羅二娟

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國高速公路大量建成通車，路面、隧道、橋梁及其附屬設(shè)施的日常保潔任務(wù)越來越艱巨。為確保車輛運(yùn)行環(huán)境良好，保證行車安全，許多技術(shù)先進(jìn)且自動化程度較高的道路清掃車、綠籬車、護(hù)欄清洗車、高速公路隧道清洗車等陸續(xù)投入工程應(yīng)用，其結(jié)果在很大程度上提高了道路保潔效果和效率。但縱觀目前我國高速公路養(yǎng)護(hù)的整體作業(yè)水平還較低，不少地區(qū)（尤其是交通流較少的偏遠(yuǎn)地段）主要還依靠人工清潔完成作業(yè)。即使是正在使用的清洗設(shè)備，也存在較為嚴(yán)重的單一作業(yè)、配套不全和作業(yè)效率有待提高的問題。有鑒于此，基于高速公路及隧道清潔工程的急需，研發(fā)一代智能型多功能綜合清潔車是十分必要的，這對于迅速提高我國高速公路的保潔能力，進(jìn)而提高我國高速公路的整體養(yǎng)護(hù)和管理水平具有重要意義。

本文提出一款新型的高速公路智能型多功能綜合清潔車的設(shè)計(jì)構(gòu)思，它集草坪修剪、高枝修剪、隧道清洗、標(biāo)識牌清洗、邊坡清洗等功能于一體，實(shí)現(xiàn)一車多用。由于自動化程度高，能夠達(dá)到智能型多功能節(jié)能環(huán)保的效果。整車具有較強(qiáng)的針對性、實(shí)用性和推廣價(jià)值。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀及分析

從高速公路出現(xiàn)直至目前，研究各種高性能清潔設(shè)備，以保障道路整潔與安全一直是世界各國，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國家特別關(guān)注的焦點(diǎn)。這些技術(shù)裝備主要有綠籬機(jī)、隧道清洗車、高枝修剪車等等，德國等先進(jìn)國家近年推出的多功能臂架懸掛式修剪機(jī)可修剪高達(dá)7 m的綠籬，還可以修剪道路、河流等堤岸兩側(cè)的雜草和灌木叢[1-2]。

現(xiàn)有的隧道清洗車分高壓水清洗車和滾刷式清洗車。高壓水清洗車無法在短時(shí)間內(nèi)清潔污漬，作業(yè)效率低，還需要大量的水源，單次作業(yè)里程短，同時(shí)隧道內(nèi)會積水，影響行車安全[3]。滾刷式隧道清洗車可以避免水源浪費(fèi)以及高壓水對隧道墻面的沖擊破壞，節(jié)能環(huán)保。

20世紀(jì)70年代前，防撞護(hù)欄、隔離欄及路標(biāo)識牌一直依靠人力清洗，勞動強(qiáng)度大、勞動效率低、且干擾交通。此后國外開始嘗試機(jī)械作業(yè)車，主要有德國慕迪卡和美國福特。80年代初，美國福特公司研制了防撞護(hù)欄清洗設(shè)備，它是在輪式行走底盤的前橋上懸掛作業(yè)裝置，采用機(jī)械傳動，以單刷射水方式作業(yè)[4]。目前國內(nèi)也引進(jìn)了德國的設(shè)備，但造價(jià)高、維修困難。我國也開始研制或使用護(hù)欄清洗車，主要有山西交科、遼寧鞍山森遠(yuǎn)、北京澤通等。

2 新型智能多功能清潔車

綜上所述，國內(nèi)外有眾多功能各異的專用修剪、清洗、養(yǎng)護(hù)類機(jī)械設(shè)備，道路養(yǎng)護(hù)、清潔已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但對集綠籬、高枝修剪，隧道清洗，護(hù)欄、標(biāo)識牌、隔聲屏障清洗等于一體的功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便且自動化程度高的綜合養(yǎng)護(hù)清潔設(shè)備研究和開發(fā)很少。

鑒于高速公路發(fā)展趨勢和國內(nèi)外高速公路清潔設(shè)備的需求，本文提出研發(fā)一款智能型多功能籬欄隧道綜合清潔車，其設(shè)計(jì)思想和基本功能不僅能夠通過快速換裝工作裝置的方式實(shí)現(xiàn)綠籬、高枝修剪，護(hù)欄、標(biāo)識牌、屏障清洗，隧道清洗等功能，而且具有實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，操作更加簡單化和人性化，其工作裝置采用前懸掛方式，即將通用操作臂固定于承載車前車架上。通過更換通用操作臂操作手的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同功能。顯然，綜合性能和多功能作業(yè)是其主要技術(shù)特征。

3 新型智能多功能清潔車通用操作臂設(shè)計(jì)

3.1 通用操作臂結(jié)構(gòu)

通用操作臂部分是串聯(lián)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，是一個(gè)開式運(yùn)動鏈，由移動關(guān)節(jié)—轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)—轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)—轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)—轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)—轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成，具有6個(gè)自由度。操作臂的一端固定在基座（清潔車）上，另一端是自由的，安裝著操作手（刀頭），用以操作刀頭完成各種修剪和清洗作業(yè)。關(guān)節(jié)由液壓缸驅(qū)動，關(guān)節(jié)的相對運(yùn)動導(dǎo)致連桿的運(yùn)動，使刀頭到達(dá)相應(yīng)的位姿。同時(shí)通過傳感器智能實(shí)時(shí)監(jiān)控，使操作更加簡單化、人性化。

圖1 操作臂結(jié)構(gòu)

3.2 通用操作臂運(yùn)動學(xué)分析

為了便于控制，需研究操作臂中各連桿之間的位移關(guān)系。具體方法是在每個(gè)連桿上固連一個(gè)坐標(biāo)系，然后描述這些坐標(biāo)系之間的關(guān)系。運(yùn)動學(xué)分析有多種方法，本文采用D-H法，推導(dǎo)操作手相對于基座的齊次變換矩陣，研究操作臂的運(yùn)動方程。首先建立操作臂連桿坐標(biāo)系如圖2所示。

根據(jù)各連桿坐標(biāo)系，給出操作臂連桿參數(shù)如表1所示。

通過連桿參數(shù)，計(jì)算出各個(gè)連桿間的坐標(biāo)變換矩陣見公式（1）～公式（6）。

根據(jù)公式（1）～公式（6）計(jì)算出通用操作臂變換矩陣見公式（7）。

圖2 操作臂連桿坐標(biāo)系

因操作手（刀頭）與連桿6固連，故通過公式（7）即可計(jì)算出刀頭相當(dāng)于基座之間的坐標(biāo)關(guān)系，從而得出操作臂的運(yùn)動學(xué)方程，通過各關(guān)節(jié)傳感器的輸出，可以得出各個(gè)關(guān)節(jié)變量的值，給定基座坐標(biāo)，乘以公式（7），從而求出操作手（刀頭）的坐標(biāo)，用以控制操作手（刀頭）到達(dá)相應(yīng)的位置進(jìn)行修剪和清潔工作。

表1 操作臂連桿參數(shù)

4 智能新型清潔車功能及刀頭介紹

智能新型多功能清潔車主要有以下幾方面的功能，見圖3。

圖3 新型清潔車主要功能

a）高速公路草坪修剪（公路路基邊坡草坪修剪、公路路肩以及中央分隔帶草皮或綠化帶波形護(hù)欄及立柱處草坪、灌木修剪），草坪修剪刀頭與通用操作臂間通過轉(zhuǎn)動副相連，刀頭可以旋轉(zhuǎn)，以對有坡度的草坪進(jìn)行修剪，并且通過旋轉(zhuǎn)可以繞過護(hù)欄進(jìn)行修剪作業(yè)。

b）高枝修剪，可以修剪高達(dá)7 m的樹枝，刀頭設(shè)計(jì)成鋸齒狀，和樹枝結(jié)構(gòu)相似，有利于修剪；同時(shí)刀頭長度較長，可以同時(shí)修剪多根樹枝，修剪范圍大，修剪效率高。

c）邊坡清洗，清洗高速公路路邊邊坡及路沿，刀頭為毛刷形式，刀頭可以繞通用操作臂旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動靈活。

d）隧道清洗，采用滾刷式隧道清洗模式，滾刷可以繞通用操作臂旋轉(zhuǎn)，用以實(shí)現(xiàn)清洗隧道壁、隧道頂和隧道地面的清洗。

e）標(biāo)識牌、隔聲屏障、護(hù)欄清洗等，刀頭采用滾筒模式，滾筒可以繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到清洗的目的。同時(shí)，通過控制通用操作臂，可以調(diào)節(jié)清潔滾筒的高低，用以實(shí)現(xiàn)對護(hù)欄、標(biāo)識牌和隔聲屏障等的清洗。

5 結(jié)論

本文通過分析國內(nèi)外現(xiàn)有高速公路清潔設(shè)備研究狀況以及市場需求，提出了一款新型智能多功能清潔車的設(shè)計(jì)構(gòu)思，該清潔車具有多功能、智能化、實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)對該清潔車的通用操作臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動學(xué)計(jì)算，為整機(jī)的操控系統(tǒng)和作業(yè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了必要的技術(shù)依據(jù)。