WO2018040581A1 - 一种中低速磁悬浮辅助作业机器人 - Google Patents

一种中低速磁悬浮辅助作业机器人 Download PDF

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张昕
张�浩
周芃
张琨
许克亮
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景晓斐
耿明
倪琍
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Abstract

一种中低速磁悬浮辅助作业机器人,包括机架(11)、折叠弯折机构、辅助作业机构和自主巡航模块(7),机架(11)横跨在待检测的中低速磁悬两个F轨之间;折叠弯折机构共设有两组,其分设于机架(11)的两端,并位于F轨的上方,每组折叠弯折机构上均设置有行走轮对(5)和卡位轮对(2);辅助作业机构包括辅助作业平台(14)和辅助作业设备,其中辅助作业平台(14)安装在机架(11)上,辅助作业设备安装在该辅助作业平台(14)上,用于完成辅助作业;自主巡航模块(7)安装在机架(11)的下方,用于实现辅助作业机器人沿着F轨自由行走。该机器人可实现现场维护的辅助作业,并可实现自主巡航,具有结构简单、操作方便等优点。

Description

一种中低速磁悬浮辅助作业机器人 【技术领域】
本发明属于磁悬浮工务维护领域,更具体地,涉及一种中低速磁悬浮辅助作业机器人。
【背景技术】
磁悬浮交通是一种低噪声无碳交通,是未来城市交通发展的重要方向之一。中低速磁浮技术是通过安装在车体上的电磁铁与F型轨道相互构成磁场闭合磁路,通过气隙感应器装置调节电磁铁的励磁电流,调整电磁铁与轨道之间的吸力(使磁浮间隙保持在8~10mm),以保持电磁铁与轨道之间的距离稳定,实现列车稳定悬浮。因此,轨道维护是工务作业的重要内容。
由于中低速磁悬浮多为高架、开放式的轨道结构,在现场维护过程中,需配合进行辅助作业,例如当监测到F轨存在裂纹时,需实行焊接操作,在实行焊接及检修过程中需从地面吊装材料或设备至轨道上,以及在夜间操作时,需提供照明等辅助作业。为完成上述各项辅助作业,需研究设计一种可适用于中低速磁悬浮辅助作业机器人,以配合完成各种辅助作业。另外,中低速磁浮轨排多为高架悬空的开放式结构,轨枕间距约为600mm,轨道上无作业人员走行位置,一般的机器人难以在磁悬浮轨道上自由行走,因此,研究设计的辅助作业机器人需适应于开放式结构的中低速磁浮。
【发明内容】
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种辅助作业机器人,其中结合中低速磁悬浮自身的特点,相应设计了适用于中低速磁悬浮辅助设备,并对其关键组件如机架、折叠弯折机构、辅助作业机构和自主巡航模块的结构及其具体设置方式进行研究和设计,相应的可有效实现 工务维护辅助作业,并可实现机器人的自主行走,具有结构简单、操作方便等优点。
为实现上述目的,本发明提出了一种中低速磁悬浮辅助作业机器人,包括机架、折叠弯折机构、辅助作业机构和自主巡航模块,其中:
所述机架用于安装所述折叠弯折机构、辅助作业机构和自主巡航模块,其横跨在中低速磁悬浮两个F轨之间;
所述折叠弯折机构共设有两组,其分设于所述机架的两端,并位于F轨的上方,每组所述折叠弯折机构上均设置有行走轮对和卡位轮对,其中行走轮对与所述F轨的上表面接触,并沿着F轨的上表面移动,所述卡位轮对的两个卡位轮分别与所述F轨的外侧面和下表面接触,并沿着F轨的外侧面和下表面移动;
所述辅助作业机构包括辅助作业平台和辅助作业设备,其中所述辅助作业平台安装在所述机架上,所述辅助作业设备安装在该辅助作业平台上,用于完成辅助作业;
所述自主巡航模块安装在所述机架的下方,其用于实现辅助作业机器人沿着F轨自由行走。
作为进一步优选的,该自主巡航模块包括导航系统、巡航计算任务控制模块和地面控制站通讯模块,所述导航系统包括惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元,所述惯性导航单元用于测量所述机器人的三轴加速度,所述GPS接收模块用于测量机器人的经度、纬度和高度,所述行走量程测量单元用于测量机器人的行走里程;所述巡航计算任务控制模块包括巡航模块和控制模块,所述巡航模块分别与所述惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元相连,所述惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元测量的数据作为输入信号输入至巡航模块中,该巡航模块根据输入的信号判断所述机器人的具体位置,并将机器人的具体位置反馈给地面控制站,所述控制模块与地面控制站通讯模块相连,其根据地面控 制站通讯模块的行走指令控制机器人的行走。
作为进一步优选的,所述机架上还设置有摄像机,该摄像机通过伸缩杆安装在所述机架的上方。
作为进一步优选的,所述机架上还设置有测距传感器,该测距传感器具体为超声波或红外测距传感器,其布置在所述机架的前后侧。
作为进一步优选的,每组所述折叠弯折机构上均设置有两组行走轮对和两组卡位轮对,两组行走轮对沿着所述F轨的延伸方向布置,并与F轨的上表面接触,两组卡位轮对同样沿着所述F轨的延伸方向布置,并与F轨的外侧面和下表面接触。
作为进一步优选的,所述折叠弯折机构包括行走轮安装板和卡位轮折叠板,所述行走轮安装板竖直设置并安装在所述机架上,所述行走轮对安装在所述行走轮安装板的下方,所述卡位轮折叠板通过卡位轮连接支架安装在所述行走轮安装板的侧面,所述卡位轮对安装在所述卡位轮折叠板上,并与所述F轨的外侧面和下表面接触。
作为进一步优选的,所述辅助作业设备包括焊接设备、起重设备、照明设备和发电机。
作为进一步优选的,所述照明设备包括灯头组件和升降机构,该升降机构采用四节伸缩气缸作为升降调节方式,最大调节高度为3米,所述灯头组件由4盏5W高效率LED灯条组成,其灯光覆盖半径达15米-35米,每个LED灯条能单独做上下左右角度调节,旋转实现360度全方位照明。
作为进一步优选的,所述焊接设备设于所述辅助作业平台的一侧,所述起重设备设于所述辅助作业平台的另一侧,所述发电机设于所述辅助作业平台的下方。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要具备以下的技术优点:
1.本发明针对中低速磁悬浮的特点专门设置了适用于中低速磁悬浮的 辅助作业机器人,以完成对F轨的焊接操作、设备吊装、夜间照明等辅助作业,具有体积小、结构轻、携带方便的特点,同时还具有结构简单、操作方便等优点,可随车到达作业地点落轨即可进行使用,可有效用于中低速磁浮的工务维护和安全运营。
2.本发明通过设置适用于辅助作业机器人的折叠弯折机构和自主巡航模块,可实现机器人沿着F轨自主行走,通过专门研究设计的自主巡航模块,可实现机器人的准确定位与可靠行走,适用于中低速磁悬浮高架悬空的开放式结构,解决了中低速磁悬浮轨道上无作业人员走行位置而无法实现辅助作业机器人行走的问题。
3.本发明的折叠弯折机构共设有两组,分设于机架的两端,使用时卡位轮折叠板可在轨道落轨时向下打开以扣住F轨的侧沿,并沿着F轨运动,使用结束后,其离开轨道时可向上折起,以减小行走装置的整体体积,具有携带方便、落轨即可工作的特点。
4.本发明的折叠弯折机构上的行走轮对设计成双轮结构,可有效防止机器人通过F轨与轨枕连接的螺栓时产生颠簸,使探伤更加准确,卡位轮对采用抱卡的方式卡装在F轨上,可有效防止机器人脱轨。
5.本发明的机架的上方设置有摄像机,该摄像机可实现轨道及轨道沿线的图像采集,并且其可升降的安装在机架上,可实现多方位、多角度的图像拍摄。
6.本发明辅助作业机器人的前后均设置有测距传感器,通过测距可使辅助作业机器人遇障碍时自动停车,实现机器人的防撞功能。
【附图说明】
图1是本发明实施例的中低速磁悬浮辅助作业机器人的结构示意图;
图2是本发明实施例的中低速磁悬浮辅助作业机器人的后视图;
图3是本发明实施例的中低速磁悬浮辅助作业机器人的左视图;
图4是本发明实施例的自主巡航模块结构框图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,本发明实施例提供的一种中低速磁悬浮辅助作业机器人,其主要包括机架11、折叠弯折机构、辅助作业机构和自主巡航模块7,其中,机架11作为支撑机构,用于固定安装折叠弯折机构和辅助作业机构,所述折叠弯折机构用于安装轮对,以实现辅助作业机器人在F轨4上的移动,所述辅助作业机构用于完成各种辅助作业,所述自主巡航模块7用于实现辅助作业机器人自主巡航于中低速磁浮F轨。通过上述各个机构的相互配合,可实现F轨监测过程中的各类辅助操作,并可实现机器人的自主行走,具有结构简单、操作方便等优点。
下面将对各个机构和部件进行详细的说明和描述。
如图1所示,机架11作为其他部件的支撑部件,其水平设置,并且横跨在待检测的中低速磁悬浮两个F轨之间,其布置方向与F轨的延伸方向垂直。
如图1-3所示,折叠弯折机构共设有两组,其分设于所述机架的两端,具体的,每组所述折叠弯折机构上均设置有行走轮对5和卡位轮对。其中,行走轮对5包括一对行走轮,其与所述F轨的上表面接触,并沿着F轨的上表面移动,其中一个是被动轮一个是主动轮,主动轮对是电机轮。该行走轮对设计成双轮结构,可有效防止机器人通过F轨与轨枕连接的螺栓时产生颠簸,使探伤结果更加准确。所述卡位轮对2包括一对卡位轮,两个卡位轮分别与所述F轨的外侧面和下表面接触,并沿着F轨的外侧面和下表面移动,该卡位轮对可保证机器人沿着轨道行走,并且在弯道处可提供 差速功能。卡位轮对2是没有动力的被动轮,起卡位、限位以及防脱轨的作用。
进一步的,本发明的实施例中每组折叠弯折机构上均设置有两组行走轮对5和两组卡位轮对2,由此两组行走轮对5中的四个行走轮沿着所述F轨的延伸方向布置,并可沿着F轨运动,对辅助作业机器人的移动进行可靠的导向,而两组卡位轮对2中的与F轨侧面接触的卡位轮沿着所述F轨的延伸方向布置,并沿着F轨的外侧面运动,两组卡位轮对2中的与F轨下表面接触的卡位轮沿着所述F轨的延伸方向布置,并沿着F轨的下表面运动,以此可有效保证辅助作业机器人移动的可靠性。
具体的,折叠弯折机构包括行走轮安装板12和卡位轮折叠板3,其中行走轮安装板12竖直设置并安装在所述机架上,所述行走轮对安装在行走轮安装板12的下方,所述卡位轮折叠板3通过卡位轮连接支架安装在所述行走轮安装板的侧面,并包覆在F轨的外围,然后将卡位轮对安装在卡位轮折叠板12上,以使其中一个卡位轮与F轨的外侧面接触,另一个卡位轮与F轨的下表面接触,以此卡位轮对采用抱卡方式卡装在F轨上,可有效的防止救援机器人脱轨。折叠弯折机构未使用时,两组卡位轮折叠板1向上折起,以减小行走装置的整体体积,使用时,两组卡位轮折叠板1打开,使卡位轮卡装在F轨的外侧面和下表面,实现外侧抱轨和内侧向上抱轨。
所述辅助作业机构包括辅助作业平台14和辅助作业设备,其中辅助作业平台14作为辅助作业设备的安装平台,其设于机架11的上方,所述辅助作业设备安装在该辅助作业平台14上,用于完成辅助作业,该辅助作业设备包括照明设备、起重设备、焊接设备和发电机。
照明设备安装在辅助作业平台14,用于为辅助作业提供照明,包括灯头组件16和升降机构15,升降机构15选用四节伸缩气缸作为升降调节方式,最大高度为3米,上下转动灯头组件16可调节光束照射角度,灯光覆盖半径达到15-35米,灯头组件16由4盏5W高效率LED灯条组成,按现 场需要将每个灯头单独做上下左右角调节,旋转实现360度全方位照明,也可将灯头在灯盘均匀布向四个方向照明。
起重设备安装在辅助作业平台的一侧,其用于吊装地面的材料、操作工具、设备等到轨道上,主要包括起重装置和具有自由落钩功能的卷扬机构,起重装置安装于机器人支架上部,四周固定,伸缩的吊装线缆从中部伸出,实现吊装设备从桥底到桥上的吊装,而吊装物品的装卸主要由人工完成。操作时,机器人根据指令通过控制器操作控制阀,使得在操作起重装置带载自由落钩时,落钩距离由控制系统指定,等到操作人员挂上额定载荷内的重物后,远程通知机器人起吊作业,机器人控制卷扬液压控制器,起动重物,起动重物的停止由远程控制,最后的距离为传感器检测到位与收绳长度共同判断停止。
焊接设备是机器人运载的内容,用于对现场需焊接作业时执行焊接操作,方便现场施工人员的使用,焊接相关的设备,也由机器人运输到指定位置,相关人员也可以在辅助作业机器人的上面实现焊接的操作。发电机安装在辅助作业平台14的下方,其为机器人上的用电设备提供应急用电。
自主巡航模块7安装在机架的下方,其通过控制行走轮对5的主动轮运动带动机器人运动,以驱动机器人沿着F轨移动,实现机器人的自主行走控制,由此使得本发明的辅助作业机器人适应于中低速磁悬浮高架悬空的开放式结构,该自主巡航模块7集成了行走稳定控制(控制两主动轮输出扭矩,使车辆牵引力平衡)、导航和任务控制等诸多功能,具有多个任务航路点,速度可单独设置,是一套完整的高性能、低成本和微型化的轨道机器人自主行走控制系统。
自主巡航模块7包括导航系统、巡航计算任务控制模块和地面控制站通讯模块,导航系统包括惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元,所述惯性导航单元用于测量所述机器人的三轴加速度(即xyz三向加速度,xyz方向根据实际需要设定,如设定F轨的延伸方向为x轴,与F 轨延伸方向垂直,并水平分布的为y轴,与F轨延伸方向垂直,并垂直分布的为z轴),所述GPS接收模块用于测量机器人的经度、纬度和高度,所述行走量程测量单元用于测量机器人的行走里程。所述巡航计算任务控制模块与地面控制站通讯模块实现数据交互,巡航计算任务控制模块可将机器人的具体位置反馈给地面控制站通讯模块,地面控制站通讯模块可发送指令给巡航计算任务控制模块,以使机器人运行至指定位置;该巡航计算任务控制模块主要包括巡航模块和控制模块,巡航模块和控制模块类似于两个微型计算机,巡航模块是基于嵌入式Linux的巡航计算机,用于导航和任务控制以及与地面控制站的通讯,控制模块是控制计算机,用于机器人的行走控制、增稳控制及与地面控制站的通讯,实现移动机器人的运动控制,具体是实现行走轮中主动轮的伺服电机的控制,通过控制主动轮的伺服电机实现主动轮的运动,进而实现机器人的运动,其适用于脉宽信号控制的各种扭矩三相无刷电机,该控制模块还可实现传感器的信息采集(测距传感器6的数据)、图像信息采集(摄像机10的数据)及导航数据的获取。具体的,巡航模块分别与惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元相连,惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元测量的数据作为输入信号输入至巡航模块中,该巡航模块根据输入的信号判断所述机器人的具体位置,并将机器人的具体位置反馈给地面控制站,所述控制模块与地面控制站通讯模块相连,其根据地面控制站通讯模块的行走指令控制机器人的行走。
具体的,自主巡航模块7内的导航系统根据输入的巡航里程,GPS自动定位到需要到达的地点坐标,然后机器人根据行走里程与远程地面站通信输入的地点坐标实时匹配运算,同时组合惯性导航实时行走的位置与所设定的坐标位置实时匹配计算,并采用行走量程测量单元测量机器人移动的距离,以根据机器人出发点的初始值确定机器人当前的位置,根据机器人当前的具体位置,然后与已知的按照事先编制的作业航点进行PID匹配计 算控制机器人的运动方向和距离,从而实现自主巡航,巡航的速度由机器人根据到达目的地的距离计算。本发明的导航系统主要是以量程标定为主,以GPS以及惯性导航为辅助的导航系统,其控制逻辑简单,结构紧凑,体积小,可使得机器人根据导航的规划路径进行行走。
所述机架上还设置有为自主巡航模块7提供电源的电池8,然而自主巡航模块7也可通过电缆与外部电源相连,通过外部电源提供巡航模块巡航所需的动力。
所述机架上还设置有测距传感器6和摄像机10,所述测距传感器6位于两个F轨之间,其具体为超声波或红外测距传感器,并以阵列的方式排布,辅助作业机器人的前后均布置该测距传感器。具体的,在安全距离范围内,测距传感器6检测到行进线路有障碍,机器人控制电控驱动单元刹车,根据速度的不同设定安全距离不同,速度越快,安全距离越远,可使探伤机器人遇障碍时自动安全停车,实现机器人的防撞功能。所述摄像机10安装在所述机架的上方,其用于对轨道及轨道的沿线进行图像采集,可对异物入侵、侵限越界等情况进行观测,图像进行实时传输或存储本地,摄像机类型具体可为2D或3D摄像机,其具体通过伸缩杆9安装在机架的上方,可实现摄像机的升降,实现多方位多角度的拍摄。其中,自主巡航模块7可接收测距传感器6和摄像机10的检测数据,并对检测数据进行分析,获得所需的数据。
此外,为了实现将机器人测得的数据及时的进行传输与保存,在所述机架上还设置有外接接口13,以实现机器人与远程控制台的通信联系,实现数据的远程交互。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

  1. 一种中低速磁悬浮辅助作业机器人,其特征在于,包括机架(11)、折叠弯折机构、辅助作业机构和自主巡航模块(7),其中:
    所述机架(11)用于安装所述折叠弯折机构、辅助作业机构和自主巡航模块(7),其横跨在中低速磁悬浮两个F轨之间;
    所述折叠弯折机构共设有两组,其分设于所述机架(11)的两端,并位于F轨的上方,每组所述折叠弯折机构上均设置有行走轮对(5)和卡位轮对(2),其中行走轮对(5)与所述F轨的上表面接触,并沿着F轨的上表面移动,所述卡位轮对(2)的两个卡位轮分别与所述F轨的外侧面和下表面接触,并沿着F轨的外侧面和下表面移动;
    所述辅助作业机构包括辅助作业平台(14)和辅助作业设备,其中所述辅助作业平台(14)安装在所述机架(11)上,所述辅助作业设备安装在该辅助作业平台(14)上,用于完成辅助作业;
    所述自主巡航模块(7)安装在所述机架(11)的下方,其用于实现辅助作业机器人沿着F轨自由行走。
  2. 如权利要求1所述的中低速磁悬浮辅助作业机器人,其特征在于,所述机架上还设置有摄像机(10),该摄像机(10)通过伸缩杆(9)安装在所述机架的上方。
  3. 如权利要求1或2所述的中低速磁悬浮辅助作业机器人,其特征在于,所述机架上还设置有测距传感器(6),该测距传感器(6)具体为超声波或红外测距传感器,其布置在所述机架的前后侧。
  4. 如权利要求3所述的中低速磁悬浮辅助作业机器人,其特征在于,每组所述折叠弯折机构上均设置有两组行走轮对(5)和两组卡位轮对(2),两组行走轮对(5)沿着所述F轨的延伸方向布置,并与F轨的上表面接触,两组卡位轮对(2)同样沿着所述F轨的延伸方向布置,并与F轨的外侧面 和下表面接触。
  5. 如权利要求4所述的中低速磁悬浮辅助作业机器人,其特征在于,所述折叠弯折机构包括行走轮安装板(12)和卡位轮折叠板(3),所述行走轮安装板竖直设置并安装在所述机架(11)上,所述行走轮对(5)安装在所述行走轮安装板的下方,所述卡位轮折叠板(3)通过卡位轮连接支架安装在所述行走轮安装板的侧面,所述卡位轮对(2)安装在所述卡位轮折叠板(12)上,并与所述F轨的外侧面和下表面接触。
  6. 如权利要求5所述的中低速磁悬浮辅助作业机器人,其特征在于,所述辅助作业设备包括焊接设备、起重设备、照明设备和发电机。
  7. 如权利要求6所述的中低速磁悬浮辅助作业机器人,其特征在于,所述照明设备包括灯头组件(16)和升降机构(15),该升降机构(15)采用四节伸缩气缸作为升降调节方式,最大调节高度为3米,所述灯头组件(16)由4盏5W高效率LED灯条组成,其灯光覆盖半径达15米-35米,每个LED灯条能单独做上下左右角度调节,旋转实现360度全方位照明。
  8. 如权利要求1-7任一项所述的中低速磁悬浮辅助作业机器人,其特征在于,所述焊接设备设于所述辅助作业平台(14)的一侧,所述起重设备设于所述辅助作业平台(14)的另一侧,所述发电机设于所述辅助作业平台(14)的下方。
  9. 如权利要求1所述的中低速磁悬浮辅助作业机器人,其特征在于,该自主巡航模块(7)包括导航系统、巡航计算任务控制模块和地面控制站通讯模块,所述导航系统包括惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元,所述惯性导航单元用于测量所述机器人的三轴加速度,所述GPS接收模块用于测量机器人的经度、纬度和高度,所述行走量程测量单元用于测量机器人的行走里程;所述巡航计算任务控制模块包括巡航模块和控制模块,所述巡航模块分别与所述惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测 量单元相连,所述惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元测量的数据作为输入信号输入至巡航模块中,该巡航模块根据输入的信号判断所述机器人的具体位置,并将机器人的具体位置反馈给地面控制站,所述控制模块与地面控制站通讯模块相连,其根据地面控制站通讯模块的行走指令控制机器人的行走。
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