裴傳福，成功，崔凱

（華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 濟(jì)源 459000）

1 前言

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外的翻車機(jī)系統(tǒng)，主要設(shè)備翻車機(jī)、重車調(diào)車機(jī)、空車調(diào)車機(jī)、遷車臺(tái)等作業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但重車摘鉤仍然由人工完成（圖1）。

圖1 翻車機(jī)重車人工摘鉤作業(yè)場(chǎng)景

人工摘鉤操作存在以下幾方面的安全隱患，易發(fā)生安全事故。（1）操作空間比較狹窄。（2）作業(yè)時(shí)間不分晝夜，經(jīng)常在半夜或者凌晨，人員困乏精力不佳。（3）操作人員年齡偏大，安全意識(shí)弱，體力、精力、眼力跟不上。

隨著輸煤設(shè)備無(wú)人值守的發(fā)展趨勢(shì)，非常有必要進(jìn)行利用機(jī)器人代替翻車作業(yè)過(guò)程中人工摘鉤操作的探索研究，以實(shí)現(xiàn)摘鉤機(jī)器代人作業(yè)，節(jié)約人力成本，降低翻車過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

2 相關(guān)技術(shù)

本文設(shè)計(jì)的翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人主要依靠機(jī)器視技術(shù)、機(jī)械臂控制技術(shù)、摘鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2.1 機(jī)器視覺技術(shù)

摘鉤機(jī)器人的機(jī)器視覺技術(shù)是非常重要的一項(xiàng)技術(shù)，它用于幫助機(jī)器人識(shí)別和捕捉需要抓取的物體。

摘鉤機(jī)器人通常會(huì)配備攝像頭和其他相關(guān)傳感器，利用這些設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）目標(biāo)檢測(cè)。機(jī)器人可以通過(guò)攝像頭捕捉到目標(biāo)物體的圖像數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行圖像處理，識(shí)別出目標(biāo)物體的位置、大小、形狀等特征信息。

（2）物體跟蹤。機(jī)器人可以根據(jù)目標(biāo)物體的特征信息，追蹤其在空間中的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，以便更準(zhǔn)確地抓取和移動(dòng)物體。

（3）抓取規(guī)劃。機(jī)器人可以根據(jù)目標(biāo)物體的形狀和大小，計(jì)算出合適的抓取位置和抓取角度，以便更好地抓取物體。

（4）姿態(tài)控制。機(jī)器人可以根據(jù)目標(biāo)物體的特征信息和抓取規(guī)劃，對(duì)其自身的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以便更準(zhǔn)確地完成抓取任務(wù)。

機(jī)器視覺技術(shù)是摘鉤機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抓取的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以作為激光雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的輔助，大幅度提高機(jī)器人的抓取成功率和效率。

2.2 機(jī)械臂控制技術(shù)

摘鉤機(jī)器人的機(jī)械臂控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精準(zhǔn)抓取、移動(dòng)和放置物體的關(guān)鍵技術(shù)之一。

機(jī)械臂控制技術(shù)通常包括以下幾個(gè)方面。

（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)控制。運(yùn)動(dòng)學(xué)控制是機(jī)械臂控制的基礎(chǔ)，它可以根據(jù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，計(jì)算機(jī)械臂的位置和姿態(tài)。運(yùn)動(dòng)學(xué)控制對(duì)于控制機(jī)械臂在空間中的運(yùn)動(dòng)，完成精準(zhǔn)的定位和抓取任務(wù)至關(guān)重要。

（2）動(dòng)力學(xué)控制。動(dòng)力學(xué)控制是控制機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，包括速度、加速度等。通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的工作。

（3）路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃是機(jī)械臂控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以計(jì)算出機(jī)械臂在空間中的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制。路徑規(guī)劃可以根據(jù)不同的任務(wù)需求，選擇不同的運(yùn)動(dòng)路徑，以實(shí)現(xiàn)更加高效的機(jī)械臂控制。

（4）力控制。力控制是機(jī)械臂控制的另一項(xiàng)重要技術(shù)。通過(guò)力傳感器等器件，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)物體的接觸力度和壓力的精準(zhǔn)控制，以實(shí)現(xiàn)高精度抓取和放置任務(wù)。

摘鉤機(jī)器人的機(jī)械臂控制技術(shù)是摘鉤機(jī)器人的核心技術(shù)之一，它通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、路徑規(guī)劃等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的精準(zhǔn)定位和控制，從而實(shí)現(xiàn)了更加高效、高質(zhì)量的機(jī)器人抓取任務(wù)。

2.3 摘鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)

摘鉤機(jī)器人的控制系統(tǒng)是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，完成各種任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。摘鉤機(jī)器人的控制系統(tǒng)通常包括以下幾個(gè)部分。

（1）傳感器。傳感器可以采集機(jī)器人和環(huán)境的信息，包括位置、姿態(tài)、力度、視覺等。不同的傳感器可用于不同的控制任務(wù)，例如，位置傳感器用于控制機(jī)械臂的位置，視覺傳感器用于實(shí)現(xiàn)自主視覺導(dǎo)航等。

（2）控制器?？刂破魇钦^機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，它通過(guò)對(duì)傳感器信息的處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制?？刂破鞯墓δ芡ǔ０窂揭?guī)劃、機(jī)械臂控制、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、力控制等。

（3）通訊模塊。通訊模塊可以將控制器與其他設(shè)備或系統(tǒng)連接起來(lái)。例如，將控制器連接到網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，將控制器連接到其他機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)等。

（4）軟件系統(tǒng)。摘鉤機(jī)器人的控制系統(tǒng)需要配有相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，例如，運(yùn)動(dòng)控制軟件、機(jī)器視覺軟件、路徑規(guī)劃軟件等，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制任務(wù)。

（5）電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)提供機(jī)器人所需的電力，包括直流電源、交流電源、電池、伺服電源等。

摘鉤機(jī)器人的控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種控制任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通過(guò)傳感器、控制器、通訊模塊、軟件系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等部分的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人的精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)了各種高效、高質(zhì)量的機(jī)器人任務(wù)。

3 翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人設(shè)計(jì)

翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的設(shè)計(jì)包括機(jī)械設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方向。

3.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面。

（1）機(jī)械臂設(shè)計(jì)。機(jī)械臂是翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的核心部分，它需要具備足夠的靈活性、剛度和負(fù)載能力，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和工作負(fù)載。機(jī)械臂設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、材料選擇等方面，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠、精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。

（2）摘鉤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。摘鉤機(jī)構(gòu)是翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人實(shí)現(xiàn)夾取鉤子的關(guān)鍵部分。摘鉤機(jī)構(gòu)應(yīng)該具備良好的精度和重復(fù)性，同時(shí)還需要考慮其可靠性和維修性等因素。

（3）小車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。小車機(jī)構(gòu)是摘鉤機(jī)器人隨動(dòng)火車車廂和重車調(diào)車機(jī)的重要機(jī)構(gòu)，它需要具備足夠的安全性、機(jī)動(dòng)性和可控性。設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮包括加減速性能、懸掛和運(yùn)行穩(wěn)定性等因素，同時(shí)還需要考慮燈光、聲音、信號(hào)等傳感器的安裝位置。

（4）夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。夾持機(jī)構(gòu)是翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的關(guān)鍵部分，它需要具備足夠的力度、精度和穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)有效的夾緊操作。夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮夾持力度、夾持方式以及力矩方向等因素。

翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮工作環(huán)境和工作負(fù)載等因素，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、有效的運(yùn)動(dòng)控制和夾緊操作，從而實(shí)現(xiàn)高效的翻車機(jī)自動(dòng)化作業(yè)。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面。

（1）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器人需要精確執(zhí)行預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)軌跡以摘取鉤柄。因此，需要選擇適合的運(yùn)動(dòng)控制器和驅(qū)動(dòng)器，并編制合適的運(yùn)動(dòng)控制程序。

（2）攝像頭和圖像處理系統(tǒng)。攝像頭和圖像處理系統(tǒng)用于檢測(cè)和定位待摘取的鉤柄。需要選擇高分辨率的攝像頭，并使用圖像處理算法實(shí)現(xiàn)鉤柄的準(zhǔn)確識(shí)別和定位。

（3）機(jī)械臂控制系統(tǒng)。機(jī)械臂控制系統(tǒng)用于控制機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)。需要選擇適合的機(jī)械臂控制器和編程軟件，并編寫與運(yùn)動(dòng)控制程序的通信接口。

（4）傳感器與反饋控制系統(tǒng)。傳感器與反饋控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化控制。需要選擇適合的傳感器并實(shí)時(shí)讀取其數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)精確控制和鉤柄摘取過(guò)程中的力控制。

（5）通信與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。機(jī)器人需要與翻車機(jī)PLC系統(tǒng)和主控單元進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)信息的共享和控制命令的下達(dá)。需要選擇適合的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理軟件。

翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)、控制算法、傳感器與反饋控制系統(tǒng)、通信與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等方面進(jìn)行綜合考慮。

4 摘鉤機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)

本文基于翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人模型，進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，摘鉤成功率達(dá)到了95%以上。

4.1 翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)

提高工作效率：翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人可以自主執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，減少了人工干預(yù)，縮短了作業(yè)周期，提高了工作效率。

（1）降低工作風(fēng)險(xiǎn)。翻車機(jī)人工摘鉤操作存在風(fēng)險(xiǎn)，使用摘鉤機(jī)器人可以避免人員有關(guān)的操作風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)作業(yè)人員的生命安全。

（2）減少人力成本。傳統(tǒng)作業(yè)需要使用大量的人力，而摘鉤機(jī)器人可以代替人力完成作業(yè)，從而降低了成本。

（3）提高作業(yè)準(zhǔn)確性。摘鉤機(jī)器人通過(guò)預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡、力矩檢測(cè)與控制、圖像識(shí)別算法等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的作業(yè)動(dòng)作，消除了操作人員的非準(zhǔn)確性。

（4）高適應(yīng)性。翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人可以通過(guò)軟件編程和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同型號(hào)的翻車機(jī)的調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí)，在各種天氣或環(huán)境條件下，工作都相對(duì)穩(wěn)定。

4.2 翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的缺點(diǎn)

（1）缺乏靈活性。翻車機(jī)自動(dòng)化摘鉤機(jī)器人的操控需要使用預(yù)設(shè)的程序，無(wú)法像人類一樣快速做出復(fù)雜的判斷以及應(yīng)對(duì)不同的情況，因此，靈活性有一定的限制。

（2）復(fù)雜性。機(jī)器人需要經(jīng)過(guò)專業(yè)人員的專業(yè)培訓(xùn)才能操作，維修也需要相關(guān)專業(yè)知識(shí)和技能，這增加了維護(hù)和操作成本。

總的來(lái)說(shuō)，翻車機(jī)自動(dòng)摘鉤機(jī)器人的使用可以提高工作效率，降低工作風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)準(zhǔn)確性，減少人力成本，并且適應(yīng)性較強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有較高效率和安全性的翻車機(jī)自動(dòng)摘鉤機(jī)器人，并在電廠翻車機(jī)線得到了實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，該機(jī)器人在翻車機(jī)摘鉤操作中具有可行性和實(shí)用性。對(duì)于后續(xù)的研究，可以進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)的性能，提高機(jī)器人的智能化水平。