AGV自动导引车的驱动系统和硬件结构研究与设计

AGV自动导引车的驱动系统和硬件结构研究与设计

朱展超

杭叉集团股份有限公司        浙江省杭州市310000 浙江杭叉智能科技有限公司    浙江省杭州市310000

摘要：AGV 广泛应用于物流、制造业、安防巡检等领域。在面对应用场景范围的扩大，AGV 的路面适应性能也愈加重要，目前，AGV 的减震浮动型式也各有不同。本文通过列举目前 AGV 常见的减震浮动结构类型，加以研究分析其减震的特性，以对 AGV 的悬挂浮动系统设计提供特性分析以及理论参考。

关键词：自动导航运载车，AGV系统，，自动化控制，节能减排

引言

AGV移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向。自上世纪九十年代以来，人们广泛开展了对机器人移动功能的研制和开发，为适应各种工作环境的不同要求而开发出各种移动机构

一、技术概况

在AGV的作业环境中，路面的不平会导致驱动轮悬空或打滑，致使AGV失去动力或被顶起。减震悬挂缓冲装置结构中的弹簧会使驱动轮始终与地面贴紧，遇到凸起路面时，由于驱动单元的浮动性以及弹簧的可压缩性，可避免驱动单元带动AGV整体被顶起。弹簧的反作用力使驱动轮始终与地面贴紧，地面也时刻提供驱动轮牵引所需的摩擦力与附着力，保证了AGV不会因路面不平而失去动力。

二、技术原理和内容

AGV的减震浮动结构是要使AGV获得可以在复杂路面上行驶的性能，其具体发挥的作用：

（1）轮系共同着地

在AGV具有多轮的布局轮系中，为保证驱动轮着地，一般的想法是将驱动单元安装得比其他辅助轮凸出来以保证驱动轮的首先着地。但如此一来。辅助轮实际并没有与地面贴紧，导致更多的载荷施加到驱动单元上，降低了AGV的承载能力的同时，AGV的行驶稳定性也会降低。（2）适应不平路面

在AGV的作业环境中，路面的不平会导致驱动轮悬空以致使AGV失去动力或被顶起。减震浮动结构中的弹簧会使驱动轮始终与地面贴紧，遇到凸起路面时，由于驱动单元的浮动性以及弹簧的可压缩性，可避免驱动单元带动AGV整体被顶起。

 （3）减缓冲击力

路面的不平以及行径方向的障碍物会对驱动单元造成冲击，而减震弹簧将其冲击吸收，有效缓解冲击力对驱动单元的破坏，延长驱动单元的使用寿命。

三、减震浮动结构的设计需求

为了保证减震浮动结构能发挥上述的具体功能，其结构的设计应当满足一定的条件，否则，会出现浮动刚度过大或过小所引起的功能失效。

现假定减震弹簧的所需刚度为k、路面起伏不平度为±δ、驱动轮安装外凸量为λ。那么，在分析减震浮动结构中，应当把AGV的作业路面状况分为三种来具体分析：

（1）平地路面

平地路面是AGV作业时间最长的工况，此时，AGV应该保证所有轮子共同着地、各轮的承载在其额定承载范围内、驱动轮的附着力足以防止轮子打滑。

（2）凹陷路面

在凹陷路面中，为使驱动轮贴紧地面，减震弹簧会将驱动轮顶紧地面，此时，弹簧相比平地路面时形变量以及驱动轮的压力均变小，而其他辅助轮的压力变大。

（3）凸起路面

在凸起路面中，由于路面外凸将驱动单元的减震弹簧压缩，理论上减震弹簧的压缩量会大于平地时的弹簧压缩量。但如果弹簧在压缩过程的弹力已经足以支承 AGV 整体的重量时，那么，弹簧不再压缩，而是如同刚性连接一般将AGV整体顶起。如上述分析，此时，弹簧压缩量最大，因此驱动轮的负载最大。

（4）综合条件

综合上述 3 种工况下的条件，减震浮动结构需要满足的综合条件如下：

对于上述的综合条件，每项条件都可如上述分析构建起相关弹簧刚度的方程式以及范围不等式，通过刚度的多个范围条件，可确定出弹簧刚度在满足所有条件下的取值范围。那么，在用于减震浮动结构的弹簧的刚度应当处于该取值范围内。

四、技术创新点

AGV驱动系统在技术上的创新点主要体现在以下几个方面：

（1）铰接摆动式

铰接摆动式浮动结构是应用较多的一种减震结构，驱动轮与安装座固定并与车体形成铰接，则驱动单元与车体间可绕铰接点1旋转摆动，实现上下方向的浮动。通过在驱动单元与车体间设置弹簧减震装置，利用弹簧力来决定驱动单元的摆动幅度。该类结构的驱动轮支承力与弹簧反力间存在力臂的关系，在需要获得一定的驱动轮支承力下，实际弹簧所需的弹力比驱动轮支承力更小。然而，浮动量刚好相反，在驱动单元需要获得一定的浮动量时，弹簧的压缩量需要比驱动单元浮动量的更大。

（2）垂直导柱式（驱动浮动）

垂直导柱式浮动结构是通过驱动轮与安装座固定，安装座中设置有导套与导杆形成移动副，导杆上设置有压力弹簧的一种减震结构。驱动单元通过导柱导套副实现上下浮动，压力弹簧在垂直方向上给驱动单元提供竖直的反力。该结构应当合理布置导柱与驱动轮间的位置关系，如上图所示，为避免因力分配不均匀的原因导致导柱与导套间产生力矩，应将两导柱相对驱动轮触地点居中布置。若导柱没有居中放置，两边的弹簧反力并不相等，造成反力较大一端压缩量较多，反力较小一端压缩量较小，此时，导柱与导套间必然会产生力矩使移动副发生卡滞。

（3）剪叉式

剪叉式浮动结构是基于剪叉举升结构所延申出来的一种减震结构。其中包含了剪叉式举升结构的上下托架，中间通过剪叉进行连接并在两托架中间设置有减震弹簧。

剪叉式浮动结构整体相对减震模块而言体积占用较大，其更多是与差速转向结构相结合，将两者结构空间合并。其结构不适用于对空间要求较高以及带有转向功能的舵轮布局。

（4）摆动桥式

摆动桥式结构通过整桥式将两个轮子连接起来，以桥的中心作为摆动中心与车体铰接。摆动桥式的路面适应结构常见于装载机以及相关的工程机械中，通过释放整桥的旋转自由度来适应地面的不平整。弹簧在该结构中主要起到了减缓冲击的作用，在实际的应用中，若路面仅仅只是不平整而没有给驱动单元带来更多的冲击，摆动桥式的浮动结构可以无须设置弹簧。地形的不平整使得两轮的支承力离摆动中心的距离不一样，则力臂较远的轮子支承力小，力臂较短的轮子支承力大，浮动结构由此来适应路面的不平。

（5）四边形式

四边形式浮动结构是基于四连杆的摆动原理，在其基础上增加减震弹簧，使其结构摆动时压缩减震弹簧而实现的减震效果。

四边形式浮动结构的减震型式比较类似于铰接摆动式浮动结构，两者均是通过绕着铰接点旋转来压缩减震弹簧从而起到减震效果，然而，这两者在运动结构以及受力上不全相同。四边形式浮动结构的上下浮动方式是四连杆机构的摆动原理，而铰接摆动式浮动结构的上下浮动方式是绕铰接点作圆周运动的原理。四连杆的摆动原理可实现驱动单元在浮动时其姿态不会发生改变，而铰接摆动式结构的驱动单元在浮动过程其倾角会逐渐变化。

五、技术应用情况

四边形式浮动结构在浮动过程中姿态不会发生改变，其驱动单元与安装座间的力始终共线。四边形式浮动结构对竖直方向的空间要求较大，其结构相比铰接摆动式结构复杂，此类结构一般应用于叉车式 AGV 的立式舵轮以及差速驱动中。

从目前国内的 AGV 减震型式来看，大载重的舵轮布局更多的是采用铰接摆动式浮动结构，对于载重较为小的舵轮布局则采用垂直导柱式结构。对于差速驱动，对于路面适应性要求较高的布局一般采用独立悬挂的减震型式，其包括了铰接摆动式、垂直导柱式、四边形式。AGV的主要轮系布局包含差速布局和舵轮布局，针对其布局的型式不同，其减震的结构方式也应当分析其影响的轻重。

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