多功能清障车的研制

薛政坤 李金原

（辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁鞍山114051）

0 引言

随着时代的不断发展进步，人类的生活环境状态也会不断发生变化。在复杂环境下，人类日常生活中往往会出现一些难以避免的人为意外和一些不可避免的自然灾害，此时快速完成抢险救灾任务至关重要。以往抢险救援人员无法第一时间实施救助，很大因素在于出现拦路障碍导致的道路堵塞，为给抢险救援提供方便和节省时间，清障车作为救援机械发挥着至关重要的作用，为提高清障车的工作能力，对传统清障车进行多功能的技术创新改造，跟上时代发展的步伐十分必要。多功能清障车所有功能皆为远程控制操作，可使操作者远离复杂的现场环境，提高工作的安全性，降低劳动强度，提高清理效率，因而更容易被社会所接受。

1 清障车的组成及工作原理

1.1 清障车简介

多功能清障车主要分为前中后三个部分，前部主要有一个六自由度灵活机械臂，用来抓取并移动大型障碍物，且装有喷水装置，可以通过控制机械臂的方向来选择喷水的方向起到消防功能，顶部装有摄像头用来回传现场图像。中间部分由巧妙设计的锥齿配合机构组成一个清扫装置，用来清理地面小型障碍物。后部由一个加以创新设计的铲斗组成，由一个升降机构实现铲斗升降来控制清理位置，用来清理路面上中小型障碍物。车上还有一个小显示屏和一个LED小型灯管，用来记录装置工作的时间和在夜晚来临或光线不足时进行灯光补偿。

1.2 机械臂工作原理

车体上有一个机械臂和一个附着小型箱体，当清障车遇到大型障碍物时，可以通过机械臂配合夹取物品，并有选择性地将物品放入小型箱体内部。机械臂的本体拥有五个自由度，即有五个独立的关节可运动。手机端使用蓝牙与51单片机端的串口蓝牙实现异步通信。机械臂的动作分配采用了无人工干预的全制动分配联动算法，使控制变得相当简单。机械臂顶部装有嵌入式Openwrt系统的ARM控制板，手机、电脑等终端设备直接联网即可与此控制板通信。同时机械臂上安放一个摄像头并使用常见的USB线与ARM控制板连接，将采集到的现场的图像信息通过Openwrt的ARM控制板回传到控制终端。

1.3 清障系统工作原理

铲斗（图1）的设计初衷主要是为了清除地面上的大型障碍物，因此铲斗的机械部分采用一个可控舵机带动小齿轮，通过中齿轮进行传导带动大齿轮旋转，配合锯齿滑块推动它所连接的铲斗进行前后位移，来实现初步清障。四个电机驱动车体车轮，提供向前的力，使得铲斗将地面障碍物铲离地面，实现主要的清障工作。铲斗部分由多个齿轮之间进行配合，铲斗上方有一个小型舵机，来控制主动齿轮旋转的角度，再由大、中、小齿轮传递，铲斗前方特殊铲齿的循环运动能对障碍物进行初步疏松和整理，对于开展大型或者黏性障碍物的清理工作有极大的帮助。

图1 铲斗部分示意图

清扫装置（图2）动力由一个减速电机提供，它带动一个直齿轮连杆，两对斜齿轮与杆结合，连杆底部带有两个清洁扫帚。利用齿轮之间的配合，运用直齿轮与斜齿轮的传递性，巧妙设计清理装置，可以实现对地面的覆盖式清理，底部扫帚旋转清理地面，可以对小型残余障碍物进行二次清理。

图2 清扫装置示意图

1.4 铲斗升降机构

铲斗升降机构采用丝杆机构传动，由两个电机同时带动丝杆旋转，将铲斗部分与丝杆滑块进行连接，通过控制电流方向来控制电机的正反转，进而实现铲斗的升降，由丝杆机构实现升降来控制铲斗清理位置，用来清理路面上中小型障碍物。

1.5 小型喷射装置

具有小型喷射装置，由车体内的小型抽水泵将水箱内的液体射出，可实现消防功能，配合机械臂的方向控制，实现灭火及防疫。

2 三维设计

清障车的机械部分设计都是通过三维设计软件Solidworks进行的（图3）。为了满足初步展示清障功能的需要，使用Solidworks制作了三维动画，可形象、直观地动态仿真清障过程。

图3 三维设计

3 创新点

（1）巧妙运用机械臂五自由度结构完成复杂情况下的大型障碍物清理功能，并且在控制算法上采用独创的联动算法，让操作者轻松上手。

（2）利用齿轮之间的配合，巧妙设计清理装置，可以实现对地面的覆盖式清理。

（3）自主创新设计的推土铲，相比传统推土铲机构更具有高效性，可以更好地配合清理装置进行清障工作。

（4）具有小型喷射装置，可以实现消防功能，配合机械臂实现灭火及防疫。

（5）该清障车所有功能皆为远程控制操作，可使操作者远离复杂的现场环境，降低工作人员的危险指数。

4 结语

相比现阶段国内已有的清障车，该清障车具有多功能化、远程控制的优点。该清障车使用范围广，对环境要求不高，维修维护方便，具有功能多样、应用前景广阔、实用性强等优势。

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