CN117262626B - 一种智能轨枕运输系统及运输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能轨枕运输系统及运输方法，智能轨枕运输系统包括轨枕运输车及安装在其上的轨枕搬运机器人模块、轨枕存储模块、路径模块、智能定位模块、综合管理模块。在综合管理模块的综合管控下，路径模块生成行走路径命令，轨枕搬运机器人模块从轨枕仓库抓取轨枕并放置轨枕存储模块中，轨枕运输车到达铺轨基地轨排拼装区指定位置后，轨枕搬运机器人模块从轨枕存储模块中取出轨枕并放置在安装位置；轨枕存储模块采用智能控制机构实现智能、高效存储轨枕。本发明能自动进行轨枕的取货、运输及摆放，能单次运输一根轨排所有轨枕，将轨枕高精度放置在组装位置，作业效率和精度高，智能化、自动化水平高，降低了人力投入和成本。

Description

一种智能轨枕运输系统及运输方法

技术领域

本发明属于轨枕运输设计技术领域，尤其涉及一种智能轨枕运输系统及运输方法。

背景技术

在城市轨道交通站后工程建设领域，由于隧道空间狭小，地铁轨排都是在地上铺轨基地进行拼装，工人将轨枕、钢轨和不同扣件拼装成25m长的轨排，然后运到隧道内进行铺设。轨枕放置在物料仓库，当开始轨排拼装施工，现场需要将轨枕从物料仓库运到铺轨基地，并按照一定的间距摆放好轨枕。现有技术1(CN202222094699.5)公开了一种Ⅲa型号轨枕运输装置，主要由支撑座、滑轨以及运输板组合而成，根据需要任意拼接，能够对轨枕进行短距离运输，但是该装置采用人工作为动力源，效率低，劳动强度大。现有技术2(CN202122962547.8)公开了一种轨枕铺设装置，包括随车起重机、轨枕组合抓具，能够进行轨枕铺设，但是该装置需要与轨枕运输车配合使用，智能化程度低。为了解决上述问题，本发明设计了一种智能轨枕运输系统及运输方法。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种智能轨枕运输系统及运输方法，解决了传统的铺轨基地轨枕摆放效率低下、智能化程度不高等问题。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种智能轨枕运输系统，包括轨枕运输车以及安装在轨枕运输车上的轨枕搬运机器人模块、轨枕存储模块、路径模块、智能定位模块、综合管理模块、外壳模块；轨枕运输车、轨枕搬运机器人模块、轨枕存储模块、路径模块、智能定位模块均与综合管理模块信号连接，受其控制、传递各项数据信息；轨枕搬运机器人模块包括可移动底座，可移动底座的底座A安装在轨枕运输车车体上，底座A上对称安装有滑台机构A，两个滑台机构A的滑块A之间安装有机械臂托盘，机械臂托盘上安装有六自由度机械臂，六自由度机械臂末端安装有轨枕夹爪。

进一步地，所述轨枕夹爪包括安装在六自由度机械臂末端的夹爪体，夹爪体上安装有工业相机，夹爪体上还通过销轴铰接有两个电推缸，两个电推缸的伸缩端均通过销轴与对应的夹爪杆铰接，夹爪杆中部均通过销轴与对应的夹爪体铰接，夹爪杆另一端均通过销轴与对应的夹爪头铰接。

进一步地，所述轨枕存储模块位于六自由度机械臂下方，包括轨枕存储库、轨枕垫板存储库、轨枕垫板机器人，轨枕存储库与轨枕垫板存储库结构及安装方式均相同；轨枕垫板存储库包括四根安装在车体上的竖向架体，同侧相对的两根竖向架体的侧边均沿高度方向设置有多排用于放置轨枕垫板的凹槽结构；轨枕垫板事先存储在轨枕垫板存储库中，轨枕垫板为长条状且带有多个凹槽，轨枕垫板上的凹槽尺寸与轨枕相匹配，用于卡接放置轨枕；轨枕存储库的凹槽、轨枕垫板存储库的凹槽与轨枕垫板的对应关系存储在综合管理模块的数据库中。

进一步地，两个所述轨枕垫板机器人分别对称布置在轨枕垫板存储库外侧，轨枕垫板机器人包括安装在车体上的底座B，底座B顶部安装有滑台机构B，滑台机构B的滑块B上安装有滑台机构C，滑台机构C的滑块C上安装有吸爪体，吸爪体下表面安装有用于吸取轨枕垫板的电磁铁。

进一步地，所述路径模块包括安装在服务器中的BIM子模块和路径输入子模块，BIM子模块用于接收BIM模型，提取模型信息，操作人员根据BIM模型信息，通过综合管理模块的人机交互子模块在路径输入子模块中输入路径信息，生成轨枕运输车从起始点至目的地的执行命令。

进一步地，所述智能定位模块包括定位算法子模块、高清摄像机、六轴倾角传感器、标记块，定位算法子模块安装在服务器中，高清摄像机、六轴倾角传感器安装在车体上，标记块摆放在施工现场，标记块的位置通过BIM子模块标记在BIM模型中；高清摄像机用于识别标记块，并将识别信息发送至服务器中的定位算法子模块进行分析处理，六轴倾角传感器用于测量轨枕运输车沿空间三维的转动角度，并将测量数据发送至定位算法子模块，定位算法子模块按照定位算法生成轨枕运输系统位置信息并发送至综合管理模块。

进一步地，所述轨枕运输车的车体安装在车轮组件上，车轮组件上还安装有用于测量车轮转速的测速电机，车体上还安装有用于为智能轨枕运输系统提供动力的电池组件。

进一步地，所述综合管理模块是轨枕运输系统的中央控制系统，安装在一台服务器上，包括模块协调处理子模块、人机交互子模块、数据库子模块；模块协调处理子模块实现对各模块的协调调用，收集处理各个模块的数据；人机交互子模块的功能包括输入任务命令、显示各个模块信息、显示工作日志、报警；数据库子模块的功能包括采集、存储运行数据、调用数据库信息、智能分析、记录、保存数据。

一种利用上述智能轨枕运输系统的智能轨枕运输方法，包括如下过程：

步骤1：现场操作人员将施工现场相关BIM模型输入到BIM子模块，轨枕运输系统位于标定好的初始位置，该初始位置为施工现场坐标下原点和BIM模型原点；操作人员根据可视化的BIM模型，在路径输入子模块中输入路径信息，路径模块生成运动命令，发送到综合管理模块，综合管理模块控制轨枕运输车运动到轨枕仓库；

步骤2：轨枕运输车到达轨枕仓库后，轨枕运输系统开始抓取轨枕至轨枕存储库前方，具体过程如下：

步骤2.1：综合管理模块从数据库中调出轨枕垫板存储库中第一层轨枕垫板位姿数据，控制滑台机构B和滑台机构C运动，将吸爪的电磁铁下端面接触该轨枕垫板，综合管理模块控制电磁铁通电，吸爪吸住轨枕垫板；综合管理模块调取数据库中轨枕存储库中第一层凹槽的位置坐标，通过吸爪将轨枕垫板吸住并放置到对应凹槽内，然后控制电磁铁断电，松开轨枕垫板，轨枕存储库中第一层轨枕垫板安装完成；

步骤2.2：工业相机扫描轨枕仓库的轨枕及其周围环境，生成三维点云数据并传递至综合管理模块，综合管理模块分析处理后与数据库中轨枕的模型对比，提取出轨枕空间位姿数据，将与轨枕运输车距离最小且其上部无物体的轨枕作为目标轨枕；根据目标轨枕的空间位姿，计算出六自由度机械臂各关节的目标位姿信息和可移动底座的滑台机构A目标位姿信息并进行运动控制；

步骤2.3：六自由度机械臂和可移动底座运动到目标位置后，综合管理平台控制轨枕夹爪的电推缸伸出，夹爪头与轨枕侧面贴合，当电推缸反馈的力超过设定的阈值时完成夹紧轨枕操作；

步骤2.4：综合管理模块将第一个轨枕存储位置设定为目标位置，计算出六自由度机械臂各关节的目标位姿信息和可移动底座的滑台机构A的运动信息并进行运动控制，将轨枕放置到轨枕存储库第一层轨枕垫板上的凹槽中；

步骤2.5：放置到位后，综合管理平台控制轨枕夹爪的电推缸缩回，当电推缸反馈的力小于设定的阈值时轨枕夹爪完成放开轨枕操作；

步骤2.6：六自由度机械臂、可移动底座和轨枕夹爪回到初始位置，完成第一层第一个轨枕存储工作；

步骤2.7：重复步骤2.2～步骤2.6多次，直至完成第一层轨枕的存储工作；

步骤2.8：重复步骤2.1～步骤2.6，完成第二层第一个轨枕的存储工作；

步骤2.9：重复步骤2.2～步骤2.6多次，直至完成第二层轨枕的存储工作；

步骤2.10：重复步骤2.8～步骤2.9，依次完成其余层轨枕的存储工作；

步骤2.11：综合管理模块控制轨枕搬运机器人模块和轨枕存储模块回到设定的运输位置；

步骤3：综合管理模块按照路径模块生成的运动命令，控制轨枕运输车运动到轨排拼装区；

步骤4：综合管理模块控制轨枕运输系统将轨枕摆放在拼装位置，具体过程如下：

步骤4.1：工业相机扫描放置在轨排拼装区的标记块及其周围环境，生成三维点云数据并传递至综合管理模块，综合管理模块分析处理后与数据库中标记块的模型对比，提取出标记块空间位姿数据；

步骤4.2：综合管理模块调取数据库中标记块与轨排拼装区轨枕之间的关系，计算出所有轨枕的摆放空间位姿；

步骤4.3：综合管理模块调取数据库中轨枕存储库顶层轨枕的空间位姿，选取顶层中的一个轨枕作为目标轨枕，根据目标轨枕的空间位姿，计算出六自由度机械臂各关节和滑台机构A的目标位姿信息并进行运动控制，运动到位后进一步控制轨枕夹爪的电推缸伸出，夹紧目标轨枕；

步骤4.4：综合管理模块将轨排拼装区的第一个轨枕的摆放空间位姿作为目标位姿，计算出六自由度机械臂各关节的目标位姿信息、滑台机构A的运动信息和轨枕运输车的运动信息，进行运动控制；

步骤4.5：六自由度机械臂、可移动底座和轨枕运输车带动目标轨枕到达目标位姿后，控制轨枕夹爪松开，放下轨枕；

步骤4.6：六自由度机械臂、可移动底座和轨枕夹爪回到初始位置，单个轨枕的摆放工作完成；

步骤4.7：重复步骤4.3～步骤4.6多次，直至轨枕存储库顶层所有轨枕摆放完成；

步骤4.8：综合管理模块调取数据库中轨枕存储库中顶层的两块轨枕垫板的位姿数据作为目标位姿，控制滑台机构B和滑台机构C运动，利用吸爪吸住轨枕垫板；

步骤4.9：综合管理模块调取数据库中轨枕垫板存储库第一层凹槽的位置坐标作为目标位置，控制滑台机构B和滑台机构C运动，将两块轨枕垫板分别放置到左右轨枕垫板存储库对应凹槽内，然后控制吸爪松开轨枕垫板；

步骤4.10：重复步骤4.3～步骤4.6多次，直至轨枕存储库中下一层所有轨枕摆放完成；

步骤4.11：重复步骤4.8～步骤4.9，将轨枕存储库中下一层的两块轨枕垫板重新放置回轨枕垫板存储库中；

步骤4.12：重复步骤4.10～步骤4.11多次，将轨枕存储库中所有轨枕摆放完成，同时将轨枕存储库中所有轨枕垫板重新放置回轨枕垫板存储库中；

步骤4.13：综合管理模块控制轨枕搬运机器人模块和轨枕存储模块回到设定的初始位置；

步骤5：轨枕运输系统完成将单个轨排拼装所需的所有轨枕摆放到轨排拼装区指定位置，现场人员将轨排拼装完成并运走后，轨枕运输系统重复以上步骤2～步骤4的流程，将新的轨枕从物料库运输到轨排拼装区并摆放到轨排拼装区指定位置。

进一步地，所述轨枕运输车行走过程中，智能定位模块实时定位轨枕运输系统在施工现场的位置坐标和在BIM模型中的位置坐标，发送到综合管理模块，综合管理模块根据位置坐标，更新运动命令。

本发明具有如下有益效果：

本发明针对传统的铺轨基地轨枕运输效率低、智能化程度不高等问题，设计了智能化轨枕运输系统及运输方法，自动化程度更高，能够自动进行轨枕的取货、运输以及摆放工作，能够单次运输一根轨排的所有轨枕，并将轨枕高精度放置在组装位置，作业效率和精度高，提升了城市轨道交通站后工程施工的智能化、自动化水平，提高了施工精度、效率和安全性，降低了人力投入和成本。

附图说明

图1为本发明所述智能轨枕运输系统外部整体示意图；

图2为本发明所述智能轨枕运输系统内部整体示意图；

图3为本发明所述智能轨枕运输系统去除外壳模块后的主视图；

图4为本发明所述智能轨枕运输系统去除外壳模块后的左视图；

图5为本发明所述轨枕搬运机器人模块三维示意图；

图6为本发明所述轨枕搬运机器人模块主视图；

图7为本发明所述轨枕搬运机器人模块左视图；

图8为本发明所述轨枕存储模块三维示意图；

图9为本发明所述轨枕存储模块主视图；

图10为本发明所述轨枕存储模块左视图；

图11为本发明所述轨枕夹爪结构示意图。

图中：1-轨枕运输车；11-车轮组件；12-车体；13-测速电机；14-电池组件；2-轨枕搬运机器人模块；21-六自由度机械臂；22-可移动底座；221-底座A；222-滑台机构A；223-机械臂托盘；224-滑块A；23-轨枕夹爪；231-夹爪体；232-夹爪杆；233-电推缸；234-夹爪头；235-销轴A；236-销轴B；237-销轴C；238-销轴D；24-工业相机；3-轨枕存储模块；31-轨枕存储库；32-轨枕垫板存储库；33-轨枕垫板；34-轨枕垫板机器人；341-底座B；342-滑台机构B；3422-滑块B；343-滑台机构C；3432-滑块C；344-吸爪；3441-吸爪体；3442-电磁铁；4-服务器；5-智能定位模块；51-高清摄像机；52-六轴倾角传感器；53-标记块；6-外壳模块；7-轨枕。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述智能轨枕运输系统，包括轨枕运输车1以及安装在轨枕运输车1上的轨枕搬运机器人模块2、轨枕存储模块3、路径模块、智能定位模块5、综合管理模块、外壳模块6；轨枕运输车、轨枕搬运机器人模块、轨枕存储模块、路径模块、智能定位模块均与综合管理模块信号连接，受其控制或传递各项数据信息。

如图3、4所示，轨枕运输车1包括车轮组件11、车体12、测速电机13、电池组件14。车体12通过螺栓连接到车轮组件11上，测速电机13安装在车轮组件11上，与车轮同轴，用于测得车轮的转速，电池组件14通过螺栓连接在车体12上，为智能轨枕运输系统提供动力。

如图5、6、7、11所示，轨枕搬运机器人模块2包括六自由度机械臂21、可移动底座22、轨枕夹爪23、工业相机24。可移动底座22包括底座A221、滑台机构A222、机械臂托盘223、滑块A224；底座A221通过螺栓连接安装在车体12上，滑台机构A222通过螺栓连接在底座A221上，滑台机构A222上的滑块A224可沿X向移动，机械臂托盘223通过螺栓连接在滑块A224上，六自由度机械臂21通过螺栓连接安装在机械臂托盘223上。采用六自由度机械臂21与可移动底座22相配合的方案，能够提高六自由度机械臂21在X方向上的运动范围，使得轨枕搬运机器人模块2能够将多个轨枕7沿X方向摆放完成。

如图5、6、7、11所示，轨枕夹爪23包括夹爪体231、夹爪杆232、电推缸233、夹爪头234、销轴A235、销轴B236、销轴C237、销轴D238组成。夹爪体231通过螺栓连接安装在六自由度机械臂21末端，两个电推缸233的固定端均通过销轴A235与夹爪体231铰接相连，两个电推缸233的伸缩端均通过销轴B236与对应的夹爪杆232铰接相连，夹爪杆232中部均通过销轴C237与夹爪体231铰接相连，夹爪杆232另一端均通过销轴D238与夹爪头234铰接相连。工业相机24通过螺栓连接安装在夹爪体231上。

如图2、3、8、9、10所示，轨枕存储模块3包括轨枕存储库31、轨枕垫板存储库32、轨枕垫板机器人34。轨枕存储库31与轨枕垫板存储库32结构以及安装方式均相同，分别用于存储轨枕7和轨枕垫板33；轨枕垫板存储库32通过螺栓连接安装在车体12上，包括四根竖向架体，同侧相对的两根竖向架体的侧边均沿高度方向设置有多排凹槽结构，保证轨枕垫板33端部能够放置在该凹槽结构内，实现支撑和固定轨枕垫板33的功能，本实施例中的该凹槽结构优选为5层，能够支撑5层轨枕垫板33，每层的轨枕垫板33均沿X向放置在轨枕垫板存储库32中。轨枕垫板33为长条状且带有多个凹槽的结构，轨枕垫板33上的凹槽尺寸与轨枕7相匹配，用于卡接放置轨枕7；本实施例中的单个轨枕垫板33设计有9个凹槽结构，两块轨枕垫板33相互配合能够实现每一层放置9个轨枕7。

轨枕存储库31的凹槽、轨枕垫板存储库32的凹槽与轨枕垫板33具有对应关系，该对应位置关系存储在综合管理模块的数据库中，便于后续抓取定位放置。实际应用中，轨枕垫板33事先存储在轨枕垫板存储库32中，轨枕运输系统工作后，轨枕搬运机器人模块2将轨枕抓取至轨枕存储库31前，然后轨枕垫板机器人34分别抓取左右两侧轨枕垫板存储库32中的轨枕垫板33，并放置到轨枕存储库31第一层凹槽结构位置上，然后由轨枕搬运机器人模块2带着轨枕7移动并放置在第一层左、右两块轨枕垫板33的凹槽中，实现对轨枕7的支撑放置功能；轨枕垫板机器人34在抓取轨枕垫板33时从上往下逐层抓取。

如图2、3、4、8所示，左右两个轨枕垫板机器人34分别对称设置在左右两侧轨枕垫板存储库32的外侧，包括底座B341、滑台机构B342、滑台机构C343、吸爪344。底座B341通过螺栓连接安装在车体12上，滑台机构B342通过螺栓连接安装在底座B341顶部，滑台机构B342上的滑块B3422可沿Y向做直线运动。滑台机构C343通过螺栓连接安装在滑台机构B342的滑块B3422上，滑台机构C343上的滑块C3432可沿Z向做直线运动。吸爪344包括吸爪体3441、电磁铁3442；吸爪体3441通过螺栓连接安装在滑台机构C343的滑块C3432上，电磁铁3442安装在吸爪体3441下表面，电磁铁3442通电时可以吸住轨枕垫板33，断电时放开轨枕垫板33，轨枕垫板机器人34用于将轨枕垫板33运到轨枕存储库31指定位置。

路径模块包括安装在服务器4中的BIM子模块和路径输入子模块，BIM子模块用于接收BIM模型，提取模型信息，操作人员根据BIM模型信息，通过人机交互子模块在路径输入子模块中输入路径信息，生成轨枕运输车1从起始点至目的地的执行命令。

智能定位模块5包括定位算法子模块、高清摄像机51、六轴倾角传感器52、标记块53。定位算法子模块安装在服务器4中，高清摄像机51、六轴倾角传感器52安装在车体12上，标记块53摆放在施工现场，以施工现场的复杂程度和面积来确定数量，主要放置在轨枕仓库、轨排拼装区以及运输路径上拐点等特殊位置处，标记块53的位置通过BIM子模块标记在BIM模型中。高清摄像机51用于识别标记块53，并将识别信息发送至服务器4中的定位算法子模块进行分析处理，六轴倾角传感器52用于测量轨枕运输车1沿空间三维的转动角度，并将测量数据发送至定位算法子模块；定位算法子模块按照定位算法生成轨枕运输系统位置信息并发送至综合管理模块。

综合管理模块是轨枕运输系统的中央控制系统，安装在一台服务器4上，包括模块协调处理子模块、人机交互子模块、数据库子模块；模块协调处理子模块实现对各模块的协调调用，收集处理各个模块的数据；人机交互子模块，具有输入任务命令、显示各个模块信息、显示工作日志、报警等功能；数据库子模块具有采集、存储运行数据、调用数据库信息，实现平台智能分析和详细记录、保存数据功能。

外壳模块6通过螺栓连接安装在车体12上，用于将轨枕搬运机器人模块2、轨枕存储模块3等各模块部件围护起来，还用于保证轨枕运输系统整体美观性，外壳模块6上还开设有操作窗口；六自由度机械臂21位于轨枕存储模块3上方。

利用上述智能轨枕运输系统的轨枕运输方法，包括如下过程：

步骤1：现场操作人员将施工现场相关BIM模型输入到BIM子模块，轨枕运输系统位于标定好的初始位置，此位置定义为施工现场坐标下原点和BIM模型原点；操作人员根据可视化的BIM模型，在路径输入子模块中输入路径信息，路径模块生成运动命令，发送到综合管理模块，综合管理模块控制轨枕运输车1运动到轨枕仓库；在此过程中，智能定位模块5实时定位轨枕运输系统在施工现场的位置坐标以及在BIM模型中的位置坐标，并发送到综合管理模块，综合管理模块根据位置坐标，实时更新运动命令。

步骤2：轨枕运输车1到达轨枕仓库后，轨枕运输系统开始抓取轨枕7至轨枕存储库31前方，具体过程如下：

步骤2.1：综合管理模块从数据库中调出轨枕垫板存储库32中第一层轨枕垫板33位置数据，第一层的轨枕垫板33作为目标，控制轨枕垫板机器人34的滑台机构B342和滑台机构C343运动，将吸爪344的电磁铁3442下端面接触该轨枕垫板33，综合管理模块控制电磁铁3442通电，使得吸爪344吸住轨枕垫板33；

综合管理模块调取数据库中轨枕存储库31中第一层凹槽的位置坐标，将该位置作为目标位置，控制轨枕垫板机器人34的滑台机构B342和滑台机构C343运动，通过吸爪344将轨枕垫板33吸住并放置到对应凹槽内，然后综合管理模块控制电磁铁3442断电，吸爪344松开轨枕垫板33；至此，轨枕存储库31中第一层轨枕垫板33安装完成；

步骤2.2：工业相机24扫描轨枕仓库的轨枕7及其周围环境，生成轨枕7及其周围环境的三维点云数据；

步骤2.3：综合管理模块分析三维点云数据，采用三维配准的方法，与数据库中轨枕的模型进行对比，提取出轨枕空间位姿的数据，将与轨枕运输车1距离最小且其上部无物体的轨枕作为目标轨枕；

步骤2.4：根据目标轨枕的空间位置和姿态，综合管理模块计算出六自由度机械臂21各关节的目标位姿信息和可移动底座22的滑台机构A222目标位姿信息，进而进行位置闭环运动；

步骤2.5：六自由度机械臂21和可移动底座22运动到目标位置后，综合管理平台控制轨枕夹爪23的电推缸233伸出，使得夹爪头234与轨枕7侧面紧紧贴合，当电推缸233反馈的力超过设定的阈值，表示轨枕夹爪23完成夹紧轨枕7操作；

步骤2.6：综合管理模块按照设定的轨枕7存储规则，将第一个轨枕存储位置设定为目标位置，综合管理模块计算出六自由度机械臂21各关节的目标位姿信息和可移动底座22的滑台机构A222的运动信息，进而进行位置闭环运动，将夹紧的轨枕7放置到轨枕存储库31中的第一层轨枕垫板33上的凹槽中；

步骤2.7：六自由度机械臂21和可移动底座22将轨枕7放置到位后，综合管理平台控制轨枕夹爪23的电推缸233缩回，使得夹爪头234与轨枕7侧面分离，当电推缸233反馈的力小于设定的阈值，表示轨枕夹爪23完成放开轨枕7操作；

步骤2.8：六自由度机械臂21、可移动底座22和轨枕夹爪23回到初始位置，完成第一层第一个轨枕7存储工作；

步骤2.9：重复步骤2.2～步骤2.8共8次，完成第一层轨枕7的存储工作，在此过程中，各轨枕7存储后的位姿数据存储在数据库中。

步骤2.10：重复步骤2.1～步骤2.8，完成第二层第一个轨枕7存储工作；

步骤2.11：重复步骤2.2～步骤2.8共8次，完成第二层轨枕7的存储工作，在此过程中，各轨枕7存储后的位姿数据存储在数据库中；

步骤2.12：重复步骤2.10～步骤2.11，依次完成第三层、第四层、第五层轨枕7的存储工作。

步骤2.13：综合管理模块控制轨枕搬运机器人模块2和轨枕存储模块3回到设定的运输位置。

步骤3：完成轨枕存储库31的全部存储工作后，综合管理模块按照路径模块生成的运动命令，控制轨枕运输车1运动到轨排拼装区；在此过程中，智能定位模块5实时定位轨枕运输系统在施工现场的位置坐标和在BIM模型中的位置坐标，发送到综合管理模块，综合管理模块根据位置坐标，更新运动命令；

步骤4：轨枕运输车1运动到轨排拼装区后，轨枕运输系统将轨枕7摆放在拼装位置，过程如下：

步骤4.1：工业相机24扫描放置在轨排拼装区的标记块53及其周围环境，生成标记块53及其周围环境的三维点云数据；

步骤4.2：综合管理模块分析三维点云数据，采用三维配准的方法，与数据库中标记块53的模型进行对比，提取出标记块53空间位置的数据；

步骤4.3：综合管理模块调取数据库中标记块53与轨排拼装区轨枕7之间的关系，计算出所有轨枕的摆放空间位姿(即空间位置和姿态)；

步骤4.4：综合管理模块调取数据库中第五层轨枕7的空间位姿，按照设定的规则，选取其中一个轨枕7作为目标轨枕7，根据目标轨枕7的空间位置和姿态，综合管理模块计算出六自由度机械臂21各关节和滑台机构A222的目标位姿信息，进而进行位置闭环运动。

步骤4.5：六自由度机械臂21和滑台机构A222达到目标位姿后，综合管理平台控制轨枕夹爪23的电推缸233伸出，使得夹爪头234与轨枕7侧面紧紧贴合，当电推缸233反馈的力超过设定的阈值，轨枕夹爪23完成夹紧轨枕7操作。

步骤4.6：综合管理模块将第一个轨枕7的摆放空间位姿作为目标位姿，综合管理模块计算出六自由度机械臂21各关节的目标位姿信息、滑台机构A222的运动信息和轨枕运输车1的运动信息，进而进行位置闭环运动。

步骤4.7：六自由度机械臂21、可移动底座22和轨枕运输车1带动轨枕7到达目标位姿后，综合管理平台控制轨枕夹爪23的电推缸233缩回，使得夹爪头234与轨枕7侧面分离，当电推缸233反馈的力小于设定的阈值，轨枕夹爪23完成放开轨枕7操作。

步骤4.8：六自由度机械臂21、可移动底座22和轨枕夹爪23回到初始位置，单个轨枕7摆放工作完成。

步骤4.9：重复步骤4.4～步骤4.8共8次，完成轨枕存储库31中第五层轨枕7的摆放工作。

步骤4.10：综合管理模块调取数据库中轨枕存储库31中第五层的两块轨枕垫板33的位姿数据，将该位姿作为目标位姿，控制左右两个轨枕垫板机器人34的滑台机构B342和滑台机构C343运动，将吸爪344的电磁铁3442下端面接触轨枕垫板33，通过控制电磁铁3442通电使得吸爪344吸住轨枕垫板33。

步骤4.11：综合管理模块调取数据库中轨枕垫板存储库32第一层凹槽的位置坐标，将该位置作为目标位置，控制左右两个轨枕垫板机器人34的滑台机构B342和滑台机构C343运动，将两块轨枕垫板33分别放置到左右轨枕垫板存储库32对应凹槽内，然后再控制电磁铁3422断电，使得吸爪344松开轨枕垫板33，至此，轨枕存储库31中第五层的两块轨枕垫板33被重新放置回轨枕垫板存储库32中；在此工作过程中，放置完成的轨枕垫板33的位姿数据实时存储在数据库中。

步骤4.12：重复步骤4.4～步骤4.8共9次，完成轨枕存储库31中第四层所有轨枕7的摆放工作。

步骤4.13：重复步骤4.10～步骤4.11，将轨枕存储库31中第四层的两块轨枕垫板33重新放置回轨枕垫板存储库32中；

步骤4.14：重复步骤4.12～步骤4.13共3次，将轨枕存储库31中所有轨枕7摆放完成，同时将轨枕存储库31中所有轨枕垫板33重新放置回轨枕垫板存储库32中。

步骤4.15：综合管理模块控制轨枕搬运机器人模块2和轨枕存储模块3回到设定的初始位置。

步骤5：轨枕运输系统将单个轨排拼装所需的所有轨枕7摆放到轨排拼装区指定位置；现场人员将轨排拼装完成并运走后，轨枕运输系统重复以上步骤2～步骤4的流程，将新的轨枕7从物料库运输到轨排拼装区并摆放到轨排拼装区指定位置。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种智能轨枕运输系统，其特征在于，包括轨枕运输车(1)以及安装在轨枕运输车(1)上的轨枕搬运机器人模块(2)、轨枕存储模块(3)、路径模块、智能定位模块(5)、综合管理模块、外壳模块(6)；轨枕运输车、轨枕搬运机器人模块、轨枕存储模块、路径模块、智能定位模块均与综合管理模块信号连接；轨枕搬运机器人模块(2)包括可移动底座(22)，可移动底座(22)的底座A(221)安装在轨枕运输车(1)车体(12)上，底座A(221)上对称安装有滑台机构A(222)，两个滑台机构A(222)的滑块A(224)之间安装有机械臂托盘(223)，机械臂托盘(223)上安装有六自由度机械臂(21)，六自由度机械臂(21)末端安装有轨枕夹爪(23)；

所述轨枕夹爪(23)包括安装在六自由度机械臂(21)末端的夹爪体(231)，夹爪体(231)上安装有工业相机(24)，夹爪体(231)上还通过销轴铰接有两个电推缸(233)，两个电推缸(233)的伸缩端均通过销轴与对应的夹爪杆(232)铰接，夹爪杆(232)中部均通过销轴与对应的夹爪体(231)铰接，夹爪杆(232)另一端均通过销轴与对应的夹爪头(234)铰接；

所述轨枕存储模块(3)位于六自由度机械臂(21)下方，包括轨枕存储库(31)、轨枕垫板存储库(32)、轨枕垫板机器人(34)，轨枕存储库(31)与轨枕垫板存储库(32)结构及安装方式均相同；轨枕垫板存储库(32)包括四根安装在车体(12)上的竖向架体，同侧相对的两根竖向架体的侧边均沿高度方向设置有多排用于放置轨枕垫板(33)的凹槽结构；轨枕垫板(33)事先存储在轨枕垫板存储库(32)中，轨枕垫板(33)为长条状且带有多个凹槽，轨枕垫板(33)上的凹槽尺寸与轨枕(7)相匹配，用于卡接放置轨枕(7)；轨枕存储库(31)的凹槽、轨枕垫板存储库(32)的凹槽与轨枕垫板(33)的对应关系存储在综合管理模块的数据库中；

两个所述轨枕垫板机器人(34)分别对称布置在轨枕垫板存储库(32)外侧，轨枕垫板机器人(34)包括安装在车体(12)上的底座B(341)，底座B(341)顶部安装有滑台机构B(342)，滑台机构B(342)的滑块B(3422)上安装有滑台机构C(343)，滑台机构C(343)的滑块C(3432)上安装有吸爪体(3441)，吸爪体(3441)下表面安装有用于吸取轨枕垫板(33)的电磁铁(3442)；

所述路径模块包括安装在服务器(4)中的BIM子模块和路径输入子模块，BIM子模块用于接收BIM模型，提取模型信息，操作人员根据BIM模型信息，通过综合管理模块的人机交互子模块在路径输入子模块中输入路径信息，生成轨枕运输车(1)从起始点至目的地的执行命令；

所述智能定位模块(5)包括定位算法子模块、高清摄像机(51)、六轴倾角传感器(52)、标记块(53)，定位算法子模块安装在服务器(4)中，高清摄像机(51)、六轴倾角传感器(52)安装在车体(12)上，标记块(53)摆放在施工现场，标记块(53)的位置通过BIM子模块标记在BIM模型中；高清摄像机(51)用于识别标记块(53)，并将识别信息发送至服务器(4)中的定位算法子模块进行分析处理，六轴倾角传感器(52)用于测量轨枕运输车(1)沿空间三维的转动角度，并将测量数据发送至定位算法子模块，定位算法子模块按照定位算法生成轨枕运输系统位置信息并发送至综合管理模块。

2.根据权利要求1所述的智能轨枕运输系统，其特征在于，所述轨枕运输车(1)的车体(12)安装在车轮组件(11)上，车轮组件(11)上还安装有用于测量车轮转速的测速电机(13)，车体(12)上还安装有用于为智能轨枕运输系统提供动力的电池组件(14)。

3.根据权利要求1所述的智能轨枕运输系统，其特征在于，所述综合管理模块是轨枕运输系统的中央控制系统，安装在一台服务器(4)上，包括模块协调处理子模块、人机交互子模块、数据库子模块；模块协调处理子模块实现对各模块的协调调用，收集处理各个模块的数据；人机交互子模块的功能包括输入任务命令、显示各个模块信息、显示工作日志、报警；数据库子模块的功能包括采集、存储运行数据、调用数据库信息、智能分析、记录、保存数据。

4.一种利用权利要求1所述智能轨枕运输系统的智能轨枕运输方法，其特征在于，包括如下过程：

步骤1：操作人员将施工现场相关BIM模型输入BIM子模块，轨枕运输系统位于标定好的初始位置，操作人员根据BIM模型，在路径输入子模块中输入路径信息，路径模块生成运动命令，综合管理模块据此控制轨枕运输车(1)运动到轨枕仓库；

步骤2：综合管理模块控制轨枕运输系统抓取轨枕(7)，具体过程如下：

步骤2.1：综合管理模块从数据库中调出轨枕垫板存储库(32)中第一层轨枕垫板(33)位姿数据，控制滑台机构B(342)和滑台机构C(343)运动，将吸爪(344)的电磁铁(3442)下端面接触该轨枕垫板(33)，综合管理模块控制电磁铁(3442)通电，吸爪(344)吸住轨枕垫板(33)；综合管理模块调取数据库中轨枕存储库(31)中第一层凹槽的位置坐标，通过吸爪(344)将轨枕垫板(33)吸住并放置到对应凹槽内，然后控制电磁铁(3442)断电，松开轨枕垫板(33)，轨枕存储库(31)中第一层轨枕垫板(33)安装完成；

步骤2.2：工业相机(24)扫描轨枕仓库的轨枕(7)及其周围环境，生成三维点云数据并传递至综合管理模块，综合管理模块分析处理后与数据库中轨枕的模型对比，提取出轨枕空间位姿数据，将与轨枕运输车(1)距离最小且其上部无物体的轨枕作为目标轨枕；根据目标轨枕的空间位姿，计算出六自由度机械臂(21)各关节的目标位姿信息和可移动底座(22)的滑台机构A(222)目标位姿信息并进行运动控制；

步骤2.3：六自由度机械臂(21)和可移动底座(22)运动到目标位置后，综合管理平台控制轨枕夹爪(23)的电推缸(233)伸出，夹爪头(234)与轨枕(7)侧面贴合，当电推缸(233)反馈的力超过设定的阈值时完成夹紧轨枕(7)操作；

步骤2.4：综合管理模块将第一个轨枕存储位置设定为目标位置，计算出六自由度机械臂(21)各关节的目标位姿信息和可移动底座(22)的滑台机构A(222)的运动信息并进行运动控制，将轨枕(7)放置到轨枕存储库(31)第一层轨枕垫板(33)上的凹槽中；

步骤2.5：放置到位后，综合管理平台控制轨枕夹爪(23)的电推缸(233)缩回，当电推缸(233)反馈的力小于设定的阈值时轨枕夹爪(23)完成放开轨枕(7)操作；

步骤2.6：六自由度机械臂(21)、可移动底座(22)和轨枕夹爪(23)回到初始位置，完成第一层第一个轨枕(7)存储工作；

步骤2.7：重复步骤2.2～步骤2.6多次，直至完成第一层轨枕(7)的存储工作；

步骤2.8：重复步骤2.1～步骤2.6，完成第二层第一个轨枕(7)的存储工作；

步骤2.9：重复步骤2.2～步骤2.6多次，直至完成第二层轨枕(7)的存储工作；

步骤2.10：重复步骤2.8～步骤2.9，依次完成其余层轨枕(7)的存储工作；

步骤2.11：综合管理模块控制轨枕搬运机器人模块(2)和轨枕存储模块(3)回到设定的运输位置；

步骤3：综合管理模块按照路径模块生成的运动命令，控制轨枕运输车(1)运动到轨排拼装区；

步骤4：综合管理模块控制轨枕运输系统将轨枕(7)摆放在拼装位置，具体过程如下：

步骤4.1：工业相机(24)扫描放置在轨排拼装区的标记块(53)及其周围环境，生成三维点云数据并传递至综合管理模块，综合管理模块分析处理后与数据库中标记块(53)的模型对比，提取出标记块(53)空间位姿数据；

步骤4.2：综合管理模块调取数据库中标记块(53)与轨排拼装区轨枕(7)之间的关系，计算出所有轨枕的摆放空间位姿；

步骤4.3：综合管理模块调取数据库中轨枕存储库(31)顶层轨枕(7)的空间位姿，选取顶层中的一个轨枕(7)作为目标轨枕(7)，根据目标轨枕(7)的空间位姿，控制六自由度机械臂(21)和滑台机构A(222)运动，运动到位后控制轨枕夹爪(23)电推缸(233)伸出，夹紧目标轨枕(7)；

步骤4.4：综合管理模块将轨排拼装区的第一个轨枕(7)的摆放空间位姿作为目标位姿，控制六自由度机械臂(21)、滑台机构A(222)、轨枕运输车(1)运动；

步骤4.5：六自由度机械臂(21)、可移动底座(22)和轨枕运输车(1)带动目标轨枕(7)到达目标位姿后，控制轨枕夹爪(23)松开，放下轨枕(7)；

步骤4.6：六自由度机械臂(21)、可移动底座(22)和轨枕夹爪(23)回到初始位置，单个轨枕(7)的摆放工作完成；

步骤4.7：重复步骤4.3～步骤4.6多次，直至轨枕存储库(31)顶层所有轨枕(7)摆放完成；

步骤4.8：综合管理模块调取数据库中轨枕存储库(31)中顶层的两块轨枕垫板(33)的位姿数据作为目标位姿，控制滑台机构B(342)和滑台机构C(343)运动，利用吸爪(344)吸住轨枕垫板(33)；

步骤4.9：综合管理模块调取数据库中轨枕垫板存储库(32)第一层凹槽的位置坐标作为目标位置，控制滑台机构B(342)和滑台机构C(343)运动，将两块轨枕垫板(33)分别放置到左右轨枕垫板存储库(32)对应凹槽内，然后控制吸爪(344)松开轨枕垫板(33)；

步骤4.10：重复步骤4.3～步骤4.6多次，直至轨枕存储库(31)中下一层所有轨枕(7)摆放完成；

步骤4.11：重复步骤4.8～步骤4.9，将轨枕存储库(31)中下一层的两块轨枕垫板(33)重新放置回轨枕垫板存储库(32)中；

步骤4.12：重复步骤4.10～步骤4.11多次，将轨枕存储库(31)中所有轨枕(7)摆放完成，同时将轨枕存储库(31)中所有轨枕垫板(33)重新放置回轨枕垫板存储库(32)中；

步骤4.13：综合管理模块控制轨枕搬运机器人模块(2)和轨枕存储模块(3)回到设定的初始位置；

步骤5：轨枕运输系统完成将单个轨排拼装所需的所有轨枕(7)摆放到轨排拼装区指定位置，现场人员将轨排拼装完成并运走，轨枕运输系统重复步骤2～步骤4，将新的轨枕(7)从物料库运输到轨排拼装区并摆放到位。

5.根据权利要求4所述的智能轨枕运输方法，其特征在于，所述轨枕运输车(1)行走过程中，智能定位模块(5)实时定位轨枕运输系统在施工现场的位置坐标和在BIM模型中的位置坐标，发送到综合管理模块，综合管理模块根据位置坐标，更新运动命令。