火车轮轴自动搬运机器人

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种火车轮轴自动搬运机器人，尤其涉及一种利用升降挡杆夹持被检轮对后自动推移检测轮轴行走至被检工位的火车轮轴自动搬运机器人。

背景技术

铁路作为国民经济大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。随着中国铁路工业的不断发展，铁路货车高速重载是目前的重要发展战略。火车运行速度已由过去的40km/h-60km/h大幅度提升到目前的80km/h-120km/h，每节车厢载重量也提升到70吨-80吨。火车的轮轴和转向架是火车行走的重要组成部分，在实际运行中，轮轴的轴承“热轴”的现象时有发生，转向架的摇枕、侧架、斜楔和弹簧等部件故障频发，直接影响到铁路的运行安全。为保证货车的安全可靠运行，对货车轮轴及转向架的可靠性及安全性的要求也越来越高。为此铁道部专门下发相关文件,要求对货车轮轴及转向架进行组装后必须进行检测。

目前，对火车轮轴及转向架进行检测通常采用天车或者机械手，将其移动到检测工位进行检测，由于火车轮轴及转向架具有多个检测项目，不同的检测项目对应不同的检测工位，且不同的检测工位一般是分散设置，这就需要检测人员利用天车或者机械手将火车轮轴及转向架在各个检测工位频繁转换，造成检测效率低下，检测成本升高的问题。甚至有的检测生产线，自动化程度较低，轮轴及转向架进入和退出检测工位的过程需要通过人工推送的方式进行操作，不仅劳动强度大，还存在碰伤危险。

针对以上问题，研制一种火车轮轴自动搬运机器人是很有必要性的。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种火车轮轴自动搬运机器人，旨在解决针对现有分散设置的多个检测工位需利用天车或机械手频繁转换，造成检测效率低下的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

火车轮轴自动搬运机器人，包括机器人本体，以及：

推移档杆机构，设于所述机器人本体内且具有一组对称安装的推移档杆单元，所述每组推移档杆单元中均包括有一对相向设置后能够升降且保持运动同步的档杆，当所述档杆升起时，用以夹住被检测轮轴的中心轴；

感知传感器，置于所述机器人本体的上表面上且位于所述推移档杆机构的中心位置，用以感知被检测轮轴是否处于感知传感器的上方；

限位传感器，置于所述机器人本体的下表面上并感应地面铺设的导航条或电子标签，通过所述导航条或电子标签引导所述机器人本体在地面上行走；

移动机构，安装于所述机器人本体的四角上，驱动所述机器人本体沿规划的路线移动；和

控制器，设于所述机器人本体内，接收所述感知传感器和限位传感器的采集信号，并发出控制推移档杆机构内挡杆的升降信号和控制移动机构前进后退的移动信号，实现被检测轮轴的自动推移。

较佳地，所述推移档杆单元还包括有减速器、连接轴和圆形挡轮，所述减速器安装在所述机器人本体内并接受所述控制器的控制，所述减速器的左右两侧的输出端上分别与连接轴相连接，在每个所述连接轴上还设有档杆，所述档杆上自上而下还设有若干个均匀分布的、可自由滑动的圆形挡轮。

更佳地，所述相向设置的两档杆之间的距离略大于被检测轮轴的中心轴的直径。

较佳地，所述移动机构包括对角线设置的一组舵轮和对角线设置的一组万向脚轮，且所述舵轮和万向脚轮均安装在所述机器人本体内并位于该机器人本体的四角上。

更佳地，所述舵轮还包括有控制舵轮行走方向的第一伺服驱动器和和控制舵轮前进后退的第二伺服驱动器，所述第一伺服驱动器和第二伺服驱动器均分别与所述控制器保持通信并接收控制器发出的移动信号。

更佳地，所述舵轮通过舵轮连接座安装在所述机器人本体内，所述万向脚轮通过脚轮支座安装在所述机器人本体内。

较佳地，所述感知传感器位于所述推移档杆机构的中心位置具体指：感知传感器设在对称安装的两个减速器的正中间。

较佳地，所述感知传感器为红外传感器，并在其机器人本体的左右两侧还分别设有测距传感器，同时还在其档杆上还配置有力矩传感器，且所述红外传感器、测距传感器以及力矩传感器均分别与所述控制器进行通信。

更佳地，所述机器人本体内还设置有供电电池，用以对机器人本体内的用电设备进行供电。

更佳地，所述机器人本体的壳体上还设有与所述供电电池相连的充电端子，所述充电端子与配置在外部充电设备上的电动伸缩充电刷相接触后为电池进行供电。

本发明的有益效果：

本发明的火车轮轴自动搬运机器人的效果可从四个方面进行讲述：

第一，移动方面，本发明利用机器人本体和舵轮以及万向脚轮，将机器人本体形成一个自由移动的行走小车，配合地面铺设的导航条或电子标签，可实现在不同检测工位之间的频繁转换；

第二，推移方面，本发明采用感知传感器感知轮对的位置，并结合测距传感器来判断小车前方是否有障碍物进行避障，同时在感知传感器感知到被检轮对时，控制器控制档杆升起用以夹住被检轮对，通过行走小车的移动推移被检轮对在各个检测工位上频繁传送；

第三，控制方面，本发明的控制器整合GPC算法与PID控制算法能够形成二者结合的高精度控制器。火车轮轴自动搬运机器人的智能导航算法基于ARIMAX模型结合了GPC算法和PID控制算法，通过PID和GPC二者算法结合得出的系统输出值可以使小车在寻线过程中稳定运行。

第四，充电方面，本发明利用机器人本体自带的充电端子与外部配置的可伸缩充电刷给机器人本体充电，当机器人本体需要充电时，行走小车自动移动至外部充电设备的位置处自动充电，极大地解决了繁琐布线的问题。

基于上述的四个方面，本发明实现了火车轮轴高效、可靠、智能化的自动传输过程，使火车轮轴在检测设备的检测过程中减少频繁转换次数，提高检测效率，降低检测成本，减少劳动强度，提高输送安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明火车轮轴自动搬运机器人中档杆升起时夹住轮对的状态图；

图2为图1所示状态的左视图；

图3为本发明火车轮轴自动搬运机器人中档杆下降归位时的俯视状态图

图4为图2中的A向视图；

图5为图1中推移档杆单元升至最大位的结构示意图；

图6为图1中推移档杆单元下降归位时的结构示意图；

图7为图3中舵轮连接座的俯视图；

图8为图7中B-B的剖视图；

图9为图6中脚轮支座的俯视图；

图10为图9所示结构的左视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

由于火车轮轴及转向架需要在多个检测工位之间通过天车或机械手来回地进行切换，导致检测效率低下，检测成本升高的问题。申请人发现通过自动控制系统搭配自动感应装置再结合升降挡轮夹住被检火车轮轴，即可实现被检火车轮在多个检测工位之间的频繁转换，从而很好的解决了火车轮轴在检测工位上频繁转换、检测效率低下、检测成本高的问题。

本发明的火车轮轴自动搬运机器人是基于物联网的三层基本架构设计，由感知层(包括感知传感器、限位传感器、测距传感器和力矩传感器)、传输层(控制器和通信系统)、工作系统(包括电动的推移档杆单元、移动机构和机器人本体)等部分组成，如图1所示。感知层使用感知传感器、限位传感器、测距传感器。通过感知传感器判断需要搬运的火车轮轴的位置，通过测距传感器，判断机器人本体判断前方的障碍物进行避障，通过限位传感器对机器人本体进行导航。工作层的推移档杆单元控制方便，响应速度快，可以快速实现机器人本体携带被检轮对在各个检测工位之间的频繁转换，大大提高其运输效率。传输层根据控制器的功能与指令特点，构建对应的通信层的网络传输协议，满足实时通信快速控制的需求。

基于上面的设计原理，本发明的火车轮轴自动搬运机器人具体结构如下：如图1-4所示。本发明的火车轮轴自动搬运机器人，包括机器人本体1，推移档杆机构2，感知传感器5，限位传感器，移动机构3和控制器4。

在本例中，感知传感器5置于所述机器人本体1的上表面上且位于所述推移档杆机构2的中心位置，用以感知被检测轮轴是否处于感知传感器5的上方。其中，所述的中心位置也为机器人本体1的中心位置。本例中的感知传感器5为红外传感器。

在本例中，推移档杆机构2，设于所述机器人本体1内且具有一组对称安装的推移档杆单元201，所述每组推移档杆单元201中均包括有一对相向设置后能够升降且保持运动同步的档杆202，当所述档杆202升起时，用以夹住被检测轮轴的中心轴，结合机器人本体1移动的情况下，可以夹住被检轮对快速推移。其中，所述相向设置的两档杆202之间的距离略大于被检测轮轴的中心轴的直径。

作为本例的进一步改进，如图5-6所示，为了实现挡杆202的同步运动以及升降过程，所述推移档杆单元201还包括有：减速器203、连接轴204和圆形挡轮205，所述减速器203安装在所述机器人本体1内并接受所述控制器4的控制，所述减速器203的左右两侧的输出端上分别与连接轴204相连接，在每个所述连接轴204上连接有档杆202，所述档杆202上自上而下还设有若干个均匀分布的、可自由滑动的圆形挡轮205。

采用圆形挡轮205可将原来的硬接触更改为本发明的滑动接触，减少对被检轮对表面的损伤和破坏，最大程度地保证火车轮轴表面的加工精度。与此同时，本发明还在挡杆202上设置力矩传感器206，可以将实时采取的夹持力数据实时传输回控制器4内，形成数据集，以后作为可参考的设置标准。

通过同一减速器203左右两侧的输出端，保证挡杆的同步运行，且减速器203由控制器4控制，当感知到检测轮轴时，及时通过减速器203的动作将挡杆202同步升起。

这里的推移档杆机构2的中心位置指的是：两个减速器的正中间，也就是说，感知传感器位于机器人本体的正中心位置，也位于推移档杆机构的两个减速器的正中间。

在本例中，限位传感器置于所述机器人本体1的下表面上并感应地面铺设的导航条或电子标签，通过所述导航条或电子标签引导所述机器人本体1在地面上行走。这样，就将机器人本体1形成了一个可以自由移动的行车小车。搭配在其机器人本体1的左右两侧分别设有测距传感器，还可以对被检轮对的前后方存在障碍物进行避障。

在本例中，移动机构3安装于所述机器人本体1的四角上，驱动所述机器人本体1沿规划的路线移动，即按照导航条或电子标签的路线移动。其中，所述移动机构3包括对角线设置的一组舵轮301和对角线设置的一组万向脚轮302，且所述舵轮301和万向脚轮302均安装在所述机器人本体1内并位于该机器人本体1的四角上。

在本例中，所述舵轮301还包括有控制舵轮301行走方向的第一伺服驱动器和和控制舵轮301前进后退的第二伺服驱动器，所述第一伺服驱动器和第二伺服驱动器均分别与所述控制器4保持通信并接收控制器4发出的移动信号。在本发明中，所述舵轮301为主动轮，万向脚轮302为从动轮。

如图7-10所示，在安装舵轮301和万向脚轮302的过程中，所述舵轮301通过舵轮连接座安装在所述机器人本体1内，所述万向脚轮302通过脚轮支座安装在所述机器人本体1内。

在本例中，控制器4设于所述机器人本体1内，接收所述感知传感器5和限位传感器的采集信号，并发出控制推移档杆机构2内挡杆202的升降信号和控制移动机构3前进后退的移动信号，实现被检测轮轴的自动推移。

也就是说，所述红外传感器、测距传感器101以及力矩传感器206均分别与所述控制器4进行通信，分别采集各自的信号至控制器4内，控制器4接收后发出控制挡杆202的升降信号，同时还发出控制移动机构3的移动信号。

本发明在控制器的设计方面，控制器控制系统采用visual-basic程序语言设计，不仅要满足行走小车运输轮轴(轮对)的基本要求而且充分考虑了用户的便捷性，设置了监控界面、数据记录、参数设置、故障查询、用户权限、远程控制等多个模块，用户可根据系统界面进行操作。监控界面有日期、设备运行状态、功能按钮等部分。数据记录模块中，小车对当日运输轮轴的个数进行记录，用户可以实时查看运输工作量。参数设置模块完成控制器对计算机的无线连接，对设备名称、IP地址等参数进行设置。故障查询模块可以让检修人员通过该模块做出快速判断并处理，例如小车与人机交互界面连接失败；小车驱动系统发生故障；运输小车走到目的地未能减速和定位；推移挡杆机构无法升降；小车对于前方障碍物无法避障等。用户权限模块可添加、删除对外来访问者提供操作限制等操作。远程控制模块中，用户可以通过移动设备直接对小车发出启停命令等操作。

在控制器的搬运技术研究方面。由于GPC算法和PID控制算法在控制率方面具有相似性，因此整合GPC算法与PID控制算法能够形成二者结合的高精度控制器。装置的智能导航算法基于ARIMAX模型结合了GPC算法和PID控制算法，通过PID和GPC二者算法结合得出的系统输出值可以使小车在寻线过程中稳定运行。针对搬运机器人的软硬件故障基于专家系统，将智能搬运轮轴装置中出现的故障在人机交互界面中显示。

在本例中，所述机器人本体1内还设置有供电电池，用以对机器人本体1内的用电设备进行供电，并在所述机器人本体1的壳体上还设有与所述供电电池相连的充电端子，所述充电端子与配置在外部充电设备上的电动伸缩充电刷相接触后为电池进行供电。机器人本体1需要充电时，行走小车自动移动至外部充电设备的位置处自动充电，极大地解决了繁琐布线的问题。

本发明的火车轮轴自动搬运机器人的自动化智能检测流程为：通过移动机构与机器人本体上的推移挡杆机构自动运载轮轴，并传输至检测工位进行检测。该自动推移装置利用感知传感器检测火车轮轴的位置，并由控制器进行判断并发出控制推移挡杆单元挡杆升降的信号，同时升起的挡杆运载其火车轮轴，并配合控制器发出的启动移动机构的信号，启动移动机构将其火车轮轴自动传输到检测工位。待轮轴检测完成后，控制器再次发出信号，运载轮轴向下一个检测工位或者运输至已检测工位，从而解决轮轴检测过程中自动上下货的问题，提高了检测效率和降低了检测成本。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。