朱典悝

（ 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072 ）

0 引言

相關(guān)預(yù)測(cè)顯示，歐洲市場(chǎng)對(duì)于機(jī)器人割草機(jī)的需求將以每年高于20%的速度增長(zhǎng)，至2022年，全球機(jī)器人割草機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到20億美元。對(duì)于傳統(tǒng)的園林工具生產(chǎn)企業(yè)和品牌制造商而言，機(jī)器人割草機(jī)市場(chǎng)份額的快速增長(zhǎng)既是機(jī)會(huì)又是挑戰(zhàn)。本文結(jié)合機(jī)器人割草機(jī)項(xiàng)目開發(fā)實(shí)際工作，對(duì)整機(jī)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和軟硬件協(xié)同開發(fā)、測(cè)試認(rèn)證及材料選用等方面進(jìn)行闡述，希望能給同行提供參考意見，避免在研發(fā)過程中走彎路，從而提高效率，節(jié)省時(shí)間。

1 概述

機(jī)器人割草機(jī)是一種以微處理器（MPU）為核心、配備多個(gè)電機(jī)和傳感器、按照軟件程序設(shè)定，在一定條件下自主進(jìn)行割草作業(yè)的機(jī)電一體化集成度較高的智能化電動(dòng)工具產(chǎn)品，具備定時(shí)啟動(dòng)、自動(dòng)返回基站充電、躲避障礙物、感知雨水等功能。

機(jī)器人割草機(jī)在早期發(fā)展過程中，由于沒有統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)，各研發(fā)單位和研發(fā)人員均按照自己的理解進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，使得市場(chǎng)產(chǎn)品種類繁多，設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)也是五花八門。直到EN 50636-2-107：2015的正式發(fā)布，才使得該項(xiàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得有章可循。本文討論的技術(shù)內(nèi)容均在EN 50636-2-107：2015要求范圍內(nèi)。至于北美地區(qū)，到目前為止還未頒布機(jī)器人割草機(jī)的安全標(biāo)準(zhǔn)。

2 整機(jī)設(shè)計(jì)

針對(duì)機(jī)器人割草機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)，應(yīng)確定割草電機(jī)的參數(shù)和割草刀布局、行走電機(jī)參數(shù)和前后車輪布局、傳感器選型布局、割草機(jī)行走路徑、充電站參數(shù)布局、人機(jī)交互界面參數(shù)布局等，在此基礎(chǔ)上才能開展微處理器的選型、硬件功能模塊的電路設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。

本文以切割寬度為180 mm～220 mm、采用隨機(jī)行走路徑的機(jī)器人割草機(jī)為例進(jìn)行討論。

目前市場(chǎng)上主要存在兩種形式的割草刀片布局。圖1所示為以Husqvarna為代表的圓刀盤帶動(dòng)甩刀片式刀片（一般為3片），圖2所示為以Robomow為代表的多齒整體刀片。

圖1 圓刀盤帶動(dòng)甩刀片式刀片

圖2 多齒整體刀片

本文傾向采用圓刀盤帶動(dòng)甩刀片方案。理由如下：

1）按照EN 50636-2-107：2015第20.102.1要求，采用多齒整體刀片必需按照傳統(tǒng)割草機(jī)要求，護(hù)罩必須低于刀片平面3 mm以上，該條款使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到一定限制；

2）整體刀片的安全性較低，在極端情況下切割草坪上的物體時(shí)，更易割傷物體，刀片也更易損壞。

Escalator system length Ls and split section length A1, A2(including manual input split section length A1, A2) are calculated from SAP system.

采用甩刀片方案時(shí)應(yīng)注意控制刀片的重量和轉(zhuǎn)速，按照EN 50636-2-107：2015的ANNEX AA要求，刀片動(dòng)能應(yīng)≤2 J。

機(jī)器人割草機(jī)一般選用無刷電機(jī)，其工作時(shí)間較長(zhǎng)，MPU需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制電機(jī)啟停、轉(zhuǎn)速以及負(fù)載等參數(shù)。以切割寬度為180 mm～220 mm機(jī)器人割草機(jī)為例，割草電機(jī)額定功率為50 W左右，其空載轉(zhuǎn)速為3 000 r/min～4 000 r/min，較適合于實(shí)際工況。通常該型機(jī)器人割草機(jī)整機(jī)重量為10 kg左右，設(shè)定行走速度為2 km/h，爬坡能力為20°。行走電機(jī)選用帶減速齒輪箱的無刷電機(jī)組件，額定功率為30 W左右，減速后輪軸空載轉(zhuǎn)速為50 r/min～60 r/min即可滿足要求。也有一些企業(yè)探索將行走電機(jī)改用外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)以取消減速箱的技術(shù)方案，這方面內(nèi)容可參考CN 204046343U、CN 204994273U等技術(shù)專利。這種創(chuàng)新很有意義，如能實(shí)現(xiàn)可降低產(chǎn)品制造成本并延長(zhǎng)使用壽命。

機(jī)器人割草機(jī)的車輪布局以三輪（前方一個(gè)萬向輪，后方兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪）和四輪（前方兩個(gè)萬向輪，后方兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪）居多。三輪布局利于行走時(shí)更靈活，四輪布局利于行走時(shí)更穩(wěn)定。對(duì)于前萬向輪，應(yīng)注意做好防水防塵密封結(jié)構(gòu)。對(duì)于后驅(qū)動(dòng)輪，輪皮的花紋選擇較為重要，預(yù)防打滑的同時(shí)也應(yīng)防止車輪壓傷草皮。

碰撞和提升傳感器的選用是機(jī)器人割草機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能的重要因素。在早期的研發(fā)中采用了微動(dòng)開關(guān)或相類似的機(jī)械式部件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈敏度低、防水性能差等問題。目前較主流的方式為磁鐵+HALL元件進(jìn)行非接觸式感應(yīng)。該方式較大程度簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保機(jī)殼內(nèi)部的防水密封，感應(yīng)靈敏，不受使用壽命的限制。

傾角傳感器可采用六軸陀螺儀，如mpu6550等，監(jiān)控割草機(jī)的傾斜角度、地磁角度和主板溫度，對(duì)采用隨機(jī)行走路徑的機(jī)器人割草機(jī)適用。

絕大多數(shù)機(jī)器人割草機(jī)行走路徑為隨機(jī)。加裝了GPS模塊的割草機(jī)可對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行分塊，如將房屋前后劃分為A、B兩個(gè)區(qū)域并根據(jù)其面積大小分配工作時(shí)間。

作為技術(shù)發(fā)展方向之一，BOSCH推出的INDEGO機(jī)型采用平行直線行走路徑。從目前來看，平行直線行走路徑技術(shù)難度大、成本高，對(duì)多障礙物和孤島等工作區(qū)域的覆蓋算法尚不成熟。所以，機(jī)器人割草機(jī)隨機(jī)行走路徑在未來一段時(shí)間內(nèi)仍是市場(chǎng)主流。隨機(jī)路徑與平行直線路徑示意見圖3。

在機(jī)器人割草機(jī)充電站參數(shù)和布局方面，應(yīng)高度重視專利問題。Husqvarna AB在2003年申請(qǐng)了EP1512053B發(fā)明專利（電子定范圍系統(tǒng)（ELECTRONIC DEMARCATING SYSTEM））并獲得授權(quán)。該專利目前在德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、意大利、瑞典和瑞士等國(guó)有效，在其它歐洲國(guó)家已經(jīng)失效。EP1512053B所保護(hù)的邊界線按時(shí)間間隔脈沖信號(hào)產(chǎn)生方式，實(shí)際上也被目前大部分機(jī)器人割草機(jī)所采用，由此產(chǎn)生了一些專利糾紛。值得注意的是EP1512053B所保護(hù)的部分內(nèi)容已經(jīng)被iRobot公司在2002年06月12日申請(qǐng)的專利EP2330473B1中所公開，這使得Husqvarna專利中的部分權(quán)利要求其新穎性受到質(zhì)疑。相關(guān)公司都在圍繞邊線的識(shí)別技術(shù)進(jìn)行積極的探索和研究并獲得了一些成果。

機(jī)器人割草機(jī)采用人機(jī)交互界面，早期多采用LED數(shù)碼管+按鍵的方式，界面直觀性較差，操作復(fù)雜。近幾年開始采用LCD顯示屏+薄膜鍵盤的方式（或LCD觸摸屏）替代后，界面簡(jiǎn)單明了。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，通過SIM卡、藍(lán)牙或WAN等無線通訊技術(shù)，對(duì)機(jī)器人割草機(jī)的設(shè)置逐步轉(zhuǎn)移到操作者手機(jī)APP中進(jìn)行，可獲得更多便利性。

3 軟硬件協(xié)調(diào)及測(cè)試認(rèn)證

早期機(jī)器人割草機(jī)使用C8051及類似單片機(jī)，隨著芯片技術(shù)發(fā)展和割草機(jī)功能要求（如無線連接）的增加，越來越多的機(jī)型開始采用基于ARM CORTEX-M3架構(gòu)的STM32芯片。該芯片運(yùn)行速度快（72 MHz）、功耗低（36 mA）、內(nèi)存大（512 K）、管腳豐富，相比51系列芯片更適合于新一代機(jī)器人割草機(jī)的功能需求，如電源管理、電機(jī)控制、人機(jī)界面、無線通訊等。

圖4為以STM32F103為核心的機(jī)器人割草機(jī)系統(tǒng)功能框圖。無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊有軟件驅(qū)動(dòng)和硬件電路驅(qū)動(dòng)兩種方法，建議采用硬件電路驅(qū)動(dòng)的方法。一方面可簡(jiǎn)化割草機(jī)的軟件和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，另一方面可節(jié)省認(rèn)證時(shí)間和費(fèi)用（電機(jī)采用軟件驅(qū)動(dòng)，軟件需單獨(dú)評(píng)估）。采用硬件驅(qū)動(dòng)或可導(dǎo)致負(fù)載變化時(shí)電機(jī)輻射峰值大，進(jìn)而影響其它元器件如邊線傳感器工作的穩(wěn)定性，這需要結(jié)構(gòu)、電子硬件、嵌入式軟件工程師三方協(xié)調(diào)。優(yōu)化電機(jī)磁路、電機(jī)增加軛磁圈、優(yōu)化邊線傳感器運(yùn)放電路、調(diào)整軟件中波峰識(shí)別值等，都是較為有效的手段。

圖4 機(jī)器人割草機(jī)系統(tǒng)功能框圖(28 V平臺(tái)/STM32F103)

LCD驅(qū)動(dòng)也可采用兩種方式，即LCD電路板自帶驅(qū)動(dòng)或由MCU驅(qū)動(dòng)。例圖中使用的STM32F103核心，借用其豐富資源，采用由MCU直接驅(qū)動(dòng)相對(duì)而言更為便捷，可使系統(tǒng)更精簡(jiǎn)。

在標(biāo)配無線連接模塊的機(jī)型上，LCD顯示屏可忽略。通過無線連接后，手機(jī)APP可直接對(duì)割草機(jī)進(jìn)行設(shè)置并實(shí)現(xiàn)操作。

碰撞和提升傳感器雖是采用磁鐵+HALL元件的電子感應(yīng)方式，但其性能和靈敏度卻取決于結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)。磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度及其與HALL元件相對(duì)位置精度的控制，懸浮機(jī)殼彈性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配精度都是影響碰撞和提升傳感器靈敏度的關(guān)鍵因素。

在機(jī)器人割草機(jī)的研發(fā)過程中，實(shí)地測(cè)試是非常重要的環(huán)節(jié)，能夠幫助研發(fā)工程師找出結(jié)構(gòu)、電路、軟件上存在的問題，進(jìn)行針對(duì)性改善。設(shè)計(jì)時(shí)一些被忽略或不確定的邏輯，往往可以通過實(shí)際測(cè)試找到答案。一些典型的問題，例如割草機(jī)返回基站時(shí)因陷入孤島死循環(huán)，或因驅(qū)動(dòng)輪打滑進(jìn)入死循環(huán)，或因邊線傳感器對(duì)邊線信號(hào)的靈敏度出錯(cuò)導(dǎo)致機(jī)器出界以及三個(gè)電機(jī)的過流保護(hù)值設(shè)定等問題，都需要結(jié)構(gòu)和軟硬件工程師協(xié)同努力，在測(cè)試中及時(shí)解決。圖5所示為機(jī)器人割草機(jī)500 m2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試示意圖。

圖5 機(jī)器人割草機(jī)500 m2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試示意

在機(jī)器人割草機(jī)產(chǎn)品認(rèn)證方面，結(jié)構(gòu)和硬件電路的認(rèn)證與傳統(tǒng)手推式割草機(jī)并無太大區(qū)別，可按照EN 50636-2-107相應(yīng)條款逐一執(zhí)行。對(duì)于軟件評(píng)估工作，其文件整理工作量較大，且對(duì)軟件語法、邏輯等都有相應(yīng)條款規(guī)定，相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)已針對(duì)機(jī)器人割草機(jī)提出了并行工程的要求，即：在項(xiàng)目開發(fā)初始階段，聯(lián)系認(rèn)證機(jī)構(gòu)軟件評(píng)估工程師參與，對(duì)軟件架構(gòu)、語法、邏輯等進(jìn)行規(guī)范，以提高軟件評(píng)促效率，節(jié)省認(rèn)證時(shí)間。

4 零部件材料選用

機(jī)器人割草機(jī)的工作環(huán)境相對(duì)苛刻，其在戶外草坪上全天候待命，應(yīng)可承受日曬雨淋、水霧侵蝕等自然環(huán)境。對(duì)于整機(jī)的外罩、外殼等表面零件，建議選用ASA工程塑料。

ASA由苯乙烯、丙烯腈和亞克力橡膠聚合而成，即維持了ABS的主要特性，也結(jié)合了亞克力的耐候性特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車、建筑、戶外運(yùn)動(dòng)以及電子電機(jī)產(chǎn)品上。圖6所示為L(zhǎng)GASA LI912 WOM（人工老化）測(cè)試報(bào)告。

圖6 LG ASA LI912 WOM（人工老化）測(cè)試報(bào)告

5 結(jié)語

機(jī)器人割草機(jī)是機(jī)電一體化集成度較高的智能化工具產(chǎn)品，對(duì)于傳統(tǒng)的園林工具生產(chǎn)制造企業(yè)和開發(fā)人員而言都是不小的挑戰(zhàn)。在我國(guó)，除少部分企業(yè)成功推出機(jī)器人割草機(jī)產(chǎn)品并進(jìn)入市場(chǎng)，更多的企業(yè)卻是因研發(fā)周期不斷拖延或停滯不前甚至中途夭折。由此可見，機(jī)器人割草機(jī)項(xiàng)目開發(fā)時(shí)就應(yīng)把握好整機(jī)設(shè)計(jì)的方向，選擇BENCHMARK樣機(jī)，通過市場(chǎng)調(diào)查確定產(chǎn)品定位及技術(shù)方向。研發(fā)過程中應(yīng)處理好結(jié)構(gòu)與電子軟硬件協(xié)同開發(fā)，同時(shí)重視檢測(cè)、認(rèn)證以及材料選用等方面的工作。

[1]Safety of household and similar appliances-Part2-107:Particular requirements for robotic battery powered electrical lawnmowers: EN_50636-2-107:2015 [S].