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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。
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CONTROL ENGINEERING China版权所有，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www.cechina.cn，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。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%。
图8 振华重工桥梁大梁焊接预制机器人
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www.cechina.cn，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www.cechina.cn，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。
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