用于更好的机器人转向的电动执行器

先进物流车辆和移动机器人的转向设计从理解设计要求开始;决定习惯是否重要;为特定的应用选择最佳的解决方案。

Will Hellinger•工程经理|盟军运动

物流车辆包括堆垛机，叉车，侧装载机，推动器和特继轮，甚至移动机器人。这些将物品从点到点，放置和卸下货架，填充托盘，装载和卸载卡车，并辅助人类在其他工作中。但这些车辆仅作为他们的转向组件有效。物流车辆和移动机器人需要快速准确地对特定位置进行排略。越来越多地，该任务由电力转向（EPS）进行。

它曾经是想要加入电动执行器的AGV和机器人OEM必须从头开始构建自己的系统。如今，这些工程师可以选择无数的集成转向器 - 从货架上或定制到手头的应用程序。

电动转向解决方案适用于植物车辆

即使在高负荷工况下，转向系统也必须准确可靠。它们还必须坚固、经济、易于安装、操作和维护。此外，它们必须满足电动转向的特殊要求。

运动路径要求：车辆转向的最简单运动任务是沿着直线驱动车辆。有些安装在轨道上安装车辆，因此不需要转向 - 只需驱动车轮的动力。稍微复杂的是通过固定的牵引轮以不同的速度运行的车辆。这种差速器操作赋予机动性，但这种方法可以耐磨，并且在非常紧的转弯或快速转向操作期间将轮子连接到底盘的接头。

• 必须执行的车辆螃蟹- 垂直于主行驶轴的运动 - 需要至少两个能够180°旋转的主动转向轮。异国风情的轮子如麦蕉或全部轮子支撑这种螃蟹。
• 必须原地旋转(并绕轴旋转)的车辆需要两到四个主动转向的车轮，每个车轮至少有360°的旋转，或者至少有两个车轮在车辆中心线上，以允许同时向同一方向旋转。

转弯半径：车辆所需的转弯半径也影响转向设计。一辆三轮平衡卡车骑在单驾驶方向盘和两个脚轮上的转弯半径相当大。具有四个转向轮（每个能够360°旋转的车辆）具有最小的转向半径以及其他运动的最大灵活性而不需要上面提到的异国轮子。

请注意，转动半径可能限制车辆的最大轮或电机尺寸。小型车辆尤其必须具有足够的间隙以避免在操作期间的底盘干扰。

转向扭矩要求：驱动表面，负载和轮胎材料都影响转向车轮所需的扭矩。车辆速度也会影响这种扭矩值。在一辆停止的完全装载的叉车上枢转轮子，只需一旦卡车移动就需要比枢转旋转更大的扭矩。方向电机和齿轮箱必须尺寸为足以满足前者的扭矩。

转向传感器类型:叉车，AGV和其他移动设备可能在非常紧的季度下运行。控制转向算法或人类操作员必须具有准确的车轮角度知识......所以需要轮子位置感测和反馈。

使用相对车轮位置反馈是经济的，但需要在启动时归位序列来建立已知的转向轮位置。绝对位置感测是一个更好的替代方案，但传统上涉及使用接近传感器或多箱绝对定位传感器 - 以增加设计费用。第三种（和经济的解决方案）是采用牵引执行器，该执行器在齿轮内使用霍尔效应感测，以建立绝对的轮子位置而无需归位惯例。

协作物流空间的安全：特别是在车辆靠近人类的情况下，安全操作至关重要。因此，行业已经发展了一套全面的安全标准。符合这些标准需要冗余系统，专用硬件和软件的组合。在逐线系的情况下，不存在机械转向连杆。系统必须检测到任何问题，快速将车辆带到完整的停止，然后施加制动器。

车辆可靠性:在自动化系统周围设计的操作在车辆停机期间研磨到停止 - 即使生产设备运行正常。系统必须执行，同时留下足够的经济性以成为可行的解决方案。可靠性在最近的行业转变为面向服务的模型的背景下尤为重要。OEMs越来越多地销售移动商品的服务，从而延续正常运行时间，而不是车辆本身。在这种情况下，可靠性不仅仅是卖点，而是业务的重要方面。

集成电动助力转向(EPS)组件

一个EPS组件包括一个电机机械耦合到一个旋转安装的车轮。EPS单元包含一个小齿轮，可以转动固定在车轮总成上的舵机。然后，EPS可以根据控制(或操作员的手动控制)的指令旋转方向盘。汽车制造商越来越喜欢完整的转向装置，特别是那些可定制的特定车辆。在一个设计中，无刷电机，齿轮传动，伺服驱动和反馈都集成到一个单一的转向驱动单元。

简而言之，车辆主控制器收集EPS执行器集成传感器的输入，并计算路径命令。它通过现场总线或无线网络(目前最常见的CANopen)发送到EPS驱动电子设备。这种操作被称为线控转向，因为在操作人员的方向盘(或自动驾驶车辆的车辆控制器)和方向盘之间不存在机械连接。

电动转向溶液通常包括集成或螺栓上的齿轮箱，用于机械优势。生产比率使转向器组件能够使用更小，更便宜的电动机产生足够的扭矩。

当然，转向执行机构的位置应尽可能靠近车轮(最好与车轮总成集成)，以消除转向装置和车轮之间的额外机械联轴器的需要。还请注意，一些车辆设计可能受益于牵引或转向电机的垂直方向。尤其是在设计有额外的垂直空间或水平空间非常昂贵的地方。在某些情况下，这种垂直配置还可以让工程师获得更小的车辆转弯半径。

牵引-驱动转向的设计方法

与牵引解决方案一样，转向解决方案包括离散和集成架构。最佳选择取决于应用程序。

离散的牵引驱动转向构造是单独选择的运动组件的组件。这种设计更可定制。但是，他们强迫OEM在系统集成上花费更多时间 - 这转化为更高的整体成本。融合转向系统的更多时间也意味着OEM设计团队花在车辆本身的设计上的时间较少。

当车轮必须提供动力和转向功能时，离散转向构建更难以构建。整个车轮组件（可包括两个不同的电动机）还必须在匝期期间描述最小可能的圆形包络。

在这里，完全集成的EPS单元通常提供比OEM-Build Designs更紧凑和灵活性。可用于购买的集成电动转向系统作为完整的组件大大简化了设计和安装。所有组件都被设计用于最佳操作。例如，预先识别齿轮箱以满足设计扭矩和功率 - 即使在最小化间隙和磨损时也是如此。由于组件供应商按OEM按较低量购买的最终组装，因此最终组装较低。

集成转向构建还将布线最小化，以削减外部布线和互连的成本和复杂性。这在一定程度上是因为集成设计将电子元件集成到驱动器中。

实际上，集成的EPS指导构建还包括可以定制应用要求的嵌入式软件。这节省了用于开发代码和软件验证的工程工作时间 - 特别是安全的昂贵且耗时的方面。单位集成设计也可以通过以单位获得认证，以节省OEM仍然更多的时间和资源。

但是集成系统不是通用的解决方案，甚至可能危及需要完全定制的应用程序。维护完整执行器的备件也可能比库存的离散执行器组件更昂贵。另一方面，对于终端用户来说，停机时间通常是非常昂贵的，因此总执行器切换(以快速恢复全面运行)可能比离散转向构建的总拥有成本(TCO)更低。

最后一点——关于驾驶的感觉

在传统的转向系统中，驱动器通过与车轮的机械连接来获得触觉车辆反馈。但是，逐线系统没有这种连接，因此电动转向绕线动力转向系统必须通过对操作员方向盘的耐受性的略微变化来模拟操作者的这种触觉路径响应。

在逐线系统中诱导摩擦的共同技术包括机械制动器，电磁制动器和磁性系统。机械和电磁制动器应用摩擦，以便为驾驶员提供更现实的车辆如何在驱动表面上移动的意义。但是基于摩擦的设计可能是有问题的，在那里它们在启动时向操作员传送误导性滑倒感觉。

机械制动器也起作用，但它们的摩擦接触意味着它们随着时间的推移而磨损 - 需要连续监测和定期维护。性能取决于温度，这是物质处理车辆的问题，这些车辆可以在每天多次到外面的冷藏室之间来回。为了安全有效，模拟电阻需要一致。

电磁制动器是有效的，但昂贵和笨重 - 并不总是有足够的响应时间来满足安全标准。

相比之下，基于磁技术的系统可以提供非常现实的方向盘感觉(阻力)，但经济。磁性系统不使用摩擦，所以不会出现粘滑现象。驾驶员通过机械连接获得了模拟驾驶感觉的平稳运动。当与磁位置传感配对时，磁阻技术为线控转向设计带来了现实的性能。转向的感觉是可调的，甚至在某些情况下可编程，非接触式操作消除磨损和维护要求。