一種冰面自動挖掘機器人

郭楚寧+趙潤超+馬帥+郭新育

摘 要：設計并實現一種冰面自動挖機機器人，以電磁循跡的方式在冰面上行走、利用沖擊錘敲碎冰面，以輪斗結構來進行撈冰等方案來實現。此設計結構配置經濟合理，基本上實現了代替人工在冰面上除冰以保護橋墩的目的。

關鍵詞：冰面；挖掘；機器人

1 問題提出與設計分析

據央視新聞聯播報道，現在在我國北方，冬天河水結冰時，由于膨脹，會擠壓所接觸的橋墩。結冰越厚，甚至會造成橋墩的位移變形，直接影響行車安全。為避免安全問題出現，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，費時費力又危險，而且任務繁重。而且近年來橋梁安全已成為全國人民越來越關注的問題，而橋梁老化又是橋梁安全問題中最為突出的因素之一。

目前我國國內沒有任何同類并且相同用途的產品，市場的空白以及巨大的需求將導致這一設計會創造巨大的價值。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度的地區的過河橋梁大多都需要這種維護，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數以千計，都存在此危險，需要進行維護。北方這種的通過加強日常維修，避免出現危橋導致人力物力的巨大損失。

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，并且我們將在機身加有傳感及安全氣囊裝置，若不慎落水，則可以觸發機身的自救裝置，保障了財產安全。

2 系統方案設計及評估

1、系統方案設計

按照工作流程，冰面自動挖掘機器人分為一下幾個結構。

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，內部通有常用的220v，50Hz交流電，淺藍色線為橋墩的輪廓線。粉色的區域為要除冰的區域，綠色的圓點處有放置永久磁鐵，黃色箭頭標記的方向為機器人的運行方向。

除冰運輸：當機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

錘擊冰面相關計算：

模型與實物比例約為1：20，實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。除冰機器人中所用的錘子與人工所用工具相比頻率較快、強度較高。按照模型中所設想按比例放大，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，如果有八個鏟斗進行工作，模型與實物尺寸比例1：20，實物每個鏟斗容量約為0.1立方米，共八個輪斗進行工作，輪斗轉速約4轉每秒，清理一個橋墩共需3分鐘左右的時間。

經過合理運算與數據分析，此機器效率高，一臺機器人可以相當于一支15人的除冰隊伍。

3 結構設計與實施流程

1、結構設計

如圖一，冰面自動挖掘機器人，包括：

機身2、制器7、錘子9、第一電機10、第二電機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10的輸出軸固定連接，所述鏟斗4與所述第二電機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身2下方；所述氣泵3與所述氣囊6導管連接；所述控制器7分別與第一電機10、第二電機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，提前架設于機器人的行進路線上方。

工作時，控制器7控制第一電機10，第一電機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動路徑以外的范圍。

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

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

本方案所取得的有益效果是：1、可以在結冰的水面上進行除冰。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。3、車底部放置有水壓傳感器，當機器人落水時，會由水壓傳感器的信號觸發氣泵啟動，使車身底部的氣囊迅速充氣，會托起車身，使機器人浮起，避免其因落水問題而報廢。

2、實施流程

（1）自動運動到橋墩階段：

機器人底部為較寬的輪子，并且在機器存放處安裝有方波發生器，給漆包線提供頻率恒定的方波電流，使漆包線周圍產生交變磁場，機器人上安裝多組電磁傳感器檢測漆包線周圍的交變磁場，使機器人沿著漆包線的路線運動（采用飛思卡爾智能車電磁組的循跡方式）。當機器人運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3000-5000Gs（高斯）的磁場強度后，機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：

當機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給。

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

當機器首先捶碎冰面，通過機器身上超聲波測距，當冰面被錘透時，水會涌上來，導致水面距離的突變，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，將轉至下一個橋墩進行除冰。會一同將冰下的水挖起來，當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，當水滴在雨滴傳感器上時，檢測到信號變化，證明已經將冰挖透，無須繼續向下進給啃噬冰，繼續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，向下一個橋墩運動，重復上兩步。

（4）運動到機器存放位置：

當機器處理完所有橋墩周圍的冰后，延漆包線的路徑繞后機器保存位置，一次清理工作結束，補給油料，對機器適當烘干，為下次工作做準備

4 創新設計及功能特色

1、創新設計

（1）適用環境的創新

我國現有的除冰機器僅僅可以應用于路面除冰或者碎冰，并且大多數利用化學方法除冰，對建筑物有損害。對于在冰面上進行除冰，我國目前仍然全部依靠人工，還沒有出現冰面的除冰機器。我們的除冰機器人首創在冰面上進行除冰，填補國內河面除冰市場的空白。并且不采用化學方法以防止腐蝕建筑物。

（2）工作方式的創新

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。

（3）循跡方法的創新

采用電磁循跡。現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

本機器人的除冰部分采用類似于多輪斗式挖掘機的結構，主要特點是結構緊湊、剛度好，能夠連續挖掘、自動裝卸、機動靈活。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，在運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，堵住機器人的運動軌跡的問題。

5 總結

該機器人能實現中自動循跡除冰的功能，即比人工作業效率高，又避免了人工作業可能出現的危險，能及時保護橋墩，主要通過創新的機構設計及循跡的方式來實現所需功能，可用于北方冬天較冷的地區，具有創新性與實用性。

參考文獻

[1]陳文仙、龐榮.智能電磁循跡小車的硬件設計與實現[J].商情，2011，29：155.

[2]陳春林、陳宗海、卓睿.基于多超聲波傳感器的移動機器人目標識別[J].模式識別與人工智能，2005，18（5）：602-607.