AGV驅(qū)動(dòng)單元發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

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(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）是一種具有自動(dòng)導(dǎo)航功能，能夠按照設(shè)定的路線行駛實(shí)現(xiàn)物料的運(yùn)輸，并帶有安全保護(hù)裝置的自動(dòng)運(yùn)輸車[1]，屬于移動(dòng)機(jī)器人的一種。它的主要組成部分包括車體、驅(qū)動(dòng)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(guó)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(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)[2]，大大提高了工廠的自動(dòng)化和智能化水平。驅(qū)動(dòng)單元是AGV小車的核心部件之一，是AGV行走的動(dòng)力來(lái)源，其性能的優(yōu)劣直接決定了AGV的整體性能。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研技術(shù)人員在AGV驅(qū)動(dòng)單元方面的研究主要集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及動(dòng)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(chǎng)上得到了廣泛應(yīng)用。

1 AGV驅(qū)動(dòng)單元的組成與分類

驅(qū)動(dòng)單元作為AGV的驅(qū)動(dòng)裝置，主要包括電機(jī)（含驅(qū)動(dòng)器）、驅(qū)動(dòng)單元支架、傳動(dòng)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(dòng)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(lái)看，AGV驅(qū)動(dòng)單元可以分為舵輪驅(qū)動(dòng)單元、差速驅(qū)動(dòng)單元以及麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)單元。

舵輪驅(qū)動(dòng)單元是一種集成化、模塊化的驅(qū)動(dòng)裝置，同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向兩種功能，靈活性和承載能力強(qiáng)。常見的有立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)形式的舵輪驅(qū)動(dòng)單元。差速驅(qū)動(dòng)單元是一種經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)模組，在實(shí)際應(yīng)用中由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同軸并列構(gòu)成，因此通常又稱為雙輪差速驅(qū)動(dòng)單元。它的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能是通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度來(lái)實(shí)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(dòng)單元和獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)單元兩種。麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)單元是一種新型無(wú)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的全向驅(qū)動(dòng)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?zhàn)咏M成。輥?zhàn)虞S線與輪轂主線的夾角為45°，而輥?zhàn)颖旧硎菬o(wú)動(dòng)力的。在輪轂滾動(dòng)過(guò)程中，輥?zhàn)优c地面接觸也會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)多個(gè)輪子配合使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)AGV小車的全方位移動(dòng)。

2 AGV驅(qū)動(dòng)單元發(fā)展及應(yīng)用

2.1 舵輪驅(qū)動(dòng)單元

舵輪驅(qū)動(dòng)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(dòng)單元多以進(jìn)口形式從國(guó)外購(gòu)買，主要品牌有意大利CFR、馬路達(dá)以及德國(guó)夏波穆勒等。但是，此類驅(qū)動(dòng)單元價(jià)格昂貴，增加了AGV的成本。舵輪驅(qū)動(dòng)單元的國(guó)產(chǎn)化雖然起步較晚，但是經(jīng)過(guò)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(guó)產(chǎn)舵輪生產(chǎn)企業(yè)，如上海同毅、金陵智造、鳳凰動(dòng)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(guó)內(nèi)舵輪驅(qū)動(dòng)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(guó)產(chǎn)舵輪技術(shù)近來(lái)取得了較大進(jìn)步，但和國(guó)外相比還存在較大的差距，主要表現(xiàn)在機(jī)械傳動(dòng)效率承載能力和驅(qū)動(dòng)器兩個(gè)方面。

從應(yīng)用的AGV結(jié)構(gòu)上看，臥式舵輪驅(qū)動(dòng)單元具有結(jié)構(gòu)緊湊，高度低等優(yōu)點(diǎn)，因此多用于對(duì)AGV高度有特別要求的場(chǎng)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(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪和2個(gè)從動(dòng)輪組成，且驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向都由舵輪完成。三輪結(jié)構(gòu)可以保證每一個(gè)輪子都與地面有效接觸，驅(qū)動(dòng)輪不易打滑，對(duì)地面的適應(yīng)性強(qiáng)，適用的環(huán)境和場(chǎng)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(gè)舵輪和2個(gè)或4個(gè)從動(dòng)輪者組成。雙舵輪常見的布局形式有舵輪對(duì)角對(duì)稱布置和中間對(duì)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(duì)稱布置，但這種方式多見于雙輪差速驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)舵輪協(xié)調(diào)配合可以完成AGV的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，可以實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，靈活性強(qiáng)，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(duì)行走方向有特殊要求的場(chǎng)合。但是，為了保證驅(qū)動(dòng)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(gè)以上舵輪，可以進(jìn)一步增加AGV的驅(qū)動(dòng)力，提升AGV的牽引或運(yùn)輸能力。常見有4個(gè)舵輪組成四輪車型，或者4個(gè)舵輪和4個(gè)從動(dòng)輪構(gòu)成八輪車型。圖1（d）為4個(gè)舵輪驅(qū)動(dòng)布局形式。多舵輪行走系統(tǒng)同樣可以實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，且與前兩種行走系統(tǒng)相比承載能力更強(qiáng)，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(dòng)單元

相對(duì)于舵輪驅(qū)動(dòng)單元而言，差速驅(qū)動(dòng)單元技術(shù)門檻較低，相關(guān)研究也較多。雷川川運(yùn)用系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)理念，采用AGV驅(qū)動(dòng)單元與車體柔性連接的方式，設(shè)計(jì)了一種新型差速驅(qū)動(dòng)單元[6-7]。趙華東等運(yùn)用ANSYS軟件分析差速驅(qū)動(dòng)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(jì)理念，較為全面地研究了差速AGV驅(qū)動(dòng)單元[2,9]。蔣小龍對(duì)差速AGV驅(qū)動(dòng)單元常見的減震形式及其性能特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析[1]。吳律等設(shè)計(jì)了一種高載荷AGV模組，并運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)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(dòng)單元性能受自身及外界激勵(lì)的影響[10]。

雙輪差速驅(qū)動(dòng)單元多用于輕載AGV，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制難度相對(duì)較低、成本低，在各類經(jīng)濟(jì)型AGV上應(yīng)用廣泛。實(shí)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(dòng)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(dòng)單元一般安裝在車體前端，當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向和速度均相同時(shí)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退功能，轉(zhuǎn)向相同轉(zhuǎn)速不同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。在六輪行走系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)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(dú)立式差速驅(qū)動(dòng)單元的應(yīng)用，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立安裝；圖2（c）為整體式差速驅(qū)動(dòng)單元的應(yīng)用，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)一個(gè)中間裝置連接在一起，具有模塊化的優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用最廣泛。六輪行走系統(tǒng)布局中，兩端的萬(wàn)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置穩(wěn)定性好且載重能力強(qiáng)。AGV除了實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎等功能外，當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)速度相同、旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，還可通過(guò)原地旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)掉頭。此外，在一些負(fù)載較大的場(chǎng)合，也可使用兩組整體式差速驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成八輪車型，如圖2（d）所示。

圖2 差速驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)用布局

2.3 麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)單元

目前，對(duì)麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)單元的研究主要集中在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及相關(guān)應(yīng)用控制上。例如，王明明[11]和江夢(mèng)林[12]分別從不同角度對(duì)麥克納姆全向輪驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，研究了軌跡跟蹤控制問(wèn)題，提出了一種自適應(yīng)滑?？刂破鳎⑦M(jìn)行了仿真驗(yàn)證。許斌基于凱恩方法的麥克納姆輪進(jìn)行AGV動(dòng)力學(xué)建模及仿真[13]。劉威伯等運(yùn)用質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理、動(dòng)量矩定理等運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，分析麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，探究了其麥克納姆輪AGV整體機(jī)構(gòu)全方位運(yùn)動(dòng)的原理[14]。

從理論上分析，AGV小車集成3個(gè)及以上的麥克納姆輪就能夠?qū)崿F(xiàn)全向運(yùn)行，但是實(shí)際應(yīng)用中考慮運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等問(wèn)題，一般采用四輪麥輪作為全轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)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(guò)輪轂上的輥?zhàn)臃较騺?lái)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(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，可以方便實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，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(shí)，因?yàn)榕c地面的接觸面小，所以承載能力不如舵輪驅(qū)動(dòng)單元和差速驅(qū)動(dòng)單元，且易磨損。

圖3 麥克納姆輪應(yīng)用布局

3 AGV驅(qū)動(dòng)單元發(fā)展趨勢(shì)

AGV在工廠智能物流和智能倉(cāng)儲(chǔ)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)對(duì)AGV的性能要求越來(lái)越高。AGV驅(qū)動(dòng)單元作為AGV的核心部件之一，研究的重點(diǎn)是與整車的匹配性和可靠性，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化、集成化、專業(yè)化與系列化。相關(guān)AGV驅(qū)動(dòng)單元專業(yè)生產(chǎn)廠家應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)、轉(zhuǎn)向與導(dǎo)引為一體的驅(qū)動(dòng)單元模塊，進(jìn)一步促進(jìn)AGV的發(fā)展與應(yīng)用。