多功能清障車的研制

薛政坤 李金原

（遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧鞍山114051）

0 引言

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展進(jìn)步，人類的生活環(huán)境狀態(tài)也會不斷發(fā)生變化。在復(fù)雜環(huán)境下，人類日常生活中往往會出現(xiàn)一些難以避免的人為意外和一些不可避免的自然災(zāi)害，此時(shí)快速完成搶險(xiǎn)救災(zāi)任務(wù)至關(guān)重要。以往搶險(xiǎn)救援人員無法第一時(shí)間實(shí)施救助，很大因素在于出現(xiàn)攔路障礙導(dǎo)致的道路堵塞，為給搶險(xiǎn)救援提供方便和節(jié)省時(shí)間，清障車作為救援機(jī)械發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為提高清障車的工作能力，對傳統(tǒng)清障車進(jìn)行多功能的技術(shù)創(chuàng)新改造，跟上時(shí)代發(fā)展的步伐十分必要。多功能清障車所有功能皆為遠(yuǎn)程控制操作，可使操作者遠(yuǎn)離復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，提高工作的安全性，降低勞動強(qiáng)度，提高清理效率，因而更容易被社會所接受。

1 清障車的組成及工作原理

1.1 清障車簡介

多功能清障車主要分為前中后三個(gè)部分，前部主要有一個(gè)六自由度靈活機(jī)械臂，用來抓取并移動大型障礙物，且裝有噴水裝置，可以通過控制機(jī)械臂的方向來選擇噴水的方向起到消防功能，頂部裝有攝像頭用來回傳現(xiàn)場圖像。中間部分由巧妙設(shè)計(jì)的錐齒配合機(jī)構(gòu)組成一個(gè)清掃裝置，用來清理地面小型障礙物。后部由一個(gè)加以創(chuàng)新設(shè)計(jì)的鏟斗組成，由一個(gè)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鏟斗升降來控制清理位置，用來清理路面上中小型障礙物。車上還有一個(gè)小顯示屏和一個(gè)LED小型燈管，用來記錄裝置工作的時(shí)間和在夜晚來臨或光線不足時(shí)進(jìn)行燈光補(bǔ)償。

1.2 機(jī)械臂工作原理

車體上有一個(gè)機(jī)械臂和一個(gè)附著小型箱體，當(dāng)清障車遇到大型障礙物時(shí)，可以通過機(jī)械臂配合夾取物品，并有選擇性地將物品放入小型箱體內(nèi)部。機(jī)械臂的本體擁有五個(gè)自由度，即有五個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)可運(yùn)動。手機(jī)端使用藍(lán)牙與51單片機(jī)端的串口藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)異步通信。機(jī)械臂的動作分配采用了無人工干預(yù)的全制動分配聯(lián)動算法，使控制變得相當(dāng)簡單。機(jī)械臂頂部裝有嵌入式Openwrt系統(tǒng)的ARM控制板，手機(jī)、電腦等終端設(shè)備直接聯(lián)網(wǎng)即可與此控制板通信。同時(shí)機(jī)械臂上安放一個(gè)攝像頭并使用常見的USB線與ARM控制板連接，將采集到的現(xiàn)場的圖像信息通過Openwrt的ARM控制板回傳到控制終端。

1.3 清障系統(tǒng)工作原理

鏟斗（圖1）的設(shè)計(jì)初衷主要是為了清除地面上的大型障礙物，因此鏟斗的機(jī)械部分采用一個(gè)可控舵機(jī)帶動小齒輪，通過中齒輪進(jìn)行傳導(dǎo)帶動大齒輪旋轉(zhuǎn)，配合鋸齒滑塊推動它所連接的鏟斗進(jìn)行前后位移，來實(shí)現(xiàn)初步清障。四個(gè)電機(jī)驅(qū)動車體車輪，提供向前的力，使得鏟斗將地面障礙物鏟離地面，實(shí)現(xiàn)主要的清障工作。鏟斗部分由多個(gè)齒輪之間進(jìn)行配合，鏟斗上方有一個(gè)小型舵機(jī)，來控制主動齒輪旋轉(zhuǎn)的角度，再由大、中、小齒輪傳遞，鏟斗前方特殊鏟齒的循環(huán)運(yùn)動能對障礙物進(jìn)行初步疏松和整理，對于開展大型或者黏性障礙物的清理工作有極大的幫助。

圖1 鏟斗部分示意圖

清掃裝置（圖2）動力由一個(gè)減速電機(jī)提供，它帶動一個(gè)直齒輪連桿，兩對斜齒輪與桿結(jié)合，連桿底部帶有兩個(gè)清潔掃帚。利用齒輪之間的配合，運(yùn)用直齒輪與斜齒輪的傳遞性，巧妙設(shè)計(jì)清理裝置，可以實(shí)現(xiàn)對地面的覆蓋式清理，底部掃帚旋轉(zhuǎn)清理地面，可以對小型殘余障礙物進(jìn)行二次清理。

圖2 清掃裝置示意圖

1.4 鏟斗升降機(jī)構(gòu)

鏟斗升降機(jī)構(gòu)采用絲桿機(jī)構(gòu)傳動，由兩個(gè)電機(jī)同時(shí)帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，將鏟斗部分與絲桿滑塊進(jìn)行連接，通過控制電流方向來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏟斗的升降，由絲桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降來控制鏟斗清理位置，用來清理路面上中小型障礙物。

1.5 小型噴射裝置

具有小型噴射裝置，由車體內(nèi)的小型抽水泵將水箱內(nèi)的液體射出，可實(shí)現(xiàn)消防功能，配合機(jī)械臂的方向控制，實(shí)現(xiàn)滅火及防疫。

2 三維設(shè)計(jì)

清障車的機(jī)械部分設(shè)計(jì)都是通過三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks進(jìn)行的（圖3）。為了滿足初步展示清障功能的需要，使用Solidworks制作了三維動畫，可形象、直觀地動態(tài)仿真清障過程。

圖3 三維設(shè)計(jì)

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）巧妙運(yùn)用機(jī)械臂五自由度結(jié)構(gòu)完成復(fù)雜情況下的大型障礙物清理功能，并且在控制算法上采用獨(dú)創(chuàng)的聯(lián)動算法，讓操作者輕松上手。

（2）利用齒輪之間的配合，巧妙設(shè)計(jì)清理裝置，可以實(shí)現(xiàn)對地面的覆蓋式清理。

（3）自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的推土鏟，相比傳統(tǒng)推土鏟機(jī)構(gòu)更具有高效性，可以更好地配合清理裝置進(jìn)行清障工作。

（4）具有小型噴射裝置，可以實(shí)現(xiàn)消防功能，配合機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)滅火及防疫。

（5）該清障車所有功能皆為遠(yuǎn)程控制操作，可使操作者遠(yuǎn)離復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，降低工作人員的危險(xiǎn)指數(shù)。

4 結(jié)語

相比現(xiàn)階段國內(nèi)已有的清障車，該清障車具有多功能化、遠(yuǎn)程控制的優(yōu)點(diǎn)。該清障車使用范圍廣，對環(huán)境要求不高，維修維護(hù)方便，具有功能多樣、應(yīng)用前景廣闊、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢。

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