一種自動循跡AGV平臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析

鄒亮　吳曉　袁勤政

摘 要：AGV作為車間智能移動機器人的核心組成部分，成為近年來學(xué)者們的研究熱點，文章提出了一種自動循跡AGV小車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，包括車體及輪系機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動過程的動力學(xué)分析以及電機選型，為自動循跡AGV的研發(fā)提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：AGV；機械設(shè)計；力學(xué)分析

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095－414X（2023）05－0053－05

0? 引言

隨著中國制造2025的提出，制造企業(yè)紛紛加快了自動化、智能化的發(fā)展步伐，而自動導(dǎo)引車AGV（Automatic guided vehicle）成為柔性物流系統(tǒng)和自動倉儲系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。另外，我國正面臨著人口老齡化、產(chǎn)業(yè)升級等影響因素，導(dǎo)致制造業(yè)招工困難、用工成本高。因此，能夠代替人工的智能AGV小車，對企業(yè)生產(chǎn)自動化和社會發(fā)展起著重要作用[1]。

傳統(tǒng)形式的AGV結(jié)構(gòu)設(shè)計往往僅是先憑借著汽車設(shè)計者個人的工作經(jīng)驗或已有的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)方法，對其初始結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行設(shè)計，生產(chǎn)出來后再進(jìn)行性能試驗。若設(shè)計無法滿足性能需求，就要對車體原有車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和性能試驗設(shè)計，直至最終AGV車體結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到所需的性能要求。這種分析設(shè)計的方法往往在實踐中有著極大的主觀性、偶然性，而且因為設(shè)計分析周期普遍較長，也給設(shè)計者的決策帶來很多困難。因此通過計算機強大的運算能力和計算機輔助技術(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計與分析是目前AGV設(shè)計者們的最佳選擇[2]。

本文提出了一種自動循跡AGV小車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并對驅(qū)動總成設(shè)計以及動力學(xué)特性等部分進(jìn)行了著重闡述。

1? AGV平臺整體方案設(shè)計

1.1 AGV平臺驅(qū)動方案及技術(shù)參數(shù)設(shè)計

隨著移動機器人的快速發(fā)展，AGV的驅(qū)動方式更加多元化、便捷化。目前市面上常見的AGV轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)主要分為四大類，即單舵輪型、雙舵輪型、差速輪型和麥克納姆輪型，每種驅(qū)動結(jié)構(gòu)都有自己的優(yōu)缺點和應(yīng)用場合。

差速輪驅(qū)動具有靈活性和穩(wěn)定性高，成本低，對電機和控制精度要求不高等優(yōu)點[3]，因此，本文設(shè)計的AGV平臺選擇了差速輪驅(qū)動方式，為克服該驅(qū)動結(jié)構(gòu)對地面平整度要求苛刻的劣勢，本文利用彈簧和轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計增加驅(qū)動輪抓地力，這是該AGV平臺的一個創(chuàng)新點。

根據(jù)總體設(shè)計要求并結(jié)合現(xiàn)有條件，AGV設(shè)計基本參數(shù)如表1所示。

1.2? AGV平臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次設(shè)計的AGV平臺主要由機架、雙驅(qū)動機構(gòu)、控制機構(gòu)、激光掃描機構(gòu)等4個部分組成，如圖1所示。機架是整個平臺的支撐件，激光掃描機構(gòu)通過掃描周圍環(huán)境，經(jīng)軟件構(gòu)建出二維地圖，再通過控制機構(gòu)調(diào)節(jié)雙驅(qū)動機構(gòu)兩個電機的轉(zhuǎn)速，由電機帶動主動輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動平臺運動。

本文設(shè)計的雙驅(qū)動機構(gòu)由兩個電機、兩個驅(qū)動輪、六個彈簧和一根主軸組成，如圖2所示。彈簧和主軸的設(shè)計是確保在運行過程中遇到路面不平整、斜坡坑洼的路況時，主動輪具有足夠的抓地力和驅(qū)動力。

2 AGV平臺動力學(xué)分析

為了驗證所設(shè)計的AGV平臺結(jié)構(gòu)是否合理，并正確完成電機選型，本文對AGV平臺的直線行駛和差速轉(zhuǎn)向兩種工況進(jìn)行了動力學(xué)分析。

2.1? AGV平臺直線行駛動力學(xué)分析

在直線行駛工況下，車體要克服的阻力主要

有：滾動摩擦阻力F_f、啟動時克服加速度阻力Fa、爬坡時克服爬坡阻力F_r，以及運行時的空氣阻力F_w。將車體的模型簡化為一剛體，并對其進(jìn)行受力分析，如圖3所示。車體在運動過程所要克服的最大阻力即為AGV正常運行所需要的驅(qū)動力，其大小為F_r、F_a、F_w及F_f的矢量和：

2.1.1? 爬坡阻力

在工業(yè)車間現(xiàn)場小車通常行駛在相對平整的地面上，但也有可能會遇到有坡度的特殊環(huán)境。因此，在計算車體行駛阻力時，必須考慮坡度阻力，即使在傾斜角較小的情況下（一般取θ為3～5°，為保證小車在極端情況下的正常運行，此處取θ為5°）不能忽略，則小車所要克服的爬坡阻力為：

（2）

2.1.2? 加速度阻力

小車在啟動并加速到規(guī)定速度的過程中，需要克服自身重量和負(fù)載重量產(chǎn)生的慣性阻力，此時慣性阻力被稱為加速度阻力。它的大小可以使用下式表示：

（3）

2.1.3? 空氣阻力F_w

空氣阻力是運動物體與空氣相互作用而產(chǎn)生的一種力，也被稱為氣動阻力。當(dāng)物體在空氣中運動時，周圍空氣的分子會受到物體表面的摩擦力作用而產(chǎn)生運動，這種運動使得周圍空氣的分子密度增加，從而導(dǎo)致空氣阻力的產(chǎn)生。空氣阻力的大小與車體的運行速度有關(guān)，但是由于該AGV平臺屬于慢速運行，所以與空氣的摩擦阻力非常小，可以忽略不計。

2.1.4? 滾動摩擦力

在AGV平臺的運行過程中，各部件之間存在摩擦力，例如驅(qū)動輪和地面之間、電機軸和驅(qū)動輪之間。然而，通過使用輔助工具如潤滑油等，這些零件之間的摩擦力可以忽略不計[4]。小車的滾動摩擦力主要來自于驅(qū)動輪和地面之間的摩擦力，如果假設(shè)驅(qū)動輪作純滾動，則滾動摩擦力F_f為：

（4）

將表1中的參數(shù)帶入上述各式，得到AGV正常運行所需要得總驅(qū)動力為：

（5）

2.2? AGV平臺差速轉(zhuǎn)向動力學(xué)分析

本文對該工況進(jìn)行運動分析時，假設(shè)AGV平臺為剛體。AGV的運動可分解為平移和旋轉(zhuǎn)，如圖4所示，ICR表示瞬時旋轉(zhuǎn)中心，過點CENTER的弧線表示AGV平臺運動路徑，點L和R分別為左右輪與地面的接觸點。平移運動涉及到x和y兩個方向，因此AGV平臺具有3個自由度[5]。

當(dāng)AGV沿直線移動，它的左、右驅(qū)動輪的速度相同。而當(dāng)左、右驅(qū)動輪的速度不同時，在AGV平臺上任意尋找兩個點，這兩個點的速度都不相同，這就表示AGV平臺不僅有“平移”的成分，還有“旋轉(zhuǎn)”的成分。而AGV平臺由于受到驅(qū)動輪的制約，使其只能沿車輪的方向移動，即只能沿x軸方向移動，不能沿y軸移動（本文不考慮漂移的情況）。用這種方法對AGV平臺進(jìn)行分析可以只用角速度和沿x軸的線速度進(jìn)行描述。即當(dāng)角速度為0時，左右驅(qū)動輪的速度是相同的，則AGV平臺沿著直線運動；當(dāng)角速度不為0時，AGV平臺做圓周運動。

上述分析可知，AGV平臺左、右驅(qū)動輪的線速度方向與x軸相同，且與旋轉(zhuǎn)半徑呈垂直關(guān)系，因此ICR（ICR表示瞬時旋轉(zhuǎn)中心）必定位于點L和R（點L和R分別為左右輪與地面的接觸點）的連線上，ICR在直線LR上的具體位置由左右驅(qū)動輪速度[v_L v_R]確定[6-7]。

由于v=ω·r ，所以ω一定時，v和r 呈正比，因此，點L、R、CENTER（點CENTER表示驅(qū)動裝置輪距的中心點）三點的速度可表示為：

（6）

其中，d_wb表示左右兩驅(qū)動輪輪距，r_C表示此時AGV中心點CENTER的轉(zhuǎn)向半徑，[v_c ω]描述中心點CENTER的速度。

根據(jù)公式（6）變形得到，角速度ω可表示為：

（7）

角速度ω也是有方向的：當(dāng)v_L0；反之，ω<0。

通過公式（6）變形可以計算點CENTER的線速度v_C與左右驅(qū)動輪速度[v_L v_R]的關(guān)系：

（8）

另外，結(jié)合式（6）-式（8），點CENTER的轉(zhuǎn)向半徑r_C可表示為：

（9）

因此可以得出：當(dāng)v_L=v_R時，平臺按直線運動，點ICR存在于無窮遠(yuǎn)處，此時驅(qū)動機構(gòu)上的主軸只受到沿軸方向的力和AGV平臺及負(fù)載所給的壓力；當(dāng)v_L=-v_R時，平臺將繞著點CENTER原地自轉(zhuǎn)。此時驅(qū)動機構(gòu)上的主軸受到驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)向所提供的扭矩以及AGV平臺及負(fù)載所給的壓力，主軸發(fā)生彎曲變形的可能性最大。

2.3 AGV平臺電機選型

由上文可知，該AGV平臺采用差速輪驅(qū)動的驅(qū)動方式，通過兩電機分別對兩驅(qū)動輪驅(qū)動，對電機同步性要求極高。該AGV還具有一定的載物能力，工作時可能會遇到路面不平整、斜坡坑洼的路況，因此對轉(zhuǎn)矩要求也很高。綜合分析采用直流無刷電機對驅(qū)動輪進(jìn)行驅(qū)動。

直流無刷電機具備啟動力矩大、有一定的過載能力等優(yōu)點，并釆用電子換向的方法，即通過電機內(nèi)部的霍爾傳感器檢測磁極的相對位置，當(dāng)AGV后退時，使電機中線圈的電流方向發(fā)生變化，從而改變電機旋轉(zhuǎn)方向。此外，由于直流無刷電機采用模擬量進(jìn)行電機控制，在AGV控制過程可以輕松實現(xiàn)電機立即制動、頻繁換向、頻繁啟停、應(yīng)對負(fù)載突變等功能[8]。

根據(jù)前文所述的基本參數(shù)要求以及實際工況，本文最終選用SYNTRON電機的型號。具體參數(shù)如表2所示。

3? AGV平臺主軸有限元分析及安全校核

由上文可知，本文設(shè)計的差速驅(qū)動AGV平臺在面臨惡劣工況（v_L=〖-v〗_R）時，驅(qū)動機構(gòu)上的主軸受到驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)向所提供的扭矩以及AGV平臺及負(fù)載所給的壓力，主軸發(fā)生彎曲變形的可能性最大，此時該AGV平臺極易發(fā)生損壞。

為確保AGV平臺能夠正常安全運行，需對主軸的安全性能進(jìn)行校核。為此，本文分析了主軸所受到的壓力和惡劣工況（v_L=〖-v〗_R）下的扭矩，并進(jìn)行了有限元仿真和安全校核。

3.1? 驅(qū)動單元力的計算

如圖2所示，兩驅(qū)動輪的輪距為L_1=420 mm=0.42 m，聯(lián)接內(nèi)側(cè)間距為L_2=172 mm=0.172 m。由式（5）可知總驅(qū)動力F_t=275.774 N?？偱ぞ兀?/p>

（10）

聯(lián)接與主軸相接觸位置的兩個分扭矩：

（11）

聯(lián)接與主軸相接觸位置所施加的力：

（12）

從而可以得出總扭矩：T_總=57.91 N·m；兩個接觸位置分別對主軸施加的力的大小：F_分=336.7 N；再加上平臺的重量和負(fù)載所施加給主軸兩端的力，得到F_載=1666 N；由于主軸較短且整個平臺對負(fù)載的受力均勻，主軸的兩端所受到的壓力差可以忽略不計，兩端分別受到F_壓=F_載/2=833 N。

3.2? 主軸及聯(lián)接有限元模型建立

本文使用Ansys workbench對主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析。按AGV平臺初步方案建立三維模型。將其簡化為主軸與聯(lián)接，采用四面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

3.3? 材料屬性

聯(lián)接和主軸均采用楊氏模量為210 MPa、泊松比為0.3、屈服極限為235 MPa的Q235普通碳鋼。為避免在AGV平臺使用過程中出現(xiàn)特殊情況導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，最大應(yīng)力應(yīng)控制在許用應(yīng)力以下。許用應(yīng)力等于屈服極限除以安全系數(shù)，本處取值為160 MPa。

3.4? 載荷與邊界條件

（1）固定約束：在聯(lián)接底部施加固定約束將其固定。（2）施加力與力矩：對主軸施加T_總的總扭矩，根據(jù)右手定則，方向為沿Y軸正方向。對主軸兩端分別施加負(fù)載F_壓，方向沿Y軸負(fù)方向。

3.5? 結(jié)果分析

計算結(jié)果如圖6所示。由6（a）、6（b）可以得出，平臺在向左自轉(zhuǎn)時，主軸所受得最大應(yīng)力出現(xiàn)在聯(lián)接的底部折彎處，其值為23.066 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值160 MPa；最大變形量為7.8×10-3 mm，遠(yuǎn)小于傳動軸的彎曲變形量1.5 mm[9]。由模擬結(jié)果可知，主軸滿足強度和剛度要求，安全可靠。

3.6? 研制與試驗

在完成AGV平臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機選型、主軸力學(xué)分析及安全校核后，需對其進(jìn)行運行試驗，主要包括正常工況下的運行試驗以及惡劣工況下的轉(zhuǎn)向?qū)嶒?。通過試驗驗證該AGV平臺能否按預(yù)期正常運行，了解在設(shè)計中存在的問題以及實際運行與理想之間的差距。

將AGV放置于試驗場地，由表1可知，試驗地面與聚氨酯輪胎的滾動摩擦系數(shù)為0.019。同時地面平整度一般，最大坡度值約為0.035，符合國標(biāo)中的規(guī)定，最大坡度值小于0.05的要求，地面環(huán)境滿足該AGV的運行基本要求。

如圖7所示，分別測試AGV平臺在無負(fù)載（a）和有負(fù)載（b）的正常工況下的運行和原地自轉(zhuǎn)。試驗證明該AGV平臺在有負(fù)載和無負(fù)載的情況下都能夠在預(yù)定路況下穩(wěn)定運行。

4? 結(jié)論

本文對一種自動循跡的AGV平臺進(jìn)行設(shè)計，選擇差速驅(qū)動的驅(qū)動方式，并設(shè)計出雙驅(qū)動機構(gòu)來保證AGV平臺遇到不同路面時的平穩(wěn)性。對平臺的直線運行時的狀態(tài)進(jìn)行運動學(xué)分析，并對其電機進(jìn)行選型，電機型號選擇SYNTRON電機的57BL-2030H1-LS-B型。然后對關(guān)鍵部位進(jìn)行靜力學(xué)分析驗證其合理性，驗證得到最大應(yīng)力為23.066 MPa遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，最大變形量為7.8×10-3 mm遠(yuǎn)小于傳動軸的彎曲變形量。隨后進(jìn)行試驗，試驗證明該AGV能夠按預(yù)期穩(wěn)定運行。

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Mechanical Structure Design and Mechanical Analysis of an Automatic

Tracking AGV Platform

ZOU Liang，WU Xiao，YUAN Qin-zheng

（School of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430200， China）

Abstract：As the core component of intelligent mobile robots in the workshop， AGV has become a hot research topic for scholars in recent years. This paper proposes a mechanical structure design scheme for an automatic tracking AGV car， including the mechanical structure design of the vehicle body and wheel train， dynamic analysis of the motion process， and electrical selection， providing a certain technical reference for the research and development of automatic tracking AGV.

Keywords：AGV platform; mechanical design; mechanical analysis

（責(zé)任編輯：周莉）

*通訊作者：吳曉（1972-），男，教授，博士，研究方向：機械設(shè)計與制造、微塑性加工技術(shù)等.