全向智能移动设备在高速动车组车下设备装配中的应用

　　摘要：针对高速动车组车下设备装配过程中出现的问题，提出了一种全向智能移动设备。介绍了设备的工作原理及实现方式。在此基础上自主设计开发了一套多功能全向智能移动平台设备，多功能全向智能移动平台设备具备灵活的运动方式、良好的通过性、较高的定位精度，极大的提高了高速动车组车下设备装配的质量及效率。

　　关键词：全向轮组；高速动车组装配；智能控制

　　1.引言

　　高速动车组车下设备装配由于尺寸大、载重大，结构复杂、装配关系复杂、装配空间狭小、精度要求高等诸多因素限制，一直以来都是高速动车组生产过程中的难题。目前我国高速动车组装配常用辅助设备有叉车、气垫船等。叉车运行方式灵活性差，定位精度低，不能满足装配过程中快速定位的要求。气垫船运行方式灵活，但对地面要求高，不能用于有铁轨的场地，极大限制了动车组装配效率的提高。

　　针对上述情况，本文提出了一种多功能全向智能移动平台设备辅助实现高速动车组车下设备的快速装配。该设备运动方式灵活，可实现二维平面内任意方向的移动以及高度方向有效行程内任意高度的升降及定位，该设备定位精度高，可调整精度高，运动方式灵活，可承受载荷大，对地面要求低。可实现待安装件的快速准确定位及对接，从而提高设备的安装质量及安装效率。

　　2.设备原理

　　高速动车组车下空间狭小、可调整空间有限，多功能全向智能移动平台需具备多个方向的自由度，实现狭小空间内，待安装件位置的灵活调整及准确定位。

　　多功能全向智能移动平台采用全向轮组系统实现设备的全向移动功能[1]，通过液压升降平台实现设备高度方向上的升降、定位功能，通过高精度传感器实现闭环控制、实现设备的快速、准确定位。

　　2.1全向移动功能实现原理

　　全向轮结构，主要由轮毂和具有特殊轮廓曲线的棍子组成，其中棍子均匀的分布在轮毂上，可以自由旋转，棍子轴线与轮毂轴线成45度夹角，所有棍子组成的外包络线形成一个圆。每个全向轮组具有绕轮组轴心转动、绕棍子轴心转动两个自由度［2］－［3］。

　　全向移动功能一般通过三个或者三个以上轮组实现，通过多个轮组之间的方向、差速及上述两个自由度的分解或合成，实现设备的全向移动功能，本文所述多功能全向智能移动平台设备采用四个全向轮组实现全向移动功能。

　　2.2升降功能实现原理

　　传统的液压升降平台，通过常规的单向阀开环控制单作用油缸实现举升功能，定位精度低，响应延时大，且升降速度难以控制。本文研究开发了一种闭环式电液伺服控制系统，通过精确的位移传感器、检测设备的起升高度及速度，从而对液压油缸伺服比例阀的精确控制，实现设备的升降速度、距离的精确控制功能。

　　液压系统采用定量泵和溢流阀组成的定压供油单元，用电液比例伺服阀在液压缸的进油回路上组成进油节流调速回路，控制活塞的运行速度。位移传感器检测出液压缸活塞杆当前的位移值，经A/D转换器转换为电压信号，将该电压信号与给定的预期位移电压信号比较得出偏差量，计算机控制系统根据偏差量计算得出控制电压值，再通过比例放大器转换成相应的电流信号，由其控制电液比例方向伺服阀阀芯的运动，调节回路流量，从而通过离散的精确位移实现对负载速度的精确调节。

　　通过电液伺服系统实现升降平台的升降，响应速度快、控制精度高，低速稳定性好，同时，通过位移传感器实现信息的闭环控制，定位更加准确，信号更容易灵活处理。

　　3设备实现

　　3.1设备的整体设计

　　多功能全向智能移动平台通过四个行走电机控制四个全向轮的方向、速度。通过四个全向轮之间的方向、差速及上述两个自由度的分解或合成，实现二维平面内任意方向的移动功能，包括直行、横行、斜行、任意曲线移动、零回转半径转动等全向移动形式。通过控制电液比例方向伺服阀阀芯的运动，调节回路流量，实现多功能全向智能移动平台高度方向的调节。通过高精度传感器实现反馈，形成闭环控制［4］。

　　多功能全向智能移动平台控制系统原理，操作者通过手持器将操作信息发送给控制器，控制器通过识别手持器信号，判定操作指令，同时结合位移传感器反馈信号，判定设备当前位置、速度信息，通过运动学方程解算成相应电机方向、转速指定，并传递给相应电机驱动器，电机驱动器驱动电机按照指定运转，实现对设备位移、速度的精确控制。同时，控制器将设备位移、速度等相关信息通过显示器传递给操作者。

　　3.2设备实现

　　通过上述原理设计的多功能全向智能移动平台，该设备可实现二维平面内任意方向的移动，具有升降功能，额定载荷5t，通过无线手持器控制，可实现九档调速。经过试验验证，设备运行平稳，可横越过高差约20mm轨道，能顺利通过53mm宽的轨道轮缘槽。同时设备最大移动速度1m/s，定位精度±0.5mm。非常适合在作业通道狭窄，路面多铁轨的高速铁路装配环境。另外，多功能全向智能移动平台还可实现两平台拼接联动功能，拼接后的多功能全向智能移动平台除具备运行平稳，定位精度高等特点外，还可承载10t额定载荷，用于辅助安装更大重量的车下零部件。多功能全向智能移动平台的研制成功，对于提高高速动车组装配质量及装配效率，降低人力成本有着重要意义。

　　4.结论

　　本文针对高速动车组车下设备装配过程中的诸多限制提高装配效率及装配质量的因素进行了分析，研制了一种多功能全向智能移动平台设备。该设备通过全向轮组系统实现设备的全向移动功能，通过液压升降平台实现设备高度方向上的升降、定位功能，通过高精度传感器采集信号实现闭环控制、实现设备的快速、准确定位。实现灵活、快速到达作业位置，快速准确定位的功能，从而实现车下设备的准确、快速装配。多功能全向智能移动平台已在青岛四方机车车辆股份有限公司得到应用。实践证明，多功能全向智能移动平台运动方式灵活，定位精度高，可以很好的适应复杂的高速动车组装配环境，提高装配效率及装配质量，有效降低装配成本。

　　参考文献

　　［1］邹丹，马向莉.全向轮智能移动平台前景展望［J］.军民两用技术与产品，2012，2：56-58.

　　［2］A.Gfrerrer.Geometry and kinematics of the Mecanum wheel［J］.Computer Aided Geometric Design.2008，25：784-791.

　　［3］Olaf Diegel，Aparna Badve，Glen Bright.Improved Mecanum Wheel Design for Omnidirectional Robots［J］.2002 Australasian Conference on Robotics and Automation Auckland，2002（11）：27－29.

　　［4］应崇礼，赵继敏，李小海.基于遗传算法的感应电动机转速辨识［J］.微特电机，2007，35（10）：38-40.

　　刘志伟　黄召明　安春雷