蔣亞風(fēng) 許 偉 連帥梅

（1.四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與信息工程學(xué)院，成都 611830；2.成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，成都 611730）

自動導(dǎo)引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）是一種具有自動導(dǎo)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(hù)裝置的自動運輸車[1]，屬于移動機(jī)器人的一種。它的主要組成部分包括車體、驅(qū)動單元、導(dǎo)航系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)以及移載裝置等。隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略深入推進(jìn)，AGV被廣泛應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)和自動化倉儲系統(tǒng)[2]，大大提高了工廠的自動化和智能化水平。驅(qū)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(yōu)劣直接決定了AGV的整體性能。目前，國內(nèi)外相關(guān)科研技術(shù)人員在AGV驅(qū)動單元方面的研究主要集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及動力學(xué)等方面，形成了較為完善的理論，且相關(guān)商品化的產(chǎn)品已在市場上得到了廣泛應(yīng)用。

1 AGV驅(qū)動單元的組成與分類

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

舵輪驅(qū)動單元是一種集成化、模塊化的驅(qū)動裝置，同時具備驅(qū)動和轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式的舵輪驅(qū)動單元。差速驅(qū)動單元是一種經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動模組，在實際應(yīng)用中由兩個驅(qū)動輪同軸并列構(gòu)成，因此通常又稱為雙輪差速驅(qū)動單元。它的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向功能是通過調(diào)節(jié)兩個驅(qū)動輪的速度來實現(xiàn)的。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，它可以分為整體式差速驅(qū)動單元和獨立式驅(qū)動單元兩種。麥克納姆輪驅(qū)動單元是一種新型無轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的全向驅(qū)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(chǎn)生滾動，產(chǎn)生一個側(cè)向運動。當(dāng)多個輪子配合使用時，可以實現(xiàn)AGV小車的全方位移動。

2 AGV驅(qū)動單元發(fā)展及應(yīng)用

2.1 舵輪驅(qū)動單元

舵輪驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、控制難度大，特別是轉(zhuǎn)向和行走電機(jī)的協(xié)同控制難度較大，因此早期的舵輪驅(qū)動單元多以進(jìn)口形式從國外購買，主要品牌有意大利CFR、馬路達(dá)以及德國夏波穆勒等。但是，此類驅(qū)動單元價格昂貴，增加了AGV的成本。舵輪驅(qū)動單元的國產(chǎn)化雖然起步較晚，但是經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)完成了從進(jìn)口產(chǎn)品代理、貼牌銷售到自主研發(fā)的轉(zhuǎn)型，涌現(xiàn)出了一大批國產(chǎn)舵輪生產(chǎn)企業(yè)，如上海同毅、金陵智造、鳳凰動力以及廣州智輪等，形成了規(guī)格較為齊全的產(chǎn)品系列。其中，單舵輪承載力從幾百千克到十幾噸應(yīng)有盡有。此外，一些AGV整機(jī)制造企業(yè)逐漸開始關(guān)注舵輪的自主研發(fā)，取得了一些成果。目前，國內(nèi)舵輪驅(qū)動單元的發(fā)展主要在應(yīng)用層面，圍繞AGV整車穩(wěn)定性開展舵輪行走和轉(zhuǎn)向協(xié)同控制、多舵輪協(xié)同控制、減震懸掛系統(tǒng)等研究。整體而言，國產(chǎn)舵輪技術(shù)近來取得了較大進(jìn)步，但和國外相比還存在較大的差距，主要表現(xiàn)在機(jī)械傳動效率承載能力和驅(qū)動器兩個方面。

從應(yīng)用的AGV結(jié)構(gòu)上看，臥式舵輪驅(qū)動單元具有結(jié)構(gòu)緊湊，高度低等優(yōu)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(yīng)用較多[4]。從舵輪驅(qū)動單元構(gòu)成的行走系統(tǒng)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(gòu)成三輪行走系統(tǒng)，由1個驅(qū)動輪和2個從動輪組成，且驅(qū)動和轉(zhuǎn)向都由舵輪完成。三輪結(jié)構(gòu)可以保證每一個輪子都與地面有效接觸，驅(qū)動輪不易打滑，對地面的適應(yīng)性強，適用的環(huán)境和場合更加廣泛。雙舵輪一般構(gòu)成四輪或六輪行走系統(tǒng)，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(qū)動。兩個舵輪協(xié)調(diào)配合可以完成AGV的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，可以實現(xiàn)全方位移動，靈活性強，承載能力和穩(wěn)定性比三輪結(jié)構(gòu)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(qū)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(nèi)或者增加懸掛系統(tǒng)。多舵輪行走系統(tǒng)一般有4個以上舵輪，可以進(jìn)一步增加AGV的驅(qū)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(gòu)成八輪車型。圖1（d）為4個舵輪驅(qū)動布局形式。多舵輪行走系統(tǒng)同樣可以實現(xiàn)全方位移動，且與前兩種行走系統(tǒng)相比承載能力更強，多應(yīng)用于港口碼頭等重載行業(yè)，進(jìn)一步增大了多舵輪協(xié)調(diào)控制難度，使用成本較高。

2.2 差速驅(qū)動單元

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

雙輪差速驅(qū)動單元多用于輕載AGV，因結(jié)構(gòu)簡單、控制難度相對較低、成本低，在各類經(jīng)濟(jì)型AGV上應(yīng)用廣泛。實際應(yīng)用中主要有四輪和六輪兩種行走系統(tǒng)，圖2為差速驅(qū)動單元在AGV小車上的常見布局和應(yīng)用形式。如圖2（a）所示，在四輪行走系統(tǒng)中，AGV驅(qū)動單元一般安裝在車體前端，當(dāng)兩驅(qū)動輪轉(zhuǎn)向和速度均相同時實現(xiàn)前進(jìn)或后退功能，轉(zhuǎn)向相同轉(zhuǎn)速不同時可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。在六輪行走系統(tǒng)中，驅(qū)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(qū)動單元的應(yīng)用，兩個驅(qū)動輪獨立安裝；圖2（c）為整體式差速驅(qū)動單元的應(yīng)用，兩個驅(qū)動輪通過一個中間裝置連接在一起，具有模塊化的優(yōu)點，目前應(yīng)用最廣泛。六輪行走系統(tǒng)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(zhuǎn)向阻力小，主要特點是結(jié)構(gòu)對稱布置穩(wěn)定性好且載重能力強。AGV除了實現(xiàn)前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎等功能外，當(dāng)兩個驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)速度相同、旋轉(zhuǎn)方向相反時，還可通過原地旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)掉頭。此外，在一些負(fù)載較大的場合，也可使用兩組整體式差速驅(qū)動單元構(gòu)成八輪車型，如圖2（d）所示。

圖2 差速驅(qū)動單元應(yīng)用布局

2.3 麥克納姆輪驅(qū)動單元

目前，對麥克納姆輪驅(qū)動單元的研究主要集中在運動學(xué)、動力學(xué)及相關(guān)應(yīng)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(qū)動的移動機(jī)器人進(jìn)行了運動學(xué)建模，研究了軌跡跟蹤控制問題，提出了一種自適應(yīng)滑?？刂破?，并進(jìn)行了仿真驗證。許斌基于凱恩方法的麥克納姆輪進(jìn)行AGV動力學(xué)建模及仿真[13]。劉威伯等運用質(zhì)心運動定理、動量矩定理等運動學(xué)知識，分析麥克納姆輪的運動學(xué)和動力學(xué)，探究了其麥克納姆輪AGV整體機(jī)構(gòu)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?qū)崿F(xiàn)全向運行，但是實際應(yīng)用中考慮運動穩(wěn)定性等問題，一般采用四輪麥輪作為全轉(zhuǎn)向運動機(jī)構(gòu)[15]。麥克納姆輪分為互為鏡像關(guān)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(xiàn)前進(jìn)、后退、平移以及旋轉(zhuǎn)等功能，只有特定的組合才能實現(xiàn)。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(guān)資料，此處不再贅述。麥克納姆輪具有結(jié)構(gòu)精巧、運動靈活等特點，可以方便實現(xiàn)全方位移動，但輪子的結(jié)構(gòu)復(fù)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(qū)動單元和差速驅(qū)動單元，且易磨損。

圖3 麥克納姆輪應(yīng)用布局

3 AGV驅(qū)動單元發(fā)展趨勢

AGV在工廠智能物流和智能倉儲方面的應(yīng)用越來越廣泛，同時對AGV的性能要求越來越高。AGV驅(qū)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(fā)展趨勢是模塊化、集成化、專業(yè)化與系列化。相關(guān)AGV驅(qū)動單元專業(yè)生產(chǎn)廠家應(yīng)通過加強驅(qū)動單元相關(guān)技術(shù)的研究，開發(fā)更多能滿足不同用途需求，產(chǎn)品性能優(yōu)異，規(guī)格系列齊全，集驅(qū)動、轉(zhuǎn)向與導(dǎo)引為一體的驅(qū)動單元模塊，進(jìn)一步促進(jìn)AGV的發(fā)展與應(yīng)用。