全天候在軌智能清潔機器人設計

宋子詔

摘 要：針對當前鐵路軌道上垃圾橫飛和異物入侵而導致的交通事故，本文設計了智能清潔機器人，該機器人通過使用軌道機器人移動載體實現在軌道上的運動，利用軌道脫離與列車避讓機構實現機器人與列車的避讓，從而實現并發工作機制功能，提高軌道運行利用率。機器人車體搭載了異物清理與垃圾回收裝置等，實現對軌道垃圾的清理功能。該機器人對降低鐵路系統交通事故率和運營成本、提高鐵路運行效率起到十分重要的作用。

關鍵詞：軌道清潔；智能機器人；全天候；在軌工作

中圖分類號：TP24 文獻標志碼：A

0 引言

當今世界大量高鐵線路拔地而起并成片聯網運營。根據鐵道部相關數據，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數萬起，占鐵路交通事故的90%，造成數萬人死亡、千人受傷，直接經濟損失達上百億元。目前鐵路軌道垃圾清理多依靠人工，自動化裝置還未投入實際使用。人工作業不僅浪費了大量財力和物力，而且還存在很大風險。

1 全天候在軌智能清潔機器人整機組成

基于上述難題和需求，本文研發了全天候在軌智能清潔機器人，如圖1所示。

該機器人主體為軌道車結構，兩端設置了軌道脫離和避讓機構實現機器人與列車的避讓功能，從而使機器人與列車可并發工作，提高工作效率。異物清理與垃圾回收裝置則可實現對軌道上的垃圾進行清理和清除，尤其是對于大型異物，可通過機械臂進行搬離，可有效避免列車與異物的碰撞。傳感器融合模塊則可實現對列車是否到來信號的檢測，從而通知機器人進行提前避讓列車；同時該模塊還包括異物入侵判別模塊等，可實現對入侵至鐵路系統的動物或人進行警告并驅離。控制與能源模塊不僅可實現對機器人的智能全自主控制，而且還通過能源搜集模塊實現能量捕獲，從而使得機器人能量具有持續性，保證全天候在軌工作。

2 全天候在軌智能清潔機器人研發

從圖1中可以看出，清潔機器人包括機器人移動載體、軌道脫離與列車避讓機構等，具體部件設計如下：

機器人移動載體包括軌道機器人本體、輪組行走部件和行走驅動部件。通過驅動行走驅動部件中的電機部件運轉，帶動輪組行走部件中的車輪轉動，進而帶動機器人移動載體以及上部的各類設備運動。該運動包括：前后、后退、轉彎和停止等運動類型。

軌道脫離與列車避讓機構主要實現對列車的避讓功能，是機器人的核心部件，包括本體位移滑臺、橫向支撐旋轉臂、垂向支撐擺動臂、軌道夾具。軌道夾具可實現對軌道的夾持或釋放功能，橫向支撐旋轉臂則可實現本體位移滑臺相對垂向支撐擺動臂旋轉，而垂向支撐擺動臂可實現橫向支撐旋轉臂相對軌道夾具的角度變換。上述變換過程主要發生在軌道夾具夾緊軌道時，以軌道夾具為參照點，垂向支撐擺動臂發生角度變換、橫向支撐旋轉臂發生角度轉動、本體位移滑臺位置移動，最終帶動機器人移動載體實現相對軌道的位置和角度變換功能，實現對列車的躲避功能。

該結構具體實現避讓列車的步驟如下：

（1）列車到達前，機器人移動載體停止行走并停止清理垃圾、停止清潔軌道；本體位移滑臺中滑臺驅動電機正轉，滑塊向下運動，帶動橫向支撐旋轉臂、垂向支撐擺動臂和軌道夾具下降。

（2）緊接著軌道夾具位移電機實現伸長運動，帶動軌道夾板實現對軌道夾緊運動；本體位移滑臺中滑臺驅動電機正轉，滑塊向下運動，軌道機器人移動載體開始相對軌道脫離與列車避讓機構上升，從而脫離軌道，開始運動至軌道正上方，如圖2（a）所示。

（3）然后軌道機器人移動載體被抬升至正上方后，橫向中段旋轉電機正轉，橫向首段支撐臂相對橫向末段支撐臂轉動，進而帶動本體位移滑臺以及機器人移動載體旋轉，此時軌道機器人移動載體被旋轉至橫向狀態，如圖2（b）所示。

（4）此后滑臺驅動電機正轉，軌道機器人移動載體繼續通過被本體位移滑臺發生位移運動，本體位移滑臺發生位移變化，向軌道外側移動，開始從軌道上方脫離軌道上部空間。

（5）上述步驟完成后，橫向中段旋轉電機正轉，軌道機器人移動載體會被旋轉至超越橫向狀態，機器人移動載體處于軌道外側且其最頂端觸碰地面；機器人移動載體頂端觸碰路面后，垂向中段擺動電機正轉，垂向首段支撐臂以及與其相連的本體位移滑臺、軌道機器人移動載體等相對垂向末段支撐臂向軌道外側擺動，機器人移動載體繼續遠離軌道，如圖2（c）所示。

（6）機器人移動載體離開軌道后，軌道夾具位移電機實現收縮運動，帶動軌道夾板263實現對軌道釋放功能，軌道夾具從軌道得以釋放；橫向中段旋轉電機繼續正轉，垂向末段支撐臂相對垂向首段支撐臂擺動，進而帶動軌道夾具向軌道外側擺動，最終實現脫離軌道功能，實現對列車的避讓，圖2（d）。

當軌道脫離與列車避讓機構避讓列車后，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構、垃圾回收裝置。垃圾清理與異物清障機構主要實現對軌道上垃圾、灰塵清理，對軌道及軌道周圍的障礙物搬離或將入侵的異物進行驅離；垃圾回收裝置則可實現對垃圾清理與異物清障機構收集的垃圾進行回收。

傳感器融合模塊包括：異物入侵識別機構、環境參數采集模塊。異物入侵識別機構可實現對軌道智能清潔機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行識別；環境參數采集模塊則可實現對列車到來及離開信號的監測功能。

控制與能源模塊主要實現對軌道智能清潔機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、能源存儲裝置、能源獲取裝置、執行機構驅動模塊等子模塊。

結語

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

參考文獻

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