張恩惠，李雙

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150036）

冬季降雪較多，并普遍以浮雪、積雪等形式停留在路面。四季無雨時路面的阻礙因數(shù)為0.6，雨季路面的阻礙因數(shù)小于0.4，在冬天降雪路面為0.28，結(jié)冰路面僅為0.18，人行道阻礙因數(shù)的減小導(dǎo)致行人、自行車和電動車側(cè)滑的概率增加，容易造成人身傷害[1-2]。世界各國對清除路面冰雪極為重視，針對道路中央大面積冰雪清除的方法繁多，分別以接觸式和非接觸式壓實冰雪2 個方向進行，涉及機械清除、熱力清除和改良路面鋪裝材料清除等方式[3-4]。目前，針對面積小、路況比較復(fù)雜的人行道壓實冰雪清除裝置的研究較少，通常采用人工鐵鏟清除的方式進行處理，存在耗費人力，財力、時間，以及成效低和會破壞人行道路面等問題。超聲波除冰也稱機械除冰，具有結(jié)構(gòu)簡單、耗能低、費用低、不破壞路面等優(yōu)勢，因此越來越多的研究者開始專注于這種方法。例如，JING 等[5]研究了超聲波除冰技術(shù)，為飛機、風(fēng)力渦輪機設(shè)計了幾種超聲波除冰或防冰系統(tǒng)。現(xiàn)階段超聲波除冰機理的研究還不是很全面，在大多數(shù)研究中，除冰準(zhǔn)則被認(rèn)為是一個靜值，如果壓實冰雪界面橫向剪應(yīng)力幅值超過了通過靜態(tài)張力測試確定的黏著強度，證明超聲波除冰系統(tǒng)是可以實現(xiàn)的。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機器人的使用遍布各個領(lǐng)域，在機器人的基礎(chǔ)上安裝具有小型化、機動靈活、能效小、效率高、節(jié)省人力等特性的除冰裝置，成為當(dāng)今除冰裝置的應(yīng)用趨勢[6-7]。針對人行道除冰現(xiàn)狀，現(xiàn)階段應(yīng)以小型、機動靈活、經(jīng)濟耐用的作業(yè)機械為研究重點。

針對人行道壓實冰雪路況，提出一種小型、機動、靈活的超聲波清除壓實冰雪機器人的布局方案，超聲波清除壓實冰雪機器人主要由行駛機構(gòu)、超聲波破冰機構(gòu)、除冰雪機構(gòu)、動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，該裝置可以通過語音的方式控制超聲波清除壓實冰雪機器人沿人行道作業(yè)，利用超聲波高頻振動破碎、清除人行道的壓實冰雪，從而保障行人的安全。

1 壓實冰雪路況情況

人行道大多數(shù)由水泥方磚鋪成，附加設(shè)施內(nèi)容多，包括樹池、垃圾桶、無障礙坡道等公益性設(shè)施、公共服務(wù)設(shè)施和廣告設(shè)施。清除人行道上的壓實冰雪比較困難，障礙物比較多，清除壓實冰雪的裝置應(yīng)靈活、小巧，從而便于清除壓實冰雪。冬季降雪后，為避免方磚、兩側(cè)綠化帶不受鹽及融雪劑的危害，人行道一般不使用融雪劑來清除冰雪。人行道中的積雪因時間、溫差、人為來回踩踏等形成了黏附力很強的壓實冰雪，人行道壓實冰雪一般有散漫、板狀等形狀。其中，板狀的壓實冰雪和冰膜是最難清除也是危險系數(shù)最大的一類壓實冰雪。被行人來回踩踏過的積雪分布勻稱、堅固，密度為900 kg/m3，黏附力極強，冰膜為半透明和不透明混合的板狀物，壓實冰雪融化后因溫度過低又凍結(jié)在一起，黏著力很強[8]。特別是在溫度極低的東北地區(qū)，人行道的壓實冰雪非常多，在這種路面上行走或騎自行車很容易側(cè)滑，容易造成人身傷害。

2 超聲波清除壓實冰雪機器人系統(tǒng)研究設(shè)計

人行道路比較窄，工作環(huán)境比較復(fù)雜，因此人行道路清除壓實冰雪機器人必須滿足以下功能：分辨方位、轉(zhuǎn)向、爬斜坡、剎車等。具有防滑功能的超聲波振動破冰刀具，能清除壓實冰雪，是一種小型、靈活的超聲波清除壓實冰雪機器人[9-10]。超聲波清除壓實冰雪機器人由本體機構(gòu)、行駛機構(gòu)、超聲波破冰機構(gòu)、除冰雪機構(gòu)和動力系統(tǒng)等組成，見圖1。機器人通過無線通信的方式控制行走機構(gòu)進行移動，在移動的同時超聲波破冰機構(gòu)由單片機控制升降系統(tǒng)下降到壓實冰雪的路面，超聲波發(fā)生器與電源連接發(fā)射出的電振蕩信號傳遞到超聲波換能器中，超聲波換能器能將高頻電能轉(zhuǎn)換成機械能，機械能產(chǎn)生高頻振動對人行道路壓實冰雪進行破碎，單片機控制絲杠升降系統(tǒng)將推冰雪鏟下降至破碎的壓實冰雪路面，推冰雪鏟把破碎的壓實冰推至路邊的林木里，既清除了人行道的冰雪又為林木提供了水分。

圖1 人行道超聲波清除壓實冰雪機器人Fig.1 Robot for removing and compacting ice and snow on sidewalk by ultrasonic

動力系統(tǒng)采用發(fā)電機與發(fā)動機相結(jié)合的方式來驅(qū)動整個機器人的移動和各個機構(gòu)的作業(yè)。該機器人通過發(fā)電機與發(fā)動機自帶的電頻來驅(qū)動升降系統(tǒng)進行工作，為超聲波發(fā)生器提供電源，使超聲波發(fā)生器發(fā)射高頻電振蕩信號，并通過超聲波換能器轉(zhuǎn)換為高頻振動，由超聲波變幅桿放大來驅(qū)使破冰刀對壓實冰雪實施破碎，從而達(dá)到最佳的破碎效果。人行道上超聲波清除壓實冰雪機器人的主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters

2.1 行駛機構(gòu)設(shè)計

超聲波清除壓實冰雪機器人的發(fā)動機為整車行駛機構(gòu)及作業(yè)機構(gòu)提供了能源和動力，其位于本體機構(gòu)的后端，采用機械傳動的方式傳遞動力，可以使整個機器人獲得速度、牽引力，并實現(xiàn)停車。行駛機構(gòu)是超聲波除冰機器人行進的驅(qū)動裝置，必須保證機器人能在壓實冰雪的人行道路上平穩(wěn)、快速地前進。由于人行道路偏窄、不平穩(wěn)，所以應(yīng)用車輪式原理使機器人移動，見圖2。行走機構(gòu)包括車架、車輪車架接頭、車輪、車軸、連接板和萬向輪。用帶輪連接發(fā)動機與后車輪的車軸來驅(qū)使整個機器人前進，前車輪采用萬向輪的方式，從而使機器人可以左右轉(zhuǎn)彎。后車輪設(shè)有15 個呈圓周排列的防滑卡座，防滑卡座采用摩擦能力強的材料（16 Mn），以確保機器人擁有極強的防滑能力，見圖3。

圖2 行駛機構(gòu)Fig.2 Travel mechanism

圖3 行走輪Fig.3 Walking wheel

2.2 超聲波破冰機構(gòu)設(shè)計

超聲波破冰機構(gòu)設(shè)計是清除壓實冰雪機器人最關(guān)鍵的作業(yè)部分，也是主要的核心部分，決定了機器人的破冰速度和破冰效果。超聲波破冰機構(gòu)包括升降系統(tǒng)、超聲波破冰系統(tǒng)和超聲波固定架，見圖4。升降系統(tǒng)包括絲杠電機、絲杠、支撐座、絲杠螺母、滑塊和導(dǎo)軌，見圖5。升降電機與絲杠用聯(lián)軸器連接，絲杠通過支撐座固定在本體機構(gòu)上，把超聲波破冰系統(tǒng)固定架上的連接桿設(shè)計為絲杠螺母，從而實現(xiàn)超聲波破冰系統(tǒng)的上下往復(fù)運動，連接桿兩端的固定滑塊與固定在本體機構(gòu)上的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，可以滿足超聲波破冰系統(tǒng)上下運動時的穩(wěn)定性要求。經(jīng)計算，升降系統(tǒng)選用功率為210 W 的電機，為適應(yīng)不同厚度的壓實冰雪，采用伺服電動機。超聲波破冰系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、超聲波變幅桿和破冰刀組成。超聲波破冰機構(gòu)的動力系統(tǒng)由發(fā)動機和發(fā)電機提供。其中，發(fā)動機上的電頻與發(fā)電機、超聲波破冰系統(tǒng)相連接。除冰機器人在人行道路上實時破冰時，通過控制系統(tǒng)控制升降電機并驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)螺母向下移動，使超聲波破冰機構(gòu)中的破冰刀接觸壓實冰雪界面，當(dāng)除冰刀觸碰到人行道路上的壓實冰雪時，依靠超聲波發(fā)生器發(fā)射的頻率與壓實冰雪簡諧頻率相同而產(chǎn)生的共振，能使壓實冰雪受高頻振動破碎而分離路面[11]，從而達(dá)到壓實冰雪破碎的效果。超聲波破冰機構(gòu)安置在本體裝置的前底端，下面就是壓實冰雪人行道，破冰刀由8 片刀具呈線性陣列排布而成，固定在超聲波變幅桿上，卡在法蘭盤中間，并用支柱與螺栓固定在超聲波破冰固定架的下端。破冰刀端口呈菱形，刀具截面呈不規(guī)則五邊形。

圖4 超聲波破冰機構(gòu)Fig.4 Ultrasonic ice breaking mechanism

圖5 升降系統(tǒng)Fig.5 Lifting system

超聲波破冰原理見圖6。其中，超聲波發(fā)生器將電頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻的電振蕩信號，超聲波換能器把超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為機械振動，再傳遞到超聲波變幅桿內(nèi)進行放大振幅，并聚能到破冰刀上，推動前端的破冰刀，作用于壓實冰雪道路，從而實現(xiàn)道路破冰。

圖6 超聲波破冰原理Fig.6 Principle of ultrasonic ice breaking

2.3 除冰雪機構(gòu)設(shè)計

為了防止在惡劣條件下破碎的冰雪不能被及時清除從而再次形成冰膜，對該機器人設(shè)計了除冰雪機構(gòu)，通過超聲波破冰系統(tǒng)將人行道路上的壓實冰雪整體破碎并剝離路面，利用推冰雪鏟將壓實冰雪推至栽有林木的人行道內(nèi)側(cè)，來避免二次清除。除冰雪機構(gòu)包括升降系統(tǒng)和推冰雪鏟，見圖7。

圖7 推冰雪鏟機構(gòu)Fig.7 Ice and snow shovel mechanism

除冰雪機構(gòu)的升降系統(tǒng)與超聲波破冰機構(gòu)升降裝置相似，都是采用絲杠把作業(yè)裝置作為絲杠的螺母驅(qū)動該機構(gòu)進行上下運動。利用曲面旋移原理，將推冰雪鏟鏟板改為空間曲面設(shè)計，可以將壓實冰雪鏟向人行道內(nèi)側(cè)。為了適應(yīng)不同厚度的壓實冰雪，采用伺服電動機，調(diào)整推冰雪鏟與路面的距離，在確保不破壞路面的前提下，實現(xiàn)徹底清除壓實冰雪。經(jīng)計算，升降系統(tǒng)選用功率為60 W 的電機。

2.4 超聲波清除壓實冰雪機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

機器人在進行壓實冰雪人行道作業(yè)時，需要接收控制系統(tǒng)輸出的命令。PLC 編程已成為現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛的軟件，其結(jié)構(gòu)簡易，抗干預(yù)性強，易于學(xué)習(xí)和把握，使用方便，價格便宜，且自帶無線通信功能[12]。在進行壓實冰雪路面作業(yè)時，要求超聲波清除壓實冰雪機器人具有無線通信功能，超聲波清除壓實冰雪機器人控制現(xiàn)場選用的是三菱牌PLCP-FX2N-64，它有FX-232ADP 型無線通信功能，可接收、傳送現(xiàn)場信號和控制命令，并接受體系管理控制。

控制系統(tǒng)承擔(dān)著超聲波清除壓實冰雪機器人大腦的角色，它操控著在線實施清除壓實冰雪的各個執(zhí)行裝置。該控制系統(tǒng)采用STC 公司生產(chǎn)的STC12C5410AD單片機作為超聲波清除壓實冰雪機器人控制器的主控集成電路。STC12C5410AD 單片機有32 個I/O 引腳，它可以擴充9 個外部中斷電路，并有12 kb 的Flash和512 kb 的RAM，具有充足的存儲程序和解決數(shù)據(jù)的容積。機器人控制系統(tǒng)的操控輸出命令由全雙工異步串行口UART 貫串無線通信模塊完成。數(shù)據(jù)的接收和傳送是通過中斷位置的判斷來操控微控制器進行處理，以提高微控制器作業(yè)效率[13-14]。

超聲波清除壓實冰雪機器人控制各執(zhí)行裝置進行線上作業(yè)時，單片機首先對A/D 接口和UART 口進行起始數(shù)據(jù)設(shè)定，然后驅(qū)動UERT 口接收RS485和RS232 轉(zhuǎn)換的無線收發(fā)的指揮系統(tǒng)信號，單片機內(nèi)部程序通過查詢A/D 的情況進行決定[15-16]。單片機通過計算輸出命令，指揮機器人的各執(zhí)行機構(gòu)完成向前、向后、轉(zhuǎn)彎、破冰、除冰等作業(yè)，機器人清除壓實冰雪的控制流程見圖8。

圖8 機器人清除壓實冰雪的控制流程Fig.8 Control flow chart of robot clearing and compacting ice and snow

2.5 人機交互系統(tǒng)總體設(shè)計

人機交互指人與計算機之間以一定的交互配合方式，完成確定任務(wù)的人與計算機之間的信息交換過程[17]。超聲波清除壓實冰雪機器人的人機交互信息界面，是超聲波清除壓實冰雪控制和超聲波清除壓實冰雪作業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分，超聲波清除壓實冰雪機器人利用語音系統(tǒng)及顯示器等作為人機交互的硬件接口，以語音識別軟件和人機交互界面為軟件接口，進行人機配合，其人機交互系統(tǒng)設(shè)計見圖9?？刂普咄ㄟ^語音系統(tǒng)采集模塊把控制指令傳送到機器人PC機進行處理，機器人通過語音系統(tǒng)輸出模塊進行音頻輸出，顯示器用來提示語音指令詞條，以顯示機器人的位置和狀態(tài)信息。

圖9 人機交互系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.9 Overall design of human computer interaction system

主DSP 負(fù)責(zé)完成傳感器的數(shù)據(jù)采集、車輪發(fā)動機驅(qū)動及串行通信的解碼等任務(wù)，其他電機驅(qū)動（如超聲波破冰機構(gòu)和推冰鏟機構(gòu)絲杠電機驅(qū)動）都由從DSP 負(fù)責(zé)。主DSP 和PC 通過RS-232（串口）互相交互信息，2 塊DSP 連接在同一條CAN 總線上。通過傳感器探測周圍環(huán)境，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主DSP，再傳給上位機進行決定，從而使超聲波清除壓實冰雪機器人完成行走、破冰和除冰等作業(yè)。

3 破冰刀破碎壓實冰雪模擬實驗

首先，運用有限元軟件進行諧波分析，得到聲學(xué)除冰頻率。設(shè)超聲波高頻振動以一定的簡諧頻率載荷作用于壓實冰雪路面，研究壓實冰雪路面的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。采用ANSYS 諧波分析法設(shè)定加載子步為80 步，加載頻率為20～100 kHz，步長為100 Hz，設(shè)置z方向的5 μm 位移載荷，諧振頻率—節(jié)點應(yīng)力曲線見圖10。由圖10 可知，超聲波振動頻率對壓實冰雪產(chǎn)生共振的點有多個，但是超聲波換能器的諧振頻率為40 kHz，人行道路的共振頻率為55 kHz，在頻率小于40 kHz 內(nèi)壓實冰雪表面、邊界、頂點，以及路面與壓實冰雪界面節(jié)點產(chǎn)生的共振頻率約為27.2 kHz。在壓實冰雪脫離路面仿真模擬中，選擇該頻率作為最佳頻率。由仿真分析得到壓實冰雪產(chǎn)生共振的最佳頻率為27.2 kHz，因此在模擬破碎壓實冰雪實驗中振動頻率選擇27.2 kHz，振動幅值為5 μm 時，破碎壓實冰雪的共振頻率與人行道路的共振頻率不同，因此在破碎壓實冰雪時可以不破壞路面，且破碎壓實冰雪效果比靜力下破碎效果更好，見圖11。

圖10 諧振頻率-節(jié)點應(yīng)力曲線Fig.10 Resonant frequency node stress curve

圖11 破冰測試Fig. 11 Ice breaking test

4 結(jié)語

針對人行道清除壓實冰雪過程中存在清除效率低、耗時大，以及人行道壓實冰雪的復(fù)雜性等問題，研制了一種契合人行道路況的小型化、機動靈活的超聲波清除壓實冰雪機器人。在歸納和分析各類清除壓實冰雪方法的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺乏偏窄的人行道除冰設(shè)備，研究了一種超聲波作用下“破冰在先，破除兼?zhèn)洹钡男滦统暡ㄇ宄龎簩嵄C器人裝置。在分析整個機器人設(shè)計的基礎(chǔ)上，對該機器人的行駛機構(gòu)、超聲波破冰機構(gòu)、推冰雪鏟機構(gòu)和控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)進行機構(gòu)設(shè)計。運用有限元分析軟件對壓實冰雪道路進行了諧響應(yīng)分析，得到最佳破冰頻率為27.2 kHz，并模擬了破冰實驗，模擬結(jié)果認(rèn)為，利用超聲波破冰方法清除壓實冰雪更有效且可以不破壞路面。