小型城市轨道智能巡检机器人机械结构设计研究

小型城市轨道智能巡检机器人机械结构设计研究

李朝

天津光电通信技术有限公司 天津市 300202

摘要：随着我国综合国力的不断提升，我国城市交通的建设力度也不断加强，城市轨道交通已逐渐成为现代城市公共客运交通体系的核心组成部分。随着我国轨道交通网络的形成和发展，大量轨道交通基础设施相继进入养护期，线路安全和监测面临压力逐渐增大。近年来，随着人工智能技术及机器人技术的日益发展，巡检机器人广泛应用于各种领域，轨道式机器人最早出现，技术上也相对成熟。我国最早1999年便开始研发巡检机器人，2005年研制出首台样机并投入使用，经过多年发展，巡检机器人得到了广泛应用，而隧道巡检机器人的各项功能仍处于不完善的阶段，传统的巡检方式以“人＋轨道车”的集合模式为主，存在劳动强度大、有人身安全隐患、工作效率低等不足。为此，设计了一种城市轨道智能巡检机器人。

关键词：小型城市;轨道智能巡检机器人;机械结构设计

引言

巡检机器人的机械结构是基础工作，该外壳对于确保电子仓内部设备的正常运行具有重要意义。要想将机械和结构的功能充分发挥，必须以机械结构为基础，而在对机械结构设计时是根据机械和结构的功能进行设计。利用机械建模和机械图纸，遵循服务于电子仓内探测设备的原则。本机械结构根据不同的轨道类型和轨道的特征，将底座分为两种，增大了巡检机器人的巡检广度，并且由于电子仓内探测装置与底座轮轴的良好联动，机器人的可操控性大大地提高，能够在一定程度上替代人工巡检。电子仓内的探测设备提供的良好环境，以及机器人结构强度的增大，为机器人提高效率和进行高强度的作业提供良好保障。

1机器视觉在弓/网系统状态检测中的应用

弓/网系统是轨道交通供电系统中的关键组成部分,其安全状态的好坏直接影响着运营车辆的正常运行.因此,在列车运行过程中需要对弓/网系统状态实时进行监测,以发现可能存在的故障并及时排除隐患.弓/网系统检测目前主要采取4种技术手段,包括人工检测、接触式弓/网检测、非接触式测距技术弓/网检测以及非接触式图像处理技术弓/网检测.基于机器视觉的弓网检测相比其他3种方案而言,检测灵活性高,准确度高,设备智能程度高,并且对正常行车干扰影响小,因此得到了越来越广泛的应用.弓/网非接触式图像检测实际上是利用相机设备对弓/网进行远距离图像采集,再通过计算机视觉相关技术对弓/网状态进行分析,以对其状态进行检测,因此,弓/网监测系统的设计与研制便成为一个比较关键的问题.弓/网系统是比较复杂的综合系统,其中受电弓与接触网之间是相对独立的两个子系统,受电弓安装在机车车辆顶部,接触网安装在地铁隧道顶部或者布置在室外线路上,因此受电弓和接触网的检测系统往往是相对独立的。

2系统框架

基于智能巡检机器人的隧道维护自动检测系统主要由4个部分组成：1）智能巡检机器人，其携带多种检测传感器，包括CO/VI检测器、能见度检测器、风速风向检测器、火灾探测器、声光报警器等，对隧道内温度、湿度、氧气、易燃易爆及有毒有害气体、火灾、交通事件等进行实时检测。2）滑行轨道，智能巡检机器人沿轨道深入现场巡检，收集相关信息和数据；3）通信网络，通过无线通信模块，将现场数据传至后端管理平台；4）后端管理平台，对现场数据进行智能分析，根据数据分析结果进行决策指导。

3小型城市轨道智能巡检机器人机械结构设计

3.1弧形外壳设计

3.1.1上外壳外形为弧形的主要设计思想

(1)使上外壳与底板流动的空气速率不同而产生压强差；根据该装置外形设计，上下压强差一定程度上减小了该装置对地面的压力。(2)弧形侧面减小碰撞体积，增强了外壳防护程度。(3)侧边采用流线型设计。底板使外壳内部的电子仓内的装置与底部轮轴和主动轮形成较好的联动。(4)采取更小样板3D加工，可容纳体积相对更大。(5)简洁美观。

3.1.2外壳与装置设备的联动

(1)两个超声波测距设备安装于外壳弧形面末端，根据轨道、机器人距地面的高度，略微将超声波测距仪下旋，并确保两测距仪测距目标延长线汇聚一点。(2)温度传感器安装在外壳外侧，其原因有两点：一是防止内部电子仓驱动电机以及电池发热干扰温度测量；二是将其安装在外侧可以更加直接获得隧道轨道内温度实时数据。

3.2系统软件设计

系统开启后，首先将上位机、下位机初始化，下位机通过摄像头采集铁轨几何形位图像，将采集信息进行图像编码传输给上位机，同时运用OpenCV进行图像识别，对图像进行特征提取以及逻辑判断，采用特征提取和曲率计算判断铁轨几何形位，判断铁轨几何形位是否正常，通过传感器检测异物入侵状态和隧道内环境，判断轨道上是否有异物，隧道内环境是否正常这３种情况，若发现以上当中任意一种情况，则向驱动模块发出停止信号，并且进行图像编码向上位机回传异常状况图像并显示位置，如果机器人停止之后无通信信号则返回到上一个有信号位置，若以上情况都没有发生，则向驱动模块发出前进信号。上位机接受传输信息，将传感器信息和图像信息解码，产生图像、对机器人位置进行综合解析，若解码产生下位机回传的异常状况图像，即前方发生了以上三种情况中至少一种，上位机显示异常信息等待人工处理，上位机采集用户的输入信息，通过远程控制对下位机发出指令，下位机接受指令并执行。

4轨道交通巡检机器人应用前景展望

近几年随着机器人、人工智能、无人驾驶和网络技术的发展，采用机器人对轨道和隧道进行检测的方法开始兴起，一些国家开始从局部问题入手，开始尝试用机器人替代或辅助人工进行检测。另外，随着人工智能的发展和检测技术自动辨识能力的提高，以机器人替代专业检测车辆的方法正逐步被行业所期待。机器人检测由于采用了主动环境感知的无人驾驶系统，原来检测车辆上的大型工作间和空调机组随之被取消，可减少2/3的车辆长度，使之有条件成为灵活便捷的轻量化检测机器人。韩国的研究人员提出了基于移动机器人平台的隧道裂缝自动监测系统。该系统包括图像采集、数据存储和图像处理三大部分。该系统安装在一个机器人平台上，具有良好的移动性能，视觉传感器安装在可动平台上，方便数据采集方向定位和角度定位，优化了相机取景范围和测量精度之间的关系，采用自动调焦功能，在移动过程中始终可以获取到清晰的画面。在裂缝图像处理方面，提出了裂缝的测量方法，可以测量裂缝的长度、宽度以及角度等。此外，德国AUTECHAG公司研制了测量机器人，该机器人能够在钢轨上自主行驶，并对轨廓尺寸进行测量，为钢轨打磨服务提供参考依据；意大利LOCCIONI公司研发了felix机器人，能够以5km/h的速度自主行驶，并对轨道几何尺寸和道岔等方面的参数进行自动测量。

结语

总之，巡检机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及到机械结构、自动控制、通信、传感器信息融合、电源技术等多个领域，而机械结构是整个系统的基础，也是制约巡检机器人向实用化靠近的最大障碍。巡检机器人在借鉴了城市单轨轨道和地铁火车以及轨道的情况下略加创新，较好的处理了电子仓与底座主动轮的联动问题，同时增加了外壳的强度确保其使用寿命。这种既确保了强度又确保了低廉成本外壳的智能巡检机器人，在城市轨道发展愈加完善的今天，为城市轨道交通运营提供了一份可靠的保障。

参考文献

[1]吴锴,左兆陆,窦少校.我国轨道式巡检机器人研究及发展现[J].软件,2018,39(11):80-83.

[2]李坤全,文睿.巡检机器人机械结构设计研究[J].中国设备工程,2017(06):43-44.