铁路编组站是货运铁路网络中的重要环节，负责完成货运车列的到达、编 组、出发作业。火车摘钩是编组站作业中的关键部分，目前主要由人工完成，存 在着作业环境恶劣、危险性大、人力成本高和工作效率低等问题。本文针对摘钩 作业过程中的无人化和智能化需求，开展火车摘钩机器人系统设计与关键技术 研究，针对自动摘钩过程中的摘钩提杆识别、作业末端轨迹规划等问题，提出复 杂动态环境下摘钩提杆检测与位姿匹配、摘钩机器人作业轨迹规划等方法，设计 搭建了面向铁路编组站的自动摘钩机器人系统，主要研究内容如下：

第一，对摘钩机器人研究背景、意义及国内外研究现状进行综述，从摘钩机 器人系统设计、目标检测、点云匹配及机器人伺服控制四个方面对摘钩机器人关 键技术和发展方向进行分析。

第二，通过对驼峰编组站内摘钩作业对象和需求分析，设计了自动摘钩机器 人系统，该系统在硬件结构上包括移动作业机器人与远程控制系统，其中移动作 业机器人包括基于阿克曼转向的四轮移动平台和基于协作式机械臂的自主作业 平台。针对系统复杂度高、控制难度大的问题，提出基于分层递阶结构的机器人 控制系统，实现机器人的可靠、实时控制。对摘钩机器人系统及子系统进行运动 学分析，并利用远程遥控和示教再现的方式实现了机器人摘钩作业，验证系统功 能的完备性。

第三，针对摘钩提杆表面纹理信息弱、背景特征干扰大及检测实时性要求高 等问题，设计了相机-雷达感知系统及两阶段车钩识别与位姿匹配方法。第一阶 段基于深度学习方法，实现在大范围复杂场景下的摘钩提杆快速检测；第二阶段 基于 2D 和 3D 信息融合进行摘钩提杆的实时位姿匹配，实现了大尺度复杂环境 下摘钩提杆的快速定位及位姿估计。

第四，结合自动摘钩作业任务中的轨迹规划要求，提出了摘钩机器人作业轨 迹规划方法，通过对摘钩操作点的抓取姿态计算、作业末端的位置轨迹规划与运 动空间插值，实现机器人精准抓钩与提钩的作业规划。基于前述成果进行了摘钩 机器人自动摘钩实验，通过对实验中机械臂末端运动轨迹及各关节角度、速度变 化曲线进行分析，验证了所提方法的可靠性与有效性。