一種垃圾清掃的設計思路

煙臺海德專用汽車有限公司 孫曉強 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智能清潔提供了一種參考。本方案可利用無人機提前偵測，定點定位，分辨物體形狀，對垃圾分類起到關鍵作用。

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

隨著私家車的數量逐年增加，私家車停靠在路邊的停車位上，垃圾或樹葉隨風而來，由于渦流的作用垃圾可以停留在車下擋風的地方，不易被發現，而常規清掃作業車或清掃設備無法對車輛底部垃圾進行清掃，需通過人工清除，不僅成本高，容易劃傷車輛，引發爭執，而且在清掃區域有限的情況下，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。

智能垃圾清掃設計思路

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

實施方案

隨著社會的不斷進步，5G網絡給人們提供了新的體驗，筆者設想開發一部清掃設備，采用5G 信號控制系統，包括無人機監測系統、清掃系統、雷達監測系統、信息采集系統、控制系統和無線充電系統。無人機監測系統可用于對路面垃圾情況進行監測定位并將監測數據轉化為信號傳輸至清掃系統，為清掃系統提供執行指令；清掃系統接收無人機監測系統的指令并根據指令進行分析進而對路面進行清掃。根據上述分析該清掃設備主要分為兩部分。

1.無線控制系統

一部清掃設備一般都有固定清掃區域，當清掃設備將要抵達清掃區域時，可提前將固定于駕駛室頂部的無人機通過人工發送起飛信號，無人機接收到起飛信號后，開始做起飛準備。無人機自動發送打開固定裝置，固定裝置接到信號后打開，無人機起飛，并按照預設的路線低空飛行，飛行過程中可自動規避飛行路線上的障礙物，通過其自身所帶的雷達監測器、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，經過控制器處理后將信號發回車載控制器，車載控制器根據無人機控制器發回的垃圾信號，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；同時在清掃設備的多功能顯示屏上，操作人員可以根據辨識到的垃圾形狀及位置，使車輛行至垃圾定位點，再將清掃設備上所帶的伸縮機構通過人工或自動控制，送出到路邊車輛的底部，根據垃圾種類進行分類，分別收集進清掃車輛或清掃設備的分類垃圾箱。工作完成后無人機自動回到清掃設備頂部，停留于固定裝置上。固定設備可以是一個固定架，固定架上設有自動鎖固裝置。固定設備通過控制器發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掉落，并可檢測是否需要充電，如需充電，無線充電感應系統將與無線充電設備自動感應充電。控制系統流程圖如圖1所示。

2.清掃設備工作原理

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

圖2 清掃機構與底盤之間的連接

圖3 清掃機構與底盤之間的連接

掛載部固定在底盤的防撞梁上，掛載部側邊設有提升油缸，可以將工作后的曲臂機構提升至傾斜狀態，轉動部帶有定位電機，各曲臂伸縮部連接處同時帶有電機，在清掃部前端設有帶動掃刷的電機，清掃部下側帶有滾輪，以起到支撐清掃部的作用，在曲臂伸縮部內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構連接。

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

3.設計優點

上述設計的優點在于：

a.伸縮機構日常操作方便快捷，無任務時可以掛在車上，不影響行車；

b.當路邊車下有垃圾時，可以提前預知，車輛行駛至垃圾處，伸縮機構可以將曲臂伸至車輛底部，將垃圾按分類送至垃圾箱；

4.設計缺點

上述設計的缺點在于：

a.單體設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行結構輕量化優化設計方面加大研發力量，最終的產品狀態應該是功率質量比越大越好。

b.對各關節驅動電機功率質量比有更高的要求，理想狀態是將機械機構與電機集成，通過集成化增加空間利用率，降低電機質量占比；

c.各關節控制靈活性和可靠性對軟件編程人員技術要求較高；

d.光學識別系統發展水平目前還無法實現無人機對垃圾的精確識別，目前還依賴于光學識別軟硬件的發展水平。

可靠性試驗

針對上述伸縮臂方案，筆者主要從機械本體結構和電控方面做了大量可靠性和可實現型驗證。

1.機械本體部分

由于伸縮臂結構工作場景特殊，故其對輕量化的要求比較高，其機械結構全部展開狀態下可達3.5m。試驗最初階段，采用鋁合金5083，試驗過程發現產品根部上下平移機構加上電機后發生彎曲現象，經反復試驗，最終確定上下平移機構材料采用Q345鋼板，其他位置伸縮機構仍然采用輕量化材料鋁合金5083。由于關節處需要頻繁動作，且工作場合會出現路面不平導致伸縮臂頻繁晃動的情況，故在每個關節處筆者都采用了貼應變片測量應力狀況，并測量機械主體在電機全部工作狀態下的整體震動頻率。試驗數據采集后，筆者借助有限元分析進行相應的應力和變形仿真，最終在關節關鍵處采用了鋁合金包鋼套的形式提高結構強度；伸縮臂也通過模態仿真保證其整體震動頻率不會與電機震動頻率產生共振；對于局部無法加強的位置，筆者改變初始設計的全懸臂狀態，在關鍵位置增加萬向滾輪解決了強度問題，最終實現了產品在結構強度方面的可靠性。

2.電控方面

電控方面主要針對動作實現進行了大量的試驗驗證，最初所有關節處的電機都采用直流無刷電機，但實際動作時發現，該類電機很難實現精確控制，每一個關節處產生的微小轉動角度誤差最終累計到掃刷端都可能導致大的位置偏移，經過反復驗證，最終確定采用控制精度能達到要求的伺服電機，電機安裝位置也進行了特殊定制。

設計時的注意事項

設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，設計時考慮到需要留有足夠的安全余地，故按照120mm的高度設計；

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

c.考慮設備下降和提升速度每秒不能超過13m；

d.設備伸展速度和移動速度可以按每3min清理一個轎車底部，通過調整控制系統程序；

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

結語

當今時代互聯網發展極快，設計人員如不能采用“互聯網+”的思路將會被時代遠遠地淘汰。人工智能將成為一種新的浪潮，人工智能應用于環衛設備的范圍會越來越廣，如何將新興技術應用于生產實踐是技術工程師應該思考的新的問題。