电动执行器可改善机器人车辆的转向

先进的物流车辆和移动机器人的转向设计始于了解设计要求。决定风俗是否至关重要；并为特定应用选择最佳解决方案。

作者：Will Hellinger•工程经理| 联合运动

物流车辆包括堆高车，叉车，侧面装载机，推杆和牵引车，甚至是移动机器人。这些工具可将物品逐点移动，放置和移出货架，装满托盘，装卸卡车，并协助人员进行其他工作。但是，此类车辆仅与其转向总成一样有效。物流车辆和移动机器人需要快速，准确地转向特定位置。越来越多的任务是通过电动助力转向（EPS）执行的。

曾经是AGV和想要合并电动执行器的机器人OEM不得不从头开始构建自己的系统。如今，这些工程师可以从无数种集成的转向系统中进行选择-现成的或针对手头应用定制的。

电动转向解决方案 用于工厂车辆

转向系统即使在高占空比下也必须准确可靠。它们还必须坚固，经济且易于安装，操作和维护。另外，它们必须满足电动转向的特殊要求。

运动路径要求： 车辆转向最简单的运动任务是沿直线行驶。一些装置将车辆安装在轨道上，因此不需要转向-只需来自驱动轮的动力即可。通过固定牵引轮以不同速度行驶的车辆稍微复杂一些。这种差速操作赋予了机动性，但是这种方法可能会使轮胎磨损，并在非常紧的转弯或快速转向操作中使车轮附着于底盘的接头受力。

• 必须执行的车辆 捉蟹 —垂直于主行驶轴线的运动—需要至少两个主动转向的车轮，能够旋转180°。诸如Mecanum或Omni轮子之类的奇特轮子支持这种抓取动作。
• 必须在原地旋转（并绕轴旋转）的车辆需要2到4个主动转向的车轮……每个车轮至少旋转360°–或在车辆中心线上至少有2个车轮以允许在同一方向上同时旋转。

转弯半径： 车辆所需的转弯半径也会影响转向设计。骑在单驱动方向盘和两个脚轮上的三轮平衡重卡车具有相当大的转弯半径。具有四个转向轮（每个均可以360°旋转）的车辆具有最小的转弯半径，并且在进行其他运动时具有最大的灵活性，而无需使用上述惯用轮。

请注意，转弯半径可能会限制车辆的最大车轮或电机尺寸。小型车辆尤其必须留有足够的间隙，以避免在操作过程中轮毂干扰。

转向扭矩要求： 行驶表面，负载和轮胎材料都会影响转向车轮所需的扭矩。车速也会影响该扭矩值。满载叉车停止后，转动轮子比转动卡车后转动轮子需要更多的扭矩。转向马达和变速箱的尺寸必须能够提供足以满足前者要求的扭矩。

转向传感器类型： 叉车，AGV和其他移动设备可能会在非常狭窄的区域内运行。控制转向算法或操作员必须对车轮角度有准确的了解……因此车轮位置检测和反馈是必要的。

使用相对的车轮位置反馈是经济的，但是在启动时需要进行归位序列以建立已知的转向车轮位置。绝对位置传感是更好的选择，但传统上涉及使用接近传感器或多圈绝对位置传感器，但要增加设计费用。第三种（经济的解决方案）是采用牵引传动装置，该传动装置在齿轮传动装置中使用霍尔效应感应来建立绝对的车轮位置，而无需执行归位例程。

协作物流空间的安全性： 特别是在车辆靠近人的情况下，安全操作至关重要。因此，行业已发展出一套全面的安全标准。满足这些标准需要冗余系统，专用硬件和软件的组合。对于线控转向系统，不存在机械转向联动装置。该系统必须检测到任何问题，迅速使车辆完全停止，然后刹车。

车辆可靠性： 即使生产设备运行良好，围绕自动化系统设计的运营也会在车辆停机期间停止运行。系统在保持足够经济的同时成为可行的解决方案，这一点至关重要。在最近行业转向面向服务的模型的背景下，可靠性尤其重要。 OEM越来越多地出售移动货物的服务，从而出售正常运行时间，而不是车辆本身。在这种情况下，可靠性不仅是卖点，而且是业务的重要方面。

集成式电动助力转向（EPS）组件

一个EPS组件包括机械地联接到旋转安装轮的电动机。 EPS单元包含一个小齿轮，该小齿轮可使固定在车轮总成上的转向齿轮转动。然后，EPS可以按照控件（或用于手动控制的操作员）的命令旋转转向轮。车辆制造商越来越喜欢完整的转向驱动器结构，尤其是那些可针对特定车辆定制的结构。在一种设计中，无刷电机，齿轮，伺服驱动器和反馈都集成在单个转向驱动单元中。

简而言之，主车辆控制器从EPS执行器中的集成传感器收集输入，并计算路径命令。它通过现场总线或无线网络（目前使用CANopen最常见）发送给EPS驱动电子设备的设备。这种操作称为“线控转向”，因为在操作员的方向盘（如果是自动驾驶汽车，则为车辆控制器）和方向盘之间不存在机械联动装置。

电动转向解决方案通常包括集成的或螺栓固定的变速箱，以提高机械性能。生产率可以使转向总成使用更小，更便宜的电动机产生足够的扭矩。

当然，转向致动器应尽可能靠近车轮（最好与车轮总成集成）放置，以消除转向装置和车轮之间额外的机械联接。还应注意，某些车辆设计可能会受益于牵引或转向电机的垂直方向。当设计具有额外的垂直空间或水平空间非常宝贵时，尤其如此。在某些情况下，这种垂直配置还可以使工程师获得较小的车辆转弯半径。

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的体系结构。最佳选择取决于应用程序。

离散牵引驱动转向系统是单独选择的运动组件的组件。这样的设计更可定制。但是，它们迫使OEM在系统集成上花费更多的时间-这意味着更高的总体成本。花费更多的时间集成转向系统也意味着更少的OEM设计团队花费在车辆本身设计上的时间。

当车轮必须同时提供动力和转向功能时，离散转向系统的构建就更加困难。整个车轮组件（可能包括两个不同的电机）在转弯时还必须描述尽可能小的圆形包络线。

在这里，与OEM制造的设计相比，完全集成的EPS单元通常具有更高的紧凑性和灵活性。可以购买完整组件的集成式电动转向系统，大大简化了设计和安装。所有组件均经过精心设计，以实现最佳的互操作性。例如，变速箱经过了预先设计，可以满足设计扭矩和功率要求，甚至可以最大限度地减少齿隙和磨损。因为组件供应商批量购买了这些子组件，所以当OEM采购的数量较少时，最终组装的价格会更低。

集成的转向系统还可以最大程度地减少布线，从而降低了外部布线和互连的成本和复杂性。这部分是因为集成设计将其电子设备集成到了执行器中。

实际上，集成式EPS指导构建还包括可以根据应用程序要求进行定制的嵌入式软件。这节省了开发代码和软件验证的工程时间，尤其是安全方面昂贵且费时的方面。单单元集成设计也可以通过认证，从而为OEM节省更多的时间和资源。

但是集成系统不是通用解决方案，甚至可能危及需要完全定制的应用程序。维护完整的致动器的备件也可能比拥有离散的致动器组件的库存贵。另一方面，停机对于最终用户而言通常是非常昂贵的，因此总执行器更换（以快速恢复到完全运行状态）可能会比分立式转向系统降低总拥有成本（TCO）。

最后一点-关于驾驶员的转向感觉

在传统的转向系统中，驾驶员通过与车轮的机械连接获得触觉上的车辆反馈。但是线控转向系统没有这种连接，因此线控转向电动助力转向系统必须通过略微改变驾驶员方向盘的阻力来为驾驶员模拟这种触觉道路响应。

在线控转向系统中引起摩擦的常见技术包括机械制动器，电磁制动器和磁性系统。机械和电磁制动器会产生摩擦，从而使驾驶员对车辆在驾驶表面上的行驶情况更具真实感。但是，基于摩擦的设计在启动时会将误导性的粘滑感传递给操作员时可能会出现问题。

机械制动器也可以工作，但是它们的摩擦接触意味着它们会随着时间的流逝而磨损，因此需要进行连续监控和定期维护。性能取决于温度，这是物料搬运车辆的一个问题，该物料每天可能在冷藏室之间到外部多次往返。为了安全有效，模拟电阻必须保持一致。

电磁制动器是有效的，但价格昂贵且笨重-并不一定总是具有足够的响应时间来满足安全标准。

相反，基于磁性技术的系统可以提供非常逼真的方向盘感觉（阻力），但经济。磁性系统不使用摩擦，因此不会出现粘滑现象。驾驶员通过机械联动装置获得平稳的运动，模仿驾驶的感觉。当与磁性位置感应配合使用时，磁阻技术为线控转向设计带来了逼真的性能。转向的感觉是可调的，在某些情况下甚至是可编程的……非接触操作消除了磨损和维护要求。