铁路电线除冰机器人机构的设计分析

摘要：当前，铁路交通电路发展逐步完善，动车、高速列车在行进过程中，需要动力供应，这就使得铁路电线建设和维护都需要提升效率和安全性，这是确保列车安全、高效运行的基础和前提。铁路电线在严冬季节容易出现覆冰问题，如果不及时处理，可能导致线路开裂和中断，引发列车故障问题，后果非常严重。对此，需要研究铁路电线除冰机器人机构的有效设计思路和方案，促进铁路电线除冰工作效率不断提升，为列车的安全高速运行保驾护航。就铁路电线除冰机器人机构设计问题深入探究，旨在为铁路电线运维管理提供一些新思路。

关键词：铁路电线除冰机器人移动控制导航设计机构设计

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

传统的线路除冰工作是以人工处理为主的，这种处理方案工作效率低，而且存在很大的安全隐患，而机械除冰方式又会受到结构限制，很难将和与线路紧密结合的冰层清除干净。研究设计一种铁路电线除冰机器人机构，旨在通过智能机器人控制来完成高效的除冰作业，降低除冰成本，提升除冰效率和安全性。目前，国外已经有很多国家开始研究这类除冰机器人的设计和控制技术，取得了一定的成效。

1铁路电线除冰破冰机器人系统概述

铁路电线除冰机器人是现代科技与铁路维护结合的产物，其复杂的结构设计和高效的工作机制确保了极寒天气下铁路电线的安全与稳定。这一创新型的机器人技术不仅集成了多种先进的科技元素，更在实际应用中展现了显著的优势。

从机器人的构造上来看，其结构组件的多样性和高度集成性是其主要特点。机器人的信号采集装置能够实时捕捉除冰过程中的各种动作信号，这些信号随后通过无线电收发装置迅速传输到远程控制主机[1]。这种设计不仅保证了操作的实时性，还极大地增强了操作的准确性。而单片机则在这一过程中起到了“大脑”的作用，负责接收远程控制主机的指令，并精确控制机器人执行相应的除冰动作。

更值得一提的是，这款除冰机器人采用了太阳能智能无线电遥控器控制，这一创新设计不仅环保，还大大提高了机器人的续航能力。在灾难性的极寒环境中，稳定的能源供应是至关重要的，而太阳能组件则为此提供了可靠的解决方案[2]。

从功能上来看，除冰机器人的五大主要部分——除冰结构、控制系统、运动系统、通信系统和动力系统，都经过了精心设计。其中，除冰结构采用高效的四转子无刷电机，能够在短时间内完成大面积的除冰工作。而运动系统则通过可调节的滑轨、步进电机和斜齿轮等结构，保证了机器人在各种复杂环境中的稳定性和灵活性[3]。

通信系统的设计也同样出色，它在无线电模块和定位模块的支持下，实现了机器人的远程通信和定位功能。与此同时，安装的摄像头可以实时传输线路和机器人的工作状态，为操作人员提供了全面的监控视角。

此外，该除冰机器人的能源系统以光伏组件为主，这样设计能够提升机器人的耐用性，也能进一步体现环保和可持续发展的理念。综合来看，铁路电线除冰机器人是一个高效的除冰工具，更是一个集多种先进技术于一体的智能系统。

就该除冰破冰机器人的控制原理来看，因为其包含的结构组件比较多，由多个结构组件、供电系统和电源模块相互连接而成。这套系统的核心在于几个关键部分：信号采集装置、无线电收发装置以及单片机[4]。信号采集装置负责实时监控机器人的动作，并将这些信息发送到远程控制主机，确保操作员能准确掌握机器人的工作状态。无线电收发装置则充当了信息传递的桥梁，它不仅连接着信号采集装置和单片机，还保证了远程控制主机与机器人之间的顺畅通信。而单片机则是整个控制系统的“大脑”。它通过无线电收发装置接收远程控制主机的指令，然后解读这些指令，并指挥机器人执行相应的动作。这种控制方式既灵活又高效，使得操作员可以在远距离精确地操控机器人进行除冰破冰作业[5]。

2铁路电线除冰破冰机器人设计要点

2.1精细化无损伤除冰装置设计

智能除冰机9FhZiYt9htLvZsA/VUXIhcd5KBxvWAKTMz/QJ183uQI=器人的核心使命是在确保电线不受损害且维持其正常运行的状态下，实现高效率的除冰作业。在冬季冰雪灾害时期，冰层往往会根据电线的形态而延伸，形成连续的冰层[6]。当前存在的除冰技术涵盖多种方法，包括直接除冰、钻孔和旋转钻孔等。在本设计中，研究采用了一种创新的四转子无刷电机来进行旋转除冰。相较于传统的手工剥线除冰方式，这种方法不仅提高了除冰效率，而且大幅降低了对电缆的潜在损害，从而减少了可能引发的安全事故，如触电、电缆肿胀或坠落等。通过深入对比线路损伤程度、操作安全性、除冰效率以及除冰效果等多个维度，研究可以清晰地看到旋刷式电机的显著优势[7]。

2.2电机的科学选择与配置

在设计和构建智能除冰机器人时，电机的选择和设计环境分析显得尤为重要。这不仅关乎机器人设计的成功与否，更直接影响其在实际应用中的性能和稳定性。电机的性能必须完全符合除冰作业的要求，同时，研究还需要对其热工条件有深入地了解。电机的热工特性与其实际工作环境紧密相关，反映了电机在长期运行过程中负载的变化趋势。即使在正常温度下长时间运行，只要负载保持在额定范围内，电机也不会出现过热现象[8]。因此，为电机赋予的额定功率应至少等同于或高于除冰机器人电机的输出功率。在计算电机功率时，研究需要确保所选参数在可接受范围内，因为参数过大可能会导致机器人侧轮速度增加，进而影响其机械结构的稳定性，甚至可能引发控制失灵和磁盘负载增大的问题。相反，如果参数设置过小，电机可能会过载，从而导致故障。因此，在设计过程中，必须进行精确地计算，以确定电机的额定电压、转速和电流控制速率。

2.3移动控制与导航设计的优化

在除冰机器人的路径规划中，研究主要依赖是惯性测量单元（InertialMeasurementUnit，IMU）和Kinect融合算法。这些先进技术的融合显著提高了机器人行走路径的精确度，确保了方向和距离控制的准确性。此外，除冰机器人还利用激光雷达实现自主测绘和导航，与微机的连接则进一步保证了系统处理的可靠性和速度。为了有效地控制机器人的速度误差并提升其整体性能，研究将负载和相应的电机连接到速度叉和电路上。这样的设计使得机器人能够按照预定的运动方向行进，从而大幅度提升了智能除冰机器人的精确性和可靠性。在通信方面，研究选择了NRF24L01无线模块，该模块在2.4～GHz至2.5GHz的ISM频率范围内工作。其内置的频率合成器、功率放大器、晶振和调制器等功能模块使输出功率和通信通道可以通过软件进行灵活配置。这款模块的低功耗特性和多种省电工作模式显著降低了使用中的能耗，同时，其较远的数据传输距离也优于Wi-FiWiFi技术[9]。

2.4信号采集与噪声处理

在除冰机器人的设计中，旋转运动是至关重要的，但这种运动在实际操作中会产生一定的噪声。噪声的频率会随着部件和速度的不同而变化，这使得找到一个噪声频率的平衡点变得相当具有挑战性。为了解决这个问题，研究需要收集和存储噪声数据。研究通过传感器和声卡来采集噪声信号，并将其发送到计算机进行分析。声卡能够将接收到的模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号。信号分析包括时域和频域的分类分析。由于采集到的信号大多是时域信号，为了获得更清晰的信息，研究需要将这些信号转换为频域信号并进行频谱分析。

2.5高精度定位模块的选择与设计

为了实现除冰机器人的精确定位，研究选择使用SM2217-MTGPS定位模块。这款定位模块凭借其出色的性能，能够为铁路电线除冰机器人提供稳固的定位支持。SM2217-MTGPS定位模块具有极低的功耗，这对于需要长时间在户外工作的除冰机器人来说至关重要。低功耗意味着机器人可以在不频繁更换电池的情况下工作更长时间，从而提高工作效率和可靠性。该模块的高灵敏度使其能够在各种环境下快速捕捉到GPS信号。即使在信号较弱或遮挡较多的区域，SM2217-MT也能提供稳定的定位数据，这对于在复杂环境中工作的除冰机器人来说是非常宝贵的。此外，模块的小巧体积为机器人的整体设计提供了更多的灵活性。所以在具体操作应用中，可以在不牺牲机器人其他功能的前提下，轻松地将该模块集成到机器人中，实现紧凑而高效的定位解决方案。使用SM2217-MTGPS定位模块可以有效地扩大覆盖范围，提升其工作性能。

3智能除冰机器人的实现

智能除冰破冰机器人作为一种特殊的工业机器人，其在输电线路上进行长距离、长时间的工作特性，决定了其设计的复杂性和精准性。与常规的机器人不同，这种机器人不仅需要在恶劣的环境条件下稳定运行，还需要与多个单元模块协同工作，这就要求在设IHcYhGTPPthSNv8ZoddWCA==计过程中对各单元组件进行有效的调试和组装。

为了实现机器人在输电线路上的稳定行走以及卡线破冰的功能，特别设计4个动力轮和3个滑轮的配置。这四个动力轮是机器人的“脚”，它们能够提供机器人行进所需的动力，还能通过精确的控制算法确保机器人在输电线路上稳定、准确地移动。而3个滑轮则起到辅助支撑和平衡的作用，使机器人在进行除冰作业时能够保持稳定，不会因为冰层的不均匀或者线路的波动而影响作业效果。

这4个动力轮的设计也是决定系统性能的关键部分，设计中采用高扭矩、低转速的电机，以确保机器人在面对厚厚的冰层时也能有足够的动力进行破冰。轮子的材质也经过特别的选择和处理，以增强其耐磨性和抗寒性，确保在恶劣的天气条件下也能正常工作。

4结语

本文介绍了一种体积小、质量轻的铁路电线除冰机器人系统，旨在满足野外大范围、长时间的除冰工作的需求。研究从该铁路电线除冰机器人的精细化无损伤除冰装置设计、电机的科学选择与配置、移动控制与导航设计的优化、信号采集与噪声处理以及高精度定位模块的选择与设计等方面深入探析，经过线路试验验证，该机器人在配网除冰工作中表现优异，显示出较高的实用价值。此系统的推广应用有望提升电力公司的配网检修能力，大幅增强供电可靠性，展现出广阔的应用前景与市场潜力。

参考文献

[1] 任丽.基于模糊PID算法的输电线路除冰机器人智能控制系统设计[J].信息工程大学学报，2023，24（2）：157-162.

[2] 谭志超，刘良才，雷云飞，等.配电网线路除冰机器人的结构设计[J].集成电路应用，2023，40（3）：220-221.

[3] 邝江华，邹德华，刘兰兰，等.输电线除冰机器人机械结构设计与运动特性分析[J].武汉纺织大学学报，2021，34（5）：33-39.

[4] 穆聪，火久元，刘钊文，等.一种输电线路的智能多功能除冰机器人的设计与实现[J].科技风，2021（24）：19-21.

[5] 牛捷，邹德华，邝江华，等.绝缘子串激光除冰机器人人机交互控制系统设计[J].武汉纺织大学学报，2021，34（4）：33-37.