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(shè)備，正在逐漸向智能化升級(jí)，遙控器發(fā)指令，機(jī)械手相呼應(yīng)。指尖上的專用車輛及設(shè)備，恰似一處好風(fēng)景，演繹著按鈕之牛，點(diǎn)贊著人工智能。

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(kāi)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，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(guò)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。所以，機(jī)器之奇，不足為奇。

圖1　美國(guó)警方使用的機(jī)器人（資料圖片）

人工操縱的普通專用車輛及設(shè)備，升級(jí)為智能化產(chǎn)品的前提條件是：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)化是車輛及設(shè)備智能化作業(yè)的工藝基礎(chǔ)。因?yàn)榈妆P不僅是車輛實(shí)現(xiàn)行走功能的載體，同時(shí)也是整個(gè)設(shè)備發(fā)揮作業(yè)功能的平臺(tái)，所以，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)等多種功能。底盤平臺(tái)化有3條技術(shù)途徑。

首先是履帶式車橋平臺(tái)（見(jiàn)圖2）。履帶式車橋平臺(tái)由“4輪1帶”組成——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沿履帶軌道披荊斬棘。

圖2　履帶式車橋平臺(tái)

履帶式車橋平臺(tái)動(dòng)力傳遞可靠，與地面的接觸面積大，是承載能力最強(qiáng)的底盤平臺(tái)， 所以，越來(lái)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(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(qiáng)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(guò)安裝支架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，支腿座向上收起收藏，保持足夠的離地高度，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。壓力級(jí)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(fù)運(yùn)動(dòng)）1.331.462

圖3　液壓支腿系統(tǒng)

表1 液壓系統(tǒng)壓力等級(jí)表

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)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(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(guò)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(kāi)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)。

圖4　折臂式隨車起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)

表1　液壓系統(tǒng)壓力等級(jí)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(guān)系到車用停放和行駛期間的安全可靠性性。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(kāi)，油缸油路按設(shè)計(jì)的程序進(jìn)油出油；

（2）無(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(gòu)造，液壓系統(tǒng)的壓力來(lái)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：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“液”往無(wú)前的動(dòng)力基礎(chǔ)。

圖5　隨車起重運(yùn)輸車

圖6　舉高噴射消防車

對(duì)于雙作用式支腿缸來(lái)說(shuō)，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(jiàn)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。以柔克剛、理直氣壯的支腿油缸，實(shí)現(xiàn)了駕乘人員對(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。

圖7　混凝土泵車臂架折疊形式

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)2種走行裝置的復(fù)合體；圖8所示的快速裝卸機(jī)器人的底盤則是建立在1個(gè)平板之上的2個(gè)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)智能控制的技術(shù)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)器人等智能專用作業(yè)裝置，為在“遠(yuǎn)近高低各不同”的空間實(shí)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(jié)構(gòu)，依靠相互串聯(lián)起來(lái)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(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。

圖8　快速裝卸機(jī)器人

隨車起重機(jī)，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(yùn)輸車，在一定范圍內(nèi)通過(guò)液壓舉升及伸縮系統(tǒng)來(lái)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2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)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(guò)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)。

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(kāi)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??；Z形收放迅速動(dòng)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(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?！度毡窘?jīng)濟(jì)新聞》2015年8月26日?qǐng)?bào)道，2015年8月25日，日本日立制作所宣布開(kāi)發(fā)出一種可在物流倉(cāng)庫(kù)內(nèi)移動(dòng)并自動(dòng)裝卸和搬運(yùn)貨物的新型機(jī)器人。

日立開(kāi)發(fā)的這種新型機(jī)器人的構(gòu)造，是在移動(dòng)平板車上并行安裝2個(gè)升降臺(tái)，然后分別裝上操作臂型的機(jī)械手。一條機(jī)械臂的頂端裝有吸附裝置，另一條機(jī)械臂的頂端裝有2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2個(gè)升降臺(tái)的高度，并利用機(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)。

指令智能化

對(duì)于爆炸機(jī)器人來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)。電子開(kāi)關(guān)通過(guò)智能控制系統(tǒng)（圖9）傳遞指令，驅(qū)動(dòng)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(wú)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(cè)試平臺(tái)工控機(jī)系統(tǒng)。作業(yè)控制器按端口設(shè)置要求采集、接收信息，并通過(guò)嵌入內(nèi)置程序分析、處理信號(hào)和數(shù)據(jù)，向臂架及工控機(jī)系統(tǒng)傳遞指令。智能臂架系統(tǒng)通常接入底盤平臺(tái)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(guò)整車CAN總線技術(shù)系統(tǒng)發(fā)揮作用。

圖10　隨車起重機(jī)遙控器

遙控器（見(jiàn)圖10）主要由單片機(jī)、控制鍵盤以及標(biāo)準(zhǔn)的串行無(wú)線通信發(fā)射器組成?？刂奇I盤通過(guò)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)形成臂架啟動(dòng)/停止、快速/慢速、鎖定/解鎖、展臂/收臂等操作指令，并通過(guò)無(wú)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(wú)線接收裝置將獲得的遠(yuǎn)程指令轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線系統(tǒng)，PLC作業(yè)控制器通過(guò)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。

作業(yè)控制器（PLC）的軟件編程設(shè)計(jì)除了遙控指令和臂架數(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)，一般還設(shè)置有數(shù)據(jù)記錄儀等實(shí)用功能。作業(yè)控制器對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行運(yùn)算分析后，只有在確保系統(tǒng)安全和操作無(wú)誤后，才向臂架電機(jī)發(fā)出正式指令；而在超載等危險(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控制器內(nèi)置軟件的流程圖。

當(dāng)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(shè)備的支持下，通過(guò)遠(yuǎn)程通信終端設(shè)備監(jiān)控作業(yè)類專用汽車的作業(yè)全過(guò)程——那些以分期付款方式購(gòu)車的車主，在違約期間遭遇“死機(jī)”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(lái)，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？

圖11　PLC軟件流程圖

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(lái)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，指尖上的專用車輛或設(shè)備，無(wú)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(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、裝配、控制、維修等環(huán)節(jié)也都蘊(yùn)藏著無(wú)限商機(jī)與魅力。