一种小型无人驾驶环保清扫车机构设计 ①

江 霖， 程 亮， 王少俊， 史立秋

(浙江水利水电学院机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

城市环卫清扫市场规模巨大，据粗略估算，全国道路清扫的费用已经接近万亿量级，而环卫公司60%以上是人力成本。无人驾驶清扫车每小时能行驶4公里，清扫宽度在2～3米之间，一辆车干的活相当于10～20人的工作量，国外由于人力成本高和保洁标准的不同，市场规模更大[1-4]。

目前，已有部分企业的无人驾驶清扫车已投向市场应用，清扫的基本功能都已实现，但还并未出现清扫设备处理上的再升级[5-9]。本文主要对无人驾驶清扫车的清扫部分进行设计，在清扫装置上做出创新突破，在保证车辆低速平稳行驶前提下，增加垃圾粉碎箱和压缩箱等机构，意在提升垃圾存储效率。除了充电和加水，无人驾驶清扫车不受时间的限制，有效地将道路清扫保洁从低效率、高风险中解放出来，还可以减少扰民现象的发生。

1 小型无人驾驶清扫车总体设计

本文设计的小型无人驾驶清扫车的总体设计方案路线图如图1所示。

整车的研究对象就是它的传感器的选配、车载动力基础、车身结构的布置、以及清扫装置设计方案这四大部分，总体结构方案如图2所示。

图1 总体方案设计路线图

本文具体的改造方案实施主要体现在车身的结构位置的布局上，以及整个清扫系统如何才能更加高效稳定的运行，既要考虑到车辆的清扫效率，也需要方便车辆的后期运维。设计的亮点是在于垃圾的处理上，传统垃圾清扫车需要人工驾驶作业，相较来说无人驾驶的清扫车去掉了人工座位，留出了更多的空间可以根据功能要求来应用，可以考虑在内部增加一部分垃圾处理机构，这里添加了垃圾收集的粉碎装置和压缩装置。

1 车体 2 清扫机 3 吸尘器 4 激光雷达

车载底盘上固定安装了位于电动粉碎辊机组一侧的导料板，车体的底部固定安装有位于垃圾收集盒一侧的压缩箱，压缩箱的内壁上滑动安装有挤压板，车体的底部固定安装有液压缸，液压缸的输出轴延伸至压缩箱内并与挤压板固定连接。

底盘的设计根据车体体积规划，底盘设计是按照300*150大小，支撑装置承受着来自整机的全部重量及辅助装置重量，因此对其进行设计时，需要综合考虑材料的抗压、抗弯曲性能以及尺寸大小。整体采用铝合金结构，底盘上所固定的清扫机构主要规划了两个清扫机组固定圆柱孔、两个吸尘器的的位置固定座、垃圾粉碎箱的固定座、垃圾压缩箱的固定座、垃圾收集盒等各个机构的位置规划，以及四个车轮位置的预留。

底盘对清扫机组的预设大致可分为两类：一是将两组清扫机组安置在两侧或者45°前方，一般是用于大型的清扫任务，常见的就是公路上的道路清扫车；二是安置在车底部，优势是节省空间，不占用道路面积，但相对的清扫面积也相对较小，广泛应用于小区、公园、学校等诸多封闭是场所。相比之下第二种更适合这次的设计主导思想，故可在底盘位置打对称孔固定清扫机组。

底盘对吸尘器的设置需要配合清扫机组，一般吸尘器的设置会紧随清扫机组之后，因为我们这里后续还要用扫粉碎、压缩等功能型机构组，故可将吸尘器设置在两侧，通过吸尘器收集上来的垃圾可直接导入中间位置的垃圾粉碎机。

粉碎机和垃圾压缩箱属于垃圾处理工具，在垃圾输送的过程中对垃圾进行加工处理，为减小不必要的输送问题，可将两机组尽可能的靠近，通过输送通道连接，最终将加工好的垃圾送至车辆尾部的垃圾收集盒。

为了方便对垃圾装卸，末端的垃圾收集盒在车体上两侧边设置有轨道，可通过旋转把手，直接拉出倾倒。清扫车底盘三维建模图如图3所示。

图3 清扫车底盘三维图

2 运动仿真

对无人驾驶清扫车的运动仿真这里可直接通过Solidworks软件进行操作，在装配图上通过新建运动算例进行运动模式的设置。通过在对应的设备机构件上添加马达，设置马达类型以及运动轨迹，来编辑无人驾驶清扫车在清扫过程中各部分机构的运行机制。在清扫机上设置旋转马达，马达位置安装在车体底板平面，旋转方向选择车体底板孔圆边线，相对移动的零件选择清扫机，完成清扫机的旋转运动。在粉碎箱内的齿轮上添加旋转马达，马达安装在粉碎机箱轴侧面，旋转方向选择轴的边线，相对移动的零件选择齿轮，完成粉碎机的齿轮运动。在压缩箱内的压缩件上设置线性马达，马达安装在压缩箱侧面重合边线，驱动方向选择压缩箱垂直边线，相对移动的零件选择压缩件，完成压缩件的驱动配置。

最终达到车辆在正常行驶的过程中，位于底部的清扫机在匀速转动，对地面进行清洁；位于车体内部的粉碎机两部齿轮相向转动，进行辊式粉碎；其后的压缩箱内，压缩件上下迅速移动对垃圾进行压缩。整体运动仿真功能如图4所示。

无人驾驶清扫车的底盘承载着整车的机构部件，需考虑其应力作用的影响，本文主要通过Solidworks软件中的插件simulation功能对车体底盘进行应力仿真分析。在外部载荷功能版选择力，设置车体底盘的上端面为加载力的面，输入力为1000N，如图5所示。

点击运行求解，得出车底板的应力仿真示意图，如图6所示。

由上述的载力仿真结果可以得出，通过给车体底盘施加一个大小为1000N的承载力，底盘的受力分布主要表现为四周所承受的载力较大，且并不均匀，主要在角落位置的受力较为严重。因此可以考虑从结构上，对车体底板的边缘进行加厚，或者做一个上升的台阶，另一方面可以适当的扩大底盘四角的倒圆角，以减小应力集中的问题。

图4 仿真运动

图5 加载力设置

图6 底板应力仿真

3 结 论

从无人驾驶清扫车结构入手，对车辆的整体外部结构进行分析，主要包含了车辆的底盘和车身结构，以及清扫机构的扫地机、吸尘器、垃圾收集盒、粉碎箱、以及压缩盒等多个方面进行全方面的研究。并对整车的运动以及底板承载力分析两部分进行仿真，底盘的受力分布主要表现为四周所承受的载力较大，且并不均匀，主要在角落位置的受力较为严重。因此可以考虑从结构上，对车体底板的边缘进行加厚，或者做一个上升的台阶，另一方面可以适当的扩大底盘四角的倒圆角，以减小应力集中的问题。