一種智能AGV 小車工裝系統設計研究

韓健睿，時 光，呂世霞，王學雷

（北京電子科技職業學院，北京 100176）

1 概述

AGV（Automated Guided Vehicle）小車又稱自動導引運輸車，是一種集機械、電子、控制、計算機、傳感器以及人工智能等多學科于一體的現代自動化裝備，已廣泛應用在自動化生產工廠、有毒有害環境、智能物流基地中，如汽車制造車間物料運送、焊接車間鋼板運輸、快遞分揀等作業[1-7]。現今AGV 小車大多功能單一，需搭配其它生產線和工業機器人才能完成高難度作業，本文將AGV 小車、碼垛機器人以及工裝平臺相結合設計了一種智能AGV 小車抓取工裝平臺，對制造業未來發展、提高設備功能性、提升設備工作效率等有著重要意義。

2 智能AGV 小車工裝系統介紹

本文以AGV 小車為平臺，將AGV 小車、碼垛機器人以及工裝平臺相結合設計了一種智能AGV 小車抓取工裝平臺，如圖 1 所示，使原AGV 小車功能得到增加，提高了生產效率。智能AGV 小車包括小車箱體、底盤、驅動輪、剪刀式減震結構；本文在 AGV 小車上側加裝一臺四自由度碼垛機器人，該機器人可實現三軸平移和繞Z 軸的轉動；在碼垛機器人末端加裝視覺系統，實現對工件位置的識別與定位；抓取工裝包括傳送帶和置物臺等裝置。

圖1 小車整體機械結構三維圖

2.1 車體結構設計

本文所設計的智能AGV 小車由驅動部分、減震部分、底部焊架、小車箱體、控制模塊、操作模塊等六部分組成，通過兩輪差速運轉。為提高AGV 小車行駛時車體橫向穩定性，將小車兩輪差速驅動部分安裝于小車中部，其他四個角安裝萬向輪輔助支撐車體，可實現小車原地轉圈、小角度轉彎、精確定位等功能。該智能AGV 小車使用減震性能較好的剪刀式減震結構，共4 根減震彈簧。底部焊架上安裝紅外光電傳感器、編碼器和激光雷達，可實現避障、行走距離定位和自主導航等功能。控制模塊和操作模塊由西門子S7-1200PLC 控制器、人機交互界面HMI、開關按鈕、三色指示燈等元器件組成，如圖2 所示。

圖2 小車結構三維圖

2.2 智能AGV 小車抓取工裝平臺

上述AGV 小車只能進行物料運輸，柔性和效率較低，需與其它設備相結合才能實現更智能化功能。為提高其智能性，在AGV 小車上平臺安裝抓取工裝平臺，抓取工裝平臺由四軸碼垛機器人、傳送帶、視覺系統、置物臺等構成，如圖3 所示。四軸碼垛機器人末端執行器可實現三維移動和繞Z 軸的轉動，在碼垛機器人末端執行器上安裝視覺系統，可實現對工件形狀、位置的識別，當小車運行至取料點時，通過碼垛機器人末端視覺系統對物料位置和形狀進行檢測，并且通過MODBUS 總線與主控PLC 進行通訊，實現數據交互，通過PLC 控制器實現對所需工件進行抓取，置物臺上可暫放工件或實現對工件的裝配操作；傳送帶可將工件按照一定順序傳送到其它工作站，為自動化生產工作站與工作站間銜接提供便捷。

3 智能AGV 小車工裝平臺控制系統

圖3 智能AGV 小車抓取工裝結構圖

智能AGV 小車抓取工裝平臺控制系統包括：PLC 控制模塊、激光雷達傳感器模塊、工業機器人控制模塊、視覺識別模塊等，如圖 4 所示。AGV 小車控制器選取西門子S7-1214PLC，S7-1214 PLC 搭配數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊，能夠滿足對系統運行穩定性要求，可實現對AGV 小車的自主運行和定位的控制；AGV 小車上方安裝的四軸碼垛機器人可完成貨物的靈活抓取和存放；碼垛機器人末端視覺系統可實現對物料的分類和位置識別。小車運行模塊由步進電機和編碼器構成，PLC 向步進電機驅動器發送運動命令，通過兩輪差速實現小車運行功能；小車避障系統采用激光雷達和紅外光電傳感器對障礙物進行識別，信號通過TCP 傳回至PLC 實現小車的避障運行；當小車準確到達指定位置后，通過視覺系統識別貨物位置，以保證機械手能夠準確抓取貨物，并分類擺放至置物臺或傳送帶上；傳送帶將碼垛機器人所拾取到的工件運送至相對應工作站。

圖4 智能AGV 小車抓取工裝平臺控制系統圖

3.1 AGV 小車驅動系統

傳統AGV 小車一般采用磁條導航，兩輪驅動，兩輪隨動，通過差速控制實現小車運動功能。本文設計的智能AGV 小車兩驅動輪采用步進電機驅動，兩驅動輪置于車中位置，車體四角采用萬向輪進行支撐與隨動，同時后置兩編碼器輪記錄小車整體運行方向，編碼器可對小車行駛路線進行校正、定位、反饋等。與傳統AGV 小車相比，本設計小車運行更加靈活，著地面積更大，適應道路更多，定位更加精準，偏離運行位置后可自動校正，提高了小車應用場景和運行靈敏度。

3.2 避障系統

激光雷達是一種通過發射激光束以探測目標位置、速度等特征量的雷達系統，其工作原理是向目標物體發射激光束，然后將反饋回來的信號與發射信號進行比較，進而獲得目標位置的關鍵信息，如距離、方位等參數。本文所設計的AGV 小車通過激光雷達可實現對小車運行方向上的障礙物等目標進行探測、跟蹤和識別。激光器將電脈沖變成光脈沖發射出去，當小車前方有障礙物時，光接收機把從障礙物反射回來的光脈沖還原成電脈沖，由TCP 傳輸至PLC 后對小車進行控制，小車同時搭配紅外光電傳感器可對小車四周物體進行掃描，從而實現小車轉向避障的操作。

4 結論

（1）本文設計了一種自動導航AGV 小車，該小車可按照一定路線自動運行、自主避障；AGV 小車上平臺加裝四軸碼垛機器人、傳送帶和置物臺，可實現對工件的自動識別、抓取、裝配、暫存、傳送等作業。

（2）對自主導航AGV 小車抓取工裝平臺控制系統進行了設計，通過PLC 向各執行部分輸送運動命令，實現對整個系統的運動控制。

（3）通過激光雷達和紅外光電傳感器對障礙物進行識別，并將信號通過TCP 傳送至PLC，實現小車的避障運行。

（4）上述自主導航AGV 小車工裝系統可廣泛應用于自動化工廠或自動化物流基地，對制造業未來發展有著重要意義。