AGV驅動單元發展現狀及趨勢

蔣亞風 許 偉 連帥梅

（1.四川工商職業技術學院 智能制造與信息工程學院，成都 611830；2.成都工業學院 智能制造學院，成都 611730）

自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）是一種具有自動導航功能，能夠按照設定的路線行駛實現物料的運輸，并帶有安全保護裝置的自動運輸車[1]，屬于移動機器人的一種。它的主要組成部分包括車體、驅動單元、導航系統、電源系統、控制系統、安全保護系統以及移載裝置等。隨著《中國制造2025》戰略深入推進，AGV被廣泛應用于柔性制造系統和自動化倉儲系統[2]，大大提高了工廠的自動化和智能化水平。驅動單元是AGV小車的核心部件之一，是AGV行走的動力來源，其性能的優劣直接決定了AGV的整體性能。目前，國內外相關科研技術人員在AGV驅動單元方面的研究主要集中在機械結構、傳動系統、驅動系統以及動力學等方面，形成了較為完善的理論，且相關商品化的產品已在市場上得到了廣泛應用。

1 AGV驅動單元的組成與分類

驅動單元作為AGV的驅動裝置，主要包括電機（含驅動器）、驅動單元支架、傳動機構、輪子及相關其他機構[2]。AGV行走系統按照輪系的數量可以分為三輪行走系統、四輪行走系統和多輪行走系統[3]。按照驅動輪的結構形式，AGV行走系統又可以分為舵輪行走系統、差速行走系統和麥克納姆輪行走系統。從結構和工作原理上來看，AGV驅動單元可以分為舵輪驅動單元、差速驅動單元以及麥克納姆輪驅動單元。

舵輪驅動單元是一種集成化、模塊化的驅動裝置，同時具備驅動和轉向兩種功能，靈活性和承載能力強。常見的有立式和臥式兩種結構形式的舵輪驅動單元。差速驅動單元是一種經濟型驅動模組，在實際應用中由兩個驅動輪同軸并列構成，因此通常又稱為雙輪差速驅動單元。它的驅動和轉向功能是通過調節兩個驅動輪的速度來實現的。根據結構形式，它可以分為整體式差速驅動單元和獨立式驅動單元兩種。麥克納姆輪驅動單元是一種新型無轉向機構的全向驅動單元，核心是麥克納姆輪。麥克納姆輪由輪轂和分布在輪轂圓周上的輥子組成。輥子軸線與輪轂主線的夾角為45°，而輥子本身是無動力的。在輪轂滾動過程中，輥子與地面接觸也會產生滾動，產生一個側向運動。當多個輪子配合使用時，可以實現AGV小車的全方位移動。

2 AGV驅動單元發展及應用

2.1 舵輪驅動單元

舵輪驅動單元的結構較為復雜、控制難度大，特別是轉向和行走電機的協同控制難度較大，因此早期的舵輪驅動單元多以進口形式從國外購買，主要品牌有意大利CFR、馬路達以及德國夏波穆勒等。但是，此類驅動單元價格昂貴，增加了AGV的成本。舵輪驅動單元的國產化雖然起步較晚，但是經過多年的發展，已經完成了從進口產品代理、貼牌銷售到自主研發的轉型，涌現出了一大批國產舵輪生產企業，如上海同毅、金陵智造、鳳凰動力以及廣州智輪等，形成了規格較為齊全的產品系列。其中，單舵輪承載力從幾百千克到十幾噸應有盡有。此外，一些AGV整機制造企業逐漸開始關注舵輪的自主研發，取得了一些成果。目前，國內舵輪驅動單元的發展主要在應用層面，圍繞AGV整車穩定性開展舵輪行走和轉向協同控制、多舵輪協同控制、減震懸掛系統等研究。整體而言，國產舵輪技術近來取得了較大進步，但和國外相比還存在較大的差距，主要表現在機械傳動效率承載能力和驅動器兩個方面。

從應用的AGV結構上看，臥式舵輪驅動單元具有結構緊湊，高度低等優點，因此多用于對AGV高度有特別要求的場合，如重載潛伏式AGV。立式舵輪在高度空間充裕的叉車式AGV上應用較多[4]。從舵輪驅動單元構成的行走系統形式看，它主要有單舵輪、雙舵輪以及多舵輪3種形式[4-5]。如圖1（a）所示，單舵輪一般構成三輪行走系統，由1個驅動輪和2個從動輪組成，且驅動和轉向都由舵輪完成。三輪結構可以保證每一個輪子都與地面有效接觸，驅動輪不易打滑，對地面的適應性強，適用的環境和場合更加廣泛。雙舵輪一般構成四輪或六輪行走系統，由2個舵輪和2個或4個從動輪者組成。雙舵輪常見的布局形式有舵輪對角對稱布置和中間對稱布置兩種，分別如圖1（b）和圖1（c）所示。另外，它可以左右對稱布置，但這種方式多見于雙輪差速驅動。兩個舵輪協調配合可以完成AGV的驅動和轉向，可以實現全方位移動，靈活性強，承載能力和穩定性比三輪結構好，適用于一些通道狹窄或者對行走方向有特殊要求的場合。但是，為了保證驅動輪與地面有足夠的附著力，地面的平整度必須限制在一定范圍之內或者增加懸掛系統。多舵輪行走系統一般有4個以上舵輪，可以進一步增加AGV的驅動力，提升AGV的牽引或運輸能力。常見有4個舵輪組成四輪車型，或者4個舵輪和4個從動輪構成八輪車型。圖1（d）為4個舵輪驅動布局形式。多舵輪行走系統同樣可以實現全方位移動，且與前兩種行走系統相比承載能力更強，多應用于港口碼頭等重載行業，進一步增大了多舵輪協調控制難度，使用成本較高。

2.2 差速驅動單元

相對于舵輪驅動單元而言，差速驅動單元技術門檻較低，相關研究也較多。雷川川運用系統化的設計理念，采用AGV驅動單元與車體柔性連接的方式，設計了一種新型差速驅動單元[6-7]。趙華東等運用ANSYS軟件分析差速驅動單元外掰現象，提出了合理的改進方案[8]。彭光清和楊滕昆基于模塊化的設計理念，較為全面地研究了差速AGV驅動單元[2,9]。蔣小龍對差速AGV驅動單元常見的減震形式及其性能特點進行了詳細分析[1]。吳律等設計了一種高載荷AGV模組，并運用有限元分析軟件對模組進行了模態分析，得出了前6階模態圖，并分析了AGV驅動單元性能受自身及外界激勵的影響[10]。

雙輪差速驅動單元多用于輕載AGV，因結構簡單、控制難度相對較低、成本低，在各類經濟型AGV上應用廣泛。實際應用中主要有四輪和六輪兩種行走系統，圖2為差速驅動單元在AGV小車上的常見布局和應用形式。如圖2（a）所示，在四輪行走系統中，AGV驅動單元一般安裝在車體前端，當兩驅動輪轉向和速度均相同時實現前進或后退功能，轉向相同轉速不同時可以實現轉彎功能。在六輪行走系統中，驅動單元一般安裝在車體中間[6]，如圖2（b）和圖2（c）所示。其中：圖2（b）為獨立式差速驅動單元的應用，兩個驅動輪獨立安裝；圖2（c）為整體式差速驅動單元的應用，兩個驅動輪通過一個中間裝置連接在一起，具有模塊化的優點，目前應用最廣泛。六輪行走系統布局中，兩端的萬向輪主要起輔助支撐作用，承受的載荷較小，轉向阻力小，主要特點是結構對稱布置穩定性好且載重能力強。AGV除了實現前進、后退以及轉彎等功能外，當兩個驅動輪旋轉速度相同、旋轉方向相反時，還可通過原地旋轉實現掉頭。此外，在一些負載較大的場合，也可使用兩組整體式差速驅動單元構成八輪車型，如圖2（d）所示。

圖2 差速驅動單元應用布局

2.3 麥克納姆輪驅動單元

目前，對麥克納姆輪驅動單元的研究主要集中在運動學、動力學及相關應用控制上。例如，王明明[11]和江夢林[12]分別從不同角度對麥克納姆全向輪驅動的移動機器人進行了運動學建模，研究了軌跡跟蹤控制問題，提出了一種自適應滑?？刂破鳎⑦M行了仿真驗證。許斌基于凱恩方法的麥克納姆輪進行AGV動力學建模及仿真[13]。劉威伯等運用質心運動定理、動量矩定理等運動學知識，分析麥克納姆輪的運動學和動力學，探究了其麥克納姆輪AGV整體機構全方位運動的原理[14]。

從理論上分析，AGV小車集成3個及以上的麥克納姆輪就能夠實現全向運行，但是實際應用中考慮運動穩定性等問題，一般采用四輪麥輪作為全轉向運動機構[15]。麥克納姆輪分為互為鏡像關系的AB輪，可以通過輪轂上的輥子方向來判定。AB輪可以任意判定，先定義其中一種為A輪，那么另一種與之鏡像的是B輪。四麥克納姆輪可以有多種組合方式，但并不是每一種組合都可以實現前進、后退、平移以及旋轉等功能，只有特定的組合才能實現。常見的組合形式有ABBA和BAAB兩組，即O形布置和X形布置，如圖3所示，具體運動分析可以查閱相關資料，此處不再贅述。麥克納姆輪具有結構精巧、運動靈活等特點，可以方便實現全方位移動，但輪子的結構復雜、加工制造精度高，因此成本較高。同時，因為與地面的接觸面小，所以承載能力不如舵輪驅動單元和差速驅動單元，且易磨損。

圖3 麥克納姆輪應用布局

3 AGV驅動單元發展趨勢

AGV在工廠智能物流和智能倉儲方面的應用越來越廣泛，同時對AGV的性能要求越來越高。AGV驅動單元作為AGV的核心部件之一，研究的重點是與整車的匹配性和可靠性，未來的發展趨勢是模塊化、集成化、專業化與系列化。相關AGV驅動單元專業生產廠家應通過加強驅動單元相關技術的研究，開發更多能滿足不同用途需求，產品性能優異，規格系列齊全，集驅動、轉向與導引為一體的驅動單元模塊，進一步促進AGV的發展與應用。