徐 斌，陳 友

（廣東嘉騰機器人自動化有限公司，佛山 528313）

0 引言

隨著經濟全球化的發(fā)展和港口自由貿易的發(fā)展，航空航天、高鐵建設、港口、機場、核工業(yè)、船舶、大型渦輪機、港口集裝箱運輸業(yè)等行業(yè)已經進入了快速發(fā)展時期[1-6]。原有的拖掛車作業(yè)已經滿足不了當前各行各業(yè)的需求，因此，重載移動機器人（Automated Guided Vehicle）應運而生，它是一種裝有自動導引系統(tǒng)的搬運設備，與傳統(tǒng)重載搬運設備相比，具有安全性高、定位精確、工作效率高等優(yōu)點。

在此背景下，許多國家和高校認識到重載AGV的強大作用，國內外投入了大量的人力物力來進行研究和應用，中國高校的學者對國內外的重載運輸車、牽引車進行了深入的研究，也研究出了電動、混合動力的驅動系統(tǒng)[7-15]。

但是，在面對如上所述質量較大的中大型工件以及港口集裝箱重載搬運需求時，國內傳統(tǒng)搬運機器人無法滿足要求，而選用國外機器人則成本較高。

目前市場的20 t及以上重載移動機器人售價均超百萬元，且大多數(shù)產品采用“單舵輪”設計，輪子磨損速度快、維護成本高；在移動機器人向重型和超重型（承載能力100 t以上）發(fā)展時，國內尚無法提供高轉矩、低底盤、全轉向的驅動輪單元。

因此，研制可承受重載荷，運行迅速、穩(wěn)定可靠的移動機器人迫在眉睫。

本文以載重80 t載荷的移動機器人為例，以差速結構設計方法設計20 t重載移動機器人舵輪，通過仿真計算對整機架構的輕量化設計、研發(fā)多智能體協(xié)同感知系統(tǒng)，實現(xiàn)對多種類型和多臺智能體同時進行協(xié)同導航、協(xié)同定位、路徑規(guī)劃和任務處理。建立中國移動機器人行業(yè)5G通訊標準，處理重載移動機器人運行過程中的海量數(shù)據(jù)。開發(fā)語義SLAM算法，為重載移動機器人提供環(huán)境的結構信息和自身的位置信息。該重載移動機器人的創(chuàng)新研發(fā)，突破行業(yè)痛點、攻克“卡脖子”技術，有利于為國產機器人行業(yè)建立技術自信，助力打破全球工業(yè)機器人市場的壟斷格局。

1 設計原理及結構設計

1.1 重載移動機器人整機設計

載重80 t移動機器人的總體尺寸：7 160 mm（長）×4 006 mm（寬）×1 060 mm（高）；實現(xiàn)的功能為整個過程中移動機器人的運動方式為前進、后退、橫移、原地轉圈。

移動機器人采用“4組差速輪”的布置形式，如圖1～2所示。整個系統(tǒng)為差速輪配備一個車載控制器（VCU），通過VCU接收指令控制4組差速輪運動。VCU集成多差速輪控制協(xié)同算法，能夠將PLC控制器發(fā)出的差速輪的移動速度v、轉向角度θ指令進行求解運算，得到各個差速輪的位姿狀態(tài)，控制差速輪及輔助輪按照設定速度和角度運行，并將數(shù)據(jù)返回于PLC控制器中。

圖1 80 t重載移動機器人整機外觀

圖2 80 t重載移動機器人整機布局

1.2 重載移動機器人舵輪設計

目前市場的20 t及以上重載移動機器人售價均超百萬元，且大多數(shù)產品采用“舵輪”設計，輪子磨損速度快、維護成本高；在移動機器人全向重型和超重型（承載能力80 t以上）發(fā)展時，國內尚無法提供高轉矩、低底盤、全轉向的驅動輪單元。

本文自主研發(fā)對稱式20 t重載舵輪，實現(xiàn)了驅動單元的360°旋轉，并以差速設計實現(xiàn)了驅動輪的高耐磨和長壽命。如圖3所示。

圖3 20 t重載舵輪

1.3 重載移動機器人整機輕量化結構設計及仿真

對載重量為80 t的重載移動機器人車架進行焊接工藝的仿真模擬、有限元分析、尺寸優(yōu)化以及拓撲優(yōu)化。首先，利用Simufact.welding焊接仿真軟件對車架縱梁進行不同焊接順序的仿真模擬，如圖4所示，通過對比仿真模擬結果可以發(fā)現(xiàn)，焊接順序對焊接溫度場、焊接變形、殘余應力有一定的影響；然后利用Hypermesh有限元分析軟件對車架進行有限元分析，如圖5～6所示。其中包括有限元的建模過程：幾何清理、中面抽取、網格劃分及單元質量檢查、材料屬性以及連接工藝的添加，并根據(jù)車架實際受力情況，對其進行載荷邊界條件的確定以及工況的選取，接著對車架進行了有限元分析，根據(jù)分析結果可知，該車架滿足強度及剛度要求并具有輕量化空間；同時，該車架可以有效地避免共振。

圖4 80 t重載移動機器人整機車架

圖5 80 t重載移動機器人整機車架強度分析

圖6 80 t重載移動機器人整機車架剛度分析

2 行走控制系統(tǒng)設計

整車有4個差速驅動單元，每個驅動單元2個電機，共計8個電機，分別用8個CAN控制接口的電機驅動器驅動。每個驅動單元，安裝有CAN通信口的角度編碼器，用于檢測驅動單元的轉向角度，共計4個角度編碼器。在重載移動機器人車身的前、后、左、右安裝有CAN通信接口的尋跡傳感器。

重載移動機器人主控器器，根據(jù)AGV要做的行走動作，計算出各個驅動器的目標轉角，以及驅動器的行走速度，從而計算出各個電機的運轉速度以及電機的運轉方向，通過CAN總線，發(fā)送相應指令給驅動器。重載移動機器人主控器，還會根據(jù)各個驅動器的角度編碼器反饋過來的數(shù)據(jù)，計算驅動的角度，如果跟“目標轉角”有偏差，就會調整相應驅動單元上的左、右驅動器的速度，通過差速調整驅動單元的角度，如圖7所示。

圖7 重載移動機器人控制框圖

各個驅動單元的電機速度，都需要精確計算的，特別是重載移動機器人在轉向的時候（在用手操器操作轉向，或者重載移動機器人在進行磁尋跡引導，需要轉向的時候），各個驅動單元的轉角是不同的，每個電機的行走速度也是不同的，需要精確計算。

由于是讓差速驅動單元，實現(xiàn)“舵輪的功能”，即不但能夠提供行走動力，還需要控制其轉向角度。

驅動單元的角度，是靠“驅動單元上左、右電機的速度差”實現(xiàn)轉向的，安裝有角度編碼器，用于檢測角度。重載移動機器人控制器，會根據(jù)重載移動機器人行駛的動作要求，計算出，各個驅動單元的“目標轉角”的。而重載移動機器人可能在行駛的過程中，驅動單元是可能會由于各種原因，轉向角度會出現(xiàn)偏差的，這個時候就需要主控器調整驅動器左、右電機的速度，讓驅動單元重新回到“目標轉角”。也就是說，重載移動機器人主控器需要實現(xiàn)“驅動單元的角度閉環(huán)”，為了描述方便，稱之為驅動單元的轉角跟隨功能。

驅動轉角的約定：驅動單元中軸跟車身中軸方向平行，此時驅動轉角為0°；右側，驅動轉角為0°～-135°；左側，驅動的轉角為0°～135°。順時針的時候，驅動的轉角值變小。

驅動單元的轉角跟隨，分為“靜態(tài)跟隨”以及“動態(tài)跟隨”。當重載移動機器人整車還處于行駛狀態(tài)，驅動單元的當前轉角偏離目標轉角的時候，是采用“動態(tài)跟隨”，即驅動單元的左右電機相對車身的運轉方向一致（即跟車身運動的方向力一致），通過左、右電機的速度差，實現(xiàn)驅動單元的轉角改變；當重載移動機器人整車是處于停止狀態(tài)時，由于驅動單元的目標轉角改變，而需要跟隨的時候，會采用“靜態(tài)跟隨”，即驅動單元的左、右電機相對車身的運轉方向相反，從而讓驅動單元以“原地旋轉”的方式，改變驅動單元的轉角。為了描述方便，約定重載移動機器人向HMI屏幕運行發(fā)得方向為正方向，反之為反方向。當電機運轉的方向，跟重載移動機器人正方向一致，那么此時電機正轉；反之，電機反轉。

3 軟件設計

3.1 多個重載移動機器人協(xié)同感知系統(tǒng)設計

多個重載移動機器人協(xié)同控制系統(tǒng)是一個能實現(xiàn)對多種類型和多臺重載移動機器人同時進行協(xié)同導航、協(xié)同定位、路徑規(guī)劃和任務處理的控制系統(tǒng)，它是控制機器人執(zhí)行任務的核心控制軟件。多重載移動機器人協(xié)同控制系統(tǒng)可以通過接收客戶系統(tǒng)、呼叫盒、呼叫客戶端和點料系統(tǒng)等命令源發(fā)來的移動機器人任務指令，經過任務分解、任務分配、移動機器人位置信息共享、協(xié)同定位等環(huán)節(jié)，最終通過控制移動機器人執(zhí)行一連串連續(xù)的操作以完成相應的任務。為了保障安全，目前移動機器人運行在提前設置好的路網上，如圖8所示，白色小框表示一臺重載移動機器人，黃色小方塊表示任務站點，紅色線條是表示重載移動機器人運行的路徑。每個重載移動機器人實時通過5G網絡與云端系統(tǒng)以及其他重載移動機器人進行信息共享。目前該系統(tǒng)可實現(xiàn)50臺重載移動機器人協(xié)同完成任務，同時實現(xiàn)了多臺重載移動機器人和多臺叉車混合協(xié)同工作。

圖8 多智能體運行路網

3.2 重載移動機器人語義SLAM算法

定位導航系統(tǒng)是重載移動機器人系統(tǒng)的重要組成部分，即時定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術可以為重載移動機器人提供環(huán)境的結構信息和自身的位置信息。自身的位置信息通過局部環(huán)境信息與全局地圖的比對而獲得，SLAM技術從幾何層面幫助機器人感知環(huán)境，SLAM算法解決重載移動機器人定位導航的問題。語義SLAM技術使得機器人不僅獲得環(huán)境的結構信息，同時可以識別環(huán)境中獨立的個體，獲取個體的位姿、物理屬性、功能屬性等語義信息，即在地圖中識別出相應的物體，并打標簽，用于定位匹配。

重載移動機器人系統(tǒng)中的語義SLAM部分，目前的方案是由3D點云地圖構建和目標分割組成。3D點云地圖構建的數(shù)據(jù)只要來源于多線激光雷達和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU），多線激光雷達提供大量的環(huán)境點云信息，IMU提供線加速和角速度。提取多線激光雷達的里程計因子、GPS因子、IMU的預計分因子和回環(huán)因子，采用因子圖優(yōu)化的方法得到機器人的全局一致的位姿，從而構建整個地圖。重載移動機器人所運行的工廠3D點云地圖如圖9所示。

圖9 工廠3D點云地圖

4 重載移動機器人信息傳輸?shù)脱訒r技術

重載移動機器人根據(jù)VLSAM遠程計算和調度協(xié)同的需求，本文采用最新的5G技術來支撐。

（1）高速率要求

由于VLSAM傳感器獲取的視頻信息要傳輸?shù)皆朴嬎阒行模M行多角度視頻和多車視頻的融合處理，因此每臺AGV應具備較高帶寬的傳輸能力。以每個攝像頭提供1 080 p/30 fps的h265編碼方案，需要4 Mb/s的帶寬。目前5G理論傳輸速率在1 Gb/s，當前我們所采用的嘉騰5G智能網關可以提供最高500 Mb/s的下行速率和200 Mb/s的上行速率，單AGV理論上可以支持多達50個攝像頭進行視頻數(shù)據(jù)采集和上傳。

（2）低延遲要求

由于AGV運動過程中需要實時根據(jù)VSLAM的定位信息和障礙物狀態(tài)進行運動控制，故延遲要求較高。5G理論延遲在1 ms內，但目前商用環(huán)境5G公網只能提供大約40 ms的延遲水平，專網環(huán)境可以提供10 ms以內的保障。

（3）超高移動性要求

5G是移動通訊技術，理論上在時速500 km的場景下都可以運行。但由于要保證較大的帶寬和低時延，在目前的商用環(huán)境中，測試過實際在100 km/h下，還能保持200 M的上下行速率和40 ms延遲。基本可以滿足重載AGV的運行需要。

（4）海量接入要求

5G技術的理論接入能力是100萬個/km2，雖然重載移動機器人在單位面積內不可能有這么大量的接入，但考慮到同一區(qū)域內可能存在較多的其他無線設備接入，還是在一定程度上對大接入有要求。

嘉騰機器人公司針對重載移動機器人的5G通訊技術，在北京大學的牽頭下，首次在中國AGV行業(yè)建立5G通訊標準，如圖10所示。

圖10 中國AGV行業(yè)5G通訊標準證明

5 重載舵輪實驗及結果分析

為了實驗20 t差速舵輪的承載能力和運行可靠性，搭建了一個實驗平臺。實驗平臺為三點支撐結構，20 t差速舵輪在前面的中間位置，后面采用兩個固定輪輔助支撐。

在實驗平臺上放置總質量為30 t的負載鋼板和金屬塊，如圖11～12所示。實驗平臺的負載運行速度為36 m/min，兩種路況進行實驗，水泥平地和10°的斜坡，時間周期為7天。

圖11 負載30 t的實驗平臺

圖12 在坡道行駛的30 t實驗平臺

對稱式舵輪重載移動機器人舵輪試機結果：（1）重載移動機器人單組舵輪承載能力20 t，運行速度0.6 m/s，定位精度小于或等于20 mm；（2）重載移動機器人采用4組輪組，可以滿足承載80 t的目標要求。

實驗結果表明產品突破行業(yè)痛點、攻克“卡脖子”技術，國產機器人更加貼近國內市場，具備開發(fā)成本低、響應速度快等先天優(yōu)勢，在性能功能上實現(xiàn)差異化，激發(fā)增量市場，將成為國產品牌差異化競爭的關鍵。

6 結束語

以載重80 t的重載移動機器人作為研究對象，通過對整機結構、舵輪、控制、導航等創(chuàng)新設計，得出如下結論。

（1）通過差速結構的設計方法，設計了20 t重載舵輪，結果顯示：該方法減少兩輪在轉向時對地面的磨損，延長其使用壽命。搭建30 t重載實驗平臺，實驗結果顯示，20 t重載舵輪達到了載荷要求，而且定位精度小于20 mm。產品突破行業(yè)痛點、攻克“卡脖子”技術，有利于為國產機器人行業(yè)建立技術自信，助力打破全球工業(yè)機器人市場的壟斷格局。

（2）整機采用4組差速輪的形式布置，實現(xiàn)重載移動機器人的運動方式為前進、后退、橫移、原地轉圈。通過建立機架的三維模型，并對該模型進行有限元等軟件進行分析，仿真結果顯示整機機架焊接順序對焊接溫度場、焊接變形、殘余應力有一定的影響。

（3）首次在AGV行業(yè)建立中國AGV行業(yè)5G通訊標準，實現(xiàn)重載移動機器人低延時，以及海量數(shù)據(jù)的處理。

（4）語義SLAM對重載移動機器人室外運行提供保障。

基于5G技術面向復雜環(huán)境的重載移動機器人，推進了我國獨立知識產權的智慧重載、高效、節(jié)能搬運機器人裝備產業(yè)化，推動我國智慧重載移動機器人發(fā)展和應用。