煙臺海德專用汽車有限公司 孫曉強(qiáng) 李哲 徐元鵬 姜東利

介紹了一種新型的掃路模式，對未來的掃路模式實現(xiàn)智能清潔提供了一種參考。本方案可利用無人機(jī)提前偵測，定點定位，分辨物體形狀，對垃圾分類起到關(guān)鍵作用。

近年來，我國城市主干道已經(jīng)基本實現(xiàn)機(jī)械化清掃作業(yè)，但是城市輔道及人行道由于道路狹窄，大型清掃車無法進(jìn)入清掃，主要采用人工清掃，作業(yè)效率低，特別在落葉季節(jié)，大量的樹枝樹葉掉落在城市輔道及人行道上，樹葉、垃圾四處飄散隨風(fēng)而動，嚴(yán)重影響城市美觀。

隨著私家車的數(shù)量逐年增加，私家車停靠在路邊的停車位上，垃圾或樹葉隨風(fēng)而來，由于渦流的作用垃圾可以停留在車下?lián)躏L(fēng)的地方，不易被發(fā)現(xiàn)，而常規(guī)清掃作業(yè)車或清掃設(shè)備無法對車輛底部垃圾進(jìn)行清掃，需通過人工清除，不僅成本高，容易劃傷車輛，引發(fā)爭執(zhí)，而且在清掃區(qū)域有限的情況下，空間較小的車底清掃比較困難，人工無法觀察到清掃區(qū)域的垃圾多少或者具體位置以及物品種類和形狀，給清掃帶來不便。

智能垃圾清掃設(shè)計思路

現(xiàn)有技術(shù)的清掃設(shè)備，一般都是通過機(jī)械化進(jìn)行清掃，對空曠無障礙的場地適用于大型清掃設(shè)備，但是對于路邊的臨時停車位及周邊基礎(chǔ)設(shè)施，空間狹小位置的清掃還是需要人工檢查和清掃，或是由人工背負(fù)吸收器操作設(shè)備進(jìn)行清掃作業(yè)，整個過程需要人工對路面狀況進(jìn)行檢查和預(yù)判后，再進(jìn)行清掃作業(yè)，并且在清掃作業(yè)過程中和清掃完成后也都是完全通過人工進(jìn)行操作，只能實現(xiàn)半自動化清掃，無法實現(xiàn)全自動清掃作業(yè)，清掃后的效果無法精確監(jiān)控，且人工操作清掃設(shè)備導(dǎo)致清掃效率較低。因此，筆者提出一種全新的設(shè)計思路，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

實施方案

隨著社會的不斷進(jìn)步，5G網(wǎng)絡(luò)給人們提供了新的體驗，筆者設(shè)想開發(fā)一部清掃設(shè)備，采用5G 信號控制系統(tǒng)，包括無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)、雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和無線充電系統(tǒng)。無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)可用于對路面垃圾情況進(jìn)行監(jiān)測定位并將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信號傳輸至清掃系統(tǒng)，為清掃系統(tǒng)提供執(zhí)行指令；清掃系統(tǒng)接收無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的指令并根據(jù)指令進(jìn)行分析進(jìn)而對路面進(jìn)行清掃。根據(jù)上述分析該清掃設(shè)備主要分為兩部分。

1.無線控制系統(tǒng)

一部清掃設(shè)備一般都有固定清掃區(qū)域，當(dāng)清掃設(shè)備將要抵達(dá)清掃區(qū)域時，可提前將固定于駕駛室頂部的無人機(jī)通過人工發(fā)送起飛信號，無人機(jī)接收到起飛信號后，開始做起飛準(zhǔn)備。無人機(jī)自動發(fā)送打開固定裝置，固定裝置接到信號后打開，無人機(jī)起飛，并按照預(yù)設(shè)的路線低空飛行，飛行過程中可自動規(guī)避飛行路線上的障礙物，通過其自身所帶的雷達(dá)監(jiān)測器、攝像頭等自動識別物體形狀，提前偵測路邊車下是否存有垃圾，經(jīng)過控制器處理后將信號發(fā)回車載控制器，車載控制器根據(jù)無人機(jī)控制器發(fā)回的垃圾信號，如樹葉、塑料瓶、石塊等不同的垃圾形狀及位置作出處理方案；同時在清掃設(shè)備的多功能顯示屏上，操作人員可以根據(jù)辨識到的垃圾形狀及位置，使車輛行至垃圾定位點，再將清掃設(shè)備上所帶的伸縮機(jī)構(gòu)通過人工或自動控制，送出到路邊車輛的底部，根據(jù)垃圾種類進(jìn)行分類，分別收集進(jìn)清掃車輛或清掃設(shè)備的分類垃圾箱。工作完成后無人機(jī)自動回到清掃設(shè)備頂部，停留于固定裝置上。固定設(shè)備可以是一個固定架，固定架上設(shè)有自動鎖固裝置。固定設(shè)備通過控制器發(fā)送信號至車載控制器，鎖固裝置自動鎖緊，避免因車輛移動致使無人機(jī)掉落，并可檢測是否需要充電，如需充電，無線充電感應(yīng)系統(tǒng)將與無線充電設(shè)備自動感應(yīng)充電。控制系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

2.清掃設(shè)備工作原理

清掃設(shè)備的前端掛有伸縮機(jī)構(gòu)，伸縮機(jī)構(gòu)包括依次順序連接的掛載部、轉(zhuǎn)動部、伸縮部和清掃部；掛載部用于連接底盤和支撐轉(zhuǎn)動部，可帶動轉(zhuǎn)動部、伸縮部及清掃部上下移動；轉(zhuǎn)動部可以帶動伸縮部及清掃部左右轉(zhuǎn)動，伸縮部前端連接轉(zhuǎn)動部，后端與清掃部連接并可帶動清掃部相對掛載部旋轉(zhuǎn)；清掃部可相對于轉(zhuǎn)動部旋轉(zhuǎn)。清掃機(jī)構(gòu)與底盤之間的連接如圖2所示，清掃機(jī)構(gòu)與底盤之間的連接如圖3所示。

圖2 清掃機(jī)構(gòu)與底盤之間的連接

圖3 清掃機(jī)構(gòu)與底盤之間的連接

掛載部固定在底盤的防撞梁上，掛載部側(cè)邊設(shè)有提升油缸，可以將工作后的曲臂機(jī)構(gòu)提升至傾斜狀態(tài)，轉(zhuǎn)動部帶有定位電機(jī)，各曲臂伸縮部連接處同時帶有電機(jī)，在清掃部前端設(shè)有帶動掃刷的電機(jī)，清掃部下側(cè)帶有滾輪，以起到支撐清掃部的作用，在曲臂伸縮部內(nèi)部裝有波紋伸縮管與末端的清掃部連接前部與垃圾箱的分類機(jī)構(gòu)連接。

轉(zhuǎn)動臂與清掃部工作時呈現(xiàn)“一”字或“S”型排列，最后一個轉(zhuǎn)動臂上安裝清掃部，兩個相互連接的轉(zhuǎn)動臂之間是可以相對旋轉(zhuǎn)，通過驅(qū)動電機(jī)控制轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動臂的相對旋轉(zhuǎn)，最前端的清掃部以轉(zhuǎn)動架為中心，以轉(zhuǎn)動臂的整體長度為半徑的區(qū)域進(jìn)行清掃作業(yè)，而且可以旋轉(zhuǎn)360°，保證整個區(qū)域范圍內(nèi)的各個位置都可以實現(xiàn)清掃，且清掃位置可以根據(jù)垃圾的位置進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，既可實現(xiàn)單點的清掃，也可以實現(xiàn)整個區(qū)域的整體清掃，控制靈活。

3.設(shè)計優(yōu)點

上述設(shè)計的優(yōu)點在于：

a.伸縮機(jī)構(gòu)日常操作方便快捷，無任務(wù)時可以掛在車上，不影響行車；

b.當(dāng)路邊車下有垃圾時，可以提前預(yù)知，車輛行駛至垃圾處，伸縮機(jī)構(gòu)可以將曲臂伸至車輛底部，將垃圾按分類送至垃圾箱；

4.設(shè)計缺點

上述設(shè)計的缺點在于：

a.單體設(shè)計對輕量化的要求較高，需要在輕量化材料選擇方面或者借助有限元分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計方面加大研發(fā)力量，最終的產(chǎn)品狀態(tài)應(yīng)該是功率質(zhì)量比越大越好。

b.對各關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)功率質(zhì)量比有更高的要求，理想狀態(tài)是將機(jī)械機(jī)構(gòu)與電機(jī)集成，通過集成化增加空間利用率，降低電機(jī)質(zhì)量占比；

c.各關(guān)節(jié)控制靈活性和可靠性對軟件編程人員技術(shù)要求較高；

d.光學(xué)識別系統(tǒng)發(fā)展水平目前還無法實現(xiàn)無人機(jī)對垃圾的精確識別，目前還依賴于光學(xué)識別軟硬件的發(fā)展水平。

可靠性試驗

針對上述伸縮臂方案，筆者主要從機(jī)械本體結(jié)構(gòu)和電控方面做了大量可靠性和可實現(xiàn)型驗證。

1.機(jī)械本體部分

由于伸縮臂結(jié)構(gòu)工作場景特殊，故其對輕量化的要求比較高，其機(jī)械結(jié)構(gòu)全部展開狀態(tài)下可達(dá)3.5m。試驗最初階段，采用鋁合金5083，試驗過程發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品根部上下平移機(jī)構(gòu)加上電機(jī)后發(fā)生彎曲現(xiàn)象，經(jīng)反復(fù)試驗，最終確定上下平移機(jī)構(gòu)材料采用Q345鋼板，其他位置伸縮機(jī)構(gòu)仍然采用輕量化材料鋁合金5083。由于關(guān)節(jié)處需要頻繁動作，且工作場合會出現(xiàn)路面不平導(dǎo)致伸縮臂頻繁晃動的情況，故在每個關(guān)節(jié)處筆者都采用了貼應(yīng)變片測量應(yīng)力狀況，并測量機(jī)械主體在電機(jī)全部工作狀態(tài)下的整體震動頻率。試驗數(shù)據(jù)采集后，筆者借助有限元分析進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力和變形仿真，最終在關(guān)節(jié)關(guān)鍵處采用了鋁合金包鋼套的形式提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；伸縮臂也通過模態(tài)仿真保證其整體震動頻率不會與電機(jī)震動頻率產(chǎn)生共振；對于局部無法加強(qiáng)的位置，筆者改變初始設(shè)計的全懸臂狀態(tài)，在關(guān)鍵位置增加萬向滾輪解決了強(qiáng)度問題，最終實現(xiàn)了產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的可靠性。

2.電控方面

電控方面主要針對動作實現(xiàn)進(jìn)行了大量的試驗驗證，最初所有關(guān)節(jié)處的電機(jī)都采用直流無刷電機(jī)，但實際動作時發(fā)現(xiàn)，該類電機(jī)很難實現(xiàn)精確控制，每一個關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的微小轉(zhuǎn)動角度誤差最終累計到掃刷端都可能導(dǎo)致大的位置偏移，經(jīng)過反復(fù)驗證，最終確定采用控制精度能達(dá)到要求的伺服電機(jī)，電機(jī)安裝位置也進(jìn)行了特殊定制。

設(shè)計時的注意事項

設(shè)計過程中需注意以下幾點：

a.綜合考慮使用場景。通常轎車底盤比較低，一般兩輪之間離地高度150～200mm，設(shè)計時考慮到需要留有足夠的安全余地，故按照120mm的高度設(shè)計；

b.考慮底盤接近角。設(shè)備裝在前防撞梁上接近角不能過小，此裝置按照11°設(shè)計；

c.考慮設(shè)備下降和提升速度每秒不能超過13m；

d.設(shè)備伸展速度和移動速度可以按每3min清理一個轎車底部，通過調(diào)整控制系統(tǒng)程序；

e.考慮設(shè)備搬運(yùn)及快速裝卸的整體質(zhì)量不可超過25kg，連接裝置可以與其他的附加設(shè)備通用，裝卸時可以采用兩人搬抬或采用平叉車搬動。

結(jié)語

當(dāng)今時代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展極快，設(shè)計人員如不能采用“互聯(lián)網(wǎng)+”的思路將會被時代遠(yuǎn)遠(yuǎn)地淘汰。人工智能將成為一種新的浪潮，人工智能應(yīng)用于環(huán)衛(wèi)設(shè)備的范圍會越來越廣，如何將新興技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐是技術(shù)工程師應(yīng)該思考的新的問題。