宋子詔

摘 要：針對當(dāng)前鐵路軌道上垃圾橫飛和異物入侵而導(dǎo)致的交通事故，本文設(shè)計(jì)了智能清潔機(jī)器人，該機(jī)器人通過使用軌道機(jī)器人移動(dòng)載體實(shí)現(xiàn)在軌道上的運(yùn)動(dòng)，利用軌道脫離與列車避讓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與列車的避讓，從而實(shí)現(xiàn)并發(fā)工作機(jī)制功能，提高軌道運(yùn)行利用率。機(jī)器人車體搭載了異物清理與垃圾回收裝置等，實(shí)現(xiàn)對軌道垃圾的清理功能。該機(jī)器人對降低鐵路系統(tǒng)交通事故率和運(yùn)營成本、提高鐵路運(yùn)行效率起到十分重要的作用。

關(guān)鍵詞：軌道清潔；智能機(jī)器人；全天候；在軌工作

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

當(dāng)今世界大量高鐵線路拔地而起并成片聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營。根據(jù)鐵道部相關(guān)數(shù)據(jù)，近幾年由于鐵路垃圾、異物及異物入侵造成的交通事故多達(dá)數(shù)萬起，占鐵路交通事故的90%，造成數(shù)萬人死亡、千人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上百億元。目前鐵路軌道垃圾清理多依靠人工，自動(dòng)化裝置還未投入實(shí)際使用。人工作業(yè)不僅浪費(fèi)了大量財(cái)力和物力，而且還存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

1 全天候在軌智能清潔機(jī)器人整機(jī)組成

基于上述難題和需求，本文研發(fā)了全天候在軌智能清潔機(jī)器人，如圖1所示。

該機(jī)器人主體為軌道車結(jié)構(gòu)，兩端設(shè)置了軌道脫離和避讓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與列車的避讓功能，從而使機(jī)器人與列車可并發(fā)工作，提高工作效率。異物清理與垃圾回收裝置則可實(shí)現(xiàn)對軌道上的垃圾進(jìn)行清理和清除，尤其是對于大型異物，可通過機(jī)械臂進(jìn)行搬離，可有效避免列車與異物的碰撞。傳感器融合模塊則可實(shí)現(xiàn)對列車是否到來信號(hào)的檢測，從而通知機(jī)器人進(jìn)行提前避讓列車；同時(shí)該模塊還包括異物入侵判別模塊等，可實(shí)現(xiàn)對入侵至鐵路系統(tǒng)的動(dòng)物或人進(jìn)行警告并驅(qū)離?？刂婆c能源模塊不僅可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的智能全自主控制，而且還通過能源搜集模塊實(shí)現(xiàn)能量捕獲，從而使得機(jī)器人能量具有持續(xù)性，保證全天候在軌工作。

2 全天候在軌智能清潔機(jī)器人研發(fā)

從圖1中可以看出，清潔機(jī)器人包括機(jī)器人移動(dòng)載體、軌道脫離與列車避讓機(jī)構(gòu)等，具體部件設(shè)計(jì)如下：

機(jī)器人移動(dòng)載體包括軌道機(jī)器人本體、輪組行走部件和行走驅(qū)動(dòng)部件。通過驅(qū)動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)部件中的電機(jī)部件運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)輪組行走部件中的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)載體以及上部的各類設(shè)備運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)包括：前后、后退、轉(zhuǎn)彎和停止等運(yùn)動(dòng)類型。

軌道脫離與列車避讓機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)對列車的避讓功能，是機(jī)器人的核心部件，包括本體位移滑臺(tái)、橫向支撐旋轉(zhuǎn)臂、垂向支撐擺動(dòng)臂、軌道夾具。軌道夾具可實(shí)現(xiàn)對軌道的夾持或釋放功能，橫向支撐旋轉(zhuǎn)臂則可實(shí)現(xiàn)本體位移滑臺(tái)相對垂向支撐擺動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)，而垂向支撐擺動(dòng)臂可實(shí)現(xiàn)橫向支撐旋轉(zhuǎn)臂相對軌道夾具的角度變換。上述變換過程主要發(fā)生在軌道夾具夾緊軌道時(shí)，以軌道夾具為參照點(diǎn)，垂向支撐擺動(dòng)臂發(fā)生角度變換、橫向支撐旋轉(zhuǎn)臂發(fā)生角度轉(zhuǎn)動(dòng)、本體位移滑臺(tái)位置移動(dòng)，最終帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)載體實(shí)現(xiàn)相對軌道的位置和角度變換功能，實(shí)現(xiàn)對列車的躲避功能。

該結(jié)構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)避讓列車的步驟如下：

（1）列車到達(dá)前，機(jī)器人移動(dòng)載體停止行走并停止清理垃圾、停止清潔軌道；本體位移滑臺(tái)中滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，滑塊向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)橫向支撐旋轉(zhuǎn)臂、垂向支撐擺動(dòng)臂和軌道夾具下降。

（2）緊接著軌道夾具位移電機(jī)實(shí)現(xiàn)伸長運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)軌道夾板實(shí)現(xiàn)對軌道夾緊運(yùn)動(dòng)；本體位移滑臺(tái)中滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，滑塊向下運(yùn)動(dòng)，軌道機(jī)器人移動(dòng)載體開始相對軌道脫離與列車避讓機(jī)構(gòu)上升，從而脫離軌道，開始運(yùn)動(dòng)至軌道正上方，如圖2（a）所示。

（3）然后軌道機(jī)器人移動(dòng)載體被抬升至正上方后，橫向中段旋轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，橫向首段支撐臂相對橫向末段支撐臂轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)本體位移滑臺(tái)以及機(jī)器人移動(dòng)載體旋轉(zhuǎn)，此時(shí)軌道機(jī)器人移動(dòng)載體被旋轉(zhuǎn)至橫向狀態(tài)，如圖2（b）所示。

（4）此后滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，軌道機(jī)器人移動(dòng)載體繼續(xù)通過被本體位移滑臺(tái)發(fā)生位移運(yùn)動(dòng)，本體位移滑臺(tái)發(fā)生位移變化，向軌道外側(cè)移動(dòng)，開始從軌道上方脫離軌道上部空間。

（5）上述步驟完成后，橫向中段旋轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，軌道機(jī)器人移動(dòng)載體會(huì)被旋轉(zhuǎn)至超越橫向狀態(tài)，機(jī)器人移動(dòng)載體處于軌道外側(cè)且其最頂端觸碰地面；機(jī)器人移動(dòng)載體頂端觸碰路面后，垂向中段擺動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，垂向首段支撐臂以及與其相連的本體位移滑臺(tái)、軌道機(jī)器人移動(dòng)載體等相對垂向末段支撐臂向軌道外側(cè)擺動(dòng)，機(jī)器人移動(dòng)載體繼續(xù)遠(yuǎn)離軌道，如圖2（c）所示。

（6）機(jī)器人移動(dòng)載體離開軌道后，軌道夾具位移電機(jī)實(shí)現(xiàn)收縮運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)軌道夾板263實(shí)現(xiàn)對軌道釋放功能，軌道夾具從軌道得以釋放；橫向中段旋轉(zhuǎn)電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，垂向末段支撐臂相對垂向首段支撐臂擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)軌道夾具向軌道外側(cè)擺動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)脫離軌道功能，實(shí)現(xiàn)對列車的避讓，圖2（d）。

當(dāng)軌道脫離與列車避讓機(jī)構(gòu)避讓列車后，重新回到軌道上方的步驟與上述相反。

異物清理與垃圾回收裝置包括：垃圾清理與異物清障機(jī)構(gòu)、垃圾回收裝置。垃圾清理與異物清障機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)對軌道上垃圾、灰塵清理，對軌道及軌道周圍的障礙物搬離或?qū)⑷肭值漠愇镞M(jìn)行驅(qū)離；垃圾回收裝置則可實(shí)現(xiàn)對垃圾清理與異物清障機(jī)構(gòu)收集的垃圾進(jìn)行回收。

傳感器融合模塊包括：異物入侵識(shí)別機(jī)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)采集模塊。異物入侵識(shí)別機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對軌道智能清潔機(jī)器人前方軌道及軌道周圍的大型垃圾、障礙物以及入侵的異物進(jìn)行識(shí)別；環(huán)境參數(shù)采集模塊則可實(shí)現(xiàn)對列車到來及離開信號(hào)的監(jiān)測功能。

控制與能源模塊主要實(shí)現(xiàn)對軌道智能清潔機(jī)器人的控制和通信功能，包括與外界信息交互功能，包括控制與通信模塊、能源存儲(chǔ)裝置、能源獲取裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊等子模塊。

結(jié)語

針對當(dāng)然軌道垃圾和異物入侵對鐵路系統(tǒng)造成的巨大損失，本文研發(fā)了具有軌道脫離和避讓功能的全天候在軌智能清潔機(jī)器人，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)能量采集，對軌道垃圾進(jìn)行清理清潔并對入侵的異物進(jìn)行警告和驅(qū)離功能。該機(jī)器人不僅可以大大降低鐵路運(yùn)營成本，而且可提高軌道垃圾清理效率，全面保障鐵路系統(tǒng)的運(yùn)營安全，對人民出行和國家安全穩(wěn)定來說意義重大。

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