一種智能載重機(jī)器人的研制和應(yīng)用

韓宇弦

（南華大學(xué)，湖南 衡陽421001）

1 研制原由

減少搬運(yùn)過程中被物品壓傷造成的意外傷害，減少設(shè)備自身的受損幾率（如圖1），減少人員成本支出；用機(jī)器代替人工，響應(yīng)國家關(guān)于行業(yè)創(chuàng)新的要求，研發(fā)的關(guān)鍵核心達(dá)到行業(yè)首創(chuàng)，填補(bǔ)行業(yè)空白。

圖1

需求主要來自四個(gè)方面：

需求一：需要提質(zhì)增效，解決人工搬運(yùn)時(shí)間長（上下樓梯首趟為5-10分鐘，隨著體能消耗時(shí)間逐漸增加），效率低的問題（一般3-4人搬運(yùn)一臺(tái)設(shè)備）。

需求二：需要解決搬運(yùn)工人在工作過程中受到的傷害（2年11起），設(shè)備在搬運(yùn)過程中的狹小空間受到的損傷（2年8起），實(shí)現(xiàn)智能化搬運(yùn)。

需求三：需要解決出現(xiàn)的特需情況（如新冠疫情期間無人化運(yùn)輸、各種環(huán)境氣候路況情況下的緊急搬運(yùn)、為各個(gè)行業(yè)進(jìn)行服務(wù)等）。

需求四：需要滿足專業(yè)要求和規(guī)定，既為綠色服務(wù)添磚加瓦，也為高質(zhì)量檢修運(yùn)行奠定發(fā)展基礎(chǔ)。

根據(jù)需求結(jié)合實(shí)際情況，形成了以下工作目標(biāo)：（1）研制一種可以裝載100kg物品的智能載重工具，解決人工搬重小于20kg，或者由于表面光滑只能單塊搬運(yùn)的問題，即保證在載重100kg的情況下，平均爬樓時(shí)間小于5分鐘/趟。（2）研制一種可以適應(yīng)50度以上樓梯坡度，并在1200×700×450空間自由行使，進(jìn)行180度轉(zhuǎn)彎的智能載重工具，實(shí)現(xiàn)全過程機(jī)器操作，避免人員設(shè)備受到傷害。（3）研制一種可以遠(yuǎn)距離操控行駛的智能搬運(yùn)工具，并能在各種環(huán)境行駛，為各種行業(yè)進(jìn)行服務(wù)。（4）研制一種無污染、無干擾、無損傷，全過程機(jī)器操作的智能運(yùn)輸工具。

經(jīng)過一系列實(shí)施方案：（1）實(shí)現(xiàn)了載重物（35kV電流互感器：80kg，導(dǎo)線：90kg）平穩(wěn)行走，平穩(wěn)上下樓，節(jié)約時(shí)間80%，提高效益超過200%。（2）實(shí)現(xiàn)了全過程機(jī)器搬運(yùn)，人工受傷害為0，設(shè)備受傷害為0。（3）實(shí)現(xiàn)了變電工作節(jié)能、增效以及綠色能源的企業(yè)要求。

2 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

對(duì)智能載重工具的需求：（1）外部需求，需要解決電力生產(chǎn)工作搬運(yùn)設(shè)備時(shí)間長、效率低的問題；（2）內(nèi)部需求，以供電可靠性為導(dǎo)向，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，需要解決智能載重工具在狹小空間的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎，最大限度提高生產(chǎn)效率；（3）環(huán)境需求，需要解決智能載重工具符合發(fā)展需要，適應(yīng)環(huán)保要求，不破壞環(huán)境，符合綠色發(fā)展的要求。

創(chuàng)新水平：根據(jù)查新，國內(nèi)樓梯搬運(yùn)工具主要是使用三個(gè)360度轉(zhuǎn)向輪子完成爬樓動(dòng)作（如圖2），前進(jìn)時(shí)需要人用力或用身體重量把握平衡方向，且承重較輕。國內(nèi)目前還沒有關(guān)于載重自動(dòng)爬樓梯搬運(yùn)小車專門應(yīng)用于設(shè)備搬運(yùn)的記錄，本裝置的研制填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)研究空白。

圖2

（1）本裝置首創(chuàng)了履帶式行走；（2）發(fā)明了防止車輛倒滑的倒車鎖緊裝置；（3）解決了樓道平臺(tái)以及其他有限空間小角度轉(zhuǎn)不過彎的問題，同時(shí)解決了裝置抗干擾的行業(yè)難題。

工具創(chuàng)新點(diǎn)：（1）首創(chuàng)采用全橡膠履帶，履帶內(nèi)置添加高強(qiáng)度復(fù)合纖維添置層和高分子材料，保證零下30℃和零上40℃使用，無明顯冷硬和熱軟現(xiàn)象保證抗拉斷力，使底盤行走平穩(wěn)對(duì)地抓力大且不對(duì)地面造成破壞。爬樓梯過程中大支撐輪和小支撐輪交替與樓梯臺(tái)階接觸，保證運(yùn)行過程中不會(huì)太大抖動(dòng)或翻倒，可在0-35度的樓梯坡度、0-20cm的臺(tái)階高度實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)；（2）為了防止上下坡下滑，工具將馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為后輪驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)有帶防下滑夾緊裝置，以防止意外情況或者電量不足時(shí)后滑；（3）轉(zhuǎn)彎半徑小，內(nèi)含陀螺儀平衡機(jī)構(gòu)。設(shè)置了左右電機(jī)，可同時(shí)運(yùn)動(dòng)，也可不同時(shí)運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向可相同，也可不同。當(dāng)速度不同時(shí)就實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，回轉(zhuǎn)半徑≧1m，樓梯轉(zhuǎn)角寬度≧1.5m，樓梯轉(zhuǎn)接平臺(tái)≧1.5m。若一個(gè)電機(jī)工作而另一電機(jī)不工作則可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎；平地行駛時(shí)后擺支撐向上收起，減少轉(zhuǎn)向空間；（4）減震系統(tǒng)采用載人減震級(jí)別設(shè)計(jì)；（5）滿足整車載重避重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。低重心，雙電機(jī)電子控制器，正反轉(zhuǎn)控制和差速控制，實(shí)現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向和原地制動(dòng)轉(zhuǎn)向。

3 技術(shù)實(shí)施性

技術(shù)方面：裝置包括儲(chǔ)物箱、配電箱和行駛履帶，配電箱包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)以及平衡輔助機(jī)構(gòu)，運(yùn)輸機(jī)器人依靠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力對(duì)行駛履帶施加牽引力，當(dāng)運(yùn)輸機(jī)器人爬樓梯時(shí)依靠支撐機(jī)構(gòu)的作用力使行駛履帶與樓梯臺(tái)階接觸，當(dāng)運(yùn)輸機(jī)器人下樓梯時(shí)依靠平衡輔助機(jī)構(gòu)的作用力使行駛履帶始終與樓梯成傾斜接觸。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：通過配電箱上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)行駛履帶施加牽引力來控制行駛履帶的運(yùn)動(dòng)，在爬樓梯過程中通過支撐機(jī)構(gòu)的作用力來確保行駛履帶與樓梯臺(tái)階接觸，從而確保運(yùn)輸機(jī)器人在爬樓梯過程中的穩(wěn)定性，能減少運(yùn)輸機(jī)器人的翻倒，提高爬樓梯的效率，減少了人工的搬運(yùn)強(qiáng)度，提高了重物搬運(yùn)時(shí)的安全性能（見圖3）。

圖3

3.1 裝置總裝

小組對(duì)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)完成以后，交相關(guān)代工廠進(jìn)行加工并進(jìn)行組裝。裝置包括：1儲(chǔ)物箱、2配電箱、3履帶、4驅(qū)動(dòng)輪、5大支撐輪、6履帶側(cè)鋼板、7平衡輔助鋼件（見圖4）。

圖4 裝置介紹

3.2 可推廣性

該裝置不僅可用于變電所的設(shè)備搬運(yùn)，也可在不同行業(yè)、不同環(huán)境、不同領(lǐng)域使用。因方便、安全、環(huán)保、可靠，已推廣到行業(yè)以外使用：（1）5G基站的建設(shè)、通訊塔基建的搬運(yùn)；（2）庫房的物資搬運(yùn)；（3）水務(wù)、天然氣等行業(yè)的有限空間搬運(yùn)作業(yè)；（4）新冠疫情期間，來往于應(yīng)急隔離點(diǎn)各類用品的傳遞。

4 工具創(chuàng)意來源

搬運(yùn)工具的創(chuàng)意借鑒了：（1）變電所巡檢機(jī)器人，根據(jù)特定的路線巡視和記錄；（2）坦克技術(shù)的履帶功能，可以在不同狀況的路面行走。

風(fēng)險(xiǎn)及控制：（1）裝置突然失電帶來的風(fēng)險(xiǎn)：設(shè)計(jì)了防下滑夾緊裝置；（2）裝載重物在不同路面的避震、減震：設(shè)計(jì)了全履帶前進(jìn)結(jié)構(gòu)；（3）下樓梯時(shí)的平衡：設(shè)計(jì)了平衡輔助件，在電動(dòng)液壓桿的驅(qū)動(dòng)下放下，始終與樓梯成斜角度接觸，當(dāng)其離開樓梯與地面接觸時(shí)，履帶滾動(dòng)，保證下樓梯時(shí)的穩(wěn)定。

5 開發(fā)的可信性

對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)，本裝置借鑒了變電所巡檢機(jī)器人，以及坦克在不同狀況路面行走的特點(diǎn)，載重機(jī)器人更側(cè)重于載重、行走環(huán)境（見表1）。

表1

（1）平地行駛時(shí)后擺支撐向上收起，減少轉(zhuǎn)向空間。爬梯時(shí)后擺支撐向后放平，增加接地長度，增加穩(wěn)定性（如圖5）。

圖5

（2）采用全橡膠履帶，履帶內(nèi)置添加高強(qiáng)度復(fù)合纖維添置層和高分子材料，不會(huì)損傷路面，適合各種地形行駛（如圖6）。

圖6

（3）左右電機(jī)可同時(shí)運(yùn)動(dòng)，也可不同時(shí)運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向可相同，也可不同。當(dāng)速度不同時(shí)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，若一個(gè)電機(jī)工作而另一電機(jī)不工作則實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎；驅(qū)動(dòng)輪上的固定輪與履帶內(nèi)側(cè)的履帶齒嚙合，對(duì)履帶施加牽引力，完成驅(qū)動(dòng)；爬樓梯過程時(shí)，履帶外側(cè)的特制花紋會(huì)先與臺(tái)階接觸，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取，保證行駛過程中不會(huì)向下滑落；爬樓梯過程中，大支撐輪和小支撐輪交替與樓梯臺(tái)階接觸，保證運(yùn)行過程中不會(huì)太大抖動(dòng)或翻倒；下樓梯時(shí)，平衡輔助件在電動(dòng)液壓桿的驅(qū)動(dòng)下放下，始終與樓梯成斜角度接觸，當(dāng)其離開樓梯與地面接觸時(shí)，履帶滾動(dòng)，保證下樓梯時(shí)的穩(wěn)定（如圖7）。

圖7

以上開發(fā)過程均列入專利調(diào)查說明。

6 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)和社會(huì)責(zé)任績效成果

（1）經(jīng)濟(jì)方面：減少人工成本，將傷害控制在零。

（2）工作方面：保證了施工工作的順利進(jìn)行，消除不確定因素，為安全的全過程管控提供了有力支撐，從而平穩(wěn)開展施工安裝工作，按計(jì)劃進(jìn)行有序供電。

（3）環(huán)境方面：智能載重機(jī)器人為蓄電池充電，無廢氣產(chǎn)生，噪聲控制在100分貝之內(nèi)，不干擾其他設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，符合企業(yè)和國家綠色能源創(chuàng)新的要求。

（4）安全方面：純手工搬運(yùn)時(shí)，人員和設(shè)備受到的傷害幾率較大，更需要考慮搬運(yùn)人員的身體狀況和環(huán)境影響。該項(xiàng)目完成以后再進(jìn)行作業(yè)，人員和設(shè)備安全完全可控。