自跟隨清吸機器人的開發設計

謝平春， 周誠遠， 景 斌， 李 亮

（長沙中聯重科環境產業有限公司， 湖南 長沙 410006）

引言

隨著經濟的高速發展，我國環衛工作質量獲得了巨大的提升，掃路車、洗掃車、抑塵車等大型環衛設備已被廣泛應用于城市的主次干道，這有效降低了環衛作業的勞動強度，提高了清潔作業效率和機械化作業水平。但在城市人行道、背街小巷、公園景區、商業區、生活社區等“城市毛細血管”的清掃保潔工作卻仍然未得到有效改善[1]，上述區域因大型環衛設備無法進入，機械化作業水平極低，如保潔、清掃作業仍以人工為主，主要表現為環衛工人利用掃把簸箕或拖拉垃圾箱進行清掃撿拾作業，勞動強度大，效率低。

為提升城市精細化管理，已有深圳、上海等城市要求人行道、非機動車道等區域實行機械化作業。同時，伴隨人工智能、視覺識別、激光雷達等信息技術的高速發展，小型、智能、少人或無人的智能環衛產品應運而生，其以機動靈活、操作便捷、智能高效等特點受到了市場關注和認可。

小型智能環衛產品在進行開發時，既應充分考慮整體結構尺寸，在有限空間內合理布置各種零部件以實現整機作業功能，也應考慮智能創新設計需求。本文以市場上一款基于激光雷達進行目標識別并可自動跟隨作業者行進，通過作業者操作手持吸管進行垃圾吸拾作業的自跟隨清吸機器人為例（如圖1 所示），就智能環衛產品的開發設計進行分析和探討。

圖1 自跟隨清吸機器人

1 整機結構設計

1.1 開發設計原則

本產品用于城市背街小巷、人行道、生活社區等場景的環衛保潔，有兩個關鍵特征，分別為駕駛轉場和自動自跟隨吸拾作業。產品設計以提高勞動作業效率、降低環衛工人勞動強度為導向，充分考慮作業場景等因素，基本原則如下：性能、質量、尺寸充分考慮作業要求；線控底盤滿足智能自跟隨控制要求；采用磷酸鐵鋰電池驅動，安全綠色環保；智控系統穩定安全可靠；整機操控簡單便捷；產品成本可控，性價比高。

1.2 整機結構組成

整機由線控底盤、智控系統、氣力系統、除塵系統、覆蓋件等組成。整機造型小巧美觀，操作簡單、便捷，智能化程度高，通過性好，性能穩定可靠。

1.3 底盤設計

線控底盤作為整機核心部件，其性能直接決定產品的穩定和品質。在進行底盤設計時，結合產品的設計目標和應用場景，重點考慮其通過性、制動和轉向動態響應等性能。

1.3.1 通過性

應用于城市背街小巷、生活社區的環衛產品，其通過性直接影響到產品的使用范圍。通過性主要考察外形尺寸的設計，需重點關注設備使用城市人行道止車石、限行墩等的通行寬度。驅動和轉向的布置也非常關鍵，為減小轉彎半徑，前后橋可布置為類三輪結構，即前雙輪共軸轉向，后橋驅動。本產品寬980 mm，轉彎半徑1.25 m，通過性良好，機動性強。底盤布置結構見下頁圖2。

圖2 自跟隨清吸機器人底盤布置圖

1.3.2 制動性能

自跟隨清吸機器人自跟隨作業時需做到“人行機走、人停機停”，機器人應始終在作業人員后方保持安全的人機距離，要求瞬態、高效的制動響應。電磁制動器結構緊湊、響應靈敏，將其作為中央制動器安裝于后驅動橋電機尾部提供整機制動力。為保證機器人具有良好的制動效能，要求合理地確定前、后輪制動器的制動力矩。本機制動力全部由后橋電磁制動器提供。電磁制動器在選用時考慮以下兩種制動狀態：

1）應急制動：應急制動時，后輪將抱死滑移，所需的制動力矩Ts：

式中：M 為機器人總質量，取720 kg；g 為重力加速度，取9.8 N/kg；X 為質心與前輪軸中心線橫向距離，取0.55 m；L 為車輛軸距，取0.94 m；φ 為車輪附著系數，取0.7；r 為車輪靜力半徑，取0.203 m；Z 為質心與前輪軸中心線縱向距離，取0.7 m。

2）駐車制動：車輛上坡、下坡時在坡道上能夠停駐的條件是，車輛的駐車制動力矩大于或者等于車輛自身重力在下坡方向的分力矩[2]，因此機器人的駐坡條件為：

式中：TZ為駐車制動力矩，N·m；α 為坡道角度，要求≥15%坡度。

后橋需要提供的最大制動力矩：

電磁制動器制動力矩：

式中：i 為后橋減速機減速比，取31.64；μ 為總傳動效率，取0.85。

本產品選用的電磁制動器制動力矩為15 N·m，由式（1）—式（4）計算需要的制動器制動力矩T=14.34N·m＜15 N·m，滿足使用要求。

1.3.3 轉向性能

線控轉向由路感反饋總成、轉向執行總成、控制器及傳感器組成。而路感反饋總成主要包括轉向盤、路感電機、減速器和扭矩轉角傳感器，功能是驅動路感電機實現控制器給出的反饋力矩指令，對駕駛員施加合適的路感[3]。本產品運行速度較低（0～5 km/h），運行平穩，在轉向盤軸安裝了旋轉型雙向阻尼器為駕駛者提供轉向駕駛路感。

轉向時，轉向盤的轉向信號通過角度傳感器收集至控制器，再控制轉向電機驅動轉向輪轉動。進行轉向電機選型時，先計算前輪轉動的阻力矩TR[4]：

式中：f 為輪胎和路面的滑動摩擦因數，取0.7；G1為轉向軸負荷，取2 940 N；P 為輪胎氣壓，取0.193 MPa。

本產品轉向電機外接一套減速比為4 的齒輪組以驅動轉向輪。轉向電機至轉向輪的驅動扭矩為：

式中：tmax為電機峰值扭矩，取1.28 N·m；i1為齒輪組減速比，取4；i2為電機減速箱減速比，取51；η1為電機減速機傳動效率，取0.7；η2為一級齒輪組傳動效率，取0.95。

將相關數據代入式（6）得：Tmax=174.18 N·m。

從式（5）、式（6）知TR＜Tmax，電機選用符合要求。在正常運行時，輪胎滾動與地面產生的滾動摩擦阻力矩遠小于滑動摩擦阻力矩。在進行電氣系統設計時，還可將轉向和行走驅動單向聯動，當行走電機驅動后再啟動轉向電機，以減少轉向的能量消耗。

1.4 智控系統

本產品分手動駕駛和自動跟隨兩種作業模式，手動駕駛模式下，作業者操作方向盤和油門踏板控制機器人行駛；自跟隨模式則通過基于激光和超聲波雷達進行目標和障礙物識別，再由控制器控制線控底盤跟進作業者行進實現自跟隨，采用的控制流程見圖3。

圖3 智控系統控制框圖

1.5 氣力系統

氣力系統一般由風機、輸送管、吸盤或吸管、240 L垃圾桶等部分組成，屬吸送式、稀相氣力輸送。設計氣力系統氣流速度應大于垃圾懸浮流動速度，對于粒度均勻的松散物料，一般取懸浮速度的1.5～2.5 倍作為合理的氣流輸送速度。對于粉狀物料和纖維狀物料，由于其在輸送過程中容易殘留附著在管壁，一般取懸浮速度的數十倍作為氣流輸送速度[5]，確定管道流速后，可依次確定氣力系統風量、風阻及風機相關參數。

1.6 除塵系統

除塵系統用于垃圾吸拾作業的氣流過濾，將垃圾阻隔至垃圾桶內，現常用噴霧或濾筒/布過濾除塵，選用濾筒/布過濾的除塵系統除了考慮系統的清潔維護，還需考慮過濾材質的防油、防水性能。

1.7 覆蓋件

隨著小型環衛設備深入居民生活區，乖巧明亮的造型已成為一道靚麗的風景線。采用滾塑或吸塑工藝可制作造型較為復雜的覆蓋件以提高產品美觀度，但在提升產品造型設計時，也需考慮產品的維護便利性，確保產品既美觀又維修方便。

2 產品的實際應用效果分析

圖4 是自跟隨清吸機器人駕駛轉場和自跟隨清吸作業圖。轉場時，操作方向盤和油門踏板即可駕駛清吸機行駛。自跟隨作業時，機器人準確識別作業人員并自適應跟隨行進，始終保持適當的人機安全距離，作業人員可輕巧操作吸管吸拾路面垃圾。相比傳統的作業模式，產品顯著提高了效率，降低了勞動強度。

圖4 自跟隨清吸機器人駕駛轉場和自跟隨作業

3 結語

本文以市場上某款小型自跟隨清吸機器人為例，分析探討了整機及關鍵零部件選型設計要求。對于小型智能環衛產品而言，需重點關注產品的整機結構尺寸、底盤行駛性能和智控系統穩定性。本款產品開發以客戶需求和國家環衛政策為指導，產品性能優良，質量可靠，已在深圳、上海、北京等多地批量交付使用，助力提升我國環衛精細化管理和環衛作業機械化水平。