智能自動化機(jī)械手在環(huán)保車上的研究應(yīng)用

黃闖

（廣州市環(huán)境衛(wèi)生機(jī)械設(shè)備廠有限公司，廣東 廣州 510450）

1 環(huán)保車現(xiàn)有上料方式

目前國內(nèi)環(huán)保車一般采用作業(yè)人員人工推桶上料，手動靠置于環(huán)保車翻轉(zhuǎn)裝置上，再操作電氣按鈕驅(qū)動翻轉(zhuǎn)裝置傾倒垃圾桶中的垃圾，后再人工推桶放回原處。圖1 為環(huán)保車人工側(cè)上料，圖2 為環(huán)保車人工后上料。除環(huán)保車駕駛員外，需另配備1～2 名環(huán)衛(wèi)作業(yè)人員。勞動強(qiáng)度大，上料效率低，運營人力成本高，衛(wèi)生條件差，同時也存在作業(yè)安全風(fēng)險[1]。

圖1 環(huán)保車人工側(cè)上料

圖2 環(huán)保車人工后上料

2 新型車載智能自動化機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)

車載智能自動化機(jī)械手由底座、吊臂、連桿、導(dǎo)軌、翻轉(zhuǎn)臂組成四連桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)各所需動作，如圖3 所示。底座通過拉碼和連接板固定于底盤縱梁上面。在垃圾收運時駕駛員通過整車監(jiān)控系統(tǒng)來判斷機(jī)械手與垃圾桶之間的距離，從汽車底盤取力，帶動液壓油泵輸出高壓油，驅(qū)動伸出油缸使導(dǎo)軌運動，從而帶動翻轉(zhuǎn)臂的伸出與縮回，如圖4 所示[2]。翻轉(zhuǎn)臂到達(dá)合適位置后，抱桶油缸驅(qū)動抱桶臂運動，使垃圾桶被緊緊的束縛夾緊在抱桶臂中間。再控制翻轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動翻轉(zhuǎn)臂沿著導(dǎo)軌翻轉(zhuǎn)，使垃圾桶中垃圾傾泄到車廂壓縮腔內(nèi)，整個機(jī)械臂的操作順序為伸出、抱桶、翻轉(zhuǎn)、下降、松桶、縮回，如圖5 所示?？缮斐銎噦?cè)面1.5m 對垃圾桶進(jìn)行抓取，并翻轉(zhuǎn)150°傾倒垃圾[3]。

圖3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圖4 機(jī)械手抱桶和翻桶

圖5 作業(yè)過程

3 車載智能自動化機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)設(shè)計計算

3.1 翻轉(zhuǎn)能力計算

（1）機(jī)械手原位抱桶翻轉(zhuǎn)，如圖6 所示。

圖6 機(jī)械手原位抱桶翻轉(zhuǎn)

（2）機(jī)械手臂最大伸出距離1.5m 處抱桶翻轉(zhuǎn)，如圖7 所示。

圖7 機(jī)械手臂最大伸出距離處抱桶翻轉(zhuǎn)

機(jī)械手系統(tǒng)壓力定為14MPa＞5.31MPa，故機(jī)械手抱桶臂在垃圾桶滿載時也能輕松翻轉(zhuǎn)傾倒。

3.2 抱桶臂受力分析

設(shè)定240L 塑料桶滿載后最大重量為m=250kg，G=m×g=250×10=2500N。

設(shè)定抱桶帶與塑料桶之間的摩擦系數(shù)為0.5，抱帶對抱臂產(chǎn)生的壓力為F，抱臂受到的垂直向下的壓力F1，則計算方式如式（1）所示。

以抱臂上兩處轉(zhuǎn)軸為受力面進(jìn)行分析，分別2500N 的力，經(jīng)受力分析最大應(yīng)力處值為197MPa＜235MPa（材料本身屈服強(qiáng)度）。

安全系數(shù)為u=235/197=1.193，滿足設(shè)計要求。

抱桶臂結(jié)構(gòu)采用柔性設(shè)計，可適應(yīng)不同大小的120L和240L 標(biāo)準(zhǔn)塑料垃圾桶，適應(yīng)范圍廣，如圖8 所示。

圖8 抱桶臂

3.3 在車輛底盤上的布置方式

該機(jī)械手機(jī)構(gòu)位于底盤駕駛室后方，采用連接件與底盤大梁連接固定，從底盤發(fā)動機(jī)取力，帶動液壓油泵，輸出高壓油，再通過液壓閥組控制各動作油缸伸出和縮回，輸出動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)臂運動，實現(xiàn)各個動作的操作，如圖9 所示。

圖9 車輛底盤上的布置方式

機(jī)械手操作方式分為自動與手動兩種控制方式，其中自動方式為：控制操作手柄朝正前方“伸出”位置推出，此時通過駕駛室監(jiān)控器觀察機(jī)械手抱臂系統(tǒng)與垃圾桶之間的距離，使機(jī)械手抱捅臂到達(dá)抱桶位置（此位置需實際操作后確定）；控制操作手柄朝右側(cè)“抱桶”位置推出，且維持操作手柄處于右側(cè)“抱桶”位置，使抱臂抱緊垃圾桶；此時機(jī)械手抱臂系統(tǒng)自動實現(xiàn)舉升、下降、松桶、收回等動作。采用了多方位的監(jiān)控系統(tǒng)，做到了收運動作的可視化。既保證了車輛的正常收集作業(yè)，也提高了作業(yè)安全性，如圖10 所示[4]。

圖10 操作手柄和視頻監(jiān)控

3.4 新型車載智能自動化機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)電控設(shè)計

電控設(shè)計如下：①裝卸料轉(zhuǎn)換開關(guān)。②手自動切換開關(guān)。③頂蓋門轉(zhuǎn)換開關(guān)。④操作手柄開關(guān)。⑤舉升感應(yīng)開關(guān)。⑥下降感應(yīng)開關(guān)。⑦夾桶感應(yīng)開關(guān)。⑧松桶感應(yīng)開關(guān)。⑨回位接近開關(guān)。⑩頂蓋門感應(yīng)開關(guān)。控制器模塊。保險。液壓多路閥。續(xù)流二極管。

電氣控制系統(tǒng)有手動和自動兩種工作模式，便于日常操作、特殊場景和維修不同情況下使用。油缸上集成有五個感應(yīng)開關(guān)，檢測油缸的初始和伸出到終點的位置，輸入信號作為邏輯控制判斷的依據(jù)。通過操作手柄開關(guān)來控制機(jī)械手各個不同機(jī)構(gòu)的運動，機(jī)構(gòu)的伸出和回位。抱桶機(jī)構(gòu)的抱桶和松桶，機(jī)械手機(jī)構(gòu)的舉升和下降，順序是伸出、夾桶、舉升、下降、松桶及回位。在操作操作手柄開關(guān)時也應(yīng)按照這個順序，若未按這個順序操作，因控制程序邏輯上已做防呆處理，也不會造成機(jī)構(gòu)損壞。每個動作的作業(yè)時間按實際情況作優(yōu)化調(diào)整，減少震動使運行平穩(wěn)，并確保一次作業(yè)時間高效，如圖11 所示[5]。

圖11 電控系統(tǒng)電路

自動操作模式通過手自動切換開關(guān)轉(zhuǎn)換。先向伸出位推動操作手柄開關(guān)，機(jī)械手機(jī)構(gòu)伸出直至離垃圾桶合適距離，向夾桶位操作手柄，進(jìn)行夾桶作業(yè)，完成后，感應(yīng)開關(guān)SQ4 發(fā)出對應(yīng)信號，按控制程序進(jìn)行舉升倒料，到位后感應(yīng)開關(guān)SQ6 發(fā)出對應(yīng)信號，控制機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)下降，到位后感應(yīng)開關(guān)SQ5 發(fā)出對應(yīng)信號，完成松桶的動作，感應(yīng)開關(guān)SQ3 發(fā)出對應(yīng)信號，控制機(jī)構(gòu)回位，到位后感應(yīng)開關(guān)SQ2 發(fā)出信號，停止動作，一次作業(yè)循環(huán)動作完成。若出現(xiàn)特殊狀況需要停機(jī)時，按下操作手柄開關(guān)中“下降”按鈕，為減少按鈕數(shù)量，于自動模式，當(dāng)急停按鈕用。

手動操作模式通過手自動切換開關(guān)轉(zhuǎn)換。先向伸出位推動操作手柄開關(guān)，到位后將操作手柄開關(guān)回位，機(jī)構(gòu)停止工作。其他動作的作業(yè)方式類同。

4 新型車載智能自動化機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)的試驗及應(yīng)用

車載智能自動化機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)是一種全新的自動上料機(jī)構(gòu)，為了測試實際效果，本文采用1 臺總質(zhì)量為18t 的機(jī)械手環(huán)保車作為試驗樣車，如圖12、圖13所示，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖12 試驗樣車

圖13 翻塑料垃圾桶試驗

從翻桶試驗及表1 可以看出，駕駛員不下車即可操作，操作便利，舒適性好，同時不下車也提高了安全性。實際裝載速度15s，速度快且效率高。良好達(dá)成了設(shè)計初衷。該機(jī)械手裝置可以廣泛應(yīng)用于環(huán)保車各種不同車型和不同噸位的產(chǎn)品上。

表1 機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)的測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

通過新型車載智能自動化機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)的研究，應(yīng)用于環(huán)保車上實現(xiàn)了垃圾桶的自動抓取、傾倒、回位等動作，駕駛員兼環(huán)衛(wèi)作業(yè)工人在人不下車的情況下就能完成所有環(huán)衛(wèi)作業(yè)，達(dá)到了以下良好效果。

（1）提升了國內(nèi)環(huán)保車自動化水平，為環(huán)保車技術(shù)發(fā)展提供了新的借鑒。

（2）提高了車輛作業(yè)效率，實現(xiàn)垃圾收運的高效化，減輕了環(huán)保作業(yè)人員勞動強(qiáng)度，同時不下車作業(yè)也提升了人身安全性。

（3）降低了運營成本，以前1 名駕駛員加1～2 名環(huán)衛(wèi)作業(yè)人員，現(xiàn)只需1 名即可完成。

（4）在目前疫情常態(tài)防疫的情況下，作業(yè)衛(wèi)生條件好，不與垃圾接觸，對作業(yè)人員防疫也是一種保護(hù)。