，试验按照置信度90%、失效比例小于20%、同类型不低于11个故障取样进行模拟测试。选取人工标记故障共计85处，其中：松动故障共11处，包括齿轮箱螺栓松动、油面观察窗螺栓松动、车钩连接螺栓松动；
脱落故障共33处，包括排障器开口销脱落、制动夹钳螺栓脱落、单元制动机螺栓脱落、线夹螺栓脱落、车底电器箱螺栓脱落、吊挂螺栓脱落、受流器螺栓脱落、架空制动单元螺栓脱落；
断裂故障共14处，包括转向架构架防松铁丝断裂、齿轮箱防松铁丝断裂；
表面异常故障共16处，包括车底管线接头异常、车底管路异常、喷油嘴异常、油面观察窗液位异常；
闭合不良故障共11处，包括二级锁和航空插头闭合不良。检测结果如表2所示。

表2 机器人日检项点统计表

对测试结果统计分析可知，机器人系统整体误报率0.56%，故障检出率92.94%，整体效果优于90%，但在表面异常故障识别上漏报率较高，漏报率18.75%。图6所示为采集的架控制动单元图像，上部分为3D图像，下部分为与之对应的2D图像。通过图像对比可知，3D图像中明显丢失了一些信息，因为3D图像深度分辨率受限，当表面异物过薄时很难发现，因此导致了漏报。在后续工作中将优化算法，提升硬件能力，进一步减少误报、漏报的发生。

图6 架控制动单元图像

多股道作业智能日检机器人目前已经在地铁车辆段进行试用，受到了业主好评。该系统的应用在减轻人工作业负担的同时，提升了轨道车辆日检作业的整体水平。机器人因其作业灵活，性能稳定，作为常规日检作业的有力补充有着明显优势。而数字化作业采集在能够智能判断车辆潜在故障信息的基础上，实现了全寿命周期建档，可随时追溯查询，为进一步实现大数据、AI技术在地铁车辆智能检修中的应用提供了有力的基础保障[14-15]。

同时，机器人因采用平台化、模块化设计，系统易于拆分，可快速平行迁移应用，各单元均可更换，通过使用不同类型检测单元，可以胜任不同的检测工作，因此应用前景广泛。