本发明涉及轨道车辆技术领域，特别涉及一种轨道车辆检修辅助机器人。
背景技术：
为了保障安全、稳定、可靠的运营，动车组、城轨、地铁等轨道车辆通常行驶到一定公里数后需要按照铁路运营相关标准进行一、二级检修，也称为日检或者列检。随着运营轨道车辆数量逐年快速增加和上线车辆运营年限的增长，检修工作量和压力随之快速增加，各检修车辆段面临极大的考验。
一、二级检修中，一列8编组的动车组列车的车底车侧检查耗时约60分钟，占整个检修用时的40％～60％。其中，转向架是列车安全运行的关键部位，其关键零部件种类多、数量大，是车底故障多发区，因此也是车下检查的重点部位。目前，一、二级检修中车底检查主要是对零部件外观进行检查，基本是人工通过眼睛观察、手电筒录像、尺子测量等传统的检查方式作业完成。
然而，人工检修存在以下问题：(1)一级检修作业人员通过底部观察转向架可查看到大部分转向架表面信息，但原则上对转向架检修需要查看所有部件的表面状态，故障偶然性强，待检面广，耗时、耗力、效率低；(2)由于多数车辆均在夜间入库，检修人员在夜间作业不可避免的会出现疲劳现象，并且劳动强度大，对检修人员素质和责任心要求较高，检修质量难以保证；(3)一级检修检查作业时，检修人员通过带录像功能的手电筒录制检查录像，录像作为检查过程记录，为评估检修作业质量提供依据，如录像视频内包含的检查点信息不全面、视频质量较低，增加视频分析师的复核难度；(4)受限于转向架复杂结构和狭窄的空间，转向架顶部人工检查难度非常大，检修人员在地沟中以从下往上观察的视角很难检查到某些比较隐蔽的零部件，从而造成漏检，为车辆运行带来安全隐患；(5)人工检修过程中，发现的故障要另行拍照，填写故障报告单、检修申请单等纸质文件，需办理较多手续，并且从检查出故障到解决故障的整个过程所产生的资料文件需要另行录入存档，且不具备工单派发、故障统计等信息化作业手段。
在无法快速增加检修人力和作业股道的情况下，提高检修效率是提高检修能力的关键因素，采用信息化和自动化程度较高的检修设备或机器人以辅助甚至替代人工作业，可有效解决上述问题，满足中国铁路总公司《全路动车段(所)布局中长期规划》的要求，符合轨道交通大环境健康持续发展的要求。
技术实现要素：
鉴于上述状况，有必要提供一种新型的、设计合理的轨道车辆检修辅助机器人，以解决人工检修所存在的弊端。
本发明提供一种轨道车辆检修辅助机器人，所述轨道车辆检修辅助机器人包括机器人本体、动作执行装置、行走装置、图像采集系统、控制系统、图像处理系统、视频监控装置、定位系统、供电装置、监测系统、内部温度湿度控制装置、以及行走轨道，所述行走装置设置于所述机器人本体的下部或顶部两侧，所述行走装置与所述行走轨道的结构和位置相配合，所述行走装置限位于所述行走轨道上且可沿所述行走轨道移动，所述动作执行装置包括升降装置、平移装置、以及多自由度机械臂，所述升降装置固定于所述机器人本体上，所述平移装置固定于所述升降装置上，所述多自由度机械臂固定于所述平移装置上，所述多自由度机械臂的端部设置有所述图像采集系统，所述图像处理系统对所述图像采集系统采集图像分析处理，所述控制系统和所述内部温度湿度控制装置设置于所述机器人本体内部，所述控制系统用于控制所述轨道车辆检修辅助机器人各部件，所述供电装置为所述轨道车辆检修辅助机器人的供电，所述监测系统实时采集自身信息并将信息反馈到所述控制系统，所述走行装置和所述定位系统配合实现所述轨道车辆检修辅助机器人的粗定位和精确定位。
进一步地，所述升降装置为双模组同步主动提升结构，控制两竖直提升伺服电机分别驱动两竖直提升模组同时运动，或一所述竖直提升伺服电机通过竖直提升传动机构带动两所述竖直提升模组同时运动。
进一步地，所述升降装置为一侧主动一侧被动提升结构，主动端由一个竖直提升伺服电机带动竖直提升模组运动，从动端通过导轨滑块、一个水平导轨、两个平行的竖直导轨进行导向，并且抵抗水平移动机构外伸造成的附加力矩。
进一步地，所述所述竖直提升模组采用滚珠丝杠或皮带传功的结构。
进一步地，所述多自由度机械臂为七自由度或六自由度的柔性机械臂，所述多自由度机械臂包括依次连接的多段臂且相连接两段所述臂可绕关节相对旋转。
进一步地，所述平移装置为三级同步驱动结构，所述平移装置包括一级驱动电机、基座、一级轨、二级轨、以及载重滑块，所述基座固定在所述升降装置上，所述一级驱动电机固定在所述基座上，所述基座与所述一级轨通过同步带连接，所述二级轨与所述一级轨和所述基座通过第二同步带连接，所述载重滑块与所述二级轨和所述一级轨通过第三同步带连接，所述一级驱动电机驱动所述一级轨相对于所述基座移动，同时所述二级轨相对于所述一级轨、所述载重滑块相对于所述二级轨同向运动。
进一步地，所述平移装置为两级同步驱动和一级单独驱动组合结构，所述平移装置包括一级驱动电机、基座、一级轨、二级轨、载重滑块、以及二级驱动电机，所述基座固定在所述升降装置上,所述一级驱动电机固定在所述基座上，所述基座与所述一级轨通过同步带连接，所述二级轨与所述一级轨和基座通过第二同步带连接，所述二级驱动电机安装在所述二级轨上，所述一级驱动电机驱动所述一级轨相对于所述基座移动，同时所述二级轨相对于所述一级轨同向运动,所述载重滑块由所述二级驱动电机驱动相对于所述二级轨同向运动。
进一步地，所述平移装置为多个模组或多个线性马达叠加驱动结构。
进一步地，所述行走轨道为底部行走驱动或挂式驱动。
进一步地，所述行走装置包括行走轮、传动装置、伺服驱动单元、以及编码器，所述伺服驱动单元与所述传动装置的主动轮轴向连接，所述传动装置的从动轮与主动轮传动连接，所述传动装置的从动轮与所述行走轮轴向连接而带动行走轮转动，进而带动所述轨道车辆检修辅助机器人行走，所述编码器设置于所述传动装置上，所述编码器反馈所述行走轮行走距离。
本发明实施例的技术方案带来的有益效果是：上述轨道车辆检修辅助机器人，具有提高检修面积、提高检修效率、提高检修质量和可靠性、降低人工劳动强度和改善作业环境、提高检修工作的信息化水平、兼容性强、安全可靠。
附图说明
图1是本发明实施例的轨道车辆检修辅助机器人的结构示意图；
图2是图1的剖视图；
图3是本发明实施例的轨道车辆检修辅助机器人的左视图；
图4是本发明实施例的轨道车辆检修辅助机器人的右视图；
图5a是本发明实施例的一种升降装置的结构示意图；
图5b是本发明实施例的另一种升降装置的结构示意图；
图6a是本发明实施例的一种平移装置的结构示意图；
图6b是本发明实施例的另一种平移装置的结构示意图；
图6c是本发明实施例的又一种平移装置的结构示意图；
图7a是本发明实施例的一种多自由度机械臂的结构示意图；
图7b是本发明实施例的另一种多自由度机械臂的结构示意图；
图8a是本发明实施例的一种行走装置及行走轨道铺的结构示意图；
图8b是本发明实施例的另一种行走装置及行走轨道铺的结构示意图；
图9是本发明实施例的控制系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
请参见图1至图4，本发明的轨道车辆检修辅助机器人100包括机器人本体11、动作执行装置12、行走装置13、图像采集系统14、控制系统15、图像处理系统16、视频监控装置17、定位系统18、安全保护装置19、供电装置20、监测系统21、内部温度湿度控制装置22、行走轨道23、以及远程控制端24。
机器人本体11用于承载和安装轨道车辆检修辅助机器人100的相关部件。
动作执行装置12包括升降装置121、平移装置122、以及多自由度机械臂123。升降装置121固定于机器人本体11上，平移装置122固定于升降装置121上，多自由度机械臂123固定于平移装置122上。
升降装置121可采用双模组同步主动提升结构、或一侧主动一侧被动提升结构。若升降装置121采用双模组同步主动提升结构，通过控制两个竖直提升伺服电机1212分别驱动两个竖直提升模1211组同时(竖直)运动，或一个竖直提升伺服电机1212通过竖直提升传动机构1213带动两个竖直提升模组1211同时(竖直)运动，参见图5a所示。若升降装置121采用一侧主动一侧被动提升结构，主动端由一个竖直提升伺服电机1212’带动竖直提升模组1211’运动，从动端通过导轨滑块1214’、一个水平导轨1215’、两个平行的竖直导轨1216’进行导向，并且抵抗水平移动机构外伸造成的附加力矩。其中，所述竖直提升模组1211’采用滚珠丝杠或皮带传功的结构，通过与竖直导轨1216’组合，外加基体和防护罩，实现单自由度精密可靠的直线运动。主动端的竖直提升伺服电机1212’优先采用电机侧装方式，在有效行程一定的情况下降低总高度，参见图5b所示。
平移装置122可采用三级同步驱动结构、两级同步驱动和一级单独驱动组合结构、以及多个模组或多个线性马达叠加驱动结构。
若平移装置122采用三级同步驱动结构，基座1222固定在升降装置121(竖直提升模1211、1211’)上，一级驱动电机1221固定在基座1222上，一级轨1223设置于基座1222上且滑动连接，一级轨1223可沿基座1222移动，二级轨1224设置于一级轨1223上且滑动连接，二级轨1224可沿一级轨1223移动，载重滑块1225设置于二级轨1224上且滑动连接，载重滑块1225可沿二级轨1224移动。基座1222与一级轨1223通过同步带(图未示)连接，当一级驱动电机1221带动同步带运动时，一级轨1223相对于基座1222实现移动。二级轨1224与一级轨1223和基座1222通过两条缠绕的第二同步带(图未示)连接，实现当一级轨1223相对于基座1222移动时二级轨1224相对于一级轨1223同向运动。同样原理，载重滑块1225与二级轨1224和一级轨1223通过两条缠绕的第三同步带(图未示)连接，实现当二级轨1224相对于一级轨1223移动时载重滑块1225相对于二级轨1224同向运动。通过上述原理，一级轨1223、二级轨1224及载重滑块1225通过一级驱动电机1221控制实现三级同步左右双向运动，参见图6a所示。
若平移装置122采用两级同步驱动和一级单独驱动组合结构，基座1222’固定在升降装置121(竖直提升模1211、1211’)上一级驱动电机1221’固定在基座1222’上。基座1222’与一级轨1223’通过同步带(图未示)连接，当固定在基座1222’上的一级驱动电机1221’带动同步带运动时，一级轨1223’相对于基座1222’实现移动。二级轨1224’与一级轨1223’和基座1222’通过两条缠绕的第二同步带连接，实现当一级轨1223’相对于基座1222’移动时二级轨1224’相对于一级轨1223’同向运动。二级驱动电机1226’安装在二级轨1224’上，载重滑块1225’由二级驱动电机1226’驱动相对于二级轨1224’上双向运动，参见图6b所示。
若平移装置122采用多个模组或多个线性马达叠加驱动结构，基座1222”固定在升降装置121(竖直提升模1211、1211’)上，侧立模组1227”、水平模组1228”、线性马达1229”设置于基座1222”上，侧立模组1227”、水平模组1228”、线性马达1229”可采用水平叠加结构或者侧立与水平混合结构，参见图6c所示。
多自由度机械臂123一端与平移装置122固定连接，多自由度机械臂123为七自由度或六自由度的柔性机械臂，参见图7a和7b所示，多自由度机械臂123整体外形细长，各关节1234处结构紧凑，多自由度机械臂123包括依次连接的多段臂1232且相连接两段臂1232之间可绕关节1234相对旋转。优选的，多自由度机械臂123的各段臂1232的直径在150mm范围内且越小越好，多自由度机械臂123工作范围在600-1200mm之间，多自由度机械臂123的关节1234旋转角度可达360°，载重在2-10kg之间。
行走装置13设置于机器人本体11的下部，行走装置13包括行走轮131、传动装置132、伺服驱动单元133、以及编码器134。伺服驱动单元133与传动装置132的主动轮轴向连接，传动装置132的从动轮与主动轮传动连接，传动装置132的从动轮与行走轮131轴向连接而带动行走轮131转动，进而带动轨道车辆检修辅助机器人100行走，编码器134设置于传动装置132上，编码器134反馈行走轮131行走距离，行程稳定可靠的闭环控制。在其他实施例中，行走装置13还可以设置于机器人本体11顶部两侧，行走装置13与行走轨道23相配合，行走装置13限位于行走轨道23上且可沿行走轨道23移动。
在动作执行装置12和行走装置13共同配合下，使得轨道车辆检修辅助机器人100可移动至待检测轨道车辆不同位置，以实现待检测轨道车辆的全面检测。
参见图1所示，图像采集系统14包括末端图像采集装置141、线扫相机组件142、以及面阵相机组件143。图像采集系统14用于对待检测轨道车辆具体部位的高清图像采集。
末端图像采集装置141设置于多自由度机械臂123的端部，末端图像采集装置141包括相机、镜头、光源、以及避障传感器。通过行走装置13、升降装置121、平移装置122和多自由度机械臂123配合，可将末端图像采集装置141送达任何待检位置，以采集各部位的多个角度照片。
线扫相机组件142包括多个线扫相机装置和至少一个激光发生器，多个线扫相机装置排成一条直线对称设置于机器人本体11上，每个线扫相机装置旁各有一个激光发生器，也可以多个线扫相机装置共用一个激光发生器。线扫相机组件142用于采集待检测轨道车辆的车底图像。
面阵相机组件143包含多个面阵相机1432和多个机器视觉光源1434，多个面阵相机1432成一条直线对称设置于机器人本体11上，机器视觉光源1434分布在面阵相机1432周围，机器视觉光源1434用于均匀照亮拍摄区域。面阵相机组件143用于采集转向架底部图像。
控制系统15设置于机器人本体11内部，控制系统15包括中央控制单元151、图像处理单元152、定位单元153、动作控制单元154、通讯单元155、监测单元156、视频监控单元157、温湿度控制单元158、以及电源控制单元159。控制系统15用于控制轨道车辆检修辅助机器人100各部件。其中，中央控制单元151调取对应的控制文件，对动作控制单元154和图像处理单元152发命令，动作控制单元154分别控制动作执行装置12及行走装置13、图像处理单元152控制图像采集系统14按照既定的计划执行，执行的情况依次反馈至中央控制单元151处理。监测单元156、视频监控单元157、定位单元153、电源控制单元159、温湿度控制单元158与中央控制单元151交互，传递信息和指令。中央控制单元151通过通讯单元155将整个轨道车辆检修辅助机器人100采集的处理的工作和轨道车辆检修辅助机器人100自身的情况，发送到后台服务器242进行处理和供工作人员使用。中央控制单元151通过通讯单元155将轨道车辆检修辅助机器人100自身的情况，发送到远程监控单元241供其他相关人员使用，参见图9所示。
图像处理系统16用于对图像采集系统14采集的图像进行分析处理，图像处理系统16包括图像处理装置和图像处理计算单元。其中，图像处理装置可为工控机、板卡、或单片机。图像处理计算单元包括但不限于图像对比计算单元、机器学习计算单元、故障信息标记计算单元等。图像处理系统16用于对采集的图像进行分析，对图像中可疑故障之处进行标记反馈和报警。进一步地，图像处理系统16可引导动作执行装置12移动位置采集新图像再次确认故障。
视频监控装置17设置于机器人本体11上，视频监控装置17为网络摄像头，实时采集多自由度机械臂123的动作和待检测轨道车辆车底的图像，并将图像发送给中央控制单元151，中央控制单元151通过通讯单元155将视频发送给后台服务器242，供检修人员监控现场情况。
定位系统18包括定位装置181和相关算法。定位装置181为激光测距传感器或智能相机，定位装置181固定于机器人本体11上。通过发射激光或结构光投射到车底或转向架固定尺寸的结构部件上，对轨道车辆检修辅助机器人100与轨道车辆进行粗定位，并控制轨道车辆检修辅助机器人100适时减速；通过发射激光或结构光投射到轨道车辆的转向架固定尺寸的结构部件上，对轨道车辆检修辅助机器人100与轨道车辆进行精确定位，并配合编码器134的读数控制轨道车辆检修辅助机器人100到达预定位置。
安全保护装置19包括自身安全保护装置和人员安全保护装置。
自身安全保护装置包括多自由度机械臂过力矩保护、平移装置两端面的机械限位开关、平移装置和升降装置的光电限位开关和机械限位开关、伺服电机的过载保护、电池过载过放保护、以及各线路过流断路器保护等。其中，多自由度机械臂过力矩保护设置于多自由度机械臂123的各关节1234上，可有效避免多自由度机械臂123沿既有路径或自身新规划的路径动作时碰撞到障碍物，而造成轨道车辆、轨道车辆检修辅助机器人100或其他设备损坏。
人员安全保护装置包括多个急停开关191、手操器急停、以及障碍物检测传感器192。其中，障碍物检测传感器192为激光雷达、超声波传感器、或激光测距传感器。其中，障碍物检测传感器192设置于机器人本体11前后两端上，通过障碍物检测传感器192发出的障碍物距离信号控制轨道车辆检修辅助机器人100减速直至停机，同时控制轨道车辆检修辅助机器人100发出不同级别的声光警示，避免撞到原有路径中的工作人员。
供电装置20负责轨道车辆检修辅助机器人100的供电，供电装置20可分无线实时供电装置和电池储能供电装置。其中，无线实时供电装置包括固定部分和移动部分，固定部分设置于在轨道车辆检修辅助机器人100下方的地沟中，其将电能转化到供电端，移动部分设置于轨道车辆检修辅助机器人100上将电能拾取转化并为轨道车辆检修辅助机器人100供电。电池储能供电装置包括锂电池组、电池管理系统、逆变器、断路器、充电机或充电桩，电池管理系统在充电和放电时对锂电池组各个模块起到平衡和监控，并且对锂电池组过充、过放、过流、过热等起到安全保护作用，充电机或充电桩可选用自动式或者手动式两种，充电方式可采用有线或者无线方式。
监测系统21实时采集自身信息并将状态信息实时反馈到控制系统15，实时反馈的状态信息包括但不限于系统工作进度、轨道车辆检修辅助机器人100实时工作状态、电池电量信息、断路器状态、图像采集及处理状态、伺服状态、传感器信息、温度湿度控制器工作状态等。
内部温度湿度控制装置22包括设置于机器人本体11内部的温度控制器、湿度控制器、空调、以及除湿器，其可以有效调节轨道车辆检修辅助机器人100的各元件工作环境。
行走轨道23与行走装置13是互相配合的结构。行走轨道23为底部行走驱动或挂式驱动。具体地，一种是行走轨道23为在地沟底部铺设底部轨道234，行走装置13设置于机器人本体11底部，行走轮131沿铺设在地沟底部的底部轨道234运动，如图7b所示。另一种是采用挂式，行走轨道23即顶部轨道232通过轨道固定件233安装在轨道车辆行进的轨道231上，对应的行走装置13设置于机器人本体11顶部两侧，机器人本体11于地沟中，行走轮131沿顶部轨道232运动，如图7a所示。
远程控制端24包括远程监控单元241和后台服务器242，远程控制端24设置于检修人员办公室或者监控指挥中心，远程监控单元241和后台服务器242分别与通讯单元155交互。后台服务器242和远程监控单元241分别接收通讯单元155传输过来的轨道车辆检修辅助机器人100采集处理工作和轨道车辆检修辅助机器人100自身情况的信息，参见图9所示。
轨道车辆检修辅助机器人100还包括控制中心综合管理单元(图未示)。控制中心综合管理单元为软件及算法，运行在后台服务器242上，主要用于车号识别、信息录入存档、高清图像显示、故障图像报警和人为确认、复查工单派发、故障查询和统计、历史数据查询、系统自检、现场环境实时监控、对外接口、以及用户管理等。控制中心综合管理单元与控制系统15连接，控制系统15将整个系统采集的处理的工作和系统自身的情况，发送给控制中心综合管理单元进行后处理和供工作人员使用。
轨道车辆检修辅助机器人100还包括手操器，手操器可为工业平板、平板电脑，手操器直接与控制系统15通讯，手操器用于工作人员现场操作和前期调试及路径规划。
轨道车辆检修辅助机器人100工作流程如下：轨道车辆检修辅助机器人100沿走行轨道23行进，走行装置13配合定位系统18实现机器人本体11相对于轨道车辆的粗定位和精确定位,线扫相机组件142开始采集车底图像，并将处理分析后的图像发送给控制中心综合管理软件供工作人员复核。线扫相机组件142开始采集车底图像，并将处理分析后的图像发送给控制中心综合管理单元供工作人员复核，线扫相机组件142完成工作后轨道车辆检修辅助机器人100返程行进，当机器人本体11移动到预定位置后，动作执行装置12的各部分按既定任务中的路径规划联合控制，携待末端图像采集装置141采集待检区域多个角度高清图像，图像处理系统16将图像信息中的故障位置标出并分级别报警，发送给控制中心综合管理单元供工作人员复核，并协助检修工单派发和信息统计，轨道车辆检修辅助机器人100继续工作，直至完成任务，工作完成轨道车辆检修辅助机器人100回到初始位置，并自动充电。轨道车辆检修辅助机器人100的状态信息通过视频监控装置17和监测系统21处理实时显示在控制中心综合管理单元和手操器上。
本发明实施例的技术方案带来的有益效果是：上述轨道车辆检修辅助机器人100，具有提高检修面积、提高检修效率、提高检修质量和可靠性、降低人工劳动强度和改善作业环境、提高检修工作的信息化水平、兼容性强、安全可靠。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。