一種POC集構造的AGV并聯機構卸運裝置

韋 梁，杭魯濱，黃曉波，郭為忠

（1.上海工程技術大學，上海 201600；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

1 引言

現代城市存在著多種對車輛的搬運需求，自動化停車場中對車輛的搬運，城市中對違章車輛的搬運以及道路上對故障拋錨車輛的救援，這些都產生了對自動停車機器人的市場需求。與此同時，這些搬運需求在諸多關鍵技術上具有通用性。當前的車輛多采用人工操縱方式進行搬運，這使得道路故障車輛的救援效率以及停車場的有效使用都難以提升。

這些需求吸引了國內外工程界的關注。我國的一些大中城市正在發展基于自動停車機器人（AGV）的智能停車場，形成了對自動停車機器人的巨大需求。針對自動停車及搬運需求，目前已經形成了包括以群機器人方式進行搬運的Avert，運用懸臂梁進行承載搬運的Serva機器人，國內深圳的怡豐梳齒式抬車機器人在內的多種汽車搬運方式，這些搬運方式都具有各自的特點。

Avert群機器人工作靈活，可以在任意方向上移動，如圖1所示。但驅動器功率密度受限，體積較大，使它較難適用于搬運底盤過低的車輛；工作過程中多機器人間的定位，協同運作，存在較高的難度；由于采用mecanum 輪，對地面平整度的要求比較高。Serva抬臂式機器人搬車速度快，但抬車懸臂在受重力時會產生彎曲，在搬運重量較大的車輛時，會對車輛的水平度造成影響，在極限情況下會導致車輛的滑落，如圖2所示。我國怡豐公司的抬車機器人移動速度快，但是需要專門的平臺使用梳齒式抬升裝置將車輛放置在搬運機器人上，造成停車場地基的改變，如圖3所示。除此之外，日本也有一種與Avert類似的智能合作搬運群機器人工作靈活，但缺點是占據的兩側空間大，如圖4所示。現有的停車機器人，對于抬舉不同軸距的車輛，調節量比較小，難以做到自適應的調整。一些汽車價格昂貴，對于平臺的穩定性要求較高，而現有的AGV，當車輛被托舉后，無法對車輛的水平度和穩定性進行調節。

圖1 Avert機器人Fig.1 Avert Robot

圖2 Serva機器人Fig.2 Serva Robot

圖3 怡豐機器人Fig.3 Yifeng Robot

圖4 智能合作搬運機器人Fig.4 Intelligent Cooperative Robot

這里通過被搬運車輛需求分析，得到動平臺所需的平移和旋轉模式，將AGV搬運車輛時，托舉叉臂與輪胎接觸處的相對運動抽象為運動副，再進一步將車輛底盤抽象為并聯機構動平臺，AGV 車體抽象為靜平臺，將搬運機構的每一個部分抽象為并聯機構的支鏈。通過以上分析提出了基于并聯機構方位特征集設計的一種AGV托舉機構。

2 AGV托舉機構的結構設計

2.1 AGV托舉路機構的方案思路

根據實際調研，給出AGV托舉機構的需求分析，如表1所示。

表1 AGV托舉機構的需求分析Tab.1 Demand Analysis of AGV Lifting Mechanism

2.2 AGV托舉系統設計

結合1.1 中的AGV 需求分析和解決方案，提出了AGV 總體設計方案：由車頭牽引整個車輛的前進與轉向，叉臂可沿車體移動來適應車輛的不同軸距，AGV 采用四組抬車臂對輪胎進行托舉，如圖5所示。

圖5 AGV托舉車輛的總體設計思路Fig.5 The General Design Concept of AGV Lifting Vehicles

2.3 AGV托舉裝置的轉動與平移分析

這里的AGV 方案以四組對置抬臂實現Avert對輪胎的靈活接觸，以四組抬臂上的抬車臂代替Serva兩抬臂的工作，提出了抬舉機構期望功能和操作模式映射為并聯機構的方法，并基于方位特征集提出了一種AGV新型托舉機構。在確定了AGV托舉機構的基本結構后，為了滿足設計要求的對于車輛水平度的期望調節功能，現對車輛進行受力的運動趨勢分析，確定并聯機構所需要滿足的對于平移和轉動的數目。車輛所受的力和轉矩及平移轉動分析，如圖6所示。

圖6 車輛所受的力和轉矩及平移轉動分析Fig.6 The Analysis of Force，Torque，Translational and Rotation of the Vehicle

在搬運中，被搬運車輛存在y，z方向上的移動，以及Mx和My方向的轉矩；設計的整體托舉并聯機構需要具有兩轉動兩平移，實現對被搬運車輛的姿態調節，即需要進行拓撲結構綜合，設計一種兩平移兩轉動（2T2R）機構。

3 運動副等效與搬車并聯機構模型

抬車叉臂與輪胎接觸狀態、相對運動分析是設計并聯機構的關鍵，根據叉臂與輪胎接觸的位置和狀態，這里提出將叉臂與輪胎接觸點抽象為一個運動副；通過對接觸點與抬車叉臂相對運動的分析，確定將其抽象為何種類型的副，該運動副抽象為支鏈的末端運動副，使得托舉支鏈、被搬運車體運動副連接；由此，AGV車體抽象為靜平臺，被搬運車輛抽象為動平臺，抬車裝置的整個結構抽象為連接動平臺和靜平臺的支鏈。

3.1 接觸處相對運動抽象為運動副的分析

AGV對車輛輪胎的托舉，是按照前軸輪胎，后軸輪胎的先后順序進行托舉。在對車輛前軸輪胎托舉時，車輛尚未完全固定，前輪可以隨著車軸轉向，且輪胎與抬車臂存在一定的斜度。在托舉前軸的兩個輪胎時，由下圖可知，托舉前軸輪胎時，沒有其他方向自由度的限制，鼓形輪胎與滾子叉臂接觸處，存在Mx，My，Mz三個相對轉動，與球副的三個自由度等效，即將抬車叉臂與輪胎的接觸處抽象為球副，如圖7所示。作為前抬臂支鏈的末端運動副。

圖7 前軸輪胎接觸處抽象為球副Fig.7 The Position Contact to Front Axle Tyre is Abstracted as Spherical Pair

汽車后軸的輪胎只能繞自身圓心轉動，不能隨著后軸轉向，且后軸輪胎在前軸輪胎之后托舉，車輛的自由度已經受到了AGV的限制，后軸的輪胎只存在繞自身軸心旋轉的Mx的相對轉動。由于只存在一個旋轉的相對轉動，可以將后軸的輪胎接觸點抽象為R副，如圖8所示。作為后抬臂支鏈的末端運動副。

圖8 后軸接觸處抽象為轉動副Fig.8 The Position Contact to Rear Axle Tyre is Abstracted as Revolute Pair

3.2 搬車模型整體抽象為并聯機構

對車輛進行搬運時，AGV車體處于靜止狀態，可以將AGV車體抽象為并聯機構的靜平臺。被搬運的車輛處于運動狀態，并且由支鏈對其水平度進行調節，可以將被托舉車輛的底盤抽象為并聯機構的動平臺。考慮到結構設計的易于實現，驅動的便捷性，支鏈采用移動副驅動。并聯機構動平臺需要兩轉動兩平移，機構有4個支鏈，下面將詳細敘述基于方位特征集和機構拓撲學設計期望的搬運并聯機構。

4 2T2R托舉并聯機構的型綜合

4.1 確定期望得到的POC集

由上可知，機構期望輸出為兩平移兩轉動，即：

式中：t2(⊥R)—兩個移動；r2(∥?(R，R*))—兩轉動。

4.2 確定支路的拓撲結構類型

已知Mp，由Mbi?Mpa，支路末端構件的POC集為：

4.3 確定支路組合方案

利用SOC支路，可綜合得出所需要的組合，如表2所示。

表2 SOC支路的結構類型Tab.2 The Type of SOC Branch

為滿足輪胎與叉臂的接觸需求，選取支鏈類型為：

支路1和2：SOC{-Pi1⊥Ri2∥Ri3⊥Ri4-}(i=1，2)

支路3和4：SOC{-Pi1-Si2-Si3-}(i=3，4)

4.4 確定支路在兩平臺裝配的幾何條件

（1）支路1和2的末端構件POC集為：

支路3和4的末端構件POC集為：

（2）建立并聯機構方位特征方程

將支路末端的POC集代入并聯機構POC方程，得：

（3）為實現平臺的二維轉動，并考慮到減少消極運動副的原則，支路在兩平臺裝配的幾何條件應為：

4.5 檢驗機構的自由度

已知支路拓撲結構及其裝配幾何條件，檢驗自由度。

（1）確定第一個獨立回路的獨立位移方程數ξL1：

其中，第一二條支路組成的子并聯機構DOF與POC集為：

（2）第二個獨立方程為：

其中，第一二三條支路組成的子并聯機構的DOF與POC集為：

（3）確定第三個獨立回路的獨立位移方程數與DOF為：

因此機構DOF=4滿足設計要求

4.6 判斷機構消極運動副

第一，二條支路組成的子并聯機構的DOF為：

由消極運動副判斷準則，判斷R24是否為消極副

（1）將R24副剛化，支路POC集變為

（2）確定第一個回路的獨立位移方程數為：

同理求得：ξL2=6，ξL3=6F(1-2)=19-(4+6+6)=3 ；

因此該副不為消極副。

4.7 選取機構驅動副

一般并聯機構的所有驅動副都位于同一平臺上，現判定并聯機構的4個P副可否同時為驅動副。

（1）假設剛化P41P11，P21，P31，P41副，得到一個新機構

其支路拓撲結構分別為：

（2）確定第一條獨立回路的獨立位移方程數：

由串聯機構POC方程得運算規則，第一，二條支路組成的第一個獨立回路的位移方程數為：

其中，第一，二條支路組成的子并聯機構的DOF為：

其中，第一，二條支路組成的子并聯機平臺POC集為：

同理得：ξL2=6，ξL3=6

（3）確定新機構的DOF為F*=16-(4+6+6)=0

其中，新機構DOF=0，由驅動副判定準則，并聯機構平臺上的P11，P21，P31，P41副，可同時為驅動副。

4.8 確定并聯機構的拓撲結構

由上述步驟可知，圖9并聯機構的拓撲結構如下：

圖9 2T2R機構的拓撲結構Fig.9 The Topology Structure of 2T2R Mechanism

（1）4條支路的拓撲結構分別為：

支路1和2：SOC{-Pi1⊥Ri2∥Ri3⊥Ri4-}(i=1，2)

支路3和4：SOC{-Pi1-Si2-Si3-}(i=3，4)

（2）兩平臺的拓撲結構為：R12∥R22，R14/R24

（3）定平臺上的P11，P21，P31，P41副為驅動副

機構拓撲結構用于AGV搬運，得到搬運并聯機構構型在空間中的配置，如圖10所示。動平臺為被搬運車輛的底盤，定平臺為AGV車體框架，定平臺上的四個移動副為驅動副，可以適應不同軸距車輛的搬運。

圖10 AGV搬運并聯機構構型空間配置Fig.10 The Configuration of Transporting Parallel Mechanism

5 結論

這里以POC 集為基礎，研究了將并聯機構動平臺的位姿調節任務與車輛搬運機構的有機結合，進行了以下研究：（1）針對前后軸輪胎構造的差異，基于輪胎與抬車叉臂不同的接觸狀態、相對運動，將接觸點抽象為不同的運動副，得到每個支鏈末端運動副的類型。（2）基于對整個AGV搬車模型抽象為并聯機構動靜平臺的過程，對被搬運車輛的自由度進行分析，確定為實現車輛水平度調節所需的動平臺平移和轉動的數量。（3）基于方位特征集的拓撲結構設計理論，結合AGV搬運車輛的實際需求，確定了每條支鏈末端運動副的類型，縮小了機構綜合的求解域。（4）該研究在豐富2T2R機構種類的同時，也為對于AGV車輛搬運過程中水平度的調節提供了新的思路。