劉康寧 呂崇偉 丁春嶸 許衍根

（國能鐵路裝備有限責(zé)任公司滄州機車車輛維修分公司，河北滄州，061113）

0 引言

鐵路是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是社會經(jīng)濟健康發(fā)展的重要保障。鐵路行業(yè)承擔(dān)著運輸煤炭等各行業(yè)生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)物資的任務(wù)，每個環(huán)節(jié)都需要投入大量的人工進行操作、調(diào)度與維護，尤其是機車車輛維修車間還承擔(dān)著參觀、學(xué)習(xí)、交流等繁重的任務(wù)[1]。故將智能機器人引入到鐵路裝備系統(tǒng)中，代替人工執(zhí)行接待、講解、答疑的工作，可極大地降低講解錯誤率，提升講解效率，提升鐵路信息自動化程度，同時還可以解決傳統(tǒng)文字講解方式信息量大、難以充分宣傳鐵路各方面發(fā)展成果的難題。

智能化和無人化將是機車車輛維修車間未來重要的發(fā)展方向。本文闡述了交互式智能導(dǎo)引機器人（以下簡稱導(dǎo)引機器人）的優(yōu)點和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了導(dǎo)引機器人的關(guān)鍵技術(shù)，并探討機器人未來的研究挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢。

1 導(dǎo)引機器人的優(yōu)勢

本文設(shè)計的導(dǎo)引機器人主要應(yīng)用于鐵路裝備機車車輛維修車間，旨在代替或輔助講解員執(zhí)行接待、講解、答疑等任務(wù)。

機車車輛維修車間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，場景多變，講解員工作強度大、效率低，講解內(nèi)容主觀性強，導(dǎo)引機器人不僅可以克服和彌補人工作業(yè)中存在的缺陷和不足，還可以發(fā)揮機器人講解的靈活性和智能性，進而確保參觀、學(xué)習(xí)、交流工作穩(wěn)定、安全地進行，提高車間生產(chǎn)運維效率和水平。導(dǎo)引機器人的具體優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）受外界環(huán)境影響較小。

導(dǎo)引機器人可以24h無休地進行接待、講解工作，通過搭載的激光雷達傳感器構(gòu)建所需講解區(qū)域的二維地圖，激光實時掃描特征點在地圖中進行匹配，完成定位導(dǎo)航功能，不受外界環(huán)境干擾，重復(fù)定位精度≤5cm[2]。機車車輛維修車間安裝有鐵軌等設(shè)備，這增加了導(dǎo)引機器人跨越的難度。導(dǎo)引機器人采用多傳感器融合方式，使用激光雷達傳感器、深度攝像頭、超聲波傳感器等互相彌補探測盲區(qū)，以實現(xiàn)運動中遇到障礙物停止的功能。導(dǎo)引機器人整機外觀如圖1所示。

圖1 導(dǎo)引機器人整機外觀

2）標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行和智能溝通。

導(dǎo)引機器人安裝有麥克風(fēng)陣列，可以實現(xiàn)日常簡單的人機語音交互；導(dǎo)引機器人的屏幕上還可以播放講解的視頻；導(dǎo)引機器人的路徑規(guī)劃無需對實際環(huán)境做任何改變，而是在構(gòu)建的地圖上直接進行?？奎c設(shè)置，以及虛擬巡線路徑的規(guī)劃，導(dǎo)引機器人在實際場景中沿著規(guī)劃的虛擬路徑依次到達相應(yīng)的講解?？奎c[3]即可。導(dǎo)引機器人架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 導(dǎo)引機器人整體架構(gòu)設(shè)計

3）講解準(zhǔn)確性高。

導(dǎo)引機器人在執(zhí)行講解任務(wù)時，可極大地提升講解效率，降低講解錯誤率，提升機車車輛維修車間信息自動化程度，解決傳統(tǒng)文字講解方式信息量大、難以充分宣傳鐵路各方面發(fā)展成果等問題。傳統(tǒng)人工講解和導(dǎo)引機器人講解效果對比情況如表1所示。

表1 傳統(tǒng)人工講解和導(dǎo)引機器人講解效果對比

4）減少人工工作量。

通過運用大數(shù)據(jù)及人工智能（AI）模型的搭建，整個系統(tǒng)可以提升機器人講解內(nèi)容的精準(zhǔn)性。機器人后臺服務(wù)器具備建模的拓展功能，并能對構(gòu)建的模型進行訓(xùn)練修正，以減少人工手動糾錯的工作量，提高工作效率。

2 導(dǎo)引機器人應(yīng)用分析

目前，各類機器人系統(tǒng)已經(jīng)在多個行業(yè)中得到應(yīng)用，其性能已經(jīng)趨于穩(wěn)定，對工作量大、重復(fù)性強的作業(yè)尤為適用。機器人系統(tǒng)不受工作時間及勞動強度等的限制，工作效率得到很大提高，另外，其綜合圖像識別、信息采集及管理技術(shù)，在各類應(yīng)用上的效果也十分顯著。

導(dǎo)引機器人主要的應(yīng)用場景是鐵路裝備機車車輛維修車間。機車車輛維修車間承擔(dān)參觀、學(xué)習(xí)、交流等繁重的任務(wù)，存在講解時間周期長、任務(wù)量大、重復(fù)性強、人為因素影響大、信息化程度不高等缺點，引入導(dǎo)引機器人，可以將自動化和信息化深度融合，實現(xiàn)講解作業(yè)的自動化和智能化。

導(dǎo)引機器人采用兩輪驅(qū)動底盤和多傳感器融合技術(shù)，結(jié)合人工智能技術(shù)，完成講解任務(wù)。在機車車輛維修車間的作業(yè)中，導(dǎo)引機器人可以降低人工講解的壓力和工作強度，減少人為因素對講解過程的干擾，提升作業(yè)效率，提高講解質(zhì)量和信息化水平?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的機器人得到長久的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，這些應(yīng)用為用戶帶來了顯著的效益。

3 導(dǎo)引機器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 定位導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)引機器人配備有激光導(dǎo)航傳感器，利用軟件工具進行環(huán)境地圖的繪制，保存環(huán)境地圖后，導(dǎo)引機器人根據(jù)控制端指令自動設(shè)置路線，實現(xiàn)單點或多點控制移動，以及巡線模式移動；導(dǎo)引機器人可以實時地向控制端反饋機器人當(dāng)前位置、方向和前進路線[4]。

SLAM定位導(dǎo)航系統(tǒng)是機器人從未知環(huán)境的未知地點出發(fā)，在運動過程中通過重復(fù)觀測到的環(huán)境特征定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置構(gòu)建周圍環(huán)境的增量式地圖，從而達到同時定位和地圖構(gòu)建的目的。其核心過程主要包括3個步驟：第一步是預(yù)處理，利用算法代碼對激光雷達的原始數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，對有問題的數(shù)據(jù)進行剔除或者進行濾波處理；第二步是匹配，把當(dāng)前局部環(huán)境的點云數(shù)據(jù)在已經(jīng)建立的地圖上尋找對應(yīng)的位置，該步驟對于SLAM導(dǎo)航系統(tǒng)非常關(guān)鍵；第三步是地圖融合，將來自激光雷達的新數(shù)據(jù)拼接到原始地圖中，最終完成地圖的更新，這一過程在SLAM定位導(dǎo)航系統(tǒng)中一直持續(xù)進行。

激光雷達地圖數(shù)據(jù)融合過程如圖3所示。

圖3 激光雷達地圖數(shù)據(jù)融合過程

3.2 運動控制技術(shù)

導(dǎo)引機器人的運動本體采用雙輪差動的車體結(jié)構(gòu)，在車體底部前方左右兩側(cè)安裝差速輪作為驅(qū)動輪，車體后方的兩個車輪均為萬向輪。差速輪不需要配置轉(zhuǎn)向電機，它本身不能旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向時的半徑、速度、角速度都是靠內(nèi)外驅(qū)動輪之間的速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種運動模型的優(yōu)點在于靈活性高，可以實現(xiàn)原地打轉(zhuǎn)等動作。導(dǎo)引機器人底盤運動控制設(shè)計如圖4所示。

圖4 導(dǎo)引機器人底盤運動控制設(shè)計圖

3.3 自動避障技術(shù)

通過增設(shè)電子地圖虛擬墻和硬件傳感器，可以有效地防止導(dǎo)引機器人在機車車輛維修車間工作時，碰撞到行人或現(xiàn)場設(shè)備等。在設(shè)有虛擬墻的位置，導(dǎo)引機器人通過激光雷達傳感器實時掃描行走區(qū)域的地圖與原始地圖進行匹配，將下一秒要進入的地圖坐標(biāo)與禁行區(qū)的坐標(biāo)做計算，確保機器人不會主動進入禁行區(qū)域[5]。同時，導(dǎo)引機器人本體上安裝了多種類型的傳感器，以達到對行人、設(shè)備等的防碰撞保護的目的。導(dǎo)引機器人電子地圖避障如圖5所示。

圖5 電子地圖避障示意圖

3.4 智能語音對話技術(shù)

導(dǎo)引機器人采用多麥克風(fēng)陣列技術(shù)，可以在人機對話時，有效地實現(xiàn)噪聲抑制和回聲消除功能；拾音距離達到5m，同時具備360。聲源定位和人聲分離的功能，可以準(zhǔn)確地識別講話人的語音內(nèi)容[6]。此外，導(dǎo)引機器人實現(xiàn)了高性能、低功耗、低延遲的語音技術(shù)的本地化（導(dǎo)引機器人本體上實現(xiàn)），采用經(jīng)過1萬小時機器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練語音數(shù)據(jù)進行語音識別。

4 發(fā)展與趨勢

目前，導(dǎo)引機器人在鐵路裝備行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，機車車輛維修車間實現(xiàn)無人化、智能化管理也將成為必然趨勢。未來導(dǎo)引機器人的發(fā)展將表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）多傳感器融合，數(shù)據(jù)分析多維化。

未來導(dǎo)引機器人將逐步集成多個傳感器，運用多源融合技術(shù)采集多種類型的數(shù)據(jù)進行地圖的特征提取和分析，從而進行更精準(zhǔn)地位置定位。

2）拓展作業(yè)需求，執(zhí)行操作靈巧化。

目前導(dǎo)引機器人還不具備巡檢設(shè)備的能力，隨著自動化和智能化的發(fā)展，未來導(dǎo)引機器人可以在進行講解任務(wù)的同時，實現(xiàn)末端執(zhí)行器的靈巧操作，如對計量儀表（壓力表、氣壓表、溫度計、壓力計等）進行讀取，閥門開關(guān)狀態(tài)的判斷等，更大程度地減輕作業(yè)人員的工作壓力。

3）組合作業(yè)模式，任務(wù)處理集成化。

在未來應(yīng)用中，現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性促使導(dǎo)引機器人將具備多任務(wù)處理能力，以及實現(xiàn)多種作業(yè)方式集成化，如將機器人巡檢功能與講解功能相結(jié)合，提高作業(yè)能力和效率，實現(xiàn)機器人各系統(tǒng)的信息共享。