鐵路電線除冰機器人機構的設計分析

摘要：當前，鐵路交通電路發展逐步完善，動車、高速列車在行進過程中，需要動力供應，這就使得鐵路電線建設和維護都需要提升效率和安全性，這是確保列車安全、高效運行的基礎和前提。鐵路電線在嚴冬季節容易出現覆冰問題，如果不及時處理，可能導致線路開裂和中斷，引發列車故障問題，后果非常嚴重。對此，需要研究鐵路電線除冰機器人機構的有效設計思路和方案，促進鐵路電線除冰工作效率不斷提升，為列車的安全高速運行保駕護航。就鐵路電線除冰機器人機構設計問題深入探究，旨在為鐵路電線運維管理提供一些新思路。

關鍵詞：鐵路電線除冰機器人移動控制導航設計機構設計

DesignandAnalysisofRailwayWireDeicingRobotMechanism

LIDandanSUWei

HeilongjiangIndustrialandCommercialUniversity，Harbin，Heilongjiang，150000China

Abstract：Atpresent，thedevelopmentofrailwaytrafficcircuitisgraduallyimproved，bullettrainsandhigh-speedtrainsneedpowersupplyintheprocessofmoving，whichmakestheconstructionandmaintenanceofrailwaywiresneedtoimproveefficiencyandsafety，whichistoensurethesafeandefficientoperationoftrains.Railwaywiresarepronetoiceproblemsintheseverewinterseason，ifnothandledintime，itmayleadtocrackingandinterruptionoftheline，resultingintrainfailure，andtheconsequencesareveryserious.Inthisregard，itisnecessarytostudytheeffectivedesignideasandschemesofrailwaywiredeicingrobotmechanism，promotethecontinuousimprovementofrailwaywiredeicingefficiency，andescortthesafeandhigh-speedoperationoftrains.Thispaperprobesdeeplyintothemechanismdesignofrailwaywiredeicingrobot，aimingatprovidingsomenewideasforrailwaywireoperationandmaintenancemanagement.

KeyWords：Railwaywire;Railwaywiredeicingrobotmovementcontrolnavigationdesign

Deicingrobot;Mobilecontrol;NavigationdesignOrganization;Design

傳統的線路除冰工作是以人工處理為主的，這種處理方案工作效率低，而且存在很大的安全隱患，而機械除冰方式又會受到結構限制，很難將和與線路緊密結合的冰層清除干凈。研究設計一種鐵路電線除冰機器人機構，旨在通過智能機器人控制來完成高效的除冰作業，降低除冰成本，提升除冰效率和安全性。目前，國外已經有很多國家開始研究這類除冰機器人的設計和控制技術，取得了一定的成效。

1鐵路電線除冰破冰機器人系統概述

鐵路電線除冰機器人是現代科技與鐵路維護結合的產物，其復雜的結構設計和高效的工作機制確保了極寒天氣下鐵路電線的安全與穩定。這一創新型的機器人技術不僅集成了多種先進的科技元素，更在實際應用中展現了顯著的優勢。

從機器人的構造上來看，其結構組件的多樣性和高度集成性是其主要特點。機器人的信號采集裝置能夠實時捕捉除冰過程中的各種動作信號，這些信號隨后通過無線電收發裝置迅速傳輸到遠程控制主機[1]。這種設計不僅保證了操作的實時性，還極大地增強了操作的準確性。而單片機則在這一過程中起到了“大腦”的作用，負責接收遠程控制主機的指令，并精確控制機器人執行相應的除冰動作。

更值得一提的是，這款除冰機器人采用了太陽能智能無線電遙控器控制，這一創新設計不僅環保，還大大提高了機器人的續航能力。在災難性的極寒環境中，穩定的能源供應是至關重要的，而太陽能組件則為此提供了可靠的解決方案[2]。

從功能上來看，除冰機器人的五大主要部分——除冰結構、控制系統、運動系統、通信系統和動力系統，都經過了精心設計。其中，除冰結構采用高效的四轉子無刷電機，能夠在短時間內完成大面積的除冰工作。而運動系統則通過可調節的滑軌、步進電機和斜齒輪等結構，保證了機器人在各種復雜環境中的穩定性和靈活性[3]。

通信系統的設計也同樣出色，它在無線電模塊和定位模塊的支持下，實現了機器人的遠程通信和定位功能。與此同時，安裝的攝像頭可以實時傳輸線路和機器人的工作狀態，為操作人員提供了全面的監控視角。

此外，該除冰機器人的能源系統以光伏組件為主，這樣設計能夠提升機器人的耐用性，也能進一步體現環保和可持續發展的理念。綜合來看，鐵路電線除冰機器人是一個高效的除冰工具，更是一個集多種先進技術于一體的智能系統。

就該除冰破冰機器人的控制原理來看，因為其包含的結構組件比較多，由多個結構組件、供電系統和電源模塊相互連接而成。這套系統的核心在于幾個關鍵部分：信號采集裝置、無線電收發裝置以及單片機[4]。信號采集裝置負責實時監控機器人的動作，并將這些信息發送到遠程控制主機，確保操作員能準確掌握機器人的工作狀態。無線電收發裝置則充當了信息傳遞的橋梁，它不僅連接著信號采集裝置和單片機，還保證了遠程控制主機與機器人之間的順暢通信。而單片機則是整個控制系統的“大腦”。它通過無線電收發裝置接收遠程控制主機的指令，然后解讀這些指令，并指揮機器人執行相應的動作。這種控制方式既靈活又高效，使得操作員可以在遠距離精確地操控機器人進行除冰破冰作業[5]。

2鐵路電線除冰破冰機器人設計要點

2.1精細化無損傷除冰裝置設計

智能除冰機9FhZiYt9htLvZsA/VUXIhcd5KBxvWAKTMz/QJ183uQI=器人的核心使命是在確保電線不受損害且維持其正常運行的狀態下，實現高效率的除冰作業。在冬季冰雪災害時期，冰層往往會根據電線的形態而延伸，形成連續的冰層[6]。當前存在的除冰技術涵蓋多種方法，包括直接除冰、鉆孔和旋轉鉆孔等。在本設計中，研究采用了一種創新的四轉子無刷電機來進行旋轉除冰。相較于傳統的手工剝線除冰方式，這種方法不僅提高了除冰效率，而且大幅降低了對電纜的潛在損害，從而減少了可能引發的安全事故，如觸電、電纜腫脹或墜落等。通過深入對比線路損傷程度、操作安全性、除冰效率以及除冰效果等多個維度，研究可以清晰地看到旋刷式電機的顯著優勢[7]。

2.2電機的科學選擇與配置

在設計和構建智能除冰機器人時，電機的選擇和設計環境分析顯得尤為重要。這不僅關乎機器人設計的成功與否，更直接影響其在實際應用中的性能和穩定性。電機的性能必須完全符合除冰作業的要求，同時，研究還需要對其熱工條件有深入地了解。電機的熱工特性與其實際工作環境緊密相關，反映了電機在長期運行過程中負載的變化趨勢。即使在正常溫度下長時間運行，只要負載保持在額定范圍內，電機也不會出現過熱現象[8]。因此，為電機賦予的額定功率應至少等同于或高于除冰機器人電機的輸出功率。在計算電機功率時，研究需要確保所選參數在可接受范圍內，因為參數過大可能會導致機器人側輪速度增加，進而影響其機械結構的穩定性，甚至可能引發控制失靈和磁盤負載增大的問題。相反，如果參數設置過小，電機可能會過載，從而導致故障。因此，在設計過程中，必須進行精確地計算，以確定電機的額定電壓、轉速和電流控制速率。

2.3移動控制與導航設計的優化

在除冰機器人的路徑規劃中，研究主要依賴是慣性測量單元（InertialMeasurementUnit，IMU）和Kinect融合算法。這些先進技術的融合顯著提高了機器人行走路徑的精確度，確保了方向和距離控制的準確性。此外，除冰機器人還利用激光雷達實現自主測繪和導航，與微機的連接則進一步保證了系統處理的可靠性和速度。為了有效地控制機器人的速度誤差并提升其整體性能，研究將負載和相應的電機連接到速度叉和電路上。這樣的設計使得機器人能夠按照預定的運動方向行進，從而大幅度提升了智能除冰機器人的精確性和可靠性。在通信方面，研究選擇了NRF24L01無線模塊，該模塊在2.4～GHz至2.5GHz的ISM頻率范圍內工作。其內置的頻率合成器、功率放大器、晶振和調制器等功能模塊使輸出功率和通信通道可以通過軟件進行靈活配置。這款模塊的低功耗特性和多種省電工作模式顯著降低了使用中的能耗，同時，其較遠的數據傳輸距離也優于Wi-FiWiFi技術[9]。

2.4信號采集與噪聲處理

在除冰機器人的設計中，旋轉運動是至關重要的，但這種運動在實際操作中會產生一定的噪聲。噪聲的頻率會隨著部件和速度的不同而變化，這使得找到一個噪聲頻率的平衡點變得相當具有挑戰性。為了解決這個問題，研究需要收集和存儲噪聲數據。研究通過傳感器和聲卡來采集噪聲信號，并將其發送到計算機進行分析。聲卡能夠將接收到的模擬信號通過A/D轉換器轉換為數字信號。信號分析包括時域和頻域的分類分析。由于采集到的信號大多是時域信號，為了獲得更清晰的信息，研究需要將這些信號轉換為頻域信號并進行頻譜分析。

2.5高精度定位模塊的選擇與設計

為了實現除冰機器人的精確定位，研究選擇使用SM2217-MTGPS定位模塊。這款定位模塊憑借其出色的性能，能夠為鐵路電線除冰機器人提供穩固的定位支持。SM2217-MTGPS定位模塊具有極低的功耗，這對于需要長時間在戶外工作的除冰機器人來說至關重要。低功耗意味著機器人可以在不頻繁更換電池的情況下工作更長時間，從而提高工作效率和可靠性。該模塊的高靈敏度使其能夠在各種環境下快速捕捉到GPS信號。即使在信號較弱或遮擋較多的區域，SM2217-MT也能提供穩定的定位數據，這對于在復雜環境中工作的除冰機器人來說是非常寶貴的。此外，模塊的小巧體積為機器人的整體設計提供了更多的靈活性。所以在具體操作應用中，可以在不犧牲機器人其他功能的前提下，輕松地將該模塊集成到機器人中，實現緊湊而高效的定位解決方案。使用SM2217-MTGPS定位模塊可以有效地擴大覆蓋范圍，提升其工作性能。

3智能除冰機器人的實現

智能除冰破冰機器人作為一種特殊的工業機器人，其在輸電線路上進行長距離、長時間的工作特性，決定了其設計的復雜性和精準性。與常規的機器人不同，這種機器人不僅需要在惡劣的環境條件下穩定運行，還需要與多個單元模塊協同工作，這就要求在設IHcYhGTPPthSNv8ZoddWCA==計過程中對各單元組件進行有效的調試和組裝。

為了實現機器人在輸電線路上的穩定行走以及卡線破冰的功能，特別設計4個動力輪和3個滑輪的配置。這四個動力輪是機器人的“腳”，它們能夠提供機器人行進所需的動力，還能通過精確的控制算法確保機器人在輸電線路上穩定、準確地移動。而3個滑輪則起到輔助支撐和平衡的作用，使機器人在進行除冰作業時能夠保持穩定，不會因為冰層的不均勻或者線路的波動而影響作業效果。

這4個動力輪的設計也是決定系統性能的關鍵部分，設計中采用高扭矩、低轉速的電機，以確保機器人在面對厚厚的冰層時也能有足夠的動力進行破冰。輪子的材質也經過特別的選擇和處理，以增強其耐磨性和抗寒性，確保在惡劣的天氣條件下也能正常工作。

4結語

本文介紹了一種體積小、質量輕的鐵路電線除冰機器人系統，旨在滿足野外大范圍、長時間的除冰工作的需求。研究從該鐵路電線除冰機器人的精細化無損傷除冰裝置設計、電機的科學選擇與配置、移動控制與導航設計的優化、信號采集與噪聲處理以及高精度定位模塊的選擇與設計等方面深入探析，經過線路試驗驗證，該機器人在配網除冰工作中表現優異，顯示出較高的實用價值。此系統的推廣應用有望提升電力公司的配網檢修能力，大幅增強供電可靠性，展現出廣闊的應用前景與市場潛力。

參考文獻

[1] 任麗.基于模糊PID算法的輸電線路除冰機器人智能控制系統設計[J].信息工程大學學報，2023，24（2）：157-162.

[2] 譚志超，劉良才，雷云飛，等.配電網線路除冰機器人的結構設計[J].集成電路應用，2023，40（3）：220-221.

[3] 鄺江華，鄒德華，劉蘭蘭，等.輸電線除冰機器人機械結構設計與運動特性分析[J].武漢紡織大學學報，2021，34（5）：33-39.

[4] 穆聰，火久元，劉釗文，等.一種輸電線路的智能多功能除冰機器人的設計與實現[J].科技風，2021（24）：19-21.

[5] 牛捷，鄒德華，鄺江華，等.絕緣子串激光除冰機器人人機交互控制系統設計[J].武漢紡織大學學報，2021，34（4）：33-37.