一種自動循跡AGV平臺機械結構設計及力學分析

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小車的機械結構設計方案，包括車體及輪系機械結構設計、運動過程的動力學分析以及電機選型，為自動循跡AGV的研發提供一定的技術參考。

關鍵詞：AGV；機械設計；力學分析

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

0? 引言

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

傳統形式的AGV結構設計往往僅是先憑借著汽車設計者個人的工作經驗或已有的結構分析技術方法，對其初始結構設計方案進行設計，生產出來后再進行性能試驗。若設計無法滿足性能需求，就要對車體原有車身的結構設計方案進行優化調整和性能試驗設計，直至最終AGV車體結構設計達到所需的性能要求。這種分析設計的方法往往在實踐中有著極大的主觀性、偶然性，而且因為設計分析周期普遍較長，也給設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對結構進行合理的優化設計與分析是目前AGV設計者們的最佳選擇[2]。

本文提出了一種自動循跡AGV小車的機械結構設計方案，并對驅動總成設計以及動力學特性等部分進行了著重闡述。

1? AGV平臺整體方案設計

1.1 AGV平臺驅動方案及技術參數設計

隨著移動機器人的快速發展，AGV的驅動方式更加多元化、便捷化。目前市面上常見的AGV轉向驅動輪結構主要分為四大類，即單舵輪型、雙舵輪型、差速輪型和麥克納姆輪型，每種驅動結構都有自己的優缺點和應用場合。

差速輪驅動具有靈活性和穩定性高，成本低，對電機和控制精度要求不高等優點[3]，因此，本文設計的AGV平臺選擇了差速輪驅動方式，為克服該驅動結構對地面平整度要求苛刻的劣勢，本文利用彈簧和轉軸結構設計增加驅動輪抓地力，這是該AGV平臺的一個創新點。

根據總體設計要求并結合現有條件，AGV設計基本參數如表1所示。

1.2? AGV平臺機械結構設計

本次設計的AGV平臺主要由機架、雙驅動機構、控制機構、激光掃描機構等4個部分組成，如圖1所示。機架是整個平臺的支撐件，激光掃描機構通過掃描周圍環境，經軟件構建出二維地圖，再通過控制機構調節雙驅動機構兩個電機的轉速，由電機帶動主動輪旋轉驅動平臺運動。

本文設計的雙驅動機構由兩個電機、兩個驅動輪、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動力。

2 AGV平臺動力學分析

為了驗證所設計的AGV平臺結構是否合理，并正確完成電機選型，本文對AGV平臺的直線行駛和差速轉向兩種工況進行了動力學分析。

2.1? AGV平臺直線行駛動力學分析

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

在工業車間現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定速度的過程中，需要克服自身重量和負載重量產生的慣性阻力，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生的一種力，也被稱為氣動阻力。當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生運動，這種運動使得周圍空氣的分子密度增加，從而導致空氣阻力的產生?？諝庾枇Φ拇笮∨c車體的運行速度有關，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，例如驅動輪和地面之間、電機軸和驅動輪之間。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動輪和地面之間的摩擦力，如果假設驅動輪作純滾動，則滾動摩擦力F_f為：

（4）

將表1中的參數帶入上述各式，得到AGV正常運行所需要得總驅動力為：

（5）

2.2? AGV平臺差速轉向動力學分析

本文對該工況進行運動分析時，假設AGV平臺為剛體。AGV的運動可分解為平移和旋轉，如圖4所示，ICR表示瞬時旋轉中心，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AGV沿直線移動，它的左、右驅動輪的速度相同。而當左、右驅動輪的速度不同時，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”的成分。而AGV平臺由于受到驅動輪的制約，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平臺進行分析可以只用角速度和沿x軸的線速度進行描述。即當角速度為0時，左右驅動輪的速度是相同的，則AGV平臺沿著直線運動；當角速度不為0時，AGV平臺做圓周運動。

上述分析可知，AGV平臺左、右驅動輪的線速度方向與x軸相同，且與旋轉半徑呈垂直關系，因此ICR（ICR表示瞬時旋轉中心）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表示左右兩驅動輪輪距，r_C表示此時AGV中心點CENTER的轉向半徑，[v_c ω]描述中心點CENTER的速度。

根據公式（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與左右驅動輪速度[v_L v_R]的關系：

（8）

另外，結合式（6）-式（8），點CENTER的轉向半徑r_C可表示為：

（9）

因此可以得出：當v_L=v_R時，平臺按直線運動，點ICR存在于無窮遠處，此時驅動機構上的主軸只受到沿軸方向的力和AGV平臺及負載所給的壓力；當v_L=-v_R時，平臺將繞著點CENTER原地自轉。此時驅動機構上的主軸受到驅動機構轉向所提供的扭矩以及AGV平臺及負載所給的壓力，主軸發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平臺采用差速輪驅動的驅動方式，通過兩電機分別對兩驅動輪驅動，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，因此對轉矩要求也很高。綜合分析采用直流無刷電機對驅動輪進行驅動。

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

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

3? AGV平臺主軸有限元分析及安全校核

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

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，并進行了有限元仿真和安全校核。

3.1? 驅動單元力的計算

如圖2所示，兩驅動輪的輪距為L_1=420 mm=0.42 m，聯接內側間距為L_2=172 mm=0.172 m。由式（5）可知總驅動力F_t=275.774 N?？偱ぞ兀?/p>

（10）

聯接與主軸相接觸位置的兩個分扭矩：

（11）

聯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?。篎_分=336.7 N；再加上平臺的重量和負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? 主軸及聯接有限元模型建立

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

3.3? 材料屬性

聯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特殊情況導致結構破壞，最大應力應控制在許用應力以下。許用應力等于屈服極限除以安全系數，本處取值為160 MPa。

3.4? 載荷與邊界條件

（1）固定約束：在聯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，根據右手定則，方向為沿Y軸正方向。對主軸兩端分別施加負載F_壓，方向沿Y軸負方向。

3.5? 結果分析

計算結果如圖6所示。由6（a）、6（b）可以得出，平臺在向左自轉時，主軸所受得最大應力出現在聯接的底部折彎處，其值為23.066 MPa，遠小于許用應力值160 MPa；最大變形量為7.8×10-3 mm，遠小于傳動軸的彎曲變形量1.5 mm[9]。由模擬結果可知，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平臺的機械結構設計、電機選型、主軸力學分析及安全校核后，需對其進行運行試驗，主要包括正常工況下的運行試驗以及惡劣工況下的轉向實驗。通過試驗驗證該AGV平臺能否按預期正常運行，了解在設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，符合國標中的規定，最大坡度值小于0.05的要求，地面環境滿足該AGV的運行基本要求。

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

4? 結論

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

參考文獻：

辛海明， 劉月昊， 宋鵬飛， 等. 一種智能機器人AGV小車的設計[J]. 現代制造技術與裝備， 2019， 269（04）： 25-27 +30.

李子涵. 重載AGV機械結構分析與優化設計[D]. 天津：河北工業大學， 2022.

雷川川. 新型AGV驅動單元關鍵技術研究[D]. 鄭州：鄭州大學， 2017.

吳世杰. 基于軌跡糾偏的雙驅動單元AGV建模仿真及實驗研究[D]. 青島：山東科技大學， 2020.

哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M]. 北京：高等教育出版社，2016.

胡艷凱. 雙驅動機器人小車的結構設計及計算[J]. 佛山科學技術學院學報（自然科學版）， 2020， 38（4）： 6-8.

阮志虎. 兩輪差速驅動移動機器人的運動模型與控制研究[D]. 重慶：重慶大學， 2015.

《數字化手冊系列》編委會. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社， 2008.

范欽珊， 殷雅俊. 材料力學[M]. 北京：清華大學出版社有限公司， 2004.

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

（責任編輯：周莉）

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