基于麥克納姆輪技術(shù)的自動化引導(dǎo)車（AGV）設(shè)計

摘 要：【目的】設(shè)計一款能在復(fù)雜狹小空間內(nèi)靈活運動，且具有一定承載、搬運貨物能力的AGV小車。【方法】首先，將麥克納姆輪與AGV小車結(jié)合，利用麥克納姆輪獨特的全向移動特性，使小車實現(xiàn)任意方向、角度的轉(zhuǎn)動，從而輕松應(yīng)對各種復(fù)雜的運輸環(huán)境。其次，通過剪叉式機構(gòu)與絲杠螺母副相結(jié)合，同時加上輔助支撐的保險結(jié)構(gòu)，使AGV小車具有一定承載、搬運貨物的能力。最后，對AGV小車的電控系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計，通過精確控制電機、傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，保證對AGV小車實現(xiàn)精準(zhǔn)的控制?！窘Y(jié)果】麥克納姆輪與AGV小車的結(jié)合能夠使小車在各種復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的自動化搬運，剪叉式機構(gòu)與絲杠螺母副相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計能使小車具有運輸貨物的能力，電控系統(tǒng)則保證AGV小車的穩(wěn)定性?！窘Y(jié)論】基于麥克納姆輪的AGV小車能夠應(yīng)對復(fù)雜的工況，靈活地運輸貨物，極大程度上節(jié)約勞動力，節(jié)約成本，實現(xiàn)智能化。

關(guān)鍵詞：AGV小車；麥克納姆輪；結(jié)構(gòu)設(shè)計；控制系統(tǒng)；自動化

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）15-0031-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.007

Design and Research of Automated Guided Vehicle （AGV） Based on

Mecanum Wheel Technology

FENG Changye

（Baosteel Zhanjiang lron & Steel Co.， Ltd.， Zhanjiang 524000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to design an AGV car that can move flexibly in complex and narrow spaces， and have a certain load-bearing capacity and the ability to transport goods. [Methods] Firstly， combing the Mecanum Wheel with the AGV car， this paper utilizes the unique omnidirectional movement characteristics of the Mecanum Wheel to enable the car to move in any direction and rotate at any angle， thus easily coping with various complex transportation environments. Secondly， by combining the scissor type mechanism with the screw and nut pair， and adding an auxiliary support safety structure， the AGV car has a certain load-bearing capacity and the ability to handle goods. Finally， the electronic control system of the AGV car was analyzed and designed， ensuring precise control of the AGV car through precise control of key components such as motors， sensors， and navigation systems. [Findings] The combination of Mecanum Wheel and AGV carts enables efficient and accurate automated handling in various complex environments. The structural design of the scissor type mechanism combined with screw and nut pairs enables the carts to have the ability to transport goods. A reasonable electrical control system ensures the stability of the AGV car. [Conclusions] AGV cars based on Mecanum Wheel can cope with complex working conditions and flexibly transport goods， which greatly saves labor and costs， and realizes intelligent operation.

Keywords： AGV trolley; Mecanum wheel; structural design；control system； automation

0 引言

隨著全球化進(jìn)程的不斷發(fā)展和電子商務(wù)的迅速崛起，物流行業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機遇。作為支撐現(xiàn)代物流體系的核心環(huán)節(jié)，自動化、智能化技術(shù)的應(yīng)用成為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵［1-3］。其中，自動導(dǎo)引車作為物流行業(yè)中自動化領(lǐng)域的重要設(shè)備，其憑借高效、準(zhǔn)確、靈活的特性，已經(jīng)在倉庫管理、生產(chǎn)線配送、機場貨運等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出強大的應(yīng)用潛力［4-6］。

自動導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV）是一種配備電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引系統(tǒng)，能夠遵循設(shè)定的導(dǎo)引路徑進(jìn)行行駛，并具備安全保障和多種移載功能的運輸車。這種AGV小車可以在工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)無人駕駛，利用可充電的蓄電池作為動力來源，通過電腦進(jìn)行控制，指揮其移動方式和行為。具有自動移載裝置的AGV小車在控制系統(tǒng)的指揮下能夠自動地完成貨物的取、放及水平運行的全過程［7-11］。常見的AGV小車類型包括叉車式AGV，這種小車通常用于倉庫中的貨物搬運和存儲；搬運式AGV，這種小車通常具有較大的承載能力和穩(wěn)定性，適用于搬運重型貨物或大型設(shè)備；牽引式AGV，這種小車通常用于需要長距離運輸或需要與其他設(shè)備協(xié)同作業(yè)的場合，如機場行李牽引、生產(chǎn)線物料搬運等；無人駕駛式AGV，這種小車通過先進(jìn)的導(dǎo)航和感知技術(shù)，能夠自主導(dǎo)航、避障，并完成貨物的搬運任務(wù)［4，12-15］。因此，AGV在制造業(yè)、物流業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其可以提高物流效率，減少人力成本，提高生產(chǎn)自動化程度。

麥克納姆輪這一設(shè)計創(chuàng)新，是現(xiàn)代機器人技術(shù)的一大突破。麥克納姆輪的應(yīng)用為機器人技術(shù)帶來了革命性的變革，不僅提高了機器人的移動效率和靈活性，還使機器人在復(fù)雜的環(huán)境中具有更高的適應(yīng)性和穩(wěn)定性［16-17］。麥克納姆輪以其獨特的結(jié)構(gòu)和功能，為機器人和自動化設(shè)備提供了前所未有的全方位移動能力。在工業(yè)自動化、物流配送、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域，麥克納姆輪都發(fā)揮著重要作用，為人類的生產(chǎn)和生活帶來了極大的便利。因此，本研究將結(jié)合麥克納姆輪獨特的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計一款新型的AGV小車，使該小車在各種復(fù)雜環(huán)境中都能展現(xiàn)出卓越的靈活性和適應(yīng)性。

1 基于麥克納姆輪的AGV小車的總體設(shè)計

如圖1所示，基于麥克納姆輪的AGV小車的總體設(shè)計充分考慮了實際應(yīng)用場景的需求和性能特點。該AGV小車主要包括機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分。其中機械結(jié)構(gòu)中的運動系統(tǒng)由麥克納姆輪系統(tǒng)構(gòu)成，使AGV小車能夠?qū)崿F(xiàn)全方位移動，從而適應(yīng)各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境；搬運系統(tǒng)由剪叉式機構(gòu)與絲杠螺母副相結(jié)合，保證AGV小車具有一定的承載和取/卸貨物能力?？刂葡到y(tǒng)主要由電源、電機、傳感器及DSP控制主板構(gòu)成，保證AGV小車性能的可靠性。在總體設(shè)計中，本研究注重小車結(jié)構(gòu)的緊湊性、穩(wěn)定性及易用性，確保小車能夠在不同場景下高效、準(zhǔn)確地完成物料搬運任務(wù)，為物流行業(yè)的自動化和智能化發(fā)展提供有力的支持。

1.1 機械結(jié)構(gòu)

AGV小車的機械結(jié)構(gòu)由運動系統(tǒng)和搬運系統(tǒng)組成。首先，運動性能是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要一環(huán)。AGV小車的運動性能包括速度、加速度、轉(zhuǎn)向靈活性等。這些性能的提升不僅可以提高小車的運輸效率，還能使其更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的運行環(huán)境。基于麥克納姆輪的AGV小車機械結(jié)構(gòu)中的運動系統(tǒng)由麥克納姆輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輪子，以實現(xiàn)強大的運動性能。其次，AGV小車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮其承載和搬運貨物的能力。承載能力是指小車在運輸過程中所能承受的最大重量。對于承載能力要求較高的場景，如大型倉庫、重工業(yè)生產(chǎn)線等，剪叉式機構(gòu)運動平穩(wěn)、承載能力大等特點能滿足使用要求。最后，穩(wěn)定性也是AGV小車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個關(guān)鍵要素，不僅關(guān)系到小車在運輸過程中的安全性，還直接影響到小車運行效率。為了確保小車的穩(wěn)定性，需要綜合考慮小車的尺寸、重量和重心分布等因素。因此，將電機、電源等質(zhì)量較大的部件合理分布到小車底盤上，可以有效地提高小車的穩(wěn)定性。合理的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計可以確保小車在狹窄的空間中靈活運行，提高運輸效率，AGV小車的機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 控制系統(tǒng)

AGV小車的控制系統(tǒng)作為AGV小車的大腦，不僅控制著AGV的運動，還負(fù)責(zé)感知、決策等關(guān)鍵功能。首先，控制系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量直接決定了AGV小車的性能，而控制系統(tǒng)的設(shè)計要素之一就是運動控制。運動控制是AGV小車實現(xiàn)自動導(dǎo)航和搬運功能的基礎(chǔ)，通過DSP控制主板精確控制連接著麥克納姆輪和絲杠螺母副的電機轉(zhuǎn)速與方向，使AGV小車能夠在復(fù)雜的物流環(huán)境中準(zhǔn)確、高效地完成任務(wù)。其次，感知和決策也是控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵要素。AGV小車通過各類傳感器，如激光雷達(dá)、紅外傳感器等，實時獲取周圍環(huán)境的信息。同時，將獲取的信息反饋至DSP控制主板上，DSP控制主板則根據(jù)感知到的信息，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的規(guī)則和算法，做出正確的決策，如選擇最佳路徑、避免障礙物等。感知和決策系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到AGV小車在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)能力和智能化水平。

因此，面對復(fù)雜多變的物流環(huán)境，本研究目的是設(shè)計一款適應(yīng)性強、穩(wěn)定性高、運輸效率卓越的基于麥克納姆輪的AGV小車，以滿足現(xiàn)代物流運輸?shù)亩嘣枨??；邴溈思{姆輪AGV小車由基于麥克納姆輪的運動系統(tǒng)、基于剪叉式機構(gòu)的搬運系統(tǒng)構(gòu)成。同時，分析并設(shè)計合理的控制系統(tǒng)可以保證AGV小車的性能，確保小車在各種應(yīng)用場景中都能穩(wěn)定運行，實現(xiàn)高效、安全的物流運輸。

2 AGV小車機械結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)

2.1 運動系統(tǒng)

為保證AGV小車能在復(fù)雜狹窄的空間里靈活地運動，本次設(shè)計將麥克納姆輪與AGV小車相結(jié)合，借助麥克納姆輪強大的運動能力，實現(xiàn)AGV小車任意方向、角度的移動。

麥克納姆輪是一種由瑞典麥克納姆公司（Mecanum AB）發(fā)明的全方位移動輪子。這種輪子的控制原理基于其獨特的結(jié)構(gòu)和運動方式。麥克納姆輪的輪緣上斜向分布著許多小輪子，即輥子。這些輥子可以使輪子橫向滑移，從而實現(xiàn)全方位移動。當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，以各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，使輪子能夠連續(xù)地向前滾動。本研究設(shè)計的基于麥克納姆輪的AGV小車運動系統(tǒng)如圖3所示。該小車運輸系統(tǒng)由麥克納姆輪、電機和其相關(guān)箱體固定結(jié)構(gòu)構(gòu)成。每個麥克納姆輪都由單獨的電機連接控制，電機由單獨的箱體連接固定在底板上，底板與AGV小車上部分機械結(jié)構(gòu)留出空隙，便于小車控制系統(tǒng)的安裝。

麥克納姆輪的運動可以看作是三個基本運動的疊加：左右平移、前進(jìn)后退和旋轉(zhuǎn)。通過控制四個麥克納姆輪的轉(zhuǎn)速和方向，可以實現(xiàn)平臺的全方位移動。具體可以通過以下方式來控制麥克納姆輪。

①向前運動，如圖4（a）所示。使四個麥克納姆輪都以相同的速度和方向旋轉(zhuǎn)，相鄰的兩個麥克納姆輪產(chǎn)生的左右力相互抵消，兩輪均提供向前的動力，這樣AGV小車就會向前移動。

②向后運動，如圖4（b）所示。使四個麥克納姆輪都以相同的速度和相反的方向旋轉(zhuǎn)，相鄰的兩個麥克納姆輪產(chǎn)生的左右力相互抵消，兩輪均提供向后的動力這樣AGV小車就會向后移動。

③向右運動，如圖4（c）所示。使斜對角的兩個麥克納姆輪（1輪和4輪）以相同的速度順時針旋轉(zhuǎn)，而另一斜對角的兩個麥克納姆輪（2輪和3輪）以相反的速度旋轉(zhuǎn)，此時1輪和3輪一輪產(chǎn)生向前的力，一輪產(chǎn)生向后的力，前后力相互抵消，只留下向右的力。同樣2輪和4輪產(chǎn)生向后和向前的力相互抵消，只留下向右的力，這樣AGV小車就會向右移動。

④向左運動，如圖4（d）所示。使斜對角兩個麥克納姆輪（2輪和3輪）以相同的速度順時針旋轉(zhuǎn)，而另一斜對角的兩個麥克納姆輪（1輪和4輪）以相反的速度旋轉(zhuǎn)，此時2輪和4輪一輪產(chǎn)生向前的力，一輪產(chǎn)生向后的力，前后力相互抵消，只留下向左的力。同樣1輪和3輪產(chǎn)生向后和向前的力相互抵消，只留下向左的力，這樣AGV小車就會向左移動。

⑤順時針旋轉(zhuǎn)，如圖4（e）所示。使左側(cè)的兩個麥克納姆輪（1輪和3輪）以相同的速度旋轉(zhuǎn)，而右側(cè)的兩個麥克納姆輪（2輪和4輪）以相反的速度旋轉(zhuǎn)，此時斜對角的兩對輪（1輪和4輪、2輪和3輪）均會形成兩對順時針的力矩，這樣AGV小車就會順時針旋轉(zhuǎn)。

⑥逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖4（f）所示。使右側(cè)的兩個麥克納姆輪（2輪和4輪）以相同的速度旋轉(zhuǎn)，而左側(cè)的兩個麥克納姆輪（1輪和3輪）以相反的速度旋轉(zhuǎn)，此時斜對角的兩對輪（1輪和4輪、2輪和3輪）均會形成兩對逆時針的力矩，這樣AGV小車就會逆時針旋轉(zhuǎn)。

通過精確地控制每個麥克納姆輪的轉(zhuǎn)速和方向，可以實現(xiàn)AGV小車任意復(fù)雜運動的軌跡，如直線、曲線、弧線等。

2.2 搬運系統(tǒng)

為了保證AGV小車具有一定的承載能力和搬運貨物的能力，本次設(shè)計考慮將剪叉式升降機構(gòu)與AGV小車結(jié)合。剪叉式機構(gòu)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：結(jié)構(gòu)簡單，制作容易。這種機構(gòu)的設(shè)計相對簡單，制造和裝配起來都比較方便，可以降低生產(chǎn)成本和周期；運動平穩(wěn)，可以實現(xiàn)較大的升降行程。剪叉式機構(gòu)的運動軌跡是平滑的，因此在升降過程中可以保持平穩(wěn)，減少振動和沖擊。同時，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)較大的升降行程，滿足一些特殊場合的需求；承載能力大。由于剪叉式機構(gòu)在升降過程中可以提供均勻和穩(wěn)定的支撐，因此能夠承受較大的載荷，適用于需要重載的場合；占用空間小。剪叉式機構(gòu)在折疊狀態(tài)下占用空間較小，方便存放和運輸，適用于一些空間有限的場合［16］。

本次設(shè)計將絲杠螺母副、直線導(dǎo)軌及剪叉式機構(gòu)相結(jié)合。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，通過聯(lián)軸器帶動絲杠螺母副做直線運動，同時剪叉式機構(gòu)一端固定，一端與直線導(dǎo)軌和絲杠螺母副連接，實現(xiàn)剪叉式機構(gòu)的上下運動功能，AGV小車的升降承載如圖5所示。在剪叉機構(gòu)運動的一側(cè)，設(shè)計了一個隨剪叉式機構(gòu)上下運動的支撐保險機構(gòu)，既能在剪叉式機構(gòu)運動時分擔(dān)部分承載力，保持AGV小車的平衡，又能在電機突然斷電時提供保險作用，避免AGV小車在運輸過程中貨物突然墜落。

3 AGV小車控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)

3.1 電源系統(tǒng)

電源管理是電控系統(tǒng)的基石。穩(wěn)定的電源供應(yīng)對于保證電控系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。在選擇電源管理模塊時，需要著重考慮其質(zhì)量和穩(wěn)定性。高質(zhì)量的電源管理模塊能夠確保在各種工作條件下，如溫度波動、負(fù)載變化等，都能提供穩(wěn)定且準(zhǔn)確的電壓和電流。此外，為了提高電源的效率和可靠性，還應(yīng)考慮采用先進(jìn)的電源管理策略，如動態(tài)電壓調(diào)整、過流保護(hù)等。因此，本研究設(shè)計的基麥克納姆輪的AGV小車電源采用型號為3PZS240的鉛酸蓄電池，確保為AGV小車提供充足的動力。

3.2 電機系統(tǒng)

電機控制是電控系統(tǒng)的重要組成部分。電機是AGV的動力源，其控制精度和響應(yīng)速度直接影響AGV的運動性能和定位精度。為了實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的精確控制，需要運用先進(jìn)的控制算法，如PID控制、模糊控制等。同時，高效的驅(qū)動電路也是實現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵。通過優(yōu)化驅(qū)動電路設(shè)計，可以提高電機的驅(qū)動效率，降低能耗，并增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，本研究設(shè)計的基于麥克納姆輪的AGV小車采用型號為D8180-48-4000-20 s的無刷電機，額定電壓48 V、額定功率4 000 W。

3.3 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)是AGV小車實現(xiàn)自主導(dǎo)航、避障和定位等功能的關(guān)鍵。本研究選用激光雷達(dá)作為小車環(huán)境感知的主要工具。激光雷達(dá)以其測量結(jié)果的精確性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能夠覆蓋較大感知范圍的顯著優(yōu)勢，在眾多傳感器中脫穎而出。這些特性使得激光雷達(dá)能夠在AGV小車面臨多變、復(fù)雜的環(huán)境條件時，依然能夠?qū)崿F(xiàn)高精度導(dǎo)航與定位的要求。為了進(jìn)一步保障AGV小車的安全行駛和操作的可靠性，還配置了超聲波傳感器和紅外線傳感器作為輔助感知設(shè)備。通過多種傳感器的融合，AGV小車的導(dǎo)航和避障系統(tǒng)將更加穩(wěn)健，能夠適應(yīng)更加廣泛的工作環(huán)境和任務(wù)需求。

3.4 控制程序

數(shù)據(jù)處理是電控系統(tǒng)的重要組成部分。隨著物流、倉儲等行業(yè)的快速發(fā)展，自動化搬運設(shè)備的需求日益增長。作為其中的佼佼者，自動導(dǎo)引車（AGV）因其高效、準(zhǔn)確的特點得到了廣泛關(guān)注。AGV小車的運行離不開其核心程序的控制，而控制程序中的導(dǎo)航算法則是AGV小車能夠順暢運行的關(guān)鍵。AGV小車的控制程序是整個系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)小車的各項功能。在設(shè)計控制程序時，首先，要明確小車的運動方式，如差速驅(qū)動、全向輪驅(qū)動等。其次，根據(jù)小車的實際運行環(huán)境，設(shè)計合適的運動控制算法，確保小車能夠按照預(yù)設(shè)路徑準(zhǔn)確、穩(wěn)定地移動。最后，控制程序的設(shè)計還需考慮小車的速度控制、加速度控制及停車控制等方面，以確保小車的運行平穩(wěn)、安全。

3.4.1 導(dǎo)航算法的實現(xiàn)。導(dǎo)航算法是AGV小車能夠自主導(dǎo)航的關(guān)鍵。目前，常用的導(dǎo)航算法包括基于磁帶的導(dǎo)航、基于二維碼的導(dǎo)航、基于激光SLAM的導(dǎo)航及基于視覺SLAM的導(dǎo)航等［18］。這些算法各有優(yōu)缺點，需要根據(jù)小車的實際運行環(huán)境和需求選擇合適的導(dǎo)航方式。在實現(xiàn)導(dǎo)航算法時，需要確保算法的準(zhǔn)確性和實時性，以確保小車能夠準(zhǔn)確地找到目標(biāo)位置并按照最優(yōu)路徑行駛。

3.4.2 避障算法的應(yīng)用。避障算法是保障AGV小車安全運行的重要措施。當(dāng)小車在運行過程中遇到障礙物時，避障算法需要迅速作出反應(yīng)，指導(dǎo)小車避開障礙物并繼續(xù)前行。常見的避障算法包括基于規(guī)則的避障、基于勢場的避障及基于深度學(xué)習(xí)的避障等。在選擇避障算法時，需要綜合考慮小車的運行速度、障礙物的大小和形狀及運行環(huán)境等因素。同時，還需要對避障算法進(jìn)行充分的測試和優(yōu)化，以確保其在實際運行中的穩(wěn)定性和可靠性。傳感器是AGV感知外部環(huán)境的重要工具，其采集的數(shù)據(jù)是AGV進(jìn)行決策的重要依據(jù)。基于麥克納姆輪的AGV小車通過對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理和分析，提取有用的信息，為AGV的決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。此外，為了提高數(shù)據(jù)處理的速度和準(zhǔn)確性，還可以考慮采用高性能的數(shù)據(jù)處理芯片和先進(jìn)的算法。

4 結(jié)語

本研究通過麥克納姆輪與AGV小車相結(jié)合，設(shè)計了一款全新的AGV小車。該AGV小車憑借麥克納姆輪強大的運動能力，實現(xiàn)在復(fù)雜、狹小空間中的靈活移動。憑借剪叉式機構(gòu)及絲杠螺母副，保證AGV小車具有一定的承載能力和搬運貨物的能力。同時，對AGV小車的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計，保證AGV小車的性能和可靠性。通過本研究的分析與設(shè)計，該基于麥克納姆輪的AGV小車能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的自動化搬運，為物流、倉儲等行業(yè)帶來了巨大的便利和效益。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的不斷提升，還會有更加先進(jìn)、智能的AGV小車問世，為我們的生活和工作帶來更多的便利。

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