大跨度舉升重載AGV結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計

關(guān)鍵詞：重載AGV；自動導向車；舵輪；減震；避障；舉升

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A文章編號：1671-0797（2025）13-0035-04

D0l：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.009

0 引言

重載物流設(shè)備按照功能分為存儲與搬運兩大類，存儲設(shè)備主要是行車（又稱天車、橋式起重機）或巷道堆垛機（雙立柱或四立柱堆垛機），搬運設(shè)備通常包括重載叉車、重載AGV、重載RGV（RailGuidedVehicle，有軌制導車輛）、大型輸送機（用于重量大的托盤貨物單元）1。近年來，隨著工廠物料自動化搬運產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，重載AGV作為一種具有自動導航功能，能夠按照設(shè)定的路線行駛，實現(xiàn)物料的運輸，并帶有安全保護裝置的自動運輸車[2，得到了快速推廣和應用。重載AGV以其靈活性、安全性及作業(yè)效率高等優(yōu)勢，很好地解決了搬運超大超重物品存在的需要人力多、勞動強度大、作業(yè)效率低、安全風險高等困難[3]。

本文以一種負載8t的大跨度舉升搬運重載AGV為例，從結(jié)構(gòu)布局、驅(qū)動機構(gòu)、舉升機構(gòu)、防護機構(gòu)等方面進行分析，探索一種大跨度舉升重載AGV的設(shè)計思路。

AGV背負物料圖如圖1所示。

1 總體方案設(shè)計

AGV運輸?shù)奈锪掀涑叽鐬殚L9 150mm ，寬 4050mm 底部橫梁寬1 250mm ，高 1350mm ，重 8000kg? AGV能將該物料在車間庫位舉升托起后，側(cè)移至運輸路線上，運輸至組裝工位后，舉升機構(gòu)下降，AGV退出組裝工位。為滿足使用要求，AGV結(jié)構(gòu)需達到表1所示要求。

AGV結(jié)構(gòu)主要包括車體、輪系機構(gòu)、舉升機構(gòu)、安全防護等。其中，車體作為AGV的承載主體，為實現(xiàn)客戶物料的轉(zhuǎn)運，需在有限的尺寸內(nèi)布局輪系、舉升機構(gòu)、安全防護等，同時需要滿足強度要求；輪系結(jié)構(gòu)主要包含驅(qū)動輪和輔助輪，驅(qū)動輪的承載能力一般較弱，主要為AGV提供前進、后退、側(cè)移等動作力，此種應用多在載重較輕的AGV結(jié)構(gòu)上使用；另一種結(jié)構(gòu)為舵輪主要作為驅(qū)動輪，同時輔助萬向輪作為負載輪來使用。考慮本次車體負載較大，采用第二種結(jié)構(gòu)——雙舵輪加四輔助輪結(jié)構(gòu)。舵輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

的動力，輔助輪能夠分擔AGV加上負載車架的重量；舉升機構(gòu)在轉(zhuǎn)運過程中能將車架在庫位舉升至一定高度，脫離支撐點并到達目標位置后，將物料放下，并不影響AGV的運行干涉；安全防護主要負責AGV運行過程中的避讓及觸碰停車，達到安全行駛的目的。AGV整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2輪系布局及舵輪結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)負載重量及尺寸要求，AGV采用雙舵輪前后布置，外加四輔助輪的結(jié)構(gòu)方式。AGV輪系布局如圖3所示。

2.1 舵輪整體結(jié)構(gòu)布局

舵輪是一種集驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向電機、減速器等為一體的機械結(jié)構(gòu)，其輪內(nèi)含有兩個功能不同的電機，一個為牽引電機，驅(qū)動車輪前進或后退；另一個為航向電機，用于驅(qū)動車輪以縱軸為原點做旋轉(zhuǎn)運動，控制整個車輪行進時的運動方向，實現(xiàn)車體在不旋轉(zhuǎn)車身的情況下全方位式移動[4]。

在實際應用中，一種結(jié)構(gòu)是直接使用舵輪作為承載輪，同時也作為驅(qū)動輪，受限于舵輪的負載能？

舵輪作為驅(qū)動輪，驅(qū)動AGV運動，必須有足夠的對地壓力，在運行過程中要產(chǎn)生足夠的摩擦力才可以，在輔助輪著地的情況下，需要對舵輪通過彈簧進行減震處理，保證舵輪一直保持對地壓力。

2.2 舵輪選型

AGV在運行過程中，主要的阻力分為AGV自身重量產(chǎn)生的阻力 F_r. 背負的負載產(chǎn)生的阻力 F_a， 在坡道行駛產(chǎn)生的坡度阻力 F_b 以及起步時產(chǎn)生的加速阻力 F_c 。

F_a=m₂gf₁cosα

F_c=（m₁+m₂）[（V/60）/t]

式中： m₁ 為車身自重； m₂ 為負載重量； g 為重力加速度； f₁ 為腳輪與地面的摩擦系數(shù)； α 為爬坡角度； V 為最大速度； χ_t 為加速時間。

F₁=F_r+F_a

F₂=F_r+0.7F_a+F_b

F₃=F_r+F_a+F_c

式中： F₁ 為正常運行總阻力； F₂ 為 70% 負載爬坡總阻力； F₃ 為平地起步總阻力。

取安全系數(shù)為1.2，因采用雙舵輪，則舵輪的驅(qū)動力 F_n 需滿足：舵輪的驅(qū)動力 F_nlgt;0.6F₁ ；舵輪的過載驅(qū)動力 F_n2gt;0.6F₂ 。

車體參數(shù)如表2所示。

舵輪參數(shù)如表3所示。

2.3 舵輪減震力計算

為滿足AGV在空載及負載工況下正常運行，防止運行過程中舵輪打滑，舵輪的對地壓力產(chǎn)生的摩擦力需要達到以下要求：在空載工況下，車體重量可以將彈簧壓縮至輔助輪與地面接觸；在負載工況下，滿足舵輪帶動AGV運行產(chǎn)生的摩擦力。

單個AGV采用4個彈簧提供減震，需滿足：

F_tgt;F₂/（2×4×f₂）

式中： F_t 為單個減震彈簧在壓縮至與地面接觸時的壓力； f₂ 為舵輪與地面摩擦系數(shù)，取0.3。

換算得 F_tgt;3029N ，取 F_t=3 050N ，同時校核車體重量 m_lggt;8F_t， 滿足使用要求。

3 舉升機構(gòu)設(shè)計

目前，舉升機構(gòu)常見的結(jié)構(gòu)類型有剪叉式、鏈條式、蝸輪絲杠式及索驅(qū)動式等，該AGV采用電機減速機帶動蝸輪絲杠的形式。蝸輪蝸桿是一種特殊的齒輪組合，其中蝸桿驅(qū)動蝸輪旋轉(zhuǎn)。這種配置不僅能夠提供較高的減速比，還具有自我鎖定功能，即當蝸桿試圖反向驅(qū)動時，系統(tǒng)會自然地阻止這種運動。舉升機構(gòu)如圖5所示。

舉升力 （F） 為舉升機構(gòu)能夠負載的最大力。這個力受到以下因素影響：電機功率 （P） 、電機轉(zhuǎn)速 η（η_n） ！減速機減速比 、減速機效率 （η₁） 、蝸輪蝸桿減速比 （Π_i2） 、蝸輪蝸桿效率 （η₂） 、絲杠導程 （ρ_p） 。

電機扭矩 T₁ .

T₁=9549P/n

舉升力 F

F=T₁i₁i₂η₁η₂×2π/p

升降速度 （V） 通常表示為每分鐘舉升機移動的距離。這個速度受到以下因素影響：電機轉(zhuǎn)速 、減速機減速比 （Π_i1） 、蝸輪蝸桿減速比 （ρ_i2） 、絲杠導程 （ρ_p） 。

升降速度V：

舉升機構(gòu)參數(shù)如表4所示。

4 安全防護

安全防護避障主要包括非接觸式和接觸式兩種。非接觸式防撞是移動機器人通過非接觸式傳感器探測障礙物與本體的距離，根據(jù)距離調(diào)節(jié)速度，并實現(xiàn)停止保護，達到防撞的目的。接觸式防撞是通過接觸式傳感器感知障礙物，這種方式是沒有預見性的，直到接觸到障礙物才會觸發(fā)保護機制，不如非接觸式防撞安全，但不可或缺，這是保護的最后一道防線，不會被環(huán)境等因素干擾，當非接觸式傳感器失靈時，它會保證移動機器人不發(fā)生更嚴重的破壞[5]。

該AGV非接觸式避障采用激光避障，通過在一個平面上發(fā)射 270^° 激光束并接收從物體表面反射回來的激光來測量距離，根據(jù)物料尺寸，最大檢測距離達 10m ；接觸式避障采用安全觸邊的形式，安全觸邊是一種裝備有感應裝置的彈性防護條，通常安裝于移動機器人的邊緣位置。一旦遇到障礙物，首先會接觸到這一彈性防護條，后者因受力變形，不僅為障礙物及機器人本身提供了緩沖保護，同時也會擠壓內(nèi)部的傳感器，通過壓力感應器或接觸開關(guān)的形式發(fā)出觸發(fā)信號，促使移動機器人進入避障模式。通過在AGV周邊360°安裝安全觸邊，形成最后一道防護。

避障安裝如圖1、圖2及圖6所示。

5 結(jié)論

本文通過對負載8t的大跨度舉升搬運重載AGV的結(jié)構(gòu)分析，從以下幾個方面為重載AGV的設(shè)計提供了思路：

1）從輪系布局結(jié)構(gòu)、驅(qū)動負載能力、AGV彈簧減震力等方面進行分析，提供了一種前后布置雙舵輪加四輔助輪的AGV底部結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)AGV的前進、后退、側(cè)移全向動作。

死角避障能力。

3）采用電機、減速機及蝸輪絲杠組合的舉升機構(gòu)，并布置四導向桿，以滿足物料的穩(wěn)定舉升；同時通過獨立的前后雙舉升機構(gòu)，突破了對于不規(guī)則長跨度物料的搬運限制。

[參考文獻]

[1］江宏.重載物流系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與市場發(fā)展概述[J].物流技術(shù)與應用，2023，28（2）：100-103.

[2]蔣小龍.AGV差速驅(qū)動單元的減震結(jié)構(gòu)設(shè)計［J].機械工程與自動化，2017（1）：142-143.

[3]盧玉峰.重載AGV市場與技術(shù)發(fā)展概述[J].物流技術(shù)與應用，2023，28（2）：110-113.

[4]樊建強，王亦敏，李凱麗，等.全向式舵輪移動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2023（11）：31-33.

[5]侯霄.移動機器人安全防撞技術(shù)探討[J].科技風，2018（35）：91.

2）采用接觸式避障和非接觸式避障結(jié)合的方式，實現(xiàn)AGV安全行駛的雙重防護，同時滿足 360^° 無