閔四宗，祖基龍，劉家昶

廣州普華靈動(dòng)機(jī)器人技術(shù)有限公司 廣東廣州 510630

Automated Guided Vehicle簡(jiǎn)稱AGV，是一種利用電磁或光學(xué)感應(yīng)來(lái)引導(dǎo)的無(wú)人駕控的移動(dòng)工具小車。最早由美國(guó)Barrett電子公司于20世紀(jì)50年代初開發(fā)成功，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，AGV也不斷朝著小型化、模塊化及智能化發(fā)展，特別在德國(guó)于2013年提出以“智能工廠”“智能生產(chǎn)”及“智能物流”為三大主題的工業(yè)4.0，AGV更是高速發(fā)展，原因在于AGV是其中智能物流里很重要的物流銜接一環(huán)。所有這一切讓AGV研發(fā)與應(yīng)用正處在一條加速上升的通道，AGV已成為了我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的一個(gè)很重要的組成部分。Logistics IQ調(diào)研報(bào)告提出到2027年，AGV和AMR（Autonomous Mobile Robot自主移動(dòng)機(jī)器人）市場(chǎng)將超過(guò)180億美元，AGV和AMR的增長(zhǎng)率分別約為24%和43%，涵蓋所有傳統(tǒng)和新應(yīng)用領(lǐng)域，如物流、制造、醫(yī)療保健、運(yùn)輸、消毒、零售和庫(kù)存管理，安全和檢查，農(nóng)業(yè)、醫(yī)院援助、室內(nèi)和室外交付，清潔、遠(yuǎn)程存在和遠(yuǎn)程操作，以及數(shù)據(jù)平臺(tái)和遙感。

基于這樣的背景，各種傳統(tǒng)的、新興的技術(shù)都已經(jīng)正在或?qū)⒁贏GV的應(yīng)用領(lǐng)域研究與應(yīng)用。這主要涉及兩方面的技術(shù)：電控技術(shù)及機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)。

電控技術(shù)

1.定位和導(dǎo)航導(dǎo)引技術(shù)

AGV的導(dǎo)航引導(dǎo)方式呈現(xiàn)出多樣性，主要分為磁導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航等。根據(jù)AGV的導(dǎo)引線路的形式，又可分為固定路徑導(dǎo)引方式和自由路徑導(dǎo)引方式。目前應(yīng)用最廣的是基于磁導(dǎo)航與光學(xué)導(dǎo)航的固定路徑導(dǎo)引方式?；诩す饣蛞曈X(jué)導(dǎo)航的AMR是未來(lái)趨勢(shì)，其具有優(yōu)良的適應(yīng)性，這是應(yīng)用類似于無(wú)人駕駛導(dǎo)航技術(shù)的移動(dòng)小車，但受限于目前技術(shù)的發(fā)展，還在研發(fā)應(yīng)用的前期。

2.線控技術(shù)

源于航空的線控技術(shù)，目前在新能源汽車應(yīng)用中發(fā)展快速，AGV天然地必須采用線控技術(shù)。AGV從整體上看就是精簡(jiǎn)版的電動(dòng)汽車，由于功能上簡(jiǎn)化了很多，其線控系統(tǒng)也是簡(jiǎn)單很多，大體與電動(dòng)汽車的電氣架構(gòu)中的車輛控制相當(dāng)。電動(dòng)汽車的線控架構(gòu)目前的趨勢(shì)是向中心化、集成化發(fā)展，遠(yuǎn)景是上云端。AGV目前基于的控制器有PLC、工控機(jī)和MPU（微處理器）三種類型，現(xiàn)在應(yīng)用最多是基于PLC的應(yīng)用。隨著應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜度、智能化要求的提高及成本考慮，未來(lái)很大概率會(huì)跟隨電動(dòng)汽車的發(fā)展方向，從分布式電氣架構(gòu)趨向于性價(jià)比更高的集中式電氣架構(gòu)。要達(dá)到這一點(diǎn)就要加大集成控制器的研發(fā)，甚至電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)也集成在主控制器里或者與電動(dòng)機(jī)集成在一起。這種集成最大的優(yōu)勢(shì)是根據(jù)本公司產(chǎn)品的特點(diǎn)進(jìn)行功能的優(yōu)化與整合，去除無(wú)必要的冗余，減少了接口，具備較好的成本優(yōu)勢(shì)，也提高了可靠性。但對(duì)線纜要求會(huì)有所提高，包括長(zhǎng)度增加及走線分布。

3.路徑跟蹤與運(yùn)動(dòng)控制

目前應(yīng)用較多的仍然是采用基于誤差反饋的閉環(huán)控制策略來(lái)消除系統(tǒng)跟蹤誤差。為保證其實(shí)時(shí)性、魯棒性（在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的能力）及AGV行駛的穩(wěn)定性要求，AGV的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算以及反饋控制算法優(yōu)化提升，是目前AGV運(yùn)動(dòng)控制研究中的一個(gè)活躍領(lǐng)域。在智能控制技術(shù)方面，目前應(yīng)用于AGV較多的控制方法是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法控制及模式識(shí)別控制等，而且前兩者應(yīng)用較多。

4.環(huán)境感知與信息融合技術(shù)

AGV能夠依靠多個(gè)多種傳感器感知外部環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自主行駛?cè)蝿?wù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，最初采用的導(dǎo)線導(dǎo)航方式基本已被淘汰，現(xiàn)在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的導(dǎo)航方式主要有磁導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、激光導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航等幾種方式，而目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多是前兩種，而未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是后兩種。

機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)

AGV的機(jī)械結(jié)構(gòu)從功能構(gòu)造來(lái)看主要包括以下幾部分：

1.底盤系統(tǒng)

底盤系統(tǒng)是AGV小車的支撐部分及驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來(lái)源。在汽車行業(yè)底盤指的是車架部分，將發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、驅(qū)動(dòng)橋、懸架、輪胎及轉(zhuǎn)向器等組合安裝在車架上的汽車基本構(gòu)成部分，后來(lái)又利用相同的底盤制造了其他車型，只是在外觀和名稱上有所不同，這樣底盤經(jīng)過(guò)演化其實(shí)際意義便成了平臺(tái)。而AGV類似電動(dòng)汽車但又有所簡(jiǎn)化，底盤系統(tǒng)主要包括支撐架、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)及輔助輪，電動(dòng)機(jī)取代了發(fā)動(dòng)機(jī)，減速器取代了變速器，取消了驅(qū)動(dòng)橋，懸架被簡(jiǎn)化成緩沖機(jī)構(gòu)，聚酯膠輪取代了輪胎，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)取代了轉(zhuǎn)向器，制動(dòng)部分也被電機(jī)抱閘所取代。

2.貨物舉升系統(tǒng)或者轉(zhuǎn)移系統(tǒng)

貨物舉升系統(tǒng)或者轉(zhuǎn)移系統(tǒng)是AGV重要功能部件，是其滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求的必要部件。AGV最重要也是最常見(jiàn)的應(yīng)用就是貨物搬運(yùn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能化工廠的柔性銜接。而要實(shí)現(xiàn)這一功能除了能自動(dòng)行走，最重要的是能把貨物自動(dòng)載運(yùn)起來(lái)，因此其必要功能部件就是舉升機(jī)構(gòu)。另外一種常見(jiàn)的應(yīng)用是能自動(dòng)把貨物從一條流水線轉(zhuǎn)移到另一條自動(dòng)化流水線上，這里則需要轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。

在有些場(chǎng)景下是舉升與轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的綜合應(yīng)用。如要自動(dòng)把貨物從某點(diǎn)搬運(yùn)到一條流水線上，這時(shí)就需要用到舉升與轉(zhuǎn)移兩種機(jī)構(gòu)。

在物流領(lǐng)域，舉升是一種常見(jiàn)需求，因此有著各種類型的舉升技術(shù)，如電梯所常用的纜繩式，叉車所常用的鏈條式及齒輪齒條式，汽車維修常用的剪叉式及液壓式，機(jī)械領(lǐng)域常用的滾珠絲桿式或螺桿式等等。鑒于AGV本身的特點(diǎn)是體積不能太大，因此這些舉升技術(shù)能用的只能是對(duì)尺寸要求不大的技術(shù)及其組合技術(shù)，如齒輪齒條式、鏈條與滾珠絲桿組合或者鏈條與螺桿組合、齒輪與滾珠絲桿組合或者齒輪與螺桿組合、剪叉式或者剪叉的變種連桿式。這些都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，必須根據(jù)應(yīng)用實(shí)際需求來(lái)合理選擇舉升方式。比如在尺寸要求小而舉升高度大的場(chǎng)合，選用剪叉式舉升會(huì)是一個(gè)較優(yōu)的選擇。

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在各種領(lǐng)域應(yīng)用比較多的就是滾筒輸送和皮帶輸送等方式，其他還有滾珠絲桿或螺桿推送式，液壓缸或氣缸推送式以及剪叉推送式等。在AGV應(yīng)用領(lǐng)域鑒于其滿足銜接及一定承載的要求，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單可靠，因此滾筒輸送的應(yīng)用是最多的，特別是在與舉升組合應(yīng)用時(shí)一般應(yīng)用都是滾筒輸送，而其他轉(zhuǎn)移方式則在一些特殊場(chǎng)合得以應(yīng)用。

3.電氣模塊分布安裝結(jié)構(gòu)

電氣模塊分布安裝結(jié)構(gòu)主要是按照電氣模塊的安裝特點(diǎn)及AGV整體布局要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此沒(méi)有什么結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)形式，重點(diǎn)在于電氣模塊本身的安裝要求、車身內(nèi)部安裝空間的合理性與可安裝維護(hù)性以及EMC與EMI的考慮。在電氣集成式與分布式的選擇上遵循滿足空間合理布局及可安裝維護(hù)性的基礎(chǔ)上兼顧成本來(lái)合理應(yīng)用。有條件的公司可根據(jù)自身產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景的分析歸類而研制相應(yīng)不同集成度的模塊化的功能組件，以達(dá)到一定的批量化，從而達(dá)到滿足功能性的前提下的降低成本。

4.外殼與人機(jī)接口

外殼與人機(jī)接口關(guān)鍵在于工業(yè)設(shè)計(jì)的水平，目前大部分AGV廠家還停留在滿足功能應(yīng)用的層面，對(duì)AGV的外觀及人機(jī)界面的可觀賞性及舒適性考慮得還不多，這與它的應(yīng)用領(lǐng)域主要是工業(yè)領(lǐng)域有關(guān)。與消費(fèi)領(lǐng)域相比，工業(yè)領(lǐng)域?qū)@方面相對(duì)不敏感，關(guān)注更多的是功能性與安全。但隨著社會(huì)的發(fā)展、行業(yè)的進(jìn)步及競(jìng)爭(zhēng)的加劇，工業(yè)設(shè)計(jì)水平會(huì)越來(lái)越受到客戶的重視。

事實(shí)上“底盤系統(tǒng)”與“外殼、人機(jī)接口”的界限并不是確定的，有時(shí)二者是一體的，也就是如汽車常用的承載式車身，車體用薄鋼板通過(guò)折彎焊接形成一個(gè)所需外觀形狀的框體，而所有驅(qū)動(dòng)總成貨物舉升轉(zhuǎn)移系統(tǒng)及各種電氣模塊都直接安裝在車體上。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是充分利用車體本身結(jié)構(gòu)帶來(lái)的剛性與強(qiáng)度，在材料種類的使用上要少，用一到兩種鋼板就可以實(shí)現(xiàn)；其缺點(diǎn)是所用的鋼板比較厚，且其需要大量的折彎、焊接與打磨工藝，在后期整車的安裝上需要較大的吊裝設(shè)備，在可生產(chǎn)性方面這種結(jié)構(gòu)劣勢(shì)比較明顯。除了車身很矮時(shí)或是車身比較高大時(shí)安裝便利性相對(duì)較好外，其他情況下其安裝維護(hù)是比較麻煩的，如果要增加可生產(chǎn)性及可維護(hù)性則要在車身上增加較多的維護(hù)窗，對(duì)外觀的影響比較大。

結(jié)語(yǔ)

從總的數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)講，人工智能、新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，行業(yè)整體的互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、無(wú)人駕駛技術(shù)的落地應(yīng)用越來(lái)越成熟，這些因素都將推動(dòng)AGV行業(yè)的發(fā)展。未來(lái)，借助5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，AGV將不僅僅是簡(jiǎn)單地把貨物搬運(yùn)到指定位置，而是成為一種數(shù)字化系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)感應(yīng)、安全識(shí)別、多重避障、智能決策及自動(dòng)執(zhí)行等多功能的新型智能工業(yè)設(shè)備。而具體到AGV本體，隨著技術(shù)的發(fā)展與行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，如何在非標(biāo)中找標(biāo)準(zhǔn)即各功能組件的集成化與模塊化水平如何提高以降低成本是每個(gè)AGV廠家必須開始重視的問(wèn)題，同時(shí)客戶對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)水平的要求會(huì)越來(lái)越高，各AGV廠家必須在功能模塊外購(gòu)與自研、工業(yè)設(shè)計(jì)與成本效益之間進(jìn)行合理的取舍以達(dá)到一個(gè)合理的公司收益水平，從而確保公司生存與發(fā)展。