全天候鐵軌巡檢機器人的結構設計

王瑋琦 李欣 張雪雪 羅浩天 何斌鋒

摘要：針對傳統的鐵軌巡檢方式的缺點，工作強度大、巡檢效率低、巡檢標準不統一等缺點，設計一種全天候鐵軌巡檢機器人，該機器人能夠全天在鐵軌上進行巡檢工作，而且機器人在工作的同時能夠智能檢測即將來臨的火車，并能夠及時的轉換工作模式以及休眠模式，較之傳統的人工巡檢模式，該機器人不僅大幅度的縮短了巡檢時間而且提高了巡檢效率。

Abstract： In view of the shortcomings of traditional railway inspection methods， for example， high-intensity work， low inspection efficiency， non-uniform inspection standards and so on. We created a all-weather track inspection robot. It can patrol the track all day long.In addition，? the robot can intelligently detect the incoming? trains while working ，and timely change the working mode and sleeping mode.Compared with the traditional inspection method， the robot not only? shortens the inspection time but also improves the inspection efficiency.

關鍵詞：鐵軌巡檢;巡檢機器人;機械結構設計;自主避障

Key words： rail inspection;inspection robot;mechanical structure design;autonomous obstacle avoidance

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0163-02

0? 引言

鐵路運輸長期以來在我國運輸中起著舉足輕重的作用。鐵路巡檢工作事關鐵路運輸的安全，為保障鐵路安全運行，完善對整個鐵路沿線的管理及設施的維護對于鐵路運輸無疑有著積極的作用。而隨著科技的發展和進步，高智能化、高可靠性、高效率化已成為現如今鐵軌巡檢的發展方向。鐵軌的傳統巡檢方式為人工巡檢，存在勞動強度大、影響列車運行、巡檢效率低、巡檢不到位、巡檢標準不統一、雨雪惡劣天氣巡檢困難、影響列車運行等弊端，而且單靠巡檢人員的感官和經驗，很難做出客觀、全面、準確的判斷，給設備的安全留下隱患，為此，設計出一種全天候鐵軌巡檢機器人，它能夠在無人干涉的情況下對鐵軌進行監測并且及時對火車進行避讓，及時發現鐵軌的異常狀況，并將信息返回到控制臺，可以大幅度提高巡檢的效率，規范巡檢的標準，提高了巡檢過程的準確性，更加有效的保護了設備。

1? 整體方案設計

機器人功能結構如圖1所示，機器人由運動部分，預警部分，控制部分及傳感器檢測艙部分。傳感器通過有無信號將信息發送給控制平臺，控制平臺通過編寫好的程序控制電機，繼而驅動運動部分。傳感器分為兩種，距離傳感器的目的是檢測來臨火車的距離，檢測傳感器是為了檢測鐵軌的安全程度及周圍環境。機器人在巡檢狀態時，距離傳感器和檢測傳感器一直處于開啟狀態，當距離傳感器檢測到來臨列車進入危險距離時，顯示有信號，巡檢機器人退出工作狀態，進入折疊狀態。當火車通過后，距離傳感器信號消失，機器人進入運動模式。當檢測傳感器檢測到鐵軌及周圍環境的問題時，傳感器顯示有信號，啟動預警部分，將鐵軌或周圍環境有問題的部分標記并將信息返回到控制中心。

2? 機械結構設計

機器人機械結構如圖2所示，鐵軌巡檢機器人的機械結構是復雜的系統，它主要由減震部分、運動部分和升降平臺組成。

機器人主要靠三類電動機驅動，分別是輪系旋轉步進電機、輪系滑塊步進電機以及檢測設備倉伸縮電機。運動部分主要由四個輪系和旋轉臂組成。將機器人放置在鐵軌中央，傳感器一直處于工作狀態，四個輪系旋轉步進電機通過絲桿傳動控制旋轉臂的外伸和內縮，通過同步帶傳動控制旋轉臂緩慢的旋轉，直至四個輪系均搭建在鐵軌上，輪系上搭有輪系滑塊步進電機，當輪系都搭建在鐵軌上時，電機轉動驅動輪系到這機器人沿著鐵軌滑動，滑動的同時，開始巡檢工作。旋轉臂由兩部分組成，中間由減震部分連接，如圖3所示，可以削弱由于鐵軌的不平滑或周圍環境給機器人帶來的運動干擾，使機器人的運動更加穩定。旋轉臂的旋轉和輪系構成了升降平臺，當處于巡檢狀態時，輪系搭建在鐵軌上，當傳感器檢測到來臨火車進入某一危險閾值時，輪系停止運動，機器人迅速轉化為折疊狀態以避過火車，即旋轉臂旋轉，在緩慢旋轉的過程中，機器人整體下降，等到機器人接觸到底部的時候，旋轉臂進行內縮，機器人完成躲避狀態。

3? 運動控制設計

機器人工作狀態的分類及特點如表1所示。

通過對機器人運動控制器自帶軟件的編程實現對機器人的運動的控制，主要是控制三類電機通過帶傳動或絲杠傳動帶動機器人的運動。機器人在鐵軌上的滑動直接由四個電機驅動旋轉臂及輪系完成，輪系與鐵軌直接接觸隨著鐵軌的方向運動。

利用Admas對機器人的展開及躲避運動過程進行仿真，進而確定設計的準確性和可實施性。

4? 軟件控制設計

機器人軟件控制流程如圖3所示。通過距離傳感器對于來臨火車的判斷，將信號發送給步進伺服控制器，通過設計的程序啟動電機，然后驅動機器人開始運動并同時進行巡檢。

5? 結束語

本文設計了一種全天候自動巡檢機器人，該機器人采用觸摸屏plc人機組態BE為控制器，巡檢機器人能夠沿著鐵軌進行運動，并在移動的過程中實現對鐵軌的巡檢，在巡檢的過程中如果遇到有問題的部分采取標記或者預警措施。該設計的特點是能夠在無人的情況下實現對鐵軌的巡檢，統一了鐵軌巡檢的標準，大幅度的縮短了人們的工作時間，提高了工作效率，仿真結果及實物運行結果均證明了設計方案的可實施性。

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