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        一種冰面自動挖掘機器人

        2017-04-19 00:08:24郭楚寧趙潤超馬帥郭新育
        卷宗 2016年12期
        關(guān)鍵詞:挖掘冰面機器人

        郭楚寧+趙潤超+馬帥+郭新育

        摘 要:設(shè)計并實現(xiàn)一種冰面自動挖機機器人,以電磁循跡的方式在冰面上行走、利用沖擊錘敲碎冰面,以輪斗結(jié)構(gòu)來進行撈冰等方案來實現(xiàn)。此設(shè)計結(jié)構(gòu)配置經(jīng)濟合理,基本上實現(xiàn)了代替人工在冰面上除冰以保護橋墩的目的。

        關(guān)鍵詞:冰面;挖掘;機器人

        1 問題提出與設(shè)計分析

        據(jù)央視新聞聯(lián)播報道,現(xiàn)在在我國北方,冬天河水結(jié)冰時,由于膨脹,會擠壓所接觸的橋墩。結(jié)冰越厚,甚至?xí)斐蓸蚨盏奈灰谱冃?,直接影響行車安全。為避免安全問題出現(xiàn),鐵路工人用自制的工具每天去河面把橋墩周圍的冰清理掉,費時費力又危險,而且任務(wù)繁重。而且近年來橋梁安全已成為全國人民越來越關(guān)注的問題,而橋梁老化又是橋梁安全問題中最為突出的因素之一。

        目前我國國內(nèi)沒有任何同類并且相同用途的產(chǎn)品,市場的空白以及巨大的需求將導(dǎo)致這一設(shè)計會創(chuàng)造巨大的價值。全國共有70余萬座橋梁,其中有8萬座是危橋,橋梁老化是重要原因之一。全國北方冬天溫度低于-10度的地區(qū)的過河橋梁大多都需要這種維護,僅北京被報道的就有兩座人工除冰的大橋。而全國北方過河橋梁總數(shù)數(shù)以千計,都存在此危險,需要進行維護。北方這種的通過加強日常維修,避免出現(xiàn)危橋?qū)е氯肆ξ锪Φ木薮髶p失。

        采用這種方案一方面保障了鐵路工人的人身安全,另一方面提高了工作效率,并且我們將在機身加有傳感及安全氣囊裝置,若不慎落水,則可以觸發(fā)機身的自救裝置,保障了財產(chǎn)安全。

        2 系統(tǒng)方案設(shè)計及評估

        1、系統(tǒng)方案設(shè)計

        按照工作流程,冰面自動挖掘機器人分為一下幾個結(jié)構(gòu)。

        動力部分:制作的模型以3s直流電源供電,循跡所用電磁線由220V交流電壓提供。

        自主循跡:紅色為封閉的漆包線,內(nèi)部通有常用的220v,50Hz交流電,淺藍(lán)色線為橋墩的輪廓線。粉色的區(qū)域為要除冰的區(qū)域,綠色的圓點處有放置永久磁鐵,黃色箭頭標(biāo)記的方向為機器人的運行方向。

        除冰運輸:當(dāng)機器人檢測到永久磁鐵后,除冰部分開始工作除冰部分開始向下進給,首先通過錘擊的方式來將橋墩周邊的冰全部敲碎,敲碎以后輪斗部分開始挖掘工作。

        2、效果評估

        錘擊冰面相關(guān)計算:

        模型與實物比例約為1:20,實物中錘開冰面所需要的錘子重約10kg,每一次下落的高度約為1.2米,頻率約為2-3秒一次。除冰機器人中所用的錘子與人工所用工具相比頻率較快、強度較高。按照模型中所設(shè)想按比例放大,錘子下落的頻率為每秒3次、錘子重約10kg,下落高度可以縮減至0.6米。

        挖掘冰塊相關(guān)計算:

        每個橋墩要鏟出500公斤左右的冰,即550立方米左右,如果有八個鏟斗進行工作,模型與實物尺寸比例1:20,實物每個鏟斗容量約為0.1立方米,共八個輪斗進行工作,輪斗轉(zhuǎn)速約4轉(zhuǎn)每秒,清理一個橋墩共需3分鐘左右的時間。

        經(jīng)過合理運算與數(shù)據(jù)分析,此機器效率高,一臺機器人可以相當(dāng)于一支15人的除冰隊伍。

        3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與實施流程

        1、結(jié)構(gòu)設(shè)計

        如圖一,冰面自動挖掘機器人,包括:

        機身2、制器7、錘子9、第一電機10、第二電機1、鏟斗4、軌道5、氣泵3、氣囊6、水壓傳感器。錘子9與所述第一電機10的輸出軸固定連接,所述鏟斗4與所述第二電機1的輸出軸固定連接;所述軌道5位于鏟斗4的后下方,配置成鏟斗4可將冰面上的碎冰鏟入軌道5中;所述水壓傳感器安裝于機身2下方;所述氣泵3與所述氣囊6導(dǎo)管連接;所述控制器7分別與第一電機10、第二電機1、氣泵3、水壓傳感器電連接;還包括電磁傳感器8,所述電磁傳感器位于機身2上方;所述控制器7與電磁傳感器8電連接;

        還包括漆包線,提前架設(shè)于機器人的行進路線上方。

        工作時,控制器7控制第一電機10,第一電機10可帶動錘子9錘擊冰面,鏟斗4可將冰面上的碎冰鏟入軌道5中,使冰塊被鏟起后傾倒在冰面的運動路徑以外的范圍。

        機身2底部放置有水壓傳感器,當(dāng)機器人落水時,會由水壓傳感器的信號觸發(fā)氣泵3啟動,使機身2底部的氣囊6迅速充氣,會托起機器人,使機器人浮起,避免其因落水問題而報廢。

        在機器存放處安裝有220V交流電源,給漆包線提供頻率恒定的交流電,使漆包線周圍產(chǎn)生交變磁場,機器人上安裝電磁傳感器8,以檢測漆包線周圍的交變磁場,使機器人沿著漆包線的路線運動。工作時,將漆包線架設(shè)于橋墩周圍。

        本方案所取得的有益效果是:1、可以在結(jié)冰的水面上進行除冰。2、采用先錘后鏟的形式,確保橋墩周圍的冰被處理干凈,以防由于氣溫極低而使其迅速凍結(jié)。3、車底部放置有水壓傳感器,當(dāng)機器人落水時,會由水壓傳感器的信號觸發(fā)氣泵啟動,使車身底部的氣囊迅速充氣,會托起車身,使機器人浮起,避免其因落水問題而報廢。

        2、實施流程

        (1)自動運動到橋墩階段:

        機器人底部為較寬的輪子,并且在機器存放處安裝有方波發(fā)生器,給漆包線提供頻率恒定的方波電流,使漆包線周圍產(chǎn)生交變磁場,機器人上安裝多組電磁傳感器檢測漆包線周圍的交變磁場,使機器人沿著漆包線的路線運動(采用飛思卡爾智能車電磁組的循跡方式)。當(dāng)機器人運動到安裝有永久磁鐵的位置時,常開型干簧管檢測到永磁鐵的 高達(dá)3000-5000Gs(高斯)的磁場強度后,機器人上的電磁傳感器停止檢測來自漆包線的磁場信號。

        (2)除冰階段:

        當(dāng)機器人檢測到永久磁鐵后,除冰部分開始工作除冰部分開始向下進給。

        機器從安有永磁鐵的位置向下進給指定深度,安裝在機器人上的超聲波傳感器開始工作,測量機器到橋墩的距離,使機器人與橋墩保持一定的距離,延指定方向運動。每次繞橋墩運動一周,啃噬掉指定厚度的冰,在再次運動到永磁鐵的位置時,在繼續(xù)向下進給一定深度,啃噬指定厚度的冰,開始下一圈的運動,直至清除掉橋墩周圍的冰。

        當(dāng)機器首先捶碎冰面,通過機器身上超聲波測距,當(dāng)冰面被錘透時,水會涌上來,導(dǎo)致水面距離的突變,此時信號送至中央處理器,表明一個橋墩周圍的冰已被打透,將轉(zhuǎn)至下一個橋墩進行除冰。會一同將冰下的水挖起來,當(dāng)把冰渣傾倒在輸送帶上時,參雜在冰渣中的水會從輸送帶上的孔洞滲下去,在下方安裝雨滴傳感器,當(dāng)水滴在雨滴傳感器上時,檢測到信號變化,證明已經(jīng)將冰挖透,無須繼續(xù)向下進給啃噬冰,繼續(xù)繞橋墩啃噬冰到安有永磁鐵的位置,即完成了一個橋墩周圍的冰的清理工作

        雨滴傳感器配有烘干裝置,將傳感器上的水烘干,以供在下一個清除橋墩周圍的冰時使用。

        (3)運動到下一個橋墩:

        處理完一個橋墩周圍的冰后,超聲波傳感器停止工作,電磁傳感器開始檢測來自漆包線的信號,向下一個橋墩運動,重復(fù)上兩步。

        (4)運動到機器存放位置:

        當(dāng)機器處理完所有橋墩周圍的冰后,延漆包線的路徑繞后機器保存位置,一次清理工作結(jié)束,補給油料,對機器適當(dāng)烘干,為下次工作做準(zhǔn)備

        4 創(chuàng)新設(shè)計及功能特色

        1、創(chuàng)新設(shè)計

        (1)適用環(huán)境的創(chuàng)新

        我國現(xiàn)有的除冰機器僅僅可以應(yīng)用于路面除冰或者碎冰,并且大多數(shù)利用化學(xué)方法除冰,對建筑物有損害。對于在冰面上進行除冰,我國目前仍然全部依靠人工,還沒有出現(xiàn)冰面的除冰機器。我們的除冰機器人首創(chuàng)在冰面上進行除冰,填補國內(nèi)河面除冰市場的空白。并且不采用化學(xué)方法以防止腐蝕建筑物。

        (2)工作方式的創(chuàng)新

        我們采用先錘后挖的形式,確保橋墩周圍的冰被處理干凈,以防由于氣溫極低而使其迅速凍結(jié)。

        (3)循跡方法的創(chuàng)新

        采用電磁循跡?,F(xiàn)在普遍的循跡方式都是鋪在路面的光感循跡,但是這樣的循跡方式不適用于冰面上,于是我們采用車頂三路模擬電磁循跡,將電線架在機器人上方,避免了因雨雪覆蓋會造成的安全問題,并且三路模擬保證了循跡的精確程度。

        2、功能特色

        本機器人的除冰部分采用類似于多輪斗式挖掘機的結(jié)構(gòu),主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度好,能夠連續(xù)挖掘、自動裝卸、機動靈活。使用帶有多個鋸齒狀挖斗的裝輪,啃噬起冰面,并把挖出的冰渣傾倒在有小的孔洞的傳送帶上,將冰渣輸送到儲存箱內(nèi),在運動過程中的指定位置傾倒冰渣,有效避免像直接用輸送帶將冰渣輸送出來,立即傾倒的那樣,堵住機器人的運動軌跡的問題。

        5 總結(jié)

        該機器人能實現(xiàn)中自動循跡除冰的功能,即比人工作業(yè)效率高,又避免了人工作業(yè)可能出現(xiàn)的危險,能及時保護橋墩,主要通過創(chuàng)新的機構(gòu)設(shè)計及循跡的方式來實現(xiàn)所需功能,可用于北方冬天較冷的地區(qū),具有創(chuàng)新性與實用性。

        參考文獻(xiàn)

        [1]陳文仙、龐榮.智能電磁循跡小車的硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J].商情,2011,29:155.

        [2]陳春林、陳宗海、卓睿.基于多超聲波傳感器的移動機器人目標(biāo)識別[J].模式識別與人工智能,2005,18(5):602-607.

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