CN115582817A - 一种铁轨扣件检修机器人系统和铁轨扣件检修方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铁轨扣件检修机器人系统和铁轨扣件检修方法，设计了全自动化的螺栓与扣件检修一体化的机器人系统，采用高精度三维相机检测加定位的模式，采用新算法点云配准算法，计算扣件变形尺度，判断螺栓松紧的程度，配合自适应电动扳手拧紧螺栓，设计的双爪手机械臂模块用于对螺栓与扣件的更换操作，建立的智能运维模块，使铁路检修数据化，网格化，高效化，能够在铁路长时间的服役过程中实现精准维修，对于节省维修成本有很大的帮助，整套设备提高了铁路自动化机械的水平，进行功能融合创新，减少劳动力使用，提高工作效率以及作业精度，对于铁路自动化发展起到了非常有益的作用。

Description

一种铁轨扣件检修机器人系统和铁轨扣件检修方法

技术领域

本发明涉及轨道自动检修技术领域，尤其涉及一种铁轨扣件检修机器人系统和铁轨扣件检修方法。

背景技术

目前高铁或普铁上的检修工作，尤其对于扣件和螺栓的维修工作多以人工维修为主，工人们多使用重量较大的手推式内燃机螺栓扳手作业，检测方式大多是靠个人经验判断，或者交由检修班的工人完成，并没有全自动化机械来完成这些工作。检测方式大致有几种：1.人眼观察。这种方式依靠工人个人经验，往往不能一眼完成判断，有时候需要用扳手进行试拧，这样就降低了工作效率，而且不易在夜间作业，对于高铁这种往往只有夜间是维修空窗期的工况，就只能占用运行时间，降低运营效率提高了维修成本。2.敲击判断加观察。该方式指工人们使用螺栓扳手或铁锤击打铁轨或螺栓，从回音中判断螺栓的松紧状况，这也很大程度上依赖于工人经验，对于新手来说，往往不能判断准确漏判误判，降低了维修效率，花费时间变长。3.超声波接触式检测。目前用超声波技术检测螺栓松紧程度已经较成熟，通过发射超声波，处理接收的波形判断螺栓松紧或损伤结果可靠。然而该方式依然存在缺陷，例如只能通过接触测量才能保证结果的准确性，每次只能检测单个螺栓松紧且耗费时间较长，不利于长路线的检修工作，整套设备配件较多，不利于搬运，总的来说，此方式虽然提高了检测的准确率，但是对于大规模长距离的检修路线来说依然没有提高工作效率，不适用于高铁线路的检修。4.机器视觉检测。现阶段没有完全自主运行的检修机械产品能够独立完成检测与维修的工作，大多需要人力配合，或将摄像机挂靠在检修列车上进行检测，手推式机械作业，检修工作劳动强度较大，由于相机自身工作条件原因，也会受天气影响。

目前,对于轨道线路状态的检测仍以人工巡检的方式为主,通过人工目视或推持巡检小车，利用人工经验或超声波检测、电涡流检测、漏磁检测等方法对线路的安全状态进行检测。该传统方法虽简单易行但效率低下，检测结果会受作业人员的经验、专业素质等主观影响。此外，由于地铁车辆运行空间内环境较为恶劣，传统检测方法还有可能危及作业人员的人身安全。上述各个检测方法大多针对螺栓检修方案，现阶段针对扣件松紧尺度的检修并没有细致的检测方法，有针对扣件缺失和缺陷方面的检测，各个铁路局一般是到一定的时间进行大修，平时的维护并没有做的很好。

中国发明专利公开说明书CN112025281A公开了一种轨道扣件机器人自动化拧紧系统及方法。包括轨道车、轨道车定位模块、扣件及轨道检测模块、伺服电动拧紧机模块、弯头拧紧机器人模块、通信模块、工作站模块、管理服务器模块，轨道车定位模块用于定位轨道车的位置信息，扣件及轨道检测模块用于检测待检测钢轨的裂纹损伤以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩，工作站模块用于根据轨道车的位置信息以及轨道扣件螺栓的锁紧力矩值判定待拧紧轨道扣件螺栓、计算待拧紧轨道扣件螺栓的位置信息，并根据轨道扣件螺栓的方位控制相应拧紧机对待拧紧轨道扣件螺栓进行拧紧或更换。该专利没有扣件松紧度检测的流程，只注重了扣件缺陷时刻的更换操作，并没有做到对扣件松紧度状态的精确评估而进行维修操作。

发明内容

本发明的实施例提供了一种铁轨扣件检修机器人系统和铁轨扣件检修方法，用于解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种铁轨扣件检修机器人系统，包括移动底盘和安装在该移动底盘上的螺栓扣件检测松紧模块、螺栓扣件更换模块和智能运维模块；

螺栓扣件检测松紧模块具有高精度面结构光三维相机和扳手装置，高精度面结构光三维相机用于获取螺栓扣件中心的空间位置信息，以及获取螺栓扣件的松紧状态信息和/或缺损状态信息，并传输到智能运维模块；扳手装置包括第一驱动器、第二驱动器和扳手，第一驱动器用于驱动扳手接触/远离螺栓扣件，第二驱动器用于驱动扳手旋转，使得螺栓扣件松开/紧固；

螺栓扣件更换模块包括机械臂和螺栓扣件收纳盒，机械臂用于将铁路轨道上被扳手松开的螺栓扣件移动至螺栓扣件收纳盒内，以及用于将螺栓扣件收纳盒内的螺栓扣件备件移动至铁路轨道的安装位置内；

智能运维模块用于获取并上传铁轨扣件检修机器人系统的位置信息、螺栓扣件的健康状态信息，还用于建立螺栓扣件的档案，以及向移动底盘、螺栓扣件检测松紧模块和螺栓扣件更换模块发送控制指令。

优选地，高精度面结构光三维相机获取螺栓扣件的松紧状态信息的过程包括：

基于获取的螺栓扣件的弹条区域原始点云数据，通过AABB和OBB包围盒算法，以及迭代最近点算法ICP，对弹条点云数据进行分割提取；

基于弹条点云数据，通过主成分分析算法PCA获取弹条的中心线数据；

基于弹条点云数据，通过随机采样一致性RANSAC算法提取螺栓扣件的螺栓的上表面点云数据，获得平面空间方程；

将弹条的中心线投影到螺栓的上表面，通过平面空间方程计算获得弹条的中心线的每个点至螺栓的上表面的距离；

通过将弹条的中心线的每个点至扣件螺栓的上表面的距离进行升序排列，获得训练数据集，并输入到神经网络中进行训练；

训练完成的神经网络用于获得螺栓扣件的松紧状态信息。

优选地，高精度面结构光三维相机获取螺栓扣件的缺损状态信息包括：

基于迭代最近点算法，通过构建螺栓扣件模板，对问题扣件进行配准操作；若配准操作后获得的均方根误差值大于预设阈值，则判定问题扣件为缺失状态或缺陷状态。

优选地，扳手装置还包括轨道支架和升降支架，轨道支架安装在移动底盘上，轨道支架具有竖向延伸布置的第一升降轨道，升降支架与第一升降轨道相配合，第一升降轨道还与第一驱动器驱动连接，第一驱动器还与轨道支架相连接；第二驱动器位于升降支架内；扳手位于升降支架的底端；

扳手包括扳手头、关节头和十字型轴销；扳手头一端用于与螺栓扣件相配合，另一端具有一对间隔布置的第一轴耳，第一轴耳具有相互对应的第一轴孔；关节头一端用于连接第二驱动器，另一端具有一对间隔布置的第二轴耳，第二轴耳具有相互对应的第二轴孔；十字型轴销通过与第一轴孔和第二轴孔相配合，使得扳手头和关节头相互活动连接；

关节头内具有轴向设置的弹簧，弹簧一端用于连接十字型轴销。

优选地，移动底盘的两侧分别设置一对扳手装置。

优选地，螺栓扣件更换模块还包括：安装在移动底盘上的水平轨道，与水平轨道相配合的第三驱动器，机械臂安装在第三驱动器上；与螺栓扣件收纳盒并排布置的螺栓扣件回收盒，螺栓扣件收纳盒和螺栓扣件回收盒分别具有第一预设工位和第二预设工位，智能运维模块存储有第一预设工位和第二预设工位的三维坐标点位信息，并基于第一预设工位的三维坐标点位信息、第二预设工位的三维坐标点位信息和获取的螺栓扣件中心的空间位置信息，控制机械臂执行如下作业过程：移动到第一预设工位抓取螺栓扣件备件，将抓取的螺栓扣件备件移动到轨道的安装位置；和/或，抓取轨道的安装位置的缺陷螺栓扣件，并移动到第二预设工位落入螺栓扣件回收盒内。

优选地，机械臂具有一对间隔布置的夹头，夹头的位置相互对应，朝向相同。

优选地，移动底盘具有柴油动力装置，用于驱动移动底盘在铁路轨道上移动，以及为螺栓扣件检测松紧模块、螺栓扣件更换模块和智能运维模块提供电力。

第二方面，本发明提供一种铁轨扣件检修方法，通过上述的铁轨扣件检修机器人系统实施，包括：

启动铁轨扣件检修机器人系统，使得铁轨扣件检修机器人系统沿铁路轨道移动；

通过高精度面结构光三维相机获取螺栓扣件的松紧状态信息和/或缺损状态信息，基于螺栓扣件的松紧状态信息，判断螺栓扣件是否为待拧紧状态或待更换状态，和/或，基于螺栓扣件的缺损状态信息，判断螺栓扣件是否需要更换；

当判断结果为待拧紧状态时，通过扳手装置旋转螺栓扣件，使得螺栓扣件紧固；

当判断结果为待更换状态时，通过扳手装置松脱螺栓扣件，通过机械臂移除松脱的螺栓扣件，通过机械臂从螺栓扣件收纳盒中取出螺栓扣件备件放入铁路轨道的安装位置内，通过扳手装置旋转螺栓扣件备件，使得螺栓扣件备件紧固；

当判断结果为需要更换螺栓扣件时，通过扳手装置松脱螺栓扣件，通过机械臂移除松脱的螺栓扣件，通过机械臂从螺栓扣件收纳盒中取出螺栓扣件备件放入铁路轨道的安装位置内，通过扳手装置旋转螺栓扣件备件，使得螺栓扣件备件紧固；

重复执行上述第二至第五个步骤，完成预设铁路轨道区段内所有螺栓扣件的检修，并上传获取的螺栓扣件的松紧状态信息，执行了第三个步骤至第五个步骤任意一个或多个步骤的被移除螺栓扣件数量信息和被使用的螺栓扣件备件数量信息。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供一种铁轨扣件检修机器人系统和铁轨扣件检修方法，设计了全自动化的螺栓与扣件检修一体化的机器人系统，采用高精度三维相机检测加定位的模式，采用新算法点云配准算法，计算扣件变形尺度，判断螺栓松紧的程度，配合自适应电动扳手拧紧螺栓，设计的双爪手机械臂模块用于对螺栓与扣件的更换操作，建立的智能运维模块，使铁路检修数据化，网格化，高效化，能够在铁路长时间的服役过程中实现精准维修，对于节省维修成本有很大的帮助，整套设备提高了铁路自动化机械的水平，进行功能融合创新，减少劳动力使用，提高工作效率以及作业精度，对于铁路自动化发展起到了非常有益的作用。本发明还实现了铁轨扣件及螺栓状态的高精度自动化检测，旨在减少长距离轨道扣件拆装所需的人力资源成本，提高轨道铺设和维护效率，以保证铁路系统的安全、可靠、高效运营，具有广阔的应用前景。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第一种实施例的立体示意图；

图2为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第一种实施例的另一视角立体示意图；

图3为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第一种实施例的使用状态立体示意图；

图4为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第一种实施例的使用状态的另一视角立体示意图；

图5为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第一种实施例的使用状态的前视图；

图6为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第二种实施例的使用状态立体示意图；

图7为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的扳手装置的局部放大图；

图8为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的扳手装置另一视角的示意图；

图9为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第二种实施例的螺栓扣件更换模块局部放大图；

图10为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第二种实施例的螺栓扣件更换模块的另一视角示意图；

图11为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第二种实施例的机械臂的局部放大图；

图12为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的第二种实施例的机械臂的另一视角示意图；

图13为本发明提供的一种铁轨扣件检修机器人系统的扳手装置的局部放大图，用于显示扳手头和关节头的连接关系。

图中：

1.移动底盘2.高精度面结构光三维相机3.扳手装置31.轨道支架311.第一升降轨道32.升降支架321.第一滑板33.第一驱动器34.扳手头341.第一轴耳342.第一轴孔35.关节头351.第二轴耳352.第二轴孔36.十字型轴销37.弹簧；

41.水平轨道42.第三驱动器43.机械臂431.夹头；

51.倒L型杆件52.相机罩；

6.螺栓扣件更换模块61.螺栓扣件收纳盒611.背板612.第二升降轨道62.螺栓扣件回收盒63.扣件托架631.扣件夹632.第二滑板64.第四驱动器641.丝杠；

7.电控箱8.动力装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

参见图1至13，本发明提供一种铁轨扣件检修机器人系统，包括移动底盘1和安装在该移动底盘1上的螺栓扣件检测松紧模块、螺栓扣件更换模块6和智能运维模块。

如图1至6所示，螺栓扣件检测松紧模块具有高精度面结构光三维相机2和扳手装置3，高精度面结构光三维相机2用于获取螺栓扣件中心的空间位置信息，以及获取螺栓扣件的松紧状态信息和/或缺损状态信息，并传输到智能运维模块；扳手装置3包括第一驱动器33、第二驱动器和扳手，第一驱动器33用于驱动扳手接触/远离螺栓扣件，第二驱动器用于驱动扳手旋转，使得螺栓扣件松开/紧固。

螺栓扣件更换模块6包括机械臂43和螺栓扣件收纳盒61，机械臂43用于将铁路轨道上被扳手松开的螺栓扣件移动至螺栓扣件收纳盒61内，以及用于将螺栓扣件收纳盒61内的螺栓扣件备件移动至铁路轨道的安装位置内。

智能运维模块，位于底盘上的电控箱7中，主要使用工作站，用于收集处理数据，使用控制模块，给出操作指令，实时发送机器人位置信息，上传维修数据到云服务器，对每个螺栓和扣件进行健康监测记录，建立档案判断螺栓和扣件的服役状态和是否需要维修，如果需要维修，则向移动底盘1、螺栓扣件检测松紧模块和螺栓扣件更换模块6发送相应的控制指令，对问题扣件进行更换。大数据处理分析，完成大致预测检修区段的功能。

本发明提供的系统，采用高精度三维相机检测加定位的模式，结合改进的扣件松紧度和缺失缺陷算法，计算扣件变形尺度，判断螺栓松紧的程度。改进的扣紧松紧度和缺失缺陷算法为点云配准算法。在本发明提供的优选实施例中，扣件松紧度识别过程如下：

S1轨道车在铁轨上行走，根据识别算法定位到扣件所在区域，三维相机拍照获取弹条扣件原始的点云，经过数据预处理，将点云数据通过AABB(Axis-aligned boundingbox)和OBB(Oriented Bounding Box)包围盒算法和ICP(迭代最近点算法)对完整的扣件数据进行分割提取，由于扣件的螺栓与弹条是紧挨的关系，扣件的弹条与底座的铁垫板之间由于结构光提取点云的缘故，在点云中显示是没有挨在一起的，因此根据这种关系可以分割出扣件螺栓与铁垫板，只剩下扣件弹条的区域；

S2将弹条区域的点云使用PCA(主成分分析算法)提取中心线，由于弹条是由一段60Si2Mn圆柱型钢材压铸而成的，因此根据圆柱的半径尺寸，可以经过计算弹条表面点云的法向量，这些法向量能垂直于弹条表面，因此可以将弹条表面上的点云按照法向量反向平移弹条半径的距离，完成后可以获取弹条的中心线上的点；

S3根据RANSAC(随机采样一致性)算法完成对扣件螺栓上表面的提取，获取平面的空间方程，将中心线上的点投影到该平面上，之后计算每个中心线上点到该平面的投影距离，将这些值从小到大进行排序，注意可以使用这些点云的时候可以按照统一的点数进行排序；

S4根据上一步获取的这些排序点云，生成训练集数据，传入神经网络中进行训练，保留模型参数较好的神经网络实现扣件松紧度的检测。

扣件缺失缺陷的算法的执行原理主要也是基于ICP算法的思想。首先制作标准扣件模板，对问题扣件直接进行配准，当配准后获取的RMSE(均方根误差)大于一个提前设定的阈值，认定为缺失或缺陷，然后机器人对问题扣件进行更换。

在本发明提供的优选实施例中，如图7和8所示，扳手装置3设有轨道支架3和升降支架32。轨道支架3安装在移动底盘1上，轨道支架3具有竖向延伸布置的第一升降轨道311，升降支架32与第一升降轨道311相配合，第一升降轨道311还与第一驱动器33驱动连接，第一驱动器33还与轨道支架3相连接。第二驱动器内置于所述升降支架32内，因此图中未示出。例如图7和8中所示的，轨道支架3和升降支架32为立式盒型支架结构，轨道支架3侧面具有条状开口型滑轨，升降支架32侧部具有伸入该滑轨的第一滑板321。第一驱动器33的主体安装在轨道支架3的侧部，其驱动输出端与升降支架32相连接。第一驱动器33可以使用双向气缸或者步进电机。第一升降轨道311起到导向的作用。在第一驱动器33的驱动作用下，升降支架32可以沿第一升降轨道311的延伸方向(即竖向)移动，使位于升降支架32下端的扳手能够接近/远离轨道上的扣件。

如图8和13所示，扳手采用类似万向节的结构，其包括扳手头34、关节头和十字型轴销36。扳手头34一端用于与螺栓扣件相配合，另一端具有一对间隔布置的第一轴耳341，第一轴耳341具有相互对应的第一轴孔342。关节头一端用于连接第二驱动器，另一端具有一对间隔布置的第二轴耳351，第二轴耳351具有相互对应的第二轴孔352。十字型轴销36通过分别与第一轴孔342和第二轴孔352相配合，使得扳手头34和关节头相互活动连接。扳手头34内还具有轴向设置的弹簧37，弹簧37一端用于连接十字型轴销36。采用上述设置的扳手具有自适应的功能，利用万向节的多自由度与螺栓扣件孔位的刚性，能够校正扳手头34的朝向，防止旋入孔位的螺栓扣件倾斜，以及防止拆卸扣件时因扳手头34错位产生溢扣。作业结束时，扳手头34利用其内部的弹簧37形变恢复力复位(扳手头34与关节头轴线重合)。

在本发明提供的实施例中，如图1至6以及11和12所示，机械臂43使用双爪手机械臂43模块与螺栓扣件收纳盒61，用于电动扳手与双爪手机械臂43拾起与放置螺栓和扣件，在螺栓扣件收纳盒61内更换新的螺栓和扣件，重新进行安装。例如在图11和12中，螺栓扣件更换模块6还设置了：安装在移动底盘1上的水平轨道41，与水平轨道41相配合的第三驱动器42，机械臂43安装在第三驱动器42上；以及，与螺栓扣件收纳盒61并排布置的螺栓扣件回收盒62。螺栓扣件收纳盒61和螺栓扣件回收盒62分别具有第一预设工位和第二预设工位。智能运维模块存储有第一预设工位和第二预设工位的三维坐标点位信息。智能运维模块能够基于第一预设工位的三维坐标点位信息、第二预设工位的三维坐标点位信息和获取的螺栓扣件中心的空间位置信息，控制所述机械臂43执行如下作业过程：移动到第一预设工位抓取螺栓扣件备件，将抓取的螺栓扣件备件移动到轨道的安装位置；和/或，抓取轨道的安装位置的缺陷螺栓扣件，并移动到第二预设工位落入所述螺栓扣件回收盒62内。

螺栓扣件更换模块6还设置了螺栓扣件供给机构，如图11和12所示，螺栓扣件收纳盒61内设置有立式结构的扣件托架63，该扣件托架63抵靠在螺栓扣件收纳盒61一侧的背板611上，该侧背板611还具有竖向条形镂空，构造成第二升降轨道612。扣件托架63具有竖向排列的多个扣件夹631，每个扣件夹631夹持一个螺栓扣件。螺栓扣件供给机构还具有背板611顶部区域的第四驱动器64，其输出端具有竖向的丝杠641，扣件托架63还具有贯穿第二升降轨道612并与丝杠641相配合的第二滑板632。第四驱动器64采用步进电机，第四驱动器64驱动丝杠641旋转，能够通过第二滑板632带动扣件托架63升降，第二升降轨道612起导向作用。在扣件托架63顶部区域设置第一预设工位，当该位置的扣件被取走后，第四驱动器64驱动扣件托架63提升使相邻的下方的扣件上升到第一预设工位。

第二预设工位即螺栓扣件回收盒62的口部区域。

在本发明提供的实施例中，扳手装置3设置为2组，每组设置2具，分别对应每条轨道两侧的螺栓扣件。水平轨道41是沿规矩方向布置，机械臂43通过第三驱动器42在水平轨道41上移动转换扣件安装位置。

进一步的，在一些优选的实施例中，双爪手机械臂43具体是设置一对竖向间隔布置的夹头431(爪手)，夹头431的钳口朝向相同，用于稳固夹持螺栓柱，并使其以竖向姿态安装到相应位置上。每个夹头431由三个伺服电机驱动，分别控制的整体旋转，松紧功能。

在本发明提供的实施例中，机械臂43的活动臂部分可以采用基于现有技术的结构设计，例如安装在第三驱动器42上的横向旋转机构以及多自由度活动臂，此处不再赘述。

在本发明提供的实施例中，高精度面结构光三维相机2设置多个，例如图1中所示的，高精度面结构光三维相机2设置4组，分别与电动扳手排布在同一直线上，相对铁轨扣件处于电动扳手外侧，用于支撑相机的杆件固结在移动底盘1上，可通过调整支撑杆件的长度，每个相机与竖直方向夹角大约30度朝向内侧扣件排布，相机与智能运维模块有线连接，将检测到的图像发送给智能运维模块进行处理，高精度三维相机中间还配有强闪光灯用于机器人能够在夜间实现作业。在另一个实施例中，如图6所示，支撑杆件为倒L型杆件51，其为两组，分别位于底盘的两侧，与轨道对应，该倒L型杆件51的悬臂端部具有相机罩52，内设两组高精度面结构光三维相机2，镜头朝向分别对应一条轨道两侧的螺栓扣件安装位置。

智能运维模块具体设置了电控箱7，可以位于移动底盘1的下方区域，放置工作站，无线通讯模块，北斗定位系统，电源模块。此外高精度三维相机、机械臂43、电动扳手、气缸等的控制模块，电控箱7外部有防尘罩，使用风扇散热。

本发明还提供一个优选实施例，用于示例性地显示一个本发明提供的铁轨扣减检修机器人系统。如图1、2所示，本发明提供一种铁轨扣件检修机器人系统，主要用于高铁、地铁等机务段铁轨线路螺栓与扣件的状态检测、拧紧、维修、更换等全自动化作业，预计常用工况为夜晚高铁停运的空窗期，不与白天运行期冲突。整个机器人系统包括：移动底盘1、高精度三维相机、动力系统、双爪手机械臂43、螺栓扣件收纳盒61、滑轨、电控箱7、气缸、自适应电动扳手。还包括扣件螺栓定位模块、扣件螺栓松紧检测模块、螺栓拧紧模块、螺栓与扣件更换模块以及智能运维模块等，其中，扣件螺栓定位模块，用于依据定位扣件螺栓的中心位置，通过控制车体移动将电动扳手中心与到扣件螺栓中心对齐；扣件螺栓松紧检测模块，用于检测扣件的变形尺度和螺栓的松紧状态；螺栓拧紧模块，用于螺栓的拧紧和松开；扣件更换模块，用于通过多操作末端协作拆除和新装扣件与螺栓；智能运维模块，用于收集扣件检修信息，预测扣件工作状态等。

如图1所示，移动底盘1为矩形框架结构，其有四个车轮啮合在铁轨上，车轮通过车轴连接，车轴上设有从动齿轮，由底盘(减速机的盖板)上的电机加减速器驱动后轴转动，通过同步带带动前轴转动，其中对于驱动方式设置，还可以直接由电机与减速器(图中未示出)的组合通过齿轮带动后轴，前轴处于从动状态，也可完成相应功效，底盘上设有动力装置8，具体为车载小型的柴油发电机，其为电机供电，为机器人工作提供动力支持，同时也为电动扳手与双爪手机械臂43提供动力，车轴上还连接的有角度传感器用于调整底盘的位置，首先由高精度三维相机模块检测到目标扣件，当移动底盘1到达目标扣件中心上方时，通过控制制动盘，将底盘固定在目标点位处进行操作。本发明中，移动底盘1采用轻量化的设计，车架主要使用铝合金搭建，能够达到所需的强度要求，车轴使用碳杆材质，车轮与车轴过盈配合安装，通过两端的轴承连接在移动底盘1上。

各部分的连接关系为：高精度三维相机通过支架连接在移动底盘1上，连接处使用防松螺母，高精度三维相机头部与支架连接可通过调整末端支架的角度来变动相机的倾斜角度，连接固定后则不可调节角度，电源线与数据传输线为一条线经由支架，车梁布线连接到工作站模块上；双爪手机械臂43底座通过一块滑板连接在底部的滑轨上，滑轨垂直于两侧铁轨布置，驱动滑轨的电机以及驱动机械臂43的数据线及其电源线均通过盖板上方右侧预留的方形孔向下连接到位于盖板下方的电控箱7模块里，电控箱7模块内布置有工作站、机械臂43控制、电机控制、高精度三维相机控制模块等；螺栓扣件收纳盒61里的自动运送螺栓扣件模块为无源的被动整理装置，不需要电机驱动，仅靠重力驱动即可完成整理运送的功能；移动底盘1的动力系统，由单个伺服电机通过减速器带动后轴上的从动齿轮驱动整个车体进行移动，电机安装在盖板下方左侧位置处；自适应电动扳手上方与气缸相连，通过防松螺母固结在车梁上，气缸上设有四个并行的导轨，位于四个角上用于稳定自适应电动扳手的上下运动，气缸的供气装置位于车梁内侧固定，气缸与自适应电动扳手的电源线与数据线通过车梁上的布线连接到电控箱7模块内部。

第二方面，本发明提供一种使用上述铁轨扣减检修机器人系统进行铁轨扣件检修方法，包括如下过程：

(1)将机器人放置在检修轨道列车上，或由汽车搬运到待检修的区域，或从区段检修站出发，到达待检修区域开始工作；

(2)以工况为高铁维护，夜间作业为例，工人将机器人放置在铁轨上，开机自启，检测发电机燃油是否充足，若缺少则报警提示，由工人加注燃油，自主连接通讯系统，自主检测各模块是否正常，若出现问题，发送信息给所述智能运维模块进行排查，或由工人进行维修；

(3)机器人启动后沿铁轨前进，所述检测模块螺栓扣件的状态，高精度三维相机中部带有闪光灯，辅助夜间作业图像拍摄，当判断扣件为待维修状态，标记该扣件并记录位置信息发送给所述智能运维模块，所述定位模块将整个移动底盘1定位在目标位置中心上方并固定。对于机器人来说，待维修扣件一般有两种状态--螺栓拧紧或更换螺栓扣件(包括溢扣的更换和缺损的更换)，通过收集机器视觉数据进行判断待维修的状态；

(3)如判断为拧紧状态，气缸驱动所述电动扳手下探到螺栓头部，若没有一次性对准,则轻微旋转，将扳手头34部旋进螺栓头部，拧紧操作依据工作站发出的操作指令进行定量拧紧，完成后收回电动扳手。如判断为更换状态，则先由电动扳手依据拧紧流程工作，之后启动所述双爪手机械臂43模块，根据待维修扣件位置，通过机械臂43底端滑轨调整机械臂43位置，使作业区域位于机械臂43的灵活操作空间内，使用一端的机械爪手夹取拧松的螺栓，之后旋转机械手，用另外一端夹取扣件，将两者放置在旧螺栓扣件收纳盒61内，再依次用机械爪手从新的螺栓扣件收纳盒61内的固定位置处取出螺栓与扣件，更换完成后，再使用电动扳手拧紧螺栓，整个过程由高精度三维相机辅助机械手定位操作；

(5)拧紧或更换操作完成后，发送由替换的扣件和使用的扣件备件组成的维修信息给所述智能运维模块，在云服务器里记录该位置螺栓或扣件的维修状态，建立长效健康管理系统，进行大数据分析处理后能够完成大致预测检修区段；

(6)机器人每次检测维修范围是一排四个扣件，机器人向前行进，如遇到故障扣件，则重复(2)-(5)的工作流程，直到完成所有的检测任务，机器人回到检修站，或由工人将其搬离铁轨。

综上所述，本发明提供一种铁轨扣件检修机器人系统和铁轨扣件检修方法，设计了全自动化的螺栓与扣件检修一体化的机器人系统，采用高精度三维相机检测加定位的模式，采用新算法点云配准算法，计算扣件变形尺度，判断螺栓松紧的程度，配合自适应电动扳手拧紧螺栓，设计的双爪手机械臂模块用于对螺栓与扣件的更换操作，建立的智能运维模块，使铁路检修数据化，网格化，高效化，能够在铁路长时间的服役过程中实现精准维修，对于节省维修成本有很大的帮助，整套设备提高了铁路自动化机械的水平，进行功能融合创新，减少劳动力使用，提高工作效率以及作业精度，对于铁路自动化发展起到了非常有益的作用。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种铁轨扣件检修机器人系统，其特征在于，包括移动底盘和安装在该移动底盘上的螺栓扣件检测松紧模块、螺栓扣件更换模块和智能运维模块；

螺栓扣件检测松紧模块具有高精度面结构光三维相机和扳手装置，所述高精度面结构光三维相机用于获取螺栓扣件中心的空间位置信息，以及获取螺栓扣件的松紧状态信息和/或缺损状态信息，并传输到所述智能运维模块；所述扳手装置包括第一驱动器、第二驱动器和扳手，所述第一驱动器用于驱动所述扳手接触/远离螺栓扣件，所述第二驱动器用于驱动所述扳手旋转，使得螺栓扣件松开/紧固；

所述螺栓扣件更换模块包括机械臂和螺栓扣件收纳盒，所述机械臂用于将铁路轨道上被所述扳手松开的螺栓扣件移动至所述螺栓扣件收纳盒内，以及用于将所述螺栓扣件收纳盒内的螺栓扣件备件移动至铁路轨道的安装位置内；

所述智能运维模块用于获取并上传所述铁轨扣件检修机器人系统的位置信息、螺栓扣件的健康状态信息，还用于建立螺栓扣件的档案，以及向所述移动底盘、螺栓扣件检测松紧模块和螺栓扣件更换模块发送控制指令。

2.根据权利要求1所述的铁轨扣件检修机器人系统，其特征在于，所述高精度面结构光三维相机获取螺栓扣件的松紧状态信息的过程包括：

基于获取的螺栓扣件的弹条区域原始点云数据，通过AABB和OBB包围盒算法，以及迭代最近点算法ICP，对弹条点云数据进行分割提取；

基于弹条点云数据，通过主成分分析算法PCA获取弹条的中心线数据；

基于弹条点云数据，通过随机采样一致性RANSAC算法提取螺栓扣件的螺栓的上表面点云数据，获得平面空间方程；

将弹条的中心线投影到螺栓的上表面，通过平面空间方程计算获得弹条的中心线的每个点至螺栓的上表面的距离；

通过将弹条的中心线的每个点至扣件螺栓的上表面的距离进行升序排列，获得训练数据集，并输入到神经网络中进行训练；

训练完成的神经网络用于获得螺栓扣件的松紧状态信息。

3.根据权利要求1所述的铁轨扣件检修机器人系统，其特征在于，所述高精度面结构光三维相机获取螺栓扣件的缺损状态信息包括：

基于迭代最近点算法，通过构建螺栓扣件模板，对问题扣件进行配准操作；若配准操作后获得的均方根误差值大于预设阈值，则判定问题扣件为缺失状态或缺陷状态。

4.根据权利要求1所述的铁轨扣件检修机器人系统，其特征在于，所述扳手装置还包括轨道支架和升降支架，所述轨道支架安装在所述移动底盘上，所述轨道支架具有竖向延伸布置的第一升降轨道，所述升降支架与所述第一升降轨道相配合，所述第一升降轨道还与所述第一驱动器驱动连接，所述第一驱动器还与所述轨道支架相连接；所述第二驱动器位于所述升降支架内；所述扳手位于所述升降支架的底端；

所述扳手包括扳手头、关节头和十字型轴销；所述扳手头一端用于与螺栓扣件相配合，另一端具有一对间隔布置的第一轴耳，所述第一轴耳具有相互对应的第一轴孔；所述关节头一端用于连接所述第二驱动器，另一端具有一对间隔布置的第二轴耳，所述第二轴耳具有相互对应的第二轴孔；所述十字型轴销通过与所述第一轴孔和第二轴孔相配合，使得所述扳手头和关节头相互活动连接；

所述关节头内具有轴向设置的弹簧，所述弹簧一端用于连接所述十字型轴销。

5.根据权利要求1所述的铁轨扣件检修机器人系统，其特征在于，所述移动底盘的两侧分别设置一对所述扳手装置。

6.根据权利要求1所述的铁轨扣件检修机器人系统，其特征在于，所述螺栓扣件更换模块还包括：安装在所述移动底盘上的水平轨道，与所述水平轨道相配合的第三驱动器，所述机械臂安装在所述第三驱动器上；与所述螺栓扣件收纳盒并排布置的螺栓扣件回收盒，所述螺栓扣件收纳盒和螺栓扣件回收盒分别具有第一预设工位和第二预设工位，所述智能运维模块存储有所述第一预设工位和第二预设工位的三维坐标点位信息，并基于所述第一预设工位的三维坐标点位信息、第二预设工位的三维坐标点位信息和获取的螺栓扣件中心的空间位置信息，控制所述机械臂执行如下作业过程：移动到所述第一预设工位抓取螺栓扣件备件，将抓取的螺栓扣件备件移动到轨道的安装位置；和/或，抓取轨道的安装位置的缺陷螺栓扣件，并移动到所述第二预设工位落入所述螺栓扣件回收盒内。

7.根据权利要求5所述的铁轨扣件检修机器人系统，其特征在于，所述机械臂具有一对间隔布置的夹头，所述夹头的位置相互对应，朝向相同。

8.根据权利要求1至7任一所述的铁轨扣件检修机器人系统，其特征在于，所述移动底盘具有柴油动力装置，用于驱动所述移动底盘在铁路轨道上移动，以及为所述螺栓扣件检测松紧模块、螺栓扣件更换模块和智能运维模块提供电力。

9.一种铁轨扣件检修方法，其特征在于，通过如权利要求1至8任一所述的铁轨扣件检修机器人系统实施，包括：

启动所述铁轨扣件检修机器人系统，使得所述铁轨扣件检修机器人系统沿铁路轨道移动；

通过所述高精度面结构光三维相机获取螺栓扣件的松紧状态信息和/或缺损状态信息，基于螺栓扣件的松紧状态信息，判断螺栓扣件是否为待拧紧状态或待更换状态，和/或，基于螺栓扣件的缺损状态信息，判断螺栓扣件是否需要更换；

当判断结果为待拧紧状态时，通过所述扳手装置旋转螺栓扣件，使得螺栓扣件紧固；

当判断结果为待更换状态时，通过所述扳手装置松脱螺栓扣件，通过所述机械臂移除松脱的螺栓扣件，通过所述机械臂从螺栓扣件收纳盒中取出螺栓扣件备件放入铁路轨道的安装位置内，通过所述扳手装置旋转螺栓扣件备件，使得螺栓扣件备件紧固；

当判断结果为需要更换螺栓扣件时，通过所述扳手装置松脱螺栓扣件，通过所述机械臂移除松脱的螺栓扣件，通过所述机械臂从螺栓扣件收纳盒中取出螺栓扣件备件放入铁路轨道的安装位置内，通过所述扳手装置旋转螺栓扣件备件，使得螺栓扣件备件紧固；

重复执行上述第二至第五个步骤，完成预设铁路轨道区段内所有螺栓扣件的检修，并上传获取的螺栓扣件的松紧状态信息，执行了第三个步骤至第五个步骤任意一个或多个步骤的被移除螺栓扣件数量信息和被使用的螺栓扣件备件数量信息。

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