一种中低速磁悬浮破冰融雪清扫机器人的制作方法

本发明属于磁悬浮车辆检测领域，更具体地，涉及一种中低速磁悬浮破冰融雪清扫机器人。

背景技术：

中低速磁浮交通是一种低噪声无碳交通，是未来城市交通发展的重要方向之一。中低速磁浮目前主要为吸力型磁浮，F型钢轨铺设于线路两侧，带有常导线圈的电磁铁相应地位于车辆的两侧，电磁铁与F型钢轨经过两个8～10mm气隙，形成闭合磁路，当线圈中通过直流电流时产生磁通沿上述磁路闭合，从而在两个气隙中产生有头磁拉力，磁拉力与车辆重力平衡时就可使车辆悬浮起来。

在实际运行过程中，尤其在寒冷环境中，中低速磁浮F轨容易结冰，当下雪时，F轨上也容易积雪。F轨上存在落叶、积雪等杂物时，容易被卷入悬浮控制器中，影响磁悬浮列车的正常运营，当F轨上存在冰时，影响磁浮列车的制动效果，同时也影响磁浮列车的安全运营。另外，中低速磁浮轨排多为高架悬空的开放式结构，轨枕间距约为600mm，轨道上无作业人员走行位置，这样就迫切需要一种可以自主行走于F轨，并且具有一定作业能力的机器人

因此，研究设计一种适用于中低速磁悬浮的破冰融雪清扫机器人，能够适应中低速磁浮高架悬空的开放式结构无走行空间的可靠性结构，并且能够融化F轨上的冰层并对积雪进行清扫，以保证磁浮列车的安全运营。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种破冰融雪清扫机器人，其中结合中低速磁悬浮自身的特点，相应设计了适用于中低速磁悬浮的破冰融雪清扫装置，并对其关键组件如机架、折叠弯折机构、破冰融雪清扫机构的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效实现F轨冰雪的融化与清扫，具有结构简单、操作方便等优点。

为实现上述目的，本发明提出了一种中低速磁悬浮破冰融雪清扫机器人，包括机架、折叠弯折机构、破冰融雪清扫机构和自主巡航模块，其中：

所述机架用于安装所述折叠弯折机构、破冰融雪清扫机构和自主巡航模块，其横跨在中低速磁悬浮两个F轨之间；

所述折叠弯折机构共设有两组，其分设于所述机架的两端，并位于F轨的上方，每组所述折叠弯折机构上均设置有行走轮对和卡位轮对，其中行走轮对与所述F轨的上表面接触，并沿着F轨的上表面移动，所述卡位轮对与所述F轨的内侧面接触，并沿着F轨的内侧面移动；

所述破冰融雪清扫机构同样设有两组，其分设于所述机架的两端，每组所述破冰融雪清扫机构包括固定架、F轨排障清扫单元和破冰融雪加热单元，所述固定架安装在所述机架上，并位于所述折叠弯折机构的上方，其沿着所述F轨的延伸方向布置，所述F轨排障清扫单元和破冰融雪加热单元分设于所述固定架的两端，用于实现对F轨表面的清扫和破冰融雪处理；所述F轨排障清扫单元具体为带气流喷嘴的圆盘硬质毛刷，所述气流喷嘴设于圆盘硬质毛刷的中部，所述圆盘硬质毛刷与F轨的上表面接触，其在动力源的作用下旋转，并与F轨上表面连续接触，以对F轨表面的积雪进行清扫；所述破冰融雪加热单元具体为辊轮，该辊轮的轮面设有与F轨上表面接触的凸起，起到压碎冰面的作用；所述辊轮内设有中心轴，中心轴上缠绕有电磁感应线圈，所述电磁感应线圈通电后加热所述辊轮，进而用于融化F轨表面的冰；

所述自主巡航模块安装在所述机架的下方，其用于实现破冰融雪清扫机器人沿着F轨自由行走。

作为进一步优选的，所述自主巡航模块包括导航系统、巡航计算任务控制模块和地面控制站通讯模块，所述导航系统包括惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元，所述惯性导航单元用于测量所述机器人的三轴加速度，所述GPS接收模块用于测量机器人的经度、纬度和高度，所述行走量程测量单元用于测量机器人的行走里程；所述巡航计算任务控制模块包括巡航模块和控制模块，所述巡航模块分别与所述惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元相连，所述惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元测量的数据作为输入信号输入至巡航模块中，该巡航模块根据输入的信号判断所述机器人的具体位置，并将机器人的具体位置反馈给地面控制站，所述控制模块与地面控制站通讯模块相连，其根据地面控制站通讯模块的行走指令控制机器人的行走。

作为进一步优选的，所述圆盘硬质毛刷的刷毛为防静电高弹性尼龙丝或耐磨橡胶，其设计成O型；所述动力源为电机，所述圆盘硬质毛刷通过两个彼此相连的圆形连接板与所述电机相连，其中一个圆形连接板通过传动轴与圆盘硬质毛刷相连，另一个圆形连接板与所述电机的旋转轴相连，两个圆形连接板之间的距离可调，以使圆盘硬质毛刷刷毛的尖顶部位与F轨的上表面接触，当电机运转时，圆盘硬质毛刷利用摩擦力使F轨上的杂物从F轨表面弹扫下来，同时，与传动轴平行设置的所述气流喷嘴使清扫的杂物向外部扩散，达到完美清扫的目的。

作为进一步优选的，所述辊轮内壁还粘贴有温度传感器，当温度传感器检测的温度超过80度时，停止对电磁感应线圈通电。

作为进一步优选的，每组所述折叠弯折机构上均设置有两组行走轮对和两组卡位轮对，两组行走轮对沿着所述F轨的延伸方向布置，两组卡位轮对同样沿着所述F轨的延伸方向布置，并与F轨的内侧面接触。

作为进一步优选的，所述折叠弯折机构包括行走轮安装板和卡位轮折叠板，所述行走轮安装板竖直设置并安装在所述机架上，所述行走轮对安装在所述行走轮安装板的下方，所述卡位轮折叠板通过卡位轮连接支架安装在所述行走轮安装板的侧面，所述卡位轮对安装在所述卡位轮折叠板上，并与所述F轨的内侧面接触。

作为进一步优选的，所述破冰融雪清扫机器人还设置有测距传感器和摄像机。

作为进一步优选的，所述测距传感器具体为超声波或红外测距传感器，其布置在所述机架的前后侧。

作为进一步优选的，所述摄像机通过伸缩杆安装在所述机架的上方。

作为进一步优选的，所述破冰融雪清扫机器人还设置有检测传感器，所述检测传感器设在所述固定架上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明针对中低速磁悬浮的特点专门设置了适用于中低速磁悬浮的破冰融雪清扫机器人，可实现对F轨上冰雪的破裂、融化、清扫及杂物、积雪的清扫，具有体积小、结构轻、携带方便的特点，同时还具有操作方便、适用性强等优点，可随车到达作业地点落轨即可进行使用，可有效用于中低速磁浮的工务维护和安全运营。

2.本发明通过设置适用于辅助作业机器人的折叠弯折机构和自主巡航模块，可实现机器人沿着F轨自主行走，通过专门研究设计的自主巡航模块，可实现机器人的准确定位与可靠行走，适用于中低速磁悬浮高架悬空的开放式结构，解决了中低速磁悬浮轨道上无作业人员走行位置而无法实现辅助作业机器人行走的问题。

3.本发明的折叠弯折机构共设有两组，分设于机架的两端，使用时卡位轮折叠板可在轨道落轨时向下打开以采用折叠式内侧向外抱轨的方式实现行走装置的可靠抱轨，使用结束后，其可向上折起，以减小行走装置的整体体积，具有携带方便、落轨即可工作的特点。

4.本发明的折叠弯折机构上的行走轮对设计成双轮结构，可有效防止机器人通过F轨与轨枕连接的螺栓时产生颠簸，使探伤更加准确，卡位轮对采用抱卡的方式卡装在F轨上，可有效防止机器人脱轨。

5.本发明的机架的上方设置有摄像机，该摄像机可实现轨道及轨道沿线的图像采集，并且其可升降的安装在机架上，可实现多方位、多角度的图像拍摄。

6.本发明破冰融雪清扫机器人的前后均设置有测距传感器，通过测距可使破冰融雪清扫机器人遇障碍时自动停车，实现机器人的防撞功能。

附图说明

图1是本发明实施例的中低速磁悬浮破冰融雪清扫机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例的中低速磁悬浮破冰融雪清扫机器人的后视图；

图3是本发明实施例的中低速磁悬浮破冰融雪清扫机器人的左视图；

图4是本发明实施例的自主巡航模块结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种中低速磁悬浮破冰融雪清扫机器人，其主要包括机架11、折叠弯折机构、破冰融雪清扫机构、自主巡航模块7，其中，机架11作为支撑机构，用于固定安装折叠弯折机构、破冰融雪清扫机构和自主巡航模块7，所述折叠弯折机构用于安装轮对，以实现破冰融雪清扫机器人在F轨4上的移动，所述破冰融雪清扫机构用于对F轨的结冰进行融化，并对积雪进行清扫，自主巡航模块7用于实现破冰融雪清扫机器人的自由行走。通过上述各个机构的相互配合，可实现对F轨的破冰融雪与积雪清扫，便于F轨的后续检测，并可实现机器人的自主行走，具有结构简单、操作方便等优点。

下面将对各个机构和部件进行详细的说明和描述。

如图1所示，机架11作为其他部件的支撑部件，其水平设置，并且横跨在待检测的中低速磁悬浮两个F轨之间，其布置方向与F轨的延伸方向垂直。

如图1-3所示，折叠弯折机构共设有两组，其分设于所述机架的两端，破冰融雪具体的，每组所述折叠弯折机构上均设置有行走轮对5和卡位轮对。其中，行走轮对5包括一对行走轮，其与所述F轨的上表面接触，并沿着F轨的上表面移动，其中一个是被动轮一个是主动轮，主动轮对是电机轮。该行走轮对设计成双轮结构，可有效防止机器人通过F轨与轨枕连接的螺栓时产生颠簸，使探伤结果更加准确。所述卡位轮对2包括一对卡位轮，其与所述F轨的内侧面接触，并沿着F轨的内侧面移动，该卡位轮对可保证机器人沿着轨道行走，并且在弯道处可提供差速功能。卡位轮对2是没有动力的被动轮，起卡位、限位以及防脱轨的作用。

进一步的，本发明的实施例中每组折叠弯折机构上均设置有两组行走轮对5和两组卡位轮对2，由此两组行走轮对5中的四个行走轮沿着所述F轨的延伸方向布置，并可沿着F轨运动，对破冰融雪清扫机器人的移动进行可靠的导向，而两组卡位轮对2中的四个卡位轮沿着所述F轨的延伸方向布置，并沿着F轨的内侧面运动，以此可有效保证破冰融雪清扫机器人移动的可靠性。

具体的，折叠弯折机构包括行走轮安装板12和卡位轮折叠板3，其中行走轮安装板12竖直设置并安装在所述机架上，所述行走轮对安装在行走轮安装板的下方，所述卡位轮折叠板3通过卡位轮连接支架安装在所述行走轮安装板12的侧面，并包覆在F轨的外围，然后将卡位轮对安装在卡位轮折叠板3上，并与F轨的内侧面接触，即卡位轮对2位于卡位轮折叠板1下方的内侧面与F轨的内侧面之间，以此卡位轮对采用抱卡方式卡装在F轨上，有效防止破冰融雪清扫机器人脱轨。折叠弯折机构未使用时，两组卡位轮折叠板1向上折起，以减小行走装置的整体体积，使用时，两组卡位轮折叠板1打开，使卡位轮卡装在F轨的内侧面。

所述破冰融雪清扫机构共设有两组，其分设于机架的两端，每组破冰融雪清扫机构包括固定架15、F轨排障清扫单元14和破冰融雪加热单元16，其中，固定架15安装在机架11上，并位于折叠弯折机构的上方，其沿着F轨的延伸方向布置，所述F轨排障清扫单元14和破冰融雪加热单元16分设于所述固定架15的两端，并与所述F轨的上表面接触，实现F轨的排障清扫和破冰融雪。

其中，F轨排障清扫单元14具体为带气流喷嘴的圆盘硬质毛刷，圆盘硬质毛刷与F轨的上表面接触，其通过外力作用进行旋转，以对F轨表面的积雪等异物进行清扫，F轨表面与刷毛连续接触，刷毛为防静电高弹性尼龙丝、耐磨橡胶材料，刷毛设计成“O”型。F轨排障清扫单元14具体的工作原理是通过两个圆形连接板将清扫毛刷安装在带电机旋转轴的机架上，使毛刷的传动轴与电机旋转相结合，通过调整两个圆形连接板的距离，使清扫刷毛的尖顶部位与F轨的上表面接触，当电机运转时，利用摩擦力使F轨的雪等障碍物从F轨表面上的弹扫下来，同时，和清扫传动轴并行的气流喷嘴，是微功率吹风机的气流出口，使清扫的杂质向外部扩散，通过圆盘硬质毛刷与F轨的上表面接触旋转和气流喷嘴的结合实现F轨清扫，达到完美清扫的目的。

破冰融雪加热单元16具体为辊轮，辊轮的轮面与F轨的上表面接触，辊轮外部有微小凸起，实现对薄冰的压破作用，该辊轮内设有电磁加热元件，在辊体内设置有中心轴，在中心轴的外侧缠绕电磁感应线圈，所述电磁感应线圈与辊体外部的电磁加热控制器连接以对辊轮进行加热，以此通过加热的辊轮可融化F轨表面的冰，该辊轮内壁还粘贴有温度传感器，具有高温保护功能，当温度超过上限80度，电磁加热停止运行，通过这样的方式实时控制加热温度。

自主巡航模块7安装在机架的下方，其通过控制行走轮对5的主动轮运动带动机器人运动，以驱动机器人沿着F轨移动，实现机器人的自主行走控制，由此使得本发明的辅助作业机器人适应于中低速磁悬浮高架悬空的开放式结构，该自主巡航模块7集成了行走稳定控制(控制两主动轮输出扭矩，使车辆牵引力平衡)、导航和任务控制等诸多功能，具有多个任务航路点，速度可单独设置，是一套完整的高性能、低成本和微型化的轨道机器人自主行走控制系统。

自主巡航模块7包括导航系统、巡航计算任务控制模块和地面控制站通讯模块，导航系统包括惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元，所述惯性导航单元用于测量所述机器人的三轴加速度(即xyz三向加速度，xyz方向根据实际需要设定，如设定F轨的延伸方向为x轴，与F轨延伸方向垂直，并水平分布的为y轴，与F轨延伸方向垂直，并垂直分布的为z轴)，所述GPS接收模块用于测量机器人的经度、纬度和高度，所述行走量程测量单元用于测量机器人的行走里程。巡航计算任务控制模块与地面控制站通讯模块实现数据交互，巡航计算任务控制模块可将机器人的具体位置反馈给地面控制站通讯模块，地面控制站通讯模块可发送指令给巡航计算任务控制模块，以使机器人运行至指定位置；该巡航计算任务控制模块主要包括巡航模块和控制模块，巡航模块和控制模块类似于两个微型计算机，巡航模块是基于嵌入式Linux的巡航计算机，用于导航和任务控制以及与地面控制站的通讯，控制模块是控制计算机，用于机器人的行走控制、增稳控制及与地面控制站的通讯，实现移动机器人的运动控制，具体是实现行走轮中主动轮的伺服电机的控制，通过控制主动轮的伺服电机实现主动轮的运动，进而实现机器人的运动，其适用于脉宽信号控制的各种扭矩三相无刷电机，该控制模块还可实现传感器的信息采集(测距传感器6的数据)、图像信息采集(摄像机10的数据)及导航数据的获取。具体的，巡航模块分别与惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元相连，惯性导航单元、GPS接收模块和行走量程测量单元测量的数据作为输入信号输入至巡航模块中，该巡航模块根据输入的信号判断所述机器人的具体位置，并将机器人的具体位置反馈给地面控制站，所述控制模块与地面控制站通讯模块相连，其根据地面控制站通讯模块的行走指令控制机器人的行走。

具体的，自主巡航模块7内的导航系统根据输入的巡航里程，GPS自动定位到需要到达的地点坐标，然后机器人根据行走里程与远程地面站通信输入的地点坐标实时匹配运算，同时组合惯性导航实时行走的位置与所设定的坐标位置实时匹配计算，并采用行走量程测量单元测量机器人移动的距离，以根据机器人出发点的初始值确定机器人当前的位置,根据机器人当前的具体位置，然后与已知的按照事先编制的作业航点进行PID匹配计算控制机器人的运动方向和距离,从而实现自主巡航，巡航的速度由机器人根据到达目的地的距离计算。本发明的导航系统主要是以量程标定为主，以GPS以及惯性导航为辅助的导航系统，其控制逻辑简单，结构紧凑，体积小，可使得机器人根据导航的规划路径进行行走。

为了使机器人具有防撞功能以及清楚F轨周边的情况，本发明的破冰融雪清扫机器人还设置有测距传感器6和摄像机10，所述测距传感器6设在机架上，并位于两个F轨之间，其具体为超声波或红外测距传感器，并以阵列的方式排布，破冰融雪清扫机器人的前后均布置该测距传感器。具体的，在安全距离范围内，检测到行进线路有障碍，机器人控制电控驱动单元刹车，根据速度的不同设定安全距离不同，速度越快，安全距离越远，由此可使探伤机器人遇障碍时自动安全停车，实现破冰融雪清扫机器人的防撞功能。所述摄像机10安装在所述机架的上方，其用于对轨道及轨道的沿线进行图像采集，可对异物入侵、侵限越界等情况进行观测，图像进行实时传输或存储本地，摄像机类型具体可为2D或3D摄像机，其具体通过伸缩杆9安装在机架的上方，可实现摄像机的升降，实现多方位多角度的拍摄。其中，自主巡航模块7可接收测距传感器6和摄像机10的检测数据，并对检测数据进行分析，获得所需的数据。

此外，破冰融雪清扫机器人还设置有检测传感器1，该检测传感器1布置于固定架15的前端和后端，前端传感器检测冰层厚度，冰层的厚度通过电容传感器检测，后端检测破冰融雪的效果，另外返航回程也可检测破冰融雪的效果，其共设有多个，以阵列的方式排布。根据检测传感器1检测冰层厚度，冰层厚度的检测主要基于PSD测距传感器，在上轨道时，在站内实现无冰层校准，然后根据运行获得与校准值对比的冰层厚度，根据测得的冰层厚度决定所需的加热温度，而辊轮内壁固定有温度传感器，温度传感器可测量辊轮的温度，并反馈辊轮的温度至电磁加热控制器中，电磁加热控制器通过反馈的温度，调节脉冲频率调节电磁线圈的加热功率，实现辊轮加热温度的自动调节。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。