大跨度舉升重載AGV結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：重載AGV；自動(dòng)導(dǎo)向車；舵輪；減震；避障；舉升

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-0797（2025）13-0035-04

D0l：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.009

0 引言

重載物流設(shè)備按照功能分為存儲(chǔ)與搬運(yùn)兩大類，存儲(chǔ)設(shè)備主要是行車（又稱天車、橋式起重機(jī)）或巷道堆垛機(jī)（雙立柱或四立柱堆垛機(jī)），搬運(yùn)設(shè)備通常包括重載叉車、重載AGV、重載RGV（RailGuidedVehicle，有軌制導(dǎo)車輛）、大型輸送機(jī)（用于重量大的托盤貨物單元）1。近年來(lái)，隨著工廠物料自動(dòng)化搬運(yùn)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，重載AGV作為一種具有自動(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[2，得到了快速推廣和應(yīng)用。重載AGV以其靈活性、安全性及作業(yè)效率高等優(yōu)勢(shì)，很好地解決了搬運(yùn)超大超重物品存在的需要人力多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高等困難[3]。

本文以一種負(fù)載8t的大跨度舉升搬運(yùn)重載AGV為例，從結(jié)構(gòu)布局、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、防護(hù)機(jī)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，探索一種大跨度舉升重載AGV的設(shè)計(jì)思路。

AGV背負(fù)物料圖如圖1所示。

1 總體方案設(shè)計(jì)

AGV運(yùn)輸?shù)奈锪掀涑叽鐬殚L(zhǎng)9 150mm ，寬 4050mm 底部橫梁寬1 250mm ，高 1350mm ，重 8000kg? AGV能將該物料在車間庫(kù)位舉升托起后，側(cè)移至運(yùn)輸路線上，運(yùn)輸至組裝工位后，舉升機(jī)構(gòu)下降，AGV退出組裝工位。為滿足使用要求，AGV結(jié)構(gòu)需達(dá)到表1所示要求。

AGV結(jié)構(gòu)主要包括車體、輪系機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)等。其中，車體作為AGV的承載主體，為實(shí)現(xiàn)客戶物料的轉(zhuǎn)運(yùn)，需在有限的尺寸內(nèi)布局輪系、舉升機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)等，同時(shí)需要滿足強(qiáng)度要求；輪系結(jié)構(gòu)主要包含驅(qū)動(dòng)輪和輔助輪，驅(qū)動(dòng)輪的承載能力一般較弱，主要為AGV提供前進(jìn)、后退、側(cè)移等動(dòng)作力，此種應(yīng)用多在載重較輕的AGV結(jié)構(gòu)上使用；另一種結(jié)構(gòu)為舵輪主要作為驅(qū)動(dòng)輪，同時(shí)輔助萬(wàn)向輪作為負(fù)載輪來(lái)使用?？紤]本次車體負(fù)載較大，采用第二種結(jié)構(gòu)——雙舵輪加四輔助輪結(jié)構(gòu)。舵輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

的動(dòng)力，輔助輪能夠分擔(dān)AGV加上負(fù)載車架的重量；舉升機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中能將車架在庫(kù)位舉升至一定高度，脫離支撐點(diǎn)并到達(dá)目標(biāo)位置后，將物料放下，并不影響AGV的運(yùn)行干涉；安全防護(hù)主要負(fù)責(zé)AGV運(yùn)行過(guò)程中的避讓及觸碰停車，達(dá)到安全行駛的目的。AGV整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2輪系布局及舵輪結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)負(fù)載重量及尺寸要求，AGV采用雙舵輪前后布置，外加四輔助輪的結(jié)構(gòu)方式。AGV輪系布局如圖3所示。

2.1 舵輪整體結(jié)構(gòu)布局

舵輪是一種集驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、減速器等為一體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其輪內(nèi)含有兩個(gè)功能不同的電機(jī)，一個(gè)為牽引電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)或后退；另一個(gè)為航向電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)車輪以縱軸為原點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，控制整個(gè)車輪行進(jìn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)車體在不旋轉(zhuǎn)車身的情況下全方位式移動(dòng)[4]。

在實(shí)際應(yīng)用中，一種結(jié)構(gòu)是直接使用舵輪作為承載輪，同時(shí)也作為驅(qū)動(dòng)輪，受限于舵輪的負(fù)載能？

舵輪作為驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)AGV運(yùn)動(dòng)，必須有足夠的對(duì)地壓力，在運(yùn)行過(guò)程中要產(chǎn)生足夠的摩擦力才可以，在輔助輪著地的情況下，需要對(duì)舵輪通過(guò)彈簧進(jìn)行減震處理，保證舵輪一直保持對(duì)地壓力。

2.2 舵輪選型

AGV在運(yùn)行過(guò)程中，主要的阻力分為AGV自身重量產(chǎn)生的阻力 F_r. 背負(fù)的負(fù)載產(chǎn)生的阻力 F_a， 在坡道行駛產(chǎn)生的坡度阻力 F_b 以及起步時(shí)產(chǎn)生的加速阻力 F_c 。

F_a=m₂gf₁cosα

F_c=（m₁+m₂）[（V/60）/t]

式中： m₁ 為車身自重； m₂ 為負(fù)載重量； g 為重力加速度； f₁ 為腳輪與地面的摩擦系數(shù)； α 為爬坡角度； V 為最大速度； χ_t 為加速時(shí)間。

F₁=F_r+F_a

F₂=F_r+0.7F_a+F_b

F₃=F_r+F_a+F_c

式中： F₁ 為正常運(yùn)行總阻力； F₂ 為 70% 負(fù)載爬坡總阻力； F₃ 為平地起步總阻力。

取安全系數(shù)為1.2，因采用雙舵輪，則舵輪的驅(qū)動(dòng)力 F_n 需滿足：舵輪的驅(qū)動(dòng)力 F_nlgt;0.6F₁ ；舵輪的過(guò)載驅(qū)動(dòng)力 F_n2gt;0.6F₂ 。

車體參數(shù)如表2所示。

舵輪參數(shù)如表3所示。

2.3 舵輪減震力計(jì)算

為滿足AGV在空載及負(fù)載工況下正常運(yùn)行，防止運(yùn)行過(guò)程中舵輪打滑，舵輪的對(duì)地壓力產(chǎn)生的摩擦力需要達(dá)到以下要求：在空載工況下，車體重量可以將彈簧壓縮至輔助輪與地面接觸；在負(fù)載工況下，滿足舵輪帶動(dòng)AGV運(yùn)行產(chǎn)生的摩擦力。

單個(gè)AGV采用4個(gè)彈簧提供減震，需滿足：

F_tgt;F₂/（2×4×f₂）

式中： F_t 為單個(gè)減震彈簧在壓縮至與地面接觸時(shí)的壓力； f₂ 為舵輪與地面摩擦系數(shù)，取0.3。

換算得 F_tgt;3029N ，取 F_t=3 050N ，同時(shí)校核車體重量 m_lggt;8F_t， 滿足使用要求。

3 舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，舉升機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類型有剪叉式、鏈條式、蝸輪絲杠式及索驅(qū)動(dòng)式等，該AGV采用電機(jī)減速機(jī)帶動(dòng)蝸輪絲杠的形式。蝸輪蝸桿是一種特殊的齒輪組合，其中蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)。這種配置不僅能夠提供較高的減速比，還具有自我鎖定功能，即當(dāng)蝸桿試圖反向驅(qū)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自然地阻止這種運(yùn)動(dòng)。舉升機(jī)構(gòu)如圖5所示。

舉升力 （F） 為舉升機(jī)構(gòu)能夠負(fù)載的最大力。這個(gè)力受到以下因素影響：電機(jī)功率 （P） 、電機(jī)轉(zhuǎn)速 η（η_n） ！減速機(jī)減速比 、減速機(jī)效率 （η₁） 、蝸輪蝸桿減速比 （Π_i2） 、蝸輪蝸桿效率 （η₂） 、絲杠導(dǎo)程 （ρ_p） 。

電機(jī)扭矩 T₁ .

T₁=9549P/n

舉升力 F

F=T₁i₁i₂η₁η₂×2π/p

升降速度 （V） 通常表示為每分鐘舉升機(jī)移動(dòng)的距離。這個(gè)速度受到以下因素影響：電機(jī)轉(zhuǎn)速 、減速機(jī)減速比 （Π_i1） 、蝸輪蝸桿減速比 （ρ_i2） 、絲杠導(dǎo)程 （ρ_p） 。

升降速度V：

舉升機(jī)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

4 安全防護(hù)

安全防護(hù)避障主要包括非接觸式和接觸式兩種。非接觸式防撞是移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)非接觸式傳感器探測(cè)障礙物與本體的距離，根據(jù)距離調(diào)節(jié)速度，并實(shí)現(xiàn)停止保護(hù)，達(dá)到防撞的目的。接觸式防撞是通過(guò)接觸式傳感器感知障礙物，這種方式是沒(méi)有預(yù)見(jiàn)性的，直到接觸到障礙物才會(huì)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，不如非接觸式防撞安全，但不可或缺，這是保護(hù)的最后一道防線，不會(huì)被環(huán)境等因素干擾，當(dāng)非接觸式傳感器失靈時(shí)，它會(huì)保證移動(dòng)機(jī)器人不發(fā)生更嚴(yán)重的破壞[5]。

該AGV非接觸式避障采用激光避障，通過(guò)在一個(gè)平面上發(fā)射 270^° 激光束并接收從物體表面反射回來(lái)的激光來(lái)測(cè)量距離，根據(jù)物料尺寸，最大檢測(cè)距離達(dá) 10m ；接觸式避障采用安全觸邊的形式，安全觸邊是一種裝備有感應(yīng)裝置的彈性防護(hù)條，通常安裝于移動(dòng)機(jī)器人的邊緣位置。一旦遇到障礙物，首先會(huì)接觸到這一彈性防護(hù)條，后者因受力變形，不僅為障礙物及機(jī)器人本身提供了緩沖保護(hù)，同時(shí)也會(huì)擠壓內(nèi)部的傳感器，通過(guò)壓力感應(yīng)器或接觸開(kāi)關(guān)的形式發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，促使移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)入避障模式。通過(guò)在AGV周邊360°安裝安全觸邊，形成最后一道防護(hù)。

避障安裝如圖1、圖2及圖6所示。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)負(fù)載8t的大跨度舉升搬運(yùn)重載AGV的結(jié)構(gòu)分析，從以下幾個(gè)方面為重載AGV的設(shè)計(jì)提供了思路：

1）從輪系布局結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力、AGV彈簧減震力等方面進(jìn)行分析，提供了一種前后布置雙舵輪加四輔助輪的AGV底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)AGV的前進(jìn)、后退、側(cè)移全向動(dòng)作。

死角避障能力。

3）采用電機(jī)、減速機(jī)及蝸輪絲杠組合的舉升機(jī)構(gòu)，并布置四導(dǎo)向桿，以滿足物料的穩(wěn)定舉升；同時(shí)通過(guò)獨(dú)立的前后雙舉升機(jī)構(gòu)，突破了對(duì)于不規(guī)則長(zhǎng)跨度物料的搬運(yùn)限制。

[參考文獻(xiàn)]

[1］江宏.重載物流系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與市場(chǎng)發(fā)展概述[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2023，28（2）：100-103.

[2]蔣小龍.AGV差速驅(qū)動(dòng)單元的減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2017（1）：142-143.

[3]盧玉峰.重載AGV市場(chǎng)與技術(shù)發(fā)展概述[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2023，28（2）：110-113.

[4]樊建強(qiáng)，王亦敏，李凱麗，等.全向式舵輪移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2023（11）：31-33.

[5]侯霄.移動(dòng)機(jī)器人安全防撞技術(shù)探討[J].科技風(fēng)，2018（35）：91.

2）采用接觸式避障和非接觸式避障結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)AGV安全行駛的雙重防護(hù)，同時(shí)滿足 360^° 無(wú)