一種小型無人駕駛環(huán)保清掃車機構(gòu)設(shè)計 ①

江 霖， 程 亮， 王少俊， 史立秋

(浙江水利水電學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

城市環(huán)衛(wèi)清掃市場規(guī)模巨大，據(jù)粗略估算，全國道路清掃的費用已經(jīng)接近萬億量級，而環(huán)衛(wèi)公司60%以上是人力成本。無人駕駛清掃車每小時能行駛4公里，清掃寬度在2～3米之間，一輛車干的活相當(dāng)于10～20人的工作量，國外由于人力成本高和保潔標(biāo)準(zhǔn)的不同，市場規(guī)模更大[1-4]。

目前，已有部分企業(yè)的無人駕駛清掃車已投向市場應(yīng)用，清掃的基本功能都已實現(xiàn)，但還并未出現(xiàn)清掃設(shè)備處理上的再升級[5-9]。本文主要對無人駕駛清掃車的清掃部分進(jìn)行設(shè)計，在清掃裝置上做出創(chuàng)新突破，在保證車輛低速平穩(wěn)行駛前提下，增加垃圾粉碎箱和壓縮箱等機構(gòu)，意在提升垃圾存儲效率。除了充電和加水，無人駕駛清掃車不受時間的限制，有效地將道路清掃保潔從低效率、高風(fēng)險中解放出來，還可以減少擾民現(xiàn)象的發(fā)生。

1 小型無人駕駛清掃車總體設(shè)計

本文設(shè)計的小型無人駕駛清掃車的總體設(shè)計方案路線圖如圖1所示。

整車的研究對象就是它的傳感器的選配、車載動力基礎(chǔ)、車身結(jié)構(gòu)的布置、以及清掃裝置設(shè)計方案這四大部分，總體結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

圖1 總體方案設(shè)計路線圖

本文具體的改造方案實施主要體現(xiàn)在車身的結(jié)構(gòu)位置的布局上，以及整個清掃系統(tǒng)如何才能更加高效穩(wěn)定的運行，既要考慮到車輛的清掃效率，也需要方便車輛的后期運維。設(shè)計的亮點是在于垃圾的處理上，傳統(tǒng)垃圾清掃車需要人工駕駛作業(yè)，相較來說無人駕駛的清掃車去掉了人工座位，留出了更多的空間可以根據(jù)功能要求來應(yīng)用，可以考慮在內(nèi)部增加一部分垃圾處理機構(gòu)，這里添加了垃圾收集的粉碎裝置和壓縮裝置。

1 車體 2 清掃機 3 吸塵器 4 激光雷達(dá)

車載底盤上固定安裝了位于電動粉碎輥機組一側(cè)的導(dǎo)料板，車體的底部固定安裝有位于垃圾收集盒一側(cè)的壓縮箱，壓縮箱的內(nèi)壁上滑動安裝有擠壓板，車體的底部固定安裝有液壓缸，液壓缸的輸出軸延伸至壓縮箱內(nèi)并與擠壓板固定連接。

底盤的設(shè)計根據(jù)車體體積規(guī)劃，底盤設(shè)計是按照300*150大小，支撐裝置承受著來自整機的全部重量及輔助裝置重量，因此對其進(jìn)行設(shè)計時，需要綜合考慮材料的抗壓、抗彎曲性能以及尺寸大小。整體采用鋁合金結(jié)構(gòu)，底盤上所固定的清掃機構(gòu)主要規(guī)劃了兩個清掃機組固定圓柱孔、兩個吸塵器的的位置固定座、垃圾粉碎箱的固定座、垃圾壓縮箱的固定座、垃圾收集盒等各個機構(gòu)的位置規(guī)劃，以及四個車輪位置的預(yù)留。

底盤對清掃機組的預(yù)設(shè)大致可分為兩類：一是將兩組清掃機組安置在兩側(cè)或者45°前方，一般是用于大型的清掃任務(wù)，常見的就是公路上的道路清掃車；二是安置在車底部，優(yōu)勢是節(jié)省空間，不占用道路面積，但相對的清掃面積也相對較小，廣泛應(yīng)用于小區(qū)、公園、學(xué)校等諸多封閉是場所。相比之下第二種更適合這次的設(shè)計主導(dǎo)思想，故可在底盤位置打?qū)ΨQ孔固定清掃機組。

底盤對吸塵器的設(shè)置需要配合清掃機組，一般吸塵器的設(shè)置會緊隨清掃機組之后，因為我們這里后續(xù)還要用掃粉碎、壓縮等功能型機構(gòu)組，故可將吸塵器設(shè)置在兩側(cè)，通過吸塵器收集上來的垃圾可直接導(dǎo)入中間位置的垃圾粉碎機。

粉碎機和垃圾壓縮箱屬于垃圾處理工具，在垃圾輸送的過程中對垃圾進(jìn)行加工處理，為減小不必要的輸送問題，可將兩機組盡可能的靠近，通過輸送通道連接，最終將加工好的垃圾送至車輛尾部的垃圾收集盒。

為了方便對垃圾裝卸，末端的垃圾收集盒在車體上兩側(cè)邊設(shè)置有軌道，可通過旋轉(zhuǎn)把手，直接拉出傾倒。清掃車底盤三維建模圖如圖3所示。

圖3 清掃車底盤三維圖

2 運動仿真

對無人駕駛清掃車的運動仿真這里可直接通過Solidworks軟件進(jìn)行操作，在裝配圖上通過新建運動算例進(jìn)行運動模式的設(shè)置。通過在對應(yīng)的設(shè)備機構(gòu)件上添加馬達(dá)，設(shè)置馬達(dá)類型以及運動軌跡，來編輯無人駕駛清掃車在清掃過程中各部分機構(gòu)的運行機制。在清掃機上設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，馬達(dá)位置安裝在車體底板平面，旋轉(zhuǎn)方向選擇車體底板孔圓邊線，相對移動的零件選擇清掃機，完成清掃機的旋轉(zhuǎn)運動。在粉碎箱內(nèi)的齒輪上添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，馬達(dá)安裝在粉碎機箱軸側(cè)面，旋轉(zhuǎn)方向選擇軸的邊線，相對移動的零件選擇齒輪，完成粉碎機的齒輪運動。在壓縮箱內(nèi)的壓縮件上設(shè)置線性馬達(dá)，馬達(dá)安裝在壓縮箱側(cè)面重合邊線，驅(qū)動方向選擇壓縮箱垂直邊線，相對移動的零件選擇壓縮件，完成壓縮件的驅(qū)動配置。

最終達(dá)到車輛在正常行駛的過程中，位于底部的清掃機在勻速轉(zhuǎn)動，對地面進(jìn)行清潔；位于車體內(nèi)部的粉碎機兩部齒輪相向轉(zhuǎn)動，進(jìn)行輥式粉碎；其后的壓縮箱內(nèi)，壓縮件上下迅速移動對垃圾進(jìn)行壓縮。整體運動仿真功能如圖4所示。

無人駕駛清掃車的底盤承載著整車的機構(gòu)部件，需考慮其應(yīng)力作用的影響，本文主要通過Solidworks軟件中的插件simulation功能對車體底盤進(jìn)行應(yīng)力仿真分析。在外部載荷功能版選擇力，設(shè)置車體底盤的上端面為加載力的面，輸入力為1000N，如圖5所示。

點擊運行求解，得出車底板的應(yīng)力仿真示意圖，如圖6所示。

由上述的載力仿真結(jié)果可以得出，通過給車體底盤施加一個大小為1000N的承載力，底盤的受力分布主要表現(xiàn)為四周所承受的載力較大，且并不均勻，主要在角落位置的受力較為嚴(yán)重。因此可以考慮從結(jié)構(gòu)上，對車體底板的邊緣進(jìn)行加厚，或者做一個上升的臺階，另一方面可以適當(dāng)?shù)臄U大底盤四角的倒圓角，以減小應(yīng)力集中的問題。

圖4 仿真運動

圖5 加載力設(shè)置

圖6 底板應(yīng)力仿真

3 結(jié) 論

從無人駕駛清掃車結(jié)構(gòu)入手，對車輛的整體外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要包含了車輛的底盤和車身結(jié)構(gòu)，以及清掃機構(gòu)的掃地機、吸塵器、垃圾收集盒、粉碎箱、以及壓縮盒等多個方面進(jìn)行全方面的研究。并對整車的運動以及底板承載力分析兩部分進(jìn)行仿真，底盤的受力分布主要表現(xiàn)為四周所承受的載力較大，且并不均勻，主要在角落位置的受力較為嚴(yán)重。因此可以考慮從結(jié)構(gòu)上，對車體底板的邊緣進(jìn)行加厚，或者做一個上升的臺階，另一方面可以適當(dāng)?shù)臄U大底盤四角的倒圓角，以減小應(yīng)力集中的問題。