按鈕之牛
——指尖上的專用車

按鈕之牛
——指尖上的專用車

宋喜秀

作業(yè)類專用車輛及設備，正在逐漸向智能化升級，遙控器發(fā)指令，機械手相呼應。指尖上的專用車輛及設備，恰似一處好風景，演繹著按鈕之牛，點贊著人工智能。

2016年7月7日晚，在美國得克薩斯州達拉斯市舉行的反警察暴力執(zhí)法和種族歧視抗議活動中，一名狙擊手向維持秩序的警方開槍，造成警方5死7傷，另有兩名平民受傷。

雙方對峙至8日凌晨，警方出動一個攜帶炸彈的機器人（如圖1），逐步接近并成功炸死了嫌疑人邁卡·約翰遜。機器人消滅嫌疑人，出其不意，令人稱奇。但從作業(yè)類專用汽車的角度解析機器人構造原理，炸彈機器人只不過是“底盤+作業(yè)裝置+智能控制系統(tǒng)”的一種智能汽車，諸如此類的智能型專用汽車有隨車起重機、高空消防車、混凝土泵車、快速裝卸機器人等，比比皆是。所以，機器之奇，不足為奇。

圖1　美國警方使用的機器人（資料圖片）

人工操縱的普通專用車輛及設備，升級為智能化產(chǎn)品的前提條件是：底盤平臺化、作業(yè)電氣化和指令智能化。

底盤平臺化

底盤平臺化是車輛及設備智能化作業(yè)的工藝基礎。因為底盤不僅是車輛實現(xiàn)行走功能的載體，同時也是整個設備發(fā)揮作業(yè)功能的平臺，所以，必須具有可靠的越野性能、穩(wěn)固的基礎功能和必要的升降、旋轉等多種功能。底盤平臺化有3條技術途徑。

首先是履帶式車橋平臺（見圖2）。履帶式車橋平臺由“4輪1帶”組成——與地面接觸的履帶1、支持履帶傳動的支重輪6是車輛承重功能的堅強載體；驅動輪2、張緊輪4是整車傳動驅動系統(tǒng)的力量源泉；導向輪5則把履帶鋪設到地面，引領機架3沿履帶軌道披荊斬棘。

圖2　履帶式車橋平臺

履帶式車橋平臺動力傳遞可靠，與地面的接觸面積大，是承載能力最強的底盤平臺， 所以，越來越多的重型專用車，包括一些中輕型專用作業(yè)裝備都采用了履帶式行走系統(tǒng)。當然，在履帶式行走系統(tǒng)中，前橋后橋不再單獨存在，而是復合形成了一個整體式的車橋平臺。

其次是輪胎式驅動模式+液壓支腿系統(tǒng)。輪胎式驅動有力，轉向靈活，在停車作業(yè)時，只要加裝1套液壓支腿系統(tǒng)，就能為上裝的專用作業(yè)裝置提供強大的底部支撐。

液壓支腿系統(tǒng)（圖3）以車載蓄電池為電源、將支腿通過安裝支架固定在汽車大梁的合適位置，使用時支腿向下伸出觸地，將車身頂起，使車輛的大部分重量由支腿支撐，從而保持車體的平穩(wěn)，減輕車輛彈簧鋼板的負載。使用完畢，支腿座向上收起收藏，保持足夠的離地高度，保證行車及設備安全。一般的車用液壓支腿，包括一個位于車架左右縱梁上的油缸缸筒固定架、雙作用式液壓支腿油缸及支腿座，液壓油缸的缸體與缸筒固定架連接，活塞桿與支腿座鉸接。車用支腿油缸的設計要求是：自鎖可靠、收放自如。壓力級別低壓中壓中高壓高壓超高壓壓力范圍/（MPa）0～2.52.5～58～1616～32〉32速比（往復運動）1.331.462

圖3　液壓支腿系統(tǒng)

表1 液壓系統(tǒng)壓力等級表

在圖3中，兩條液壓支腿由三位四通手動換向閥控制其伸出和縮回動作。布置在駕駛室的M型三位四通換向閥具有伸、縮換向和中位靜止不動3種控制功能，且工作油路采用并聯(lián)方式，保證兩條支腿步調一致且收放自如。

液壓支腿支撐作業(yè)時，換向閥處于出油位置：液壓油長驅直入活塞腔，活塞桿腔的液壓油通過換向閥回流至油箱，活塞受壓下移，活塞桿向下伸長，將車身抬高到合適位置后，換向閥回到中間的進出油口封閉位置。座板面積是活塞桿橫截面積N多倍的支腿座，進一步增強了液壓支腿在支承面上的負載能力。

液壓支腿收腿作業(yè)時，換向閥處于回油位置：支腿油缸的回油系統(tǒng)開啟，活塞桿向上收縮，收縮到初始的安裝位置后，換向閥恢復到中間位置，支腿油缸的液壓油停止流動。

圖4　折臂式隨車起重機臂架結構

表1　液壓系統(tǒng)壓力等級表

液壓支腿伸出去后能否死心塌地，收縮到初始的安裝位置后是否甘于寂寞，分別關系到車用停放和行駛期間的安全可靠性性。因此每個液壓缸均設計有雙向鎖緊回路，使進油與回油連鎖聯(lián)控。

（1）壓力解鎖：支腿伸縮作業(yè)時，活塞腔、活塞桿腔的單向閥同時打開，油缸油路按設計的程序進油出油；

（2）無壓自鎖：換向閥處于中停位置時，支腿油缸的進出油通道處于無壓自鎖的封閉狀態(tài)，戛然而止的液力傳遞，可以避免支腿在行車過程中自行滑落；

（3）雙向互鎖：進油壓力不足時，出油通道也被可靠地鎖住，能夠有效防止在起重作業(yè)過程發(fā)生“軟腿”現(xiàn)象。

支腿缸將數(shù)十噸車身輕松頂起，除了油缸、油閥、油泵等液壓元件自身的精密構造，液壓系統(tǒng)的壓力來源不容忽視。液壓油缸的作用力F（N）、活塞面積S（mm2）與液壓系統(tǒng)壓力P（MPa）的關系：F=P·S

在相同活塞面積S條件下，液壓系統(tǒng)壓力p越高，液壓油缸的作用力F越大。液壓系統(tǒng)按壓力等級可分為中壓、高壓、中高壓等。足夠的液壓系統(tǒng)壓力是液壓油缸“液”往無前的動力基礎。

圖5　隨車起重運輸車

圖6　舉高噴射消防車

對于雙作用式支腿缸來說，由于活塞腔面積大于活塞桿腔面積，而活塞移動速度與油壓面積成反比，所以活塞作往復運動的速度也有差別。系統(tǒng)壓力P值越高，要求的活塞桿徑也就越大，對應的往復運動的速比越大。液壓系統(tǒng)壓力等級及對應的速比見表1。

隨車起重機、高空消防車、混凝土泵車等作業(yè)類車輛的支腿，經(jīng)歷了從機械式到機械液壓組合式，再到全液壓式的創(chuàng)新和轉型。以柔克剛、理直氣壯的支腿油缸，實現(xiàn)了駕乘人員對支腿收放動作的遠程控制，提高了停車作業(yè)效率，體現(xiàn)了液壓操作系統(tǒng)的先進性。

圖7　混凝土泵車臂架折疊形式

最后是多個走行裝置的復合模式。事實上，輪胎式與履帶式各有千秋，簡單的平坦路面選用輪胎式，純粹的坎坷路況選用履帶式，復雜的作業(yè)環(huán)境則可選用多個平臺的復合體。圖1所示的炸彈機器人的底盤是輪胎式驅動模式與履帶式車橋平臺2種走行裝置的復合體；圖8所示的快速裝卸機器人的底盤則是建立在1個平板之上的2個升降平臺的復合體。

作業(yè)電氣化

作業(yè)電氣化是專用作業(yè)裝置實現(xiàn)智能控制的技術基礎。隨車起重機、高空消防車、混凝土泵車、快速裝卸機器人等智能專用作業(yè)裝置，為在“遠近高低各不同”的空間實現(xiàn)起重物、打水炮、泵送混凝土、裝卸碼放貨物等作業(yè)功能，普遍選用一種高性能的臂架結構，依靠相互串聯(lián)起來的基本臂、二節(jié)臂、三節(jié)臂……末節(jié)臂定位作業(yè)；每一節(jié)臂架之間依靠雙作用液壓油缸的伸縮動作進行變位或變幅；液壓油缸則由高壓油泵驅動；高壓油泵又由電機牽引，從而實現(xiàn)臂架作業(yè)的電氣化控制。

圖8　快速裝卸機器人

隨車起重機，又稱隨車吊，指固定安裝在載貨汽車底盤上，與載貨汽車組成隨車起重運輸車，在一定范圍內(nèi)通過液壓舉升及伸縮系統(tǒng)來實現(xiàn)貨物的升降、回轉、吊運的起重設備，屬于物料搬運機械。根據(jù)吊臂結構特點，隨車起重機可分為折臂式、直臂式2種基本形式。折臂式隨車起重機（如圖4）具有靈活高效、結構緊湊等突出優(yōu)勢，是智能控制模式的主要車型。

折臂式吊臂機構主要由基臂、內(nèi)動臂、外動臂等3節(jié)臂架及控制內(nèi)、外動臂轉角及外動臂伸長量的3支液壓油缸組成。特別適合倉儲調運、樹木吊裝、道路清障、設施搭建等搬、運一體化作業(yè)。

隨著抓具、夾具、燈具、吊籃、螺旋鉆、拔樁器、輪胎裝卸機械手、高空作業(yè)平臺等專門作業(yè)裝置的出現(xiàn)，隨車起重運輸車的作業(yè)范圍不再局限于搬運功能，其發(fā)展?jié)摿图毞质袌鋈找鎻V闊。

由于隨車吊是具有起重安全風險的特殊車輛，所以，隨車操作人員應接受生產(chǎn)廠家的指導、培訓，對整車的結構、性能有足夠的了解，并從廠家獲得一定的隨車吊操作及維護經(jīng)驗方可操作機器。

舉高噴射消防車，簡稱高噴車，由折疊伸縮臂結構、電動遙控消防炮、罐體及二類底盤組成。高噴車的臂架分為基本臂、二節(jié)臂、三節(jié)臂、四節(jié)臂等多節(jié)伸縮臂，消防水管固定在伸縮臂的一側，與伸縮臂一起伸縮舉高。臂架末端安裝電子遙控消防炮，消防隊員通過操作遙控器遙控消防炮，在高空中從多個角度靈活地噴霧、噴水或者噴射泡沫撲救火災。

圖9　智能控制系統(tǒng)

混凝土泵車臂架系統(tǒng)主要由多節(jié)混凝土泵車臂架、連桿、油缸、連接件鉸接而成的可折疊和展開的平面四連桿機構組成，根據(jù)各混凝土泵車臂架間轉動方向和順序的不同，臂架有R形（圖7a）、Z形（或M形，圖7b）及綜合型（圖7c）等多種折疊形式。R形結構緊湊空間小；Z形收放迅速動作快；綜合型則兼而有之。3種折疊方式為不同生產(chǎn)商混合使用。

快速裝卸機器人以立體化貨架為對象，能夠滿足多種貨物的少量搬運需求。裝卸機器人是工業(yè)機器人的一種，具有高度自動化的操作和移動功能。《日本經(jīng)濟新聞》2015年8月26日報道，2015年8月25日，日本日立制作所宣布開發(fā)出一種可在物流倉庫內(nèi)移動并自動裝卸和搬運貨物的新型機器人。

日立開發(fā)的這種新型機器人的構造，是在移動平板車上并行安裝2個升降臺，然后分別裝上操作臂型的機械手。一條機械臂的頂端裝有吸附裝置，另一條機械臂的頂端裝有2根機械手指。移動平板車移動到指定貨架之后，自動調整2個升降臺的高度，并利用機械臂上安裝的攝像頭確認貨物，然后以符合其形狀和重量的方法進行搬運。

指令智能化

對于爆炸機器人來說，炸彈爆炸裝置是整個爆炸系統(tǒng)的終端，系統(tǒng)的前端則是掌握在警方手中的遠程控制按鈕。這個按鈕可以是鼠標、按鍵、感應器之類的任何一種電子開關。電子開關通過智能控制系統(tǒng)（圖9）傳遞指令，驅動終端裝置作業(yè)。

作業(yè)類專用汽車的智能控制系統(tǒng)，又稱智能臂架系統(tǒng)，一般由3部分組成：遙控器及無線接收裝置、作業(yè)控制器PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）及測試平臺工控機系統(tǒng)。作業(yè)控制器按端口設置要求采集、接收信息，并通過嵌入內(nèi)置程序分析、處理信號和數(shù)據(jù)，向臂架及工控機系統(tǒng)傳遞指令。智能臂架系統(tǒng)通常接入底盤平臺電氣控制系統(tǒng)的CAN總線，成為整車CAN總線系統(tǒng)的一部分，通過整車CAN總線技術系統(tǒng)發(fā)揮作用。

圖10　隨車起重機遙控器

遙控器（見圖10）主要由單片機、控制鍵盤以及標準的串行無線通信發(fā)射器組成。控制鍵盤通過單片機程序設計形成臂架啟動/停止、快速/慢速、鎖定/解鎖、展臂/收臂等操作指令，并通過無線通信發(fā)射器發(fā)出指令。一鍵一功能，一按一指令。安裝在車輛或臂架上的無線接收裝置將獲得的遠程指令轉發(fā)到CAN總線系統(tǒng)，PLC作業(yè)控制器通過CAN總線接收到臂架末端的運動方向及速度數(shù)據(jù)后，將臂架末端的運動分解為各節(jié)臂的運動，使臂架按設定程序到達指定位置。測試平臺工控機系統(tǒng)接收PLC運動控制器的輸出數(shù)據(jù)后，模擬被控臂架，顯示當前各節(jié)臂架狀態(tài)，提供友好的人機界面，并反饋到CAN總線上。

作業(yè)控制器（PLC）的軟件編程設計除了遙控指令和臂架數(shù)據(jù)的接收、臂架自動運行的算法處理及其安全保護，一般還設置有數(shù)據(jù)記錄儀等實用功能。作業(yè)控制器對實時數(shù)據(jù)和指令進行運算分析后，只有在確保系統(tǒng)安全和操作無誤后，才向臂架電機發(fā)出正式指令；而在超載等危險工況時，則會輸出預警報警信息，停止作業(yè)，并記錄危險數(shù)據(jù)。圖11是PLC控制器內(nèi)置軟件的流程圖。

當然，也可以將車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)接入整車CAN總線系統(tǒng)，在各種傳感器、監(jiān)控器、控制器等軟硬件設備的支持下，通過遠程通信終端設備監(jiān)控作業(yè)類專用汽車的作業(yè)全過程——那些以分期付款方式購車的車主，在違約期間遭遇“死機”的奧秘，就在于此。

按鈕之牛，有喜有愁。有人憧憬人工智能的美好未來，也有人擔心機器邏輯的法制風險，還有人產(chǎn)生了被機器人淘汰的焦慮心理，歐盟議會甚至提出提案，要求機器人繳納社會保險。以汽車產(chǎn)業(yè)為例：車架焊接、車體裝配、車身噴漆等高溫度、高精度、高污染工序的人工作業(yè)，已經(jīng)被機器人取而代之，機器人還有什么不能干？

圖11　PLC軟件流程圖

谷歌CEO桑達·皮查伊（Sundar Pichai）曾經(jīng)在阿爾法圍棋（Al-phaGo）“人機大戰(zhàn)”現(xiàn)場表示：“世界上真正的挑戰(zhàn)不是‘人類對機器’，而是人類利用機器與那些全球性難題之間的對決?！?如果我們把專用汽車視為“貨物運輸機器人”或“特種作業(yè)機器人”，我們應該注意到，代替人類“當牛做馬”的專用汽車，在淘汰瓦工、泥匠、馬車夫等傳統(tǒng)職業(yè)的同時，還帶來了更加龐大、更有發(fā)展?jié)摿Φ钠嚠a(chǎn)業(yè)及眾多附加產(chǎn)業(yè)。

事實正是如此，指尖上的專用車輛或設備，無論是控制方法，還是控制效果，都與炸彈機器人一樣靈活、可靠、穩(wěn)定、準確；智能臂架系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的開發(fā)、生產(chǎn)、裝配、控制、維修等環(huán)節(jié)也都蘊藏著無限商機與魅力。