應用于智能倉儲的背負式AGV系統(tǒng)的設計與實現

孫婷婷

（安徽城市管理職業(yè)學院，安徽合肥，230000）

0 引言

隨著全球電子商務的迅速發(fā)展，網購已經成為當下各年齡層首選的購物方式。商務部數據顯示，過去的十年里，互聯網經濟在持續(xù)上升的勢頭。僅2020年一年，全國電子商務交易超37萬億元人民幣。其中，商品類交易額高達28萬億元。2021年上半年，網絡購物用戶人數增加近3000萬人，達到了8.1億的驚人規(guī)模。電商對物流的能力要求也越來越高，從而提升智能倉儲的管理及運行能力[1]。

由于國內物價上漲，特別是人工成本的不斷提高，對作業(yè)效率的提升已迫在眉睫。傳統(tǒng)的物流線，搬送任務基本都是通過人工去實現。隨著越來越多的自動化生產設備的出現，人工搬送效率已跟不上上產線的出貨效率，那么用于執(zhí)行搬送任務的AGV應運而生。然而，對于市場現有的AGV來說，設計的合理性，運行的穩(wěn)定程度，上下游設備的對接等環(huán)節(jié)都存在或多或少的問題。這就造成了AGV導入成本非常高的現象，即使有能力導入后，也承受不了它的高故障率，使得自動化搬運AGV使用得不多[2]。2016年12 月在江蘇省召開的 《世界智能制造合作發(fā)展高峰論壇》中，工信部明確表示將自動化倉儲作為中國制造業(yè)智能化轉型的重要任務之一來實施[3]。

1 設計方案

1.1 總體系統(tǒng)構思

設備層通過無線網絡實現互聯，并且均與中央控制系統(tǒng)實現連接，對于設備層的調度均在中央控制系統(tǒng)上實現。AGV的中央控制系統(tǒng)與上位的倉庫管理系統(tǒng)連接，實現任務信息的傳輸。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 方案總體系統(tǒng)構思

無線叫料平板或者按鈕用于呼叫AGV，MCS/MES系統(tǒng)，與AGV中央控制系統(tǒng)連接后， 可將產線物料I/O信息傳遞給中央控系統(tǒng)，從而自動生成AGV派車指令，智能調度。

1.2 車體硬件構成

AGV主體由底盤和上裝傳動系統(tǒng)構成，底盤由框架結構和驅動部件組成，外觀構造如圖2所示。本設計中的驅動部件選擇的是舵輪，上裝傳動環(huán)節(jié)由電機驅動鏈條實現。

圖2 AGV外觀構造

1.3 AGV關鍵參數說明

1.3.1 導航方式

考慮到應用場景環(huán)境的惡劣，應用磁導航的方式。

路徑鋪設：將橡膠材質的磁條粘貼在地上作為AGV的運行軌跡，外表美觀且路線更改容易，如圖3所示。并將耐磨得防滑、防破壞磁條保護貼貼在磁條上方，放置磁條防止被其他物體壓壞。磁條規(guī)格如表1所示。

圖3 磁條

表1 磁條規(guī)格

地標設置：通過在地面粘貼磁條的不同組合或放置ID卡方式對小車動作進行控制，地標如圖4所示。指令更換及施工都非常方便。自由設置路徑根據生產實際要求，AGV行駛路線可任意規(guī)劃；在管控系統(tǒng)作用下，AGV可行走丁字路口、十字交叉路口等復雜的多回圈路線。

圖4 地標卡

1.3.2 驅動方式

由于本設計中AGV所搬送的貨物重量為600kg～ 1000kg，屬于重載型AGV。并且實際的業(yè)務使用場景需要AGV可以前進、后退、全方位（萬向）行駛。所以本設計的驅動方式選擇雙舵輪。

舵輪驅動的AGV，有著明顯的特點和優(yōu)勢：它不僅可以在行駛過程中任意變化車身的姿態(tài)，還可以在狹窄通道或不方便調轉方向的作業(yè)空間和環(huán)境原地旋轉，快速變換方向。如圖5所示，本設計選擇的車輪組合為：兩個驅動兼轉向輪外加四個從動自由輪。

圖5 AGV底視圖

1.3.3 安全防護

眾所周知，工業(yè)生產安全風險無處不在，無時無刻不在發(fā)生。安全生產管理的重視程度，決定了企業(yè)的發(fā)展上限。大多數企業(yè)在生產中大量投入人力財力，但在日常安全工作中忽視細小環(huán)節(jié)，簡化工作程序的行為，例如橫穿物流通道，翻越安全圍欄等行為，都是日常生產中存在的安全隱患。

本AGV設計，綜合了實際生產的各種環(huán)境因素，從軟、硬件層面做了多重安全防呆措施。安全防護的介紹詳見表2。

其中，第二重防護的機制為：車體對角安裝2個障礙物sensor，sensor感應到前方或270°范圍3m內有貨物，即觸發(fā)報警并減速；當感應到0.5m內有障礙物，立即停止。該sensor的檢測距離，角度范圍可調，參數如表3所示。Sensor工作機制如圖6所示。

表3 安全sensor參數

圖6 sensor工作機制示意圖

第三重防護的機制為：車體的四周均安裝了防撞膠條（bumper），當前兩重的安全防護意外失效的時候，車子接觸到障礙物后，擠壓到bumper，圖7中紅色橡膠圈產生變形后，將觸發(fā)緊急停止裝置。

圖7 bumper截面圖

工業(yè)AGV的分類很多，不同的應用場景選擇的導航方式、驅動方式、安全防護不同。本設計綜合實際應用場景惡劣的環(huán)境、運載貨物情況、設備安全等級等需求選擇了上述的設計思路。

2 AGV工作流程

當上位系統(tǒng)有物料下線的需求，會通過MES/MCS等中間生產管理系統(tǒng)給AGV的中控系統(tǒng)下發(fā)用車任務；當產線有非常規(guī)用車需求的時候，也可以人工通過無線移動設備（手機，pad）下發(fā)任務。通常，任務主要由貨物類型、重量、尺寸、起始點、目的地等信息構成。系統(tǒng)架構是以WMS操作系統(tǒng)為基礎的C/S結構模式，但是這就提出了在客戶端安裝專用的客戶端軟件的要求，進而既體現了硬件環(huán)境的有效性，也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是在辦公人員越發(fā)增長的智能化需求面前，仍有一定的差距。B/S結構模式具備非常好的分析效果，用它來維護系統(tǒng)軟件就會變得十分的便捷。但是，為了達到這個效果，必須集中分布使用的服務器。在制定系統(tǒng)設計方案的時候，應當優(yōu)先考慮把前端與后端分離開，應用Vue+Element UI進行前端節(jié)點的設計研發(fā)工作，由Node執(zhí)行和傳輸。同時，后端的主框架可以選擇輕量級的SSM。為了保證系統(tǒng)更加穩(wěn)定和適用，在整個請求環(huán)節(jié)中的檢驗方式選擇Token，對確保系統(tǒng)的整體效率更加有利，并在關系數據庫分析系統(tǒng)中使用內部數據，在此基礎上建立一個日志管理平臺，對系統(tǒng)進行監(jiān)管。

在沒有執(zhí)行任務的時候，AGV會在待命區(qū)停留等待。中控系統(tǒng)接收到任務后，會根據產品信息，分配相應尺寸的AGV去執(zhí)行該任務。AGV收到任務后，會前往起始點取料，到達位置后與port口進行通訊交握，對接確認后，port口滾筒線啟動，貨物輸送至AGV上，隨后背負至目的地下料。同樣，下料前需要進行通訊交握，貨物在交握確認后自動輸送至目的port口。

任務執(zhí)行完成后，AGV會根據電量信息選擇行駛至待命區(qū)還是充電站點。電量等AGV數據會在BMS（電池管理系統(tǒng)）里進行管理。運維人員可根據使用習慣設置充電的臨界電量值。低于該電量，則自動前往充電站點。AGV完整工作流程如圖8所示。

圖8 AGV工作流程圖

3 結論

顯而易見，各行各業(yè)都在飛速發(fā)展，互聯網在各個領域上的應用越來越廣，為了“中國制造2025”戰(zhàn)略目標更加堅定地實現，將智能化信息技術融入各個行業(yè)就變得刻不容緩。尤其是對于倉儲物流行業(yè)，智能搬運設備的設計與應用不僅能夠提高物流效率，而且能降低企業(yè)的成本，更有效地促進物流行業(yè)的發(fā)展。除此之外，智能搬運設備還能改善配送機制和傳統(tǒng)物流線的結構，充分保證各環(huán)節(jié)的搬送效率和準確性。由此可見，智能倉儲物流搬運設備可以為企業(yè)帶來更多的方便和利益。

本文設計了一款智能化控制、性能穩(wěn)定性、安全性高的背負式倉儲物流AGV，主要研究了控制系統(tǒng)、導航方式、驅動方式、安全防護等因素。

根據AGV所運輸貨物的質量、尺寸等產品信息，制作了車體的承重框架結構。考慮到應用場景的復雜環(huán)境，選用了磁導航的方式，最大程度地實現AGV使用的穩(wěn)定性。結合AGV需要全向運行的需求，選用了雙舵輪的驅動方式。最后在安全防護的設計上，也是加入了軟、硬件多重防護，解決后續(xù)企業(yè)使用時在安全方面的后顧之憂。經過多維度的測試，本設計的AGV結構穩(wěn)固、性能穩(wěn)定、控制簡便，能夠承擔當前市場絕大多數應用場景的搬運任務。