淺談翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)中的自動機(jī)器人

衛(wèi)健，黃前鋒，陳建國，劉首明，彭輝，鄧志瑋

（1.國家電投集團(tuán)江西電力有限公司分宜發(fā)電廠，江西 新余 336607；2.國家電投集團(tuán)江西電力工程有限公司；3.國家電投集團(tuán)江西電力有限公司，江西 南昌 330096）

1 前言

早在20 世紀(jì)50 年代，我國就開始引進(jìn)并使用整套的翻車機(jī)系統(tǒng)了。時(shí)至今日，現(xiàn)行的翻車機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可靠的安裝運(yùn)行方案。整套翻車機(jī)系統(tǒng)包含重調(diào)機(jī)、遷車臺、空調(diào)機(jī)、翻車機(jī)等，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的自動運(yùn)行。

在列車進(jìn)入翻車機(jī)待卸區(qū)域前，首先進(jìn)行人工拔銷和風(fēng)管分離工作，等到進(jìn)入卸煤區(qū)域，則需要進(jìn)行人工摘鉤（圖1）、人工復(fù)鉤工作。位于卸煤區(qū)域的翻車機(jī)系統(tǒng)與人工摘復(fù)鉤作業(yè)在同一區(qū)域，現(xiàn)場環(huán)境差、粉塵吸入引發(fā)的職業(yè)病、夜間工作的潛在危險(xiǎn)等因素，需要優(yōu)先考慮自動化替代人工作業(yè)。

圖1 重車車廂人工摘鉤作業(yè)

2 翻車機(jī)系統(tǒng)的自動機(jī)器人

2.1 摘鉤機(jī)器人

摘鉤機(jī)器人搭建在重車調(diào)車機(jī)同側(cè)軌道，為了能夠成功實(shí)現(xiàn)車廂摘鉤，其配置功能包括車廂型號識別、車鉤區(qū)域檢測、小車運(yùn)動跟隨、機(jī)器臂控制摘鉤等功能。

風(fēng)管識別檢測：針對車廂車鉤下側(cè)的識別，確定風(fēng)管是否已經(jīng)安全打開，如未安全打開，會立即觸發(fā)報(bào)警信號，經(jīng)人工處理，確保安全后進(jìn)行后續(xù)工作（圖2）。

圖2 風(fēng)管識別系統(tǒng)

車鉤手柄檢測：在摘鉤機(jī)器人到達(dá)設(shè)定位置后，系統(tǒng)對目標(biāo)車鉤手柄進(jìn)行識別與分析，采集并傳輸檢測到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

運(yùn)動跟隨：機(jī)器人根據(jù)采集處理后的數(shù)據(jù)信息，依照設(shè)定好的運(yùn)動規(guī)劃，進(jìn)行手柄識別跟蹤，并且在運(yùn)動過程中執(zhí)行摘鉤動作，并輸出狀態(tài)信號。

實(shí)時(shí)監(jiān)控：在摘鉤機(jī)器人部分設(shè)立的攝像頭有車廂標(biāo)志、摘鉤全景、摘鉤動作等監(jiān)控錄像，以及配置人員檢測報(bào)警系統(tǒng)。

機(jī)器臂運(yùn)動控制：機(jī)器人根據(jù)目標(biāo)物體的位置信息與狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理規(guī)劃出合適的抓取位置和抓取角度：根據(jù)目標(biāo)物體的特征信息和抓取規(guī)劃，對其自身的姿態(tài)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，最后準(zhǔn)確穩(wěn)定地完成抓取任務(wù)。

2.2 正鉤、復(fù)鉤機(jī)器人

復(fù)鉤動作是在空車廂完成對接前，打開一列車廂的車鉤鉤舌，保證兩節(jié)車廂車鉤對撞并成功掛鉤，從而使車廂能相互勾連，可靠地移出空車線。

正鉤機(jī)器人的作用是在翻車機(jī)翻車過程中維持車廂兩側(cè)車鉤的姿態(tài)，保證空車對車過程中不因車鉤鉤體歪斜而產(chǎn)生意外碰撞（圖3）。

圖3 列車車廂車鉤手柄

復(fù)鉤機(jī)器人是在遷車過程完成前，代替人工完成復(fù)鉤工作，保證在空車對接的過程中有一側(cè)車鉤鉤舌是打開狀態(tài)。正鉤、復(fù)鉤機(jī)器人結(jié)合使用，保證在空車線上的車廂能夠可靠對接。

正鉤機(jī)器人作業(yè)模組：在正鉤機(jī)器人開始工作前，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)先由停機(jī)位移動至待機(jī)位，根據(jù)車型識別出來的信息，來決定待機(jī)的位置。在翻車機(jī)完成翻車后回到待機(jī)位，直至收到下次待翻車廂車型識別信號后，調(diào)整待機(jī)位置。

正鉤機(jī)器人作業(yè)模組：在翻車機(jī)開始翻車前，正鉤機(jī)器人抬起大臂至垂直角度，推板推出并根據(jù)車型固定好車廂車鉤后，翻車機(jī)開始翻車。在翻車過程中，正鉤機(jī)器人保持固定，維持車鉤的姿態(tài)。回翻后能夠保證車鉤不會因車體角度變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。車體回正后，機(jī)器人推板回縮、大臂收起并調(diào)整位置至待機(jī)位。

正鉤機(jī)器人視覺檢測系統(tǒng)：翻車機(jī)出入口兩端配置機(jī)器視覺相機(jī)，檢測車廂長度，確定待機(jī)位置，在單獨(dú)調(diào)試或使用正鉤機(jī)器人的時(shí)候，視覺系統(tǒng)能夠確定車廂型號，為后續(xù)的正鉤機(jī)器人的推板目標(biāo)提供位置信息。

復(fù)鉤機(jī)器人小車模組：復(fù)鉤機(jī)器人在工作時(shí)，需要將機(jī)器臂向遷車臺方向移動，來保證在復(fù)鉤工作能夠正常進(jìn)行；在復(fù)鉤工作完成后，需要移動回待機(jī)位置，確保遷車過程不會受復(fù)鉤機(jī)器人影響。

復(fù)鉤機(jī)器人作業(yè)模組：在空車廂進(jìn)入遷車臺后，由雷達(dá)檢測出車廂后邊緣判斷是否到位、是否穩(wěn)定信息。到位信號傳達(dá)后，復(fù)鉤工作開始，小車移動至既定位置，機(jī)器臂進(jìn)行復(fù)鉤動作，復(fù)鉤完成后退出下俯狀態(tài)。

3 機(jī)器人應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)

3.1 機(jī)器視覺技術(shù)中的深度學(xué)習(xí)

進(jìn)入火電廠進(jìn)行卸煤的列車，大多都是混編型號的車廂，不同的車廂型號也會區(qū)分不同的摘鉤動作，因此，對于機(jī)器人來說，能夠準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定地得到目標(biāo)車廂的型號是完成摘鉤目標(biāo)的必要條件。

針對車型識別、車鉤分割這些重點(diǎn)問題，使用在當(dāng)下仍然炙手可熱的基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別技術(shù)，不斷調(diào)整算法以及實(shí)時(shí)圖像采集的角度、方向等，搜集相關(guān)信息，強(qiáng)化車號識別的訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)能夠在不同的光線、天氣、時(shí)間下的高效車型識別。

深度學(xué)習(xí)是指具有多個(gè)處理層次的多個(gè)數(shù)據(jù)表達(dá)的模型，當(dāng)下語言識別，視覺識別等技術(shù)的發(fā)展都離不開深度學(xué)習(xí)技術(shù)的使用與開發(fā)。通過正向與反向傳播進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而獲得圖像數(shù)據(jù)中的特征。其運(yùn)作原理是先于計(jì)算機(jī)中輸入初始數(shù)據(jù)，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測、提取和分類其中包含的各類特征。該方法有著多個(gè)用于處理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層級，能夠通過簡單、非線性的處理方式來擬合，每個(gè)級別將上一個(gè)級別所輸出的特征處理成一個(gè)更具有高維特征、更抽象的輸出結(jié)果。有了層層的網(wǎng)絡(luò)層級和各個(gè)層級的對應(yīng)輸出，我們就可以用它來進(jìn)行更準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)、更深層次的擬合處理，能進(jìn)行高效、高精度、工作量龐大的分類任務(wù)。

摘鉤機(jī)器人中的車鉤手柄識別分割技術(shù)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)各種環(huán)境下準(zhǔn)確的分割出不同狀態(tài)下不同類型的車鉤手柄。針對實(shí)際使用情況與本次所規(guī)劃系統(tǒng)之中任務(wù)目標(biāo)，目標(biāo)捕捉部分應(yīng)具有以下功能。

（1）精確檢測多類型多狀態(tài)車鉤手柄。車鉤手柄受工作環(huán)境影響形狀各異，由于不同形狀的車鉤摘鉤方式或有區(qū)分，因此準(zhǔn)確判斷車鉤手柄當(dāng)前狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確摘鉤的必要條件。人工摘鉤中通過提拉車鉤手柄開鉤，對手柄的位置精度要求較高，檢測系統(tǒng)還需要精確分割出車鉤及手柄部分的輪廓。

（2）適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。車鉤手柄處于兩節(jié)車廂之間，粉塵污染加之光線較差等因素成為獲取車鉤手柄信息時(shí)的干擾因素。翻卸區(qū)域通常為露天，光線及天氣等外部環(huán)境會影響圖像質(zhì)量。因此，手柄目標(biāo)識別與分割技術(shù)應(yīng)具備良好的抗干擾性。

基于深度學(xué)習(xí)的YOLO-V2 車鉤識別算法中，通過改進(jìn)K-means 聚類算法選擇最佳車鉤手柄和手柄基座的候選框長寬和數(shù)量，完成ancher 預(yù)設(shè)；在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)中增設(shè)殘差模塊提升視覺識別的準(zhǔn)確率；選用多分類交叉熵?fù)p失函數(shù)，用作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練。在后續(xù)的現(xiàn)場測試中其成功率能夠保證在95%以上，滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

3.2 機(jī)器臂控制技術(shù)

在完成對目標(biāo)車鉤手柄的識別與分割后，機(jī)械臂的運(yùn)動控制技術(shù)，就成為摘鉤、復(fù)鉤動作成功的關(guān)鍵。

機(jī)器臂控制系統(tǒng)在整個(gè)機(jī)器控制系統(tǒng)中居于核心地位，有著協(xié)調(diào)機(jī)械臂監(jiān)控對象，為操作者提供操作信息的作用。機(jī)器臂的控制與運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、運(yùn)動規(guī)劃等有著密不可分的聯(lián)絡(luò)。

（1）運(yùn)動學(xué)控制。運(yùn)動控制是機(jī)械臂控制的基礎(chǔ)，它可以根據(jù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，計(jì)算機(jī)械臂的位置和姿態(tài)。運(yùn)動學(xué)控制對于控制機(jī)械臂在翻車機(jī)車廂間隙，完成精準(zhǔn)的定位和抓取任務(wù)至關(guān)重要。

（2）動力學(xué)控制。動力控制是控制機(jī)械臂的支柱，在運(yùn)動過程中的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，包括速度、加速度等，都是通過動力學(xué)模型計(jì)算得出。

（3）運(yùn)動規(guī)劃。運(yùn)動規(guī)劃是機(jī)械臂控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以計(jì)算出機(jī)械臂在空間中的最優(yōu)運(yùn)動軌跡，并對機(jī)械臂進(jìn)行控制。運(yùn)動規(guī)劃可以根據(jù)不同的任務(wù)需求，選擇不同的運(yùn)動路徑，以實(shí)現(xiàn)更加高效的機(jī)械臂控制。

摘鉤機(jī)器人的關(guān)鍵是機(jī)械臂控制技術(shù)，它通過運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、路徑規(guī)劃等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的運(yùn)動和控制，進(jìn)而高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地完成車鉤手柄抓取任務(wù)。

4 摘鉤機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)

本文基于翻車機(jī)自動化系統(tǒng)中的摘鉤、正鉤、復(fù)鉤機(jī)器人模型研究，依托分宜電廠翻車機(jī)作業(yè)線進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，各項(xiàng)成功率達(dá)到了95%以上。

4.1 翻車機(jī)自動化機(jī)器人的優(yōu)勢

翻車機(jī)人工摘鉤操作屬于人機(jī)交叉作業(yè)，存在人身安全風(fēng)險(xiǎn)，隨著機(jī)器人的使用，能夠大大降低甚至避免該風(fēng)險(xiǎn)；傳統(tǒng)作業(yè)需要使用大量的人力，而自動機(jī)器人的投運(yùn)可以代替人力完成工作，自然節(jié)約了成本；翻車機(jī)自動化摘鉤機(jī)器人可以通過軟件編程和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)針對不同型號的翻車現(xiàn)場的調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí)，其穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性不會隨著時(shí)間、環(huán)境等因素降低。※

4.2 翻車機(jī)自動化機(jī)器人的不足

翻車機(jī)自動化機(jī)器人的操控需要使用預(yù)設(shè)的程序，無法像人類一樣快速做出復(fù)雜的判斷以及應(yīng)對不同的情況，像“死鉤”等情況，仍然需要人工摘鉤完成；機(jī)器人需要經(jīng)過專業(yè)人員的專業(yè)培訓(xùn)才能操作，維修也需要相關(guān)專業(yè)知識和技能，在一定程度上增加了維護(hù)和操作成本。

5 結(jié)語

本文基于當(dāng)前的翻車機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套翻車機(jī)自動化機(jī)器人，其在保證效率的前提下，大大增加了作業(yè)的安全性，降低了作業(yè)的人力成本，在電廠翻車機(jī)線得到了實(shí)際應(yīng)用，其實(shí)用性得到了驗(yàn)證，在行業(yè)內(nèi)具備相當(dāng)大的推廣應(yīng)用價(jià)值。對于后續(xù)的展望，以優(yōu)化系統(tǒng)的性能、增加工作效率、提高機(jī)器人的智能化水平為方向。