翻车机摘钩机器人的研发与应用

裴传福，成功，崔凯

（华能沁北发电有限责任公司，河南 济源 459000）

1 前言

现阶段，国内外的翻车机系统，主要设备翻车机、重车调车机、空车调车机、迁车台等作业已基本实现自动化，但重车摘钩仍然由人工完成（图1）。

图1 翻车机重车人工摘钩作业场景

人工摘钩操作存在以下几方面的安全隐患，易发生安全事故。（1）操作空间比较狭窄。（2）作业时间不分昼夜，经常在半夜或者凌晨，人员困乏精力不佳。（3）操作人员年龄偏大，安全意识弱，体力、精力、眼力跟不上。

随着输煤设备无人值守的发展趋势，非常有必要进行利用机器人代替翻车作业过程中人工摘钩操作的探索研究，以实现摘钩机器代人作业，节约人力成本，降低翻车过程安全风险，实现本质安全。

2 相关技术

本文设计的翻车机自动化摘钩机器人主要依靠机器视技术、机械臂控制技术、摘钩机器人控制系统实现。

2.1 机器视觉技术

摘钩机器人的机器视觉技术是非常重要的一项技术，它用于帮助机器人识别和捕捉需要抓取的物体。

摘钩机器人通常会配备摄像头和其他相关传感器，利用这些设备可以实现以下功能。

（1）目标检测。机器人可以通过摄像头捕捉到目标物体的图像数据，并利用计算机视觉技术进行图像处理，识别出目标物体的位置、大小、形状等特征信息。

（2）物体跟踪。机器人可以根据目标物体的特征信息，追踪其在空间中的位置和运动轨迹，以便更准确地抓取和移动物体。

（3）抓取规划。机器人可以根据目标物体的形状和大小，计算出合适的抓取位置和抓取角度，以便更好地抓取物体。

（4）姿态控制。机器人可以根据目标物体的特征信息和抓取规划，对其自身的姿态进行实时控制，以便更准确地完成抓取任务。

机器视觉技术是摘钩机器人实现自动化抓取的关键技术之一，它可以作为激光雷达检测系统的辅助，大幅度提高机器人的抓取成功率和效率。

2.2 机械臂控制技术

摘钩机器人的机械臂控制技术是实现机器人精准抓取、移动和放置物体的关键技术之一。

机械臂控制技术通常包括以下几个方面。

（1）运动学控制。运动学控制是机械臂控制的基础，它可以根据机械臂的结构和参数，计算机械臂的位置和姿态。运动学控制对于控制机械臂在空间中的运动，完成精准的定位和抓取任务至关重要。

（2）动力学控制。动力学控制是控制机械臂在运动过程中的运动学参数，包括速度、加速度等。通过动力学模型计算机械臂的运动，可以实现高精度、高速度的工作。

（3）路径规划。路径规划是机械臂控制的关键技术之一，它可以计算出机械臂在空间中的最优运动轨迹，并对机械臂进行控制。路径规划可以根据不同的任务需求，选择不同的运动路径，以实现更加高效的机械臂控制。

（4）力控制。力控制是机械臂控制的另一项重要技术。通过力传感器等器件，可以实现机械臂对物体的接触力度和压力的精准控制，以实现高精度抓取和放置任务。

摘钩机器人的机械臂控制技术是摘钩机器人的核心技术之一，它通过运动学、动力学、路径规划等技术手段，实现了机械臂的精准定位和控制，从而实现了更加高效、高质量的机器人抓取任务。

2.3 摘钩机器人控制系统

摘钩机器人的控制系统是负责实时控制机器人运动，完成各种任务的关键技术之一。摘钩机器人的控制系统通常包括以下几个部分。

（1）传感器。传感器可以采集机器人和环境的信息，包括位置、姿态、力度、视觉等。不同的传感器可用于不同的控制任务，例如，位置传感器用于控制机械臂的位置，视觉传感器用于实现自主视觉导航等。

（2）控制器。控制器是摘钩机器人控制系统的核心，它通过对传感器信息的处理和分析，实现对机器人的控制。控制器的功能通常包括路径规划、机械臂控制、运动规划、力控制等。

（3）通讯模块。通讯模块可以将控制器与其他设备或系统连接起来。例如，将控制器连接到网络可以实现远程控制，将控制器连接到其他机器人可以实现协同作业等。

（4）软件系统。摘钩机器人的控制系统需要配有相应的软件系统，例如，运动控制软件、机器视觉软件、路径规划软件等，来实现各种控制任务。

（5）电源系统。电源系统提供机器人所需的电力，包括直流电源、交流电源、电池、伺服电源等。

摘钩机器人的控制系统是实现机器人各种控制任务的关键技术之一。它通过传感器、控制器、通讯模块、软件系统和电源系统等部分的协作，实现了对机器人的精准控制，从而实现了各种高效、高质量的机器人任务。

3 翻车机自动化摘钩机器人设计

翻车机自动化摘钩机器人的设计包括机械设计和控制系统设计两个方向。

3.1 机械设计

翻车机自动化摘钩机器人的机械设计应该考虑以下几个方面。

（1）机械臂设计。机械臂是翻车机自动化摘钩机器人的核心部分，它需要具备足够的灵活性、刚度和负载能力，以适应不同的工作环境和工作负载。机械臂设计应该考虑关节结构、传动机构、材料选择等方面，以实现高效、可靠、精准的运动控制。

（2）摘钩机构设计。摘钩机构是翻车机自动化摘钩机器人实现夹取钩子的关键部分。摘钩机构应该具备良好的精度和重复性，同时还需要考虑其可靠性和维修性等因素。

（3）小车机构设计。小车机构是摘钩机器人随动火车车厢和重车调车机的重要机构，它需要具备足够的安全性、机动性和可控性。设计应该考虑包括加减速性能、悬挂和运行稳定性等因素，同时还需要考虑灯光、声音、信号等传感器的安装位置。

（4）夹持机构设计。夹持机构是翻车机自动化摘钩机器人的关键部分，它需要具备足够的力度、精度和稳定性，以实现有效的夹紧操作。夹持机构设计应该考虑夹持力度、夹持方式以及力矩方向等因素。

翻车机自动化摘钩机器人的机械设计应充分考虑工作环境和工作负载等因素，以实现稳定、可靠、有效的运动控制和夹紧操作，从而实现高效的翻车机自动化作业。

3.2 控制系统设计

翻车机自动化摘钩机器人的控制系统设计需要考虑以下几个方面。

（1）机器人的运动控制。机器人需要精确执行预设的运动轨迹以摘取钩柄。因此，需要选择适合的运动控制器和驱动器，并编制合适的运动控制程序。

（2）摄像头和图像处理系统。摄像头和图像处理系统用于检测和定位待摘取的钩柄。需要选择高分辨率的摄像头，并使用图像处理算法实现钩柄的准确识别和定位。

（3）机械臂控制系统。机械臂控制系统用于控制机器人的各个关节，以实现多自由度的运动。需要选择适合的机械臂控制器和编程软件，并编写与运动控制程序的通信接口。

（4）传感器与反馈控制系统。传感器与反馈控制系统用于实现机器人的自动化控制。需要选择适合的传感器并实时读取其数据，以实现运动精确控制和钩柄摘取过程中的力控制。

（5）通信与数据处理系统。机器人需要与翻车机PLC系统和主控单元进行通信，以实现信息的共享和控制命令的下达。需要选择适合的通信协议和数据处理软件。

翻车机自动化摘钩机器人的控制系统设计需要对机械设计、控制算法、传感器与反馈控制系统、通信与数据处理系统等方面进行综合考虑。

4 摘钩机器人的优缺点

本文基于翻车机自动化摘钩机器人模型，进行了实际应用，摘钩成功率达到了95%以上。

4.1 翻车机自动化摘钩机器人的优点

提高工作效率：翻车机自动化摘钩机器人可以自主执行作业任务，减少了人工干预，缩短了作业周期，提高了工作效率。

（1）降低工作风险。翻车机人工摘钩操作存在风险，使用摘钩机器人可以避免人员有关的操作风险，保护作业人员的生命安全。

（2）减少人力成本。传统作业需要使用大量的人力，而摘钩机器人可以代替人力完成作业，从而降低了成本。

（3）提高作业准确性。摘钩机器人通过预设运动轨迹、力矩检测与控制、图像识别算法等技术，实现准确的作业动作，消除了操作人员的非准确性。

（4）高适应性。翻车机自动化摘钩机器人可以通过软件编程和深度学习技术，实现针对不同型号的翻车机的调整和优化。同时，在各种天气或环境条件下，工作都相对稳定。

4.2 翻车机自动化摘钩机器人的缺点

（1）缺乏灵活性。翻车机自动化摘钩机器人的操控需要使用预设的程序，无法像人类一样快速做出复杂的判断以及应对不同的情况，因此，灵活性有一定的限制。

（2）复杂性。机器人需要经过专业人员的专业培训才能操作，维修也需要相关专业知识和技能，这增加了维护和操作成本。

总的来说，翻车机自动摘钩机器人的使用可以提高工作效率，降低工作风险，提高作业准确性，减少人力成本，并且适应性较强。

5 结语

本文基于机器人技术，设计了一种具有较高效率和安全性的翻车机自动摘钩机器人，并在电厂翻车机线得到了实际应用，结果表明，该机器人在翻车机摘钩操作中具有可行性和实用性。对于后续的研究，可以进一步优化控制系统的性能，提高机器人的智能化水平。