CN116135492A - 一种轨道车辆车门自动拆装装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道车辆车门自动拆装装置及方法,属于属于轨道车辆检修技术领域,该方法包括:驱动小车行驶至待拆装车门的门洞处;对门洞位置进行定位;消除定位获得的门洞位置与实际门洞位置之间的误差;根据消除误差后的门洞位置进行车门的拆装。本发明利用小车装载的机械臂进行车门的自动拆装,大大降低了工人的劳动强度,降低了生产风险发生的概率。本发明通过先对小车位置的初步定位将小车位置锁定,使其工作范围能涵盖待拆装车门位置。然后再对待拆装车门的门洞位置进行精准定位,保证了自动拆装的精确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于轨道车辆检修技术领域,尤其涉及一种用于自动拆装轨道车辆车门的装置以及方法。
背景技术
为了保障城市轨道交通车辆运行的可靠性和安全性,在运行一段时间后,车辆必须返回车辆段或停车场进行维修或保养。在实际车辆的维修保养中,车门维修的工作量占到了很大的比例。
针对实际的车门拆卸、安装工作,通常的做法是人工对车门紧固件手工松动之后,再人工进行拆卸和安装,以此对地铁车门相关部件进行检修、维护等工作。在操作期间,工人身体负荷较大,不仅效率低下,且极易产生疲劳,诱发风险。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种轨道车辆车门自动拆装装置及方法,能够利用机械自动进行车门拆装。
为解决以上技术问题,本发明的技术方案为采用一种轨道车辆车门自动拆装装置,包括可沿轨道运动的小车,所述小车上安装有用于拆装车门的机械臂系统;所述小车和机械臂系统由移动终端控制;还包括定位系统,所述定位系统包括定位小车位置的小车定位系统和定位门洞位置的门洞定位系统。
作为一种改进,所述机械臂系统包括安装在小车上的转台,所述转台上设置有用于托起车门助力机械臂和用于掌控方向协作机械臂;还包括设置在助力机械臂和协作机械臂上的抓取机构。
作为一种进一步的改进,所述抓取机构包括若干吸盘。
作为另一种更进一步的改进,所述小车定位系统为UWB定位系统;所述UWB定位系统包括若干定位基站以及设置在小车和移动终端上的定位标签;所述车门定位系统为视觉定位系统,所述视觉定位系统包括图像采集装置。
本发明还提供一种轨道车辆车门自动拆装方法,应用于上述轨道车辆车门自动拆装装置,包括:
驱动小车行驶至待拆装车门的门洞处;
对门洞位置进行定位;
消除定位获得的门洞位置与实际门洞位置之间的误差;
根据消除误差后的门洞位置进行车门的拆装。
作为一种改进,所述驱动小车行驶至待拆装车门的门洞处的方法包括:
获取小车坐标系与小车定位系统坐标系之间的转换关系;
将移动终端移至待拆装车门的门洞处;
通过移动终端的坐标以及小车坐标系与小车定位系统坐标系之间的转换关系计算小车停靠位置的坐标;所述小车停靠位置为移动终端位置在小车运行轨迹上的垂足;
召唤小车行驶至停靠位置。
作为一种改进,所述获取小车坐标系与小车定位系统坐标系之间的转换关系的方法包括:
将小车移动到小车坐标系和小车定位系统坐标系的公共区域内的三或者三个以上不共线的点上;
计算所述点在小车坐标系和小车定位系统坐标系下的坐标;
利用点在小车坐标系和小车定位系统坐标系下的坐标计算出小车坐标系和小车定位系统坐标系之间的转换关系。
作为一种改进,所述消除定位获得的门洞位置与实际门洞位置之间的误差的方法包括:
利用图像采集装置采集门洞位置的3D点云图像,并识别出门洞位置处的标识物;
将采集到的标识物3D点云图像与标准标识物3D点云图像进行配准,获得误差转换关系。
作为一种改进,所述将采集到的标识物3D点云图像与标准标识物3D点云图像进行配准的方法包括:
预设关系,预设从采集到的标识物3D点云图像到标准标识物3D点云图像的旋转矩阵和平移矩阵;
点云转换,转换将采集到的原始标识物3D点云图像通过旋转矩阵和平移矩阵进行转换;
寻找对应点,从标准标识物3D点云图像中寻找与转换后的3D点云图像距离在阈值范围内的点;
修正关系,计算标准标识物3D点云图像和转换后的3D点云图像中对应点之间欧氏距离误差,并通过最小二乘法修正旋转矩阵和平移矩阵;
迭代,将修正后的转矩阵和平移矩阵带入原始标识物3D点云图像进行转换;
重复点云转换步骤、寻找对应点步骤、修正关系步骤以及迭代步骤,直到转换后的3D点云图像与标准标识物3D点云图像重合。
作为一种改进,采集门洞位置的全景图像,判断小车位置与标识物位置是否在阈值范围内,若超过阈值则对小车位置进行修正。
作为一种改进,所述判断小车位置与标识物位置是否在阈值范围内的方法包括:
标定全景图像的像素尺寸;
将标识物和小车在全景图像中的距离与阈值进行比较。
本发明的有益之处在于:
本发明利用小车装载的机械臂进行车门的自动拆装,大大降低了工人的劳动强度,降低了生产风险发生的概率。本发明通过先对小车位置的初步定位将小车位置锁定,使其工作范围能涵盖待拆装车门位置。然后再对待拆装车门的门洞位置进行精准定位,保证了自动拆装的精确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明中机械臂系统的结构示意图。
图2为本发明的流程图。
图中标记:1转台、2助力机械臂、3协作机械臂、4抓取机构。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
在轨道车辆在线检修中,由于轨道车辆停靠的位置并非固定,因此对于车门的自动拆装难点在于定位。在精准定位的前提下,拆装车门的动作均可以通过编程等方式控制机械臂来完成。
为了解决精准定位的问题,如图1所示,本发明提供一种轨道车辆车门自动拆装装置,包括可沿轨道运动的小车例如AGV(Automated Guided Vehicle自动导引运输车),所述小车上安装有用于拆装车门的机械臂系统;所述小车和机械臂系统由移动终端控制;还包括定位系统,所述定位系统包括定位小车位置的小车定位系统和定位门洞位置的门洞定位系统。
具体地,本发明中机械臂系统包括安装在小车上的转台1,所述转台1上设置有用于托起车门助力机械臂2和用于掌控方向协作机械臂3;还包括设置在助力机械臂2和协作机械臂3上的抓取机构4。由于车门的重量较大,在本发明中采用了两组机械臂协同完成车门的拆装工作,助力机械臂2用于平衡末端工件(车门)的重力,使末端工件处于近似无重力悬浮状态;协作机械臂3优选为六轴串联机器人,可以通过程序规划路径主动拖动工件移动;一般来讲协作机械臂的力量较小,故需两者结合使用使得整个拆装过程更加的平稳。
另外本发明中所述抓取机构4包括若干吸盘,利用负压吸附的方式抓取车门。
本发明中小车定位系统优选为UWB定位系统;因此可以预见的是,所述UWB定位系统包括若干定位基站以及设置在小车和移动终端上的定位标签。而所述车门定位系统为视觉定位系统,所述视觉定位系统包括图像采集装置。图像采集装置可以根据作用不同进行选取,本发明中不做限制。
如图2所示,本发明还提供种轨道车辆车门自动拆装方法,应用于上述轨道车辆车门自动拆装装置,具体步骤包括:
S1驱动小车行驶至待拆装车门的门洞处,具体又包括:
S11获取小车坐标系与小车定位系统坐标系之间的转换关系。
本发明中,小车、定位系统均有自己的坐标系。并且坐标系之间的转换关系是未知的,因此需要获取坐标系之间的转换关系才能将二者进行联系,具体步骤包括:
S111将小车移动到小车坐标系和小车定位系统坐标系的公共区域内的三或者三个以上不共线的位置上,记录所述位置在小车坐标系和小车定位系统坐标系下的坐标;
在进行坐标系配准的时候,小车并不在轨道上运行,因此可以通过操作小车获取小车三个或者三个以上不共线位置。一旦小车在轨道上运行,可以看做近似在一条直线上运行,此时无法获得不共线的点。
由于小车定位系统中的位置坐标是由定位标签发送的,而实际上定位标签与小车坐标系自身的参照点并非重合,因此还需获取定位标签在小车坐标系下的位置,这样配准的结果才会精确。
其中X_r和Y_r为定位标签在小车坐标系下的位置,D为定位标签在小车上安装时,距小车几何中心的距离,默认安装在小车沿行进方向的中心线上。
S113利用点在小车坐标系和小车定位系统坐标系下的坐标计算出小车坐标系和小车定位系统坐标系之间的转换关系。
U2A为小车定位系统坐标系到小车坐标系的转换矩阵。
S114通过其他不共线的点进行验证。
通过任一第四点的对应定位标签坐标读数进行验证,对应的小车在小车坐标系下的位置可通过下式计算:
其中Pagv为点在小车坐标系下的坐标,PuwbT为点在小车定位系统坐标系下的坐标的转置。
若小车实际位置读数与通过上式计算结果在x, y轴上均不应超过0.1m,则认为转换关系计算合格。
S12将移动终端移至待拆装车门的门洞处。一般由操作人员手持移动终端至拆装车门的门洞处。
S13通过移动终端的坐标以及小车坐标系与小车定位系统坐标系之间的转换关系计算小车停靠位置的坐标;所述小车停靠位置为移动终端位置在小车运行轨迹上的垂足。
另外,由于操作人员将移动终端移至门洞前,因此只要将小车停靠在移动终端的正前方即可。即从移动终端位置向小车的轨道做一条垂线,其垂足就是小车停靠的位置。
S14召唤小车行驶至停靠位置。移动终端上设置有小车控制按钮,通过该按钮可以将小车招呼至预设的停靠位置。
S2对门洞位置进行定位,通过机械臂系统上的门洞定位装置扫描门洞位置的3D点云即可获取门洞位置在机械臂系统坐标系下的坐标。
S3消除定位获得的门洞位置与实际门洞位置之间的误差。
车门拆装机器人拆装车门时,要求机械臂每次抓取车门的位置相同,否则不能按照规定动作拆装、存放车门。为了获得精准的门洞位置,需要将步骤S2中获得的门洞位置进行误差消除,具体包括。
S31利用图像采集装置采集门洞位置的3D点云图像,并识别出门洞位置处的标识物。
在对小车所在位置进行定位的基础上,左右移动小车并利用安装在机械臂末端的2D全景相机按指定频率采集门洞附近图像,针对每张图像进行三维重构得到门洞3D点云图像。与此同时,利用基于深度学习对目标定位技术对每张图中的指定车门位置标识物进行定位,直到定位到图像中存在指定车门位置标识物时,停止图像采集。本实施例中标识物选取的是车门限位块。
S32将采集到的标识物3D点云图像与标准标识物3D点云图像进行配准,获得误差转换关系。
采集到的标识物3D点云图像到标准标识物3D点云图像发生的是刚体变换,即原始点云通过旋转和平移即可得到目标点云。这里的旋转和平移过程用旋转变换矩阵R和平移变换矩阵T来表示。用P(S)表示采集到的标识物3D点云图像中的点,P(T)表示标准标识物3D点云图像中的点。那么这种变换关系可以表示为:
因此,点云配准的主要任务是计算出旋转矩阵R和平移矩阵T。
本发明采用的是迭代最近点算法,具体包括:
S321预设关系,预设从采集到的标识物3D点云图像到标准标识物3D点云图像的旋转矩阵和平移矩阵。
S322点云转换,转换将采集到的原始标识物3D点云图像通过旋转矩阵和平移矩阵进行转换;
S323寻找对应点,从标准标识物3D点云图像中寻找与转换后的3D点云图像距离在阈值范围内的点;
S324修正关系,计算标准标识物3D点云图像和转换后的3D点云图像中对应点之间欧氏距离误差,并通过最小二乘法修正旋转矩阵和平移矩阵;
S325迭代,将修正后的转矩阵和平移矩阵带入原始标识物3D点云图像进行转换;
S326重复点云转换步骤、寻找对应点步骤、修正关系步骤以及迭代步骤,直到转换后的3D点云图像与标准标识物3D点云图像重合。当然,实际使用中也无需完全重合,只要误差在可接受范围内即可。
S4采集门洞位置的全景图像,判断小车位置与标识物位置是否在阈值范围内,若超过阈值则对小车位置进行修正。
本实施例中,在采集3D点云图像时已经采集了门洞位置的全景图像,因此无需额外采集。此步骤的目的在于判断门洞位置是否在机械臂系统的工作范围内,具体方法为:
S41标定全景图像的像素尺寸,即图像中一个像素与真实世界中的比例关系。
S42将标识物和小车在全景图像中的距离与阈值进行比较,超过阈值则说明门洞位置超出了机械臂系统的工作范围,需要调整小车的位置使得门洞位于机械臂的工作范围内。
S5根据消除误差后的门洞位置进行车门的拆装。
将门洞位置误差消除后,通过图像采集装置和机械臂之间的手眼标定,将坐标转换到机械臂的坐标系下,机械臂系统即可按照坐标进行车门的拆除或者安装工作。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制,本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种轨道车辆车门自动拆装装置,其特征在于:包括可沿轨道运动的小车,所述小车上安装有用于拆装车门的机械臂系统;所述小车和机械臂系统由移动终端控制;还包括定位系统,所述定位系统包括定位小车位置的小车定位系统和定位门洞位置的门洞定位系统。
2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆车门自动拆装装置,其特征在于:所述机械臂系统包括安装在小车上的转台,所述转台上设置有用于托起车门助力机械臂和用于掌控方向协作机械臂;还包括设置在助力机械臂和协作机械臂上的抓取机构。
3.根据权利要求2所述的一种轨道车辆车门自动拆装装置,其特征在于:所述抓取机构包括若干吸盘。
4.根据权利要求1所述的一种轨道车辆车门自动拆装装置,其特征在于:所述小车定位系统为UWB定位系统;所述UWB定位系统包括若干定位基站以及设置在小车和移动终端上的定位标签;所述门洞定位系统为视觉定位系统,所述视觉定位系统包括图像采集装置。
5.一种轨道车辆车门自动拆装方法,应用于权利要求1~4中任意一项所述的轨道车辆车门自动拆装装置,其特征在于包括:
驱动小车行驶至待拆装车门的门洞处;
对门洞位置进行定位;
消除定位获得的门洞位置与实际门洞位置之间的误差;
根据消除误差后的门洞位置进行车门的拆装。
6.根据权利要求5所述的一种轨道车辆车门自动拆装方法,其特征在于所述驱动小车行驶至待拆装车门的门洞处的方法包括:
获取小车坐标系与小车定位系统坐标系之间的转换关系;
将移动终端移至待拆装车门的门洞处;
通过移动终端的坐标以及小车坐标系与小车定位系统坐标系之间的转换关系计算小车停靠位置的坐标;所述小车停靠位置为移动终端位置在小车运行轨迹上的垂足;
召唤小车行驶至停靠位置。
7.根据权利要求6所述的一种轨道车辆车门自动拆装方法,其特征在于所述获取小车坐标系与小车定位系统坐标系之间的转换关系的方法包括:
将小车移动到小车坐标系和小车定位系统坐标系的公共区域内的三个或者三个以上不共线的位置上,记录所述位置在小车坐标系和小车定位系统坐标系下的坐标;
利用点在小车坐标系和小车定位系统坐标系下的坐标计算出小车坐标系和小车定位系统坐标系之间的转换关系。
8.根据权利要求5所述的一种轨道车辆车门自动拆装方法,其特征在于所述消除定位获得的门洞位置与实际门洞位置之间的误差的方法包括:
利用图像采集装置采集门洞位置的3D点云图像,并识别出门洞位置处的标识物;
将采集到的标识物3D点云图像与标准标识物3D点云图像进行配准,获得误差转换关系。
9.根据权利要求8所述的一种轨道车辆车门自动拆装方法,其特征在于所述将采集到的标识物3D点云图像与标准标识物3D点云图像进行配准的方法包括:
预设关系,预设从采集到的标识物3D点云图像到标准标识物3D点云图像的旋转矩阵和平移矩阵;
点云转换,转换将采集到的原始标识物3D点云图像通过旋转矩阵和平移矩阵进行转换;
寻找对应点,从标准标识物3D点云图像中寻找与转换后的3D点云图像距离在阈值范围内的点;
修正关系,计算标准标识物3D点云图像和转换后的3D点云图像中对应点之间欧氏距离误差,并通过最小二乘法修正旋转矩阵和平移矩阵;
迭代,将修正后的转矩阵和平移矩阵带入原始标识物3D点云图像进行转换;
重复点云转换步骤、寻找对应点步骤、修正关系步骤以及迭代步骤,直到转换后的3D点云图像与标准标识物3D点云图像重合。
10.根据权利要求5所述的一种轨道车辆车门自动拆装方法,其特征在于:采集门洞位置的全景图像,判断小车位置与标识物位置是否在阈值范围内,若超过阈值则对小车位置进行修正。
11.根据权利要求10所述的一种轨道车辆车门自动拆装方法,其特征在于所述判断小车位置与标识物位置是否在阈值范围内的方法包括:
标定全景图像的像素尺寸;
将标识物和小车在全景图像中的距离与阈值进行比较。
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