謝平春， 周誠遠(yuǎn)， 景 斌， 李 亮

（長沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司， 湖南 長沙 410006）

引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國環(huán)衛(wèi)工作質(zhì)量獲得了巨大的提升，掃路車、洗掃車、抑塵車等大型環(huán)衛(wèi)設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于城市的主次干道，這有效降低了環(huán)衛(wèi)作業(yè)的勞動強度，提高了清潔作業(yè)效率和機械化作業(yè)水平。但在城市人行道、背街小巷、公園景區(qū)、商業(yè)區(qū)、生活社區(qū)等“城市毛細(xì)血管”的清掃保潔工作卻仍然未得到有效改善[1]，上述區(qū)域因大型環(huán)衛(wèi)設(shè)備無法進入，機械化作業(yè)水平極低，如保潔、清掃作業(yè)仍以人工為主，主要表現(xiàn)為環(huán)衛(wèi)工人利用掃把簸箕或拖拉垃圾箱進行清掃撿拾作業(yè)，勞動強度大，效率低。

為提升城市精細(xì)化管理，已有深圳、上海等城市要求人行道、非機動車道等區(qū)域?qū)嵭袡C械化作業(yè)。同時，伴隨人工智能、視覺識別、激光雷達等信息技術(shù)的高速發(fā)展，小型、智能、少人或無人的智能環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品應(yīng)運而生，其以機動靈活、操作便捷、智能高效等特點受到了市場關(guān)注和認(rèn)可。

小型智能環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品在進行開發(fā)時，既應(yīng)充分考慮整體結(jié)構(gòu)尺寸，在有限空間內(nèi)合理布置各種零部件以實現(xiàn)整機作業(yè)功能，也應(yīng)考慮智能創(chuàng)新設(shè)計需求。本文以市場上一款基于激光雷達進行目標(biāo)識別并可自動跟隨作業(yè)者行進，通過作業(yè)者操作手持吸管進行垃圾吸拾作業(yè)的自跟隨清吸機器人為例（如圖1 所示），就智能環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計進行分析和探討。

圖1 自跟隨清吸機器人

1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 開發(fā)設(shè)計原則

本產(chǎn)品用于城市背街小巷、人行道、生活社區(qū)等場景的環(huán)衛(wèi)保潔，有兩個關(guān)鍵特征，分別為駕駛轉(zhuǎn)場和自動自跟隨吸拾作業(yè)。產(chǎn)品設(shè)計以提高勞動作業(yè)效率、降低環(huán)衛(wèi)工人勞動強度為導(dǎo)向，充分考慮作業(yè)場景等因素，基本原則如下：性能、質(zhì)量、尺寸充分考慮作業(yè)要求；線控底盤滿足智能自跟隨控制要求；采用磷酸鐵鋰電池驅(qū)動，安全綠色環(huán)保；智控系統(tǒng)穩(wěn)定安全可靠；整機操控簡單便捷；產(chǎn)品成本可控，性價比高。

1.2 整機結(jié)構(gòu)組成

整機由線控底盤、智控系統(tǒng)、氣力系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、覆蓋件等組成。整機造型小巧美觀，操作簡單、便捷，智能化程度高，通過性好，性能穩(wěn)定可靠。

1.3 底盤設(shè)計

線控底盤作為整機核心部件，其性能直接決定產(chǎn)品的穩(wěn)定和品質(zhì)。在進行底盤設(shè)計時，結(jié)合產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)和應(yīng)用場景，重點考慮其通過性、制動和轉(zhuǎn)向動態(tài)響應(yīng)等性能。

1.3.1 通過性

應(yīng)用于城市背街小巷、生活社區(qū)的環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品，其通過性直接影響到產(chǎn)品的使用范圍。通過性主要考察外形尺寸的設(shè)計，需重點關(guān)注設(shè)備使用城市人行道止車石、限行墩等的通行寬度。驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的布置也非常關(guān)鍵，為減小轉(zhuǎn)彎半徑，前后橋可布置為類三輪結(jié)構(gòu)，即前雙輪共軸轉(zhuǎn)向，后橋驅(qū)動。本產(chǎn)品寬980 mm，轉(zhuǎn)彎半徑1.25 m，通過性良好，機動性強。底盤布置結(jié)構(gòu)見下頁圖2。

圖2 自跟隨清吸機器人底盤布置圖

1.3.2 制動性能

自跟隨清吸機器人自跟隨作業(yè)時需做到“人行機走、人停機?！保瑱C器人應(yīng)始終在作業(yè)人員后方保持安全的人機距離，要求瞬態(tài)、高效的制動響應(yīng)。電磁制動器結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)靈敏，將其作為中央制動器安裝于后驅(qū)動橋電機尾部提供整機制動力。為保證機器人具有良好的制動效能，要求合理地確定前、后輪制動器的制動力矩。本機制動力全部由后橋電磁制動器提供。電磁制動器在選用時考慮以下兩種制動狀態(tài)：

1）應(yīng)急制動：應(yīng)急制動時，后輪將抱死滑移，所需的制動力矩Ts：

式中：M 為機器人總質(zhì)量，取720 kg；g 為重力加速度，取9.8 N/kg；X 為質(zhì)心與前輪軸中心線橫向距離，取0.55 m；L 為車輛軸距，取0.94 m；φ 為車輪附著系數(shù)，取0.7；r 為車輪靜力半徑，取0.203 m；Z 為質(zhì)心與前輪軸中心線縱向距離，取0.7 m。

2）駐車制動：車輛上坡、下坡時在坡道上能夠停駐的條件是，車輛的駐車制動力矩大于或者等于車輛自身重力在下坡方向的分力矩[2]，因此機器人的駐坡條件為：

式中：TZ為駐車制動力矩，N·m；α 為坡道角度，要求≥15%坡度。

后橋需要提供的最大制動力矩：

電磁制動器制動力矩：

式中：i 為后橋減速機減速比，取31.64；μ 為總傳動效率，取0.85。

本產(chǎn)品選用的電磁制動器制動力矩為15 N·m，由式（1）—式（4）計算需要的制動器制動力矩T=14.34N·m＜15 N·m，滿足使用要求。

1.3.3 轉(zhuǎn)向性能

線控轉(zhuǎn)向由路感反饋總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、控制器及傳感器組成。而路感反饋總成主要包括轉(zhuǎn)向盤、路感電機、減速器和扭矩轉(zhuǎn)角傳感器，功能是驅(qū)動路感電機實現(xiàn)控制器給出的反饋力矩指令，對駕駛員施加合適的路感[3]。本產(chǎn)品運行速度較低（0～5 km/h），運行平穩(wěn)，在轉(zhuǎn)向盤軸安裝了旋轉(zhuǎn)型雙向阻尼器為駕駛者提供轉(zhuǎn)向駕駛路感。

轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向信號通過角度傳感器收集至控制器，再控制轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動。進行轉(zhuǎn)向電機選型時，先計算前輪轉(zhuǎn)動的阻力矩TR[4]：

式中：f 為輪胎和路面的滑動摩擦因數(shù)，取0.7；G1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，取2 940 N；P 為輪胎氣壓，取0.193 MPa。

本產(chǎn)品轉(zhuǎn)向電機外接一套減速比為4 的齒輪組以驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪。轉(zhuǎn)向電機至轉(zhuǎn)向輪的驅(qū)動扭矩為：

式中：tmax為電機峰值扭矩，取1.28 N·m；i1為齒輪組減速比，取4；i2為電機減速箱減速比，取51；η1為電機減速機傳動效率，取0.7；η2為一級齒輪組傳動效率，取0.95。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6）得：Tmax=174.18 N·m。

從式（5）、式（6）知TR＜Tmax，電機選用符合要求。在正常運行時，輪胎滾動與地面產(chǎn)生的滾動摩擦阻力矩遠(yuǎn)小于滑動摩擦阻力矩。在進行電氣系統(tǒng)設(shè)計時，還可將轉(zhuǎn)向和行走驅(qū)動單向聯(lián)動，當(dāng)行走電機驅(qū)動后再啟動轉(zhuǎn)向電機，以減少轉(zhuǎn)向的能量消耗。

1.4 智控系統(tǒng)

本產(chǎn)品分手動駕駛和自動跟隨兩種作業(yè)模式，手動駕駛模式下，作業(yè)者操作方向盤和油門踏板控制機器人行駛；自跟隨模式則通過基于激光和超聲波雷達進行目標(biāo)和障礙物識別，再由控制器控制線控底盤跟進作業(yè)者行進實現(xiàn)自跟隨，采用的控制流程見圖3。

圖3 智控系統(tǒng)控制框圖

1.5 氣力系統(tǒng)

氣力系統(tǒng)一般由風(fēng)機、輸送管、吸盤或吸管、240 L垃圾桶等部分組成，屬吸送式、稀相氣力輸送。設(shè)計氣力系統(tǒng)氣流速度應(yīng)大于垃圾懸浮流動速度，對于粒度均勻的松散物料，一般取懸浮速度的1.5～2.5 倍作為合理的氣流輸送速度。對于粉狀物料和纖維狀物料，由于其在輸送過程中容易殘留附著在管壁，一般取懸浮速度的數(shù)十倍作為氣流輸送速度[5]，確定管道流速后，可依次確定氣力系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)阻及風(fēng)機相關(guān)參數(shù)。

1.6 除塵系統(tǒng)

除塵系統(tǒng)用于垃圾吸拾作業(yè)的氣流過濾，將垃圾阻隔至垃圾桶內(nèi)，現(xiàn)常用噴霧或濾筒/布過濾除塵，選用濾筒/布過濾的除塵系統(tǒng)除了考慮系統(tǒng)的清潔維護，還需考慮過濾材質(zhì)的防油、防水性能。

1.7 覆蓋件

隨著小型環(huán)衛(wèi)設(shè)備深入居民生活區(qū)，乖巧明亮的造型已成為一道靚麗的風(fēng)景線。采用滾塑或吸塑工藝可制作造型較為復(fù)雜的覆蓋件以提高產(chǎn)品美觀度，但在提升產(chǎn)品造型設(shè)計時，也需考慮產(chǎn)品的維護便利性，確保產(chǎn)品既美觀又維修方便。

2 產(chǎn)品的實際應(yīng)用效果分析

圖4 是自跟隨清吸機器人駕駛轉(zhuǎn)場和自跟隨清吸作業(yè)圖。轉(zhuǎn)場時，操作方向盤和油門踏板即可駕駛清吸機行駛。自跟隨作業(yè)時，機器人準(zhǔn)確識別作業(yè)人員并自適應(yīng)跟隨行進，始終保持適當(dāng)?shù)娜藱C安全距離，作業(yè)人員可輕巧操作吸管吸拾路面垃圾。相比傳統(tǒng)的作業(yè)模式，產(chǎn)品顯著提高了效率，降低了勞動強度。

圖4 自跟隨清吸機器人駕駛轉(zhuǎn)場和自跟隨作業(yè)

3 結(jié)語

本文以市場上某款小型自跟隨清吸機器人為例，分析探討了整機及關(guān)鍵零部件選型設(shè)計要求。對于小型智能環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品而言，需重點關(guān)注產(chǎn)品的整機結(jié)構(gòu)尺寸、底盤行駛性能和智控系統(tǒng)穩(wěn)定性。本款產(chǎn)品開發(fā)以客戶需求和國家環(huán)衛(wèi)政策為指導(dǎo)，產(chǎn)品性能優(yōu)良，質(zhì)量可靠，已在深圳、上海、北京等多地批量交付使用，助力提升我國環(huán)衛(wèi)精細(xì)化管理和環(huán)衛(wèi)作業(yè)機械化水平。