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作者：★中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司、西安交通大學(xué) 燕天

          ★西安交通大學(xué) 曹建福

摘要：鐵路在國家經(jīng)濟和社會發(fā)展中占有重要地位，推廣應(yīng)用機器人技術(shù)是實現(xiàn)鐵路智能建造的重要途徑。本文圍繞軌道、道路、站房、隧道等場景的施工，以及鐵路設(shè)備制造、運維等典型作業(yè)任務(wù)，介紹了國內(nèi)外鐵路建設(shè)領(lǐng)域機器人技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀，并結(jié)合鐵路施工的難點問題， 對鐵路建設(shè)機器人的發(fā)展方向進行了分析，最后介紹了本研究團隊在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果。

關(guān)鍵詞：機器人技術(shù)；鐵路應(yīng)用

Abstract: Railway plays an important role in national economic and  social development. Popularizing and applying robot technology is an  important way to realize railway intelligent construction. Focusing on  the construction of tracks, roads, station buildings, tunnels and other  scenes, as well as the typical tasks such as the manufacturing and  maintenance of railway equipment, this paper introduces the research  and application status of robots in the railway field at home and  abroad. Combined with the difficult problems of railway construction,  this paper analyses the development direction of railway construction  robot. Finally, the achievements of our research team in the field of  railway robot are introduced.

Key words: Robot technology; Railway applications

1　引言

近年來，隨著交通強國等戰(zhàn)略的實施，鐵路行業(yè)引入智能鐵路、智慧建造等新技術(shù)，為鐵路行業(yè)的發(fā)展帶來了新的機遇[1]。機器人作為集感知、計算、控制、通信等技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，具有安全性好、效率高、可連續(xù)作業(yè)、對工作環(huán)境要求低等優(yōu)點[2]，可以實現(xiàn)精準操作，大幅解放生產(chǎn)力，非常適用于執(zhí)行重復(fù)、 繁重、危險的工作任務(wù)，為鐵路智慧建造提供了有效手段。

當前，國內(nèi)外在鐵路制造、施工、運維的某些工序中，已經(jīng)使用了機器人技術(shù)。這些機器人主要包括鋪軌機器人、道路及站房裝配機器人、管道挖掘機器人、 勘察測繪機器人、構(gòu)件預(yù)制機器人、打磨噴漆機器人、 綜合檢修機器人等。然而，中國鐵路機器人的發(fā)展仍處于初級階段，很多施工難點問題尚未解決，如超大超重構(gòu)件的預(yù)制和安裝、大型建筑的3D打印、裝配式施工等。因此國內(nèi)迫切需要發(fā)展鐵路機器人技術(shù)，以提高勞動效率和工程質(zhì)量，減少安全風(fēng)險和環(huán)境污染。

本文首先闡述了國內(nèi)外鐵路領(lǐng)域機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀，其次介紹鐵路建筑機器人的熱點研究問題，最后本文對鐵路建筑機器人研究的熱點方向進行了展望，并介紹了作者團隊在相關(guān)領(lǐng)域的機器人研究成果。

2　鐵路建設(shè)領(lǐng)域機器人技術(shù)現(xiàn)狀

本節(jié)根據(jù)機器人在鐵路勘察測繪、軌道鋪設(shè)、道路及站房裝配、管道施工、構(gòu)件預(yù)制、打磨噴漆、運營維護等方面應(yīng)用，介紹國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

2.1　鐵路施工機器人

針對鐵軌鋪設(shè)勞動強度大、人力成本高的問題， 奧地利的Plasser Theurer公司研制了名為SUZW-500 的無砟軌道智能鋪軌機器人[3]，如圖1所示。該機器人集輪胎、輪軌和履帶行走于一體，由長鋼軌智能分揀車、長鋼軌智能推送車、長鋼軌智能滾筒回收車和長鋼軌智能牽引車四個設(shè)備組成。運用了視覺檢測、激光掃描定位和AGV自動循跡路徑規(guī)劃算法，能夠完成長鋼軌的精準牽引和推送，滾筒的精確布放及自動回收、堆碼、倒運等一系列工序，可將鋪軌作業(yè)人數(shù)減少63%。

圖1 奧地利SUZW-500智能鋪軌機器人

在鐵路站場工程的道路鋪設(shè)中，傳統(tǒng)方式是使用 吊車進行裝配式地面鋪設(shè)。上海振華重工研制了智能鋪路機器人[4]，如圖2所示。該機器人由履帶式底盤行走機構(gòu)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、真空吸盤吊具、機械臂等組成。控制系統(tǒng)可對主臂、大 臂，小臂及頭部升降裝置的高度和角度進行控制。通過真空吸盤上的視覺傳感器，精確識別預(yù)定鋪設(shè)位置的中心與方向，實時計算預(yù)制板吊裝位置與預(yù)定鋪設(shè)位置的相對誤差，通過調(diào)整頭部吸盤和回轉(zhuǎn)裝置使吊具中心與預(yù)定位置中心重合。通過吊臂運動軌跡控制算法，使螺栓和螺栓孔精確匹配；同時，機械臂上設(shè)有光電限位、角度編碼器、超聲波防撞系統(tǒng)，可以確保吊裝過程的安全運行。

圖2 振華重工智能鋪路機器人

為提高路面施工速度，荷蘭研制了tiger-stone智能鋪磚機器人[5]，如圖3所示。該機器人主要包括砂漿鋪設(shè)機構(gòu)、磚塊運輸機構(gòu)、磚塊排列機構(gòu)、磚塊放置機構(gòu)、磚塊平齊機構(gòu)、縫隙填補機構(gòu)以及輔助機構(gòu)，不同機構(gòu)在控制系統(tǒng)作用下能實現(xiàn)砂漿鋪設(shè)以及磚塊的運輸、排列、放置和平齊的功能，工人只需按時往機器人裝料口送入磚塊即可。該鋪路機器人可適用于2米到15米寬度路面的鋪設(shè)，可將勞動效率提升2倍以上。

圖3 荷蘭tiger-stone智能鋪磚機器人

為解決承軌層大型疊合梁板施工時，現(xiàn)場澆筑方式周期長、效率低下、材料浪費的問題，中鐵科工集團等單位聯(lián)合研發(fā)了“赤沙號”站房裝配式施工機器 人[6]，如圖4所示。這臺機器人長80米，自重120噸， 有效跨度達到69米，擁有72個傳感器、50個攝像頭，具備良好的環(huán)境感知能力。采用雙桁架主梁結(jié)構(gòu)，擁有8條能夠獨立動作的腿，每條腿都能獨立伸縮，實現(xiàn)橫向、縱向走行，可平穩(wěn)通過各種復(fù)雜地形。以往需要數(shù)十名工人的施工過程，現(xiàn)僅需1名司機和1名指揮 員即可。

圖4 “赤沙號”站房裝配式施工機器人

鐵路沿線安裝光電纜、水管、天然氣管道或其他類型的小直徑地下管道時，傳統(tǒng)的施工方式需要開挖溝渠、鋪設(shè)管道，最后對管道進行回填。這種方式人力成本高、噪音大，且會對鐵路通行造成影響。馬德里卡洛斯三世大學(xué)的科研人員受蠕蟲分段式身體的啟發(fā)，研 制了一款名為Badger的非開挖式管道施工機器人[7]， 如圖5所示。通過萬向節(jié)將身體連接在一起，包括加速度計、陀螺儀、磁力計、探地雷達等多種傳感器，可實現(xiàn)定位及避障功能。前部是一個鉆頭，尾部則包含一臺 3D打印機和數(shù)據(jù)電纜，在掘進的同時，可在隧道內(nèi)壁噴射一層樹脂，將打通的隧道直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣艿馈Ｓ捎诓槐亻_挖溝渠，因此大幅降低了工程成本，避免了噪聲污染。

圖5 Badger非開挖式管道施工機器人

傳統(tǒng)的測繪方式是遙感測繪或航空攝影測繪，但這兩種方式只能針對室外大范圍場景，且成本高、精度低、需要人為操作、制圖速度慢。韓國的NAVER實驗室研發(fā)了一款名為M1的測繪機器人[8]，如圖6所示。該機器人集測繪和制圖功能于一體，擁有兩個16通道激光雷達，360°水平視野，通過融合激光、視覺、慣導(dǎo)、GNSS等多傳感數(shù)據(jù)，彌補了地下GPS信號弱的不足，增強了機器人在不同環(huán)境下的避障能力。采用了基于3D-SLAM技術(shù)的移動測量和快速點云拼接算法，實現(xiàn)了大場景下的自主閉環(huán)檢測和全局優(yōu)化，可深入隧道、 室內(nèi)等特殊區(qū)域進行大比例尺測繪，還可對隧道超欠挖等質(zhì)量問題進行排查。

圖6 韓國M1隧道及室內(nèi)測繪機器人

2.2　鐵路構(gòu)件及設(shè)備制造機器人

為減少材料浪費、提升高鐵構(gòu)件預(yù)制效率，武漢龍旗公司研發(fā)了高鐵小型混凝土構(gòu)件預(yù)制機器人[9]，如 圖7所示。該機器人包含斜拉上料、平軌出料、振動成型、叉車等系統(tǒng)。其中，斜拉上料系統(tǒng)負責(zé)從罐車中接收混凝土，并傳送給平軌出料系統(tǒng)；平軌出料系統(tǒng)內(nèi)含有自動稱重和雙螺旋下料裝置，可對混凝土稱重并根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的特點，控制混凝土下料總量；振動成型系統(tǒng)內(nèi)含高頻率振動器，可對混凝土進行快速振動成型；成型后的混凝土預(yù)制構(gòu)件將傳遞給叉車系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)曬。 該機器人可預(yù)制高鐵用六角護坡、U型排水溝、邊溝蓋 板、路側(cè)石、手孔蓋板等混凝土構(gòu)件。

圖7 高鐵小型混凝土構(gòu)件預(yù)制機器人

橋梁構(gòu)件大多使用了焊接工序，焊接質(zhì)量對鐵路安全非常重要。針對長、深、窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大梁構(gòu)件，上海振華重工研制了橋梁大梁焊接預(yù)制機器人工作站[10]，如圖8所示。

圖8 振華重工橋梁大梁焊接預(yù)制機器人

該機器人由監(jiān)控系統(tǒng)、參數(shù)化編程系統(tǒng)、機器人焊接系統(tǒng)等組成。監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，如焊絲使用情況、氣體的壓力狀態(tài)，實現(xiàn)生產(chǎn)定量統(tǒng)計。 參數(shù)化編程系統(tǒng)依據(jù)大梁結(jié)構(gòu)件開發(fā)，可調(diào)整大梁隔板尺寸和間距、焊縫焊接順序，來適應(yīng)大梁多種尺寸的焊 接，獲得最小焊接變形。采用了激光和焊絲復(fù)合技術(shù)，可適應(yīng)工件位置擺放誤差，對焊接點準確定位，結(jié)合固化的機器人焊接程序，可節(jié)省示教編程時間。該機器人可全自動化焊接，焊縫合格率達到98%以上，優(yōu)于人工焊接，節(jié)約人工約60%，效率提升約30%。

列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是列車走行部的主要承載部件，也是連接各部分的骨架。傳統(tǒng)手工電弧焊對工人操作要求較高，為提高產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，德國CLOOS公司研發(fā)了用于列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接的QIROX機器人[11]，如圖 9所示。該機器人由兩個焊接機械手組成，被固定在一個垂直升降裝置上。兩個機械手均配備有雙焊槍，通過相互協(xié)作完成焊接，使用TANDEM工藝焊接2~3mm 薄板時，焊接速度可達6m/min，焊接質(zhì)量遠高于手工電弧焊。

圖9 德國CLOOS轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接機器人

打磨是動車生產(chǎn)中的重要工序，人工打磨會產(chǎn)生大量粉塵，且打磨質(zhì)量難以保證，因此，大連譽洋公司研制了動車車身打磨、噴漆機器人[12]，如圖10所示。該機器人在3D視覺引導(dǎo)下，通過控制機械臂可對動車的車體焊縫、車窗窗口、車軸、車輪以及其他各種零部件進行打磨、噴漆，并回收打磨中的粉塵[11]。

圖10動車車身打磨、噴漆機器人

2.3　鐵路運維機器人

鐵路運維大多由工務(wù)段、機務(wù)段、電務(wù)段、通信段等單位采用人工檢修方式進行。但人工檢修方式存在如下弊端：（1）某些鐵路設(shè)施不便拆卸或更換流程較為復(fù)雜，人工檢修速度慢且存在一定的危險性；（2）某些檢修位置肉眼無法直接觀測；（3）人工檢修存在時間間隔，具有安全隱患；（4）受限于巡檢人員的技術(shù)水平，巡檢過程很難做到標準化，往往存在漏看、錯看 的可能；（5）手寫巡檢數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)運維大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和共享。

針對人工撬棍換軌搬運不便、速度慢的問題，中車集團研制了縱向換軌機器人[13]，如圖11所示。該機器人由1輛吊車和10輛運輸車組成，其中吊車包括機械臂和操作室，每臺運輸車上方布置行走軌道和過橋軌道，以供吊車行走和更換鐵軌。通過控制吊車機械臂，一次最多可更換長度100m的軌條12根，原本需要20小時完成的換軌工作，現(xiàn)在只需要1小時就能完成，工作效率大幅提升。

圖11 中車集團縱向換軌機器人

隨著動車組越來越多，動車檢測的工作量越來越大，為提高檢測效率，神州高鐵公司研制了一種動車組車底檢測雙臂機器人[14]，如圖12所示。該機器人包括高精度定位模塊、快速掃描模塊、防碰撞模塊、移動底盤及電池組。結(jié)合機器視覺算法，機器人無需指定停車位，即可鎖定車型、車號及車軸位置，適應(yīng)停車偏差， 而且運動規(guī)劃程序能夠避免碰撞。提供了故障診斷程序，能對轉(zhuǎn)向架斷裂、制動器異常、螺栓松動、部件輕微竄出等99%的故障類型進行識別，還可對新標記的故障數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)，不斷修正檢測模型。該機器人將檢修時間從120分鐘縮短至40分鐘，檢修效率提升3倍。

圖12 動車組車底檢測雙臂機器人

針對機房人工巡檢成本高、標準化程度低、無法綜合利用運維大數(shù)據(jù)的問題[15]，北京超維科技有限公司研發(fā)了ITACS機房智能巡檢機器人，如圖13所示。該機器人邊緣計算平臺，配備激光雷達、深度攝像機和多種傳感器，能夠自主避障，并利用設(shè)備數(shù)據(jù)集和FasterRCNN算法，對5000余種設(shè)備的指示燈、儀表盤、液晶面板、開關(guān)等部位進行檢測[14]。適用于數(shù)據(jù)機房、電力機房、網(wǎng)絡(luò)機房、災(zāi)備機房等多種機房設(shè)備的巡檢任務(wù)，并可進行資產(chǎn)數(shù)量和位置的盤點，使機房巡檢的人工成本降低80%。

圖13 超維科技ITACS機房智能巡檢機器人

3　未來研究方向

國內(nèi)鐵路建設(shè)行業(yè)雖然已開發(fā)了一些施工、運維機器人系統(tǒng)，但目前大多數(shù)作業(yè)仍然以手工為主。針對鐵路建設(shè)的實際需求，未來的主要研究方向有：

（1）高鐵橋梁施工機器人

在山區(qū)大跨度橋梁施工時，打樁可能需要穿過多種地層，施工中稍有不慎，就很容易出現(xiàn)鉆孔漏漿或樁基坍塌現(xiàn)象。因此需要研究自動打樁及施工安全狀態(tài)監(jiān)測機器人，重點研究內(nèi)容包括力/位混合控制、地下施工安全狀態(tài)采集等技術(shù)。

需要研究橋梁鋼結(jié)構(gòu)安裝機器人，重點解決橋梁鋼結(jié)構(gòu)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、精確裝配控制等問題。

（2）高鐵隧道施工機器人

高鐵隧道的混凝土結(jié)構(gòu)件如襯砌、洞門等，往往超大超重，現(xiàn)場施工費時費力。因此需要研制高鐵隧道混凝土大型構(gòu)件預(yù)制機器人，重點需要解決精細化澆筑和大跨度、多自由度作業(yè)問題。

城市地鐵施工時，經(jīng)常開挖長度大于10km的長大隧道，人工打孔的位置精度誤差較大，且經(jīng)常出現(xiàn)返工現(xiàn)象，需要研制隧道鉆孔機器人。

（3）高鐵站房施工機器人

為提高抹灰和噴涂的工作效率，需要研制具有實時測距、掃描工作區(qū)域、計算涂裝、抹灰軌跡等功能的移動式抹灰機器人，研究內(nèi)容包括室內(nèi)定位與導(dǎo)航算法、末端角度和力精確控制算法。

為解決室內(nèi)大型幕墻及板材的安裝，需要研制大型板材安裝機器人，研究內(nèi)容包括雙臂協(xié)作控制方法、路徑規(guī)劃、基于視覺的運動控制等。

4　本研究團隊的相關(guān)工作

本研究團隊近年在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的聯(lián)合基金等項目支持下，對建筑機器人力/位置混合控制、軌跡規(guī)劃、雙臂協(xié)作控制等方面開展了研究，并取得了多項創(chuàng)新性成果。

（1）板材安裝雙臂機器人

用于對建筑幕墻、建筑立面及玻璃門窗等構(gòu)件的高效安裝，核心技術(shù)是解決雙臂機器人的協(xié)作作業(yè)。可安裝板材尺寸>1.5m×2.5m，工件重量>350kg，安裝高度>3.5m。本團隊負責(zé)雙臂機器人協(xié)作控制及軌跡規(guī)劃技術(shù)研究，該機器人系統(tǒng)可用于鐵路站房等工程建設(shè)。

（2）大型構(gòu)件預(yù)制機器人

針對PC構(gòu)件工廠中的拆/布模、混凝土澆筑、表面整形等作業(yè)任務(wù)，研究利用機器人技術(shù)實現(xiàn)自動拆模和布模、精細澆筑、混凝土抹平和刮毛等功能，并解決中國特有的“出筋”問題。研究團隊已研制出拆布模機器 人、表面處理機器人實驗樣機，該成果未來可用于鐵路大型構(gòu)件預(yù)制的用途。

5　結(jié)語

本文介紹了近年來國內(nèi)外在鐵路建設(shè)領(lǐng)域的測繪、軌道施工、站房建設(shè)、鐵路設(shè)備制造、智能檢修等方面機器人研究及應(yīng)用現(xiàn)狀。并結(jié)合我國鐵路施工的難點， 對未來機器人研究熱點方向進行了論述。

國內(nèi)鐵路機器人技術(shù)處于初級發(fā)展階段，許多機器人產(chǎn)品僅是對傳統(tǒng)施工機械的智能化改進。因此要實現(xiàn)智能建造，需要對機器人場景識別、路徑規(guī)劃和任務(wù) 調(diào)度算法以及多機器人協(xié)作建造技術(shù)開展研究，還需要研究BIM集成技術(shù)；同時，逐步形成機器人在鐵路行業(yè)應(yīng)用的標準體系，提高鐵路建設(shè)的智能化程度。

作者簡介：

燕 天（1989-），男，陜西西安人，工程師，博士研究生，現(xiàn)就職于中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，同時就讀于西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)部，研究方向為大數(shù)據(jù)與智能檢測。

曹建福（1963-），男，陜西寶雞人，教授，現(xiàn)任西安交通大學(xué)自動控制研究所所長、中國自動化學(xué)會建筑機器人專業(yè)委員會主任委員，研究方向為智能機器人、智 能制造與智慧工廠。

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摘自《自動化博覽》2021年8月刊