具有獨立升降結(jié)構(gòu)能自動調(diào)節(jié)姿態(tài)的通用移動平臺

李 喆，張俊昆，黃天港

（梅里科技（廣州）有限公司，廣州 510663）

0 引言

隨著人工成本越來越高，各個比較依賴人工作業(yè)的行業(yè)都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級。自動化、智能化、高效率已經(jīng)成為趨勢，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)從全人工向半自動半人工升級，并逐步向全自動作業(yè)發(fā)展。目前完整的作業(yè)設(shè)備一般是通過移動平臺搭載作業(yè)模塊的方式［1］。其中核心模塊為全自動移動平臺，移動平臺具有GPS定位、雷達(dá)檢測、自動巡航、避障、路徑規(guī)劃等功能［2］，根據(jù)應(yīng)用場景不同，在平臺上配備相應(yīng)的作業(yè)模塊（如草坪修剪、樹枝修剪、采摘水果等模塊），完成在高爾夫球場、小區(qū)草坪、道路綠化帶、大型果園等場合的自動化作業(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。在移動平臺逐步擴(kuò)大應(yīng)用場景的過程中，也暴露出現(xiàn)有的移動平臺適應(yīng)性不強(qiáng)、故障率高等問題，園林維護(hù)的作業(yè)環(huán)境大部分為開放式，環(huán)境差異性較大，例如在作業(yè)的地面不平、有較大斜度、車體急轉(zhuǎn)彎等工況時，移動平臺容易出現(xiàn)打滑、側(cè)翻、損壞等異常，平臺上搭載的作業(yè)設(shè)備太高時，容易發(fā)生傾倒等問題，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。本文旨在通過對移動平臺的故障的原因進(jìn)行量化分析，從設(shè)計源頭對產(chǎn)品性能進(jìn)行改進(jìn)，有效改善移動平臺在斜坡、急轉(zhuǎn)彎等工況下的適應(yīng)性。

1 移動平臺結(jié)構(gòu)

如圖1所示，移動平臺由車身、擺臂、車輪構(gòu)成。擺臂由兩段等長支架構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，擺臂一端連接車身、另一端連接車輪，結(jié)構(gòu)上保證車輪抬起的整個行程中都與車體保持垂直角度［3］。如此車輪可與地面垂直接觸，保證最大接觸面積和抓地力。每個車輪都安裝有獨立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，除了正常行駛轉(zhuǎn)向，還可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向、平移、定點環(huán)繞等特殊動作。車身中安裝陀螺儀［4］，動態(tài)監(jiān)測車身的加速度、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態(tài)調(diào)整車輪高度。

圖1 移動平臺實物圖和示意圖

2 模型的建立

現(xiàn)有的通用移動平臺對使用環(huán)境的要求很高，這導(dǎo)致產(chǎn)品的使用場合受到制約，并導(dǎo)致產(chǎn)品使用過程中故障率較高。當(dāng)?shù)孛嬗休^大坡度、急轉(zhuǎn)彎時，容易發(fā)生問題。

2.1 斜坡狀態(tài)存在的問題

為了減輕機(jī)器的重量，并盡量保留足夠大的空間，移動平臺主體一般采用薄壁框架結(jié)構(gòu)，薄壁框架結(jié)構(gòu)的特點就是抗彎剛度大，抗扭剛度較小。所以在設(shè)備工作過程中盡量讓外力接近或者通過車身的彎曲中心，以減少框架受到的扭矩［5］。設(shè)備在靜止或勻速運(yùn)動時，主要受到重力和地面對滾輪的作用力。滾輪寬度方向的跨度為W，長度方向的跨度為L，如圖2所示，當(dāng)設(shè)備放置在水平路面時，重力方向剛好通過彎曲中心，保證了車身框架主要受到彎曲作用［6］，因此車體變形較小，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，會發(fā)生不同的情況。

圖2 移動平臺在水平和斜坡上的重心變化

2.1.1 扭轉(zhuǎn)變形

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

＝G·H1·sina，即隨著地面坡度加大，車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，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

重心的偏移同時也使4個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單的線性關(guān)系，即摩擦因數(shù)不是常數(shù)。當(dāng)壓力過大或過小時，都會引起摩擦因數(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個滾輪上，每個滾輪上的壓力：F1＝G／4。

前進(jìn)方向存在坡度時，前排滾輪的受力：

后排滾輪的受力：

寬度方向存在坡度時，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，此時有一側(cè)滾輪的抓地力完全為0，會導(dǎo)致車體翻滾［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)存在的問題

當(dāng)物體轉(zhuǎn)彎時會產(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)動半徑。

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

圖3 移動平臺轉(zhuǎn)彎時的離心力

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，車體會發(fā)生翻滾：

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

3 解決方案

為改善以上幾個問題，提升產(chǎn)品質(zhì)量，在產(chǎn)品設(shè)計上增加了升降自適應(yīng)功能，設(shè)計如圖4所示。產(chǎn)品配有檢測水平角度的陀螺儀，當(dāng)平臺移動到斜坡或者轉(zhuǎn)彎時，控制系統(tǒng)通過調(diào)整4個滾輪上配置的升降組件的長度，根據(jù)設(shè)備使用過程中的需要角度，控制升降組件的長度，進(jìn)而控制車體平臺的整體斜度，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平臺

3.1 斜坡狀態(tài)改進(jìn)

當(dāng)設(shè)備移動到斜坡上時，通過調(diào)節(jié)4 個滾輪上升降組件，通過組件之間的高度差，抵消坡度的影響，使車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車體的彎曲中心，這樣就保證了重力作用對彎曲中心的扭矩為0，同時4個滾輪的壓力理論上完全相等，抓地力均衡，也避免了車體翻滾等問題。

圖5 有無升降組件的移動平臺在斜坡上的狀態(tài)對比

3.2 急轉(zhuǎn)彎狀態(tài)改進(jìn)

當(dāng)車體轉(zhuǎn)彎時，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)、抓地力等問題，可通過升降組件，使車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 通過升降組件調(diào)節(jié)平臺斜度消除離心離的副作用

4 設(shè)計參數(shù)

升降組件的參數(shù)設(shè)計主要包括推力及行程，在4 個滾輪組件的擺臂上配備獨立的升降組件，滾輪擺臂和車體之間通過電控?fù)螚U連接，電控?fù)螚U設(shè)計參數(shù)確定如下。

4.1 電控?fù)螚U推力值確定

按照移動平臺和配備的作業(yè)模塊的總質(zhì)量不超過300 kg的產(chǎn)品技術(shù)要求，滾輪擺臂在升降過程中對電控?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)時電控?fù)螚U受力最大，根據(jù)電控?fù)螚U推力和地面對滾輪壓力相對擺臂旋轉(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。

計算得到F1＞2 259 N，按1.1 的安全系數(shù)，結(jié)合實際使用的電控?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)計要求能適應(yīng)的最大坡度為25°，結(jié)合PROE 設(shè)計三維模型［11］，如圖7所示，對應(yīng)的滾輪升降高度459 mm，對應(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)合市場實際的電控?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)計示意圖

4.3 電控?fù)螚U固定方式確定

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

4.4 電控?fù)螚U伸縮長度控制

產(chǎn)品升降功能是通過升降組件實現(xiàn)，控制系統(tǒng)會根據(jù)車體需要達(dá)到的角度，換算成需要調(diào)整的電控?fù)螚U的長度，來保證車體能達(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伸縮長度和車體角度的關(guān)系可通過圖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為車體傾斜角度；Ly為電控?fù)螚U伸縮長度；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也是時時變化的，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，時時調(diào)整控制參數(shù)，以保證車體迅速調(diào)整到所需要的姿態(tài)［7］。

5 測試與結(jié)果分析

具體測試內(nèi)容及效果如下［12］。

（1）雙邊駝峰測試

車體跨越駝峰時，駝峰對應(yīng)的車輪實時抬起，低谷點實時降下，過程中車體保持水平，4 個車輪的下壓力偏差在20 N以內(nèi)。

（2）35°坡度測試

車身可以正常完成上下坡、駐車、原地旋轉(zhuǎn)等動作，過程中車體保持水平，4個車輪的下壓力偏差在20 N以內(nèi)。

（3）急轉(zhuǎn)彎、加減速測試

加速度計實時檢測到重力加速度指向的偏移，主控程序自動向相反方向傾斜車身抵消重力偏移。4 個車輪的下壓力偏差在20 N以內(nèi)。

（4）室外崎嶇路面測試

關(guān)閉擺臂控制程序，車身行進(jìn)過程中抖動明顯。打開擺臂控制程序后，車身行進(jìn)時保持平穩(wěn)。從測試數(shù)據(jù)看，設(shè)備在指令響應(yīng)的實時性、車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的精度等方面都達(dá)到設(shè)計預(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)備對使用環(huán)境的適應(yīng)性。

6 結(jié)束語

針對現(xiàn)有通用移動平臺使用過程中存在的問題，通過對通用移動平臺的斜坡狀態(tài)以及近轉(zhuǎn)彎兩種狀態(tài)下的受力分析，建立了車體結(jié)構(gòu)、坡度、轉(zhuǎn)彎速度等因素對結(jié)構(gòu)扭矩、抓地力等產(chǎn)品參數(shù)的影響的模型，通過理論計算，得到自動升降組件的相關(guān)參數(shù)，控制系統(tǒng)通過輸入的產(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)，自動控制升降組件的長度以調(diào)節(jié)車體的狀態(tài)，使車體受到的合力通過彎曲中心，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、車體翻滾等問題，提升了移動平臺及所搭載設(shè)備的性能。并通過樣機(jī)得到較好的效果驗證。新型功能的移動平臺提高了產(chǎn)品適應(yīng)不同使用環(huán)境的能力，減少產(chǎn)品故障，為通用移動平臺的推廣打下了良好的基礎(chǔ)。