王 鶴，陳 浩，石 光

(1.天津馭金機(jī)器人科技有限公司 天津300381；2.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300354)

0 引 言

AGV(Automated Guided Vehicle)是智能制造的重要組成部分。AGV是含有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)航裝置，能夠沿預(yù)先設(shè)定的導(dǎo)航路徑行駛，具有安全保護(hù)和各種移載功能的物流機(jī)器人。工業(yè)應(yīng)用中不需要駕駛員或操控人員的搬運(yùn)車(chē)，以可充電的蓄電池為其動(dòng)力來(lái)源，而且目前大部分 AGV已經(jīng)使用能量密度更高的鋰離子電池組作為動(dòng)力源。AGV一般可通過(guò)路徑規(guī)劃算法程序來(lái)控制行進(jìn)路徑和行為，依靠電磁軌道所帶來(lái)的信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)。如今AGV也可以依靠二維碼作為行進(jìn)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航、坐標(biāo)再確認(rèn)，可以脫離原有的預(yù)設(shè)軌道運(yùn)動(dòng)。近幾年，人工智能部分技術(shù)用在 AGV領(lǐng)域，逐漸延伸出將視覺(jué)識(shí)別技術(shù)作為導(dǎo)航方式的技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景環(huán)境認(rèn)知，建立模擬地圖完成 AGV路線(xiàn)規(guī)劃、障礙物躲避及工作指令特征識(shí)別等技術(shù)動(dòng)作。AGV技術(shù)已經(jīng)廣泛用于制造業(yè)和電商物流產(chǎn)業(yè)，隨著相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的日趨成熟，對(duì) AGV的智能化程度及工作效率又提出了更高的要求[1]。

根據(jù)近幾年的市場(chǎng)規(guī)模數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi) AGV銷(xiāo)量和行業(yè)產(chǎn)值每年都以?xún)晌粩?shù)的比例進(jìn)行復(fù)合式增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi) AGV市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到百億級(jí)規(guī)模。AGV應(yīng)用領(lǐng)域占比情況中，以汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域占比最高，約為25%；其次為家電制造領(lǐng)域，約為 22%；第三為物流領(lǐng)域，占比約為 16%。前三領(lǐng)域占比超五成，達(dá)到60%以上。從這個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)不難看出，AGV目前主要批量用于制造業(yè)和智能物流行業(yè)，隨著《中國(guó)制造 2025》全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略，未來(lái)制造業(yè)應(yīng)用 AGV進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型和智能化改造會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式增加，需求量將大增[2]。同時(shí)，我國(guó)的人口基數(shù)決定了國(guó)內(nèi)消費(fèi)基數(shù)，并且隨著國(guó)內(nèi)人均收入的增加和生活水平的提高，內(nèi)生消費(fèi)動(dòng)力還在不斷提高，我國(guó)電商和物流行業(yè)的發(fā)展水平和規(guī)模都是世界第一的，而且也會(huì)隨著國(guó)內(nèi)消費(fèi)的增長(zhǎng)而持續(xù)增長(zhǎng)，那么作為智能倉(cāng)儲(chǔ)物流重要組成部分的 AGV，在電商物流行業(yè)也會(huì)呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的剛性需求。

隨著智能裝備和智能技術(shù)的逐步推廣，AGV技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在公共設(shè)施巡檢、危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)、港口搬運(yùn)及智能停車(chē)領(lǐng)域也在不斷地探索應(yīng)用。AGV不再單一作為搬運(yùn)工具出現(xiàn)在應(yīng)用場(chǎng)景，已經(jīng)開(kāi)始與多軸機(jī)械臂等動(dòng)作單元、功能單元綜合應(yīng)用，并作為柔性制造的一部分進(jìn)行各類(lèi)探索和應(yīng)用研究[3]。隨著應(yīng)用數(shù)量的增長(zhǎng)、工作效率的提高和應(yīng)用復(fù)雜性的提高，AGV的載重量已經(jīng)開(kāi)始成為技術(shù)瓶頸之一，市場(chǎng)需求和現(xiàn)有技術(shù)之間的矛盾日益凸顯。目前 AGV的額定負(fù)載一般在 2t以?xún)?nèi)，但是在重型機(jī)械制造、大型電商倉(cāng)庫(kù)及特殊工作場(chǎng)景出現(xiàn)了很多載重2t以上的應(yīng)用需求。隨著AGV負(fù)載的增加，車(chē)輛整體慣性也呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，對(duì) AGV整體的安全性、靈活性和運(yùn)行的穩(wěn)定性都提出了更高的技術(shù)要求，本次項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)以上的技術(shù)難點(diǎn)逐一進(jìn)行研發(fā)。

1 重載型AGV車(chē)體承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有的技術(shù)中，AGV承載一般都在 2t以?xún)?nèi)，其中一個(gè)最主要原因是承重結(jié)構(gòu)的限制，車(chē)體大部分都采用鈑金結(jié)構(gòu)承重的設(shè)計(jì)方案，此類(lèi)方案是通過(guò)將鋼板進(jìn)行鈑金加工并增加部分承重拉筋、橫梁的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果想增加車(chē)體載重能力，就只能通過(guò)增加鋼板厚度、承重拉筋、橫梁排布密度和材料厚度的方式進(jìn)行。但是由于受到通用鋼板的上限厚度限制及鈑金加工設(shè)備最大折彎厚度的限制，導(dǎo)致此類(lèi)結(jié)構(gòu)的承載上限無(wú)法順利達(dá)到 2t，且安全系數(shù)＞2.0的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，此類(lèi)方案也會(huì)大幅增加車(chē)體自重，不利于車(chē)輛的靈活運(yùn)動(dòng)。因此，研究團(tuán)隊(duì)摒棄了此類(lèi)設(shè)計(jì)思路，采用了工字鋼與方鋼焊接承重梁結(jié)構(gòu)，如圖1、2所示，用鈑金件作為車(chē)體外殼的設(shè)計(jì)思路，解決了車(chē)體重負(fù)載工作下自身結(jié)構(gòu)安全性的技術(shù)難題。

圖1 車(chē)體結(jié)構(gòu)外形圖Fig.1 Outline drawing of vehicle body structure

在本次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，承重梁采用多根方鋼與工字鋼進(jìn)行焊接，鈑金外殼在整體結(jié)構(gòu)中不作為承重結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)，此結(jié)構(gòu)可以根據(jù)車(chē)輛外形尺寸的需要進(jìn)行承重梁的尺寸放縮，但并不影響整體的承重性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，此方案不僅承載能力強(qiáng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局科學(xué)、成本低，極簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可達(dá)到承重設(shè)計(jì)要求[4]。

圖2 車(chē)體承重梁結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of vehicle body bearing beam

2 車(chē)體受力仿真分析

在車(chē)體承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)估，預(yù)估此結(jié)構(gòu)在最大承重能力條件下受力情況與形變量的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行結(jié)果安全性的判斷。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評(píng)估過(guò)程中常用Solidworks中的SolidWorks Simulation系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析，該系統(tǒng)是與 Solidworks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，提供了應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析的集成工具?？梢酝ㄟ^(guò)選定模擬材料、應(yīng)力條件等因素比較精確地模擬出結(jié)構(gòu)的受力和形變情況，并且提供詳細(xì)分析云圖[5]。

研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用此工具模擬設(shè)定整體承重結(jié)構(gòu)受外力荷載為 5t，模擬指定車(chē)體材料為普通碳鋼，用軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行仿真分析，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況和位移的仿真結(jié)果云圖如圖3、4所示。根據(jù)仿真云圖可以看出在對(duì)承載結(jié)構(gòu)施加 5t的荷載時(shí)，最大應(yīng)力點(diǎn)位于車(chē)體對(duì)稱(chēng)承載板內(nèi)側(cè)，靠近車(chē)體外殼上面中心線(xiàn)位置，縱向承重梁及周邊區(qū)域應(yīng)力較小。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用左右對(duì)稱(chēng)的 2組工字鋼作為承重梁結(jié)構(gòu)可以抵消最大應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，對(duì)整體承載的安全性有較大的提升作用。同時(shí)，最大應(yīng)變位置出現(xiàn)在車(chē)體兩側(cè)邊緣，按照正常情況下的 AGV承載貨物的擺放原則看，不會(huì)將重載貨物偏離中心而擺放在車(chē)體邊緣，由此可以看出，此車(chē)體的承重結(jié)果設(shè)計(jì)是合理的。

圖3 應(yīng)力仿真云圖Fig.3 Stress simulation cloud chart

圖4 位移仿真云圖Fig.4 Displacement simulation cloud chart

經(jīng)過(guò)分析得到的對(duì)應(yīng)應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力約為鋼板安全應(yīng)力的 20%，最大合位移為 0.0209mm，2組數(shù)據(jù)均在選取材料的允許范圍內(nèi)，且車(chē)體變形對(duì)于整體的承載能力和運(yùn)行能力沒(méi)有影響，可以得出此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全可靠的結(jié)論。

表1 應(yīng)力和位移的數(shù)據(jù)Tab.1 Stress and displacement data

3 防碰撞裝置設(shè)計(jì)

根據(jù) AGV載重的技術(shù)要求，并且考慮到全車(chē)自重，整體總重量＞5.5t，那么車(chē)輛即使在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)總體慣性動(dòng)量已經(jīng)非常大了，因此，重載型 AGV的運(yùn)動(dòng)安全性是在方案設(shè)計(jì)階段必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)在車(chē)體前方設(shè)計(jì)了2組紅外線(xiàn)傳感器用于車(chē)輛前進(jìn)方向2～3m內(nèi)的障礙物探測(cè)。當(dāng)紅外傳感器感知到前方障礙物時(shí)，AGV將開(kāi)始剎車(chē)減速防止碰撞。另外，考慮到紅外傳感器的工作原理，其只能發(fā)射線(xiàn)性紅外光束，對(duì)于車(chē)輛兩側(cè)障礙物無(wú)法進(jìn)行感知，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中增加了機(jī)械防碰撞觸碰杠，如圖5所示。觸碰杠與障礙物發(fā)生輕微觸碰時(shí)，觸碰杠壓迫彈簧并聯(lián)動(dòng)彈簧后部的感應(yīng)片發(fā)生位移，使感應(yīng)片上方的光電傳感器發(fā)生感知變化，從而緊急制動(dòng)，以防止重載 AGV與障礙物發(fā)生碰撞。光電傳感器的靈敏性和感應(yīng)片在機(jī)構(gòu)中的裝配精度決定了觸碰杠的機(jī)械制動(dòng)性的敏感程度，同時(shí)也可以通過(guò)這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性的上下限度調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)輕微觸碰制度性和運(yùn)行連續(xù)性的限度調(diào)整。

圖5 觸碰杠結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Touch bar structure diagram

4 減震輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)AGV的載重技術(shù)要求，本次方案采用6輪設(shè)計(jì)組合，其中 4個(gè)支撐輪、2個(gè)驅(qū)動(dòng)總成如圖6所示，4個(gè)支撐輪位于車(chē)輛承重結(jié)構(gòu)兩根縱梁的端頭，通過(guò)固定板、腳輪支架最終與工字鋼縱梁進(jìn)行剛性固定，2個(gè)驅(qū)動(dòng)總成位于車(chē)體兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的中間位置，驅(qū)動(dòng)總成由緊固螺栓通過(guò)安裝板直接連接在車(chē)體承重結(jié)構(gòu)上，這樣的設(shè)計(jì)方案可以大幅增加輪系的載荷能力。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)總成自帶減震功能，在AGV行進(jìn)過(guò)程中地面崎嶇不平時(shí)，AGV對(duì)稱(chēng)的兩組驅(qū)動(dòng)總成中的4個(gè)彈簧通過(guò)壓縮與回彈的往復(fù)過(guò)程對(duì)車(chē)體起到明顯的減震效果，只要驅(qū)動(dòng)總成有足夠的正壓力即可保證車(chē)輛平穩(wěn)的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，并不會(huì)發(fā)生打滑或單輪離地的情況，從而保證 AGV運(yùn)行的安全性。此項(xiàng)設(shè)計(jì)也是保證重載 AGV運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性的關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。

圖6 驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Drive assembly structure diagram

5 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案的重載型 AGV采用工字鋼方鋼作為承重梁的框架承重結(jié)構(gòu)，增加了機(jī)械防碰撞制動(dòng)機(jī)構(gòu)和雙減震驅(qū)動(dòng)總成的整體設(shè)計(jì)思路，將傳統(tǒng) AGV承載能力從2t提升到5t，而且車(chē)體整體尺寸和外觀(guān)沒(méi)有發(fā)生巨大變化，保持了原有的車(chē)內(nèi)箱體空間用于安裝電氣部件、動(dòng)力電池組及其他元器件。此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保持了原有 AGV的靈活性及使用場(chǎng)景的適用性，同時(shí)也為設(shè)計(jì)更大載重量的 AGV提供了一種研發(fā)方向。