駝峰解體自動(dòng)提鉤裝置設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

周琪

摘 要：鐵路編組站已逐步走向全面自動(dòng)化，但是駝峰車輛溜放依舊保持著人工摘鉤的傳統(tǒng)作業(yè)方式，較大影響了編組站的作業(yè)效率和技術(shù)水平。通過對(duì)貨車車輛在編組站駝峰溜放作業(yè)時(shí)的工況以及受力進(jìn)行分析，建立車組解編時(shí)駝峰提鉤點(diǎn)位置數(shù)學(xué)計(jì)算模型，推算駝峰提鉤的有效位置，利用圖像識(shí)別、雷達(dá)測(cè)速、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)手段，研究獲取駝峰主體信號(hào)、勾計(jì)劃、目標(biāo)定位、速度測(cè)控等信息的方法以及機(jī)器人的作業(yè)模式和系統(tǒng)能耗，分析研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而確定采用行走式機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)編組站駝峰摘鉤作業(yè)自動(dòng)化的可行性。

關(guān)鍵詞：駝峰;自動(dòng)提鉤;編組站;機(jī)器人

中圖分類號(hào)：U284.66文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0113-04

Abstract： At present， the railway marshalling station has gradually moved towards full automation， but the traditional operation method of manual unhooking of hump vehicles is still maintained， which greatly affects the operation efficiency and technical level of the marshalling station. This paper analyzed the working conditions and forces of truck vehicles through hump slip operation in marshalling station， established the mathematical calculation model of hump lift point position， calculated the effective position of hump lift hook， studied the methods of obtaining information of hump main signal， hook plan， target location and speed measurement and control ，as well as the robot's operation mode and system energy consumption by means of image recognition， radar speed measurement and industrial robot， analyzed the technical difficulties in the process of development， and then determined the feasibility of using walking robot to realize the automation of hump hook picking in marshalling station.

Keywords： hump;automatic hook lifting;marshalling station;robot

1 研究背景

隨著我國(guó)鐵路的高速發(fā)展，編組站的自動(dòng)化程度不斷提升，列車推峰和溜放都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。但是，在駝峰分解列車時(shí)依舊采用傳統(tǒng)的人工摘鉤模式，作業(yè)人員工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)還存在因調(diào)車作業(yè)單污損后錯(cuò)提和漏提的情況，極大地影響了編組站的作業(yè)效率，與國(guó)家實(shí)施“公轉(zhuǎn)鐵”后鐵路運(yùn)量的急速增長(zhǎng)極不適應(yīng)，是現(xiàn)代化編組站急需解決的關(guān)鍵問題。近年來，編組站綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)（Computer Integrated Process System，CIPS）、新一代編組站綜合自動(dòng)化（SAM）系統(tǒng)等已投入使用，圖像識(shí)別、工業(yè)機(jī)器人、精準(zhǔn)測(cè)速等技術(shù)日趨成熟并廣泛應(yīng)用，可見，設(shè)計(jì)一款駝峰解體自動(dòng)摘鉤裝置，在列車5～7 km/h的推峰速度下，由提鉤機(jī)器人按計(jì)劃摘開車鉤，部分代替人工完成提鉤、護(hù)鉤等作業(yè)已具備成熟的理論基礎(chǔ)和技術(shù)水平，研究開發(fā)駝峰解體自動(dòng)提鉤裝置的條件已經(jīng)具備[1-3]。采用自動(dòng)摘鉤裝置來協(xié)助或替代駝峰線上作業(yè)人員去完成危險(xiǎn)且繁雜的摘鉤作業(yè)后，可以全面提升編組站自動(dòng)化水平，從而實(shí)現(xiàn)編組站改編能力、駝峰作業(yè)人員勞動(dòng)生產(chǎn)率、調(diào)車作業(yè)安全保障水平以及編組站管理能力的全面提高。

2 工況分析

駝峰解體自動(dòng)提鉤裝置安裝在峰頂平臺(tái)位置，工作環(huán)境處于室外，要適應(yīng)風(fēng)、霜、雨、雪、霧等各種惡劣天氣，要適應(yīng)強(qiáng)日照和夜間作業(yè)，要具備抵抗車廂散落物對(duì)設(shè)備的沖擊破壞的能力，要滿足無防護(hù)狀態(tài)下的安全作業(yè)需要。根據(jù)編組場(chǎng)駝峰作業(yè)要求，設(shè)備正常情況下全年365 d、每天24 h待機(jī)，隨時(shí)根據(jù)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行提鉤作業(yè)，分解列車。

3 駝峰提鉤位置計(jì)算模型

3.1 數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建

車輛編組從駝峰峰頂平臺(tái)向調(diào)車場(chǎng)溜放的過程中，其受到自身及外界的作用力主要有車輛本身重力[Q]、推力[F]、車輛阻力[R總]、支撐力[P]（見圖1）。圖1中，[S]為到達(dá)場(chǎng)到車組脫鉤點(diǎn)的距離;[L]為到達(dá)場(chǎng)到駝峰信號(hào)機(jī)的距離;[L1]為該溜放車組的長(zhǎng)度，[α]為斜坡和水平面的夾角[4-5]。

在車組從推送坡推送至峰頂平臺(tái)，其溜放車的車鉤處于壓鉤狀態(tài)下，車鉤容易被提開，稱為提鉤點(diǎn);當(dāng)車組繼續(xù)推送，車組間的車鉤就會(huì)繃緊，車鉤提不開，稱為脫鉤點(diǎn)（或繃鉤點(diǎn)）。該模型是在車鉤繃鉤臨界點(diǎn)分析車組的力。假設(shè)在脫鉤點(diǎn)時(shí)瞬間達(dá)到二力平衡，此時(shí)車輛縱向受到一個(gè)重力分力[Q1]、阻力[R總]和機(jī)車的推力[F]，其關(guān)系如式（1）所示。

車組走行過程中因與軌道、空氣接觸，會(huì)受到各種阻力，如車輛的基本阻力、曲線阻力、風(fēng)阻力、道岔阻力等。根據(jù)二力受力平衡原理，建立駝峰提鉤位置數(shù)學(xué)模型，即式（2）、（3）。

式中：[R基]為駝峰推送車輛的單位基本阻力;[m]為車輛質(zhì)量;[V0]為車輛初速度;[Vt]為時(shí)間[t]后車輛的速度。

3.2 提鉤位置模型計(jì)算

以C70車為例計(jì)算該模型的合理性。C70貨車標(biāo)記載重為70 t，換長(zhǎng)為1.3，以駝峰主體信號(hào)機(jī)為原點(diǎn)，分別計(jì)算駝峰溜放1輛、2輛……12輛時(shí)最小的提鉤點(diǎn)距離[Lmin];以駝峰主體信號(hào)機(jī)為原點(diǎn)，每勾車組的換長(zhǎng)作為提鉤點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離，確定最遠(yuǎn)提鉤距離[Lmax]。提鉤點(diǎn)距離計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4 系統(tǒng)方案的研究

駝峰作業(yè)自動(dòng)提鉤裝置主要由信息采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和摘鉤機(jī)器人三大部分組成，如圖2所示。從編組站綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)以及安裝在峰頂平臺(tái)的圖像采集、速度測(cè)試、車號(hào)識(shí)別等裝置獲取的信息經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算并分析判定后傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)形成速度指令、位置指令、動(dòng)作指令，機(jī)器人在接到相關(guān)指令后迅速匹配鉤提桿形式及位置、車輛速度，指揮機(jī)械手臂完成摘鉤和護(hù)鉤動(dòng)作[6-8]。

4.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)四個(gè)方面的信息收集，包括在既有CIPS或SAM系統(tǒng)中提取勾計(jì)劃、通過車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)查詢鉤提桿形式及位置、利用圖像識(shí)別確定鉤提桿位置、采用攝像裝備監(jiān)控作業(yè)狀況等，相關(guān)信息分類進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行判別。

4.2 控制系統(tǒng)

車站集中控制與車號(hào)處理系統(tǒng)將地面識(shí)別系統(tǒng)采集到的車輛信息傳送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將提取出的車號(hào)與勾計(jì)劃進(jìn)行匹配，判斷是否提鉤，并將提鉤指令下達(dá)給提鉤機(jī)器人。

4.3 提鉤機(jī)器人

在駝峰作業(yè)區(qū)域，每條推峰線路兩側(cè)各設(shè)置一套自動(dòng)提鉤機(jī)器人，提鉤機(jī)器人按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令完成提鉤和護(hù)鉤動(dòng)作。一套機(jī)器人作業(yè)時(shí)，另一套提鉤機(jī)器人在作業(yè)區(qū)始端待命，防止設(shè)備故障時(shí)影響駝峰解編作業(yè)。

5 機(jī)器人、導(dǎo)軌及能源系統(tǒng)的選擇

考慮到室外環(huán)境，為適應(yīng)大行程、高精度、高速運(yùn)行等條件，機(jī)器人采用地面輪軌行走，行走采用齒輪齒條傳動(dòng)的方式。行走軌道敷設(shè)高度與作業(yè)通道地面一致，便于人工輔助作業(yè)。機(jī)器人伺服電機(jī)功率約為1.1 kW，設(shè)備安裝在建筑限界外，停用時(shí)，機(jī)械臂橫向股道外側(cè)，不影響人工作業(yè)。

考慮到設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，行走采用雙軌，軌距約為500 mm（需要勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況）。導(dǎo)軌材料采用Q345合金鋼。該合金材料為當(dāng)前市場(chǎng)常用材料，焊接性能和加工性能優(yōu)良，性價(jià)比高，同時(shí)可以滿足設(shè)備強(qiáng)度要求。

整套裝置采用外接電源的方式，外部電源的功率為6 kW，外接電源敷設(shè)。驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走的伺服電機(jī)，根據(jù)機(jī)械臂自重和作用力大小，電機(jī)參數(shù)為：電壓220 V、功率1.1 kW，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂、機(jī)械手的伺服電機(jī)參數(shù)為：電壓220 V、功率3 kW，控制系統(tǒng)的參數(shù)為：交流電電壓220 V、功率0.5 kW。

6 關(guān)鍵技術(shù)的處理

6.1 駝峰主體信號(hào)的識(shí)別及反饋

建立一套駝峰信號(hào)采集子系統(tǒng)用于獲取駝峰主體信號(hào)，系統(tǒng)由采集設(shè)備和工控機(jī)組成。

采集設(shè)備主要由電源屏采集器和信號(hào)機(jī)電燈電流采集板組成。其中，電源屏采集器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源屏輸入/輸出電壓、電流、頻率、相位，信號(hào)機(jī)電燈電流采集板實(shí)時(shí)采集駝峰信號(hào)機(jī)燈絲繼電器（DJ）工作交流電流。電源屏信息通過485接口傳輸信息，燈絲監(jiān)測(cè)采用CAN總線傳輸信息。監(jiān)測(cè)信息傳輸給工控機(jī)后，由工控機(jī)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換處理，并進(jìn)行邏輯判斷和顯示意義匹配，同時(shí)將駝峰主體信號(hào)機(jī)的顯示意義以指令的方式發(fā)送給機(jī)械臂控制系統(tǒng)。

6.2 勾計(jì)劃的獲取和識(shí)別

目前，在現(xiàn)場(chǎng)中使用的勾計(jì)劃系統(tǒng)主要是CIPS或SAM編組站綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)，屬于不同的公司開發(fā)。自動(dòng)提鉤系統(tǒng)在廠家提供的數(shù)據(jù)接口以及接口協(xié)議基礎(chǔ)上開發(fā)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接口軟件，對(duì)勾計(jì)劃系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理，并將數(shù)據(jù)保存在控制計(jì)算機(jī)中。作為自動(dòng)提鉤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，這種數(shù)據(jù)獲取方式是最直接的，可以確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的有效性和完整性，而且開發(fā)數(shù)據(jù)接口周期短，工作量小，系統(tǒng)相互匹配性強(qiáng)，對(duì)其他設(shè)備不會(huì)造成影響。

6.3 速度測(cè)控技術(shù)

綜合運(yùn)用輪軸速度傳感器和雷達(dá)速度傳感器進(jìn)行測(cè)速。車輛運(yùn)行過程中，同時(shí)使用輪軸速度傳感器和雷達(dá)速度傳感器進(jìn)行測(cè)速，并對(duì)輪軸速度傳感器的速度信息和雷達(dá)速度傳感器的速度信息進(jìn)行比較，當(dāng)輪軸速度傳感器的速度信息與雷達(dá)速度傳感器的速度信息差值在容許范圍內(nèi)，輪軸速度傳感器信息作為基準(zhǔn)速度信息;當(dāng)差值超出容許范圍，采用雷達(dá)速度傳感器的速度信息進(jìn)行速度補(bǔ)償。系統(tǒng)軟件主要是對(duì)測(cè)速傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并將結(jié)果發(fā)送至機(jī)械臂控制系統(tǒng)。

6.4 定位技術(shù)

運(yùn)用圖像識(shí)別、激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行立體匹配，通過在多個(gè)點(diǎn)的集合中找出對(duì)應(yīng)關(guān)系而求得各點(diǎn)的視差，然后根據(jù)視差信息和投影模型恢復(fù)原始景物的三維空間信息，計(jì)算目標(biāo)提鉤桿的三維坐標(biāo)。摘鉤作業(yè)過程中，車輛保持運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂需要在運(yùn)動(dòng)中完成摘鉤作業(yè)，非勻速狀態(tài)下的速度匹配后，需要快速進(jìn)行圖像識(shí)別并進(jìn)行判斷和執(zhí)行指令。由于峰頂平臺(tái)和機(jī)器人走行軌道長(zhǎng)度有限，要求圖像處理快速高效，所以選擇區(qū)域特征匹配算法對(duì)圖像進(jìn)行立體匹配，同時(shí)可確保計(jì)算結(jié)果的精確性。

6.5 摘鉤作業(yè)環(huán)境及摘鉤力測(cè)試

我國(guó)貨車車型繁多，生產(chǎn)年代不同，標(biāo)準(zhǔn)不一。車輛本身的提鉤種類較多，按作用方式分為上提鉤和下提鉤兩大類。加之結(jié)構(gòu)各式各樣，車輛側(cè)面還有很多其他裝置，如手閘制動(dòng)桿、風(fēng)管路接頭、制動(dòng)踏板等分布在車鉤把的上下左右，阻礙機(jī)械手伸進(jìn)和提鉤動(dòng)作。車輛提鉤桿本身位置也不固定，使機(jī)械手不易抓住。各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜因素增加了自動(dòng)提鉤的難度。用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)試32臺(tái)靜止車體上的提鉤力可知，實(shí)測(cè)值分布在30～200 N，多數(shù)集中在50～80 N。

7 結(jié)語(yǔ)

鐵路編組站作業(yè)效率直接影響鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的整體運(yùn)輸效率與運(yùn)輸秩序，提高編組站作業(yè)效率是提升路網(wǎng)整體輸送能力和運(yùn)輸送達(dá)速度的關(guān)鍵，是適應(yīng)鐵路運(yùn)量快速增長(zhǎng)的有效手段。研究設(shè)計(jì)駝峰作業(yè)自動(dòng)提鉤裝置，改變傳統(tǒng)人工作業(yè)模式，可以協(xié)助或替代駝峰線上作業(yè)人員的工作，極大改善工人的工作環(huán)境，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率，打通影響編組站作業(yè)綜合自動(dòng)化的瓶頸環(huán)節(jié)。當(dāng)前，人工智能產(chǎn)業(yè)中圖像識(shí)別、激光雷達(dá)和工業(yè)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用到各領(lǐng)域，而且技術(shù)日趨成熟。將機(jī)器人自動(dòng)提鉤技術(shù)運(yùn)用到駝峰作業(yè)中，能克服人工提鉤勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差以及提鉤效率低的弊端。

通過研究可知，用行走式機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)編組站摘鉤作業(yè)自動(dòng)化在技術(shù)上是可行的，但駝峰解體自動(dòng)摘鉤系統(tǒng)是一個(gè)亟待解決的世界難題，至今還是制約編組站全面自動(dòng)化的關(guān)鍵所在。要真正實(shí)現(xiàn)駝峰解體自動(dòng)化，就要確保運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下機(jī)器人的識(shí)別能力、分析能力、判斷能力，確保其能準(zhǔn)確完成各項(xiàng)指令。

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