郭楚寧+趙潤超+馬帥+郭新育

摘 要：設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種冰面自動挖機(jī)機(jī)器人，以電磁循跡的方式在冰面上行走、利用沖擊錘敲碎冰面，以輪斗結(jié)構(gòu)來進(jìn)行撈冰等方案來實(shí)現(xiàn)。此設(shè)計結(jié)構(gòu)配置經(jīng)濟(jì)合理，基本上實(shí)現(xiàn)了代替人工在冰面上除冰以保護(hù)橋墩的目的。

關(guān)鍵詞：冰面；挖掘；機(jī)器人

1 問題提出與設(shè)計分析

據(jù)央視新聞聯(lián)播報道，現(xiàn)在在我國北方，冬天河水結(jié)冰時，由于膨脹，會擠壓所接觸的橋墩。結(jié)冰越厚，甚至?xí)斐蓸蚨盏奈灰谱冃?，直接影響行車安全。為避免安全問題出現(xiàn)，鐵路工人用自制的工具每天去河面把橋墩周圍的冰清理掉，費(fèi)時費(fèi)力又危險，而且任務(wù)繁重。而且近年來橋梁安全已成為全國人民越來越關(guān)注的問題，而橋梁老化又是橋梁安全問題中最為突出的因素之一。

目前我國國內(nèi)沒有任何同類并且相同用途的產(chǎn)品，市場的空白以及巨大的需求將導(dǎo)致這一設(shè)計會創(chuàng)造巨大的價值。全國共有70余萬座橋梁，其中有8萬座是危橋，橋梁老化是重要原因之一。全國北方冬天溫度低于-10度的地區(qū)的過河橋梁大多都需要這種維護(hù)，僅北京被報道的就有兩座人工除冰的大橋。而全國北方過河橋梁總數(shù)數(shù)以千計，都存在此危險，需要進(jìn)行維護(hù)。北方這種的通過加強(qiáng)日常維修，避免出現(xiàn)危橋?qū)е氯肆ξ锪Φ木薮髶p失。

采用這種方案一方面保障了鐵路工人的人身安全，另一方面提高了工作效率，并且我們將在機(jī)身加有傳感及安全氣囊裝置，若不慎落水，則可以觸發(fā)機(jī)身的自救裝置，保障了財產(chǎn)安全。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計及評估

1、系統(tǒng)方案設(shè)計

按照工作流程，冰面自動挖掘機(jī)器人分為一下幾個結(jié)構(gòu)。

動力部分：制作的模型以3s直流電源供電，循跡所用電磁線由220V交流電壓提供。

自主循跡：紅色為封閉的漆包線，內(nèi)部通有常用的220v，50Hz交流電，淺藍(lán)色線為橋墩的輪廓線。粉色的區(qū)域?yàn)橐膮^(qū)域，綠色的圓點(diǎn)處有放置永久磁鐵，黃色箭頭標(biāo)記的方向?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)行方向。

除冰運(yùn)輸：當(dāng)機(jī)器人檢測到永久磁鐵后，除冰部分開始工作除冰部分開始向下進(jìn)給，首先通過錘擊的方式來將橋墩周邊的冰全部敲碎，敲碎以后輪斗部分開始挖掘工作。

2、效果評估

錘擊冰面相關(guān)計算：

模型與實(shí)物比例約為1：20，實(shí)物中錘開冰面所需要的錘子重約10kg，每一次下落的高度約為1.2米，頻率約為2-3秒一次。除冰機(jī)器人中所用的錘子與人工所用工具相比頻率較快、強(qiáng)度較高。按照模型中所設(shè)想按比例放大，錘子下落的頻率為每秒3次、錘子重約10kg，下落高度可以縮減至0.6米。

挖掘冰塊相關(guān)計算：

每個橋墩要鏟出500公斤左右的冰，即550立方米左右，如果有八個鏟斗進(jìn)行工作，模型與實(shí)物尺寸比例1：20，實(shí)物每個鏟斗容量約為0.1立方米，共八個輪斗進(jìn)行工作，輪斗轉(zhuǎn)速約4轉(zhuǎn)每秒，清理一個橋墩共需3分鐘左右的時間。

經(jīng)過合理運(yùn)算與數(shù)據(jù)分析，此機(jī)器效率高，一臺機(jī)器人可以相當(dāng)于一支15人的除冰隊(duì)伍。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與實(shí)施流程

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖一，冰面自動挖掘機(jī)器人，包括：

機(jī)身2、制器7、錘子9、第一電機(jī)10、第二電機(jī)1、鏟斗4、軌道5、氣泵3、氣囊6、水壓傳感器。錘子9與所述第一電機(jī)10的輸出軸固定連接，所述鏟斗4與所述第二電機(jī)1的輸出軸固定連接；所述軌道5位于鏟斗4的后下方，配置成鏟斗4可將冰面上的碎冰鏟入軌道5中；所述水壓傳感器安裝于機(jī)身2下方；所述氣泵3與所述氣囊6導(dǎo)管連接；所述控制器7分別與第一電機(jī)10、第二電機(jī)1、氣泵3、水壓傳感器電連接；還包括電磁傳感器8，所述電磁傳感器位于機(jī)身2上方；所述控制器7與電磁傳感器8電連接；

還包括漆包線，提前架設(shè)于機(jī)器人的行進(jìn)路線上方。

工作時，控制器7控制第一電機(jī)10，第一電機(jī)10可帶動錘子9錘擊冰面，鏟斗4可將冰面上的碎冰鏟入軌道5中，使冰塊被鏟起后傾倒在冰面的運(yùn)動路徑以外的范圍。

機(jī)身2底部放置有水壓傳感器，當(dāng)機(jī)器人落水時，會由水壓傳感器的信號觸發(fā)氣泵3啟動，使機(jī)身2底部的氣囊6迅速充氣，會托起機(jī)器人，使機(jī)器人浮起，避免其因落水問題而報廢。

在機(jī)器存放處安裝有220V交流電源，給漆包線提供頻率恒定的交流電，使漆包線周圍產(chǎn)生交變磁場，機(jī)器人上安裝電磁傳感器8，以檢測漆包線周圍的交變磁場，使機(jī)器人沿著漆包線的路線運(yùn)動。工作時，將漆包線架設(shè)于橋墩周圍。

本方案所取得的有益效果是：1、可以在結(jié)冰的水面上進(jìn)行除冰。2、采用先錘后鏟的形式，確保橋墩周圍的冰被處理干凈，以防由于氣溫極低而使其迅速凍結(jié)。3、車底部放置有水壓傳感器，當(dāng)機(jī)器人落水時，會由水壓傳感器的信號觸發(fā)氣泵啟動，使車身底部的氣囊迅速充氣，會托起車身，使機(jī)器人浮起，避免其因落水問題而報廢。

2、實(shí)施流程

（1）自動運(yùn)動到橋墩階段：

機(jī)器人底部為較寬的輪子，并且在機(jī)器存放處安裝有方波發(fā)生器，給漆包線提供頻率恒定的方波電流，使漆包線周圍產(chǎn)生交變磁場，機(jī)器人上安裝多組電磁傳感器檢測漆包線周圍的交變磁場，使機(jī)器人沿著漆包線的路線運(yùn)動（采用飛思卡爾智能車電磁組的循跡方式）。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動到安裝有永久磁鐵的位置時，常開型干簧管檢測到永磁鐵的 高達(dá)3000-5000Gs（高斯）的磁場強(qiáng)度后，機(jī)器人上的電磁傳感器停止檢測來自漆包線的磁場信號。

（2）除冰階段：

當(dāng)機(jī)器人檢測到永久磁鐵后，除冰部分開始工作除冰部分開始向下進(jìn)給。

機(jī)器從安有永磁鐵的位置向下進(jìn)給指定深度，安裝在機(jī)器人上的超聲波傳感器開始工作，測量機(jī)器到橋墩的距離，使機(jī)器人與橋墩保持一定的距離，延指定方向運(yùn)動。每次繞橋墩運(yùn)動一周，啃噬掉指定厚度的冰，在再次運(yùn)動到永磁鐵的位置時，在繼續(xù)向下進(jìn)給一定深度，啃噬指定厚度的冰，開始下一圈的運(yùn)動，直至清除掉橋墩周圍的冰。

當(dāng)機(jī)器首先捶碎冰面，通過機(jī)器身上超聲波測距，當(dāng)冰面被錘透時，水會涌上來，導(dǎo)致水面距離的突變，此時信號送至中央處理器，表明一個橋墩周圍的冰已被打透，將轉(zhuǎn)至下一個橋墩進(jìn)行除冰。會一同將冰下的水挖起來，當(dāng)把冰渣傾倒在輸送帶上時，參雜在冰渣中的水會從輸送帶上的孔洞滲下去，在下方安裝雨滴傳感器，當(dāng)水滴在雨滴傳感器上時，檢測到信號變化，證明已經(jīng)將冰挖透，無須繼續(xù)向下進(jìn)給啃噬冰，繼續(xù)繞橋墩啃噬冰到安有永磁鐵的位置，即完成了一個橋墩周圍的冰的清理工作

雨滴傳感器配有烘干裝置，將傳感器上的水烘干，以供在下一個清除橋墩周圍的冰時使用。

（3）運(yùn)動到下一個橋墩：

處理完一個橋墩周圍的冰后，超聲波傳感器停止工作，電磁傳感器開始檢測來自漆包線的信號，向下一個橋墩運(yùn)動，重復(fù)上兩步。

（4）運(yùn)動到機(jī)器存放位置：

當(dāng)機(jī)器處理完所有橋墩周圍的冰后，延漆包線的路徑繞后機(jī)器保存位置，一次清理工作結(jié)束，補(bǔ)給油料，對機(jī)器適當(dāng)烘干，為下次工作做準(zhǔn)備

4 創(chuàng)新設(shè)計及功能特色

1、創(chuàng)新設(shè)計

（1）適用環(huán)境的創(chuàng)新

我國現(xiàn)有的除冰機(jī)器僅僅可以應(yīng)用于路面除冰或者碎冰，并且大多數(shù)利用化學(xué)方法除冰，對建筑物有損害。對于在冰面上進(jìn)行除冰，我國目前仍然全部依靠人工，還沒有出現(xiàn)冰面的除冰機(jī)器。我們的除冰機(jī)器人首創(chuàng)在冰面上進(jìn)行除冰，填補(bǔ)國內(nèi)河面除冰市場的空白。并且不采用化學(xué)方法以防止腐蝕建筑物。

（2）工作方式的創(chuàng)新

我們采用先錘后挖的形式，確保橋墩周圍的冰被處理干凈，以防由于氣溫極低而使其迅速凍結(jié)。

（3）循跡方法的創(chuàng)新

采用電磁循跡?，F(xiàn)在普遍的循跡方式都是鋪在路面的光感循跡，但是這樣的循跡方式不適用于冰面上，于是我們采用車頂三路模擬電磁循跡，將電線架在機(jī)器人上方，避免了因雨雪覆蓋會造成的安全問題，并且三路模擬保證了循跡的精確程度。

2、功能特色

本機(jī)器人的除冰部分采用類似于多輪斗式挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度好，能夠連續(xù)挖掘、自動裝卸、機(jī)動靈活。使用帶有多個鋸齒狀挖斗的裝輪，啃噬起冰面，并把挖出的冰渣傾倒在有小的孔洞的傳送帶上，將冰渣輸送到儲存箱內(nèi)，在運(yùn)動過程中的指定位置傾倒冰渣，有效避免像直接用輸送帶將冰渣輸送出來，立即傾倒的那樣，堵住機(jī)器人的運(yùn)動軌跡的問題。

5 總結(jié)

該機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)中自動循跡除冰的功能，即比人工作業(yè)效率高，又避免了人工作業(yè)可能出現(xiàn)的危險，能及時保護(hù)橋墩，主要通過創(chuàng)新的機(jī)構(gòu)設(shè)計及循跡的方式來實(shí)現(xiàn)所需功能，可用于北方冬天較冷的地區(qū)，具有創(chuàng)新性與實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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