細(xì)數(shù)專用車智能化的智能之處

襄樊南車專用汽車股份有限公司 宋喜秀

細(xì)數(shù)專用車智能化的智能之處

襄樊南車專用汽車股份有限公司 宋喜秀

作業(yè)類專用車，正逐步向智能型升級(jí):遙控器發(fā)指令，與機(jī)械手相呼應(yīng)。智能化專用車，恰似一處好風(fēng)景。

2016年7月7日晚，在美國(guó)得克薩斯州達(dá)拉斯市舉行的反警察暴力執(zhí)法和種族歧視抗議活動(dòng)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(duì)峙至8日凌晨，警方出動(dòng)一個(gè)攜帶炸彈的機(jī)器人（如圖1），逐步接近并成功炸死了嫌疑人邁卡?約翰遜。機(jī)器人消滅嫌疑人，可謂出其不意，令人稱奇。但從作業(yè)類專用汽車的角度解析機(jī)器人構(gòu)造原理，炸彈機(jī)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(jī)、高空消防車、混凝土泵車、快速裝卸機(jī)器人等，比比皆是。

人工操縱的普通型專用車，升級(jí)為智能型專用汽車的前提條件是：底盤平臺(tái)化、作業(yè)電氣化和指令智能化。

底盤平臺(tái)化

底盤平臺(tái)化是汽車智能化作業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。因?yàn)榈妆P不僅是汽車履行走行功能的載體，同時(shí)又是汽車發(fā)揮作業(yè)功能的平臺(tái)，所以，底盤必須具有可靠的越野性能、穩(wěn)固的基礎(chǔ)功能和必要的升降、旋轉(zhuǎn)等多種平臺(tái)功能。底盤平臺(tái)化有以下三種技術(shù)途徑。

首先是履帶式車橋平臺(tái)（圖2）。履帶式車橋平臺(tái)的“4輪1帶”構(gòu)造，功能強(qiáng)大，配置巧妙——與地面接觸的履帶1、支持履帶傳動(dòng)的支重輪6是車輛承重功能的堅(jiān)強(qiáng)載體；驅(qū)動(dòng)輪2、張緊輪4是整車傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的力量源泉；導(dǎo)向輪5則把履帶鋪設(shè)到地面，引領(lǐng)機(jī)架3沿履帶軌道行駛。

履帶式車橋平臺(tái)動(dòng)力傳遞可靠，與地面的接觸面積大， 所以越來越多的重型專用車以及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(dāng)然，在履帶式行走系統(tǒng)中，前橋后橋不再單獨(dú)存在，而是復(fù)合形成了一個(gè)整體式的車橋平臺(tái)。

其次是輪胎式驅(qū)動(dòng)模式+液壓支腿系統(tǒng)。輪胎式驅(qū)動(dòng)有力、轉(zhuǎn)向靈活，在停車作業(yè)時(shí)，只要加裝一套液壓支腿系統(tǒng)，就能為上裝的專用作業(yè)裝置提供強(qiáng)大的底部支撐。

液壓支腿系統(tǒng)（圖3）是以車載蓄電池為電源，通過安裝支架將支腿固定在汽車大梁的合適位置，使用時(shí)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(fù)載。使用完畢后，支腿座向上收起，保持足夠的離地高度，以保證行車及設(shè)備安全。一般的車用液壓支腿，包括一個(gè)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(shè)計(jì)要求是：自鎖可靠、收放自如。

在圖3中，兩條液壓支腿由三位四通手動(dòng)換向閥控制其伸出和縮回動(dòng)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(dòng)三種控制功能，且工作油路采用并聯(lián)方式，保證兩條支腿步調(diào)一致且收放自如。

液壓支腿支撐作業(yè)時(shí)，換向閥處于出油位置：液壓油長(zhǎng)驅(qū)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(zhǎng)，將車身抬高到合適位置后，換向閥回到中間的進(jìn)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(jìn)一步增強(qiáng)了液壓支腿在支承面上的負(fù)載能力。

液壓支腿收腿作業(yè)時(shí)，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(fù)到中間位置，支腿油缸的液壓油停止流動(dòng)。

液壓支腿伸出去后能否穩(wěn)定支撐，又是否能夠自如地收縮并穩(wěn)固在初始的安裝位置，分別關(guān)系到車用停放和行駛期間的安全可靠性。因此，每個(gè)液壓缸均設(shè)計(jì)有雙向鎖緊回路，使進(jìn)油與回油連鎖聯(lián)控。

（1）壓力解鎖：支腿伸縮作業(yè)時(shí)，活塞腔、活塞桿腔的單向閥同時(shí)打開，油缸油路按設(shè)計(jì)的程序進(jìn)油出油。

（2）無壓自鎖：換向閥處于中停位置時(shí)，支腿油缸的進(jìn)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(jìn)油壓力不足時(shí)，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。

支腿缸可將數(shù)10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(gòu)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(guān)系為：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(jí)可分為中壓、高壓、中高壓等。足夠的液壓系統(tǒng)壓力是液壓油缸的動(dòng)力基礎(chǔ)。

對(duì)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(dòng)速度與油壓面積成反比，所以活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速比越大。液壓系統(tǒng)壓力等級(jí)及對(duì)應(yīng)的速比見表1。

隨車起重機(jī)、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(jī)械式到機(jī)械液壓組合式，再到全液壓式的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型。支腿油缸實(shí)現(xiàn)了司乘人員對(duì)支腿收放動(dòng)作的遠(yuǎn)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(jìn)性。

表1 液壓系統(tǒng)壓力等級(jí)表

最后是多個(gè)走行裝置的復(fù)合模式。事實(shí)上，輪胎式與履帶式各有千秋，簡(jiǎn)單的平坦路面選用輪胎式，純粹的坎坷路況選用履帶式，復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境則可選用多個(gè)平臺(tái)的復(fù)合體。圖1所示的炸彈機(jī)器人的底盤是輪胎式驅(qū)動(dòng)模式與履帶式車橋平臺(tái)兩種走行裝置的復(fù)合體；圖8所示的快速裝卸機(jī)器人的底盤則是兩個(gè)移動(dòng)式升降平臺(tái)的復(fù)合體。

作業(yè)電氣化

作業(yè)電氣化是專用作業(yè)裝置實(shí)現(xiàn)智能控制的物理學(xué)基礎(chǔ)。隨車起重機(jī)、高空消防車、混凝土泵車、快速裝卸機(jī)器人等智能汽車的專用作業(yè)裝置，可滿足在各種空間實(shí)現(xiàn)起重物、打水炮、泵送混凝土、裝卸碼放貨物等的作業(yè)功能：首先要選用一種高性能的臂架結(jié)構(gòu)，依靠相互串聯(lián)起來的基本臂、二節(jié)臂、三節(jié)臂直至由末節(jié)臂來定位作業(yè)；每一節(jié)臂架之間依靠雙作用液壓油缸的伸縮動(dòng)作進(jìn)行變位或變幅；液壓油缸則由高壓油泵驅(qū)動(dòng)；高壓油泵又由電機(jī)牽引，從而實(shí)現(xiàn)臂架作業(yè)的電氣化控制。

隨車起重機(jī)，又稱隨車吊，是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(yùn)輸車，在一定范圍內(nèi)通過液壓舉升及伸縮系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)貨物的升降、回轉(zhuǎn)、吊運(yùn)的起重設(shè)備，屬于物料搬運(yùn)機(jī)械。根據(jù)吊臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，隨車起重機(jī)可分為折臂式、直臂式兩種基本形式。折臂式隨車起重機(jī)（如圖4）具有靈活高效、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)勢(shì)，是智能控制模式的主要車型。

折臂式吊臂機(jī)構(gòu)主要由基臂、內(nèi)動(dòng)臂、外動(dòng)臂等3節(jié)臂架及控制內(nèi)、外動(dòng)臂轉(zhuǎn)角及外動(dòng)臂伸長(zhǎng)量的3支液壓油缸組成。特別適合倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)運(yùn)、樹木吊裝、道路清障、設(shè)施搭建等搬、運(yùn)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(jī)械手、高空作業(yè)平臺(tái)等專門作業(yè)裝置的出現(xiàn)，隨車起重運(yùn)輸車的作業(yè)范圍不再局限于搬運(yùn)功能，其發(fā)展?jié)摿图?xì)分市場(chǎng)日益廣闊。

由于隨車吊是具有起重安全風(fēng)險(xiǎn)的特殊車輛，所以，隨車操作人員應(yīng)接受生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)、培訓(xùn)，對(duì)整車的結(jié)構(gòu)、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(hù)經(jīng)驗(yàn)后方可操作機(jī)器。

舉高噴射消防車，簡(jiǎn)稱高噴車，由折疊伸縮臂結(jié)構(gòu)、電動(dòng)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(cè)，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(duì)員通過操作遙控器遙控消防炮，在高空中從多個(gè)角度靈活地噴霧、噴水或者噴射泡沫撲救火災(zāi)。

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(jī)構(gòu)組成，根據(jù)各混凝土泵車臂架間轉(zhuǎn)動(dòng)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(jié)構(gòu)緊湊空間小，Z形收放迅速動(dòng)作快，綜合型則兼而有之。三種折疊方式為不同生產(chǎn)商混合使用。

快速裝卸機(jī)器人以立體化貨架為對(duì)象，能夠滿足多種貨物的少量搬運(yùn)需求。裝卸機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一種，具有高度自動(dòng)化的操作和移動(dòng)功能。2015年8月26日《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，日本日立制作所宣布已開發(fā)出一種可在物流倉(cāng)庫內(nèi)移動(dòng)并自動(dòng)裝卸和搬運(yùn)貨物的新型機(jī)器人。

圖7 混凝土泵車臂架折疊形式

日立開發(fā)的這種新型機(jī)器人的構(gòu)造，是在移動(dòng)平板車上安裝兩個(gè)升降臺(tái)，然后分別裝上操作臂型的機(jī)器人。一條機(jī)械臂的頂端裝有吸附裝置，另一條頂端裝有兩根機(jī)械手指。移動(dòng)平板車移動(dòng)到指定貨架之后，自動(dòng)調(diào)整升降臺(tái)高度，利用機(jī)械臂上安裝的攝像頭確認(rèn)貨物，然后以符合其形狀和重量的方法進(jìn)行搬運(yùn)。

智能控制系統(tǒng)

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)，一般由三個(gè)部分組成：遙控器及無線接收裝置、運(yùn)動(dòng)控制器（PLC）及測(cè)試平臺(tái)工控機(jī)系統(tǒng)。遙控器發(fā)出臂架啟動(dòng)/停止、快速/慢速、鎖定/解鎖、展臂/收臂等操作指令，安裝在作業(yè)類專用汽車上的無線接收裝置將獲得的遠(yuǎn)程指令轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線上，PLC運(yùn)動(dòng)控制器通過CAN總線接收到臂架末端的運(yùn)動(dòng)方向及速度數(shù)據(jù)后，將臂架末端的運(yùn)動(dòng)分解為各節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)，使臂架按設(shè)定程序到達(dá)指定位置。測(cè)試平臺(tái)工控機(jī)系統(tǒng)接收PLC運(yùn)動(dòng)控制器的輸出數(shù)據(jù)后，模擬被控臂架，顯示當(dāng)前各節(jié)臂架狀態(tài)，提供友好的人機(jī)界面，并反饋到CAN總線上。

對(duì)于爆炸機(jī)器人來說，炸彈爆炸裝置是整個(gè)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(yuǎn)程控制按鈕。這個(gè)按鈕可以是鼠標(biāo)、按鍵、感應(yīng)器之類的任何一種電子開關(guān)。智能臂架系統(tǒng)一般采用遙控器（圖10）發(fā)射遙控指令。遙控器主要由單片機(jī)、控制鍵盤以及標(biāo)準(zhǔn)的串行無線通信發(fā)射器組成。

操作各種功能鍵向無線接收裝置發(fā)送指令，一鍵一功能，一按一指令，運(yùn)動(dòng)控制器通過對(duì)指令的運(yùn)算分析，在確保系統(tǒng)安全和操作無誤后，向臂架電機(jī)發(fā)出正式指令；在超載等危險(xiǎn)工況時(shí)，則會(huì)輸出預(yù)警報(bào)警信息，停止作業(yè)，并記錄危險(xiǎn)數(shù)據(jù)。圖11是PLC運(yùn)動(dòng)控制器軟件的流程圖。運(yùn)動(dòng)控制器PLC軟件設(shè)計(jì)主要包括遙控指令和臂架數(shù)據(jù)的接收、臂架自動(dòng)運(yùn)行的算法處理及其安全保護(hù)。

有人憧憬人工智能的美好未來，也有人擔(dān)心機(jī)器邏輯的法制風(fēng)險(xiǎn)，還有人產(chǎn)生了被機(jī)器人淘汰的焦慮心理，歐盟議會(huì)甚至提出提案，要求機(jī)器人繳納社會(huì)保險(xiǎn)。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(jī)器人取而代之，機(jī)器人還有什么不能干？

谷歌CEO桑達(dá)?皮查伊(Sundar Pichai)曾經(jīng)在阿爾法圍棋（Al-phaGo）“人機(jī)大戰(zhàn)”現(xiàn)場(chǎng)表示：“世界上真正的挑戰(zhàn)不是‘人類對(duì)機(jī)器’，而是人類利用機(jī)器與那些全球性難題之間的對(duì)決?！?如果我們把專用汽車視為“貨物運(yùn)輸機(jī)器人”或“特種作業(yè)機(jī)器人”，我們應(yīng)該注意到，代替人類“當(dāng)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(shí)，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(shí)正是如此，智能化專用車，無論是控制方法，還是控制效果，都與炸彈機(jī)器人一樣靈活、可靠、穩(wěn)定、準(zhǔn)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(yùn)藏著無限商機(jī)與魅力。