基于視覺引導(dǎo)的接觸網(wǎng)支柱組立裝備系統(tǒng)研究

焦國棟

(中鐵建電氣化局集團(tuán)第三工程有限公司 河北高碑店 074000)

1 背景

高速鐵路接觸網(wǎng)作為高速鐵路系統(tǒng)的“血管”，源源不斷地將電能通過列車的受電弓輸送給高速鐵路動(dòng)力車組，使其高速運(yùn)行。在鐵路修程修制改革的背景下，作為四電工程智能化施工的重要組成部分，目前國內(nèi)接觸網(wǎng)自動(dòng)化施工裝備智能化設(shè)備仍是一片空白，支柱組立、腕臂安裝等關(guān)鍵工序還是通過人工或者傳統(tǒng)簡易工程機(jī)械完成，存在施工效率低下、施工安全、質(zhì)量無法保證等問題，已無法滿足“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)、提質(zhì)增效”的高鐵新需求[1]。十三五期間全球科技創(chuàng)新進(jìn)入空前密集活躍期，通過BIM、GIS、數(shù)字孿生、施工機(jī)器人、預(yù)制拼裝化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、5G通信等技術(shù)與先進(jìn)的工業(yè)制造技術(shù)相融合，進(jìn)行工程仿真設(shè)計(jì)、工廠加工、精密測控、自動(dòng)化安裝、動(dòng)態(tài)監(jiān)測和信息化管理等應(yīng)用，正在為高鐵接觸網(wǎng)施工各領(lǐng)域的智能化發(fā)展點(diǎn)燃新引擎[2-3]。同時(shí)中國制造2025、交通強(qiáng)國、《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》等若干重大戰(zhàn)略的提出，十三五期間與鐵路智能建造密切相關(guān)的一系列關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展迅猛[4-6]，國鐵集團(tuán)印發(fā)《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》大力推行鐵路智能建造，接觸網(wǎng)智能建造是其重要組成部分，構(gòu)建“智能、綠色、創(chuàng)新、融合”的接觸網(wǎng)智能建造技術(shù)體系勢在必行。近年來開通運(yùn)營的京張高鐵、在建的新福廈高鐵，是我國智能鐵路最新成果的集成化應(yīng)用，從此開啟了世界智能鐵路的先河，為初步形成智能鐵路應(yīng)用格局奠定了基礎(chǔ)[7]。高速鐵路接觸網(wǎng)施工系列智能裝備的研發(fā)與應(yīng)用成為轉(zhuǎn)變企業(yè)發(fā)展動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)從主要依靠資源和低成本勞動(dòng)成本動(dòng)力等要素投入轉(zhuǎn)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，提升企業(yè)的競爭能力的轉(zhuǎn)變。

接觸網(wǎng)支柱組立裝備作為高速鐵路接觸網(wǎng)施工系列智能裝備重要組成部分，其設(shè)計(jì)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、自動(dòng)化為目標(biāo)，能夠適應(yīng)高鐵接觸網(wǎng)的現(xiàn)場施工作業(yè)環(huán)境，能夠充分發(fā)揮其快速、精確對位的優(yōu)勢，最大程度減小施工人員作業(yè)內(nèi)容和作業(yè)強(qiáng)度，并能夠代替現(xiàn)有吊車吊裝H型鋼柱、施工人員手動(dòng)對位的施工作業(yè)流程，同時(shí)應(yīng)具備操作安全簡單、調(diào)試方便及較好的可維護(hù)性[8-10]。最后，能夠?qū)崟r(shí)采集安裝過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)并存儲記錄，從而與用戶BIM管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接。該裝備于2020年7月成功投入到京雄城際鐵路施工中，證明了具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2 總體架構(gòu)及工作原理

2.1 總體架構(gòu)

接觸網(wǎng)支柱組立裝備(見圖1)主要由基礎(chǔ)平臺、機(jī)械臂、立桿機(jī)械手、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、管路系統(tǒng)等部分組成。該裝備可以實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)H型支柱半自動(dòng)安裝功能，其中在安裝環(huán)節(jié)運(yùn)用自動(dòng)方式，在抓取至放置階段采用半自動(dòng)方式。使用該設(shè)備進(jìn)行施工，降低了對工人專業(yè)水平要求，可以高效優(yōu)質(zhì)安全完成施工任務(wù)。在支柱組立過程中，該設(shè)備同時(shí)對相應(yīng)的接觸網(wǎng)基礎(chǔ)、支柱組立的扭面斜率等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并存儲，實(shí)現(xiàn)信息化管理等工程化應(yīng)用和工程建設(shè)質(zhì)量的全生命周期閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)高速鐵路工程施工、建設(shè)全過程的精細(xì)化、智能化、集成化管理，推進(jìn)接觸網(wǎng)建造的全生命周期管理。

圖1 支柱組立裝備總體架構(gòu)

2.2 工作原理

該裝備的核心部件是支柱組立機(jī)械臂，包括機(jī)械臂控制器、各關(guān)節(jié)比例閥(包括底盤回轉(zhuǎn)比例閥、大臂比例閥、小臂比例閥、伸縮比例閥、抓手上下移動(dòng)比例閥、抓手上下俯仰比例閥、抓手左右俯仰比例閥、抓手旋轉(zhuǎn)比例閥)以及各關(guān)節(jié)油壓傳感器(泵壓力傳感器、回轉(zhuǎn)壓力傳感器、大臂壓力傳感器、小臂壓力傳感器、伸縮壓力傳感器、抓手上下壓力傳感器、抓手俯仰壓力傳感器1、抓手俯仰壓力傳感器2、抓手旋轉(zhuǎn)壓力傳感器)、遙控器(包含接收機(jī))和上位工控機(jī)。機(jī)械臂控制器使用力士樂RC28-14控制器作為工作機(jī)構(gòu)的主控制器(見圖2)。通訊方式采用CANopen總線通訊方式。控制器RC28-14獲取操作手柄和面板控制開關(guān)的控制指令，通過傳感器實(shí)時(shí)獲取工作機(jī)構(gòu)位置信息，控制夾爪和油缸動(dòng)作。

圖2 支柱組立機(jī)械臂液壓系統(tǒng)控制

該裝備系統(tǒng)控制主要包含機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)的兩種控制方式:手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。其中手動(dòng)控制又包含兩種模式:坐標(biāo)控制模式和單關(guān)節(jié)控制模式。坐標(biāo)控制模式主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)，保證其在三維坐標(biāo)中精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)；單關(guān)節(jié)控制主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，能夠保證機(jī)械臂在可達(dá)范圍內(nèi)任意運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)控制主要根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的視覺信息進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)，使其到達(dá)誤差范圍內(nèi)[11]。其工作流程見圖3。

圖3 支柱組立裝備工作流程

(1)自動(dòng)安裝模式

該工作裝置的主要目的是通過工作機(jī)構(gòu)把接觸網(wǎng)支柱從指定位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)指定位置。在整個(gè)過程中，通過圖像識別技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)定位。事先約定，設(shè)置固定底座中位為定位坐標(biāo)系的相對0位即(0，0，0)。設(shè)定立桿底座中心為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)。并提供所有螺絲孔及螺桿柱的坐標(biāo)位置。圖4示意了固定底座、支柱及吊裝設(shè)備的工況位置。

圖4 自動(dòng)對孔模式

對于自動(dòng)安裝模式采取以下設(shè)計(jì)思路:當(dāng)設(shè)備接收到自動(dòng)立桿指令后，整機(jī)進(jìn)行豎桿操作，并通過傾角傳感器保證支柱豎直。然后回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以一定的旋轉(zhuǎn)速度從起始角度進(jìn)行緩慢旋轉(zhuǎn)，當(dāng)支柱XY平面的距離到固定座(0，0)距離由大變小，再從小變大時(shí)，保證兩者之間的距離最小。這時(shí)候機(jī)械臂底座，支柱，固定底座為一條直線，在這種情況下操作大臂和機(jī)械手靠近固定底座。兩者距離為:。當(dāng)L＝0時(shí)，到達(dá)設(shè)定坐標(biāo)，并調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)，從而調(diào)整法蘭轉(zhuǎn)向，保證法蘭對孔需求。

(2)手動(dòng)安裝模式

當(dāng)圖像定位失效以后，為了進(jìn)一步作業(yè)，可以通過工作機(jī)構(gòu)安裝的傳感器進(jìn)行引導(dǎo)定位。本裝置在每個(gè)工作機(jī)構(gòu)都安裝了測量傳感器。在底盤安裝了雙軸傾角傳感器，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)安裝回轉(zhuǎn)角度編碼器，在大臂，斗桿，挖斗安裝了傾角傳感器。通過每個(gè)機(jī)構(gòu)的尺寸，本裝置可以建立自身的坐標(biāo)系統(tǒng)。如回轉(zhuǎn)馬達(dá)編碼器數(shù)值a1，底盤傾角a2，大臂傾角a3，前后俯仰傾角a4，可以計(jì)算出夾爪的相對空間位置。如圖5所示，當(dāng)工作機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行X方向移動(dòng)時(shí)，本裝置可根據(jù)當(dāng)前傳感器知道回轉(zhuǎn)體距離夾爪的相對位置，計(jì)算出Y方向和Z方向的距離數(shù)值。從而通過回轉(zhuǎn)角度的編碼的改變計(jì)算出斗桿和大臂的變化量，保證Y軸和Z軸方向的不變。

圖5 手動(dòng)對孔模式

3 視覺引導(dǎo)系統(tǒng)

視覺引導(dǎo)系統(tǒng)是支柱組立裝備的眼睛，在工作過程中引導(dǎo)作業(yè)車找到合適的安裝工位進(jìn)行安裝。視覺引導(dǎo)系統(tǒng)采用雙工業(yè)相機(jī)作為引導(dǎo)工具[12-13]，配合支柱組立裝備完成支柱的精準(zhǔn)對位，同時(shí)視覺引導(dǎo)系統(tǒng)具有測量功能，可對預(yù)安裝的底座進(jìn)行測量分析，檢查底座的施工狀態(tài)。其主要功能包含:

(1)引導(dǎo)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到支柱抓取位置；

(2)標(biāo)定支柱與安裝基礎(chǔ)之間相對位置；

(3)引導(dǎo)機(jī)械完成支柱裝配。

雙相機(jī)安裝在機(jī)械手法蘭盤處(見圖6)，該位置一方面在抓取支柱過程中要保證雙相機(jī)能夠看到支柱指定位置粘貼的靶標(biāo)點(diǎn)，另一方面要保證在將抓取的支柱精確安置到預(yù)埋螺栓過程中能看到地面引導(dǎo)板，并能完成預(yù)埋螺栓及支柱法蘭孔的位置標(biāo)定。

視覺引導(dǎo)靶標(biāo)(見圖7)分為支柱組立靶標(biāo)、基礎(chǔ)靶標(biāo)和地面靶標(biāo)三部分，支柱組立靶標(biāo)粘貼在立桿底部法蘭上，基礎(chǔ)靶標(biāo)放置在機(jī)場螺柱上，在標(biāo)定過程放置立桿靶標(biāo)和基礎(chǔ)靶標(biāo)，標(biāo)定結(jié)束后取走，裝配作業(yè)過程中使用地面靶標(biāo)引導(dǎo)。

圖7 主要靶標(biāo)結(jié)構(gòu)形式

視覺引導(dǎo)系統(tǒng)采用攝影測量技術(shù)，布放機(jī)械手法蘭盤處的相機(jī)通過測量粘貼在工裝或標(biāo)志板的三維坐標(biāo)，得到機(jī)械手和地面目標(biāo)的三維坐標(biāo)。視覺引導(dǎo)機(jī)械臂將接觸網(wǎng)支柱轉(zhuǎn)運(yùn)到接觸網(wǎng)基礎(chǔ)之上進(jìn)行對位安裝。

4 接觸網(wǎng)支柱組立裝備關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于多傳感器的精準(zhǔn)定位技術(shù)

一般情況下，鐵路以及城市軌交施工環(huán)境惡劣，外部條件往往并不理想。當(dāng)處于峽谷、隧道、立交橋、多路徑誤差或衛(wèi)星覆蓋范圍較差的地區(qū)時(shí)，北斗信號會丟失或減弱。本裝置采用多傳感器融合技術(shù)，根據(jù)北斗以及感知傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對施工場景下桿基礎(chǔ)的精準(zhǔn)定位，根據(jù)BIM系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)支柱組立的機(jī)械化與智能化安裝；同時(shí)將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給信息化系統(tǒng)可視化平臺，從而實(shí)現(xiàn)對支柱組立施工的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、效率分析以及施工效果展示。

4.2 野外環(huán)境下基于視覺引導(dǎo)的高精度自主對位技術(shù)

接觸網(wǎng)施工作業(yè)環(huán)境為野外環(huán)境、晝夜施工、光照條件變化巨大。為實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)，采用視覺定位是最為可行的技術(shù)。然而受光照影響巨大，研究不同光照條件的基于視覺引導(dǎo)的工程機(jī)械精確控制是必須研究的內(nèi)容。結(jié)合戶外使用條件，根據(jù)戶外光照條件自動(dòng)調(diào)整曝光頻率、閃光燈頻率等參數(shù)，為支柱組立裝備實(shí)時(shí)提供精準(zhǔn)的施工相對位置信息，從而實(shí)現(xiàn)支柱組立的全自動(dòng)精確對位。

4.3 重載工程機(jī)械臂多自由度精確控制

不同于傳統(tǒng)的多軸機(jī)器人，H型鋼柱體積大，重量重，作業(yè)范圍大，作業(yè)設(shè)備重量受限，傳統(tǒng)多軸機(jī)器人無法滿足要求，需采用工程機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)安裝。該機(jī)械臂采用伸縮臂以及多關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)，存在關(guān)節(jié)結(jié)合處裝配精度差，關(guān)節(jié)本身剛性低等特點(diǎn)，因此末端位置無法通過傳統(tǒng)的DH矩陣法計(jì)算得到。該裝備控制系統(tǒng)(見圖8)通過建立特定指向坐標(biāo)系，結(jié)合支柱組立的施工工藝流程以及工程機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)固定軌跡，對末端的有效軌跡進(jìn)行分段規(guī)劃，進(jìn)而把分段軌跡分解到各個(gè)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)同組合運(yùn)動(dòng)，從而保證末端的運(yùn)動(dòng)精度在誤差允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)控制。

圖8 支柱組立裝備智能控制系統(tǒng)應(yīng)用框架

4.4 基于智能測量底座的支柱斜率精準(zhǔn)調(diào)整

由于樁基礎(chǔ)和立柱需要在一定的傾斜角度范圍內(nèi)，且樁基礎(chǔ)螺柱安裝比較粗略，需要不斷調(diào)平，因此樁基礎(chǔ)GPS數(shù)值信息采集不能保證在樁基礎(chǔ)正中心位置，存在一定差異。為了提高測量精度、縮短作業(yè)時(shí)間、減小人員工作強(qiáng)度、提高施工質(zhì)量、保障施工的安全性，智能測量底座(見圖9)中心安裝了GPS信息采集儀，保證了GPS數(shù)值信息的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性；在其內(nèi)部安裝高精度傾角傳感器，實(shí)時(shí)采集平行于鐵軌側(cè)(X)和垂直于鐵軌側(cè)(Y)傾角信息，可依據(jù)實(shí)測值調(diào)整打底螺母至設(shè)計(jì)傾角斜率范圍內(nèi)，保證了支柱組立后支柱斜率的準(zhǔn)確性和安全性。

圖9 智能測量底座裝置

5 結(jié)束語

支柱組立智能裝備應(yīng)用重型裝備研制的機(jī)械設(shè)計(jì)、集成設(shè)計(jì)、控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，能有效降低施工人員的體力勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工效率與質(zhì)量，提升高速鐵路接觸網(wǎng)支柱組立的可靠性以及智能化程度。該裝備通過重載機(jī)械臂高精度控制、機(jī)器視覺自動(dòng)引導(dǎo)、空間多維路徑規(guī)劃等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)支柱組立自動(dòng)化操作。通過智能底座實(shí)現(xiàn)對支柱地腳螺栓狀態(tài)檢測，導(dǎo)入支柱基礎(chǔ)位置信息和行車北斗信息，通過停車引導(dǎo)屏準(zhǔn)確給出停車位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，安裝偏差僅為3 mm，與傳統(tǒng)施工方法相比，每組立1根接觸網(wǎng)支柱人員減少1/3，綜合成本降低60%，而且安全操作性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)方法。該裝備的工程應(yīng)用，填補(bǔ)該領(lǐng)域施工應(yīng)用的空白，對智能高鐵建造推進(jìn)具有重要意義。