团队项目：智钩卫士——轨迹自适应车厢解列摘钩机器人

参赛赛题：商业计划书专项赛——探索赛道——机器人

获奖情况:商业计划书专项赛全国一等奖

学 院：机械与动力工程学院

团队名称：智钩卫士

团队成员：郭柳冰，徐黄炜，胡城君

指导老师：梁杰

※团队风采

郭柳冰（队长）

郭柳冰，机械与动力工程学院2023级硕士生，研究方向为非标设计与智能制造。获得第六届、第七届中国研究生机器人创新设计大赛国家级三等奖、第十二届中国研究生能源装备创新设计大国家级三等奖赛、第十三届高教杯先进技术成图技术大赛国家级三等奖。已发表中文核心论文一篇，授权计算机软件著作权一项。

徐黄炜（队员）

徐黄炜，机械与动力工程学院2023级硕士生，研究方向为电子疲劳机设计、运动学分析。获得“申昊杯” 第七届中国研究生机器人创新设计大赛国家级三等奖、第十二届中国研究生能源装备创新设计大赛国家级三等奖、“明石杯”微纳传感技术与智能应用大赛省级二等奖。已发表EI论文1篇。

胡城君（队员）

胡城君，机械与动力工程学院2023级硕士生，研究方向为精密测量、振动抑制。获得“申昊杯”第七届中国研究生机器人创新设计大赛国三、第十二届中国研究生能源装备创新设计大赛国三、“明石杯”微纳传感技术与智能应用大赛省级二等奖。已发表中文核心论文一篇。

梁杰（指导老师）

梁杰，男，1981年生，工学博士（北京航空航天大学），博士后（卫华集团有限公司）。河南省教学标兵，副教授，硕士生导师。曾在中船重工第七二五研究所从事桥梁用阻尼器研发工作（2011-2012年），曾在卫华集团有限公司博士后工作站从事起重机主梁下盖板与∏形梁组对智能矫正焊接复合执行器的研发工作（2014-2016年）。在2018年全省教育系统教学技能竞赛（高校工科）中获一等奖。荣获2016-2017和2017-2018两学年郑州大学教学优秀奖一等奖；2017-2018学年获得郑州大学“三育人”先进个人；2019年度和2023年度两次获河南省教育厅科技成果奖一等奖；2020年获河南省科技进步奖二等奖。

※作品介绍

一、作品背景

大型火电企业煤炭转运环节中，自动化翻车机已实现敞车煤炭快速翻卸的机械化自动控制，但翻卸前的车厢解列环节仍依赖人工摘钩。因铁路敞车多采用对撞式车钩，需人工操作完成该步骤，导致自动化程度偏低，存在多重突出问题：操作需在 60 秒内完成且每 40 秒重复一次，重型机械环境下易引发绊倒、卷入等安全事故；昼夜高强度重复作业使工人身心疲劳，粉尘与噪音还会危害健康；同时制约生产效率，增加企业运营成本。因此，国内市场亟需可靠的自动化摘钩设备，破解铁路敞车机械化解列难题，提升安全性、效率与经济效益。

图1 翻车机系统流程示意图

二、作品简介

“智钩卫士”——轨迹自适应车厢解列摘钩机器人，专为铁路货运敞车解列环节设计，以替代传统人工摘钩作业模式。这款摘钩机器人创新性地采用了刚柔耦合驱动架构，使纠偏能力提升至±20mm，有效克服了传统摘钩设备刚性大、适应性差的不足。同时结合先进的多信息融合纠偏算法，通过机器视觉和3D点云扫描技术，实现了车钩类型与位置的精准识别，误差率降低了30%。机器人采用轻量化静载强化设计，自重减少35%、刚性提升20%，极大提高了设备在复杂环境下的稳定性和作业鲁棒性。

图2 摘钩轨迹自适应机器人虚拟样机图

图3 摘钩轨迹自适应机器人整机参数

核心技术架构分别为决策层、感知层、执行层。

决策层（智能规划）：刚柔耦合驱动架构+动态轨迹自适应算法

基于3P1R主动定位（平移X/Y/Z与旋转）与1P1R被动容差（线性补偿与旋转自由度）的刚柔耦合架构，实时融合传感器数据，动态调整路径规划（响应时间≤50ms），纠偏能力提升至±20mm，内置12种异常工况处置逻辑（如车钩卡滞、车厢偏移超限）

图4 刚柔耦合驱动架构

感知层（精准识别）：多信息融合纠偏算法

配置基恩士LJ-G080线激光传感器（分辨率0.1μm，采样频率10kHz）与SINAT-485倾角传感器（精度0.1°，RS-485通信协议），通过线激光扫描获取车钩三维轮廓，结合倾角补偿算法动态修正姿态偏差，光电开关实时检测机械臂与车钩接触状态，实现误差率降低30%。

图5 多信息融合纠偏算法

执行层（可靠操作）：轻量化结构优化设计机械臂

采用SolidWorks—Simulation拓扑优化设计，在20kN静载下变形量≤0.3mm，高强度结构钢框架（自重降低35%）以及非线性刚度自复位机构（弹簧刚度系数15N/mm），六自由度协作机械臂（重复定位精度±0.05mm）配合电磁—气压复合末端执行器。

图6 轻量化结构优化设计图

“智钩卫士”的核心创新点已受到国家知识产权局和中国版权保护中心的认证，被列为专利加以保护，这对科技创新起到了很强的鼓励作用。

三、项目落地情况

本项目聚焦铁路货运车厢解列摘钩市场缺口，当前行业多数场景依赖人工操作，不仅效率低、成本高，在极寒、粉尘等恶劣环境下更存在高安全隐患。现有少数自动化设备则因适配性差、成本高昂，难以满足市场需求。

图7 竞品分析图

项目产品优势显著，可覆盖火电厂、港口、钢厂等多领域，国内占比90%的C60-C80系列敞车均在其适配范围内，目标客户广泛。政策层面，智慧物流、智能制造相关政策及地方补贴提供利好支撑。竞争上，其单站部署成本低于行业平均40%，且环境适配能力强，形成差异化优势。

图8 产品内容表

目前项目核心技术已完成研发与验证，设备适配恶劣工况、故障率低，获2项实用新型专利受理。2024年9月已有企业引进4套设备，实现摘钩效率提升50%、事故率归零，年省人工成本约60万元，树立标杆案例。

产业链方面，已与上游铝材供应商、代工厂建立合作保障供应，计划2025年成立专业公司负责组装调试。市场推广通过展会演示、自媒体传播吸引客户，搭配金融方案降低采购门槛，并对接政策补贴与国际订单，2025年预期销售10套设备，商业模式逐步得到验证。

※获奖证书

※团队寄语

砥砺前行，勇攀高峰

1. 精心规划，厚积薄发：比赛过程紧张且充满挑战，我们需要提前做好详尽的准备，合理分配时间与精力，全力以赴。每一个设计细节都要经过反复推敲，不断优化，确保每一部分都精准到位，力求完美，充分展示团队的创新思维与技术实力。

2. 关注细节，追求卓越：在设计与报告撰写中，我们始终保持严谨的态度，注重逻辑的严密性与表达的清晰性。每一个实验数据都要真实可靠，每一个创新点都要突出展现。路演展示时，我们精心演练，熟悉场地与设备，确保每一场展示都流畅自信，给评委留下深刻印象。

3. 抓住机遇，展现优势：选择参赛赛道时，我们充分结合团队的专业特长与技术优势，精准对接比赛要求，将项目的独特性与实际应用价值展现得淋漓尽致。通过团队的协作与努力，我们在比赛中脱颖而出，取得了令人骄傲的成绩。

4. 积淀成长，放眼未来：此次比赛不仅提升了我们的科研能力与技术水平，也深化了我们对电子设计与工程应用的理解。这一路积累的经验与感悟，是学术研究的坚实铺垫，更是职业发展的宝贵财富。未来可期，我们将以此次赛事为起点，步履不停、勇攀高峰！

结语

成功不是一蹴而就的，日复一日的坚持与行动才是必备。保持乐观，将挑战视为成长的阶梯，在每一次尝试中积累经验。用积极的眼光看世界，困境终会化为机遇，愿大家步履不停，前方自有更开阔的天空和更明亮的风景。