差速AGV驅動輪設計

崔潔冰

（云科智能制造（沈陽）有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 差速輪介紹

差速輪型AGV 的結構是車體左右兩側安裝差速輪作為驅動輪，其他為隨動輪，與雙舵輪型不同的是，差速輪不配置轉向電機，也就是說驅動輪本身并不能旋轉，而是完全靠內外驅動輪之間的速度差來實現(xiàn)轉向。這種驅動方式的優(yōu)點是靈活性高，同樣可實現(xiàn)360°回轉，但由于差速輪本身不具備轉向性，所以這種驅動類型的AGV 無法做到萬向橫移。

此外，差速輪型AGV 的結構對電機和控制精度要求不高，因而成本相對低廉，憑借其尺寸較小，結構簡單，性能穩(wěn)定，易于維護，價格優(yōu)廉等優(yōu)點，且能滿足前進、后退、轉彎、原地自旋功能，使得AGV 能滿足絕大部分工況。其缺點是差速輪對地面平整度要求苛刻，負重較輕，一般負載在1t 以下，且無法適應精度要求過高的場合。其組成的差速輪型AGV 底盤，依照使用工況可作為平臺車使用，也可搭載滾筒式、皮帶式、鏈條式對接線體或搭載舉升式對接平臺，等等。人們熟悉的亞馬遜KIVA 機器人就是使用差速輪轉向驅動方式搭載的絲杠式升降結構。

2 滾動摩擦系數(shù)的選取

滾動摩擦系數(shù)一般考慮3個參數(shù)：①減速機滾動軸承的摩擦阻力系數(shù)，②輪子形變后的阻力系數(shù)，③輪緣摩擦系數(shù)。其中第一和第三部分占總體滾動摩擦系數(shù)較小，常用常數(shù)0.005折算計入；第二部分與輪子形變量、輪子直徑有關，從日常經(jīng)驗可知，輪子直徑越大阻力越小，輪子足形變量越小則阻力越小。

輪子在軌道上行走，一定會產(chǎn)生形變，圓輪子底部變成一條直線。如圖1所示。產(chǎn)生形變后如果需要輪子滾動，根據(jù)力偶平衡原則，滿足mg×f=F×D/2，即F/mg=2f/D，因此可取2f/D 為力偶滾動系數(shù)，其中，D 為輪子直徑，f 為滾動摩擦杠桿臂。

圖1 驅動輪變形量示意圖

根據(jù)行業(yè)使用經(jīng)驗，一般滾動摩擦杠桿臂按照表1選取。

表1 不同材質輪子滾動摩擦杠桿臂

AGV 一般采用聚氨酯包膠輪，直徑150 mm，滾動摩擦杠桿臂f取2 mm。

由表1可知，AGV滾動摩擦系數(shù)為μ=2f/D+0.005，綜上所述，采用聚氨酯包膠的AGV 驅動輪滾動摩擦系數(shù)μ=0.032。

3 AGV驅動輪結構設計

AGV 的差速驅動單元是差速驅動型AGV 的核心部件之一，隨著AGV 差速驅動單元的結構不斷變革，其避障結構的設計也不斷創(chuàng)新。文中設計的彈簧避障結構如圖2所示.伺服電機經(jīng)減速機變速后通過法蘭盤直接與包膠輪用螺釘連接，結構強度大，不易因受不平衡力產(chǎn)生分離。選用2軸沿軸線平行布置，利用直線軸承箱式單元與矩形彈簧實現(xiàn)表腳輪的上下直線運動，從而保證過凹凸不平地面時，輪組始終與地面接觸，并提供有效的正壓力，保證包膠輪不打滑。其配合關系如圖2所示，減速機與連接軸套、連接軸套與抱夾輪采用止口配螺釘結構，止口連接采用基孔制，配合關系為H7/f6。因需保證連接輪組沿導向軸軸向順利無卡滯滑動，輪架與T 型軸支座把合需保證其軸線平行度，故輪架與其接觸面需加工且保證平面度。連接輪組上下軸線的滑動選用的是直線軸承箱式單元，故其2光軸距離保證約±0.5 mm 即可，但無論如何安裝均需保證連接輪組沿光軸軸線無卡滯滑動。差速輪采用彈簧避障結構，極大加大了其越障能力，保證了車身的穩(wěn)定性，更適用于凹凸不平的地面。圖3為驅動輪彈簧避障結構爆炸圖。

圖2 驅動輪彈簧避障結構圖

圖3 驅動輪彈簧避障結構爆炸圖

對目前輕載荷（一般指載荷≤100 kg），其差速AGV 車體包含驅動輪組底盤、電源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、對接組件等4大部分。作為行走單元的差速輪組，其穩(wěn)定性決定了車體自身的對接精度，采用模塊化設計的差速輪組，在保證自身穩(wěn)定性的前提下，使得組裝變得更便捷與穩(wěn)定。

其驅動輪組底盤的穩(wěn)定性決定了使用場景，設計時可依照運載物料的重量及節(jié)拍需求，選取合適的驅動電機及減速機。對于模塊化的差速驅動單元底盤只需提供滿足性能摩擦力及彈簧避障功能即設計完成。

4 AGV驅動輪組的設計及依據(jù)

4.1 驅動輪設計思路

文中以伺服電機配備矩形彈簧，車身重量200 kg（輕負載一般車體重量），100 kg 輕負載搬運AGV，連續(xù)爬坡能力2°，額定速度60 m/min 為例，詳細概述AGV 驅動輪電機減速機的計算過程及彈簧選型設計。其主要設計參數(shù)依據(jù)見表2。

表2 伺服電機驅動AGV參數(shù)

AGV 小車行走在2°連續(xù)上坡時，其受力分析如圖4所示。

圖4 小車連續(xù)坡運行受力圖

小車負載100kg時，其重力G=（m1+m2）g=294 N；

重力分力F2=G×sinα=103 N；

摩擦力與小車給予地面正壓力及滾動摩擦系數(shù)有關，摩擦力f=μ×G×cosα=118 N；

小車勻速行走狀態(tài)下，其所需牽引力為摩擦力與重力分力之和，即F=f+F2=221 N；

驅動輪減速機減速比要求：i≤nπD/v=23.5，按照減速機廠家標準選取減速機減速比i=20。

此時AGV 小車實際最大運行速度Vmax=nπD/i=70.7 m/min；滿足設計需求。

單個減速機端所需輸出扭矩Tmin=F/N×（D/2/1000）=221/2×（150/2/1000）N·m=8.3 N·m；

單個伺服電機所需輸出扭矩T=Tmin/i=8.3/20 N·m=0.413 N·m。

一般情況下，對于運行設備均需留有一定安全裕度，故單個伺服電機實際所需輸出扭矩應滿足T0≥S·T=1.3×0.413 N·m=0.537 N·m。

從性價比上講，一般類型AGV 可選取國產(chǎn)伺服電機，伺服電機具有瞬時高倍數(shù)過載能力，對于車體原地旋轉、短時間過更大坡度更有優(yōu)勢。一般為了更快響應客戶，減少不必要的設計及失誤，可直接選用200 W 伺服電機，其額定扭矩為0.64 N·m，瞬時最大扭矩為1.92 N·m，滿足設計需求。

為保證AGV 小車沿連續(xù)坡面的正常行駛，不出現(xiàn)打滑、空轉現(xiàn)象，需要保證驅動輪有足夠的正壓力，一般將正壓力FN≥f/μ0=118/0.4 N=295 N。

所以不管選取何種彈簧，均需保證小車在坡面行駛或遇到凹坑時，均需要大于FN的正壓力，這樣即可保證差速輪組不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

4.2 驅動輪組彈簧作用

驅動輪組彈簧的存在保證了小車在坡面或凹坑工況下的正常行駛，為小車提供了輪組所需的正壓力，并起到避障減振的作用。一般來講，差速驅動單元的避障功能有三大作用。

（1）解決AGV 多個輪子的共同著地問題。實際應用中，2個差速驅動輪通常需要配合4個萬向腳輪，構成6輪底盤結構AGV 來使用，但難以使6個輪子同時與地面形成有效接觸。此時，就要利用2個驅動輪的減振特性，即實際安裝中，將驅動輪的安裝高度略低于其他4個腳輪，在AGV 自重的作用下，壓下驅動單元的減振彈簧，使4個腳輪和2個驅動輪共同接觸地面，同時應保證2個驅動輪與地面的充分接觸，以提供驅動所需的地面摩擦力。

（2）適應路面不平整的情況。上述分析中，在減振結構的作用下，2個驅動輪與地面形成彈性接觸，當路面高低不平時（一定范圍內），減振彈簧的作用力能夠始終壓著驅動輪使之隨著路面高低情況調整自身的高度，并保持與地面的良好接觸，避免了因路面不平整帶來的驅動輪懸空而不能提供驅動力的情況。

（3）保護驅動單元，增強車身穩(wěn)定性。AGV 行走過程中，因路面不平整或者運行軌跡上有障礙物，驅動輪與地面之間會產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象，減振結構可以緩解沖擊力對驅動單元的沖擊破壞，有效保護驅動單元并延長驅動單元的使用壽命，增強整個AGV 車身的導航和行走穩(wěn)定性。

4.3 驅動輪組模塊化設計優(yōu)點

采用模塊化驅動輪組設計，可使得溝通設計方案階段，大致獲取非標設計AGV 的輪廓，并可大大降低設計周期。設計時只需粗略估計整體重量，即可選型相應的驅動輪組，在此基礎上即可預測AGV 相對輪廓，便于方案溝通。

采用模塊化設計的差速驅動輪組AGV，其優(yōu)點如下。

（1）用經(jīng)過考驗的機械結構，可使得其底盤性能穩(wěn)定、結構簡單、成本低廉，并可保證裝配時的較高精度；

（2）模塊化設計可使得有限的產(chǎn)品品種和規(guī)格來最大限度又經(jīng)濟合理地滿足用戶的要求；

（3）模塊化設計應用大大降低設計生產(chǎn)采購周期，使得產(chǎn)品更快響應客戶需求。

5 差速AGV驅動輪的發(fā)展趨勢

隨著勞動力的下降以及自動化的進一步深入，工業(yè)車間搬運、分揀、運輸?shù)裙ぷ鲗锳GV 行業(yè)帶來高速蓬勃發(fā)展。盡管AGV 應用場景千變萬化，但驅動形式基本上高度統(tǒng)一。統(tǒng)一構思設計便于安裝、適用性強的驅動輪組會更快響應客戶需求，滿足設計人員的需求。

6 結束語

文中介紹的AGV 驅動輪組是將100 kg 負載內的輪組統(tǒng)一的設計構思，可廣泛應用于各種形式AGV小車上；標準模塊化輪組的設計也將是AGV 走向模組化設計的趨勢，在一定程度上滿足設計的快速響應。