本發明涉及除冰機器人領域，具體涉及一種極地海洋平臺除冰機器人及其工作方法。

背景技術：

1、極地海洋平臺長期暴露于低溫、強風、海浪等極端環境中，其結構表面易因水汽凝結和海水飛濺形成覆冰。冰層累積不僅增加平臺載荷，導致結構變形甚至傾覆風險，還會堵塞設備接口，影響油氣開采、數據傳輸等關鍵作業的穩定性。近年來，機器人技術逐步應用于除冰領域，例如高壓線除冰機器人通過夾持與切割結合提升效率，水面除冰機器人利用錘擊與鏟斗協同作業。然而，現有機器人多針對特定場景設計，難以適應極地海洋平臺的多變環境，且極地除冰作業主要依賴人工敲擊、或機械鉆削等手段，但這些方法存在顯著缺陷：效率與適應性不足：傳統人工除冰依賴人力操作，效率低下且難以應對復雜冰層，而單純采用熱融法能耗極高，且在極地低溫環境中熱損失嚴重，經濟性差。安全性問題：人工操作需在高空或濕滑表面進行，極地惡劣天氣進一步增加作業風險，易引發人員傷亡；機械鉆削設備在厚冰或冰層不均勻時易卡頓，甚至損壞平臺涂層。環保性欠缺：部分化學融冰劑可能污染極地海洋生態，而機械除冰產生的碎冰若未及時清理，可能隨洋流擴散，影響周邊海域航行安全。因此，亟需研發一種高效、穩定且環保的極地海洋平臺專用除冰機器人，具備以下特性：提升融冰效率，自適應多模式除冰，以及低能耗可持續運行能力，從而提升極地資源開發的安全性與經濟性。

技術實現思路

1、本發明所要解決的技術問題是提供一種極地海洋平臺除冰機器人及其工作方法，以克服上述現有技術中的不足。

2、本發明解決上述技術問題的技術方案如下：本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種極地海洋平臺除冰機器人，包括除冰鏟機構、除冰鉆機構、激光除冰機構、中央操控機構、轉向機構和攀爬機構、傳感控制系統；除冰機器人前后布置有兩個中央操控機構，除冰鏟機構、除冰鉆機構、激光除冰機構均設置于位于除冰機器人前面的中央操控機構的前方，兩個中央操控機構之間由轉向機構連接，兩個中央操控機構均左右連接攀爬機構，并驅動攀爬機構的夾緊和松開；

3、傳感控制系統包括傳感器和控制器，傳感器包括毫米波冰層厚度雷達、紅外熱成像儀、壓電式硬度傳感器、超聲波傳感器，其中：毫米波冰層厚度雷達安裝于除冰機器人前端，檢測范圍0－1.5m；紅外熱成像儀安裝在機器人底部或者側面，測溫范圍－80℃至50℃；壓電硬度傳感器按照在機器人的作業臂末端或者接觸冰面的部分；超聲波傳感器覆蓋側方盲區檢測；所述除冰機器人的控制器采用模糊pid算法，根據傳感器數據實時決策除冰模式：當冰層厚度＜10cm且硬度＜5mpa時，單獨啟用除冰鏟機構；當10cm≤厚度≤30cm或5mpa≤硬度≤20mpa時，啟用鉆－鏟協同模式；當厚度＞30cm或硬度＞20mpa時，啟用激光－鉆頭聯合破除模式，針對厚度＜2cm的薄冰層，采用高頻激光脈沖點蝕處理。

4、除冰鏟機構、除冰鉆機構、激光除冰機構均連接在一個基座上，除冰鏟機構位于機器人前方兩側，向前伸展并可靈活調整位置；除冰鉆機構位于除冰鏟機構內側；激光除冰機構則位于上方相對較高的位置，激光除冰機構位于機器人上方，通過定向發射高能激光束加熱冰層表面，適用于難以觸及或需精細處理的區域；除冰鏟機構具有鋒利邊緣和堅固結構，通過機械運動鏟除大面積薄冰層；除冰鉆機構配備高速旋轉鉆頭，用于破碎厚冰層。

5、轉向機構包括轉向驅動電機、轉向支架、機械臂連接件，轉向驅動電機驅動萬向傳動裝置的兩個萬向節叉不同角度的擺轉，再通過前后布置的兩個機械臂連接件連接除冰機器人前后兩個部分，進而實現除冰機器人的轉向和攀爬角度調整。

6、攀爬機構包含一級鉸鏈、一級機械臂、棘狀柔性防滑塊、一級液壓傳動機構、二級鉸鏈、二級機械臂、二級液壓傳動機構、三級鉸鏈、三級公頭機械臂、三級母頭機械臂，一對夾爪左右連接中央操控機構中的機械臂驅動框，機械臂驅動框連接一級鉸鏈，一級鉸鏈順次連接一級機械臂、二級鉸鏈、二級機械臂、三級鉸鏈、三級公頭機械臂，一級鉸鏈、二級鉸鏈、三級鉸鏈之間分別連接有一級液壓傳動機構、二級液壓傳動機構，液壓傳動機構實現夾爪每一段關節之間的角度位置調節，從而保證夾爪的夾緊動作和松開動作的準確；一級和二級機械臂下方設有可拆卸棘狀柔性防滑塊，采用形狀記憶合金制造。

7、除冰機器人具有三種協同工作模式：當冰層厚度＜10cm且硬度＜5mpa時，單獨啟用除冰鏟機構；當10cm≤厚度≤30cm或5mpa≤硬度≤20mpa時，啟用鉆－鏟協同模式；當厚度＞30cm或硬度＞20mpa時，啟用激光－鉆頭聯合破除模式，針對厚度＜2cm的薄冰層，采用高頻(100hz)激光脈沖點蝕處理。

8、傳感控制系統還可以采用以下方式：紅外傳感器與激光傳感器構成核心，紅外傳感器用于溫度分布監測，激光傳感器提供冰層厚度與障礙物距離的精確測量；紅外傳感器安裝在機器人的底部或前端，靠近冰面，以便準確測量溫度；激光傳感器無接觸測量冰層厚度及障礙物距離，安裝在機器人前部；超聲波傳感器作為輔助，覆蓋遠距離障礙檢測；超聲波傳感器安裝在機器人側面，覆蓋機器人側方盲區，輔助檢測懸垂線夾等小型障礙；視覺傳感器安裝在機器人頂部或中部，采用云臺攝像機與廣角鏡頭組合，識別冰層類型及導線狀態。

9、中央操控機構包括拱形外殼，拱形外殼下方設置有四個機械臂驅動框及行星絲杠模組，行星絲杠模組、驅動電機、主體框架安裝于機械臂驅動框上，每一個機械臂驅動框對應攀爬機構的一對夾爪，通過驅動電機控制夾爪的夾緊力。

10、除冰機器人先通過毫米波冰層厚度雷達掃描前方冰層厚度，確定需要處理的區域；紅外熱成像儀檢測冰層溫度分布，找到較薄或較脆弱的區域，或者監測除冰后的溫度變化；壓電式硬度傳感器在接觸冰面時測量硬度，調整除冰工具的力度；控制器綜合這些數據，決定使用哪種除冰模式，比如鏟、鉆或激光鏟除，或者兩種或者三種結合模式；控制器采用模糊pid算法實現鉆頭轉速或加熱功率，以適應不同的冰層條件；同時，控制器需要考慮傳感器之間的協同工作，根據各傳感器信號輸入選擇最優策略，可同時啟用多種方法；雷達和熱成像儀的位置不能太近，防止電磁干擾；直接接觸冰面會有磨損或溫度變化影響精度，因此壓電傳感器需要定期校準。

11、機器人先通過激光雷達掃描前方冰層和障礙物，規劃路徑，紅外傳感器實時監測冰面溫度，識別薄冰區域，超聲波傳感器檢測側方障礙，避免碰撞，視覺傳感器識別冰層類型，調整除冰策略，控制器整合所有數據，決定使用鏟、鉆或激光鏟除的單種或多種組合方式；同時，超聲波傳感器在側方的數據可以輔助調整機器人的位置和動作，避免損壞設備。

12、除冰機器人的傳感控制系統還可以采用仿生學布局策略：前端集成紅外與激光傳感器密集陣列，側方呈弧形分布超聲波傳感器，頂部安裝激光雷達，紅外傳感器采用雙冗余配置。

13、本發明的有益效果是：攀爬機構不僅提高了機器人的機動性和適應性，還確保了其在惡劣環境下的安全性和可靠性。絲桿傳動機構有良好的耐磨性和長壽命特性，能夠在極地惡劣環境下長期穩定運行。傳感控制系統能夠提高機器人對復雜環境的適應能力，使其能夠更好地應對各種除冰場景。除冰機構匯集多種除冰方式的優勢，共同協同除冰，效率很高。