作者：★中铁第一勘察设计院集团有限公司、西安交通大学 燕天

          ★西安交通大学 曹建福

摘要：铁路在国家经济和社会发展中占有重要地位，推广应用机器人技术是实现铁路智能建造的重要途径。本文围绕轨道、道路、站房、隧道等场景的施工，以及铁路设备制造、运维等典型作业任务，介绍了国内外铁路建设领域机器人技术及应用现状，并结合铁路施工的难点问题， 对铁路建设机器人的发展方向进行了分析，最后介绍了本研究团队在相关领域的研究成果。

关键词：机器人技术；铁路应用

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

近年来，随着交通强国等战略的实施，铁路行业引入智能铁路、智慧建造等新技术，为铁路行业的发展带来了新的机遇[1]。机器人作为集感知、计算、控制、通信等技术于一体的高科技产品，具有安全性好、效率高、可连续作业、对工作环境要求低等优点[2]，可以实现精准操作，大幅解放生产力，非常适用于执行重复、 繁重、危险的工作任务，为铁路智慧建造提供了有效手段。

当前，国内外在铁路制造、施工、运维的某些工序中，已经使用了机器人技术。这些机器人主要包括铺轨机器人、道路及站房装配机器人、管道挖掘机器人、 勘察测绘机器人、构件预制机器人、打磨喷漆机器人、 综合检修机器人等。然而，中国铁路机器人的发展仍处于初级阶段，很多施工难点问题尚未解决，如超大超重构件的预制和安装、大型建筑的3D打印、装配式施工等。因此国内迫切需要发展铁路机器人技术，以提高劳动效率和工程质量，减少安全风险和环境污染。

本文首先阐述了国内外铁路领域机器人的应用现状，其次介绍铁路建筑机器人的热点研究问题，最后本文对铁路建筑机器人研究的热点方向进行了展望，并介绍了作者团队在相关领域的机器人研究成果。

2　铁路建设领域机器人技术现状

本节根据机器人在铁路勘察测绘、轨道铺设、道路及站房装配、管道施工、构件预制、打磨喷漆、运营维护等方面应用，介绍国内外研究现状。

2.1　铁路施工机器人

针对铁轨铺设劳动强度大、人力成本高的问题， 奥地利的Plasser Theurer公司研制了名为SUZW-500 的无砟轨道智能铺轨机器人[3]，如图1所示。该机器人集轮胎、轮轨和履带行走于一体，由长钢轨智能分拣车、长钢轨智能推送车、长钢轨智能滚筒回收车和长钢轨智能牵引车四个设备组成。运用了视觉检测、激光扫描定位和AGV自动循迹路径规划算法，能够完成长钢轨的精准牵引和推送，滚筒的精确布放及自动回收、堆码、倒运等一系列工序，可将铺轨作业人数减少63%。

图1 奥地利SUZW-500智能铺轨机器人

在铁路站场工程的道路铺设中，传统方式是使用 吊车进行装配式地面铺设。上海振华重工研制了智能铺路机器人[4]，如图2所示。该机器人由履带式底盘行走机构、动力系统、液压系统、控制系统、伺服系统、真空吸盘吊具、机械臂等组成。控制系统可对主臂、大 臂，小臂及头部升降装置的高度和角度进行控制。通过真空吸盘上的视觉传感器，精确识别预定铺设位置的中心与方向，实时计算预制板吊装位置与预定铺设位置的相对误差，通过调整头部吸盘和回转装置使吊具中心与预定位置中心重合。通过吊臂运动轨迹控制算法，使螺栓和螺栓孔精确匹配；同时，机械臂上设有光电限位、角度编码器、超声波防撞系统，可以确保吊装过程的安全运行。

图2 振华重工智能铺路机器人

为提高路面施工速度，荷兰研制了tiger-stone智能铺砖机器人[5]，如图3所示。该机器人主要包括砂浆铺设机构、砖块运输机构、砖块排列机构、砖块放置机构、砖块平齐机构、缝隙填补机构以及辅助机构，不同机构在控制系统作用下能实现砂浆铺设以及砖块的运输、排列、放置和平齐的功能，工人只需按时往机器人装料口送入砖块即可。该铺路机器人可适用于2米到15米宽度路面的铺设，可将劳动效率提升2倍以上。

图3 荷兰tiger-stone智能铺砖机器人

为解决承轨层大型叠合梁板施工时，现场浇筑方式周期长、效率低下、材料浪费的问题，中铁科工集团等单位联合研发了“赤沙号”站房装配式施工机器 人[6]，如图4所示。这台机器人长80米，自重120吨， 有效跨度达到69米，拥有72个传感器、50个摄像头，具备良好的环境感知能力。采用双桁架主梁结构，拥有8条能够独立动作的腿，每条腿都能独立伸缩，实现横向、纵向走行，可平稳通过各种复杂地形。以往需要数十名工人的施工过程，现仅需1名司机和1名指挥 员即可。

图4 “赤沙号”站房装配式施工机器人

铁路沿线安装光电缆、水管、天然气管道或其他类型的小直径地下管道时，传统的施工方式需要开挖沟渠、铺设管道，最后对管道进行回填。这种方式人力成本高、噪音大，且会对铁路通行造成影响。马德里卡洛斯三世大学的科研人员受蠕虫分段式身体的启发，研 制了一款名为Badger的非开挖式管道施工机器人[7]， 如图5所示。通过万向节将身体连接在一起，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、探地雷达等多种传感器，可实现定位及避障功能。前部是一个钻头，尾部则包含一台 3D打印机和数据电缆，在掘进的同时，可在隧道内壁喷射一层树脂，将打通的隧道直接转变为管道。由于不必开挖沟渠，因此大幅降低了工程成本，避免了噪声污染。

图5 Badger非开挖式管道施工机器人

传统的测绘方式是遥感测绘或航空摄影测绘，但这两种方式只能针对室外大范围场景，且成本高、精度低、需要人为操作、制图速度慢。韩国的NAVER实验室研发了一款名为M1的测绘机器人[8]，如图6所示。该机器人集测绘和制图功能于一体，拥有两个16通道激光雷达，360°水平视野，通过融合激光、视觉、惯导、GNSS等多传感数据，弥补了地下GPS信号弱的不足，增强了机器人在不同环境下的避障能力。采用了基于3D-SLAM技术的移动测量和快速点云拼接算法，实现了大场景下的自主闭环检测和全局优化，可深入隧道、 室内等特殊区域进行大比例尺测绘，还可对隧道超欠挖等质量问题进行排查。

图6 韩国M1隧道及室内测绘机器人

2.2　铁路构件及设备制造机器人

为减少材料浪费、提升高铁构件预制效率，武汉龙旗公司研发了高铁小型混凝土构件预制机器人[9]，如 图7所示。该机器人包含斜拉上料、平轨出料、振动成型、叉车等系统。其中，斜拉上料系统负责从罐车中接收混凝土，并传送给平轨出料系统；平轨出料系统内含有自动称重和双螺旋下料装置，可对混凝土称重并根据预制构件的特点，控制混凝土下料总量；振动成型系统内含高频率振动器，可对混凝土进行快速振动成型；成型后的混凝土预制构件将传递给叉车系统进行转晒。 该机器人可预制高铁用六角护坡、U型排水沟、边沟盖 板、路侧石、手孔盖板等混凝土构件。

图7 高铁小型混凝土构件预制机器人

桥梁构件大多使用了焊接工序，焊接质量对铁路安全非常重要。针对长、深、窄、结构复杂的大梁构件，上海振华重工研制了桥梁大梁焊接预制机器人工作站[10]，如图8所示。

图8 振华重工桥梁大梁焊接预制机器人

该机器人由监控系统、参数化编程系统、机器人焊接系统等组成。监控系统可以实时监控设备状态，如焊丝使用情况、气体的压力状态，实现生产定量统计。 参数化编程系统依据大梁结构件开发，可调整大梁隔板尺寸和间距、焊缝焊接顺序，来适应大梁多种尺寸的焊 接，获得最小焊接变形。采用了激光和焊丝复合技术，可适应工件位置摆放误差，对焊接点准确定位，结合固化的机器人焊接程序，可节省示教编程时间。该机器人可全自动化焊接，焊缝合格率达到98%以上，优于人工焊接，节约人工约60%，效率提升约30%。

列车转向架构架是列车走行部的主要承载部件，也是连接各部分的骨架。传统手工电弧焊对工人操作要求较高，为提高产品的焊接质量，德国CLOOS公司研发了用于列车转向架构架焊接的QIROX机器人[11]，如图 9所示。该机器人由两个焊接机械手组成，被固定在一个垂直升降装置上。两个机械手均配备有双焊枪，通过相互协作完成焊接，使用TANDEM工艺焊接2~3mm 薄板时，焊接速度可达6m/min，焊接质量远高于手工电弧焊。

图9 德国CLOOS转向架构架焊接机器人

打磨是动车生产中的重要工序，人工打磨会产生大量粉尘，且打磨质量难以保证，因此，大连誉洋公司研制了动车车身打磨、喷漆机器人[12]，如图10所示。该机器人在3D视觉引导下，通过控制机械臂可对动车的车体焊缝、车窗窗口、车轴、车轮以及其他各种零部件进行打磨、喷漆，并回收打磨中的粉尘[11]。

图10动车车身打磨、喷漆机器人

2.3　铁路运维机器人

铁路运维大多由工务段、机务段、电务段、通信段等单位采用人工检修方式进行。但人工检修方式存在如下弊端：（1）某些铁路设施不便拆卸或更换流程较为复杂，人工检修速度慢且存在一定的危险性；（2）某些检修位置肉眼无法直接观测；（3）人工检修存在时间间隔，具有安全隐患；（4）受限于巡检人员的技术水平，巡检过程很难做到标准化，往往存在漏看、错看 的可能；（5）手写巡检数据，无法实现运维大数据的学习和共享。

针对人工撬棍换轨搬运不便、速度慢的问题，中车集团研制了纵向换轨机器人[13]，如图11所示。该机器人由1辆吊车和10辆运输车组成，其中吊车包括机械臂和操作室，每台运输车上方布置行走轨道和过桥轨道，以供吊车行走和更换铁轨。通过控制吊车机械臂，一次最多可更换长度100m的轨条12根，原本需要20小时完成的换轨工作，现在只需要1小时就能完成，工作效率大幅提升。

图11 中车集团纵向换轨机器人

随着动车组越来越多，动车检测的工作量越来越大，为提高检测效率，神州高铁公司研制了一种动车组车底检测双臂机器人[14]，如图12所示。该机器人包括高精度定位模块、快速扫描模块、防碰撞模块、移动底盘及电池组。结合机器视觉算法，机器人无需指定停车位，即可锁定车型、车号及车轴位置，适应停车偏差， 而且运动规划程序能够避免碰撞。提供了故障诊断程序，能对转向架断裂、制动器异常、螺栓松动、部件轻微窜出等99%的故障类型进行识别，还可对新标记的故障数据进行学习，不断修正检测模型。该机器人将检修时间从120分钟缩短至40分钟，检修效率提升3倍。

图12 动车组车底检测双臂机器人

针对机房人工巡检成本高、标准化程度低、无法综合利用运维大数据的问题[15]，北京超维科技有限公司研发了ITACS机房智能巡检机器人，如图13所示。该机器人边缘计算平台，配备激光雷达、深度摄像机和多种传感器，能够自主避障，并利用设备数据集和FasterRCNN算法，对5000余种设备的指示灯、仪表盘、液晶面板、开关等部位进行检测[14]。适用于数据机房、电力机房、网络机房、灾备机房等多种机房设备的巡检任务，并可进行资产数量和位置的盘点，使机房巡检的人工成本降低80%。

图13 超维科技ITACS机房智能巡检机器人

3　未来研究方向

国内铁路建设行业虽然已开发了一些施工、运维机器人系统，但目前大多数作业仍然以手工为主。针对铁路建设的实际需求，未来的主要研究方向有：

（1）高铁桥梁施工机器人

在山区大跨度桥梁施工时，打桩可能需要穿过多种地层，施工中稍有不慎，就很容易出现钻孔漏浆或桩基坍塌现象。因此需要研究自动打桩及施工安全状态监测机器人，重点研究内容包括力/位混合控制、地下施工安全状态采集等技术。

需要研究桥梁钢结构安装机器人，重点解决桥梁钢结构机器人结构设计、精确装配控制等问题。

（2）高铁隧道施工机器人

高铁隧道的混凝土结构件如衬砌、洞门等，往往超大超重，现场施工费时费力。因此需要研制高铁隧道混凝土大型构件预制机器人，重点需要解决精细化浇筑和大跨度、多自由度作业问题。

城市地铁施工时，经常开挖长度大于10km的长大隧道，人工打孔的位置精度误差较大，且经常出现返工现象，需要研制隧道钻孔机器人。

（3）高铁站房施工机器人

为提高抹灰和喷涂的工作效率，需要研制具有实时测距、扫描工作区域、计算涂装、抹灰轨迹等功能的移动式抹灰机器人，研究内容包括室内定位与导航算法、末端角度和力精确控制算法。

为解决室内大型幕墙及板材的安装，需要研制大型板材安装机器人，研究内容包括双臂协作控制方法、路径规划、基于视觉的运动控制等。

4　本研究团队的相关工作

本研究团队近年在国家重点研发计划、国家自然科学基金的联合基金等项目支持下，对建筑机器人力/位置混合控制、轨迹规划、双臂协作控制等方面开展了研究，并取得了多项创新性成果。

（1）板材安装双臂机器人

用于对建筑幕墙、建筑立面及玻璃门窗等构件的高效安装，核心技术是解决双臂机器人的协作作业。可安装板材尺寸>1.5m×2.5m，工件重量>350kg，安装高度>3.5m。本团队负责双臂机器人协作控制及轨迹规划技术研究，该机器人系统可用于铁路站房等工程建设。

（2）大型构件预制机器人

针对PC构件工厂中的拆/布模、混凝土浇筑、表面整形等作业任务，研究利用机器人技术实现自动拆模和布模、精细浇筑、混凝土抹平和刮毛等功能，并解决中国特有的“出筋”问题。研究团队已研制出拆布模机器 人、表面处理机器人实验样机，该成果未来可用于铁路大型构件预制的用途。

5　结语

本文介绍了近年来国内外在铁路建设领域的测绘、轨道施工、站房建设、铁路设备制造、智能检修等方面机器人研究及应用现状。并结合我国铁路施工的难点， 对未来机器人研究热点方向进行了论述。

国内铁路机器人技术处于初级发展阶段，许多机器人产品仅是对传统施工机械的智能化改进。因此要实现智能建造，需要对机器人场景识别、路径规划和任务 调度算法以及多机器人协作建造技术开展研究，还需要研究BIM集成技术；同时，逐步形成机器人在铁路行业应用的标准体系，提高铁路建设的智能化程度。

作者简介：

燕 天（1989-），男，陕西西安人，工程师，博士研究生，现就职于中铁第一勘察设计院集团有限公司，同时就读于西安交通大学电子与信息学部，研究方向为大数据与智能检测。

曹建福（1963-），男，陕西宝鸡人，教授，现任西安交通大学自动控制研究所所长、中国自动化学会建筑机器人专业委员会主任委员，研究方向为智能机器人、智 能制造与智慧工厂。

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摘自《自动化博览》2021年8月刊