楊建峰，洪曉芳

（山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣及自動(dòng)化系，濟(jì)南 250300）

0 引言

鐵路是國(guó)家發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施、是大眾化的交通工具和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈。安全原則是任何一個(gè)交通設(shè)施及設(shè)備都必須具備的首要原則,高鐵是在一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境中自動(dòng)運(yùn)行,有一整套完整的安全保障系統(tǒng)。但由于火車(chē)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行,火車(chē)車(chē)廂連接處螺栓會(huì)出現(xiàn)松動(dòng),如不及時(shí)修整,本來(lái)螺栓微小的松動(dòng)就可能擴(kuò)大,有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故,造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此,需要對(duì)火車(chē)進(jìn)行定期的維護(hù)和巡檢,巡檢工作也正是為了保證高鐵安全的運(yùn)行。

目前,國(guó)內(nèi)的巡檢機(jī)器人主要應(yīng)用于變電站、高壓輸電線、隧道領(lǐng)域,而應(yīng)用到高鐵領(lǐng)域相對(duì)較少。隨著中國(guó)加速邁進(jìn)“高鐵時(shí)代”的步伐,隨著乘客對(duì)乘坐質(zhì)量和可靠性要求的進(jìn)一步提高,檢測(cè)部門(mén)必須加強(qiáng)對(duì)高鐵的檢測(cè)工作,同時(shí)也加大了巡檢工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性。因此,為了保證高鐵運(yùn)行的可靠性,提高巡檢的效率,開(kāi)發(fā)一種替代或者部分替代巡檢工人進(jìn)行巡檢作業(yè)的機(jī)器人一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文主要針對(duì)高鐵維護(hù)檢修工作設(shè)計(jì)一種巡檢機(jī)器人并開(kāi)展研究工作[1]。

1 巡檢機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人需要在高鐵V型軌道上保持直線行駛,軌道為水泥地面,為了使巡檢機(jī)器人直線行駛,需要保證兩邊V帶所受摩擦力均勻,才可以使機(jī)器人保持直線行駛。根據(jù)特殊的運(yùn)行環(huán)境,設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人,機(jī)器人主要組成包括控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、感知系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的控制器選用工控機(jī),包括遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)、機(jī)器人本體主控機(jī)（組織級(jí)）和下位機(jī)（執(zhí)行級(jí)）。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)直流碳刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)、兩個(gè)行星減速器和兩個(gè)增量編碼器組成。傳動(dòng)系統(tǒng)采用履帶式行走機(jī)構(gòu),增加機(jī)器人同V型軌道的接觸面積,提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力,進(jìn)而增加機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性,其主要包括驅(qū)動(dòng)輪、拖輪、引導(dǎo)輪、履帶。感知系統(tǒng)主要包括傾角傳感器、溫度傳感器、視覺(jué)相機(jī)。通訊系統(tǒng)采用CAN總線和無(wú)限傳輸設(shè)備進(jìn)行串口通訊和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的通訊[2]。利用SolidWorks建模得到三維模型如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人三維模型

2 巡檢機(jī)器人軌道跟蹤

巡檢機(jī)器人的主要任務(wù)是檢測(cè)車(chē)廂連接處的螺栓是否松動(dòng),視覺(jué)相機(jī)固定在機(jī)器人本體上,為了保證視野更加清晰,所以需要始終保持巡檢機(jī)器人處于V型軌道的正中間,也就是希望巡檢機(jī)器人可以在V型軌道上保持中間位置直線行駛。由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中左右兩邊履帶摩擦力會(huì)不斷變化,導(dǎo)致巡檢機(jī)器人不能夠一直處于中間位置,所以需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行速度,并調(diào)節(jié)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速得以一致,從而使得巡檢機(jī)器人始終處于中間位置。首先由傾角傳感器測(cè)得巡檢機(jī)器人傾斜角,再由工控機(jī)進(jìn)行PID控制,最終調(diào)節(jié)左右電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度,以保證巡檢機(jī)器人始終處于V型軌道中間位置。

傾角傳感器監(jiān)測(cè)巡檢機(jī)器人傾斜角,需要建立傾角傳感器模型；巡檢機(jī)器人電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化,需要建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

2.1 傾角傳感器模型

為了控制巡檢機(jī)器人,首先需要知道巡檢機(jī)器人的傾斜角度,然后利用控制算法,將巡檢機(jī)器人調(diào)節(jié)到水平位置,這個(gè)過(guò)程中需要建立傳感器模型。由于很難直接建立d=f(θ)函數(shù)方程,課題組經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在傾斜角處于不同區(qū)間時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速不同。因此,由工控機(jī)控制調(diào)節(jié)巡檢機(jī)器人每次的傾角,便可進(jìn)行速度控制[3]。

將巡檢機(jī)器人放置V型軌道試驗(yàn)平臺(tái),測(cè)量偏移距離與機(jī)器人X、Y軸的傾斜角度,試驗(yàn)一共分為兩組,一組左偏,一組右偏,每組總共測(cè)量15組數(shù)據(jù),將測(cè)量的數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖,如圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)示意圖

根據(jù)以上散點(diǎn)圖的變化趨勢(shì),我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人左、右偏移時(shí),偏移距離與X軸旋轉(zhuǎn)角度大成正比例,Y軸旋轉(zhuǎn)角度保持不變。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

巡檢機(jī)器人采用的是底盤(pán)兩側(cè)的V帶差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式,由于巡檢機(jī)器人需要在火車(chē)V型軌道上行駛,而V型軌道相對(duì)光滑,摩擦力小,這就需要應(yīng)用V帶以增加摩擦力。高鐵巡檢機(jī)器人在V型軌道上保持直線行駛運(yùn)動(dòng)方式有兩種：直線運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)。巡檢機(jī)器人在V型軌道上的運(yùn)動(dòng)有四種常見(jiàn)的狀態(tài),如圖3所示。

圖3 巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

為了便于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,建立機(jī)器人差速驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[4],如圖4所示。

圖4 機(jī)器人差速驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

其中{X,Y,O}為世界坐標(biāo)系,{x′,y′,o′}為機(jī)器人坐標(biāo)系,其中o′x′為機(jī)器人的縱向,o′y′為機(jī)器人的橫向,o′為機(jī)器人的平面幾何中心。01為機(jī)器人左側(cè)帶輪中心,02為機(jī)器人右側(cè)帶輪中心。v1為機(jī)器人左側(cè)V帶在世界坐標(biāo)系中的速度,v2為右側(cè)V帶在世界坐標(biāo)系中的速度,v為機(jī)器人中心速度。L是機(jī)器人兩側(cè)帶輪之間的距離。D是機(jī)器人帶輪直徑加上V帶兩側(cè)的長(zhǎng)度D=146.24mm。θ為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系y′軸與世界坐標(biāo)系Y軸之間的夾角,當(dāng)θ＞0為右偏移,反之θ＜0為左偏移。

如圖4所示,03是機(jī)器人運(yùn)行的速度瞬心,在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)忽略橫向滑動(dòng)的影響,輪子與地面間滿足純滾動(dòng)條件,假設(shè)機(jī)器人保持理想運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)基本知識(shí)分析,得到點(diǎn)o′的速度v的大小為：

設(shè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角速度為θ˙,如圖4所示機(jī)器人做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)得：

由上式解得機(jī)器人的角速度大小為：

根據(jù)剛體平動(dòng)原理,機(jī)器人在任一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)都可以看做是繞機(jī)器人速度瞬心03的轉(zhuǎn)動(dòng),得轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R為：

從而得到差速驅(qū)動(dòng)方程為：

由v1,v2之間的大小關(guān)系決定了差速驅(qū)動(dòng)的三種運(yùn)動(dòng)方式：

1）當(dāng)v1=v2時(shí),v=v1=v2,R=+∞,此時(shí)機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)。

2）當(dāng)v1=-v2時(shí),v=0,R=0,此時(shí)機(jī)器人做原地回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3）當(dāng)v1≠v2且當(dāng)v1≠-v2時(shí),,此時(shí)機(jī)器人做圓弧運(yùn)動(dòng),瞬時(shí)轉(zhuǎn)向半徑：

通過(guò)以上分析和計(jì)算可知,只要改變左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以改變機(jī)器人的姿態(tài)。因此,為了使得機(jī)器人在V型軌道上保持直線行駛,可以通過(guò)控制左右電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。

3 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)、機(jī)器人本體主控機(jī)和下位機(jī)。遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)由監(jiān)控主機(jī)和無(wú)限單兵設(shè)備組成,工作在監(jiān)控室,主要功能是圖像處理和存儲(chǔ),要求處理速度快和存儲(chǔ)空間大。因?yàn)檫h(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)在地面工作而且遠(yuǎn)離干擾源,所以工作環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,一般選用高性能、體積小、重量輕、便于攜帶的筆記本電腦。機(jī)器人本體主控機(jī)采用IPC,作為控制系統(tǒng)的中心。下位機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收主控機(jī)的指令和各路的傳感器信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和位置的閉環(huán)控制[6]。結(jié)合巡檢機(jī)器人的控制特點(diǎn)和實(shí)際的工作要求,最終確定了控制系統(tǒng)的組成如圖5所示,高鐵巡檢機(jī)器人的主控界面如圖6所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖6 高鐵巡檢機(jī)器人的主控界面

4 調(diào)試與試驗(yàn)

為了檢測(cè)巡檢機(jī)器人運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性,課題組自行搭建了高鐵V型軌道。在試驗(yàn)室里搭建了長(zhǎng)度為5米,寬1.5米,傾斜角為5度的V型軌道試驗(yàn)平臺(tái),如圖7所示。

圖7 V型軌道試驗(yàn)平臺(tái)

將巡檢機(jī)器人置于V型軌道試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn),并檢測(cè)控制界面是否符合人機(jī)交互的基本要求。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),控制器接受傾角傳感器發(fā)送的機(jī)器人運(yùn)行角度數(shù)據(jù),再通過(guò)增量式PID算法調(diào)節(jié)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速,使得巡檢機(jī)器人處于V型軌道中間位置,能夠保證巡檢機(jī)器人在V型軌道上進(jìn)行直線平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

為了進(jìn)一步檢測(cè)巡檢機(jī)器人的穩(wěn)定性以及,課題組來(lái)到了高鐵站進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn),試驗(yàn)錄像截圖如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采集圖像

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),巡檢機(jī)器人能夠按照既定的軌道路線直線穩(wěn)定行駛,在行駛過(guò)程中機(jī)器人上的攝像頭能夠?qū)?chē)廂連接處部位進(jìn)行穩(wěn)定高清拍照。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)器人通訊穩(wěn)定,采集到的照片信息數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)在監(jiān)控室查看,工作人員能夠根據(jù)圖片信息作出檢測(cè)分析,確保連接處的安全可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)快速發(fā)展的高速鐵路網(wǎng),為保證運(yùn)行的安全與穩(wěn)定,鐵路及機(jī)車(chē)的日常維護(hù)與檢修顯得異常重要?；诖吮疚脑O(shè)計(jì)了一種高鐵巡檢機(jī)器人。針對(duì)巡檢機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu),確定各個(gè)模塊的組成及整體的結(jié)構(gòu)方案,并完成了巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),編寫(xiě)了上位控制應(yīng)用及下位機(jī)控制算法,以及在控制系統(tǒng)的控制下完成巡檢機(jī)器人的相關(guān)檢修試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了巡檢機(jī)器人在軌道運(yùn)行的穩(wěn)定性、快速性以及檢修的有效性,這極大改善了維護(hù)與檢修的工作條件及強(qiáng)度,提高了工作效率。