机械设计与制造工程
Machine Desicn and Manufacturing Engineering 2021年4月第50卷第4期
Ape. 2021Vol. 50 No. 4
D0I ： 10. 3969/j. issn. 2095 - 509X. 2021.04. 007
基于机
的
轮对
化
研究
史时喜
（轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院），陕--安710043）
器人的三维定位方法，分析了不同三维定位方法的优缺点以及对轮对
作业的适用性，提出了
一种基于机械手单相机多目视觉三维定位系统及方法，介绍了该方法实现机器人作业时三维定 位的流程及技术难点。研究结果表明，单相机多目
方法能有效解决特定场景中机器人
的定位问题，从而使机器人技术得以成功应用于地铁车辆轮对清洗作业中。
关键词： ；轮对；机器人；机器视觉；激
中图分类号：U231 h .96 文献标识码:A 文章编号：2095 -509X （2021）04 -0031 -04
地铁车辆轮对的清洗是轮对探伤前的必要工 序，直接 探伤质量'1_2（o 目 国内车辆轮对清
洗普遍以人工作业方式为主，在作业过程中 大
量有机溶剂、化学清洗废液产生，对人体有害。作 业人员 轮对往返作业，效率 下'3（o 在一些作业 差、重复次数多的 车辆 工序中用工业机器人 业未来的发 '4（o
介
将工业机器人
用于车辆轮对激
光清洗作业中的方案，在轮 位上首 用单相
机多目 三维定位 。研究 为工业机
器人 在 车辆 中的
用研究提
供参考。
1
轮对清洗机器人功能及组成
1. 1
轮对清洗机器人
用 车辆轮对、 的自动
硅胶分条机
能清洗'5（o 用光
清洗的方式，由机器人自动操作，配备
机器视
的工业相机，能自
各种轮对
。在
备作业的同时利用工业相机对除漆、除
自检，如不达标，
二
清洗，确保优
良的除漆、除
。采用 光清理锈迹、 时，产生的废
为残渣、气体和清洗废液，设备
备排气
和废液、残 置，避免了其对作
柴火无烟灶业人员 的 害和对 的 o
1.2设备组成
轮对 光清洗机器人由 、 轮 位
置、六轴机器人、机器
、激光除
置、除
置、电气自动控制
等组成。轮对激光清洗
机器人结构如图1所示。
>
IS 圧站
操作柜
轮对r
基础
图1轮对激光清洗机器人结构
龙门框架
拖链、
清洗机器手■
传动机构
/ 推料装置
在轨道上方设置横跨轨道的龙门架，龙门架横
梁下
六轴机器人，机器人的工作 过法兰
盘 光除 置和机器
'6（
。
和后方的
侧面分别设置有轮对拨轮定位
收稿日期：2020 -11 -03
dds信号源基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司2018年度科研（软件）开发项目（院科18-61）
作者简介：史时喜（1983―），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为地铁车辆基地的设计等,highgecho@foxmait. com.
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装置，拨轮定位装置上设置有光电接近开关，均低于轨道上表面。轮对位于光电接近开关上方时，触发光电接近开关，六轴机器人接收到光电接近开关的闭合信号后运行设定的程序，进行轮对清洗作业。清洗机器人采用遨博A协作式机器人。机器视觉模块包括线激光和工业相机genie_TS_ M1920，用来获取车轮外形尺寸数据。激光除漆装置主要利用高能量脉冲激光束照射轮对表面，使轮对表面的油漆、锈斑发生瞬间迸裂剥离，从而达到清洁轮对的目的［7］%
2地铁车辆轮对清洗机器人定位系统及方法选择
根据传感器的数量与功能划分，机器视觉三维定位方法大致可分为单目视觉定位、双目视觉定位与多目视觉定位等［8-10］。单目视觉定位是利用一台摄像机在同一角度完成定位工作，它具有简单、适用范围广的特点［11_12］，但需要目标点之间有几何约束关系，不适合复杂多变的应用场景％双目视觉定位是利用已经标定的不同位置的两台相机得到的两幅二维图像，应用图像处理、三维重建等方法实现从二维图像恢复到三维图像的一种模拟人双目视觉定位的方法［13-14］o多目视觉定位是在双目视觉定位的基础上发展而来的，是采用多台摄像机拍摄同一幅场景，得到多幅二维图像，应用图像理、图、三维重建等现三维场 复的定位方法［15］%双目视觉定位和多目视觉定位过程中，相机安装和调试不易，且需要对多台摄像机进行内外参数标定，标定过程复杂，运算量特别巨大，成本很高，因此应用场合受到极大限制％为解决单目视觉、多目视觉三维定位方法存在的应用场景受限、摄像机标定复杂等问题，在地铁车辆轮对清洗机器人三维定位中，采用了一种全新的机械手单相机多目视觉的三维定位方法％机械手单相机多目视觉三维定位方法参照多目立体视觉实现三维定位的原理，利用单相机在多个位置对同一目标物进行二维拍照，再将多角度拍摄的二维图像合成为三维点云图像％由于拍摄位置定位精度较高，并且可以随时调整，因此保证了单相机多目视觉方案的可行性和时效性％
该方法的不足主要体现在机械手提供的相机三维位置误差和姿态数据误差的叠加使综合误差在三维空间上放大，最终合成的三维点云图像和实际的偏差可能会很大。单纯从图像合成角度改进算法来弥合误差难度很大％本文所研究的系统在技术实现上，利用目标对象（地铁车辆轮对）相对已知的有利条件，预置机械手在设定位置和姿态条件下拍摄的新轮对的多组二维图像，加之详细标定标准的位置和姿态数据支撑，利用二维特征进行多角度匹配，矫正误差％在实际作业时，针对一个特定的位置和姿态拍摄的图像，用预置的该位置和姿态的组图别，位置和姿态偏差，然后用纠正后的位置、姿态与二维图像数据，精确合成三维点云图像％
3基于机械手单相机多目视觉的三维定位及方法
单相机多目视觉三维定位流程包括获取平面图像、提取轮缘图像、特征提取与三维匹配、三维重建、三维定位％
3.1获取平面图像
获取平面图像是轮缘三维重建的基础％工控机控制六轴机器人在轮缘外侧多个点进行多角度，二维平图，过图得别物体的基本数据，如深度、物体相对位置等信息'16（%根据工业相机的分辨率及其视野范围，标定其前上右、前下右、前上左、前下左、后上右、后下右、后上左、后下左共8个基础位置和姿态％在实际工作中，控制机器人完成8个基础位置和姿态下的二维图像拍摄后，在纠正位置和姿
态偏差的基础上合成三维点云图像。通过轮对三维点云图像识别轮对特征曲面的磨损特征，判定轮对是否是一般磨损模式％如果是，则完成了图像获取，如果有特殊差异，则根据特殊差异所处的位置，选择前方正中，后方正中、左方正中、右方正中、上方正中、下方正中6个位置中的一个或多个，配合正中或左、右、前、后、上、下偏45。的姿态补充图像，然后重新合成三维点云图像，完整再现轮对特殊磨损状态％获取平面图像时，对机械手的位置和姿态精度要求不高，这是由于对此时待清洗轮对及其磨损情况未知而导致的％因此，此时所选取的特征点也就存在一-定误差％
3.2提取轮缘图像
轮二维平图后，工机将对角度
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2021年第4期史时喜：基于机器人技术的地铁车辆轮对自动化清洗系统研究
的二维被测图％首先剔除不相关的背，并对域；然后根据图：征建的值得到能量函数的最值。图值特征指的图像的'（红）、G（）、B（）的征；过变得平集函数的演化方程，水平函数停时，所得的零水平集对应点的即为所求轮'17（，最后得图像的最％
3.3特征提取与三维匹配
征提机器人位技术的基础％工控机在获得轮缘的分割图像后，采用Hacis角点检测及高斯差测对图征提取与三维，图中包含用特征，包括点、线、边缘等等。H o/s算子是一种基于信号的点特征提取算子'⑻，对所提取的各Hacis角点与其上下层图像对应的像素点高斯差比较，高斯差分取得极值并大于阈值的Haris角点被选为特征点'19（%经过特征点并指向相机光心的为该表面过此中心点的法向量。
图和特征提轮对清洗路线和动作方式的前提，轮对清洗和动作方式的
以轮对区位切分为基础，首先待清洗轮廓预切分为轮缘、以及部位等多个清洗区位，然后对每个清洗区位预置清洗和清洗动作方式。每个区位的三维轮征（建在弱化不的磨损基，使磨损不征提取和三维
），利用特征提取和三维锁定预置的各个区位。在轮对清洗时，针对识别出的每个轮对区位的磨损情况，微调对位的清洗动作方式。
3.4三维重建
在征提和三维的基对清洗
体三维重建，利用重建以
和角点，角点特征的点，从而能够获得被重建轮缘的精确表面。泊松重建基函数的重建，相比
，局和局部的优点'20（。
3.5三维
轮对的清洗作业的区位顺序、逐一完成的，在每个区位清洗开始及过程中，需始点定位、区位转换的位和中间过程定位的%过三维重建，已经各个区位的大致位置，也已经通过特征提每个区位的起始特征点和中征点，因此机械手到达待清洗区位后，利用模拟平行双目视觉原理，以起始特征点为和定位目标，机器手的定位和位置姿态调整％在清洗过程中，为降低位置姿态误差或对位置和高精度清洗，利用选定的中征点位来机器手的位置度。
拟平行双目视觉原理，采用机械手控制单目相机平移，达双目相机张图像的％虽然在时差，在被测体
变提下，可以达到平行双目的。通过，能得出目标位置的深度。模拟平行双目视三维定位原理如图2所示。
首先在相机中心沿机械手y方向取标志点P（x，z），在CL点张图片，（点在CL的投影点为ML（"，/）；然后控制机械手向x方向移动距离d到达CR点张图片，（点在CR的投影点为MR（xr，/）。根据相似三角形定理，可求出z值，再求出x的值。（点的y值与相机中心y值相同，至此机械手过参数可以得出，从而P 点的三维（x,y,%，机械手的三维定位。
4结论
车辆轮对清洗机器人基工业机器人、机器等轮对清洗作业，以
清洗方式的，达工作流程、节时、提高效率的目的。对轮对清洗机器人及其三维位究，以得出以下!
1）车辆轮对形为、，
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・
2021年第50卷机械设计与制造工程
碍机器人工作的部件较少，轮对清洗机器人在机器视觉技术的引导下实现机器人智能化、感知化应用，能自适应各种轮对结构％
2)单相机多目视觉三维定位方法硬件单一、成本低，相机内参一致，没有多台相机内参不一致的标定问题。由机械手完成多角度拍摄，重复精度高，采用合理算法可分离出可靠性高、精度高的用于三维定位的数据。
3)用相机目三维位
角度二维平面图像后，选取合适的特征提取、三维重建及三维定位算法有利于提高三维定位的精度。
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Research on automatic cleaning system of metro vehicle wheel based on robot technology
Shi Shixi
(State Key Laboratore of Raii Trnsit Engineering Infomiatization(FSDI),Shaanxi Xian,710043,China) Abstract:A metre vehida whalset cleaning robot based on machine vision positioning technolosy is designed. The3D positioning method of the robot in automatie cleaning operation is studied.The advvntages and disadvvn-tages of diOeont3D positioning metiods and their applicability to whalsc cleaning operations are analyzed.A 3D positioning system and method based on c singie-cemera multi—ye vision of c manipulator is proposed,and the process and technicei dmiculties of the method to achievv3D positioning during robot operation are introduced.The research results show that the singie-cemera multicya vision positioning method con Cfectiveie solvv the robot positioning problem in a specific scene,se that the robot technolove con ba successful^applied to the metro vehicle wheelsd cleaning operation.
Key words:metro vehicle;wheelsd;robot;machine vision；laser cleaning
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