果蔬倉儲搬運的AGV小車機械結(jié)構(gòu)分析研究

任 培 華

(濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 262737)

智能果蔬倉儲管理中，果蔬的精準(zhǔn)搬運是重要環(huán)節(jié)，也是智能果蔬倉儲管理的關(guān)鍵，因此智能AGV小車以其靈活、便捷、安全、自動化程度高等優(yōu)勢備受青睞。AGV小車以電池供電，通過電磁等自動導(dǎo)引裝置，按照實際生產(chǎn)需求預(yù)先制定規(guī)劃路徑，在程序控制下或者沿電磁軌道精準(zhǔn)到達(dá)指定地點完成貨物搬運。智能AGV小車種類眾多，雖能自動、靈活、準(zhǔn)確地搬運貨物，但是在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能果蔬倉儲搬運過程中仍存在一定的問題，對環(huán)境的要求以及識別精準(zhǔn)度還有待提高?，F(xiàn)對智能AGV小車的各部分機械結(jié)構(gòu)進行對比分析，以進一步優(yōu)化設(shè)計方案，實現(xiàn)更高效的工作。

1 應(yīng)用特點分析

AGV小車自動化程度較高，能實現(xiàn)自動導(dǎo)引、自動充電、自動作業(yè)等果蔬搬運需求，有效解決了傳統(tǒng)果蔬倉儲管理的痛點，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化果蔬倉儲搬運中的重要工具。

1.1 自動化作業(yè)程度高

傳統(tǒng)的果蔬搬運都是人工完成，效率低，人工成本高，智能化程度低。而智能AGV小車不管是“貨找人”還是“人找貨”的方式，只需編制好程序，優(yōu)化好路線，果蔬會被自動搬運到指定地點，對企業(yè)來說省時省力，節(jié)省人工成本。

1.2 快捷安全，自動充電

智能AGV小車在搬運果蔬時具有快速安全準(zhǔn)確的優(yōu)勢，并具有一定的自我診斷能力，尤其是在電池充電問題上。當(dāng)診斷電量過低時，會自己到指定區(qū)域連接插座進行充電。因此在搬運過程中不用擔(dān)心因電量不足停止作業(yè)，同時也能對故障進行自動分析、自動診斷，并發(fā)出故障報警，進而得到及時處理。

1.3 自動識別接收信號

AGV小車智能化程度較高，能夠自動接收并分析命令指示，AGV小車接到作業(yè)命令后，會自己到達(dá)貨架，取出貨物后在導(dǎo)引裝置指引下，再按照規(guī)定路線或自動優(yōu)化路線搬運到指定地點，非常便捷。

1.4 精細(xì)化、柔性化程度高

AGV小車在物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境下能夠進行點對點果蔬自動存取，在具體的搬運過程中能夠接收命令自動進行數(shù)據(jù)處理，確保精準(zhǔn)高效，實現(xiàn)果蔬倉儲搬運的智能化和柔性化作業(yè)。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

AGV搬運小車種類較多，在智能果蔬倉儲搬運中常用的是背負(fù)式和托盤式，不管是哪種類型，他們的機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置和動力電機對于整個小車的運行性能至關(guān)重要，影響著其運行平穩(wěn)性，托載貨物的承重性等。

2.1 機械結(jié)構(gòu)整體分析

AGV搬運小車機械結(jié)構(gòu)主要包括底盤、車輪、聯(lián)軸器、蝸桿、滾動軸承、減速器、驅(qū)動電機等。

2.1.1 底盤

底盤是整個小車結(jié)構(gòu)的支撐，不僅要承受貨物的重量，還有自身車體的重量，因此底盤材料的強度和剛度以及尺寸設(shè)計尤為重要。結(jié)合果蔬倉儲搬運的特點，AGV搬運小車的底盤尺寸設(shè)計要與貨架尺寸相適應(yīng)。AGV小車在實際果蔬搬運過程中會有全方位360°方向變換要求，因此前后輪分別采用萬向輪和獨立的驅(qū)動輪，后輪驅(qū)動輪能夠?qū)崿F(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，前輪萬向輪可以實現(xiàn)360°轉(zhuǎn)向，并起到對整個車體的支撐平衡作用，使轉(zhuǎn)向更靈活，保證了貨物搬運過程中的平穩(wěn)性。

2.1.2 聯(lián)軸器

聯(lián)軸器主要采用安全聯(lián)軸器，是用來進行蝸桿和電機聯(lián)結(jié)的，聯(lián)軸器型號的選擇要與蝸桿軸和電機軸的尺寸相適應(yīng)。蝸桿、聯(lián)軸器和滾動軸承主要實現(xiàn)AGV小車機械傳動和聯(lián)結(jié)功能，強度要求比較高，也是AGV小車搬運果蔬過程中安全平穩(wěn)性能的保障。AGV搬運小車的動力裝置主要是驅(qū)動電機，電機輸出的動力通過減速器、聯(lián)軸器等傳動機構(gòu)，最后傳送給前后驅(qū)動輪，實現(xiàn)全方位運行。

2.2 驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置分析

AGV智能小車整車的行駛穩(wěn)定性是前提。要充分考慮前后車輪輪間距、同軸度、車體重心等因素對小車的影響。因此小車各機械結(jié)構(gòu)之間的相對位置及驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置的選擇至關(guān)重要。

2.2.1 機械結(jié)構(gòu)相對位置分析

AGV智能小車的轉(zhuǎn)向范圍及作業(yè)性能是由驅(qū)動輪之間的輪間距控制的。輪間距過大或過小，都會影響AGV智能小車的轉(zhuǎn)彎角度，使車體的轉(zhuǎn)向行駛受到限制。因此在設(shè)計輪間距時應(yīng)多方面考慮作業(yè)平穩(wěn)性、電源及驅(qū)動電機在車體中的配置位置以及前后輪是否在同一個平面上。

2.2.2 驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置分析

AGV小車還需要一個推動車體自由行進的裝置，為減少車輪與地面的摩擦，推動裝置采用輪式滾動機構(gòu)，更利于小車自由運行，其行駛靈活度取決于驅(qū)動轉(zhuǎn)向方式。驅(qū)動系統(tǒng)需能提供AGV小車在不同工作環(huán)境下的車輪轉(zhuǎn)速，確保小車正常運行，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是AGV小車能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向及繞軸旋轉(zhuǎn)的保障。常用的驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置有舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動、差速轉(zhuǎn)向驅(qū)動、全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動，可根據(jù)具體工作要求和工作環(huán)境進行分析選擇。

舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動裝置有單舵輪和雙舵輪兩種，單舵輪多為三輪車型，轉(zhuǎn)向驅(qū)動裝置僅有一個舵輪，搭配從動輪，控制AGV小車自由行使，結(jié)構(gòu)簡單成本低，但靈活性較差，轉(zhuǎn)向存在局限性；雙舵輪多為四輪及以上車型，轉(zhuǎn)向驅(qū)動裝置在車體前后各一個舵輪，搭配從動輪，實現(xiàn)360°行使，較單舵輪穩(wěn)定性好，但成本較高，且AGV小車作業(yè)中經(jīng)常需要兩個舵輪差動，需要相對復(fù)雜的運動控制。舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動適合于智能物流倉儲中牽引式或者叉車式小車對大噸位貨物的搬運。

差速轉(zhuǎn)向驅(qū)動裝置需要在AGV小車車體兩側(cè)分別安裝差速輪，差速輪不需要電機驅(qū)動，靠兩側(cè)驅(qū)動輪之間的速度差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，雖靈活性高，但不能做到萬向橫移。另外安裝差速輪成本低，但對地面平整度要求非常高，且負(fù)重要控制在1噸以下，適用于環(huán)境較好的電商、零售等倉儲。

全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動裝置是最為靈活的一種，小車安裝的所有車輪既是驅(qū)動輪又是轉(zhuǎn)向輪，并分別由電機單獨控制，從而最大化實現(xiàn)了AGV小車的全方位自由行駛，適用范圍較廣。全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動在智能果蔬倉儲搬運中不會受到貨架間狹小空間的限制，靈活度高，但是相對應(yīng)的控制算法難度較大，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

2.3 動力電機的選擇分析

電機是將電源提供的電能轉(zhuǎn)換為機械能帶動負(fù)載運行的一種驅(qū)動裝置，也是AGV智能小車驅(qū)動系統(tǒng)的重要部件。電機自身的機械特性及選用的減速裝置，是AGV小車驅(qū)動系統(tǒng)的核心，是整個車體運行速度和驅(qū)動性能的決定性因素。因此不同配置的小車、不同的工作要求和環(huán)境要求以及承載貨物重量的不同，使得AGV小車選用的電機也大不相同。AGV小車常選用的電機有直流有刷電機、直流無刷電機、直流伺服電機、步進電機四種，對四種電機進行整體性能分析，以做初步選擇[1]。

2.3.1 直流有刷電機

直流有刷電機內(nèi)部含有電刷裝置，通過電刷與外部電路相連，是所有電機的基礎(chǔ)。直流有刷電機不但啟動快、制動靈敏，而且調(diào)速范圍廣、調(diào)速平滑，控制電路相對簡單。但因電刷和換向器的存在，高速運轉(zhuǎn)中兩者摩擦?xí)a(chǎn)生火花，會帶來一定危險性，同時導(dǎo)致使用壽命縮短，后期檢修維護難。根據(jù)AGV小車運行工況，對于控制要求簡單且對電機功率要求低的工作環(huán)境，AGV小車可選用直流有刷電機。

2.3.2 直流無刷電機

為解決電刷換向存在的問題，直流無刷電機采用電子換向代替電刷換向，結(jié)構(gòu)上主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子上裝有永磁體，定子被扭曲成特定的極數(shù)，通過內(nèi)置霍爾傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)換向。直流無刷電機除需要專用控制器外，在效率、能耗、噪音等各方面優(yōu)勢都較為突出。

2.3.3 直流伺服電機

直流伺服電機是一種特殊控制電機，一般用作執(zhí)行元件，在自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。它需要專用的驅(qū)動器來實現(xiàn)驅(qū)動控制，將接收到的控制信號通過矢量控制算法轉(zhuǎn)換為角速度輸出，并通過霍爾傳感器或者編碼器檢測轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的任意停止。直流伺服電機不但效率高、響應(yīng)快，而且在運行過程中轉(zhuǎn)動平滑、噪聲小，因此常用在對精度要求較高的AGV小車中。

2.3.4 步進電機

步進電機是通過接收電脈沖信號來實現(xiàn)驅(qū)動控制的。它可將脈沖信號轉(zhuǎn)換成位移矢量，每接收一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一下，實現(xiàn)電機運轉(zhuǎn)。步進電機可以通過控制脈沖個數(shù)和脈沖頻率來改變角位移量和電機轉(zhuǎn)速，能起到調(diào)速作用[2]。

AGV智能小車在驅(qū)動電機選擇上，可以從精準(zhǔn)度、經(jīng)濟性、控制難易度等方面進行考慮，結(jié)合側(cè)重點選擇合適的電機。如精準(zhǔn)度要求高，可選用伺服電機，否則可選用無刷電機。

3 導(dǎo)引技術(shù)分析

AGV智能小車自動作業(yè)應(yīng)用的一項重要技術(shù)是導(dǎo)引技術(shù)，由小車內(nèi)傳感器來感應(yīng)小車相對周圍環(huán)境的相對位置，經(jīng)過反饋數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)AGV小車的自動導(dǎo)引行駛。目前普遍應(yīng)用的導(dǎo)航方式有電磁導(dǎo)航、磁條導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航[3]，可以根據(jù)智能果蔬倉儲的實際環(huán)境和具體建設(shè)成本等進行分析選擇。

3.1 電磁導(dǎo)航

電磁導(dǎo)航是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)。在規(guī)劃好的搬運路線地面下鋪好導(dǎo)電線，導(dǎo)電線通入三相交流電后會在周圍產(chǎn)生磁場，車內(nèi)傳感器就會通過感應(yīng)磁場信號強弱來辨別路徑，實現(xiàn)自動行駛。這種導(dǎo)航方式雖然規(guī)劃路徑導(dǎo)電線藏于地下，抗干擾能力較強，但是改變導(dǎo)電線路徑比較困難，線路故障排查維修成本也高。

3.2 磁條導(dǎo)航

與電磁導(dǎo)航不同的是，磁條導(dǎo)航需要借助AGV小車安裝的磁導(dǎo)航器，與沿規(guī)劃路徑鋪設(shè)在地面上的磁條發(fā)生感應(yīng)，根據(jù)磁感應(yīng)生成頻率來實現(xiàn)小車自動行駛。該導(dǎo)航方式鋪設(shè)磁條以及路徑變換更加靈活方便，故障檢測維修成本低，但是磁條露于地面之上，易損壞，使用周期短。

3.3 視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航智能性更高，它需要借助攝像頭獲取AGV智能小車周圍的圖像信息，并將其與數(shù)據(jù)庫里的圖像信息進行對比，通過對比信息判斷AGV智能

小車運行狀態(tài)，進而引導(dǎo)小車自動行駛。視覺導(dǎo)航智能化程度高，無需再鋪設(shè)任何東西，但較難建立實時更新且較全面的圖像庫信息，控制算法復(fù)雜，這也是目前人們在人工智能領(lǐng)域研究的熱點問題。

3.4 激光導(dǎo)航

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光導(dǎo)引在導(dǎo)引技術(shù)領(lǐng)域也日益凸顯，并將成為AGV導(dǎo)引控制技術(shù)的主流。激光導(dǎo)航需要在規(guī)劃路徑周圍放置反射板，在AGV小車頂端安裝激光掃描器[4]。小車運行過程中，激光掃描器會不斷的發(fā)出激光信號，經(jīng)反射板反射后再由小車接收，通過PLC控制算法來確定小車行駛位置，實現(xiàn)自動牽引。激光導(dǎo)航雖定位精準(zhǔn)靈活，但在物流倉儲中反射板易被貨物阻擋，影響信號收集，且成本較高，對空間環(huán)境要求嚴(yán)格。

3.5 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是通過陀螺儀對信號的檢測來進行方位判斷的，并對車的航程和轉(zhuǎn)向角速度進行計算，根據(jù)路徑區(qū)域內(nèi)的定位塊信號完成數(shù)據(jù)調(diào)整，實現(xiàn)小車的自動導(dǎo)引。它的優(yōu)勢是定位準(zhǔn)確，路徑靈活，但陀螺儀對振動敏感，實際應(yīng)用中會有行走誤差累積。

4 控制器選擇分析

AGV智能小車控制系統(tǒng)，是操控小車穩(wěn)定運行的“中樞”，而空調(diào)器又是控制系統(tǒng)的核心，因此選用合適的控制器，也是AGV小車工作穩(wěn)定和安全可靠的關(guān)鍵。由于智能果蔬倉儲搬運的AGV小車精準(zhǔn)度要求比較高，可根據(jù)實際需求選用可編程控制器和單片機作為控制中樞。

4.1 可編程控制器

可編程控制器(簡稱PLC)是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，通過編寫程序指令發(fā)出控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作命令，實現(xiàn)自動化控制。PLC可靠性較高、編程簡便、安裝容易、運行速度快，已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制中。如果設(shè)備需要更高的可靠性，應(yīng)對復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，可以選用PLC進行控制。

4.2 單片機

單片機是一種將 CPU、ROM、 RAM、計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及多種I/O 口、A/D轉(zhuǎn)化器等功能模塊集成在一起的集成電路芯片，通過程序編寫控制執(zhí)行操作命令實現(xiàn)自動化控制。單片機模塊集成度比較高，體積小，所需驅(qū)動電壓較低，并且功耗較小，實用可靠性較高。在儀器儀表、家用電器、機械設(shè)備自動化等行業(yè)得到了普遍使用。如果設(shè)備需要更高的智能化，更靈活的控制方式等可以選用單片機進行控制。

AGV智能搬運小車在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)果蔬倉儲中的應(yīng)用越來越廣泛，也是果蔬倉儲實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。它通過自動導(dǎo)引裝置準(zhǔn)確識別規(guī)劃路線，精準(zhǔn)完成果蔬搬運，大大減輕了人工勞動量的同時還提高了工作效率。AGV搬運小車還可根據(jù)放置果蔬貨架位置要求，靈活選擇優(yōu)化路徑，更好地體現(xiàn)了小車柔性化、智能化的優(yōu)勢。對AGV智能小車的主要組成結(jié)構(gòu)、引導(dǎo)技術(shù)、驅(qū)動電機等方面進行了對比分析，為后期進一步優(yōu)化AGV小車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案提供了理論依據(jù)。