李 喆，張俊昆，黃天港

（梅里科技（廣州）有限公司，廣州 510663）

0 引言

隨著人工成本越來(lái)越高，各個(gè)比較依賴(lài)人工作業(yè)的行業(yè)都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)。自動(dòng)化、智能化、高效率已經(jīng)成為趨勢(shì)，園林維護(hù)等耗費(fèi)大量勞力的工作逐步由機(jī)器取代，工作方式已經(jīng)從全人工向半自動(dòng)半人工升級(jí)，并逐步向全自動(dòng)作業(yè)發(fā)展。目前完整的作業(yè)設(shè)備一般是通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)搭載作業(yè)模塊的方式［1］。其中核心模塊為全自動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，移動(dòng)平臺(tái)具有GPS定位、雷達(dá)檢測(cè)、自動(dòng)巡航、避障、路徑規(guī)劃等功能［2］，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，在平臺(tái)上配備相應(yīng)的作業(yè)模塊（如草坪修剪、樹(shù)枝修剪、采摘水果等模塊），完成在高爾夫球場(chǎng)、小區(qū)草坪、道路綠化帶、大型果園等場(chǎng)合的自動(dòng)化作業(yè)，能極大減少人工的作業(yè)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。在移動(dòng)平臺(tái)逐步擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景的過(guò)程中，也暴露出現(xiàn)有的移動(dòng)平臺(tái)適應(yīng)性不強(qiáng)、故障率高等問(wèn)題，園林維護(hù)的作業(yè)環(huán)境大部分為開(kāi)放式，環(huán)境差異性較大，例如在作業(yè)的地面不平、有較大斜度、車(chē)體急轉(zhuǎn)彎等工況時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)容易出現(xiàn)打滑、側(cè)翻、損壞等異常，平臺(tái)上搭載的作業(yè)設(shè)備太高時(shí)，容易發(fā)生傾倒等問(wèn)題，高頻次的產(chǎn)品故障增加了產(chǎn)品的維護(hù)工作量，使設(shè)備的作業(yè)環(huán)境有較大的局限性，影響了產(chǎn)品的大規(guī)模推廣使用。本文旨在通過(guò)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的故障的原因進(jìn)行量化分析，從設(shè)計(jì)源頭對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行改進(jìn)，有效改善移動(dòng)平臺(tái)在斜坡、急轉(zhuǎn)彎等工況下的適應(yīng)性。

1 移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，移動(dòng)平臺(tái)由車(chē)身、擺臂、車(chē)輪構(gòu)成。擺臂由兩段等長(zhǎng)支架構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，擺臂一端連接車(chē)身、另一端連接車(chē)輪，結(jié)構(gòu)上保證車(chē)輪抬起的整個(gè)行程中都與車(chē)體保持垂直角度［3］。如此車(chē)輪可與地面垂直接觸，保證最大接觸面積和抓地力。每個(gè)車(chē)輪都安裝有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，除了正常行駛轉(zhuǎn)向，還可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向、平移、定點(diǎn)環(huán)繞等特殊動(dòng)作。車(chē)身中安裝陀螺儀［4］，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)車(chē)身的加速度、角加速度、俯仰角度、橫滾角度等信息。擺臂中安裝電控?fù)螚U，可以按照主控程序控制動(dòng)態(tài)調(diào)整車(chē)輪高度。

圖1 移動(dòng)平臺(tái)實(shí)物圖和示意圖

2 模型的建立

現(xiàn)有的通用移動(dòng)平臺(tái)對(duì)使用環(huán)境的要求很高，這導(dǎo)致產(chǎn)品的使用場(chǎng)合受到制約，并導(dǎo)致產(chǎn)品使用過(guò)程中故障率較高。當(dāng)?shù)孛嬗休^大坡度、急轉(zhuǎn)彎時(shí)，容易發(fā)生問(wèn)題。

2.1 斜坡?tīng)顟B(tài)存在的問(wèn)題

為了減輕機(jī)器的重量，并盡量保留足夠大的空間，移動(dòng)平臺(tái)主體一般采用薄壁框架結(jié)構(gòu)，薄壁框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是抗彎剛度大，抗扭剛度較小。所以在設(shè)備工作過(guò)程中盡量讓外力接近或者通過(guò)車(chē)身的彎曲中心，以減少框架受到的扭矩［5］。設(shè)備在靜止或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要受到重力和地面對(duì)滾輪的作用力。滾輪寬度方向的跨度為W，長(zhǎng)度方向的跨度為L(zhǎng)，如圖2所示，當(dāng)設(shè)備放置在水平路面時(shí)，重力方向剛好通過(guò)彎曲中心，保證了車(chē)身框架主要受到彎曲作用［6］，因此車(chē)體變形較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)件受力狀態(tài)較理想，但地面存在一定坡度時(shí)，會(huì)發(fā)生不同的情況。

圖2 移動(dòng)平臺(tái)在水平和斜坡上的重心變化

2.1.1 扭轉(zhuǎn)變形

當(dāng)設(shè)備在移動(dòng)過(guò)程中需爬坡或下坡時(shí)，由于重力方向始終垂直向下，重力作用線(xiàn)和彎曲中心距離由0 變成L1，根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系得：L1＝H1·sina，對(duì)應(yīng)的扭矩為：T1＝G1·L1

＝G·H1·sina，即隨著地面坡度加大，車(chē)體受到的扭矩也相應(yīng)增加，框架扭轉(zhuǎn)變形變大，內(nèi)部機(jī)械零件受力增加，對(duì)機(jī)器整體剛度、強(qiáng)度提出更高的要求。這種情況循環(huán)發(fā)生的話(huà)，容易導(dǎo)致連接位置等薄弱區(qū)域屈服、失效，緊固件松脫等，引起設(shè)備故障。

2.1.2 抓地力不均

重心的偏移同時(shí)也使4個(gè)滾輪的受力也不均勻，橡膠滾輪和地面的摩擦力和正壓力之間不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，即摩擦因數(shù)不是常數(shù)。當(dāng)壓力過(guò)大或過(guò)小時(shí)，都會(huì)引起摩擦因數(shù)的減少，抓地力減少后，更容易發(fā)生滾輪打滑、擦損等問(wèn)題［3］。

滾輪的壓力分布：在水平地面狀態(tài)下，重力均勻分布在4個(gè)滾輪上，每個(gè)滾輪上的壓力：F1＝G／4。

前進(jìn)方向存在坡度時(shí)，前排滾輪的受力：

后排滾輪的受力：

寬度方向存在坡度時(shí)，左排滾輪的受力：

右排滾輪的受力：

坡度越大，滾輪之間的壓力差別越大，當(dāng)Fr或Fb降低到0時(shí)，此時(shí)有一側(cè)滾輪的抓地力完全為0，會(huì)導(dǎo)致車(chē)體翻滾［7］，機(jī)器直接被損壞，甚至砸傷作業(yè)人員，即：

2.2 急轉(zhuǎn)彎狀態(tài)存在的問(wèn)題

當(dāng)物體轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，離心力大小和物體質(zhì)量、角速度、轉(zhuǎn)彎半徑有關(guān)，離心力的計(jì)算公式就是向心力的公式：

Fy＝mv2／r（7）

式中：m為質(zhì)量；v為速度；r為離心運(yùn)動(dòng)半徑。

如圖3所示，離心力的存在也會(huì)使設(shè)備收到的質(zhì)量慣性的合力（重力G ＋離心力Fy）偏離車(chē)體的彎曲中心［8］，由此產(chǎn)生車(chē)體扭轉(zhuǎn)、滾輪側(cè)滑、抓地力下降、甚至翻滾等問(wèn)題。

圖3 移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力

離心力引起的扭矩增加量：

離心力引起左右兩側(cè)的滾輪壓力分布不均，外側(cè)滾輪和地面的壓力增加：

內(nèi)側(cè)滾輪的地面的壓力下降：

當(dāng)內(nèi)側(cè)滾輪和地面的壓力為0，車(chē)體會(huì)發(fā)生翻滾：

式中：v為速度；r為離心運(yùn)動(dòng)半徑；g為重力加速度；w為跨度；H為重心高度［9］。

3 解決方案

為改善以上幾個(gè)問(wèn)題，提升產(chǎn)品質(zhì)量，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上增加了升降自適應(yīng)功能，設(shè)計(jì)如圖4所示。產(chǎn)品配有檢測(cè)水平角度的陀螺儀，當(dāng)平臺(tái)移動(dòng)到斜坡或者轉(zhuǎn)彎時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整4個(gè)滾輪上配置的升降組件的長(zhǎng)度，根據(jù)設(shè)備使用過(guò)程中的需要角度，控制升降組件的長(zhǎng)度，進(jìn)而控制車(chē)體平臺(tái)的整體斜度，使機(jī)器受力達(dá)到理想狀態(tài)。

圖4 配備升降組件的移動(dòng)平臺(tái)

3.1 斜坡?tīng)顟B(tài)改進(jìn)

當(dāng)設(shè)備移動(dòng)到斜坡上時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)4 個(gè)滾輪上升降組件，通過(guò)組件之間的高度差，抵消坡度的影響，使車(chē)體上表面保持水平狀態(tài)，如圖5所示，設(shè)備的重力合力方向還是維持通過(guò)車(chē)體的彎曲中心，這樣就保證了重力作用對(duì)彎曲中心的扭矩為0，同時(shí)4個(gè)滾輪的壓力理論上完全相等，抓地力均衡，也避免了車(chē)體翻滾等問(wèn)題。

圖5 有無(wú)升降組件的移動(dòng)平臺(tái)在斜坡上的狀態(tài)對(duì)比

3.2 急轉(zhuǎn)彎狀態(tài)改進(jìn)

當(dāng)車(chē)體轉(zhuǎn)彎時(shí)，為改善離心力引起的作用力方向偏離彎曲中心引起的整體扭轉(zhuǎn)、抓地力等問(wèn)題，可通過(guò)升降組件，使車(chē)體整體呈一定的斜度，斜度的大小剛好可以抵消離心力的偏離作用，最終使外力合力通過(guò)彎曲中心，如圖6 所示，以達(dá)到設(shè)備受力合理、抓地力分布均勻的狀態(tài)。

圖6 通過(guò)升降組件調(diào)節(jié)平臺(tái)斜度消除離心離的副作用

4 設(shè)計(jì)參數(shù)

升降組件的參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括推力及行程，在4 個(gè)滾輪組件的擺臂上配備獨(dú)立的升降組件，滾輪擺臂和車(chē)體之間通過(guò)電控?fù)螚U連接，電控?fù)螚U設(shè)計(jì)參數(shù)確定如下。

4.1 電控?fù)螚U推力值確定

按照移動(dòng)平臺(tái)和配備的作業(yè)模塊的總質(zhì)量不超過(guò)300 kg的產(chǎn)品技術(shù)要求，滾輪擺臂在升降過(guò)程中對(duì)電控?fù)螚U的作用力是變化的，極限狀態(tài)即滾輪擺臂在水平狀態(tài)時(shí)電控?fù)螚U受力最大，根據(jù)電控?fù)螚U推力和地面對(duì)滾輪壓力相對(duì)擺臂旋轉(zhuǎn)中心的力矩平衡，得到電控?fù)螚U的受力情況［10］：

式中：F1為電控?fù)螚U推力，待確認(rèn)；L1＝155，為電控?fù)螚U推力到擺臂中心的距離；mmax＝300，為產(chǎn)品技術(shù)要求的最大質(zhì)量；L2＝467，為滾輪受力和擺臂中心的最大距離；n ＝4，為滾輪數(shù)量。

計(jì)算得到F1＞2 259 N，按1.1 的安全系數(shù)，結(jié)合實(shí)際使用的電控?fù)螚U的規(guī)格系列，初步選用2 500 N規(guī)格的電控?fù)螚U。

4.2 電控?fù)螚U行程確定

產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求能適應(yīng)的最大坡度為25°，結(jié)合PROE 設(shè)計(jì)三維模型［11］，如圖7所示，對(duì)應(yīng)的滾輪升降高度459 mm，對(duì)應(yīng)的電控?fù)螚U位置所需要的距離為141 mm，考慮零件的加工、裝配誤差，并結(jié)合市場(chǎng)實(shí)際的電控?fù)螚U規(guī)格，電控?fù)螚U的行程選用150 mm規(guī)格。

圖7 升降組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

4.3 電控?fù)螚U固定方式確定

由于在升降過(guò)程中，電控?fù)螚U會(huì)旋轉(zhuǎn)，所以采用鉸接的方式，分別和車(chē)體以及車(chē)輪擺臂連接，如圖7 所示，以保證運(yùn)動(dòng)順暢、機(jī)械連接可靠、產(chǎn)品裝配簡(jiǎn)單［6］。

4.4 電控?fù)螚U伸縮長(zhǎng)度控制

產(chǎn)品升降功能是通過(guò)升降組件實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車(chē)體需要達(dá)到的角度，換算成需要調(diào)整的電控?fù)螚U的長(zhǎng)度，來(lái)保證車(chē)體能達(dá)到所需的姿態(tài)，使設(shè)備整體的扭矩、抓地力等參數(shù)達(dá)到最理想的狀態(tài)。電控?fù)螚U伸縮長(zhǎng)度和車(chē)體角度的關(guān)系可通過(guò)圖8中的幾何關(guān)系得到：

圖8 升降組件、擺臂、滾輪跨度幾何關(guān)系

式中：A為車(chē)體傾斜角度；Ly為電控?fù)螚U伸縮長(zhǎng)度；a 為電控?fù)螚U力到擺臂中心的距離；b 為電控?fù)螚U力到滾輪中心的距離；W為滾輪跨度的距離。

在升降過(guò)程中，隨著滾輪擺臂角度的變化，式（11）中的參數(shù)a、b、W也是時(shí)時(shí)變化的，所以控制系統(tǒng)需要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸及狀態(tài)檢測(cè)，時(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，以保證車(chē)體迅速調(diào)整到所需要的姿態(tài)［7］。

5 測(cè)試與結(jié)果分析

具體測(cè)試內(nèi)容及效果如下［12］。

（1）雙邊駝峰測(cè)試

車(chē)體跨越駝峰時(shí)，駝峰對(duì)應(yīng)的車(chē)輪實(shí)時(shí)抬起，低谷點(diǎn)實(shí)時(shí)降下，過(guò)程中車(chē)體保持水平，4 個(gè)車(chē)輪的下壓力偏差在20 N以?xún)?nèi)。

（2）35°坡度測(cè)試

車(chē)身可以正常完成上下坡、駐車(chē)、原地旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，過(guò)程中車(chē)體保持水平，4個(gè)車(chē)輪的下壓力偏差在20 N以?xún)?nèi)。

（3）急轉(zhuǎn)彎、加減速測(cè)試

加速度計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)到重力加速度指向的偏移，主控程序自動(dòng)向相反方向傾斜車(chē)身抵消重力偏移。4 個(gè)車(chē)輪的下壓力偏差在20 N以?xún)?nèi)。

（4）室外崎嶇路面測(cè)試

關(guān)閉擺臂控制程序，車(chē)身行進(jìn)過(guò)程中抖動(dòng)明顯。打開(kāi)擺臂控制程序后，車(chē)身行進(jìn)時(shí)保持平穩(wěn)。從測(cè)試數(shù)據(jù)看，設(shè)備在指令響應(yīng)的實(shí)時(shí)性、車(chē)體整體水平或指定角度的控制精度，以及滾輪之間的壓力偏差波動(dòng)的精度等方面都達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，在斜坡、急轉(zhuǎn)彎、加減速等極端環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定，能有效提升設(shè)備對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)性。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有通用移動(dòng)平臺(tái)使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)通用移動(dòng)平臺(tái)的斜坡?tīng)顟B(tài)以及近轉(zhuǎn)彎兩種狀態(tài)下的受力分析，建立了車(chē)體結(jié)構(gòu)、坡度、轉(zhuǎn)彎速度等因素對(duì)結(jié)構(gòu)扭矩、抓地力等產(chǎn)品參數(shù)的影響的模型，通過(guò)理論計(jì)算，得到自動(dòng)升降組件的相關(guān)參數(shù)，控制系統(tǒng)通過(guò)輸入的產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境坡度、轉(zhuǎn)向角度等參數(shù)，自動(dòng)控制升降組件的長(zhǎng)度以調(diào)節(jié)車(chē)體的狀態(tài)，使車(chē)體受到的合力通過(guò)彎曲中心，滾輪和地面的抓地力保持均勻分布，避免產(chǎn)品使用過(guò)程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)件損壞、抓地力變化引起打滑、滾輪磨損、車(chē)體翻滾等問(wèn)題，提升了移動(dòng)平臺(tái)及所搭載設(shè)備的性能。并通過(guò)樣機(jī)得到較好的效果驗(yàn)證。新型功能的移動(dòng)平臺(tái)提高了產(chǎn)品適應(yīng)不同使用環(huán)境的能力，減少產(chǎn)品故障，為通用移動(dòng)平臺(tái)的推廣打下了良好的基礎(chǔ)。