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DE102022000701A1 - Autonomous manipulation system for maintenance and inspection work on track systems - Google Patents

Autonomous manipulation system for maintenance and inspection work on track systems Download PDF

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Publication number
DE102022000701A1
DE102022000701A1 DE102022000701.0A DE102022000701A DE102022000701A1 DE 102022000701 A1 DE102022000701 A1 DE 102022000701A1 DE 102022000701 A DE102022000701 A DE 102022000701A DE 102022000701 A1 DE102022000701 A1 DE 102022000701A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
camera
railway
manipulation
track
maintenance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102022000701.0A
Other languages
German (de)
Inventor
Nicolas Alt
Stefan LOCHBRUNNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Visevi Robotics GmbH
Original Assignee
Visevi Robotics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Visevi Robotics GmbH filed Critical Visevi Robotics GmbH
Priority to DE102022000701.0A priority Critical patent/DE102022000701A1/en
Publication of DE102022000701A1 publication Critical patent/DE102022000701A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A01M21/00Apparatus for the destruction of unwanted vegetation, e.g. weeds
    • A01M21/02Apparatus for mechanical destruction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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Abstract

Apparat zur autonomen Manipulation, installiert auf einem mobilen Fahrzeug,bestehend aus mindestens einem Roboterarm oder Manipulator und einem System zur Objekterkennung,dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat konfiguriert ist zur Erkennung und Manipulation von Objekten im Bereich des Schienenwegs.Apparatus for autonomous manipulation installed on a mobile vehicle, consisting of at least one robotic arm or manipulator and a system for object recognition, characterized in that the apparatus is configured to recognize and manipulate objects in the area of the railway.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft ein auf einer mobilen Basis installiertes autonomes Manipulationssystem für Arbeiten an/auf Schienenwegen, insbesondere Vegetationskontrolle (Entfernen von Bewuchs), Entfernen unerwünschter Gegenstände oder Müll, Inspektion und Wartung.The invention relates to an autonomous manipulation system installed on a mobile base for works on railways, in particular vegetation control (removal of vegetation), removal of unwanted objects or garbage, inspection and maintenance.

Stand der TechnikState of the art

Zur Wartung und Inspektion an Gleisen sind im Bahnbereich verschiedene Verfahren etabliert. Vegetationskontrolle findet häufig durch das Ausbringen von Herbiziden über auf dem Gleis fahrende Zweiwegefahrzeuge statt. Aber auch die Entsendung von Personal zur manuellen Entfernung, gerade auch unmittelbar neben den Gleisen, ist üblich. Bahnstrecken werden regelmäßig inspiziert (Gleisbegehung) und auch über Messzüge vermessen.Various procedures have been established in the railway sector for the maintenance and inspection of tracks. Vegetation control often occurs through the application of herbicides via road-rail vehicles traveling on the track. But it is also common to dispatch personnel to remove them manually, especially right next to the tracks. Railway lines are regularly inspected (track inspection) and also measured using measurement trains.

Aktuell wird auch die permanente Überwachung mittels predictive maintenance etabliert, z.b. über Vibrationssensoren an Weichen. Diese stellen unübliche Vibrationen mittels Machine Learning fest und können so einen Ausfall der Weiche vorhersagen.Permanent monitoring using predictive maintenance is currently being established, e.g. via vibration sensors on points. These detect unusual vibrations using machine learning and can thus predict a failure of the switch.

BeschreibungDescription

Das hier beschriebene Manipulationssystem besteht insbesondere aus mindestens

  • • einem Roboterarm (8) oder Aktuator,
  • • einem Endeffektor, wie einem Greifer (10),
  • • einem typischerweise kamerabasierten System zur Objekt- oder Umgebungserkennung,
  • • einem System zur Planung bzw. Steuerung des Manipulationsvorgangs, sowie optional aus
  • • einem Sammelbehälter (6) für aufgesammelte Pflanzen und Müll,
  • • einem System zur Fernsteuerung (Teilautonomie),
  • • einer Kamera am Greifer/Endeffektor,
  • • weiteren, austauschbaren Endeffektoren, wie z.B. einer Schere, Messer, Säge, Sprüheinrichtung für Flüssigkeiten.
The manipulation system described here consists in particular of at least
  • • a robot arm (8) or actuator,
  • • an end effector, such as a gripper (10),
  • • a typically camera-based system for object or environment recognition,
  • • a system for planning or controlling the manipulation process, as well as optionally
  • • a collection container (6) for collected plants and waste,
  • • a system for remote control (partial autonomy),
  • • a camera on the gripper/end effector,
  • • Additional, exchangeable end effectors, such as scissors, knives, saws, spray devices for liquids.

Das Manipulationssystem wird auf einer mobilen Basis installiert, die auf, am oder im Gleis bzw. Schienenweg entlang fährt. Manipulationssystem und mobile Basis zusammen bilden einen autonomen Roboter. Das Manipulationssystem kann die mobile Basis steuern, also z.B. während eines Manipulationsvorgangs anhalten.The manipulation system is installed on a mobile base that moves on, along or in the track or railway. Manipulation system and mobile base together form an autonomous robot. The manipulation system can control the mobile base, e.g. stop it during a manipulation process.

Das Manipulationssystem ist in einer Ausführungsform so konfiguriert, dass es bestimmte Objekte (wie Pflanzen (13) oder andere Gegenstände im Gleis) über ein Objekterkennungssystem erfasst, den Roboterarm (8) zum Objekt positioniert, das Objekt greift, im Falle einer Pflanze ausreißt und schließlich ablegt oder in einen Sammelbehälter (6) packt. Der Sammelbehälter kann mit einem Häcksler oder anderen Werkzeug zum Zerkleinern der Pflanzen ausgestattet werden.In one embodiment, the manipulation system is configured in such a way that it detects certain objects (such as plants (13) or other objects in the track) via an object recognition system, positions the robot arm (8) to the object, grabs the object, tears it out in the case of a plant and finally deposits or packs in a collection container (6). The collection container can be equipped with a shredder or other tool for chopping up the plants.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mobile Roboter so aufgebaut, dass er auf die Nutzung des Raums (2) zwischen den Schienen (3) beschränkt ist („Schienenzwischenraum“), siehe Operation unter Bahnfahrzeugen im Betrieb) und dabei den laufenden Zugbetrieb nicht beeinträchtigt. Dazu darf der Roboter - zumindest bei Überfahrt eines Zugs (1) - nicht in das sog. Lichtraumprofil der Bahnfahrzeuge eindringen. Der Roboterarm ist dabei entweder mechanisch insbes. durch entsprechende Kinematik bzw. Konfiguration der Gelenke (Kinematik) so aufgebaut, dass er den Schienenzwischenraum nicht verlassen kann, oder er wird durch aktive Steuerung bei Überfahrt eines Zuges in den Schienenzwischenraum gebracht. Letzteres erfordert eine absolut sichere Erkennung von Zügen und Steuermöglichkeit des Arms.In a preferred embodiment, the mobile robot is constructed in such a way that it is limited to the use of the space (2) between the rails (3) ("rail gap"), see operation under railway vehicles in operation) and does not interfere with the ongoing train operation. For this purpose, the robot - at least when a train (1) is crossing - must not penetrate into the so-called loading gauge of the railway vehicles. The robot arm is either mechanically constructed, in particular by appropriate kinematics or configuration of the joints (kinematics), so that it cannot leave the space between the rails, or it is brought into the space between the rails by active control when a train passes over it. The latter requires an absolutely reliable detection of moves and the ability to control the arm.

VorteileAdvantages

Aktuell ergibt sich die Problematik, dass die Vegetationskontrolle im Gleis in Europa zukünftig nicht mehr mit dem sehr effektiven Herbizid Glysophat durchgeführt werden darf. Alternative Verfahren, wie z.B. die manuelle Behandlung, sind teuer, zeitaufwendig, gehen mit Sicherheitsrisiken für das Personal einher.The current problem is that vegetation control on tracks in Europe can no longer be carried out with the very effective herbicide glysophate. Alternative methods, such as manual treatment, are expensive, time-consuming and involve safety risks for personnel.

Das beschriebene Manipulationssystem entfernt Pflanzen gezielt, z.B. durch Greifen und Ausreißen, und damit mit minimalem Eingriff in die Umwelt. Selbst ein gezieltes Ausbringen chemischer Mittel mittels des Manipulationssystems reduziert die Umweltbelastung gegenüber großflächigem Sprühen.The manipulation system described removes plants in a targeted manner, e.g. by grabbing and tearing, and thus with minimal impact on the environment. Even a targeted application of chemical agents using the manipulation system reduces the environmental impact compared to large-scale spraying.

Anwendungenapplications

Anwendungen des Manipulationssystems umfassen u.a.:

  • • Entfernung von Bewuchs im Gleis
  • • Entfernung von Müll, insbesondere auch in Bahnhöfen, und unerwünschten Gegenstände im Gleis
  • • Inspektion und Prüfungen, z.B. Klopf- oder Rütteltests an
    • ◯ Gleisen und Weichen
    • ◯ Einbauten im Gleis
    • ◯ Unterseiten von Bahnfahrzeugen
  • • Visuelle Prüfung von Gleiskomponenten mit gezielter Kameraführung, z.B. nach Meldung eines Problemverdachts durch einen Lokführer oder automatisiert über einen Sensor am Zug
  • • Durchführung der regulatorisch vorgeschriebenen Streckenbegehungen
  • • Erfassung des Schienenprofils, z.B. über taktile Sensoren oder die gezielte Führung von Kameras, Tiefensensoren oder anderer Sensoren
  • • Erstellung eines „Digitalen Zwillings“ des Schienennetzes, der den aktuellen Zustand der Schiene und der Umgebung darstellt, wobei eine Vielzahl von auch durch aktive Manipulation erfasste Daten integriert werden können
  • • Baubegleitende Dokumentation
  • • Prüfung von Neubaustrecken
  • • Beladen, Transport und Abladen von Gegenständen
Applications of the manipulation system include:
  • • Removal of vegetation in the track
  • • Removal of rubbish, especially in train stations, and unwanted objects on the track
  • • Inspection and testing, eg knocking or shaking tests
    • ◯ Tracks and points
    • ◯ Installations in the track
    • ◯ Undersides of rail vehicles
  • • Visual inspection of track components with targeted camera guidance, eg after a train driver reports a suspected problem or automatically via a sensor on the train
  • • Carrying out the route inspections prescribed by the regulations
  • • Recording of the rail profile, eg via tactile sensors or the targeted guidance of cameras, depth sensors or other sensors
  • • Creation of a "digital twin" of the rail network, which shows the current condition of the rail and the environment, whereby a large number of data recorded through active manipulation can be integrated
  • • Construction accompanying documentation
  • • Examination of new lines
  • • Loading, transporting and unloading of objects

Objekterkennungobject detection

Der mobile Roboter bewegt sich in einer unstrukturierten Umgebung, d.h. die Beschaffenheit der Umgebung und darin befindlicher Gegenstände ist nicht vollständig bekannt. Daher ist das Manipulationssystem mit einem System zur Objekt- und Umgebungserkennung („Objekterkennungssystem“) ausgestattet. Dieses erkennt mindestens die für die Aufgabe des Roboters relevanten Objekte sowie deren Positionen, wie z.B. das Gleis, Einbauten im Gleis, Gegenstände/Müll im Gleis, Hindernisse, zu inspizierende Komponenten (z.B. Kabel, Schrauben, etc.). Zur Planung der Bewegung kann auch die Erkennung von Menschen oder sich nähernden Züge nötig sein. Das Objekterkennungssystem stellt die Position von Objekten z.B. im 2D-Bild durch einen Rahmen („bounding box“) oder auch eine genauere, oft pixelweise, Segmentierung bereit. Wenn die Erkennung im 2D-Bild erfolgt, wird die Entfernung über eine Tiefenkamera ermittelt. Bei bekannten Objekten kann die Entfernung auch aus dem 2D-Kamerabild errechnet werden. Objekterkennung ist jedoch auch z.B. in Tiefenbildern oder daraus erzeugten Punktwolken möglich.The mobile robot moves in an unstructured environment, i.e. the nature of the environment and the objects in it are not fully known. The manipulation system is therefore equipped with a system for object and environment recognition (“object recognition system”). This recognizes at least the objects relevant to the task of the robot and their positions, such as the track, installations in the track, objects/waste in the track, obstacles, components to be inspected (e.g. cables, screws, etc.). The detection of people or approaching trains may also be necessary to plan the movement. The object recognition system provides the position of objects, e.g. in the 2D image by means of a frame ("bounding box") or a more precise, often pixel-by-pixel, segmentation. When detection occurs in the 2D image, the distance is determined using a depth camera. In the case of known objects, the distance can also be calculated from the 2D camera image. However, object recognition is also possible, for example, in depth images or point clouds generated from them.

Zur Beseitigung von Pflanzen/Bewuchs werden insbesondere Pflanzen im Gleis samt Ihres Abstands erkannt. Typischerweise ist bei Pflanzen keine vollständige Erfassung der Geometrie möglich, da diese zu komplex ist und viele Selbstüberdeckungen vorliegen. Tiefenwerte sind oft unvollständig und teilweise fehlerhaft. Das Manipulationssystem kann die Pflanze an vielen Punkten greifen und ausreißen, solange der Greifpunkt ausreichend stabil zum Ausreißen der Pflanze ist. Es sind also viele Greifpunkt möglich. Bevorzugt ist auf einen Stamm oder Hauptast in einem niedrigen Bereich der Pflanze abzuzielen („Stammansatz“), da hier die Pflanze am stabilsten ist. Das Objekterkennungssystem sucht daher in einer bevorzugten Ausführungsform zunächst Pflanzen und - soweit erkennbar - den Stammansatz im Kamerabild. Zur Ermittlung möglicher robuster Greifpunkte werden Regionen in tiefliegenden Bereichen der Pflanze mit stabil erfasster Entfernung/Tiefe und einer gewissen Größe ermittelt. Das Verfahren wird über mehrere Frames wiederholt und die möglichen robusten Greifpunkte bewertet.In order to remove plants/growth, plants in the track in particular are recognized together with their distance. Typically, the geometry of plants cannot be fully captured because it is too complex and there are many self-coverings. Depth values are often incomplete and sometimes incorrect. The manipulation system can grab and uproot the plant at many points as long as the grabbing point is sufficiently stable to uproot the plant. So many grip points are possible. It is preferable to aim for a trunk or main branch in a low part of the plant ("stem base") as this is where the plant is most stable. In a preferred embodiment, the object recognition system therefore first searches for plants and—if recognizable—the base of the trunk in the camera image. In order to determine possible robust grasping points, regions in low-lying areas of the plant with a stably sensed distance/depth and a certain size are determined. The procedure is repeated over several frames and the possible robust grasp points are evaluated.

Analog gilt dies zur Entfernung von Müll oder anderen Objekten, wobei hier eine größere Vielfalt an Objektklassen zu berücksichtigen ist. Oft kann auch die Geometrie besser als bei Pflanzen erkannt werden.The same applies to the removal of rubbish or other objects, although a greater variety of object classes must be taken into account here. The geometry can often be recognized better than with plants.

Das Objekterkennungssystem nutzt üblicherweise mindestens eine Kamera (7) (z.B. Farbkamera, Schwarz-weiß-Kamera, Infrarot-Kamera), die den relevanten Umgebungsbereich abbildet. Zur Manipulation sind auch Tiefenwerte erforderlich, die z.B. über mindestens eine/n Tiefenkamera, Stereokamera, Laserscanner, LiDAR oder anderen Tiefen- oder Entfernungssensor ermittelt werden. Üblich sind kombinierte Farb- und Tiefenkameras (RGBD-Kameras). Moderne KI-basierte Objekterkennungssysteme können eine Vielzahl von Objekten zuverlässig in einem 2D-Kamerabild erkennen. Die Kombination verschiedener Sensoren - z.B. Farb- und Tiefenbild (RGBD) - kann die Erkennungsqualität verbessern.The object recognition system usually uses at least one camera (7) (e.g. color camera, black-and-white camera, infrared camera), which images the relevant surrounding area. Depth values are also required for manipulation, which are determined, for example, via at least one depth camera, stereo camera, laser scanner, LiDAR or other depth or distance sensor. Combined color and depth cameras (RGBD cameras) are common. Modern AI-based object recognition systems can reliably recognize a large number of objects in a 2D camera image. The combination of different sensors - e.g. color and depth image (RGBD) - can improve the detection quality.

Zur Erfassung eines Umgebungsmodells, also z.B. einer 2D oder 3D Karte mit Hindernissen, können bekannte SLAM-Verfahren eingesetzt werden. Diese ermöglichen auch die Lokalisierung des mobilen Roboters. Es ist dabei jedoch zu beachten, dass diese Verfahren nicht gut funktionieren, wenn v.a. die langen, linearen Schienen ohne Features erfasst werden. Es sollten daher weitere Features, wie Schwellen oder auch Schotter, erfasst werden.Known SLAM methods can be used to capture an environment model, e.g. a 2D or 3D map with obstacles. These also enable the localization of the mobile robot. It should be noted, however, that these methods do not work well when primarily capturing the long, linear rails without features. Additional features, such as sleepers or gravel, should therefore be recorded.

Die Kamera/s werden intrinsisch und extrinsisch kalibriert. So kann von den Koordinaten einer Kamera zu Koordinaten des Roboterarms, Koordinaten einer anderen Kamera/Tiefenkamera oder eines anderen Sensors umgerechnet werden.The camera/s are intrinsically and extrinsically calibrated. It is possible to convert from the coordinates of a camera to coordinates of the robot arm, coordinates of another camera/depth camera or another sensor.

Für den erfolgreichen autonomen Einsatz des Systems zu jeder Witterungslage und zur Vermeidung manuellen Eingreifens müssen die Kameras (7) und Sensoren vor Nässe und Verschmutzung geschützt sein. Um Ausfälle durch verschmutzte Kameras zu vermeiden, kann das System mittels des Manipulators in der Lage sein sich selbständig zu reinigen. Weiterhin kann die Einsatzzeit des Systems durch integrierte künstliche Beleuchtung auf den gesamten Tag und Nacht ausgedehnt werden. Diese kann an der mobilen Plattform oder im Greifer (15) angebracht werden.For the successful autonomous use of the system in all weather conditions and to avoid manual intervention, the cameras (7) and sensors must be protected from moisture and dirt. In order to avoid breakdowns due to dirty cameras, the system can be able to operate independently using the manipulator to clean. Furthermore, the operating time of the system can be extended to include the entire day and night thanks to integrated artificial lighting. This can be attached to the mobile platform or in the gripper (15).

Greifvorgang und -Überwachunggripping process and monitoring

Greifer (10) und Finger (12) sollten fehlertolerant aufgebaut werden, so dass die Geometrie des Greifers auch bei ungenauer oder ungeeigneter Greifposition passiv einen sicheren Griff des Objekts, insbes. der Pflanze (13), ermöglicht. Dazu kann ein Radialgreifer verwendet werden, bei dem die Finger im geöffneten Zustand einen Trichter bilden, siehe 3, und eine weite Öffnung des Greifers ermöglichen. Beim Anfahren der Pflanze wird so ein größerer Teil der Pflanze zwischen die Finger geschoben. Zusätzlich sollten Finger auf der Innenseite einen hohen Reibungskoeffizienten aufweisen, um genug Kraft zum Ausreißen der Pflanze aufzubringen.Grippers (10) and fingers (12) should be designed to be fault-tolerant, so that the geometry of the gripper passively enables a secure grip on the object, especially the plant (13), even if the gripping position is imprecise or unsuitable. A radial gripper can be used for this, in which the fingers form a funnel when open, see 3 , and allow a wide opening of the gripper. When starting the plant, a larger part of the plant is pushed between the fingers. In addition, fingers should have a high coefficient of friction on the inside in order to apply enough force to pull out the plant.

Aufgrund verschiedener Fehlerquellen kann es dennoch vorkommen, dass der Arm bei Erreichen der Zielposition die Pflanze nicht oder nur unzureichend greift. Fehlerursachen sind z.B. Kalibrierungsfehler, Positionsfehler des Arms, Verbiegung des Arms, ungenaue Tiefenmessung, ungünstige Geometrie der Pflanze.Due to various sources of error, it can still happen that the arm does not grip the plant or only insufficiently when it reaches the target position. Causes of errors are e.g. calibration errors, position errors of the arm, bending of the arm, inaccurate depth measurement, unfavorable geometry of the plant.

Daher ist beim Greifvorgang eine visuelle Griffkontrolle sinnvoll. Hierzu wird in einer weiteren Ausführungsform eine Greiferkamera (14) im Endeffektor oder Greifer (10) eingebaut, siehe 4. Die im Greifer befindlichen Pflanzenteile werden dabei im Bild der Greiferkamera z.B. durch Objekterkennung oder einfaches visuelles Tracking vor den Fingern als Hintergrund ermittelt. Je nach dem, wo der Großteil der Pflanze erkannt wird (z.B. vor/links/rechts der Greiffinger) wird eine Greifkorrektur geplant.Therefore, a visual grip check is useful during the gripping process. For this purpose, in a further embodiment, a gripper camera (14) is installed in the end effector or gripper (10), see 4 . The parts of the plant in the gripper are detected in the image of the gripper camera, for example by object recognition or simple visual tracking in front of the fingers as the background. Depending on where the majority of the plant is recognized (e.g. in front of/left/right of the gripping fingers), a gripping correction is planned.

Die Griffkontrolle kann auch taktil erfolgen. Dazu wird ein taktiler Sensor auf den Greiffingern installiert, der einen Abdruck der Objekte im Greifer liefert. Anhand der Anzahl/Größe der Pflanzenteile im Greifer kann entschieden werden, ob deren Griff erfolgreich war. Auch ein kamerabasierter taktiler Sensor kann genutzt werden.Grip control can also be tactile. For this purpose, a tactile sensor is installed on the gripper fingers, which provides an impression of the objects in the gripper. The number/size of the plant parts in the grab can be used to decide whether the grab was successful. A camera-based tactile sensor can also be used.

Beim Ausreißen der Pflanze wird z.B. durch Objekterkennung oder einfaches visuelles Tracking erfasst, ob die Pflanzenteile großteils zwischen den Fingern bleiben. So kann ein eventuelles Herausrutschen frühzeitig erkannt werden. Nach dem Ausreißen wird über die Kameras (7) oder (14) eine erneute Objekterkennung durchgeführt um sicherzustellen, dass im Bereich der Pflanze frei ist. Andernfalls wird ein erneuter Versuch unternommen.When the plant is torn out, object recognition or simple visual tracking is used, for example, to determine whether most of the plant parts remain between the fingers. In this way, any slipping out can be detected at an early stage. After being torn out, the cameras (7) or (14) carry out another object detection to ensure that the area around the plant is clear. Otherwise, a new attempt is made.

Darüber hinaus können auch Abweichungen in der Bewegung des Arms entstehen, z.B. durch Biegung des Arms, Toleranzen, Spiel der Getriebe, Verschleiß, Bewegung der mobilen Plattform, etc. Das Design des Arms kann so gestaltet sein, dass z.B. Spiel der Getriebe und Biegung vorgesehen sind, um andere Designziele wie geringe Kosten, robuste Mechanik, einfache Mechanik, gute Witterungsbeständigkeit oder geringes Gewicht zu erreichen. Die Kamera (7) an der mobilen Basis (4) oder die Greiferkamera (14) kann zur Nachkorrektur der Position verwendet werden (Visual Servoing).In addition, deviations in the movement of the arm can also arise, e.g. due to flexing of the arm, tolerances, backlash in the gears, wear, movement of the mobile platform, etc. The design of the arm can be designed in such a way that e.g. backlash in the gears and bending are provided for are to achieve other design goals such as low cost, robust mechanics, simple mechanics, good weather resistance or light weight. The camera (7) on the mobile base (4) or the gripper camera (14) can be used to correct the position (visual servoing).

Ein erweitertes Konzept sieht vor, dass die Bewegungssteuerung des Arms komplett über eine Kamera (vorzugsweise an der mobilen Basis (7)) erfolgt. Dabei werden die Gelenkwinkel der Gelenke (11) per Kamera und Software visuell vermessen, indem Features oder Marker am Arm (9) über die Kamera erfasst werden („Kamerabasierte Sensorik“). Dabei kann komplett auf Encoder (Winkelsensoren) im Arm verzichtet werden. Biegung des Arms und Spiel der Getriebe werden direkt erfasst.An extended concept envisages that the movement of the arm is controlled entirely via a camera (preferably on the mobile base (7)). The joint angles of the joints (11) are measured visually by camera and software, with features or markers on the arm (9) being recorded by the camera (“camera-based sensors”). There is no need for any encoders (angle sensors) in the arm. Deflection of the arm and backlash of the gears are detected directly.

Mobile Basismobile base

Das Manipulationssystem wird auf einer mobilen Basis installiert, welche die Bewegung auf, entlang, neben oder auch in der Schiene sicherstellt, wie

  • • ein Bahnfahrzeug (Lok, Wagon, Zug, Wartungsfahrzeug, etc.),
  • • ein Straßenbahn- oder U-Bahnfahrzeug,
  • • Ein Zweiwegefahrzeug,
  • • ein Hilfsfahrzeug, z.B. eine Eisenbahn-Draisine, das ggf. mit einem Antrieb ausgestattet wird,
  • • eine mobile Roboter-Plattform (z.B. AGV, automatic guided vehicle, oder AMR, autonomous mobile robot),
  • • ein mobiler Roboter/ein Fahrzeug, das sich im Bereich zwischen den Schienen unter den Zügen bewegt (2), ohne den Zugverkehr auf der Schiene zu behindern („Schienenzwischenraumfahrzeug“ (4)).
The manipulation system is installed on a mobile base, which ensures movement on, along, next to or even in the rail, such as
  • • a railway vehicle (locomotive, wagon, train, maintenance vehicle, etc.),
  • • a tram or metro vehicle,
  • • A two-way vehicle,
  • • an auxiliary vehicle, e.g. a railway handcar, which may be equipped with a drive,
  • • a mobile robot platform (e.g. AGV, automatic guided vehicle, or AMR, autonomous mobile robot),
  • • a mobile robot/vehicle that moves in the area between the rails under the trains (2) without impeding train traffic on the rails (“gap rail vehicle” (4)).

Operation unter Bahnfahrzeugen im BetriebOperation under railway vehicles in operation

Die Nutzung des Manipulationssystems auf einem Schienenzwischenraumfahrzeug (4), das ein neuartiges Konzept darstellt, ist besonders vorteilhaft und wird hier hauptsächlich dargestellt. Mit einem solchen Fahrzeug können Wartungsaufgaben im/am Gleis durchgeführt werden, ohne dabei das Gleis für den Zugbetrieb sperren zu müssen. Es wird also quasi ein zweiter Fahrweg zwischen den Schienen etabliert. Wartungs- und Inspektionsaufgaben können so häufiger und damit in höherer Qualität durchgeführt werden. Sicherheitsrisiken an Zügen oder Schienenwegen können so früher erkannt werden. Ebenso werden die Sicherheitsrisiken für das Inspektions- und Wartungspersonal reduziert. Die Reduktion von Streckensperrungen für die verschiedensten Wartungs- und Inspektionsarbeiten erhöht die Kapazität und Verfügbarkeit von Bahnstrecken.The use of the manipulation system on an interrail vehicle (4), which represents a novel concept, is particularly advantageous and is mainly presented here. With such a vehicle, maintenance tasks can be carried out in/on the track without having to close the track for train operations. In other words, a second route is being established between the rails. Maintenance and inspection tasks In this way, tests can be carried out more frequently and with higher quality. Safety risks on trains or railways can thus be identified earlier. Likewise, the safety risks for the inspection and maintenance personnel are reduced. The reduction in line closures for a wide variety of maintenance and inspection work increases the capacity and availability of railway lines.

Das gesamte Robotersystems darf dabei, zumindest bei Überfahrt eines Bahnfahrzeugs, nicht in dessen Lichtraum eindringen. In einschlägigen Normen sind dazu die erlaubten Lichtraumprofile von Bahnfahrzeugen definiert. Das bedeutet, dass das Frontalprofil des Robotersystems auf den Zwischenraum zwischen den Schienen, typischerweise bis zur Oberkante der Schienen beschränkt ist. Das Schienenzwischenraumfahrzeug muss gegen ein Herausheben durch Sog gesichert sein, z.B. mit Haltearmen (5).The entire robot system must not intrude into the clearance of a rail vehicle, at least when it passes over it. The permissible structure gauges for railway vehicles are defined in the relevant standards. This means that the frontal profile of the robotic system is limited to the space between the rails, typically to the top of the rails. The rail space vehicle must be secured against being lifted out by suction, e.g. with holding arms (5).

Ein Schienenzwischenraumfahrzeug kann Weichen und gewisse Einbauten nicht überwinden, ohne den Schienenzwischenraum zu verlassen. Daher wird es an diesen Stellen manuell umgetragen. Eine erweiterte Ausführung des Schienenzwischenraumfahrzeugs kann solche Hindernisse „überklettern“, wobei dann die Strecke bis zum sicheren Wiedereintritt in den Schienenzwischenraum gesperrt werden muss. Wartezeiten an diesen Hindernissen müssen bei der Betriebsplanung berücksichtigt werden. Bei manuellem Umtragen können diese viele Stunden betragen.A rail gap vehicle cannot negotiate points and certain installations without leaving the rail gap. It is therefore transferred manually at these points. An extended version of the rail gap vehicle can "climb over" such obstacles, in which case the route must then be closed until safe re-entry into the rail gap. Waiting times at these obstacles must be taken into account when planning operations. In the case of manual transfers, these can amount to many hours.

Claims (7)

Apparat zur autonomen Manipulation, installiert auf einem mobilen Fahrzeug, bestehend aus mindestens einem Roboterarm oder Manipulator und einem System zur Objekterkennung, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat konfiguriert ist zur Erkennung und Manipulation von Objekten im Bereich des Schienenwegs.Apparatus for autonomous manipulation installed on a mobile vehicle, consisting of at least one robotic arm or manipulator and a system for object recognition, characterized in that the apparatus is configured for the recognition and manipulation of objects in the area of the railway. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat und das mobile Fahrzeug in einem Bahngleis unter im Betrieb befindlichen Schienenfahrzeugen arbeiten.apparatus after claim 1 , characterized in that the apparatus and the mobile vehicle operate in a railway track among operating railway vehicles. Apparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Roboterarm ein Greifer oder anderes Werkzeug zur Durchführung der Manipulationsaufgaben installiert istapparatus after claim 1 or 2 , characterized in that a gripper or other tool for carrying out the manipulation tasks is installed on the robot arm Apparat nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat zur Erkennung und Beseitigung von Pflanzen oder Bewuchs konfiguriert ist.apparatus after claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the apparatus is configured to detect and remove plants or vegetation. Apparat nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat zur Erkennung und Beseitigung von unerwünschten Gegenständen im Gleisbereich konfiguriert ist.apparatus after claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the apparatus is configured to detect and remove unwanted objects in the track area. Apparat nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat zur Erkennung und Prüfung von Komponenten des Schienenwegs konfiguriert ist.apparatus after claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the apparatus is configured to detect and inspect components of the railway. Apparat nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat zur Erkennung und Prüfung von Komponenten an Bahnfahrzeugen konfiguriert ist.apparatus after claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the apparatus is configured for the detection and testing of components on railway vehicles.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20140067188A1 (en) 2008-09-19 2014-03-06 International Electronic Machines Corporation Railway Maintenance Device
GB2589419A (en) 2019-08-09 2021-06-02 Quantum Leap Tech Limited Fabric maintenance sensor system
US20210396842A1 (en) 2019-10-09 2021-12-23 Shandong University Multi-scale inspection and intelligent diagnosis system and method for tunnel structural defects

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