一種自動(dòng)循跡AGV平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

鄒亮　吳曉　袁勤政

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

關(guān)鍵詞：AGV；機(jī)械設(shè)計(jì)；力學(xué)分析

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

0? 引言

隨著中國(guó)制造2025的提出，制造企業(yè)紛紛加快了自動(dòng)化、智能化的發(fā)展步伐，而自動(dòng)導(dǎo)引車AGV（Automatic guided vehicle）成為柔性物流系統(tǒng)和自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。另外，我國(guó)正面臨著人口老齡化、產(chǎn)業(yè)升級(jí)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(duì)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和社會(huì)發(fā)展起著重要作用[1]。

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

本文提出了一種自動(dòng)循跡AGV小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)驅(qū)動(dòng)總成設(shè)計(jì)以及動(dòng)力學(xué)特性等部分進(jìn)行了著重闡述。

1? AGV平臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 AGV平臺(tái)驅(qū)動(dòng)方案及技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

隨著移動(dòng)機(jī)器人的快速發(fā)展，AGV的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。

差速輪驅(qū)動(dòng)具有靈活性和穩(wěn)定性高，成本低，對(duì)電機(jī)和控制精度要求不高等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此，本文設(shè)計(jì)的AGV平臺(tái)選擇了差速輪驅(qū)動(dòng)方式，為克服該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)地面平整度要求苛刻的劣勢(shì)，本文利用彈簧和轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加驅(qū)動(dòng)輪抓地力，這是該AGV平臺(tái)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

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

1.2? AGV平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的AGV平臺(tái)主要由機(jī)架、雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、激光掃描機(jī)構(gòu)等4個(gè)部分組成，如圖1所示。機(jī)架是整個(gè)平臺(tái)的支撐件，激光掃描機(jī)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(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)的雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)電機(jī)、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、六個(gè)彈簧和一根主軸組成，如圖2所示。彈簧和主軸的設(shè)計(jì)是確保在運(yùn)行過程中遇到路面不平整、斜坡坑洼的路況時(shí)，主動(dòng)輪具有足夠的抓地力和驅(qū)動(dòng)力。

2 AGV平臺(tái)動(dòng)力學(xué)分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的AGV平臺(tái)結(jié)構(gòu)是否合理，并正確完成電機(jī)選型，本文對(duì)AGV平臺(tái)的直線行駛和差速轉(zhuǎn)向兩種工況進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。

2.1? AGV平臺(tái)直線行駛動(dòng)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(dòng)摩擦阻力F_f、啟動(dòng)時(shí)克服加速度阻力Fa、爬坡時(shí)克服爬坡阻力F_r，以及運(yùn)行時(shí)的空氣阻力F_w。將車體的模型簡(jiǎn)化為一剛體，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，如圖3所示。車體在運(yùn)動(dòng)過程所要克服的最大阻力即為AGV正常運(yùn)行所需要的驅(qū)動(dòng)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(chǎng)小車通常行駛在相對(duì)平整的地面上，但也有可能會(huì)遇到有坡度的特殊環(huán)境。因此，在計(jì)算車體行駛阻力時(shí)，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(yùn)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(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)物體與空氣相互作用而產(chǎn)生的一種力，也被稱為氣動(dòng)阻力。當(dāng)物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，周圍空氣的分子會(huì)受到物體表面的摩擦力作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)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?？諝庾枇Φ拇笮∨c車體的運(yùn)行速度有關(guān)，但是由于該AGV平臺(tái)屬于慢速運(yùn)行，所以與空氣的摩擦阻力非常小，可以忽略不計(jì)。

2.1.4? 滾動(dòng)摩擦力

在AGV平臺(tái)的運(yùn)行過程中，各部件之間存在摩擦力，例如驅(qū)動(dòng)輪和地面之間、電機(jī)軸和驅(qū)動(dòng)輪之間。然而，通過使用輔助工具如潤(rùn)滑油等，這些零件之間的摩擦力可以忽略不計(jì)[4]。小車的滾動(dòng)摩擦力主要來自于驅(qū)動(dòng)輪和地面之間的摩擦力，如果假設(shè)驅(qū)動(dòng)輪作純滾動(dòng)，則滾動(dòng)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(yùn)行所需要得總驅(qū)動(dòng)力為：

（5）

2.2? AGV平臺(tái)差速轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)分析

本文對(duì)該工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，假設(shè)AGV平臺(tái)為剛體。AGV的運(yùn)動(dòng)可分解為平移和旋轉(zhuǎn)，如圖4所示，ICR表示瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心，過點(diǎn)CENTER的弧線表示AGV平臺(tái)運(yùn)動(dòng)路徑，點(diǎn)L和R分別為左右輪與地面的接觸點(diǎn)。平移運(yùn)動(dòng)涉及到x和y兩個(gè)方向，因此AGV平臺(tái)具有3個(gè)自由度[5]。

當(dāng)AGV沿直線移動(dòng)，它的左、右驅(qū)動(dòng)輪的速度相同。而當(dāng)左、右驅(qū)動(dòng)輪的速度不同時(shí)，在AGV平臺(tái)上任意尋找兩個(gè)點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)的速度都不相同，這就表示AGV平臺(tái)不僅有“平移”的成分，還有“旋轉(zhuǎn)”的成分。而AGV平臺(tái)由于受到驅(qū)動(dòng)輪的制約，使其只能沿車輪的方向移動(dòng)，即只能沿x軸方向移動(dòng)，不能沿y軸移動(dòng)（本文不考慮漂移的情況）。用這種方法對(duì)AGV平臺(tái)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(shí)，左右驅(qū)動(dòng)輪的速度是相同的，則AGV平臺(tái)沿著直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)角速度不為0時(shí)，AGV平臺(tái)做圓周運(yùn)動(dòng)。

上述分析可知，AGV平臺(tái)左、右驅(qū)動(dòng)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(shí)旋轉(zhuǎn)中心）必定位于點(diǎn)L和R（點(diǎn)L和R分別為左右輪與地面的接觸點(diǎn)）的連線上，ICR在直線LR上的具體位置由左右驅(qū)動(dòng)輪速度[v_L v_R]確定[6-7]。

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

（6）

其中，d_wb表示左右兩驅(qū)動(dòng)輪輪距，r_C表示此時(shí)AGV中心點(diǎn)CENTER的轉(zhuǎn)向半徑，[v_c ω]描述中心點(diǎn)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(jì)算點(diǎn)CENTER的線速度v_C與左右驅(qū)動(dòng)輪速度[v_L v_R]的關(guān)系：

（8）

另外，結(jié)合式（6）-式（8），點(diǎn)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(shí)，平臺(tái)按直線運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)ICR存在于無窮遠(yuǎn)處，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的主軸只受到沿軸方向的力和AGV平臺(tái)及負(fù)載所給的壓力；當(dāng)v_L=-v_R時(shí)，平臺(tái)將繞著點(diǎn)CENTER原地自轉(zhuǎn)。此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的主軸受到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向所提供的扭矩以及AGV平臺(tái)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(tái)電機(jī)選型

由上文可知，該AGV平臺(tái)采用差速輪驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，通過兩電機(jī)分別對(duì)兩驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，對(duì)電機(jī)同步性要求極高。該AGV還具有一定的載物能力，工作時(shí)可能會(huì)遇到路面不平整、斜坡坑洼的路況，因此對(duì)轉(zhuǎn)矩要求也很高。綜合分析采用直流無刷電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

直流無刷電機(jī)具備啟動(dòng)力矩大、有一定的過載能力等優(yōu)點(diǎn)，并釆用電子換向的方法，即通過電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器檢測(cè)磁極的相對(duì)位置，當(dāng)AGV后退時(shí)，使電機(jī)中線圈的電流方向發(fā)生變化，從而改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。此外，由于直流無刷電機(jī)采用模擬量進(jìn)行電機(jī)控制，在AGV控制過程可以輕松實(shí)現(xiàn)電機(jī)立即制動(dòng)、頻繁換向、頻繁啟停、應(yīng)對(duì)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(shí)際工況，本文最終選用SYNTRON電機(jī)的型號(hào)。具體參數(shù)如表2所示。

3? AGV平臺(tái)主軸有限元分析及安全校核

由上文可知，本文設(shè)計(jì)的差速驅(qū)動(dòng)AGV平臺(tái)在面臨惡劣工況（v_L=〖-v〗_R）時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的主軸受到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向所提供的扭矩以及AGV平臺(tái)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(shí)該AGV平臺(tái)極易發(fā)生損壞。

為確保AGV平臺(tái)能夠正常安全運(yùn)行，需對(duì)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(dòng)單元力的計(jì)算

如圖2所示，兩驅(qū)動(dòng)輪的輪距為L(zhǎng)_1=420 mm=0.42 m，聯(lián)接內(nèi)側(cè)間距為L(zhǎng)_2=172 mm=0.172 m。由式（5）可知總驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè)接觸位置分別對(duì)主軸施加的力的大小：F_分=336.7 N；再加上平臺(tái)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(gè)平臺(tái)對(duì)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(jì)，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(duì)主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析。按AGV平臺(tái)初步方案建立三維模型。將其簡(jiǎn)化為主軸與聯(lián)接，采用四面體單元對(duì)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(tái)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(duì)主軸施加T_總的總扭矩，根據(jù)右手定則，方向?yàn)檠豗軸正方向。對(duì)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(jì)算結(jié)果如圖6所示。由6（a）、6（b）可以得出，平臺(tái)在向左自轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)軸的彎曲變形量1.5 mm[9]。由模擬結(jié)果可知，主軸滿足強(qiáng)度和剛度要求，安全可靠。

3.6? 研制與試驗(yàn)

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

將AGV放置于試驗(yàn)場(chǎng)地，由表1可知，試驗(yàn)地面與聚氨酯輪胎的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.019。同時(shí)地面平整度一般，最大坡度值約為0.035，符合國(guó)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(yùn)行基本要求。

如圖7所示，分別測(cè)試AGV平臺(tái)在無負(fù)載（a）和有負(fù)載（b）的正常工況下的運(yùn)行和原地自轉(zhuǎn)。試驗(yàn)證明該AGV平臺(tái)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(yùn)行。

4? 結(jié)論

本文對(duì)一種自動(dòng)循跡的AGV平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇差速驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，并設(shè)計(jì)出雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來保證AGV平臺(tái)遇到不同路面時(shí)的平穩(wěn)性。對(duì)平臺(tái)的直線運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)其電機(jī)進(jìn)行選型，電機(jī)型號(hào)選擇SYNTRON電機(jī)的57BL-2030H1-LS-B型。然后對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行靜力學(xué)分析驗(yàn)證其合理性，驗(yàn)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(dòng)軸的彎曲變形量。隨后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)證明該AGV能夠按預(yù)期穩(wěn)定運(yùn)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(jī)械設(shè)計(jì)與制造、微塑性加工技術(shù)等.