張碩，干慧，邢宇航，韋騰坤，肖彥東

（合肥職業(yè)技術(shù)學院，安徽 合肥 230012）

據(jù)交通運輸部數(shù)據(jù)顯示，2021年1月，中國大陸共有44個城市開通運營城市軌道交通線路234條，運營里程7623.3公里，實際開行列車229萬列次，按一輛列車6節(jié)編組，一節(jié)車廂對應兩個輪對進行計算，市場即將面臨著有4122萬個輪對存在檢測需求。但市場調(diào)研的檢測現(xiàn)狀表明，各大地鐵公司目前對輪對的檢測仍舊采用的是傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，因此，在實際工作中存在勞動強度大、效率低、漏檢和工作環(huán)境差等問題，改革傳統(tǒng)檢測手段，使用智能化檢測技術(shù)是改善這些情況的有效途徑。

本項目根據(jù)輪對的實際檢測需求，現(xiàn)將人工智能引入它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測工作中，以實現(xiàn)輪對的自動化、智能化檢測目標。

1 探傷機器人系統(tǒng)組成

該探傷機器人系統(tǒng)主要由探傷機器人本體、探傷作業(yè)子系統(tǒng)以及控制管理子系統(tǒng)三大模塊組成。

1.1 機器人本體結(jié)構(gòu)設計

本文設計的探傷機器人本體主要采用了履帶式機械臂小車搭載探傷檢測設備的結(jié)構(gòu)，履帶式小車相對于傳統(tǒng)的輪式巡檢小車，有更大的工作空間，可以適應較為復雜的地理環(huán)境，具有較高的穩(wěn)定性，符合輪對檢測車間的使用要求，同時，它還使用了兩個直流電機分別對兩側(cè)主輪進行控制，以此實現(xiàn)小車的向前、向后、轉(zhuǎn)彎等移動模式，這種運動特性可以更好地輔助探傷作業(yè)的開展。

探傷機器人搭載的機械臂結(jié)構(gòu)采用的是仿生的關(guān)節(jié)型機械臂，它具有人類手臂的靈活性，且為六軸結(jié)構(gòu)，相較于二自由度和四自由度的機械臂，它的自由度更大，故可以根據(jù)輪對的檢測要求，調(diào)節(jié)機械臂的旋轉(zhuǎn)角度，以實現(xiàn)探頭的精準定位，使探傷作業(yè)具有可行性，如圖1所示。

圖1 探傷機器人本體結(jié)構(gòu)模型

1.2 探傷作業(yè)子系統(tǒng)

目前，市場上常見的無損探傷，主要分為超聲波探傷和磁粉探傷兩種。超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時就分別發(fā)生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。而磁粉探傷則是通過磁粉在缺陷附近漏磁場中的堆積以檢測鐵磁性材料表面或近表面處缺陷的一種無損檢測方法。將鋼鐵等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位的漏磁能吸附磁粉的特征，依磁粉分布顯示被探測物件表面缺陷和近表面缺陷的探傷方法，因此，磁粉探傷較適用于金屬表面的探傷，輪對在使用過程中一方面承受著來自軌道車輛的全部靜、動載荷，一方面與鋼軌和閘瓦接觸摩擦，受力情況較為復雜，容易發(fā)生內(nèi)部損傷，所以選用具有較強的穿透力、精確度和靈敏度等優(yōu)勢的超聲波探傷系統(tǒng)，更能符合輪對的內(nèi)部損傷檢測需求。

本項目的超聲波探傷作業(yè)子系統(tǒng)是由超聲波探頭、驅(qū)動器、傳感器、單片機、步進電機等組成。執(zhí)行級利用無線網(wǎng)絡接收來自計算機的控制命令，實現(xiàn)探傷任務。

1.3 控制管理子系統(tǒng)

控制管理子系統(tǒng)由履帶式小車控制系統(tǒng)、機械臂控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成，采用了計算機、無線接發(fā)模塊、攝像機以及掃描儀等設備，計算機通過無線網(wǎng)絡對單片機進行串口通信，下發(fā)探傷任務，進行探傷作業(yè)管理，探測結(jié)果通過無線網(wǎng)絡回傳至計算機，后臺對收集的數(shù)據(jù)信息進行匯總分析處理，同時，計算機還通過攝像機監(jiān)控探傷機器人整個移動以及探傷過程，完成監(jiān)控工作。

2 探傷機器人的系統(tǒng)設計

2.1 探傷機器人的定位、導航系統(tǒng)

本項目的探傷機器人為移動式機器人，相對有軌式巡檢機器人，其具有較高的靈活度，并可根據(jù)檢測模塊的需求快速移動，有效地縮短了到達檢測區(qū)域的時間，提高了檢測效率，但在該系統(tǒng)提供便捷的同時，也給系統(tǒng)的設計提出了新的要求，即實現(xiàn)探傷機器人的精準定位，并需要合理規(guī)劃行走路線。目前，市場上的移動式機器人主要采用的是SLAM算法進行定位，傳統(tǒng)的同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（SLAM技術(shù)）雖然在實時性方面取得了較高的水平，但因光線、車間環(huán)境等因素的影響，它的魯棒性以及定位精準度會出現(xiàn)偏差，從而影響檢測結(jié)果，所以需要對傳統(tǒng)的SLAM技術(shù)進行改良。為此，本項目提出了一種VIO算法，該算法首先要明確系統(tǒng)傳遞的狀態(tài)變量結(jié)構(gòu)，IMU姿態(tài)R、位置p1、速度v、零偏b、m個特征點的3D空間位置pp等，將R、p1、v、pp構(gòu)造為高維的特殊歐氏群矩陣，即。通過計算可得，整個系統(tǒng)的狀態(tài)變量均值為隨機偏差向量為然后，通過構(gòu)建采樣容積點描述狀態(tài)變量的分布并經(jīng)過IMU運動模型進行傳遞，對容積點加權(quán)求和獲得傳遞后的狀態(tài)均值和方差，以實現(xiàn)狀態(tài)預測，最后通過對特征點觀測跟蹤，實現(xiàn)濾波器的狀態(tài)更新，但在相機運動過程中，系統(tǒng)跟蹤的觀測特征點會部分離開相機視域，所以需要將新的特征點補充到狀態(tài)變量中，所以采用了高維李群矩陣來表示n個時刻相機位姿，并通過容積變換傳遞相機位姿不確定性，完成新增特征點位置和方差的估計，保障了探傷機器人的定位精度。

2.2 探傷作業(yè)流程

如圖2所示，為實現(xiàn)探傷機器人的智能化檢測，系統(tǒng)設置了多元檢測模塊，包括踏面檢測模塊、軸頸檢測模塊以及全輪對檢測模塊，探傷機器人可根據(jù)任務要求，利用PLC系統(tǒng)進行檢測模塊的自主切換。

圖2 探傷作業(yè)流程圖

探傷機器人啟動后，通過定位導航系統(tǒng)，運用到輪對的標識區(qū)，通過掃描儀識別輪對標識，確定檢測模塊，待準備工作就緒后，電機啟動，機械臂攜帶探頭下降直至輪對的檢測表面，通過壓力傳感器的反饋信息，調(diào)整探頭的檢測位置，使探頭與輪對表面具有一定的壓力接觸，再開始探傷作業(yè)，整個探測過程中，檢測機器人需配合探頭的檢測需求進行移動，為防止探測機器人偏離運行軌跡，該系統(tǒng)還采用了高清攝像頭對整體探傷過程以及機器人的運行軌跡進行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)偏離就會發(fā)出警報，同時，為區(qū)別探傷過程中發(fā)現(xiàn)缺陷時的警報，系統(tǒng)采用了分級警報的設置，便于工作人員進行區(qū)分。

3 結(jié)語

本文設計的探傷機器人系統(tǒng)，可實現(xiàn)輪對內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的智能化、自動化以及個性化檢測，改革了傳統(tǒng)的人工檢測模式，將人工檢查轉(zhuǎn)變?yōu)榱藱C器自動檢測，實現(xiàn)人工檢測的電子化，降低了現(xiàn)場人工勞動強度，節(jié)省了人力資源和成本，同時還有效避免了因人工經(jīng)驗不足等造成的誤判、漏判等現(xiàn)象，便于及時發(fā)現(xiàn)輪對內(nèi)部故障信息，強化檢測結(jié)果的精確度、準確度，保障了運營安全，改善了現(xiàn)有的輪對檢測市場痛點問題，使車輛零部件的檢測變得智能化，也為其他零部件以及機電設備等的檢測提供了思路，但因條件的影響，本項目設計的探傷機器人系統(tǒng)仍存在檢測項目少等問題，后期筆者將進一步研究輪對智能檢測系統(tǒng)，拓展研究范圍，擴充檢測項目，實現(xiàn)輪對的全方位智能化檢測。