具有独立升降结构能自动调节姿态的通用移动平台

李 喆，张俊昆，黄天港

（梅里科技（广州）有限公司，广州 510663）

0 引言

随着人工成本越来越高，各个比较依赖人工作业的行业都在进行产业升级。自动化、智能化、高效率已经成为趋势，园林维护等耗费大量劳力的工作逐步由机器取代，工作方式已经从全人工向半自动半人工升级，并逐步向全自动作业发展。目前完整的作业设备一般是通过移动平台搭载作业模块的方式［1］。其中核心模块为全自动移动平台，移动平台具有GPS定位、雷达检测、自动巡航、避障、路径规划等功能［2］，根据应用场景不同，在平台上配备相应的作业模块（如草坪修剪、树枝修剪、采摘水果等模块），完成在高尔夫球场、小区草坪、道路绿化带、大型果园等场合的自动化作业，能极大减少人工的作业强度，提高作业效率，降低作业成本。在移动平台逐步扩大应用场景的过程中，也暴露出现有的移动平台适应性不强、故障率高等问题，园林维护的作业环境大部分为开放式，环境差异性较大，例如在作业的地面不平、有较大斜度、车体急转弯等工况时，移动平台容易出现打滑、侧翻、损坏等异常，平台上搭载的作业设备太高时，容易发生倾倒等问题，高频次的产品故障增加了产品的维护工作量，使设备的作业环境有较大的局限性，影响了产品的大规模推广使用。本文旨在通过对移动平台的故障的原因进行量化分析，从设计源头对产品性能进行改进，有效改善移动平台在斜坡、急转弯等工况下的适应性。

1 移动平台结构

如图1所示，移动平台由车身、摆臂、车轮构成。摆臂由两段等长支架构成平行四边形结构，摆臂一端连接车身、另一端连接车轮，结构上保证车轮抬起的整个行程中都与车体保持垂直角度［3］。如此车轮可与地面垂直接触，保证最大接触面积和抓地力。每个车轮都安装有独立的转向机构，除了正常行驶转向，还可以实现原地转向、平移、定点环绕等特殊动作。车身中安装陀螺仪［4］，动态监测车身的加速度、角加速度、俯仰角度、横滚角度等信息。摆臂中安装电控撑杆，可以按照主控程序控制动态调整车轮高度。

图1 移动平台实物图和示意图

2 模型的建立

现有的通用移动平台对使用环境的要求很高，这导致产品的使用场合受到制约，并导致产品使用过程中故障率较高。当地面有较大坡度、急转弯时，容易发生问题。

2.1 斜坡状态存在的问题

为了减轻机器的重量，并尽量保留足够大的空间，移动平台主体一般采用薄壁框架结构，薄壁框架结构的特点就是抗弯刚度大，抗扭刚度较小。所以在设备工作过程中尽量让外力接近或者通过车身的弯曲中心，以减少框架受到的扭矩［5］。设备在静止或匀速运动时，主要受到重力和地面对滚轮的作用力。滚轮宽度方向的跨度为W，长度方向的跨度为L，如图2所示，当设备放置在水平路面时，重力方向刚好通过弯曲中心，保证了车身框架主要受到弯曲作用［6］，因此车体变形较小，内部结构件受力状态较理想，但地面存在一定坡度时，会发生不同的情况。

图2 移动平台在水平和斜坡上的重心变化

2.1.1 扭转变形

当设备在移动过程中需爬坡或下坡时，由于重力方向始终垂直向下，重力作用线和弯曲中心距离由0 变成L1，根据图2中的几何关系得：L1＝H1·sina，对应的扭矩为：T1＝G1·L1

＝G·H1·sina，即随着地面坡度加大，车体受到的扭矩也相应增加，框架扭转变形变大，内部机械零件受力增加，对机器整体刚度、强度提出更高的要求。这种情况循环发生的话，容易导致连接位置等薄弱区域屈服、失效，紧固件松脱等，引起设备故障。

2.1.2 抓地力不均

重心的偏移同时也使4个滚轮的受力也不均匀，橡胶滚轮和地面的摩擦力和正压力之间不是简单的线性关系，即摩擦因数不是常数。当压力过大或过小时，都会引起摩擦因数的减少，抓地力减少后，更容易发生滚轮打滑、擦损等问题［3］。

滚轮的压力分布：在水平地面状态下，重力均匀分布在4个滚轮上，每个滚轮上的压力：F1＝G／4。

前进方向存在坡度时，前排滚轮的受力：

后排滚轮的受力：

宽度方向存在坡度时，左排滚轮的受力：

右排滚轮的受力：

坡度越大，滚轮之间的压力差别越大，当Fr或Fb降低到0时，此时有一侧滚轮的抓地力完全为0，会导致车体翻滚［7］，机器直接被损坏，甚至砸伤作业人员，即：

2.2 急转弯状态存在的问题

当物体转弯时会产生离心力，离心力大小和物体质量、角速度、转弯半径有关，离心力的计算公式就是向心力的公式：

Fy＝mv2／r（7）

式中：m为质量；v为速度；r为离心运动半径。

如图3所示，离心力的存在也会使设备收到的质量惯性的合力（重力G ＋离心力Fy）偏离车体的弯曲中心［8］，由此产生车体扭转、滚轮侧滑、抓地力下降、甚至翻滚等问题。

图3 移动平台转弯时的离心力

离心力引起的扭矩增加量：

离心力引起左右两侧的滚轮压力分布不均，外侧滚轮和地面的压力增加：

内侧滚轮的地面的压力下降：

当内侧滚轮和地面的压力为0，车体会发生翻滚：

式中：v为速度；r为离心运动半径；g为重力加速度；w为跨度；H为重心高度［9］。

3 解决方案

为改善以上几个问题，提升产品质量，在产品设计上增加了升降自适应功能，设计如图4所示。产品配有检测水平角度的陀螺仪，当平台移动到斜坡或者转弯时，控制系统通过调整4个滚轮上配置的升降组件的长度，根据设备使用过程中的需要角度，控制升降组件的长度，进而控制车体平台的整体斜度，使机器受力达到理想状态。

图4 配备升降组件的移动平台

3.1 斜坡状态改进

当设备移动到斜坡上时，通过调节4 个滚轮上升降组件，通过组件之间的高度差，抵消坡度的影响，使车体上表面保持水平状态，如图5所示，设备的重力合力方向还是维持通过车体的弯曲中心，这样就保证了重力作用对弯曲中心的扭矩为0，同时4个滚轮的压力理论上完全相等，抓地力均衡，也避免了车体翻滚等问题。

图5 有无升降组件的移动平台在斜坡上的状态对比

3.2 急转弯状态改进

当车体转弯时，为改善离心力引起的作用力方向偏离弯曲中心引起的整体扭转、抓地力等问题，可通过升降组件，使车体整体呈一定的斜度，斜度的大小刚好可以抵消离心力的偏离作用，最终使外力合力通过弯曲中心，如图6 所示，以达到设备受力合理、抓地力分布均匀的状态。

图6 通过升降组件调节平台斜度消除离心离的副作用

4 设计参数

升降组件的参数设计主要包括推力及行程，在4 个滚轮组件的摆臂上配备独立的升降组件，滚轮摆臂和车体之间通过电控撑杆连接，电控撑杆设计参数确定如下。

4.1 电控撑杆推力值确定

按照移动平台和配备的作业模块的总质量不超过300 kg的产品技术要求，滚轮摆臂在升降过程中对电控撑杆的作用力是变化的，极限状态即滚轮摆臂在水平状态时电控撑杆受力最大，根据电控撑杆推力和地面对滚轮压力相对摆臂旋转中心的力矩平衡，得到电控撑杆的受力情况［10］：

式中：F1为电控撑杆推力，待确认；L1＝155，为电控撑杆推力到摆臂中心的距离；mmax＝300，为产品技术要求的最大质量；L2＝467，为滚轮受力和摆臂中心的最大距离；n ＝4，为滚轮数量。

计算得到F1＞2 259 N，按1.1 的安全系数，结合实际使用的电控撑杆的规格系列，初步选用2 500 N规格的电控撑杆。

4.2 电控撑杆行程确定

产品设计要求能适应的最大坡度为25°，结合PROE 设计三维模型［11］，如图7所示，对应的滚轮升降高度459 mm，对应的电控撑杆位置所需要的距离为141 mm，考虑零件的加工、装配误差，并结合市场实际的电控撑杆规格，电控撑杆的行程选用150 mm规格。

图7 升降组件结构设计示意图

4.3 电控撑杆固定方式确定

由于在升降过程中，电控撑杆会旋转，所以采用铰接的方式，分别和车体以及车轮摆臂连接，如图7 所示，以保证运动顺畅、机械连接可靠、产品装配简单［6］。

4.4 电控撑杆伸缩长度控制

产品升降功能是通过升降组件实现，控制系统会根据车体需要达到的角度，换算成需要调整的电控撑杆的长度，来保证车体能达到所需的姿态，使设备整体的扭矩、抓地力等参数达到最理想的状态。电控撑杆伸缩长度和车体角度的关系可通过图8中的几何关系得到：

图8 升降组件、摆臂、滚轮跨度几何关系

式中：A为车体倾斜角度；Ly为电控撑杆伸缩长度；a 为电控撑杆力到摆臂中心的距离；b 为电控撑杆力到滚轮中心的距离；W为滚轮跨度的距离。

在升降过程中，随着滚轮摆臂角度的变化，式（11）中的参数a、b、W也是时时变化的，所以控制系统需要根据产品的结构尺寸及状态检测，时时调整控制参数，以保证车体迅速调整到所需要的姿态［7］。

5 测试与结果分析

具体测试内容及效果如下［12］。

（1）双边驼峰测试

车体跨越驼峰时，驼峰对应的车轮实时抬起，低谷点实时降下，过程中车体保持水平，4 个车轮的下压力偏差在20 N以内。

（2）35°坡度测试

车身可以正常完成上下坡、驻车、原地旋转等动作，过程中车体保持水平，4个车轮的下压力偏差在20 N以内。

（3）急转弯、加减速测试

加速度计实时检测到重力加速度指向的偏移，主控程序自动向相反方向倾斜车身抵消重力偏移。4 个车轮的下压力偏差在20 N以内。

（4）室外崎岖路面测试

关闭摆臂控制程序，车身行进过程中抖动明显。打开摆臂控制程序后，车身行进时保持平稳。从测试数据看，设备在指令响应的实时性、车体整体水平或指定角度的控制精度，以及滚轮之间的压力偏差波动的精度等方面都达到设计预期，在斜坡、急转弯、加减速等极端环境下运行稳定，能有效提升设备对使用环境的适应性。

6 结束语

针对现有通用移动平台使用过程中存在的问题，通过对通用移动平台的斜坡状态以及近转弯两种状态下的受力分析，建立了车体结构、坡度、转弯速度等因素对结构扭矩、抓地力等产品参数的影响的模型，通过理论计算，得到自动升降组件的相关参数，控制系统通过输入的产品自身结构参数、环境坡度、转向角度等参数，自动控制升降组件的长度以调节车体的状态，使车体受到的合力通过弯曲中心，滚轮和地面的抓地力保持均匀分布，避免产品使用过程中发生的结构件损坏、抓地力变化引起打滑、滚轮磨损、车体翻滚等问题，提升了移动平台及所搭载设备的性能。并通过样机得到较好的效果验证。新型功能的移动平台提高了产品适应不同使用环境的能力，减少产品故障，为通用移动平台的推广打下了良好的基础。