CN108797239B - 一种机器人及其铁路轨道的维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人，安装在铁路轨道上，用于螺母和扣件的维护，其特征在于，包括底座、行走轮、上料装置、定位装置、送料装置、抓取机械臂、拧紧机械臂和检测装置，除行走轮外其余各零部件均设于底座上，定位装置与上料装置连接，抓取机械臂连接于定位装置和送料装置之间，检测装置和拧紧机械臂均设于送料装置的同一侧。同时该机器人用于铁路轨道的维护，通过设有上料装置和定位装置，相比现有技术可实现自动上料功能，实现上料、维护一体的现代化机器人，又通过抓取机械臂、拧紧机械臂和检测装置的合理作用，解决人工预埋螺栓倾斜度不一样带来的维护问题，可顺利完成铁路轨道维护，省时省力，精准快捷。

Description

一种机器人及其铁路轨道的维护方法

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，尤其涉及一种机器人及其铁路轨道的维护方法。

背景技术

随着经济快速发展，交通运输行业也突飞猛进，但铁路和轻轨地铁的快速发展给轨道维护工作带来了巨大压力，在铁路换轨、更换轨枕、扣件维护等主要维护项目中，都需要对铁轨扣件重新拆卸安装，其中在螺栓上安装螺母，并对螺母拧紧的工作占据了大部分的工作量，而目前这一系列工作均为人工完成，时间短，任务重，需要耗费大量的人力。因此迫切需求一种高自动化、高智能化的设备来解决目前存在的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，研制一种机器人及其铁路轨道的维护方法，该机器人可节省大量维护人员的数量，减轻维护人员劳动强度，同时提高了铁路的安全性，大大推进了社会和经济的发展。

本发明解决技术问题的技术方案为：一方面，本发明提供了一种机器人，安装在铁路轨道上，用于螺母和扣件的维护，包括底座、行走轮、上料装置、组合装置、送料装置、抓取机械臂、机械手和检测装置，除行走轮外其余各零部件均设于底座上，组合装置与上料装置连接，抓取机械臂连接于组合装置和送料装置之间，检测装置和机械手均设于送料装置的同一侧。

进一步的，上料装置包括上料筒、推送杆、第一运输管和第二运输管，第一运输管、第二运输管均通过推送杆与上料筒连接，第二运输管与送料装置连通，第一运输管通过组合装置与送料装置连接。

进一步的，上料筒、推送杆、第一运输管的数量均为多个。

进一步的，第一运输管与上料筒的距离、第二运输管与上料筒的距离均等于推送杆横截面的直径。

进一步的，送料装置采用带传动方式。

进一步的，该机器人还包括置物盒，置物盒放置在机械手一侧，且置物盒内设有拧紧机和卡爪。

进一步，机械手末端设有吸盘，吸盘用于吸住置物盒内的卡爪或拧紧机进行对螺母获取、拧紧作业。

进一步的，检测装置包括第一金属传感器、第一视觉传感器、第二视觉传感器、第三视觉传感器、图像采集模块和第二金属传感器，第一金属传感器和图像采集模块相对设置在送料装置的末端，第一视觉传感器、第二视觉传感器、第三视觉传感器和第二金属传感器均位于靠近铁路轨道的上方。

进一步的，在在第一视觉传感器、第二视觉传感器、第三视觉传感器的上方均安装有半封闭遮光罩和辅助照明单元。

另一方面，本发明还提供了一种机器人铁路轨道的维护方法，利用上述的用于维护铁路轨道的机器人，包括：

a.将扣件放置于上料装置内，组合装置对上料装置推送的各扣件装配成扣件组；

b.抓取机械臂将所述所述扣件组放置于送料装置上，所述螺母直接由上料装置推送至送料装置上；

c.检测装置识别所述扣件组和所述螺母并将信号传递至至中央处理器，由中央处理器控制机械手，送料装置和行走轮停止运动，机械手依次拾取所述扣件组和所述螺母至铁路轨道上，并完成所述螺母的拧紧。

其中，通过第一视觉传感器检测得到螺栓上表面的质心在空间中的坐标点，其坐标为(X₁，Y₁，Z₁)，将其记为A；

第二视觉传感器检测螺栓与铁轨平行方向的倾斜角θ₆，在与铁轨方向平行的平面上螺栓露出地面的长度为L₁，其中

h₂为L₁投影在Y轴上的长度，h₁为L₁投影在Z轴上的长度；

第三视觉传感器检测螺栓与铁轨垂直方向的倾斜角θ₅，在与铁轨方向垂直的平面上螺栓露出地面的长度为L₂，h₄为L₂投影在X轴上的长度，h₃为L₂投影在Z轴上的长度,其中

第一视觉传感器、第二视觉传感器、第三视觉传感器均可根据检测要求旋转180°来对铁轨上的螺栓检测。

在机械手拧紧所述螺母的过程中，采用多回旋起伏力矩反馈控制。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案具有如下优点或有益效果：

1.本发明通过设有上料装置和组合装置，相比现有技术可实现自动上料功能，实现上料、维护一体的现代化机器人，又通过抓取机械臂、机械手和检测装置的合理作用，可顺利完成铁路轨道维护，省时省力，精准快捷。

2.本发明中第一运输管与上料筒的距离、第二运输管与上料筒的距离均等于推送杆横截面的直径当推送杆工作时，这样推送杆就会将上料筒下端封住，当推送杆收回时，上料筒内的扣件再次落下并等待下次推送，避免了在推送杆工作时扣件自动下落造成上料混乱。

3.通过金属传感器和视觉传感器，解决在机械手对所述螺母安装拧紧时，避免人工预埋后螺栓并不完全垂直工作面的情况下，所述螺母与螺栓工作面不完全重合，发生螺纹滑丝的情况，节省了劳动时间，提高了工作效率。

4.通过在视觉传感器上安装有半封闭遮光罩和辅助照明单元，为视觉传感器构造相对稳定的工作环境，提高了检测的准确度。

附图说明

图1为本发明所述机器人的结构示意图。

图2为本发明所述机器人的部分结构示意图。

图3为本发明所述机械手的结构示意图。

图4为本发明所述机械手的动作数据分析图。

图5为本发明所述机器人铁路轨道维护方法的流程图。

图6为本发明中螺母获取、搬运的流程图。

图7为本发明放置螺母工作的流程图

图8为本发明拧紧螺母工作的流程图。

附图标记：

1、底座，2、行走轮，3、上料装置，31、上料筒，32、推送杆，33、第一运输管、34第二运输管，4、组合装置，5、送料装置，6、抓取机械臂，7、机械手，71、吸盘，72、旋转底座，73、升降平台，74、第一机械臂，75、第二机械臂，76、第三机械臂，77、移动杆，78、第一关节，79、第二关节，70，第三关节，8、检测装置，81、第一金属传感器，82、第一视觉传感器，83、第二视觉传感器，84、第三视觉传感器，85、图像采集模块，86、第二金属传感器，9、置物盒。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

结合图1至图3所示，本发明提供了一种机器人，安装在铁路轨道上，用于螺母和扣件的维护，包括底座1、行走轮2、上料装置3、组合装置4、送料装置5、抓取机械臂6、机械手7和检测装置8，除行走轮2外其余各零部件均设于底座1上，组合装置4与上料装置3连接，抓取机械臂6连接于组合装置4和送料装置5之间，检测装置8和机械手7均设于送料装置5一侧。本发明实施例通过设有上料装置和组合装置，相比现有技术可实现自动上料功能，实现上料、维护一体的现代化机器人，又通过抓取机械臂、机械手和检测装置的合理作用，可顺利完成铁路轨道维护，省时省力，精准快捷。

其中，上料装置3包括上料筒31、推送杆32、第一运输管33和第二运输管34，第一运输管33、第二运输管34均通过推送杆32与上料筒31连接，第二运输管34与送料装置5连通，第一运输管33通过组合装置4与送料装置5连接。上料筒31、推送杆32、第一运输管33的数量均为多个，第一运输管33与上料筒31的距离、第二运输管34与上料筒31的距离均等于推送杆32横截面的直径。当推送杆32工作时，推送杆32会将上料筒31下端封住，当推送杆32收回时，上料筒31内的扣件再次落下并等待下次推送，避免了在推送杆32工作时扣件自动下落造成上料混乱。送料装置5采用带传动方式。该机器人还包括置物盒9，置物盒9放置在机械手7一侧，且置物盒9内设有所述拧紧机和卡爪。机械手7底端设有旋转底座72，机械手7末端设有吸盘71，吸盘71用于吸住置物盒9内的卡爪或所述拧紧机进行对螺母获取、拧紧作业。其中，机械手7设置为两组，可以同时对两条铁轨进行维护，提高了工作效率。所述拧紧机包括电机、减速机、扭矩传感器和磁性套筒。机械手7包括升降平台73、第一机械臂74、第二机械臂75、第三机械臂76、移动杆77、第一关节78、第二关节79、第三关节70，在移动杆77上安装有升降平台73，各所述机械臂依次安装在升降平台上，通过各所述机械臂的活动从而实现机械手7的正常作业。

检测装置8包括第一金属传感器81、第一视觉传感器82、第二视觉传感器83、第三视觉传感器84、图像采集模块85和第二金属传感器86，第一金属传感器81和图像采集模块85相对设置在送料装置5的末端。当第二金属传感器86检测到铁路轨道上的螺栓时，则行走轮2行进到第二金属传感器86与第一视觉传感器82在与铁轨方向平行的平面上的相对距离后停止，图像采集模块85检测到送料装置5上的扣件组时，通知机械手7采用吸盘71吸住置物盒9内的卡爪，卡爪将所述扣件组移至铁路轨道的螺栓上，然后机械手7再根据图像采集模块85检测到螺母，机械手将卡爪送至置物盒9内，然后再次利用吸盘71吸住置物盒9内的所述拧紧机，将所述螺母移至螺栓正上方，并对螺母进行拧紧。在拧紧过程中，通过扭矩传感器实时检测所述螺母扭矩大小，从而完成所述螺母的拧紧。拧完后，并将所述拧紧机放于置物盒9内。当第一金属传感器81检测到金属件时，说明送料装置5上已排满扣件组和螺母，则送料装置5、抓取机械臂6、上料装置3、组合装置4停止运动，等待机械手7完成任务。在拧紧过程中，第一视觉传感器82启动检测，定位螺栓所在位置，则第二视觉传感器83启动，来检测螺栓在与铁轨方向垂直平面的倾斜角，第三视觉传感器84启动，来检测螺栓在与铁轨方向平行平面的倾斜角在机械手7对所述螺母安装拧紧时，避免了人工预埋后的螺栓存在并不完全垂直工作面的情况下，所述螺母与螺栓工作面不完全重合，发生螺纹滑丝的情况，节省了劳动时间，提高了工作效率。在各所述视觉传感器的上方均安装有半封闭遮光罩和辅助照明单元，因为视觉传感器对外界光照环境变化比较敏感，从而构造相对稳定的工作环境，提高了检测的准确度。

结合图4至图8所示，本发明还提供了一种机器人铁路轨道的维护方法，利用上述的机器人，包括：

a.将扣件放置于上料装置3内，组合装置4对上料装置3推送的各扣件装配成扣件组；

b.抓取机械臂6将所述所述扣件组放置于送料装置5上，所述螺母直接由上料装置3推送至送料装置5上；

c.检测装置8识别所述扣件组和所述螺母并将信号传递至机械手7，送料装置5和行走轮2停止运动，机械手7依次拾取所述扣件组和所述螺母至铁路轨道上，并完成所述螺母的拧紧。

具体的，本发明实施例中将现有铁轨扣件中的各个部件，包括尼龙挡板、钢板、弹条、垫圈等均放置上料筒31内，其中第二运输管34用于输送所述螺母，所述螺母通过推送杆32直接推送到送料装置5上，推送杆32将所述螺母外的各个部件推至组合装置4实现依次叠加、自动装配，实现了自动上料，再通过抓取机械臂6将装配完毕的扣件组运送到送料装置5上。

通过第一视觉传感器82检测得到螺栓上表面的质心在空间中的坐标点，其坐标为(X₁，Y₁，Z₁)，将其记为A；第二视觉传感器83检测螺栓与铁轨平行方向的倾斜角θ₆，在于铁轨方向平行的平面上螺栓露出地面的长度为L₁，其中

h₂为L₁投影在Y轴上的长度，h₁为L₁投影在Z轴上的长度；第三视觉传感器84检测螺栓与铁轨垂直方向的倾斜角θ₅，在于铁轨方向垂直的平面上螺栓露出地面的长度为L₂，h₄为L₂投影在X轴上的长度，h₃为L₂投影在Z轴上的长度,其中/>

第一视觉传感器82、第二视觉传感器83、第三视觉传感器84均可根据检测要求旋转180°来对铁轨上的螺栓检测。

以下为机械手7安装螺栓时的工作步骤：

(1)以旋转底座72的初始位置为原点(X₀,Y₀,Z₀)建立三维坐标系，升降平台73向上运动方向为Z轴，垂直铁轨方向为X轴，沿铁轨方向为Y轴，螺栓位置坐标为A(X₁,Y₁,Z₁)。

将旋转底座72旋转θ₅；使机械手7与螺栓与铁轨方向垂直的平面倾斜度一致；

将移动杆77在滑轨上沿X方向移动距离X₁；

控制第一关节78转动(θ₄+θ₆)，使机械手7与螺栓在与铁轨方向平行的平面倾斜度保持一致；

将升降平台73的重心下移至C点，此时D点与B点平行；

θ₂为第二关节79转动后，第一机械臂74与第二机械臂75的夹角；

θ₃为第三关节70需要转动的角度，转动后所述拧紧机末端到达A点正上方，与螺栓表面对齐；

此时以BD为底边，BF为第一机械臂74的长度，DF第二机械臂75的长度，且BF＝DF,则构成等腰三角形结构。

2.因为三边已知，通过三角函数计算可得出构成三角形中各机械臂所需要转过的角度，具体过程如下所述：

设BF＝DF长为M已知且固定,CA＝BD长为N。设DF与BD的夹角为θ₁,BF与DF的夹角为θ₂。由三角函数公式可得：

CO＝EO-EC＝|Z1|-(|Y1|tanθ₆)，N＝|Y1|/cosθ₆,θ₃＝θ₂/2，θ₄＝(π/2-θ₁)。

C点坐标则为(X1,Y0,CO)。

通过上述步骤即可解决螺栓倾斜对拧紧带来的影响。

其中，在所述拧紧机拧紧所述螺母的过程中，采用多回旋起伏力矩反馈控制。具体的，在所述拧紧机拧紧的各个阶段，扭矩传感器实时监测扭矩，出现扭矩异常则回旋一定步长再拧紧，拧紧过程扭矩由小变大再变小，整个过程为起伏状态，并将拧紧扭矩随时反馈给控制系统，根据不同阶段的扭矩反馈，来选择不同控制策略。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机器人，安装在铁路轨道上，用于螺母和扣件的维护，其特征在于，包括底座(1)、行走轮(2)、上料装置(3)、组合装置(4)、送料装置(5)、抓取机械臂(6)、机械手(7)和检测装置(8)，除行走轮(2)外其余各零部件均设于底座(1)上，组合装置(4)与上料装置(3)连接，抓取机械臂(6)连接于组合装置(4)和送料装置(5)之间，检测装置(8)和机械手(7)均设于送料装置(5)的同一侧；上料装置(3)包括上料筒(31)、推送杆(32)、第一运输管(33)和第二运输管(34)，第一运输管(33)、第二运输管(34)均通过推送杆(32)与上料筒(31)连接，第二运输管(34)与送料装置(5)连通，第一运输管(33)通过组合装置(4)与送料装置(5)连接，其中所述第二运输管用于输送螺母，所述螺母通过所述推送杆直接推送到送料装置上，所述推送杆通过所述第一运输管将螺母外的各个部件推至所述组合装置实现依次叠加、自动装配，再通过所述抓取机械臂将装配完毕的扣件组运送到所述送料装置上。

2.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，上料筒(31)、推送杆(32)、第一运输管(33)的数量均为多个。

3.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，第一运输管(33)与上料筒(31)的距离、第二运输管(34)与上料筒(31)的距离均等于推送杆(32)横截面的直径。

4.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，该机器人还包括置物盒(9)，置物盒(9)放置在机械手(7)一侧，且置物盒(9)内设有拧紧机和卡爪。

5.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，机械手(7)末端设有吸盘(71)。

6.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，检测装置(8)包括第一金属传感器(81)、第一视觉传感器(82)、第二视觉传感器(83)、第三视觉传感器(84)、图像采集模块(85)和第二金属传感器(86)，第一金属传感器(81)和图像采集模块(85)相对设置在送料装置(5)的末端，第一视觉传感器(82)、第二视觉传感器(83)、第三视觉传感器(84)和第二金属传感器(86)均位于靠近铁路轨道的上方。

7.如权利要求6所述的机器人，其特征在于，在第一视觉传感器(82)、第二视觉传感器(83)、第三视觉传感器(84)的上方均安装有半封闭遮光罩和辅助照明单元。

8.一种机器人铁路轨道的维护方法，利用权利要求1至7任一项所述的机器人，其特征在于，包括：

a.将扣件放置于上料装置(3)内，组合装置(4)对上料装置(3)推送的各扣件装配成扣件组；

b.抓取机械臂(6)将所述扣件组放置于送料装置(5)上，所述螺母直接由上料装置(3)推送至送料装置(5)上；

c.检测装置(8)识别所述扣件组和所述螺母并将信号传递至中央处理器，由中央处理器控制机械手(7)，送料装置(5)和行走轮(2)停止运动，机械手(7)依次拾取所述扣件组和所述螺母至铁路轨道上，并完成所述螺母的拧紧。

9.如权利要求8所述的机器人铁路轨道的维护方法，其特征在于，在步骤c上，通过第一视觉传感器(82)检测得到螺栓上表面的质心在空间中的坐标点，其坐标为(X₁，Y₁，Z₁)，将其记为A；

第二视觉传感器(83)检测螺栓与铁轨平行方向的倾斜角θ₆，在与铁轨方向平行的平面上螺栓露出地面的长度为L₁，其中

h₂为L₁投影在Y轴上的长度，h₁为L₁投影在Z轴上的长度；

第三视觉传感器(84)检测螺栓与铁轨垂直方向的倾斜角θ₅，在与铁轨方向垂直的平面上螺栓露出地面的长度为L₂，h₄为L₂投影在X轴上的长度，h₃为L₂投影在Z轴上的长度,其中

第一视觉传感器(82)、第二视觉传感器(83)、第三视觉传感器(84)均可根据检测要求旋转180°来对铁轨上的螺栓检测。

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