铁路编组站驼峰解体全自动智能提钩系统研究与探索

侯习洪

（北京铁路局南仓站，北京 100000）

1 方案设计

1.1 结构设计

（1）信息处理模块作用是将调车作业通知单及TW-2系统下达的命令进行信息转化，建立数据传输接口，实现调车作业通知单传输系统、TW-2系统与本系统的无缝对接。（2）控制模块作用是将数据信息传递给峰顶全自动智能提钩机器人，实现摘钩机器人的运动控制、摘钩动作控制、车辆信息及车速识别模块的信息转换输入输出等。（3）车辆信息及车速识别模块作用是采集车辆的信息及速度信息，将此信息反馈给摘钩机器人，摘钩是否成功取决于采集的信息是否准确。（4）摘钩机器人行走模块作用是根据车列的运行速度，驱动摘钩机器人实现加速、追踪、减速的要求。（5）摘钩机器人主体模块作用是实时调整摘钩动作的姿态，满足不同钩提杆位置的摘钩动作需要。（6）摘钩执行模块作用是执行摘钩动作的执行元件，通过执行元件夹住钩提杆后转动钩提杆，完成摘钩动作。（7）摘钩结果检测模块作用是摘钩动作完毕后对车钩状态的检测，对摘钩结果信息反馈到控制模块并提示相应的输出信号。

1.2 功能设计

要实现摘钩作业自动化，摘钩机器人系统必须要具备以下功能。

（1）摘钩机器人系统与调车作业通知单及TW-2系统接口相匹配，实现调车作业的信息转换功能；（2）调车机将车列推入驼峰时，摘钩机器人要识别车辆信息及车列的运行速度功能；（3）列车进入摘钩区域时，摘钩机器人要具备钩提杆位置识别功能；（4）摘钩作业时，摘钩机器人要具备执行摘钩动作功能；（5）摘钩作业完成时，摘钩机器人要具备摘钩检测功能，确保摘钩成功。

2 系统功能

2.1 信息处理模块

信息处理模块主要实现调车作业计划与TW-2系统的信息进行处理，并将处理后的信息反馈到控制模块中。例如，车列尚未到达编组站时，车列的各种信息已由始发站传输到编组站的信息处理系统，信息处理系统自动生成调车计划直接传输至本系统信息处理模块实现信息交互。TW-2系统与本系统交互时，提供摘钩作业的始发信号及摘钩结果信号。

2.2 控制模块

（1）与本系统交换信息，接收调车作业通知单及TW-2系统信息，逐列规划本系统摘钩作业计划；（2）接收并处理来自车辆信息及车速识别模块识别的车数、车长、车速、车种、车号等信息；（3）存储信息处理模块和车辆信息及车速识别模块的数据；（4）接收并处理摘钩结果；（5）处理待解车辆提钩杆位置、车速等信息，控制摘钩机器人启动、姿态调整、跟随、摘钩等动作。

2.3 车辆信息及车速识别模块

（1）系统接收调车机进入驼峰指令，启动铁路车号自动识别系统和车辆信息识别设备，进行车辆信息采集；（2）根据目标检测算法，系统能够准确的识别多种车型的车号识别，为后续工作做准备；（3）对于光照不均现象，根据图像处理相关算法，系统能够准确的定位车号，要有较强的干扰能力；（4）采用图像处理技术与深度学习算法，系统能够进行车号的字符分割与识别；（5）系统能够存储完整的原始图像信息并按指定路径存储识别结果；（6）系统能够准确的识别车列的实时运行速度；（7）系统能够在风、雨、雪、雾等恶劣天气下进行工作，并且要能够长期在线运行，具有较高的稳定性。

2.4 摘钩机器人行走模块

摘钩机器人行走模块是保障摘钩机器人本体行走与车列能否同速的关键性模块。现有移动机器人移动方式有：轮式移动机构、履带式移动机构、轨道移动机构及足式移动机构。驼峰地面大多由地砖铺成，地面不平整，而轨道式移动机构具有高度、水平都可以根据实际需要进行调节的特点，宜采用轨道式移动机构。峰顶作业区域人为划分了三个作业区域，分段设置轨道，模拟人工作业方法，节约资源、易于控制。综上所述，采用分段式轨道移动机构。

机器人行走轨道主要有以下几部分组成：地脚、地轨底座、导轨、滑台组件、滚轮及伺服驱动电机组成。对轨道受力简化后采用有限元分析对结构进行轻度校核。

2.5 摘钩机器人本体模块

本模块分为图像采集系统和机械人本体控制系统。其中，图像采集系统负责像处理以及运动跟踪预测等工作，机器人本体控制系统根据控制指令进行运动学逆解。工作原理为：车列驶入待摘钩区域，图像采集装置获取到车辆钩提杆二维图像，通过算法转换为三维坐标构建合适的机器人本体关节坐标系，并且将信息传输到机器人本体模块，控制其运动达到指定位置。

本模块图像采集系统采用单目视觉，摄像机固定在机器人移动底座上，以此满足系统对于实时性与准确性要求。图像预处理：由于摄像机成像存在图像畸变现象，获取相机的内参数、外参数及畸变参数之后，通过畸变矫正技术还原实际的场景信息，而后进入正常的图像处理工作，便于后续的目标检测工作；目标检测跟踪：目标识别跟踪任务在机器人本体控制追踪中至关重要。该部分内容需从图像中识别钩提杆，同时进行图像追踪，以达到机器人本体追随钩提杆位置进行实时运动。视觉测距：将机器人所需三维坐标与摄像机坐标系相重合，从而得出平面内的像素坐标系与三维坐标系之间的转换，最终获得目标对象在空间中的三维坐标信息；决策控制：利用相应的算法求出钩提杆的位置信息，并将该信息传输给机械人本体，控制其运动到达指定位置；运动规划：机器人本体根据控制指令和接收的位置信息，完成运动学的逆解，再根据各个轴的状态信息调整姿态，控制摘钩执行模块达到指定位置即可视为完成工作；实时运动控制：由于车列处于运动中，只有实时控制才能保证运动指令被正确的执行。摘钩机器人作业时，摘钩机器人手臂要适应不同种类的钩提杆，这就要求机器人可自由调节末端机械手的位置和姿态；其次，机器人行走速度需和车列速度要保持一至，而车列行驶速度是非线性的，在摘钩作业中会有忽快忽慢的现象，为保护铁路车辆和提钩机器人本体作业过程中不因受力过大而造成设备损坏，采用6轴柔性机械人最为合适。采用六轴机器人不仅可以实现柔性摘钩，而且可通过设定机器人每个轴的输出力，当速度不匹配时根据力矩大小调节机器人姿态。

2.6 摘钩执行模块

钩提杆为棒材折弯而成。摘钩机械手应保证能顺利夹住钩提杆、执行脱钩动作及松开钩提杆等功能。机械手采用夹爪形式，指端根据提手形状设计为V型指，V型指结构简单，对圆棒型材适应能力强。峰顶全自动智能提钩机器人机械手要求性能稳定可靠，结构简单，动作灵活。提钩机械手执行动作为：机器人根据控制系统发出的指令，移动至摘钩位置，机器手上方相机拍摄照片，利用计算机图形处理技术确定钩提杆位置，并判定钩提杆是上作用式还是下作用式，机器人调整自身关节姿态并到达指定位置后，机械手夹住钩提杆，旋转关节回转，完成摘钩作业。

2.7 摘钩结果检测模块

摘钩结果检测模块是将摘钩结果反馈至控制模块，控制模块将此摘钩结果作为判断执行下一组动作的启始信号。摘钩成功结果判定：摘钩成功后，两车钩之间空挡距离会变长，由图像识别装置采集两车钩距离的图像传送至控制模块，控制模块将图像处理并分析对比判定摘钩动作是否完成，通过设在下坡道第一分路道岔区段内的记轴器，获取当前溜放的实际车辆数，再与调车作业计划单中车辆数进行比较，一致时判定摘钩成功，机器人开始下一组摘钩动作。反之，车辆数不一致时判定为摘钩失败，系统报警并暂停作业，人工排查后机器人进入下一组摘钩。

3 结语

国内自动摘钩机器人研究工作起步较晚，但也积累了一些相关方面的实验数据，为自动摘钩机器人技术的发展奠定了基础。本文研究的智能摘钩机器人主要有以下创新：基于RFID和图像识别技术，采用两者相结合方式分析处理车辆信息，从而实现车辆信息采集“双保险”，进一步保障信息数据的准确性。引入了目标检测算法进行货运列车车钩识别方法，相对于传统电气信号控制系统降低了系统的复杂程度，提升了钩提杆目标追踪的灵活性和准确性。测速测距系统采用2路轮轴转速计（OPG）实现高精度的测速测距，同时融合雷达传感器信息，消除车轮发生的空转打滑的测量误差。