一种冰面自动挖掘机器人

郭楚宁+赵润超+马帅+郭新育

摘 要：设计并实现一种冰面自动挖机机器人，以电磁循迹的方式在冰面上行走、利用冲击锤敲碎冰面，以轮斗结构来进行捞冰等方案来实现。此设计结构配置经济合理，基本上实现了代替人工在冰面上除冰以保护桥墩的目的。

关键词：冰面；挖掘；机器人

1 问题提出与设计分析

据央视新闻联播报道，现在在我国北方，冬天河水结冰时，由于膨胀，会挤压所接触的桥墩。结冰越厚，甚至会造成桥墩的位移变形，直接影响行车安全。为避免安全问题出现，铁路工人用自制的工具每天去河面把桥墩周围的冰清理掉，费时费力又危险，而且任务繁重。而且近年来桥梁安全已成为全国人民越来越关注的问题，而桥梁老化又是桥梁安全问题中最为突出的因素之一。

目前我国国内没有任何同类并且相同用途的产品，市场的空白以及巨大的需求将导致这一设计会创造巨大的价值。全国共有70余万座桥梁，其中有8万座是危桥，桥梁老化是重要原因之一。全国北方冬天温度低于-10度的地区的过河桥梁大多都需要这种维护，仅北京被报道的就有两座人工除冰的大桥。而全国北方过河桥梁总数数以千计，都存在此危险，需要进行维护。北方这种的通过加强日常维修，避免出现危桥导致人力物力的巨大损失。

采用这种方案一方面保障了铁路工人的人身安全，另一方面提高了工作效率，并且我们将在机身加有传感及安全气囊装置，若不慎落水，则可以触发机身的自救装置，保障了财产安全。

2 系统方案设计及评估

1、系统方案设计

按照工作流程，冰面自动挖掘机器人分为一下几个结构。

动力部分：制作的模型以3s直流电源供电，循迹所用电磁线由220V交流电压提供。

自主循迹：红色为封闭的漆包线，内部通有常用的220v，50Hz交流电，浅蓝色线为桥墩的轮廓线。粉色的区域为要除冰的区域，绿色的圆点处有放置永久磁铁，黄色箭头标记的方向为机器人的运行方向。

除冰运输：当机器人检测到永久磁铁后，除冰部分开始工作除冰部分开始向下进给，首先通过锤击的方式来将桥墩周边的冰全部敲碎，敲碎以后轮斗部分开始挖掘工作。

2、效果评估

锤击冰面相关计算：

模型与实物比例约为1：20，实物中锤开冰面所需要的锤子重约10kg，每一次下落的高度约为1.2米，频率约为2-3秒一次。除冰机器人中所用的锤子与人工所用工具相比频率较快、强度较高。按照模型中所设想按比例放大，锤子下落的频率为每秒3次、锤子重约10kg，下落高度可以缩减至0.6米。

挖掘冰块相关计算：

每个桥墩要铲出500公斤左右的冰，即550立方米左右，如果有八个铲斗进行工作，模型与实物尺寸比例1：20，实物每个铲斗容量约为0.1立方米，共八个轮斗进行工作，轮斗转速约4转每秒，清理一个桥墩共需3分钟左右的时间。

经过合理运算与数据分析，此机器效率高，一台机器人可以相当于一支15人的除冰队伍。

3 结构设计与实施流程

1、结构设计

如图一，冰面自动挖掘机器人，包括：

机身2、制器7、锤子9、第一电机10、第二电机1、铲斗4、轨道5、气泵3、气囊6、水压传感器。锤子9与所述第一电机10的输出轴固定连接，所述铲斗4与所述第二电机1的输出轴固定连接；所述轨道5位于铲斗4的后下方，配置成铲斗4可将冰面上的碎冰铲入轨道5中；所述水压传感器安装于机身2下方；所述气泵3与所述气囊6导管连接；所述控制器7分别与第一电机10、第二电机1、气泵3、水压传感器电连接；还包括电磁传感器8，所述电磁传感器位于机身2上方；所述控制器7与电磁传感器8电连接；

还包括漆包线，提前架设于机器人的行进路线上方。

工作时，控制器7控制第一电机10，第一电机10可带动锤子9锤击冰面，铲斗4可将冰面上的碎冰铲入轨道5中，使冰块被铲起后倾倒在冰面的运动路径以外的范围。

机身2底部放置有水压传感器，当机器人落水时，会由水压传感器的信号触发气泵3启动，使机身2底部的气囊6迅速充气，会托起机器人，使机器人浮起，避免其因落水问题而报废。

在机器存放处安装有220V交流电源，给漆包线提供频率恒定的交流电，使漆包线周围产生交变磁场，机器人上安装电磁传感器8，以检测漆包线周围的交变磁场，使机器人沿着漆包线的路线运动。工作时，将漆包线架设于桥墩周围。

本方案所取得的有益效果是：1、可以在结冰的水面上进行除冰。2、采用先锤后铲的形式，确保桥墩周围的冰被处理干净，以防由于气温极低而使其迅速冻结。3、车底部放置有水压传感器，当机器人落水时，会由水压传感器的信号触发气泵启动，使车身底部的气囊迅速充气，会托起车身，使机器人浮起，避免其因落水问题而报废。

2、实施流程

（1）自动运动到桥墩阶段：

机器人底部为较宽的轮子，并且在机器存放处安装有方波发生器，给漆包线提供频率恒定的方波电流，使漆包線周围产生交变磁场，机器人上安装多组电磁传感器检测漆包线周围的交变磁场，使机器人沿着漆包线的路线运动（采用飞思卡尔智能车电磁组的循迹方式）。当机器人运动到安装有永久磁铁的位置时，常开型干簧管检测到永磁铁的 高达3000-5000Gs（高斯）的磁场强度后，机器人上的电磁传感器停止检测来自漆包线的磁场信号。

（2）除冰阶段：

当机器人检测到永久磁铁后，除冰部分开始工作除冰部分开始向下进给。

机器从安有永磁铁的位置向下进给指定深度，安装在机器人上的超声波传感器开始工作，测量机器到桥墩的距离，使机器人与桥墩保持一定的距离，延指定方向运动。每次绕桥墩运动一周，啃噬掉指定厚度的冰，在再次运动到永磁铁的位置时，在继续向下进给一定深度，啃噬指定厚度的冰，开始下一圈的运动，直至清除掉桥墩周围的冰。

当机器首先捶碎冰面，通过机器身上超声波测距，当冰面被锤透时，水会涌上来，导致水面距离的突变，此时信号送至中央处理器，表明一个桥墩周围的冰已被打透，将转至下一个桥墩进行除冰。会一同将冰下的水挖起来，当把冰渣倾倒在输送带上时，参杂在冰渣中的水会从输送带上的孔洞渗下去，在下方安装雨滴传感器，当水滴在雨滴传感器上时，检测到信号变化，证明已经将冰挖透，无须继续向下进给啃噬冰，继续绕桥墩啃噬冰到安有永磁铁的位置，即完成了一个桥墩周围的冰的清理工作

雨滴传感器配有烘干装置，将传感器上的水烘干，以供在下一个清除桥墩周围的冰时使用。

（3）运动到下一个桥墩：

处理完一个桥墩周围的冰后，超声波传感器停止工作，电磁传感器开始检测来自漆包线的信号，向下一个桥墩运动，重复上两步。

（4）运动到机器存放位置：

当机器处理完所有桥墩周围的冰后，延漆包线的路径绕后机器保存位置，一次清理工作结束，补给油料，对机器适当烘干，为下次工作做准备

4 创新设计及功能特色

1、创新设计

（1）适用环境的创新

我国现有的除冰机器仅仅可以应用于路面除冰或者碎冰，并且大多数利用化学方法除冰，对建筑物有损害。对于在冰面上进行除冰，我国目前仍然全部依靠人工，还没有出现冰面的除冰机器。我们的除冰机器人首创在冰面上进行除冰，填补国内河面除冰市场的空白。并且不采用化学方法以防止腐蚀建筑物。

（2）工作方式的創新

我们采用先锤后挖的形式，确保桥墩周围的冰被处理干净，以防由于气温极低而使其迅速冻结。

（3）循迹方法的创新

采用电磁循迹。现在普遍的循迹方式都是铺在路面的光感循迹，但是这样的循迹方式不适用于冰面上，于是我们采用车顶三路模拟电磁循迹，将电线架在机器人上方，避免了因雨雪覆盖会造成的安全问题，并且三路模拟保证了循迹的精确程度。

2、功能特色

本机器人的除冰部分采用类似于多轮斗式挖掘机的结构，主要特点是结构紧凑、刚度好，能够连续挖掘、自动装卸、机动灵活。使用带有多个锯齿状挖斗的装轮，啃噬起冰面，并把挖出的冰渣倾倒在有小的孔洞的传送带上，将冰渣输送到储存箱内，在运动过程中的指定位置倾倒冰渣，有效避免像直接用输送带将冰渣输送出来，立即倾倒的那样，堵住机器人的运动轨迹的问题。

5 总结

该机器人能实现中自动循迹除冰的功能，即比人工作业效率高，又避免了人工作业可能出现的危险，能及时保护桥墩，主要通过创新的机构设计及循迹的方式来实现所需功能，可用于北方冬天较冷的地区，具有创新性与实用性。

参考文献

[1]陈文仙、庞荣.智能电磁循迹小车的硬件设计与实现[J].商情，2011，29：155.

[2]陈春林、陈宗海、卓睿.基于多超声波传感器的移动机器人目标识别[J].模式识别与人工智能，2005，18（5）：602-607.