全天候铁轨巡检机器人的结构设计

王玮琦 李欣 张雪雪 罗浩天 何斌锋

摘要：针对传统的铁轨巡检方式的缺点，工作强度大、巡检效率低、巡检标准不统一等缺点，设计一种全天候铁轨巡检机器人，该机器人能够全天在铁轨上进行巡检工作，而且机器人在工作的同时能够智能检测即将来临的火车，并能够及时的转换工作模式以及休眠模式，较之传统的人工巡检模式，该机器人不仅大幅度的缩短了巡检时间而且提高了巡检效率。

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.

关键词：铁轨巡检;巡检机器人;机械结构设计;自主避障

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

中图分类号：TP242                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0163-02

0  引言

铁路运输长期以来在我国运输中起着举足轻重的作用。铁路巡检工作事关铁路运输的安全，为保障铁路安全运行，完善对整个铁路沿线的管理及设施的维护对于铁路运输无疑有着积极的作用。而随着科技的发展和进步，高智能化、高可靠性、高效率化已成为现如今铁轨巡检的发展方向。铁轨的传统巡检方式为人工巡检，存在劳动强度大、影响列车运行、巡检效率低、巡检不到位、巡检标准不统一、雨雪恶劣天气巡检困难、影响列车运行等弊端，而且单靠巡检人员的感官和经验，很难做出客观、全面、准确的判断，给设备的安全留下隐患，为此，设计出一种全天候铁轨巡检机器人，它能够在无人干涉的情况下对铁轨进行监测并且及时对火车进行避让，及时发现铁轨的异常状况，并将信息返回到控制台，可以大幅度提高巡检的效率，规范巡检的标准，提高了巡检过程的准确性，更加有效的保护了设备。

1  整体方案设计

机器人功能结构如图1所示，机器人由运动部分，预警部分，控制部分及传感器检测舱部分。传感器通过有无信号将信息发送给控制平台，控制平台通过编写好的程序控制电机，继而驱动运动部分。传感器分为两种，距离传感器的目的是检测来临火车的距离，检测传感器是为了检测铁轨的安全程度及周围环境。机器人在巡检状态时，距离传感器和检测传感器一直处于开启状态，当距离传感器检测到来临列车进入危险距离时，显示有信号，巡检机器人退出工作状态，进入折叠状态。当火车通过后，距离传感器信号消失，机器人进入运动模式。当检测传感器检测到铁轨及周围环境的问题时，传感器显示有信号，启动预警部分，将铁轨或周围环境有问题的部分标记并将信息返回到控制中心。

2  机械结构设计

机器人机械结构如图2所示，铁轨巡检机器人的机械结构是复杂的系统，它主要由减震部分、运动部分和升降平台组成。

机器人主要靠三类电动机驱动，分别是轮系旋转步进电机、轮系滑块步进电机以及检测设备仓伸缩电机。运动部分主要由四个轮系和旋转臂组成。将机器人放置在铁轨中央，传感器一直处于工作状态，四个轮系旋转步进电机通过丝杆传动控制旋转臂的外伸和内缩，通过同步带传动控制旋转臂缓慢的旋转，直至四个轮系均搭建在铁轨上，轮系上搭有轮系滑块步进电机，当轮系都搭建在铁轨上时，电机转动驱动轮系到这机器人沿着铁轨滑动，滑动的同时，开始巡检工作。旋转臂由两部分组成，中间由减震部分连接，如图3所示，可以削弱由于铁轨的不平滑或周围环境给机器人带来的运动干扰，使机器人的运动更加稳定。旋转臂的旋转和轮系构成了升降平台，当处于巡检状态时，轮系搭建在铁轨上，当传感器检测到来临火车进入某一危险阈值时，轮系停止运动，机器人迅速转化为折叠状态以避过火车，即旋转臂旋转，在缓慢旋转的过程中，机器人整体下降，等到机器人接触到底部的时候，旋转臂进行内缩，机器人完成躲避状态。

3  运动控制设计

机器人工作状态的分類及特点如表1所示。

通过对机器人运动控制器自带软件的编程实现对机器人的运动的控制，主要是控制三类电机通过带传动或丝杠传动带动机器人的运动。机器人在铁轨上的滑动直接由四个电机驱动旋转臂及轮系完成，轮系与铁轨直接接触随着铁轨的方向运动。

利用Admas对机器人的展开及躲避运动过程进行仿真，进而确定设计的准确性和可实施性。

4  软件控制设计

机器人软件控制流程如图3所示。通过距离传感器对于来临火车的判断，将信号发送给步进伺服控制器，通过设计的程序启动电机，然后驱动机器人开始运动并同时进行巡检。

5  结束语

本文设计了一种全天候自动巡检机器人，该机器人采用触摸屏plc人机组态BE为控制器，巡检机器人能够沿着铁轨进行运动，并在移动的过程中实现对铁轨的巡检，在巡检的过程中如果遇到有问题的部分采取标记或者预警措施。该设计的特点是能够在无人的情况下实现对铁轨的巡检，统一了铁轨巡检的标准，大幅度的缩短了人们的工作时间，提高了工作效率，仿真结果及实物运行结果均证明了设计方案的可实施性。

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