翻車機摘鉤機器人的研發與應用

裴傳福，成功，崔凱

（華能沁北發電有限責任公司，河南 濟源 459000）

1 前言

現階段，國內外的翻車機系統，主要設備翻車機、重車調車機、空車調車機、遷車臺等作業已基本實現自動化，但重車摘鉤仍然由人工完成（圖1）。

圖1 翻車機重車人工摘鉤作業場景

人工摘鉤操作存在以下幾方面的安全隱患，易發生安全事故。（1）操作空間比較狹窄。（2）作業時間不分晝夜，經常在半夜或者凌晨，人員困乏精力不佳。（3）操作人員年齡偏大，安全意識弱，體力、精力、眼力跟不上。

隨著輸煤設備無人值守的發展趨勢，非常有必要進行利用機器人代替翻車作業過程中人工摘鉤操作的探索研究，以實現摘鉤機器代人作業，節約人力成本，降低翻車過程安全風險，實現本質安全。

2 相關技術

本文設計的翻車機自動化摘鉤機器人主要依靠機器視技術、機械臂控制技術、摘鉤機器人控制系統實現。

2.1 機器視覺技術

摘鉤機器人的機器視覺技術是非常重要的一項技術，它用于幫助機器人識別和捕捉需要抓取的物體。

摘鉤機器人通常會配備攝像頭和其他相關傳感器，利用這些設備可以實現以下功能。

（1）目標檢測。機器人可以通過攝像頭捕捉到目標物體的圖像數據，并利用計算機視覺技術進行圖像處理，識別出目標物體的位置、大小、形狀等特征信息。

（2）物體跟蹤。機器人可以根據目標物體的特征信息，追蹤其在空間中的位置和運動軌跡，以便更準確地抓取和移動物體。

（3）抓取規劃。機器人可以根據目標物體的形狀和大小，計算出合適的抓取位置和抓取角度，以便更好地抓取物體。

（4）姿態控制。機器人可以根據目標物體的特征信息和抓取規劃，對其自身的姿態進行實時控制，以便更準確地完成抓取任務。

機器視覺技術是摘鉤機器人實現自動化抓取的關鍵技術之一，它可以作為激光雷達檢測系統的輔助，大幅度提高機器人的抓取成功率和效率。

2.2 機械臂控制技術

摘鉤機器人的機械臂控制技術是實現機器人精準抓取、移動和放置物體的關鍵技術之一。

機械臂控制技術通常包括以下幾個方面。

（1）運動學控制。運動學控制是機械臂控制的基礎，它可以根據機械臂的結構和參數，計算機械臂的位置和姿態。運動學控制對于控制機械臂在空間中的運動，完成精準的定位和抓取任務至關重要。

（2）動力學控制。動力學控制是控制機械臂在運動過程中的運動學參數，包括速度、加速度等。通過動力學模型計算機械臂的運動，可以實現高精度、高速度的工作。

（3）路徑規劃。路徑規劃是機械臂控制的關鍵技術之一，它可以計算出機械臂在空間中的最優運動軌跡，并對機械臂進行控制。路徑規劃可以根據不同的任務需求，選擇不同的運動路徑，以實現更加高效的機械臂控制。

（4）力控制。力控制是機械臂控制的另一項重要技術。通過力傳感器等器件，可以實現機械臂對物體的接觸力度和壓力的精準控制，以實現高精度抓取和放置任務。

摘鉤機器人的機械臂控制技術是摘鉤機器人的核心技術之一，它通過運動學、動力學、路徑規劃等技術手段，實現了機械臂的精準定位和控制，從而實現了更加高效、高質量的機器人抓取任務。

2.3 摘鉤機器人控制系統

摘鉤機器人的控制系統是負責實時控制機器人運動，完成各種任務的關鍵技術之一。摘鉤機器人的控制系統通常包括以下幾個部分。

（1）傳感器。傳感器可以采集機器人和環境的信息，包括位置、姿態、力度、視覺等。不同的傳感器可用于不同的控制任務，例如，位置傳感器用于控制機械臂的位置，視覺傳感器用于實現自主視覺導航等。

（2）控制器。控制器是摘鉤機器人控制系統的核心，它通過對傳感器信息的處理和分析，實現對機器人的控制。控制器的功能通常包括路徑規劃、機械臂控制、運動規劃、力控制等。

（3）通訊模塊。通訊模塊可以將控制器與其他設備或系統連接起來。例如，將控制器連接到網絡可以實現遠程控制，將控制器連接到其他機器人可以實現協同作業等。

（4）軟件系統。摘鉤機器人的控制系統需要配有相應的軟件系統，例如，運動控制軟件、機器視覺軟件、路徑規劃軟件等，來實現各種控制任務。

（5）電源系統。電源系統提供機器人所需的電力，包括直流電源、交流電源、電池、伺服電源等。

摘鉤機器人的控制系統是實現機器人各種控制任務的關鍵技術之一。它通過傳感器、控制器、通訊模塊、軟件系統和電源系統等部分的協作，實現了對機器人的精準控制，從而實現了各種高效、高質量的機器人任務。

3 翻車機自動化摘鉤機器人設計

翻車機自動化摘鉤機器人的設計包括機械設計和控制系統設計兩個方向。

3.1 機械設計

翻車機自動化摘鉤機器人的機械設計應該考慮以下幾個方面。

（1）機械臂設計。機械臂是翻車機自動化摘鉤機器人的核心部分，它需要具備足夠的靈活性、剛度和負載能力，以適應不同的工作環境和工作負載。機械臂設計應該考慮關節結構、傳動機構、材料選擇等方面，以實現高效、可靠、精準的運動控制。

（2）摘鉤機構設計。摘鉤機構是翻車機自動化摘鉤機器人實現夾取鉤子的關鍵部分。摘鉤機構應該具備良好的精度和重復性，同時還需要考慮其可靠性和維修性等因素。

（3）小車機構設計。小車機構是摘鉤機器人隨動火車車廂和重車調車機的重要機構，它需要具備足夠的安全性、機動性和可控性。設計應該考慮包括加減速性能、懸掛和運行穩定性等因素，同時還需要考慮燈光、聲音、信號等傳感器的安裝位置。

（4）夾持機構設計。夾持機構是翻車機自動化摘鉤機器人的關鍵部分，它需要具備足夠的力度、精度和穩定性，以實現有效的夾緊操作。夾持機構設計應該考慮夾持力度、夾持方式以及力矩方向等因素。

翻車機自動化摘鉤機器人的機械設計應充分考慮工作環境和工作負載等因素，以實現穩定、可靠、有效的運動控制和夾緊操作，從而實現高效的翻車機自動化作業。

3.2 控制系統設計

翻車機自動化摘鉤機器人的控制系統設計需要考慮以下幾個方面。

（1）機器人的運動控制。機器人需要精確執行預設的運動軌跡以摘取鉤柄。因此，需要選擇適合的運動控制器和驅動器，并編制合適的運動控制程序。

（2）攝像頭和圖像處理系統。攝像頭和圖像處理系統用于檢測和定位待摘取的鉤柄。需要選擇高分辨率的攝像頭，并使用圖像處理算法實現鉤柄的準確識別和定位。

（3）機械臂控制系統。機械臂控制系統用于控制機器人的各個關節，以實現多自由度的運動。需要選擇適合的機械臂控制器和編程軟件，并編寫與運動控制程序的通信接口。

（4）傳感器與反饋控制系統。傳感器與反饋控制系統用于實現機器人的自動化控制。需要選擇適合的傳感器并實時讀取其數據，以實現運動精確控制和鉤柄摘取過程中的力控制。

（5）通信與數據處理系統。機器人需要與翻車機PLC系統和主控單元進行通信，以實現信息的共享和控制命令的下達。需要選擇適合的通信協議和數據處理軟件。

翻車機自動化摘鉤機器人的控制系統設計需要對機械設計、控制算法、傳感器與反饋控制系統、通信與數據處理系統等方面進行綜合考慮。

4 摘鉤機器人的優缺點

本文基于翻車機自動化摘鉤機器人模型，進行了實際應用，摘鉤成功率達到了95%以上。

4.1 翻車機自動化摘鉤機器人的優點

提高工作效率：翻車機自動化摘鉤機器人可以自主執行作業任務，減少了人工干預，縮短了作業周期，提高了工作效率。

（1）降低工作風險。翻車機人工摘鉤操作存在風險，使用摘鉤機器人可以避免人員有關的操作風險，保護作業人員的生命安全。

（2）減少人力成本。傳統作業需要使用大量的人力，而摘鉤機器人可以代替人力完成作業，從而降低了成本。

（3）提高作業準確性。摘鉤機器人通過預設運動軌跡、力矩檢測與控制、圖像識別算法等技術，實現準確的作業動作，消除了操作人員的非準確性。

（4）高適應性。翻車機自動化摘鉤機器人可以通過軟件編程和深度學習技術，實現針對不同型號的翻車機的調整和優化。同時，在各種天氣或環境條件下，工作都相對穩定。

4.2 翻車機自動化摘鉤機器人的缺點

（1）缺乏靈活性。翻車機自動化摘鉤機器人的操控需要使用預設的程序，無法像人類一樣快速做出復雜的判斷以及應對不同的情況，因此，靈活性有一定的限制。

（2）復雜性。機器人需要經過專業人員的專業培訓才能操作，維修也需要相關專業知識和技能，這增加了維護和操作成本。

總的來說，翻車機自動摘鉤機器人的使用可以提高工作效率，降低工作風險，提高作業準確性，減少人力成本，并且適應性較強。

5 結語

本文基于機器人技術，設計了一種具有較高效率和安全性的翻車機自動摘鉤機器人，并在電廠翻車機線得到了實際應用，結果表明，該機器人在翻車機摘鉤操作中具有可行性和實用性。對于后續的研究，可以進一步優化控制系統的性能，提高機器人的智能化水平。