基于道路照明燈罩機(jī)械臂式末端清洗系統(tǒng)研究

錢(qián)亞偉

(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

隨著路燈數(shù)量的快速增加，由于汽車(chē)尾氣和霧霾天氣等影響，大量路燈燈罩被污染物附著，影響照明效果。目前，對(duì)路燈燈罩的清洗作業(yè)主要依托高空作業(yè)平臺(tái)載人進(jìn)行清洗，效率低下且存在安全隱患[1]。在路燈燈罩清潔系統(tǒng)研究中，宋淑敏[2]提出了一種基于旋轉(zhuǎn)式LED路燈清洗裝置，通過(guò)舉升托盤(pán)至接近路燈時(shí)，下拉拉環(huán)使托盤(pán)套在燈罩上進(jìn)行清洗，并通過(guò)萬(wàn)向輪移動(dòng)微調(diào)。該裝置穩(wěn)定性差，清洗效率低。Akifumi Shintaku[3]開(kāi)發(fā)了使用空化噴射技術(shù)的高速隧道照明設(shè)備清潔車(chē)，并使用先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)提高安全性，但不能廣泛適用于路燈清洗作業(yè)。本文設(shè)計(jì)了一種安裝在高空舉升平臺(tái)上的機(jī)械臂式路燈燈罩末端清洗系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗，并提高清潔效率。

1 末端清洗系統(tǒng)模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的搭載于高空舉升平臺(tái)上的機(jī)械臂式燈罩末端清洗裝置如圖1所示，末端清洗裝置主要由刷盤(pán)、電機(jī)、電機(jī)支座、四桿變幅機(jī)構(gòu)、連桿、閥控液壓缸和轉(zhuǎn)臺(tái)等組成。機(jī)械臂式末端清洗裝置共有三自由度，轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)，連桿變幅和四桿變幅機(jī)構(gòu)角度調(diào)節(jié)。

以圖1中路燈末端清洗機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方法分析臂架運(yùn)動(dòng)關(guān)系，采用改進(jìn)D-H參數(shù)法求解，并建立路燈燈罩末端清洗裝置D-H坐標(biāo)系如圖2。

圖1 燈罩末端清洗機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖

在燈罩末端清洗機(jī)構(gòu)參數(shù)中各變幅機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度θi為變量，根據(jù)圖2建立機(jī)械臂連桿參數(shù)表如表1。

圖2 燈罩末端清洗機(jī)構(gòu)D-H坐標(biāo)系

表1 燈罩末端清洗機(jī)構(gòu)連桿參數(shù)表

參數(shù)表定義如下：

3)紋理共享。紋理數(shù)據(jù)占模型存儲(chǔ)空間的絕大部分，并且也很大程度影響場(chǎng)景的顯示性能。在數(shù)字城市海量模型中，大量使用了重復(fù)的紋理數(shù)據(jù)，紋理共享避免了反復(fù)加載相同紋理的數(shù)據(jù)，減少了內(nèi)存使用量，并提升了渲染壓力。

首先，父母應(yīng)重視家庭教育對(duì)個(gè)體健康人格培養(yǎng)的作用。家庭環(huán)境的質(zhì)量通常被認(rèn)為是決定青少年行為的重要因素。弗洛伊德特別強(qiáng)調(diào)，一個(gè)人的性格是由幼年的經(jīng)驗(yàn)所決定的，精神分析學(xué)派認(rèn)為家庭教育對(duì)人格的影響是潛移默化的，許多學(xué)生的問(wèn)題，主要來(lái)自于他所身處的原生家庭，更確切地說(shuō)，是家庭的問(wèn)題引發(fā)了學(xué)生的心理或行為障礙。

αi—繞Xi軸，從Zi旋轉(zhuǎn)到Zi+1的角度，即連桿轉(zhuǎn)角；

pz=a2sθ2

θi—繞Zi軸，從Xi-1旋轉(zhuǎn)到Xi的角度，即關(guān)節(jié)角。

1.2 工作原理

清洗裝置的轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在高空作業(yè)車(chē)舉升平臺(tái)支座上，當(dāng)舉升平臺(tái)舉升至燈罩下方時(shí)，停止舉升并固定。轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)的液壓缸調(diào)節(jié)角度使刷盤(pán)在燈罩正下方；鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上的液壓缸控制連桿變幅和刷盤(pán)與燈罩間接觸壓力，并通過(guò)鉸接在連桿上的液壓缸控制四桿變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行刷盤(pán)的姿態(tài)調(diào)節(jié)。路燈燈罩的位置參數(shù)已通過(guò)傳感器測(cè)得作為主控制器輸入，通過(guò)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解轉(zhuǎn)臺(tái)、連桿以及四桿機(jī)構(gòu)的變幅角度，并通過(guò)電液比例閥控制液壓缸伸縮進(jìn)行角度調(diào)節(jié)和接觸壓力控制，盤(pán)刷角度和接觸壓力由傾角和壓力傳感器檢測(cè)作為反饋信號(hào)。當(dāng)刷盤(pán)和燈罩對(duì)準(zhǔn)且清洗壓力達(dá)到要求后，啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行清洗作業(yè)。連桿和四桿變幅機(jī)構(gòu)變幅角度為0～45°。燈罩清洗流程圖如圖3。

圖3 燈罩清洗流程圖

2 機(jī)械臂式清洗系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)建立的機(jī)械臂式清洗系統(tǒng)D-H坐標(biāo)系和連桿參數(shù)表，對(duì)各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。

2.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

對(duì)機(jī)械臂式末端清洗機(jī)構(gòu)刷盤(pán)位姿的求解即機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。由表1燈罩末端清洗機(jī)構(gòu)連桿參數(shù)表，通過(guò)計(jì)算得到相鄰坐標(biāo)系間變換公式[4]。

施工圖是市政建設(shè)施工的關(guān)鍵，包含的內(nèi)容比較多，比如施工質(zhì)量、施工成本投入、工程量、施工進(jìn)度等，市政工程施工方案制定要采取公開(kāi)招標(biāo)形式，然后在所有的圖紙中進(jìn)行篩選，選出幾個(gè)較為滿(mǎn)意的圖紙，召開(kāi)施工圖審核大會(huì)，邀請(qǐng)專(zhuān)家、工程師、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者參與，在大會(huì)上設(shè)計(jì)人員要進(jìn)行技術(shù)交底，相關(guān)人員討論施工圖的可行性，同時(shí)還要綜合考慮施工進(jìn)度、施工技術(shù)難度、施工成本等，然后選擇性?xún)r(jià)比最高的設(shè)計(jì)圖紙。另外，為了確保施工圖萬(wàn)無(wú)一失，要將圖紙交給專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行審核，確保圖紙中沒(méi)有任何錯(cuò)誤，避免實(shí)際施工中頻繁出現(xiàn)圖紙更改，從而引發(fā)市政建設(shè)質(zhì)量問(wèn)題。

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)變換矩陣為：

(5)

電液比例換向閥傳遞函數(shù)：

r11=cθ1(cθ2cθ3-sθ2sθ3)

r12=-cθ1(cθ2sθ3+sθ2cθ3)

r13=sθ1

r21=sθ1(cθ2cθ3-sθ2sθ3)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣以及智能電網(wǎng)概念的興起，國(guó)內(nèi)外都在智能用電建設(shè)方面開(kāi)展了大量的理論研究與實(shí)際探索，并逐漸對(duì)智能電網(wǎng)概念在用電側(cè)體現(xiàn)出的特征內(nèi)涵和典型建設(shè)內(nèi)容形成了共識(shí)；同時(shí)，國(guó)務(wù)院“三網(wǎng)融合”的開(kāi)展對(duì)于促進(jìn)信息和文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化水平，滿(mǎn)足人民群眾日益多樣的生產(chǎn)、生活服務(wù)需求，拉動(dòng)國(guó)內(nèi)消費(fèi)，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，因此智能小區(qū)的建設(shè)具有重要意義。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的高速發(fā)展，用電客戶(hù)對(duì)供電可靠性的要求不斷提高，大規(guī)模開(kāi)展10 kV配電網(wǎng)不停電作業(yè)已成為供電公司實(shí)現(xiàn)客戶(hù)“用好電、不停電”目標(biāo)不可或缺的手段之一。配電網(wǎng)不停電作業(yè)主要采用絕緣桿作業(yè)法、絕緣手套作業(yè)法兩種方式[1]。

r22=-sθ1(cθ2sθ3+sθ2sθ3)

工程管理效益的提高不僅在工程規(guī)范施工方面，同時(shí)對(duì)工程的合理化分配也起到一定的輔助作用，從而達(dá)到控制工程施工成本目的。現(xiàn)代工程建設(shè)對(duì)于建筑施工功能性要求較高，施工項(xiàng)目種類(lèi)繁復(fù)，對(duì)施工流程的控制極為重要，是解決工程施工材料及資源浪費(fèi)問(wèn)題的重要根據(jù)。BIM技術(shù)應(yīng)用能夠根據(jù)現(xiàn)有的施工條件對(duì)相關(guān)的施工內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并合理的規(guī)劃施工流程，以工程成本節(jié)約為基礎(chǔ)，選用時(shí)間最短、效率更高及質(zhì)量更好的施工管理方案，從而在多個(gè)方面對(duì)工程施工的質(zhì)量與成本問(wèn)題進(jìn)行解決。

r23=-cθ1

r31=sθ2cθ3+cθ2sθ3

r32=-sθ2sθ3+cθ2cθ3

r33=0

采用全收糞法。試驗(yàn)選用60只成年公雞，隨機(jī)分成5組，每個(gè)處理組6個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)2只雞。其中一組為內(nèi)源組，其他4組分別為正對(duì)照組、負(fù)對(duì)照組、復(fù)合酶A組、復(fù)合酶B組。用試驗(yàn)飼糧預(yù)飼3 d，然后連續(xù)收集4 d糞樣。糞樣收集后按每100 g鮮樣加10%硫酸5 ml、滴加5滴甲苯防腐，混勻并置于-20℃冰柜中保存，用于干物質(zhì)代謝率、能量代謝率和粗蛋白質(zhì)代謝率測(cè)定。

二是在資金績(jī)效評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，制定了《贛州市財(cái)政專(zhuān)項(xiàng)扶貧資金績(jī)效考評(píng)辦法》，圍繞資金規(guī)范管理、脫貧成效等方面，對(duì)統(tǒng)籌整合資金使用績(jī)效進(jìn)行評(píng)價(jià)監(jiān)督。2017年，贛州委托第三方機(jī)構(gòu)對(duì)8個(gè)扶貧開(kāi)發(fā)重點(diǎn)縣的統(tǒng)籌整合財(cái)政涉農(nóng)扶貧資金實(shí)施了績(jī)效評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果作為市財(cái)政分配扶貧專(zhuān)項(xiàng)資金的重要依據(jù)。

聯(lián)立公式(5)、(6)，令兩邊對(duì)應(yīng)矩陣元素相等，計(jì)算求得各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)角度θi：

py=a2sθ1cθ2

di—沿Zi軸，從Xi-1移動(dòng)到Xi的距離，即連桿偏距；

2.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

(6)

px=a2cθ1cθ2

θ2=arcsin2(pz，a2)

老師在家長(zhǎng)群中擁有更多的權(quán)力，所以老師一發(fā)言，總有家長(zhǎng)附和，甚至有一些所謂的“戲精”家長(zhǎng)會(huì)在群里賣(mài)力地表演。在微信群的場(chǎng)域之中，時(shí)刻展開(kāi)著身份、地位和話(huà)語(yǔ)權(quán)的博弈與角逐，與現(xiàn)實(shí)生活的場(chǎng)景相似。所不同的是，微信群里并沒(méi)有一套明晰、嚴(yán)格的秩序與規(guī)則，所以不確定因素以及顯得不那么靠譜的事兒也更多。

θ1=arctan2(py，px)

ai—沿Xi軸，從Zi移動(dòng)到Zi+1的距離，即連桿長(zhǎng)度；

3 電液控制系統(tǒng)仿真分析

當(dāng)機(jī)械臂按計(jì)算角度變幅后，刷盤(pán)與路燈燈罩接觸，接觸壓力由鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上的液壓缸產(chǎn)生，并通過(guò)電機(jī)支座上的壓力傳感器反饋到控制器與設(shè)定接觸壓力進(jìn)行比較并作為反饋信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸入進(jìn)行控制。

由于對(duì)任意i=1，2，...，10，j=1，2，3，4，y=1，有因此，令c=c+1，進(jìn)一步計(jì)算與SD（DEy（0）D（0））（y=1，2，...，10）。經(jīng)過(guò)288次迭代后，計(jì)算結(jié)果表9所示。

3.1 仿真模型

電液比例控制系統(tǒng)主要有放大器、電液比例換向閥、液壓缸、四桿變幅機(jī)構(gòu)以及壓力和傾角傳感器等組成。

其中，

(7)

式中，Ksc—比例閥流量增益；ωs—比例閥固有頻率；ξs—比例閥阻尼比。

閥控缸活塞對(duì)閥芯位移的傳遞函數(shù)[5]：

(8)

式中，Kq—流量增益；Ap—負(fù)載流量等效面積；ωh—液壓固有頻率；ξh—液壓阻尼比。

系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)配置6種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的殺蟲(chóng)劑溶液：1.25%、2.5%、5%、10%、20%、40%。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)配置4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的洗滌劑溶液：2.5%、5%、10%、20%。

(9)

式中，K—開(kāi)環(huán)增益，K=KaKfKscKq/Ap。

對(duì)機(jī)械臂式路燈燈罩末端清洗機(jī)構(gòu)建立MATLAB/Simulink仿真模型，如圖4所示。仿真模型對(duì)應(yīng)參數(shù)取表2中數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的節(jié)日和節(jié)俗歷史悠久，源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，集中體現(xiàn)了中華傳統(tǒng)文化的核心價(jià)值，生動(dòng)展示了中國(guó)人豐富多彩的精神世界，是民族特色和民族個(gè)性的具體反映。 同時(shí)，它們與民眾生活密切相連，深具活力和影響力，是活態(tài)的傳統(tǒng)文化表現(xiàn)形式，并在世代傳承中起到加強(qiáng)血緣和社會(huì)紐帶、促進(jìn)團(tuán)結(jié)與文化認(rèn)同的作用。 它們記錄著中華民族數(shù)千年的歷史，凝聚了民眾的生活和情感，以全民參與的方式傳承文化血脈、提振民族精神、強(qiáng)化歷史記憶，具有深刻的意義和深遠(yuǎn)的影響。 絢麗多彩的節(jié)日，是我國(guó)人民代代傳承的珍貴文化，也是世界文明的瑰寶。 它們照亮了五千年的歷史，也照耀著未來(lái)的天空。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

圖4 燈罩末端清洗系統(tǒng)仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

建立燈罩末端清洗系統(tǒng)仿真模型后，采用PID控制器對(duì)Simulink仿真模型進(jìn)行分析[6]。轉(zhuǎn)臺(tái)液壓缸7將機(jī)械臂架調(diào)整到與燈罩同一平面內(nèi)，液壓缸6控制連桿舉升和接觸壓力控制，液壓缸5控制四桿變幅機(jī)構(gòu)完成刷盤(pán)姿態(tài)調(diào)節(jié)。液壓缸6控制接觸壓力，為提高末端清洗系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，對(duì)比不同增益下系統(tǒng)性能，單位階躍響應(yīng)下，仿真結(jié)果如圖5所示。在單位階躍信號(hào)輸入下，通過(guò)調(diào)整控制轉(zhuǎn)臺(tái)、連桿和四桿變幅機(jī)構(gòu)的閥控缸PID控制器的Kp、Ki、Kd參數(shù)，對(duì)末端清洗系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 液壓缸6不同增益下單位階躍響應(yīng)

圖6 PID控制下單位階躍響應(yīng)

仿真結(jié)果表明，在單位階躍信號(hào)下，液壓缸6取不同增益值，K值越大，穩(wěn)定性越差，振蕩越明顯，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，K值取相對(duì)較小值，K=29時(shí)，液壓缸6使刷盤(pán)對(duì)燈罩表面的接觸壓力響應(yīng)速度較快。采用PID控制算法，系統(tǒng)中3個(gè)液壓缸在0～1 s時(shí)恢復(fù)穩(wěn)定，超調(diào)量小，保證液壓缸穩(wěn)定完成連桿變幅，驗(yàn)證了姿態(tài)調(diào)節(jié)和刷盤(pán)對(duì)燈罩壓力控制的合理性。

4 結(jié)論

1)本文設(shè)計(jì)一種路燈燈罩末端機(jī)械臂式清洗機(jī)構(gòu)，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆求解，計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)、連桿以及四桿機(jī)構(gòu)變幅角度，并驗(yàn)證姿態(tài)調(diào)節(jié)與壓力控制的合理性。

2)采用3個(gè)閥控液壓缸和連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械臂式清洗裝置姿態(tài)調(diào)節(jié)與壓力控制，并建立MATLAB/Simulink仿真模型。采用PID控制算法，抑制超調(diào)量，提高了姿態(tài)調(diào)節(jié)與接觸壓力控制的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。