火车自动摘钩机器人及系统

1.本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种火车自动摘钩机器人及系统。


背景技术：

2.铁路编组站是铁路网上集中办理大量货物列车到达、解体、编组出发、直通和其它列车作业，并为此设有比较完善的调车作业的车站。其主要任务是根据列车编组计划的要求，大量办理货物列车的解体和编组作业。其中在驼峰上完成的解体作业是工作量最大、耗时最长的环节。
3.目前在编组站使用的火车解体方法还是传统的人工作业的方式，工作效率低、人工成本大、危险性高。使用机器人逐步替代人工进行火车的摘钩任务已经在行业内成为发展共识。目前已公开的摘钩机器人主要有工作在车钩的上方和侧方两类：安装于火车上方的龙门架，从上往下摘钩；与安装于火车侧方，在侧面进行摘钩。上述两种方式均需要对场站进行大规模改造。可移动的摘钩机器人的行走方式多为轨道式和自主移动式。轨道式的行走方式虽然运行稳定，控制简单且对火车运行带来的影响较小，但同样需要对场站进行大规模的改造；自主移动式机器人采用轮式、履带式等运动底盘，地形适应能力强，不需要对场站进行大量改造即可运行，但是需要机器人自身具备较强的环境感知、自主运动能力，同时还需要远程监控操作。
4.总体来看，现有的自动摘钩机器人工作方案均有缺陷，不能有效地执行自主摘钩作业，急需一种能够易于维护、对场站改造小、且可以长时间安全稳定地执行摘钩任务的自主摘钩机器人。


技术实现要素：

5.本发明提供一种火车自动摘钩机器人及系统，用以解决现有技术中自动摘钩机器人对场站改造规模大、对环境感知能力有限、自主运作能力不强，智能化不高的缺陷，实现稳定、安全、智能自动化摘钩操作。
6.本发明提供一种火车自动摘钩机器人，包括：
7.移动平台，包括移动底盘和底盘运动控制器，用于控制移动平台的移动，还包括环境感知模块，用于获取所述移动平台与火车的相对位置信息；
8.摘钩平台，设于所述移动平台上，包括机械臂、抓手和摘钩控制器，用于火车摘钩操作，还包括立体视觉模块，用于获取车钩信息；
9.处理器，与所述移动平台和所述摘钩平台连接，获取所述环境感知模块和所述立体视觉模块的信息，以控制所述移动平台移动以及控制所述摘钩平台摘钩操作。
10.根据本发明提供的火车自动摘钩机器人，所述处理器包括边缘计算单元；
11.所述边缘计算单元对所述环境感知模块的信息进行处理，通过所述底盘运动控制器控制所述移动底盘跟踪火车移动；
12.所述边缘计算单元对所述立体视觉模块的信息进行处理，通过所述摘钩控制器控
制所述机械臂和所述抓手进行摘钩操作。
13.根据本发明提供的火车自动摘钩机器人，所述环境感知模块包括激光雷达、摄像头、gps、惯性传感器和超声传感器，且分别安装在所述移动平台的两侧。
14.根据本发明提供的火车自动摘钩机器人，所述立体视觉模块包括双目摄像头和图像处理单元，所述双目摄像头用于获取车钩类型、位置信息，所述图像处理单元对所述双目摄像头获取的信息进行处理，并发送至边缘计算单元。
15.根据本发明提供的火车自动摘钩机器人，所述机械臂为串联设置的多自由度机械臂，所述抓手设于所述机械臂的自由端部。
16.根据本发明提供的火车自动摘钩机器人，所述移动平台上还设有作业指示装置，所述作业指示装置包括显示所述移动平台不同运动状态的指示灯。
17.根据本发明提供的火车自动摘钩机器人，所述移动平台内部设有电源，且所述移动平台表面设有充电接口。
18.本发明还提供一种火车自动摘钩系统，包括：
19.如上所述的火车自动摘钩机器人；
20.控制终端，与所述火车自动摘钩机器人连接，接收所述火车自动摘钩机器人的处理器信息，对所述火车自动摘钩机器人进行控制和状态监控。
21.根据本发明提供的火车自动摘钩系统，还包括无线通讯模块，所述控制终端通过所述无线通讯模块与所述火车自动摘钩机器人远程连接。
22.根据本发明提供的火车自动摘钩系统，所述控制终端与所述火车自动摘钩机器人之间基于云服务器和web客户端/服务器网络进行信息交互。
23.本发明提供的火车自动摘钩机器人及系统，通过在机器人的移动平台设置环境感知模块，可以自动获取移动平台与火车车厢的相对位置信息，通过处理器对环境感知模块的信息处理，可以有效对机器人的位置进行控制，实现对火车车厢精准的跟踪；通过设置自动摘钩平台，并设置有立体视觉模块，可以自动获取火车车钩的类型、位置信息，通过处理器可以自动对车钩进行判断，实现对应的摘钩操作，提高摘钩作业的精准性和安全性，从而提高摘钩效率。本发明结合了传统的侧方摘钩方式和移动机器人的优点，通过安装环境感知模块和立体视觉模块，增加机器人的环境感知能力，大大提升了摘钩机器人的智能化水平；具有动作完成效果好、稳定性和安全性高、对场站改造小、易于维护的特点，可以将工作人员从风险性高的人工摘钩作业中解放，由机器人自主完成摘钩工作。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明提供的火车自动摘钩机器人结构示意图；
26.图2是本发明提供的火车自动摘钩机器人机械臂结构示意图；
27.图3是本发明提供的火车自动摘钩系统连接示意图；
28.附图标记：
29.1：移动平台；
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1-1：移动底盘；
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1-2：作业指示灯；
30.1-3：环境感知模块；
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1-3-1：激光雷达；
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1-3-2：摄像头云台；
31.1-3-3：gps；
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1-4：电源；
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1-4-1：充电接口；
32.2：摘钩平台；
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2-1：机械臂；
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2-3：立体视觉模块；
33.2-3-1：双目摄像头；
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3：无线通讯模块；
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3-1：通讯天线。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.如图1-2所示，本发明实施例提供一种火车自动摘钩机器人，该机器人包括移动平台1和摘钩平台2。移动平台1包括移动底盘1-1和底盘运动控制器，移动底盘1-1采用轮式或履带式等运动底盘，底盘运动控制器对移动底盘1-1进行控制，实现机器人的移动。
36.摘钩平台2设置在移动平台1上，摘钩平台2包括机械臂2-1、抓手和摘钩控制器，机械臂2-1为串联设置的多自由度机械臂，采用六轴机械臂，抓手设置在机械臂2-1的自由端部，用于抓取车钩。摘钩控制器驱动连接机械臂2-1和抓手，可以同时对机械臂2-1和抓手进行控制，以完成摘钩操作。机械臂2-1具有底座，底座安装在移动平台1上表面的中心位置处，便于机械臂2-1的活动。
37.值得一提的是，摘钩平台2中的机械臂2-1在可以平滑完成运动的前提下，具有力矩控制和运动保护功能，能够在力矩过大时采取保护措施。
38.本实施例中，在移动平台1上还设有环境感知模块1-3，环境感知模块1-3可以获取移动平台1与火车车厢的相对位置信息，从而为移动平台1的精准移动提供了智能化的数据支持，实现对火车车厢的精准定位，提高自动化摘钩的准确性。
39.具体的，环境感知模块包括激光雷达1-3-1、摄像头1-3-2云台、gps1-3-3、惯性传感器和超声传感器。如图1所示，激光雷达1-3-1设置在且移动平台1一端的上表面中心位置处，两个摄像头云台1-3-2对称设置在激光雷达1-3-1的两侧。gps1-3-3定位单元设置在移动平台1的另一端，惯性传感器和超声传感器安装在移动平台1的表面或内部。各传感器之间进行信息交互，对机器人进行实时定位导航，同时对当前的工作环境进行安全监测，保证作业安全。
40.本实施例中，摘钩平台2还具有立体视觉模块2-3，该立体视觉模块2-3包括双目摄像头2-3-1和图像处理单元，双目摄像头2-3-1设置在移动平台1一端的上表面中心位置处，与激光雷达1-3-1相对立，双目摄像头2-3-1可以获取火车车钩的类型、位置信息，由图像处理单元对双目摄像头2-3-1获取的信息进行处理，然后发生给机器人的处理器，从而通过摘钩控制器控制机械臂2-1和抓手进行对应的摘钩动作。
41.本实施例中的处理器采用边缘计算单元，边缘计算单元与环境感知模块1-3以及底盘运动控制器电性连接，环境感知模块1-3收集到火车的相关信息后，将信息传递给边缘计算单元，边缘计算单元对环境感知模块1-3的信息进行处理，通过底盘运动控制器控制移动底盘1-1移动，实现移动底盘1-1对火车的跟踪移动，并控制移动底盘1-1与火车的相对静
止。
42.同时，边缘计算单元与立体视觉模块2-3电性连接，立体视觉模块2-3将收集的火车车钩类型位置信息发生给边缘计算单元，边缘计算单元对该信息进行计算处理，对摘钩平台2进行运动规划，通过摘钩控制器控制机械臂2-1和抓手进行摘钩操作。
43.进一步地，移动平台1上还设有作业指示装置，作业指示装置包括对移动平台1前进、倒退、驻车三种不同运动状态的作业指示灯1-2，作业指示灯1-2设置在移动平台1的侧面。
44.移动平台1内部设有电源1-4，为移动平台1和摘钩平台2的运作供电，移动平台1表面设有充电接口1-4-1，在机器人电量不足时，可将机器人返回，以通过充电接口1-4-1接入市电进行充电。
45.工作中，机器人的处理器在接收到摘钩作业命令后，通过环境感知模块1-3对行进间货运火车进行特征识别与跟踪，确定待作业车厢，并通过移动平台1实现机器人与待作业车厢的相对静止；通过摘钩平台2的立体视觉系统2-3对待作业车厢的车钩进行识别与定位，通过边缘计算单元进行移动平台1和摘钩平台2的运动规划，同时控制机械臂2-1和移动底盘1-1朝向待抓取车钩运动，最终抓住车钩并通过上下晃动、旋转等动作完成自主摘钩作业。摘钩完成后车厢分离，机械臂2-1收回至安全距离，完成本次摘钩作业，等待执行下一次任务命令。
46.本发明实施例提供的火车自动摘钩机器人，通过在机器人的移动平台1设置环境感知模块1-3，可以自动获取移动平台1与火车车厢的相对位置信息，通过处理器对环境感知模块1-3的信息处理，可以有效对机器人的位置进行控制，实现对火车车厢精准的跟踪；通过摘钩平台2的立体视觉模块2-3，可以自动获取火车车钩的类型、位置信息，通过处理器可以自动对车钩进行判断，实现对应的摘钩操作，提高摘钩作业的精准性和安全性，从而提高摘钩效率。机器人自动化程度高，可以完全解放人力，避免了人工作业的安全隐患，同时对场站改造小、易于维护，值得推广。
47.如图1-3所示，本发明实施例还提供一种火车自动摘钩系统，该系统在上述机器人的基础上，添加了远程控制终端，以对机器人以及多个机器人进行控制，实现对移动机器人的任务下发、编队管理、远程遥控及状态监视等操作。
48.本实施例中，设置有远程控制中心即控制终端，该控制终端包括服务器主机、状态监控器和无线通讯装置3。底盘运动控制器与远程控制中心及边缘计算单元建立通讯，远程控制中心对移动机器人进行任务下发，边缘计算单元对移动底盘1-1进行运动规划。
49.具体的，无线通讯模块3具有数据处理中心和通信天线3-1，移动平台1上设有无线通讯模块3的客户端，即通讯天线3-1，通讯天线3-1安装在移动平台1的末端两侧。远程控制中心上设有无线通讯模块3的服务端。移动机器人与远程控制中心之间的结构为基于云服务器和web客户端/服务器结构，通过4g或者5g或者自组网实现远程控制中心与无人车终端的信息交互。
50.远程控制中心还设有遥控装置，机器人设有接收机，机器人除了通过内置的处理器控制运动以外，还可以通过远程控制中心来控制，远程控制中心可以直接对机器人的移动进行控制，通过边缘计算单元的计算、环境感知模块1-3以及立体视觉模块2-3的共同协作完成摘钩操作。
51.远程控制中心的状态监控器与环境感知模块1-3和立体视觉模块2-3连接，在作业过程中，环境感知模块1-3和立体视觉模块2-3将实时信息发生至状态监控器，状态监控器对作业过程进行实时监控，在突发情况下，可以使摘钩作业暂停，保证操作安全。
52.在执行货运火车摘钩任务时，首先由远程控制中心对移动机器人下达任务指令，由环境感知模块1-3中的激光雷达1-3-1、摄像头云台1-3-2、卫星导航系统gps1-3-3、惯性传感器和超声传感器对机器人系统的外部环境信息进行采集，交互至边缘计算单元进行数据处理，对机器人进行实时定位导航、构建工作环境的地图、捕捉火车特征点。边缘计算单元对机器人系统进行运动规划，通过底盘运动控制器发送控制指令，使得移动平台1运动在待作业车钩的侧后方达到与待作业火车相对静止的理想作业条件，实现对火车运动追踪。
53.摘钩平台2展开工作时，使用双目摄像头2-3-1对车钩进行识别，该双目摄像头2-3-1为双目深度立体相机。而后引导机械臂2-1和抓手进行伺服运动，移动至已识别车钩位置，最终抓住车钩并通过上下晃动、旋转等动作完成自主摘钩作业。与其同时环境感知模块1-3中的激光雷达1-3-1、摄像头云台1-3-2、卫星导航系统gps1-3-3、惯性传感器和超声传感器始终对机器人的工作空间进行实时监测，保证工作空间的安全和摘钩作业的完成，完成作业后抓手开放动作，机械臂2-1收回至初始工作状态，保证与火车车厢的安全距离。同时将作业数据上传至远程控制中心，完整此次摘钩作业。
54.在机器人进行工作时，远程控制中心可以根据状态监视的结果，当环境感知系统监测出工作空间内有突发情况时，可在远程控制中心强制停止机器人作业行为，以避免安全事故的发生。
55.在机器人移动时，作业指示灯1-2始终根据驻车、前进、倒退三种不同的移动状态分别有不同的闪烁方式；当蓄电池剩余电量不足时，通过外部充电接口1-4-1，连接充电机接入市电进行有线充电，充电完成后继续进行摘钩作业。
56.本发明结合了传统的侧方摘钩方式和移动机器人的优点，通过安装环境感知模块和立体视觉模块，增加机器人的环境感知能力，大大提升了摘钩机器人的智能化水平；具有动作完成效果好、稳定性和安全性高、对场站改造小、易于维护的特点，可以将工作人员从风险性高的人工摘钩作业中解放，由机器人自主完成摘钩工作，自动化程度高，有效提高了货运火车车厢摘钩作业的精准性和安全性，提高了摘钩效率。
57.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。