一种基于机械臂的轨道仿形探伤方法

1.本发明属于轨道探测技术领域，具体涉及一种基于机械臂的轨道仿形探伤方法。


背景技术：

2.轨道是机车车辆运行的基础，其状态决定了轨道运输的安全与效率。随着运行年限增长，轨道会出现压缩、伸长、弯曲、压溃、磨损、断裂等伤损，对轨道进行定期的伤损检测是十分必要的。
3.目前常用的无损检测技术有超声检测技术、射线探伤技术、渗透检测技术、磁粉检测技术、涡流探伤技术等。其中超声与涡流检测技术是目前应用最广泛的无损检测技术，由于探伤的超声波在空气中衰减很快，需要保证探头贴紧被侧面并使用耦合剂。并且为保证检测的顺利进行，探头需要按照特定的轨迹对铁轨的各个部分进行检测，在移动过程中需要始终与铁轨接触，并不产生较大冲击。
4.现有技术中，上述操作依赖于检修人员进行手动控制，首先自动化程度低，完全依赖于检修人员的操作经验，其次探伤过程不能保证探头始终与铁轨接触，并且与轨道接触的力度难以均匀控制，因此现有技术不仅精度低，而且效率较低。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种基于机械臂的轨道仿形探伤方法，采用dmp对机械臂示教轨迹进行学习，利用高斯混合模型求得刚度数据和接触力数据的回归曲线，并将上述求得的数据通过变阻抗控制实现机械臂的力/位混合闭环控制。
6.为实现上述目的，本发明提供一种基于机械臂的轨道仿形探伤方法，包括以下步骤：
7.s1人工示教；通过示教者与机械臂协同完成对无缝轨道接头的仿形探伤作业，机械臂末端搭载六维力/力矩传感器，示教者佩戴肌电手环，拖动机械臂完成探伤作业；机械臂以一定的频率f记录完成作业时的末端位置、速度及加速度，肌电手环以相同频率f对示教者的刚度数据进行采集，六维力/力矩传感器同样地以频率f测量末端接头处的接触力，重复示教m次；
8.s2轨迹生成；将m次重复示教产生的末端数据集采用动态运动基元对示教轨迹进行学习；根据步骤s1中获取的示教轨迹的复杂程度确定基函数数目n和系统增益项，计算得到目标强迫函数f
target
，通过目标强迫函数可求得基函数权重，进而得到学习轨迹的强迫函数f，将f引入机械臂末端系统得到机械臂学习轨迹；
9.s3回归曲线生成；将肌电手环测得的刚度数据映射到人手臂实际的末端刚度，分别建立人手臂末端刚度及机械臂末端力的高斯混合模型，进行高斯混合回归，分别获得人手臂末端刚度和机械臂末端力的回归曲线；
10.s4自主探伤；机械臂按照步骤s2生成的学习轨迹，带动探伤装置对无缝轨道接头
进行探伤，基于位置的变阻抗控制策略，保证检测过程中探伤装置与接头表面的接触力与步骤s3中模型计算曲线的限定范围内。
11.作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述末端数据集为m次示教过程中，在每条轨迹上采集的具有n个数据点的末端数据集其中t＝[t0,t1,
…
,t
n-1
]
t
为采样点的时间向量，y
demo
＝[y0,y1,
…
,y
n-1
]
t
、分别为机械臂末端采样点的空间坐标向量、速度向量和加速度向量。
[0012]
作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述动态运动基元的学习过程如下：
[0013]
确定基函数数目n和系统增益项，通过所述末端数据集可得到目标强迫函数f
target
：
[0014][0015]
其中，αy和βy为系统增益项，g为轨迹目标值，即y
n-1
。
[0016]
非线性部分由一系列高斯函数加权叠加而成，通过改变权重值来模拟轨迹：
[0017][0018]
其中，ψi＝exp(-hi(x-ci)2)；x为用于控制f的相位，采用的是经典系统，n为基函数的个数，通常轨迹越复杂就需要更多的基函数；ωi为对应基函数ψi的权重，可由下式求得：
[0019][0020]
式(3)中，
[0021]
将求得的权重值代入式(2)得到完整的非线性部分，再通过下式可计算求得学习轨迹的位置、速度及加速度信息：
[0022][0023]
作为本发明的进一步改进，步骤s3中，回归曲线计算过程如下：
[0024]
根据步骤s1中示教时记录的刚度数据、末端接触力数据以及步骤s2中得到的学习轨迹位置信息得到的数据集ξ＝[f k yd]
t
，记ξf＝f
t
，ξk＝k
t
，采用高斯混合模型对数据进行编码，其中某个数据点ξ∈rd×n的概率为：
[0025][0026]
其中，r为实数域，πk∈[0,1]为先验概率，且k为高斯分布的个数，d为数据的维度，μk∈rd,σk∈rd×d分别表示第k个高斯分布的均值和协方差矩阵，给定输入变量ξy，输出ξf和ξk的条件概率分布分别为：
[0027][0028]
其中和分别表示后验概率中第k个高斯分布的均值和方差：
[0029][0030]
其中和分别为f(或k)和y的第k个高斯分布均值，和为协方差矩阵：
[0031][0032]
ξy在第k个高斯分布中的概率为：
[0033][0034]
高斯混合回归为给定ξy下ξf和ξk的条件概率分布的期望：
[0035][0036]
作为本发明的进一步改进，步骤s4中，所述自主探伤的过程如下：
[0037]
首先将刚度期望曲线kd、末端力期望曲线fd、以及学习轨迹xd等和机械臂末端实际值之间的误差输入到变阻抗控制器中后输出位移修正量xc，然后结合机械臂末端探伤装置原始位置，获得机械臂所要调整的目标位置，目标位置经机械臂逆运动学转换成各个关节的角度τ，输入到位置控制环中，然后经机械臂运动学正解输出实际调整的位置q，此时探伤装置与轨道接头表面会产生新的接触力fe，从而实现了闭环控制。
[0038]
作为本发明的进一步改进，所述机械臂固定安装于检测车辆上，且机械臂端部安装有六维力/力矩传感器和检测探头；示教者手臂上佩戴有所述肌电手环，机械臂六维力/力矩传感器、检测探头和肌电手环均与上位机电连接。
[0039]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0040]
(1)本发明的基于机械臂的轨道仿形探伤方法，通过示教者与机械臂协同完成对无缝轨道接头的仿形探伤作业，采用动态运动基元dmp对机械臂示教轨迹进行学习，得到机械臂带动探伤检测探头的运动轨迹，再利用高斯混合模型求得刚度数据和接触力数据的回归曲线，回归曲线分别为机械臂末端位置到人手臂末端刚度和机械臂末端力的映射，能够获得机械臂在运动轨迹上的力矩，并将上述数据通过变阻抗控制实现机械臂的力/位混合闭环控制。本发明通过轨迹学习及力/位混合控制，只需通过简单的示教就能让机械臂实现轨道的仿形探伤。
[0041]
(2)本发明的基于机械臂的轨道仿形探伤方法，变阻抗控制策略中，通过实际接触力和期望力的偏差，经阻抗控制器得出位置偏差量，进而调整机械臂末端探伤装置的位置，实现探伤装置与无缝轨道接头始终接触且接触力在可控区间内。
附图说明
[0042]
图1为本发明实施例的基于机械臂的轨道仿形探伤方法技术路线图；
[0043]
图2为本发明实施例的基于机械臂的轨道仿形探伤方法所涉及的硬件设备示意图；
[0044]
图3为本发明实施例的基于机械臂的轨道仿形探伤方法涉及的dmp对示教轨迹进行学习的流程图；
[0045]
图4为本发明实施例的基于机械臂的轨道仿形探伤方法涉及的变阻抗控制流程。
[0046]
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-机械臂、2-六维力/力矩传感器、3-检测探头、4-铁路轨道、5-肌电手环、6-上位机。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0048]
图1为本发明实施例的基于机械臂的轨道仿形探伤方法技术路线图，图2为本发明实施例的基于机械臂的轨道仿形探伤方法所涉及的硬件设备图，结合附图，本发明的基于机械臂的轨道仿形探伤方法，包括如下步骤：
[0049]
s1人工示教；通过示教者与机械臂协同完成对无缝轨道接头的仿形探伤作业，机械臂末端搭载六维力/力矩传感器，示教者佩戴肌电手环，拖动机械臂完成探伤作业；机械臂以一定的频率f记录完成作业时的末端位置、速度及加速度，肌电手环以相同频率f对示教者的刚度数据进行采集，六维力/力矩传感器同样地以频率f测量末端接头处的接触力，重复示教m次；
[0050]
在每条轨迹上采集具有n个数据点的末端数据集其中t＝[t0,t1,
…
,t
n-1
]
t
为采样点的时间向量，y
demo
＝[y0,y1,
…
,y
n-1
]
t
、分别为机械臂末端采样点的空间坐标向量、速度向量和加速度向量。
[0051]
如图2所示，机械臂1固定安装于检测车辆上，且机械臂1端部安装有六维力/力矩传感器2和检测探头3；示教者手臂上佩戴肌电手环5，机械臂1、六维力/力矩传感器2、检测探头3和肌电手环5均与上位机6电连接。
[0052]
s2轨迹生成；将m次重复示教产生的末端数据集采用动态运动基元(dmp)对示教轨迹进行学习。动态运动基元学习流程如图3所示，根据步骤s1中获取的示教轨迹的复杂程度确定基函数数目n和系统增益项，计算得到目标强迫函数f
target
，通过目标强迫函数可求得基函数权重，进而得到学习轨迹的强迫函数f，将f引入机械臂末端系统可以得到机械臂学习轨迹。具体实现过程如下：
[0053]
确定基函数数目n和系统增益项，通过末端数据集可得到目标强迫函数f
target
：
[0054][0055]
其中，αy和βy为系统增益项，g为轨迹目标值，即y
n-1
。
[0056]
非线性部分由一系列高斯函数加权叠加而成，通过改变权重值来模拟轨迹：
[0057][0058]
其中，ψi＝exp(-hi(x-ci)2)；x为用于控制f的相位，采用的是经典系统，n为基函数的个数，通常轨迹越复杂就需要更多的基函数；ωi为对应基函数ψi的权重，可由下式求得：
[0059][0060]
式(3)中，
[0061]
将求得的权重值代入式(2)得到完整的非线性部分，再通过下式可计算求得学习轨迹的位置、速度及加速度信息：
[0062][0063]
s3回归曲线生成；将肌电手环测得的刚度数据映射到人手臂实际的末端刚度，分别建立人手臂末端刚度及机械臂末端力的高斯混合模型，进行高斯混合回归，分别获得人
手臂末端刚度和机械臂末端力的回归曲线。
[0064]
具体实现过程如下：
[0065]
根据步骤s1中示教时记录的刚度数据、末端接触力数据以及步骤s2中得到的学习轨迹位置信息得到的数据集ξ＝[f k yd]
t
，记ξf＝f
t
，ξk＝k
t
，采用高斯混合模型对数据进行编码，其中某个数据点ξ∈rd×n的概率为：
[0066][0067]
其中，r为实数域，πk∈[0,1]为先验概率，且k为高斯分布的个数，d为数据的维度，μk∈rd,σk∈rd×d分别表示第k个高斯分布的均值和协方差矩阵，给定输入变量ξy，输出ξf和ξk的条件概率分布分别为：
[0068][0069]
其中和分别表示后验概率中第k个高斯分布的均值和方差：
[0070][0071]
其中和分别为f(或k)和y的第k个高斯分布均值，和为协方差矩阵：
[0072][0073]
ξy在第k个高斯分布中的概率为：
[0074][0075]
高斯混合回归为给定ξy下ξf和ξk的条件概率分布的期望：
[0076][0077]
s4自主探伤；机械臂按照步骤s2生成的学习轨迹，带动探伤装置对无缝轨道接头
进行探伤，基于位置的变阻抗控制策略，保证检测过程中探伤装置与接头表面的接触力与步骤s3中模型计算曲线的限定范围内。
[0078]
其具体实现过程如下：
[0079]
变阻抗控制流程如图4所示，首先将刚度期望曲线kd、末端力期望曲线fd、以及学习轨迹xd等和机械臂末端实际值之间的误差输入到变阻抗控制器中后输出位移修正量xc，然后结合机械臂末端探伤装置原始位置，获得机械臂所要调整的目标位置，目标位置经机械臂逆运动学转换成各个关节的角度τ，输入到位置控制环中，然后经机械臂运动学正解输出实际调整的位置q，此时探伤装置与轨道接头表面会产生新的接触力fe，从而实现了闭环控制。本发明的变阻抗控制策略，通过实际接触力和期望力的偏差，经阻抗控制器得出位置偏差量，进而调整机械臂末端探伤装置的位置，实现探伤装置与无缝轨道接头始终接触且接触力在可控区间内。
[0080]
本发明的基于机械臂的轨道仿形探伤方法，通过示教者与机械臂协同完成对无缝轨道接头的仿形探伤作业，采用动态运动基元dmp对机械臂示教轨迹进行学习，得到机械臂带动探伤检测探头的运动轨迹，再利用高斯混合模型求得刚度数据和接触力数据的回归曲线，回归曲线分别为机械臂末端位置到人手臂末端刚度和机械臂末端力的映射，能够获得机械臂在运动轨迹上的力矩，并将上述数据通过变阻抗控制实现机械臂的力/位混合闭环控制。本发明通过轨迹学习及力/位混合控制，只需通过简单的示教就能让机械臂实现轨道的仿形探伤。
[0081]
为更好地理解本发明的轨道仿形探伤方法，下面提供一个具体实施例：
[0082]
佩戴肌电手环5的示教者拖动机械臂进行对铁路轨道4焊缝部位的轨头进行探伤完整操作，重复5次。示教过程中机械臂1、六维力/力矩传感器2、检测探头3和肌电手环5所采集到的数据。采集的数据包括：机械臂末端位置、速度、加速度，末端力和力矩，以及人手臂刚度数据。
[0083]
各设备从示教开始时开始同时记录数据，在示教完成后同时结束记录数据，完成一次完整的数据采集后将数据传输至上位机6。完成机械臂检测工作示教和数据采集工作。
[0084]
将采集的机械臂末端数据集导入到dmp算法中进行轨迹学习，得到学习轨迹的位置、速度及加速度信息。
[0085]
首先根据示教轨迹具体情况确定基函数确定基函数数目n和系统增益项αy、βy，将示教数据代入式(1)得到目标强迫函数f
target
；之后通过局部加权回归计算各基函数权重ωi，并根据权重计算学习轨迹强迫函数f；最后将强迫函数引入机械臂末端2阶系统，计算学习轨迹yd、速度和加速度并根据示教时记录的刚度数据、末端接触力数据以及步骤s3中得到的学习轨迹位置信息得到的数据集ξ＝[f k yd]
t
，利用高斯混合回归计算得到刚度期望曲线kd和末端力期望曲线fd。
[0086]
将学习轨迹yd、速度加速度刚度期望曲线kd和末端力期望曲线fd输入到控制器中，同时记录机械臂末端实际接触力与刚度，将其与期望数据之间的差值输入到变阻抗控制器中，输出位移修正量xc，然后结合机械臂末端探伤装置原始位置，获得机械臂所要调整的目标位置，目标位置经机械臂逆运动学转换成各个关节的角度τ，输入到位置控制环中，由此实现机械臂的闭环控制。
[0087]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。