CN114552331B - 一种鱼雷罐接电装置自动插拔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金炼钢自动化控制领域，旨在提供一种鱼雷罐接电装置自动插拔方法。包括：(1)确定鱼雷罐车驶入停止位置；(2)标定电源插座的位置：标定高清摄像单元相邻两像素点的实际物理距离，选择电源插头模块上的特定位置作为其特征点，设置机械臂执行插电动作终止位的参考零位；(3)识别电源插座；(4)执行机械臂自动插电动作；(5)执行机械臂拔电动作。本发明利用高清摄像单元和激光测距单元作为插座识别定位模块，简化了对接位置操控的成本，从整体上降低了设备维护成本以及鱼雷罐车在行驶过程中发生的不可控故障的发生。基于深度学习的目标识别及关键点定位技术，能识别所有已知的鱼雷罐电源插座，识别速度快，精度高。
Description
技术领域
本发明是关于冶金炼钢自动化控制领域，特别涉及一种鱼雷罐接电装置自动插拔方法。
背景技术
鱼雷罐车是运送鱼雷罐的通用车辆，鱼雷罐内装有铁水，铁水被运送到炼钢车间倒灌站后，需要将其倾倒入铁水包内。在将铁水倒出时，需要将鱼雷罐旋转，铁水从鱼雷灌口倒出，倒罐过程需要外部电源接入。鱼雷罐车身侧面装有电源插座，随车运动，而电源插头一般都是放于鱼雷罐车出铁工位附近。
目前电源接入实际在使用的方法都是采用人工接入的，即当鱼雷罐车驶入出铁工位制动后，工人过来将电源插头插入电源插座上并锁紧。该方式的不足之处是安全隐患太大。在实际生产时，无论是摇炉员工操作错误还是系统故障，都有可能导致满罐铁水反向倾倒，发生钢水外溢事故。各钢厂都有发生过该事故。设备损坏是一方面，现场工作人员往往会发生伤亡事故。目前有研究人员提出了自动插拔装置和自动插拔控制方法，但都没有在实际生产中得到应用。
例如，专利文献CN111661082A提出了一种鱼雷罐车的电源自动插接系统及其插接控制方法，该自动插接系统缺点在于：需要对鱼雷罐车上的电源插座需要做改装。一个炼钢厂鱼雷罐车数量众多，20到30多辆鱼雷罐车是很常规的数量，有的甚至更多，实际实施和管理维护成本极大。其次，鱼雷罐车从高炉车间驶出到达炼钢车间，中间有很长一条没有任何防护遮挡的室外铁路，插座装置的截锥体通过一根杆件伸出车体外侧，由于没有任何防护措施，极易受到不可控因素的破坏；第三，插座装置的截锥体与插头装置的空心锥体腔的完全契合是到位极限检测开关动作的关键，但在雪冰冻天气就很容易使该装置被冰块卡住导致无法正常工作，或者由于每次鱼雷罐车装载量存在差异导致两者不能保持在同一水平线而无法实现对准契合；第四，插座装置与插头装置之间没有任何锁扣机构，容易在供电过程中发生松脱、滑移导致用电事故。
专利文献CN114045367A提出了一种鱼雷罐车自动拔插视觉引导系统及其使用方法，该方法是利用2D相机和3D相机多维视觉融合来确定电源插座位置，并通过数据转换形成机器人插入坐标值，从而实现机器人自动插拔接电的一种方法。该方法的不足之处是只做了视觉引导系统的说明，并没有涉及电源插头结构上的改造。鱼雷罐在出铁过程中，实际工况是很复杂的。出铁时，鱼雷罐车会出现强烈的振动，且鱼雷罐出铁前(满罐)和出完铁后(空罐)鱼雷罐车会有个上浮距离，满罐时，铁轨地基受压会下沉一段高度，随着罐内铁水的流失，铁轨又会缓慢恢复形变，所以电源插座空间位置是在不断变化的。想要完成鱼雷罐车自动拔插过程，必须要先解决插头位置实时变化的问题，不然必然发生执行机械臂发生某个轴碰撞的故障，导致设备无法使用，机械臂卡死在现场，更严重的会影响正常的炼钢生产。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种鱼雷罐接电装置自动插拔方法。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种鱼雷罐接电装置自动插拔方法，该方法是基于鱼雷罐接电装置自动插拔系统而实现的，该系统包括固定在鱼雷罐车侧面的电源插座，电源插座通过线缆与鱼雷罐车的驱动电机相连，电源插座与电源插头模块的对接面平行于鱼雷罐车的行驶方向；该系统还包括工业机器人模块、电源插头模块、系统控制模块、数据通讯控制模块、插座识别定位模块；
所述工业机器人模块包括工业机器人的执行机械臂及其控制单元，用于与电源插座对接的电源插头模块固定在执行机械臂上；
所述电源插头模块包括电源插头本体、导向销孔和对接锁紧机构；其中，导向销孔设于电源插头本体上，与电源插座中设于插座本体上的导向轴共同组成辅助定位机构；对接锁紧机构包括具有气缸驱动部件的插头松紧机构和拉钩松紧机构，用于使电源插头本体和插座本体的对接面能够贴合并实现锁紧；电源插头本体与供电电缆相连；
所述插座识别定位模块包括高清摄像单元和激光测距单元，两者设于工业机器人模块同侧且垂直于鱼雷罐车的行驶方向设置；
所述数据通讯控制模块包括可编程逻辑控制器和电气控制单元；
所述系统控制模块包括工业级液晶显示器件、工业级计算机、工业现场处理控制单元和电源管理单元；
所述工业机器人模块、插座识别定位模块和数据通讯控制模块通过线缆连接至系统控制模块，工业机器人模块和数据通讯控制模块通过线缆连接；所述电源插头模块中的气缸通过气路接至数据通讯控制模块，后者与气源相连；系统控制模块和工业机器人模块的控制单元分别通过线缆与交流电源相连；
所述鱼雷罐接电装置自动插拔方法，具体包括以下步骤：
(1)确定鱼雷罐车驶入停止位置
鱼雷罐车驶入工位后，调整停车位置，使激光测距单元发射的激光点停留在电源插座的对接面上；控制鱼雷罐车前后制动误差，保证高清摄像单元能拍摄到电源插座的完整轮廓，并能清楚识别位于电源插头模块上的特征点；
(2)标定电源插座的位置
(2.1)标定高清摄像单元相邻两像素点的实际物理距离：高清摄像单元拍摄一张电源插座图片，选取图片中2个可测量物理长度的特征点，量出两个特征点实际物理长度D1，并计算出二者在图片上像素点距离a，获得高清摄像单元两相邻像素点代表的实际物理距离D＝D1/a；以像素点为计量单位，设定图片xz轴坐标系，使图片x轴与执行机械臂x轴平行且正负变化方向一致，图片z轴与执行机械臂z轴平行且正负变化方向一致；x轴方向与鱼雷罐车行驶方向平行，且设鱼雷罐行驶方向为正方向；z轴垂直于地面，朝上为正方向；
(2.2)选择电源插头模块上的特定位置作为其特征点：在利用深度学习的目标识别技术实现电源插头外形轮廓的实时识别后，利用关键点定位技术获取电源插头模块上的特征点所在的像素点平面坐标值(A0，B0)，将其作为图像识别的参考零位；
(2.3)设置机械臂执行插电动作终止位的参考零位：在现场手动操作执行机械臂，使鱼雷罐接电装置完成插电动作，电源插头和电源插座贴紧，活动拉钩紧紧勾住矩形拉块；工记录下当前执行机械臂的坐标值(X1，Y1，Z1)，并将该坐标值的X1、Z1值归零，Y值不变(X0，Y1，Z0)；激光测距单元测量方向与机械臂坐标系上的Y轴平行，插座位置识别算法软件读取当前激光测距单元测量值，设其为Y0；坐标值(X0，Y1，Z0)与Y0为机械臂执行插电动作终止位的参考零位；
(3)识别电源插座
当新的鱼雷罐车驶入工位制动后，电源插头模块上的特征点会产生新的像素点平面坐标值(An，Bn)和激光测距单元测量值Yn；计算机械臂执行插电动作终止位坐标值为X、Y、Z，其数值分别为：(An-A0)*D1+X0、Yn-Y0+Y1、(Bn-B0)*D1+Z0；
(4)执行机械臂自动插电动作
操作人员在工业级计算机上发出自动插电命令，工业级计算机将插电动作终止位坐标值通过数据通讯控制模块内的可编程逻辑控制器(PLC)传送给工业机器人模块的控制单元，控制其执行机械臂运行至该终止坐标位；然后气缸驱动部件驱动插头松紧机构和拉钩松紧机构，使电源插头本体和插座本体的对接面相互贴合并实现锁紧，完成鱼雷罐接电装置插电动作；
(5)执行机械臂拔电动作
鱼雷罐接电装置上电后开始摇罐出铁水，等铁水出完或者达到要求重量后，鱼雷罐开始回摇；回摇结束后，操作人员在工业级计算机上发出自动断电命令，工业级计算机通过数据通讯控制模块控制气缸驱动部件驱动插头松紧机构和拉钩松紧机构，使电源插头本体和插座本体解锁并相互松脱，工业机器人模块的控制单元控制其执行机械臂带动电源插头模块归位，完成鱼雷罐接电装置拔电动作。
作为本发明的优选方案，所述电源插头模块包括一个凹形金属滑板，在电源插头本体的两侧分别设有一个横向的矩形卡槽，凹形金属滑板的两侧长边装于矩形卡槽内且中部短边位于电源插头本体的后侧，凹形金属滑板能沿矩形卡槽在允许范围内前后滑动；
所述插头松紧机构包括插头松紧气缸和第二气缸固定支架，插头松紧气缸通过第二气缸固定支架固定在于凹形金属滑板的中间部边上，插头松紧气缸活塞杆与电源插头本体连接，电源插头本体能随活塞杆相对于凹形金属滑板做前后活动；
所述拉钩松紧机构包括第一气缸固定支架和设于凹形金属滑板两端的活动拉钩、以及与活动拉钩配对的拉钩松紧气缸和松紧支架；活动拉钩与凹形金属滑板通过销轴连接，活动拉钩尾部装有一根弹簧，使活动拉钩能以销轴为旋转中心在允许范围内转动；拉钩松紧气缸通过第一气缸固定支架固定在电源插头本体上，松紧支架上端固定于拉钩松紧气缸的活塞杆上，下端与活动拉钩的尾部相连；当活塞杆收缩时活动拉钩前端向下运动，后端向上运动，当活塞杆推出时则反之；在插座本体两侧各装有一个具有矩形槽的矩形拉块，矩形槽的位置和尺寸与活动拉钩的前端钩部相匹配；
在执行机械臂自动插电动作的过程中，当电源插头模块插向电源插座时，凹形金属滑板两端的活动拉钩沿电源插座两侧的矩形拉块内的矩形槽插入，同时电源插头的导向销孔沿电源插座的导向轴插入；当电源插头和电源插座的对接面靠近至预设距离时，拉钩松紧气缸的活塞杆推出，使活动拉钩前端向上运动，同时插头松紧气缸活塞杆推出，使电源插头和电源插座的对接面相互贴紧；此时活动拉钩紧紧勾住矩形拉块，完成鱼雷罐接电装置插电动作。
作为本发明的优选方案，在执行机械臂自动拔电动作的过程中，当电源插头拔出时，插头松紧气缸活塞杆收回，使电源插头和电源插座分离，同时活动拉钩与矩形拉块分离，拉钩松紧气缸的活塞杆收回，使活动拉钩前端向下运动，活动拉钩沿电源插座两侧的矩形拉块内的矩形槽拔出，同时电源插头的导向销孔沿电源插座的导向轴拔出，完成鱼雷罐接电装置自动拔电动作。
作为本发明的优选方案，在采用基于深度学习的目标识别及关键点定位技术时，整个识别过程基于级联的神经网络模型实现。
作为本发明的优选方案，所述电源插头模块上的特征点是设于插座本体上的导向轴的圆端面圆心点。
作为本发明的优选方案，所述导向销孔设于电源插头本体底部，导向轴设于插座本体底部，导向轴垂直地伸出于插座本体的对接面，能自由插入导向销孔中。
作为本发明的优选方案，所述插头松紧气缸和拉钩松紧气缸是单轴复动气缸。
作为本发明的优选方案，所述电源插头模块还包括十字运动机构，所述电源插头本体通过十字运动机构固定安装在工业机器人的执行机械臂上，电源插头本体能在允许范围内进行横向或纵向方向上的位移。
作为本发明的优选方案，所述十字运动机构包括纵向直线运动单元、横向直线运动单元和连接板；其中，
纵向直线运动单元由第一直线滑块、第一直线导轨、第一滑轨底座、支撑弹簧组成；滑轨底座与连接板相连，用于与工业机器人的执行机械臂安装面固定连接；第一直线导轨垂直固定于第一滑轨底座内并能沿第一直线导轨垂直滑动，支撑弹簧装于第一直线滑块下方能使第一直线滑块向下作一定范围的缓冲滑动；
横向直线运动单元由第二直线滑块、第二直线导轨、第二滑轨底座、一对缓冲气弹簧和转接板组成；第二直线滑块通过转接板与第一直线滑块相连，第二直线导轨横向固定于第二滑轨底座上，第二直线滑块能沿第二直线导轨横向滑动，第二直线导轨固定于第二滑轨底座上，第二滑轨底座(通过第一气缸固定支架)与电源插头本体固定连接；一对缓冲气弹簧分别置于第二直线滑块两侧；当缓冲气弹簧自由伸长状态时第二直线滑块能被限位于中间不动，当第二直线滑块和第二直线导轨因外力发生横向滑动后，缓冲气弹簧在外力消失后，可立即使第二直线滑块回到中间位置。
作为本发明的优选方案，所述电源插座与电源插头模块的对接面上，分别具有相互配合的凸出部位和凹陷部位；当完成对接后，彼此相互契合。
作为其它可选方案：
工业机器人模块由执行机械臂与控制单元组成，优先采用六轴机器人，执行机械臂安装于具有承重功能的地基上；电源插头模块固定在工业机器人的执行机械臂第六轴上。
电源插头模块可快速从机械臂上拆卸下来，以保证设备故障时可更换为人工插电，不影响现场生产，十字运动机构中的连接板被紧固在执行机械臂第六轴上，十字运动机构中的第一滑轨底座与连接板采用螺钉连接，卸去该螺钉可快速从机械臂上拆卸下来。
所述系统控制模块包括一个室内控制柜，其内部集成了各功能装置。其中，工业现场处理控制单元用于接收数据通讯模块上传的插座图像、插座深度数据，并实现信号预处理、输出控制信号以及与工业级计算机通讯；工业级计算机内装有插座位置识别算法软件、自动插拔控制软件；电源管理单元为系统中各模块提供电源。
所述数据通讯控制模块包括一个室外控制箱，其内部集成了各功能装置：其中，可编程逻辑控制器(PLC)用于接收插座识别定位模块上传的插座位置数据信号，并实现信号预处理、输出控制信号以及与工业机器人模块的控制单元、工业级计算机的通讯；电气控制单元根据PLC发送的控制信息控制电源插头模块内的各个气缸动作，并实现系统的电缆连接。
所述插座识别定位模块包括高清摄像单元、激光测距单元、地面支架。高清摄像单元和激光测距单元固定于地面支架上，高清摄像单元和激光测距单元安装方向与鱼雷罐车行驶方向垂直，高清摄像单元正对于电源插座下方的导向轴，使高清摄像单元拍摄到的画面能清晰分辨出导向轴的圆端面以及电源插座整个外形框架，激光测距单元安装在高清摄像单元正上方，激光测距单元打出的激光红点停留在电源插座上方。高清摄像单元优先采用工业摄像机，具有自动对焦功能，其采集的电源插座图像信息通过数据通讯控制模块上传至工业级计算机；激光测距单元测量鱼雷罐车上电源插座安装面实时距离，该数据通过数据通讯控制模块上传至工业级计算机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，只需在鱼雷罐车上的电源插座上设置简单的辅助对接和锁紧部件，无需复杂改造；利用高清摄像单元和激光测距单元作为插座识别定位模块大大简化了对接位置操控的成本，从整体上降低了设备维护成本以及鱼雷罐车在行驶过程中发生的不可控故障的发生。
2、本发明基于深度学习的目标识别及关键点定位技术，整个识别过程基于级联的神经网络模型实现，能识别所有已知的鱼雷罐电源插座，识别速度快，精度高。
3、对电源插头的对接和锁紧机构提出了创新的设计，能够使电源插头本体和插座本体的对接面能够完美贴合并实现锁紧，避免接电、供电和拔电的过程中出现松脱而导致生产事故。
4、本发明特别设计的十字运动机构能够消除实际生产过程中电源插座振动、上下运动带来的故障隐患，保证了设备稳定使用。
附图说明
图1为本发明的总体框架示意图。
图2为本发明的电源插座示意图。
图3为本发明的电源插头模块示意图。
图4为本发明的电源插头本体示意图。
图5为本发明的拉钩松紧机构及插头松紧机构示意图。
图6为本发明的十字运动机构示意图。
图7为本发明的十字运动机构的纵向直线运动单元示意图。
图中的附图标记为：1电源插座；11插座本体；12矩形拉块；13导向轴；2、工业机器人模块；21、执行机械臂；22、控制单元；3、电源插头模块；31、电源插头本体；31a、矩形插头；31b、导向销孔；31c、凹形金属滑板；31d、一对活动拉钩；31e、弹簧；31f、销轴；32、拉钩松紧机构；32a、拉钩松紧气缸；32b、第一气缸固定支架；32c、松紧支架；33、插头松紧机构；33a、插头松紧气缸；33b、第二气缸固定支架；34、十字运动机构；34a、纵向直线运动单元；34b、横向直线运动单元；34c、连接板；34d、第一直线滑块；34e、第一直线导轨；34f、第一滑轨底座；34g、支撑弹簧；34h、第二直线滑块；34i、第二直线导轨；34j、第二滑轨底座；34k、一对缓冲气弹簧；34m、转接板；4、系统控制模块；5、数据通讯控制模块；6、插座识别定位模块；61、高清摄像单元；62、激光测距单元；63、地面支架。
具体实施方式
首先需要说明的是，本发明涉及计算机控制、图像识别与处理以及大数据分析与学习技术，是计算机技术在工业控制领域的一种应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的技能实现本发明。例如，插座位置识别算法软件、基于深度学习的目标识别技术、关键点定位技术、级联的神经网络模型、自动插拔控制软件，等等。本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统的一部分及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本申请中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明中所使用的各电气、摄像、激光等模块均为现有技术，可从市场公开采购，故对其具体结构、性能等参数不再赘述。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
1、系统功能架构及模块组成：
本发明总体技术方案为：第一、利用高清摄像仪对电源插座进行图像信号采集，根据电源插座外形轮库的固有特征，结合深度学习的目标识别技术对电源插座匹配识别；再根据插座上导向轴圆形轮廓，结合关键点定位技术在图像上定位识别出该圆心位置作为电源插座插入时的参考点。第二、利用激光测距仪对电源插座安装面进行距离信号采集。以上2个信号数据用于确定执行机械臂第六轴终止位，结合对电源插头结构改造实现鱼雷罐接电装置的自动插拔控制，最终达到既能提高自动化生产水平，满足智能制造的需求，又能节省人力，从而最大程度地避免出现安全事故后的人员伤亡。
如图1所示，一种鱼雷罐接电装置自动插拔系统，由电源插座1、工业机器人模块2、电源插头模块3、系统控制模块4、数据通讯控制模块5、插座识别定位模块6组成。电源插座1固定于鱼雷罐车侧面；工业机器人模块2由执行机械臂21与控制单元22组成，优先采用六轴机器人，执行机械臂安装于具有承重功能的地基上；电源插头模块3固定在工业机器人的执行机械臂的第六轴上。
如图2所示，所述电源插座1连接着鱼雷罐车的驱动电机，其与电源插头模块3的对接面平行于鱼雷罐车行驶方向；在插座本体11两侧各装有一个具有矩形槽的矩形拉块12，在插座本体11下方装有导向轴13，导向轴13为一圆柱轴，圆柱轴一圆端面朝外，与插座本体接插面平行。
如图3所示，所述电源插头模块3包括电源插头本体31、拉钩松紧机构32、插头松紧机构33和十字运动机构34。
如图4所示，电源插头本体31的前端设有矩形插头31a，另外其外部还安装有导向销孔31b、凹形金属滑板31c、一对活动拉钩31d、弹簧31e、销轴31f。导向销孔31b紧固在电源插头本体31的下方，与电源插座1下方的导向轴13配对。电源插头本体31还与供电电缆相接。电源插头本体31两侧各具有一个矩形卡槽，凹形金属滑板31c的两侧长边装于此矩形卡槽内，凹形金属滑板31c可沿矩形卡槽在允许范围内前后滑动。在凹形金属滑板31c的两端部各装有一个活动拉钩31d，活动拉钩31d的尾部装有一根弹簧31e，活动拉钩31d与凹形金属滑板31c通过销轴31f连接，活动拉钩31d以销轴31f为旋转中心，可在允许范围内转动。
如图5所示，拉钩松紧机构32包括一对拉钩松紧气缸32a、第一气缸固定支架32b、松紧支架32c。拉钩松紧气缸32a通过第一气缸固定支架32b固定在电源插头本体31上，2个拉钩松紧气缸32a可分别控制活动拉钩31d前端上下运动，拉钩松紧气缸32a选用单轴复动气缸；松紧支架32c上端固定于拉钩松紧气缸32a的活塞杆上，与活塞杆一起运动，下端拉住活动拉钩31d的尾部，当活塞杆收缩时活动拉钩31d前端向下运动，后端向上运动，当活塞杆推出时则反之。
如图5所示，插头松紧机构33包括一个插头松紧气缸33a、第二气缸固定支架33b。插头松紧气缸33a通过第二气缸固定支架33b固定于凹形金属滑板31c后端，插头松紧气缸33a的活塞杆与电源插头本体31连接，电源插头本体31可随活塞杆前后活动，插头松紧气缸33a选用单轴复动气缸。
如图6、7所示，十字运动机构34包括纵向直线运动单元34a、横向直线运动单元34b、连接板34c。纵向直线运动单元34a由第一直线滑块34d、第一直线导轨34e、第一滑轨底座34f、支撑弹簧34g组成。第一滑轨底座34f通过连接板34c固定于工业机器人的执行机械臂第六轴的安装面上，第一直线导轨34e垂直固定于第一滑轨底座34f内，第一直线滑块34d可沿第一直线导轨34e垂直滑动，支撑弹簧34g装于第一直线滑块34d下方，支撑弹簧34g可使第一直线滑块34d向下作一定的缓冲滑动。横向直线运动单元34b由第二直线滑块34h、第二直线导轨34i、第二滑轨底座34j、一对缓冲气弹簧34k、转接板34m组成。第二直线滑块34h通过转接板34m与第一直线滑块34d相连，第二直线导轨34i横向固定于第二滑轨底座34j上，第二直线滑块34h可沿第二直线导轨34i横向滑动，第二直线导轨34i固定于第二滑轨底座34j上，第二滑轨底座34j固定于第一气缸固定支架32b上。一对缓冲气弹簧34k分别置于第二直线滑块34h两侧，当缓冲气弹簧34k自由伸长状态时，第二直线滑块34h被限位与中间不动，当第二直线滑块34h和第二直线导轨34i因外力发生横向滑动后，缓冲气弹簧34k在外力消失后，可立即使第二直线滑块34h回到中间位置。基于上述设计，十字运动机构34可以使电源插头模块3具有上下左右的缓冲空间。
十字运动机构34中的连接板被紧固在执行机械臂第六轴上，十字运动机构中的第一滑轨底座34f与连接板34c采用螺钉连接，卸去该螺钉可快速从机械臂上拆卸下来。因此，电源插头模块3可快速从机械臂上拆卸下来，以保证设备故障时可更换为人工插电，不影响现场生产。
系统控制模块包括一个室内控制柜，其内部集成了下述功能装置：工业级液晶显示器件、工业级计算机、工业现场处理控制单元、电源管理单元。其中，工业现场处理控制单元，用于接收数据通讯模块上传的插座图像、插座深度数据，并实现信号预处理、输出控制信号以及与工业级计算机通讯；工业级计算机内装有插座位置识别算法软件、自动插拔控制软件；电源管理单元，为系统中各模块提供电源。
数据通讯控制模块包括一个室外控制箱，其内部集成了下述功能装置：可编程逻辑控制器(PLC)、电气控制单元。其中，PLC用于接收插座识别定位模块上传的插座位置数据信号，并实现信号预处理、输出控制信号以及与工业机器人模块的控制单元、工业级计算机的通讯；电气控制单元根据PLC发送的控制信息控制电源插头模块内的各个气缸动作，并实现系统的电缆连接。
插座识别定位模块包括高清摄像单元61、激光测距单元62、地面支架63。高清摄像单元61和激光测距单元62固定于地面支架63上，高清摄像单元61和激光测距单元62安装方向与鱼雷罐车行驶方向垂直，高清摄像单元61正对于电源插座1下方的导向轴13，使高清摄像单元61拍摄到的画面能清晰分辨出导向轴13的圆端面以及电源插座1整个外形轮廓，激光测距单元62安装在高清摄像单元61正上方，激光测距单元62打出的激光红点停留在电源插座1上方。高清摄像单元61优先采用工业摄像机，具有自动对焦功能，其采集的电源插座图像信息通过数据通讯控制模块上传至工业级计算机；激光测距单元62测量鱼雷罐车上电源插座1的安装面实时距离，该数据通过数据通讯控制模块上传至工业级计算机。
基于上述鱼雷罐接电装置自动插拔系统，本发明的接电装置自动插拔方法包括以下步骤：
(1)确定鱼雷罐车驶入停止位置
雷罐车驶入工位后，调整停车位置，使插座识别定位模块中的激光测距单元发射的激光点停留在电源插座底部正上方的平面(对接面)上。鱼雷罐车停止的标准位置为激光点正好与电源插座竖直中心面重合，设该中心面为激光点标准零点。控制鱼雷罐车前后制动误差±H，保证鱼雷罐车制动误差最大时，高清摄像单元能拍摄到电源插座的完整轮廓，并能清楚识别位于电源插头模块上的特征点；本示例中，是选择设于插座本体上的导向轴的圆端面圆心点。
(2)标定电源插座的位置
鱼雷罐车驶入折铁工位时，每次制动位置都是不同的；同时，安装在不同鱼雷罐车上的电源插座的位置也是不同的。因此造成高清摄像单元拍摄到的电源插座在图片中的位置也不同，这就要求系统必须设定参考位置，通过差值计算，实现工业机器人模块的插电动作。
(2.1)标定高清摄像单元相邻两像素点的实际物理距离：高清摄像单元拍摄一张电源插座图片，选取2个可测量物理长度的特征点，量出2特征点实际物理长度D1，并计算出该2点在图片上像素点距离a，则该高清摄像单元两相邻像素点代表的实际物理距离D＝D1/a。以像素点为计量单位，设定图片xz轴坐标系，使图片x轴与执行机械臂x轴平行且正负变化方向一致，图片z轴与执行机械臂z轴平行且正负变化方向一致。x轴方向与鱼雷罐车行驶方向平行，且设鱼雷罐行驶方向为正方向；z轴垂直于地面，朝上为正方向。
(2.2)选择电源插头模块上的特定位置作为其特征点，即通过高清摄像单元识别电源插座下方的导向轴的圆端面圆心点为电源插座特征点：当鱼雷罐车驶入工位停下后，基于安装在工业级计算机中的插座位置识别算法，利用深度学习的目标识别技术实现电源插头外形轮廓的实时识别；电源插头外形轮廓识别后，插座位置识别算法利用关键点定位技术实现电源插座下方的导向轴的圆端面圆心所在的像素点平面坐标值(A0，B0)。插座位置识别算法软件记录下该坐标值，该坐标值为该像素点在整个拍摄画面中的坐标值，是图像识别的参考零位。插座位置识别算法软件采用基于深度学习的目标识别及关键点定位技术，整个识别过程基于级联的神经网络模型实现，计算识别过程可以在10秒内完成，完全能够满足生产需求。
(2.3)设置机械臂执行插电动作终止位的参考零位：在现场手动操作执行机械臂，使鱼雷罐接电装置完成插电动作，电源插头和电源插座贴紧，活动拉钩紧紧勾住矩形拉块；安装在工业级计算机上的插座位置识别算法软件记录下当前执行机械臂第六轴坐标值(X1，Y1，Z1)，并将该坐标值的X1、Z1值归零，Y值不变(X0，Y1，Z0)；激光测距单元测量方向与机械臂坐标系上的Y轴平行，插座位置识别算法软件读取当前激光测距单元测量值，设其为Y0；坐标值(X0，Y1，Z0)与Y0为机械臂执行插电动作终止位的参考零位。
(3)识别电源插座
上述电源插座位置参考零位标定后，当新的鱼雷罐车驶入工位制动后，会产生新的导向轴的圆端面圆心所在的像素点平面坐标值(An，Bn)、激光测距单元测量值Yn，工业级计算机内装的插座位置识别算法软件通过计算，机械臂执行插电动作终止位坐标值为X、Y、Z分别为：(An-A0)*D1+X0、Yn-Y0+Y1、(Bn-B0)*D1+Z0；
(4)执行机械臂自动插电动作
安装在工业级计算机上的自动插拔控制软件接收到机械臂执行插电动作终止位坐标值后，立即以弹窗模式通知操作人员，可以开始执行插电动作。操作人员按下自动插拔控制软件上的“自动插”按钮后，工业级计算机将这一新的坐标值通过数据通讯控制模块内的可编程逻辑控制器(PLC)传送给工业机器人模块的控制单元，工业机器人模块的执行机械臂第六轴运行至该终止坐标位。在执行机械臂自动插电动作的过程中，当电源插头模块插向电源插座时，凹形金属滑板两端的活动拉钩沿电源插座两侧的矩形拉块内的矩形槽插入，同时电源插头的导向销孔沿电源插座的导向轴插入；当电源插头和电源插座的对接面靠近至预设距离时，拉钩松紧气缸的活塞杆推出，使活动拉钩前端向上运动，同时插头松紧气缸活塞杆推出，使电源插头和电源插座的对接面相互贴紧；此时活动拉钩紧紧勾住矩形拉块，完成鱼雷罐接电装置插电动作。
(5)执行机械臂拔电动作
鱼雷罐接电装置上电后，鱼雷罐可以开始摇罐出铁水，等铁水出完或者出到要求重量后，鱼雷罐开始回摇，回摇结束后，要求将鱼雷罐接电装置断开电源，需要执行机械臂拔电动作。操作人员按下自动插拔控制软件上的“自动拔”按钮后，插头松紧气缸活塞杆收回，使电源插头和电源插座分离，同时活动拉钩与矩形拉块分离，拉钩松紧气缸的活塞杆收回，使活动拉钩前端向下运动，活动拉钩可沿电源插座两侧的矩形拉块内的矩形槽拔出，同时电源插头下端的销孔可沿电源插座下方的导向轴拔出，完成鱼雷罐接电装置拔电动作。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种鱼雷罐接电装置自动插拔方法，其特征在于，该方法是基于鱼雷罐接电装置自动插拔系统而实现的，该系统包括固定在鱼雷罐车侧面的电源插座，电源插座通过线缆与鱼雷罐车的驱动电机相连，电源插座与电源插头模块的对接面平行于鱼雷罐车的行驶方向；该系统还包括工业机器人模块、电源插头模块、系统控制模块、数据通讯控制模块、插座识别定位模块；
所述工业机器人模块包括工业机器人的执行机械臂及其控制单元，用于与电源插座对接的电源插头模块固定在执行机械臂上；
所述电源插头模块包括电源插头本体、导向销孔和对接锁紧机构；其中，导向销孔设于电源插头本体上，与电源插座中设于插座本体上的导向轴共同组成辅助定位机构；对接锁紧机构包括具有气缸驱动部件的插头松紧机构和拉钩松紧机构，用于使电源插头本体和插座本体的对接面能够贴合并实现锁紧；电源插头本体与供电电缆相连；
所述插座识别定位模块包括高清摄像单元和激光测距单元，两者设于工业机器人模块同侧且垂直于鱼雷罐车的行驶方向设置；
所述数据通讯控制模块包括可编程逻辑控制器和电气控制单元；
所述系统控制模块包括工业级液晶显示器件、工业级计算机、工业现场处理控制单元和电源管理单元；
所述工业机器人模块、插座识别定位模块和数据通讯控制模块通过线缆连接至系统控制模块，工业机器人模块和数据通讯控制模块通过线缆连接；所述电源插头模块中的气缸通过气路接至数据通讯控制模块，后者与气源相连；系统控制模块和工业机器人模块的控制单元分别通过线缆与交流电源相连；
所述鱼雷罐接电装置自动插拔方法，具体包括以下步骤：
（1）确定鱼雷罐车驶入停止位置
鱼雷罐车驶入工位后，调整停车位置，使激光测距单元发射的激光点停留在电源插座的对接面上；控制鱼雷罐车前后制动误差，保证高清摄像单元能拍摄到电源插座的完整轮廓，并能清楚识别位于电源插头模块上的特征点；
（2）标定电源插座的位置
（2.1）标定高清摄像单元相邻两像素点的实际物理距离：高清摄像单元拍摄一张电源插座图片，选取图片中2个可测量物理长度的特征点，量出两个特征点实际物理长度D1，并计算出二者在图片上像素点距离a，获得高清摄像单元两相邻像素点代表的实际物理距离D=D1/a；以像素点为计量单位，设定图片xz轴坐标系，使图片x轴与执行机械臂x轴平行且正负变化方向一致，图片z轴与执行机械臂z轴平行且正负变化方向一致；x轴方向与鱼雷罐车行驶方向平行，且设鱼雷罐行驶方向为正方向；z轴垂直于地面，朝上为正方向；
（2.2）选择电源插头模块上的特定位置作为其特征点：在利用深度学习的目标识别技术实现电源插头外形轮廓的实时识别后，利用关键点定位技术获取电源插头模块上的特征点所在的像素点平面坐标值（A0，B0），将其作为图像识别的参考零位；
（2.3）设置机械臂执行插电动作终止位的参考零位：在现场手动操作执行机械臂，使鱼雷罐接电装置完成插电动作，电源插头和电源插座贴紧，活动拉钩紧紧勾住矩形拉块；工记录下当前执行机械臂的坐标值（X1，Y1，Z1），并将该坐标值的X1、Z1值归零，Y值不变（X0，Y1，Z0）；激光测距单元测量方向与机械臂坐标系上的Y轴平行，插座位置识别算法软件读取当前激光测距单元测量值，设其为Y0；坐标值（X0，Y1，Z0）与Y0为机械臂执行插电动作终止位的参考零位；
（3）识别电源插座
当新的鱼雷罐车驶入工位制动后，电源插头模块上的特征点会产生新的像素点平面坐标值（An，Bn）和激光测距单元测量值Yn；计算机械臂执行插电动作终止位坐标值为X、Y、Z，其数值分别为：（An-A0）×D1+X0、Yn- Y0+ Y1、（Bn-B0）× D1+Z0；
（4）执行机械臂自动插电动作
操作人员在工业级计算机上发出自动插电命令，工业级计算机将插电动作终止位坐标值通过数据通讯控制模块内的可编程逻辑控制器传送给工业机器人模块的控制单元，控制其执行机械臂运行至该终止坐标位；然后气缸驱动部件驱动插头松紧机构和拉钩松紧机构，使电源插头本体和插座本体的对接面相互贴合并实现锁紧，完成鱼雷罐接电装置插电动作；
（5）执行机械臂拔电动作
鱼雷罐接电装置上电后开始摇罐出铁水，等铁水出完或者达到要求重量后，鱼雷罐开始回摇；回摇结束后，操作人员在工业级计算机上发出自动断电命令，工业级计算机通过数据通讯控制模块控制气缸驱动部件驱动插头松紧机构和拉钩松紧机构，使电源插头本体和插座本体解锁并相互松脱，工业机器人模块的控制单元控制其执行机械臂带动电源插头模块归位，完成鱼雷罐接电装置拔电动作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电源插头模块包括一个凹形金属滑板，在电源插头本体的两侧分别设有一个横向的矩形卡槽，凹形金属滑板的两侧长边装于矩形卡槽内且中部短边位于电源插头本体的后侧，凹形金属滑板能沿矩形卡槽在允许范围内前后滑动；
所述插头松紧机构包括插头松紧气缸和第二气缸固定支架，插头松紧气缸通过第二气缸固定支架固定在于凹形金属滑板的中间部边上，插头松紧气缸活塞杆与电源插头本体连接，电源插头本体能随活塞杆相对于凹形金属滑板做前后活动；
所述拉钩松紧机构包括第一气缸固定支架和设于凹形金属滑板两端的活动拉钩、以及与活动拉钩配对的拉钩松紧气缸和松紧支架；活动拉钩与凹形金属滑板通过销轴连接，活动拉钩尾部装有一根弹簧，使活动拉钩能以销轴为旋转中心在允许范围内转动；拉钩松紧气缸通过第一气缸固定支架固定在电源插头本体上，松紧支架上端固定于拉钩松紧气缸的活塞杆上，下端与活动拉钩的尾部相连；当活塞杆收缩时活动拉钩前端向下运动，后端向上运动，当活塞杆推出时则反之；在插座本体两侧各装有一个具有矩形槽的矩形拉块，矩形槽的位置和尺寸与活动拉钩的前端钩部相匹配；
在执行机械臂自动插电动作的过程中，当电源插头模块插向电源插座时，凹形金属滑板两端的活动拉钩沿电源插座两侧的矩形拉块内的矩形槽插入，同时电源插头的导向销孔沿电源插座的导向轴插入；当电源插头和电源插座的对接面靠近至预设距离时，拉钩松紧气缸的活塞杆推出，使活动拉钩前端向上运动，同时插头松紧气缸活塞杆推出，使电源插头和电源插座的对接面相互贴紧；此时活动拉钩紧紧勾住矩形拉块，完成鱼雷罐接电装置插电动作。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在执行机械臂自动拔电动作的过程中，当电源插头拔出时，插头松紧气缸活塞杆收回，使电源插头和电源插座分离，同时活动拉钩与矩形拉块分离，拉钩松紧气缸的活塞杆收回，使活动拉钩前端向下运动，活动拉钩沿电源插座两侧的矩形拉块内的矩形槽拔出，同时电源插头的导向销孔沿电源插座的导向轴拔出，完成鱼雷罐接电装置自动拔电动作。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用基于深度学习的目标识别及关键点定位技术时，整个识别过程基于级联的神经网络模型实现。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电源插头模块上的特征点是设于插座本体上的导向轴的圆端面圆心点。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导向销孔设于电源插头本体底部，导向轴设于插座本体底部，导向轴垂直地伸出于插座本体的对接面，能自由插入导向销孔中。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插头松紧气缸和拉钩松紧气缸是单轴复动气缸。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电源插头模块还包括十字运动机构，所述电源插头本体通过十字运动机构固定安装在工业机器人的执行机械臂上，电源插头本体能在允许范围内进行横向或纵向方向上的位移。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述十字运动机构包括纵向直线运动单元、横向直线运动单元和连接板；其中，
纵向直线运动单元由第一直线滑块、第一直线导轨、第一滑轨底座、支撑弹簧组成；滑轨底座与连接板相连，用于与工业机器人的执行机械臂安装面固定连接；第一直线导轨垂直固定于第一滑轨底座内并能沿第一直线导轨垂直滑动，支撑弹簧装于第一直线滑块下方能使第一直线滑块向下作一定范围的缓冲滑动；
横向直线运动单元由第二直线滑块、第二直线导轨、第二滑轨底座、一对缓冲气弹簧和转接板组成；第二直线滑块通过转接板与第一直线滑块相连，第二直线导轨横向固定于第二滑轨底座上，第二直线滑块能沿第二直线导轨横向滑动，第二直线导轨固定于第二滑轨底座上，第二滑轨底座与电源插头本体固定连接；一对缓冲气弹簧分别置于第二直线滑块两侧；当缓冲气弹簧自由伸长状态时第二直线滑块能被限位于中间不动，当第二直线滑块和第二直线导轨因外力发生横向滑动后，缓冲气弹簧在外力消失后，可立即使第二直线滑块回到中间位置。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电源插座与电源插头模块的对接面上，分别具有相互配合的凸出部位和凹陷部位；当完成对接后，彼此相互契合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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