具有獨立升降結構能自動調節姿態的通用移動平臺

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的行業都在進行產業升級。自動化、智能化、高效率已經成為趨勢，園林維護等耗費大量勞力的工作逐步由機器取代，工作方式已經從全人工向半自動半人工升級，并逐步向全自動作業發展。目前完整的作業設備一般是通過移動平臺搭載作業模塊的方式［1］。其中核心模塊為全自動移動平臺，移動平臺具有GPS定位、雷達檢測、自動巡航、避障、路徑規劃等功能［2］，根據應用場景不同，在平臺上配備相應的作業模塊（如草坪修剪、樹枝修剪、采摘水果等模塊），完成在高爾夫球場、小區草坪、道路綠化帶、大型果園等場合的自動化作業，能極大減少人工的作業強度，提高作業效率，降低作業成本。在移動平臺逐步擴大應用場景的過程中，也暴露出現有的移動平臺適應性不強、故障率高等問題，園林維護的作業環境大部分為開放式，環境差異性較大，例如在作業的地面不平、有較大斜度、車體急轉彎等工況時，移動平臺容易出現打滑、側翻、損壞等異常，平臺上搭載的作業設備太高時，容易發生傾倒等問題，高頻次的產品故障增加了產品的維護工作量，使設備的作業環境有較大的局限性，影響了產品的大規模推廣使用。本文旨在通過對移動平臺的故障的原因進行量化分析，從設計源頭對產品性能進行改進，有效改善移動平臺在斜坡、急轉彎等工況下的適應性。

1 移動平臺結構

如圖1所示，移動平臺由車身、擺臂、車輪構成。擺臂由兩段等長支架構成平行四邊形結構，擺臂一端連接車身、另一端連接車輪，結構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向機構，除了正常行駛轉向，還可以實現原地轉向、平移、定點環繞等特殊動作。車身中安裝陀螺儀［4］，動態監測車身的加速度、角加速度、俯仰角度、橫滾角度等信息。擺臂中安裝電控撐桿，可以按照主控程序控制動態調整車輪高度。

圖1 移動平臺實物圖和示意圖

2 模型的建立

現有的通用移動平臺對使用環境的要求很高，這導致產品的使用場合受到制約，并導致產品使用過程中故障率較高。當地面有較大坡度、急轉彎時，容易發生問題。

2.1 斜坡狀態存在的問題

為了減輕機器的重量，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構，薄壁框架結構的特點就是抗彎剛度大，抗扭剛度較小。所以在設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］。設備在靜止或勻速運動時，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，當設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，內部結構件受力狀態較理想，但地面存在一定坡度時，會發生不同的情況。

圖2 移動平臺在水平和斜坡上的重心變化

2.1.1 扭轉變形

當設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，根據圖2中的幾何關系得：L1＝H1·sina，對應的扭矩為：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增加，框架扭轉變形變大，內部機械零件受力增加，對機器整體剛度、強度提出更高的要求。這種情況循環發生的話，容易導致連接位置等薄弱區域屈服、失效，緊固件松脫等，引起設備故障。

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系，即摩擦因數不是常數。當壓力過大或過小時，都會引起摩擦因數的減少，抓地力減少后，更容易發生滾輪打滑、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Fr或Fb降低到0時，此時有一側滾輪的抓地力完全為0，會導致車體翻滾［7］，機器直接被損壞，甚至砸傷作業人員，即：

2.2 急轉彎狀態存在的問題

當物體轉彎時會產生離心力，離心力大小和物體質量、角速度、轉彎半徑有關，離心力的計算公式就是向心力的公式：

Fy＝mv2／r（7）

式中：m為質量；v為速度；r為離心運動半徑。

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

圖3 移動平臺轉彎時的離心力

離心力引起的扭矩增加量：

離心力引起左右兩側的滾輪壓力分布不均，外側滾輪和地面的壓力增加：

內側滾輪的地面的壓力下降：

當內側滾輪和地面的壓力為0，車體會發生翻滾：

式中：v為速度；r為離心運動半徑；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，提升產品質量，在產品設計上增加了升降自適應功能，設計如圖4所示。產品配有檢測水平角度的陀螺儀，當平臺移動到斜坡或者轉彎時，控制系統通過調整4個滾輪上配置的升降組件的長度，根據設備使用過程中的需要角度，控制升降組件的長度，進而控制車體平臺的整體斜度，使機器受力達到理想狀態。

圖4 配備升降組件的移動平臺

3.1 斜坡狀態改進

當設備移動到斜坡上時，通過調節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，如圖5所示，設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對比

3.2 急轉彎狀態改進

當車體轉彎時，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、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，以達到設備受力合理、抓地力分布均勻的狀態。

圖6 通過升降組件調節平臺斜度消除離心離的副作用

4 設計參數

升降組件的參數設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撐桿連接，電控撐桿設計參數確定如下。

4.1 電控撐桿推力值確定

按照移動平臺和配備的作業模塊的總質量不超過300 kg的產品技術要求，滾輪擺臂在升降過程中對電控撐桿的作用力是變化的，極限狀態即滾輪擺臂在水平狀態時電控撐桿受力最大，根據電控撐桿推力和地面對滾輪壓力相對擺臂旋轉中心的力矩平衡，得到電控撐桿的受力情況［10］：

式中：F1為電控撐桿推力，待確認；L1＝155，為電控撐桿推力到擺臂中心的距離；mmax＝300，為產品技術要求的最大質量；L2＝467，為滾輪受力和擺臂中心的最大距離；n ＝4，為滾輪數量。

計算得到F1＞2 259 N，按1.1 的安全系數，結合實際使用的電控撐桿的規格系列，初步選用2 500 N規格的電控撐桿。

4.2 電控撐桿行程確定

產品設計要求能適應的最大坡度為25°，結合PROE 設計三維模型［11］，如圖7所示，對應的滾輪升降高度459 mm，對應的電控撐桿位置所需要的距離為141 mm，考慮零件的加工、裝配誤差，并結合市場實際的電控撐桿規格，電控撐桿的行程選用150 mm規格。

圖7 升降組件結構設計示意圖

4.3 電控撐桿固定方式確定

由于在升降過程中，電控撐桿會旋轉，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，以保證運動順暢、機械連接可靠、產品裝配簡單［6］。

4.4 電控撐桿伸縮長度控制

產品升降功能是通過升降組件實現，控制系統會根據車體需要達到的角度，換算成需要調整的電控撐桿的長度，來保證車體能達到所需的姿態，使設備整體的扭矩、抓地力等參數達到最理想的狀態。電控撐桿伸縮長度和車體角度的關系可通過圖8中的幾何關系得到：

圖8 升降組件、擺臂、滾輪跨度幾何關系

式中：A為車體傾斜角度；Ly為電控撐桿伸縮長度；a 為電控撐桿力到擺臂中心的距離；b 為電控撐桿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a、b、W也是時時變化的，所以控制系統需要根據產品的結構尺寸及狀態檢測，時時調整控制參數，以保證車體迅速調整到所需要的姿態［7］。

5 測試與結果分析

具體測試內容及效果如下［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。

（2）35°坡度測試

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

（3）急轉彎、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。

（4）室外崎嶇路面測試

關閉擺臂控制程序，車身行進過程中抖動明顯。打開擺臂控制程序后，車身行進時保持平穩。從測試數據看，設備在指令響應的實時性、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到設計預期，在斜坡、急轉彎、加減速等極端環境下運行穩定，能有效提升設備對使用環境的適應性。

6 結束語

針對現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以及近轉彎兩種狀態下的受力分析，建立了車體結構、坡度、轉彎速度等因素對結構扭矩、抓地力等產品參數的影響的模型，通過理論計算，得到自動升降組件的相關參數，控制系統通過輸入的產品自身結構參數、環境坡度、轉向角度等參數，自動控制升降組件的長度以調節車體的狀態，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，避免產品使用過程中發生的結構件損壞、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備的性能。并通過樣機得到較好的效果驗證。新型功能的移動平臺提高了產品適應不同使用環境的能力，減少產品故障，為通用移動平臺的推廣打下了良好的基礎。