差速AGV驅(qū)動輪設(shè)計(jì)

崔潔冰

（云科智能制造（沈陽）有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 差速輪介紹

差速輪型AGV 的結(jié)構(gòu)是車體左右兩側(cè)安裝差速輪作為驅(qū)動輪，其他為隨動輪，與雙舵輪型不同的是，差速輪不配置轉(zhuǎn)向電機(jī)，也就是說驅(qū)動輪本身并不能旋轉(zhuǎn)，而是完全靠內(nèi)外驅(qū)動輪之間的速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)是靈活性高，同樣可實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，但由于差速輪本身不具備轉(zhuǎn)向性，所以這種驅(qū)動類型的AGV 無法做到萬向橫移。

此外，差速輪型AGV 的結(jié)構(gòu)對電機(jī)和控制精度要求不高，因而成本相對低廉，憑借其尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，易于維護(hù)，價格優(yōu)廉等優(yōu)點(diǎn)，且能滿足前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、原地自旋功能，使得AGV 能滿足絕大部分工況。其缺點(diǎn)是差速輪對地面平整度要求苛刻，負(fù)重較輕，一般負(fù)載在1t 以下，且無法適應(yīng)精度要求過高的場合。其組成的差速輪型AGV 底盤，依照使用工況可作為平臺車使用，也可搭載滾筒式、皮帶式、鏈條式對接線體或搭載舉升式對接平臺，等等。人們熟悉的亞馬遜KIVA 機(jī)器人就是使用差速輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動方式搭載的絲杠式升降結(jié)構(gòu)。

2 滾動摩擦系數(shù)的選取

滾動摩擦系數(shù)一般考慮3個參數(shù)：①減速機(jī)滾動軸承的摩擦阻力系數(shù)，②輪子形變后的阻力系數(shù)，③輪緣摩擦系數(shù)。其中第一和第三部分占總體滾動摩擦系數(shù)較小，常用常數(shù)0.005折算計(jì)入；第二部分與輪子形變量、輪子直徑有關(guān)，從日常經(jīng)驗(yàn)可知，輪子直徑越大阻力越小，輪子足形變量越小則阻力越小。

輪子在軌道上行走，一定會產(chǎn)生形變，圓輪子底部變成一條直線。如圖1所示。產(chǎn)生形變后如果需要輪子滾動，根據(jù)力偶平衡原則，滿足mg×f=F×D/2，即F/mg=2f/D，因此可取2f/D 為力偶滾動系數(shù)，其中，D 為輪子直徑，f 為滾動摩擦杠桿臂。

圖1 驅(qū)動輪變形量示意圖

根據(jù)行業(yè)使用經(jīng)驗(yàn)，一般滾動摩擦杠桿臂按照表1選取。

表1 不同材質(zhì)輪子滾動摩擦杠桿臂

AGV 一般采用聚氨酯包膠輪，直徑150 mm，滾動摩擦杠桿臂f取2 mm。

由表1可知，AGV滾動摩擦系數(shù)為μ=2f/D+0.005，綜上所述，采用聚氨酯包膠的AGV 驅(qū)動輪滾動摩擦系數(shù)μ=0.032。

3 AGV驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AGV 的差速驅(qū)動單元是差速驅(qū)動型AGV 的核心部件之一，隨著AGV 差速驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)不斷變革，其避障結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也不斷創(chuàng)新。文中設(shè)計(jì)的彈簧避障結(jié)構(gòu)如圖2所示.伺服電機(jī)經(jīng)減速機(jī)變速后通過法蘭盤直接與包膠輪用螺釘連接，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，不易因受不平衡力產(chǎn)生分離。選用2軸沿軸線平行布置，利用直線軸承箱式單元與矩形彈簧實(shí)現(xiàn)表腳輪的上下直線運(yùn)動，從而保證過凹凸不平地面時，輪組始終與地面接觸，并提供有效的正壓力，保證包膠輪不打滑。其配合關(guān)系如圖2所示，減速機(jī)與連接軸套、連接軸套與抱夾輪采用止口配螺釘結(jié)構(gòu)，止口連接采用基孔制，配合關(guān)系為H7/f6。因需保證連接輪組沿導(dǎo)向軸軸向順利無卡滯滑動，輪架與T 型軸支座把合需保證其軸線平行度，故輪架與其接觸面需加工且保證平面度。連接輪組上下軸線的滑動選用的是直線軸承箱式單元，故其2光軸距離保證約±0.5 mm 即可，但無論如何安裝均需保證連接輪組沿光軸軸線無卡滯滑動。差速輪采用彈簧避障結(jié)構(gòu)，極大加大了其越障能力，保證了車身的穩(wěn)定性，更適用于凹凸不平的地面。圖3為驅(qū)動輪彈簧避障結(jié)構(gòu)爆炸圖。

圖2 驅(qū)動輪彈簧避障結(jié)構(gòu)圖

圖3 驅(qū)動輪彈簧避障結(jié)構(gòu)爆炸圖

對目前輕載荷（一般指載荷≤100 kg），其差速AGV 車體包含驅(qū)動輪組底盤、電源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、對接組件等4大部分。作為行走單元的差速輪組，其穩(wěn)定性決定了車體自身的對接精度，采用模塊化設(shè)計(jì)的差速輪組，在保證自身穩(wěn)定性的前提下，使得組裝變得更便捷與穩(wěn)定。

其驅(qū)動輪組底盤的穩(wěn)定性決定了使用場景，設(shè)計(jì)時可依照運(yùn)載物料的重量及節(jié)拍需求，選取合適的驅(qū)動電機(jī)及減速機(jī)。對于模塊化的差速驅(qū)動單元底盤只需提供滿足性能摩擦力及彈簧避障功能即設(shè)計(jì)完成。

4 AGV驅(qū)動輪組的設(shè)計(jì)及依據(jù)

4.1 驅(qū)動輪設(shè)計(jì)思路

文中以伺服電機(jī)配備矩形彈簧，車身重量200 kg（輕負(fù)載一般車體重量），100 kg 輕負(fù)載搬運(yùn)AGV，連續(xù)爬坡能力2°，額定速度60 m/min 為例，詳細(xì)概述AGV 驅(qū)動輪電機(jī)減速機(jī)的計(jì)算過程及彈簧選型設(shè)計(jì)。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)見表2。

表2 伺服電機(jī)驅(qū)動AGV參數(shù)

AGV 小車行走在2°連續(xù)上坡時，其受力分析如圖4所示。

圖4 小車連續(xù)坡運(yùn)行受力圖

小車負(fù)載100kg時，其重力G=（m1+m2）g=294 N；

重力分力F2=G×sinα=103 N；

摩擦力與小車給予地面正壓力及滾動摩擦系數(shù)有關(guān)，摩擦力f=μ×G×cosα=118 N；

小車勻速行走狀態(tài)下，其所需牽引力為摩擦力與重力分力之和，即F=f+F2=221 N；

驅(qū)動輪減速機(jī)減速比要求：i≤nπD/v=23.5，按照減速機(jī)廠家標(biāo)準(zhǔn)選取減速機(jī)減速比i=20。

此時AGV 小車實(shí)際最大運(yùn)行速度Vmax=nπD/i=70.7 m/min；滿足設(shè)計(jì)需求。

單個減速機(jī)端所需輸出扭矩Tmin=F/N×（D/2/1000）=221/2×（150/2/1000）N·m=8.3 N·m；

單個伺服電機(jī)所需輸出扭矩T=Tmin/i=8.3/20 N·m=0.413 N·m。

一般情況下，對于運(yùn)行設(shè)備均需留有一定安全裕度，故單個伺服電機(jī)實(shí)際所需輸出扭矩應(yīng)滿足T0≥S·T=1.3×0.413 N·m=0.537 N·m。

從性價比上講，一般類型AGV 可選取國產(chǎn)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)具有瞬時高倍數(shù)過載能力，對于車體原地旋轉(zhuǎn)、短時間過更大坡度更有優(yōu)勢。一般為了更快響應(yīng)客戶，減少不必要的設(shè)計(jì)及失誤，可直接選用200 W 伺服電機(jī)，其額定扭矩為0.64 N·m，瞬時最大扭矩為1.92 N·m，滿足設(shè)計(jì)需求。

為保證AGV 小車沿連續(xù)坡面的正常行駛，不出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，需要保證驅(qū)動輪有足夠的正壓力，一般將正壓力FN≥f/μ0=118/0.4 N=295 N。

所以不管選取何種彈簧，均需保證小車在坡面行駛或遇到凹坑時，均需要大于FN的正壓力，這樣即可保證差速輪組不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

4.2 驅(qū)動輪組彈簧作用

驅(qū)動輪組彈簧的存在保證了小車在坡面或凹坑工況下的正常行駛，為小車提供了輪組所需的正壓力，并起到避障減振的作用。一般來講，差速驅(qū)動單元的避障功能有三大作用。

（1）解決AGV 多個輪子的共同著地問題。實(shí)際應(yīng)用中，2個差速驅(qū)動輪通常需要配合4個萬向腳輪，構(gòu)成6輪底盤結(jié)構(gòu)AGV 來使用，但難以使6個輪子同時與地面形成有效接觸。此時，就要利用2個驅(qū)動輪的減振特性，即實(shí)際安裝中，將驅(qū)動輪的安裝高度略低于其他4個腳輪，在AGV 自重的作用下，壓下驅(qū)動單元的減振彈簧，使4個腳輪和2個驅(qū)動輪共同接觸地面，同時應(yīng)保證2個驅(qū)動輪與地面的充分接觸，以提供驅(qū)動所需的地面摩擦力。

（2）適應(yīng)路面不平整的情況。上述分析中，在減振結(jié)構(gòu)的作用下，2個驅(qū)動輪與地面形成彈性接觸，當(dāng)路面高低不平時（一定范圍內(nèi)），減振彈簧的作用力能夠始終壓著驅(qū)動輪使之隨著路面高低情況調(diào)整自身的高度，并保持與地面的良好接觸，避免了因路面不平整帶來的驅(qū)動輪懸空而不能提供驅(qū)動力的情況。

（3）保護(hù)驅(qū)動單元，增強(qiáng)車身穩(wěn)定性。AGV 行走過程中，因路面不平整或者運(yùn)行軌跡上有障礙物，驅(qū)動輪與地面之間會產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象，減振結(jié)構(gòu)可以緩解沖擊力對驅(qū)動單元的沖擊破壞，有效保護(hù)驅(qū)動單元并延長驅(qū)動單元的使用壽命，增強(qiáng)整個AGV 車身的導(dǎo)航和行走穩(wěn)定性。

4.3 驅(qū)動輪組模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

采用模塊化驅(qū)動輪組設(shè)計(jì)，可使得溝通設(shè)計(jì)方案階段，大致獲取非標(biāo)設(shè)計(jì)AGV 的輪廓，并可大大降低設(shè)計(jì)周期。設(shè)計(jì)時只需粗略估計(jì)整體重量，即可選型相應(yīng)的驅(qū)動輪組，在此基礎(chǔ)上即可預(yù)測AGV 相對輪廓，便于方案溝通。

采用模塊化設(shè)計(jì)的差速驅(qū)動輪組AGV，其優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）用經(jīng)過考驗(yàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可使得其底盤性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，并可保證裝配時的較高精度；

（2）模塊化設(shè)計(jì)可使得有限的產(chǎn)品品種和規(guī)格來最大限度又經(jīng)濟(jì)合理地滿足用戶的要求；

（3）模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用大大降低設(shè)計(jì)生產(chǎn)采購周期，使得產(chǎn)品更快響應(yīng)客戶需求。

5 差速AGV驅(qū)動輪的發(fā)展趨勢

隨著勞動力的下降以及自動化的進(jìn)一步深入，工業(yè)車間搬運(yùn)、分揀、運(yùn)輸?shù)裙ぷ鲗锳GV 行業(yè)帶來高速蓬勃發(fā)展。盡管AGV 應(yīng)用場景千變?nèi)f化，但驅(qū)動形式基本上高度統(tǒng)一。統(tǒng)一構(gòu)思設(shè)計(jì)便于安裝、適用性強(qiáng)的驅(qū)動輪組會更快響應(yīng)客戶需求，滿足設(shè)計(jì)人員的需求。

6 結(jié)束語

文中介紹的AGV 驅(qū)動輪組是將100 kg 負(fù)載內(nèi)的輪組統(tǒng)一的設(shè)計(jì)構(gòu)思，可廣泛應(yīng)用于各種形式AGV小車上；標(biāo)準(zhǔn)模塊化輪組的設(shè)計(jì)也將是AGV 走向模組化設(shè)計(jì)的趨勢，在一定程度上滿足設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)。