RCGV標(biāo)準(zhǔn)化模組化設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用*

湯愛軍，諸進才，張建剛，鄭浩恩

（1.深圳市裕展精密科技有限公司，廣東 深圳 518110；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣州 510430）

0 引言

自動導(dǎo)引小車（Automated Guided Vehicle，AGV）是集機械、電子、控制、計算機、人工智能等技術(shù)于一體的自動化智能裝備，同屬于輪式移動機器人（Mobile Robot，MR）范疇[1]。相比傳統(tǒng)的物流線方式，及后來發(fā)展的“行走軸+機器人”的移動上下料方式[2]等，AGV 物流自動化無需在作業(yè)區(qū)為固定安裝的輔助裝置，如軌道、支座架等，不存在物流方案變更調(diào)整困難，維護操作空間窄小等問題，具有柔性好，自動化程度高等特點，廣泛應(yīng)用于倉儲物流和產(chǎn)線物流[3]。

自20 世紀(jì)50 年代世界上第一臺AGV 小車誕生后，AGV在各國科研人員的努力下，在驅(qū)動方式、導(dǎo)引方式、供電方式、系統(tǒng)控制及其應(yīng)用等方面不斷取得突破和發(fā)展[4-5]。這些研究更多是注重與AGV車體本身性能提升的研究，特別是導(dǎo)引方式及控制算法的優(yōu)化，但AGV 作為物流設(shè)備，要在智能制造生產(chǎn)車間發(fā)揮實效，必須依實際應(yīng)用場景需要設(shè)計開發(fā)，除了設(shè)計開發(fā)高導(dǎo)航和定位精度的車體，還要設(shè)計開發(fā)適用于AGV 服務(wù)于其他自動化設(shè)備的車載，AGV 車體與執(zhí)行機構(gòu)車載有效整合一體，實現(xiàn)與其他智能制造設(shè)備物料自動交換，甚至可直接完成自動化功能操作，提升效率，降低生產(chǎn)物流成本。隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”國家制造業(yè)強國國家發(fā)展戰(zhàn)略提出，以及當(dāng)前我國面臨人口老齡化、人口紅利逐漸消失、勞動力成本不斷上升等壓力，發(fā)展和拓寬AGV 在智能工廠和智能制造中的應(yīng)用推廣，對提升企業(yè)生產(chǎn)制造自動化水平，提高生產(chǎn)效率和競爭力，具有重要意義[6]。

1 RCGV概念

3C 產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來越快，而零件的日益復(fù)雜化和精度要求也不斷提高，對制造企業(yè)的生產(chǎn)提出了更高的要求：自動化、高精度、彈性和高效[7]。課題組依3C 行業(yè)制造產(chǎn)線物流連線自動化應(yīng)用需求特點，提出了RCGV（Robot-Carried Guided Vehicle）概念，即將Robot與AGV 進行技術(shù)整合，通過RCGV 車體實現(xiàn)物料自動運輸至目標(biāo)工站精確定位，再通過車載實現(xiàn)物料自動交換。文中Robot 是廣義的，既包括四軸及六軸工業(yè)機器人，也包括倒掛XYZtable 和各類客制物流線（皮帶線、滾筒線）等，實現(xiàn)生產(chǎn)物料，如產(chǎn)品、托盤、刀具等的自動運送交換。

設(shè)計開發(fā)的RCGV 通常包括車體、車載和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，如圖1 所示。車體為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的AGV 本體。車載，即為前述廣義Robot，安裝于AGV 上，為實現(xiàn)生產(chǎn)物料物流功能的功能模組。它采用模組化設(shè)計，可依需求而切換不同類型車載。控制系統(tǒng)包括AGV 車體控制系統(tǒng)，車載物料交換功能控制系統(tǒng)，以及智能MRS（Mobile Robot System）調(diào)度系統(tǒng)。

圖1 RCGV系統(tǒng)示意圖

2 RCGV設(shè)計

RCGV 設(shè)計，包括車體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)化設(shè)計、車載依應(yīng)用需求標(biāo)準(zhǔn)化模組化設(shè)計、激光導(dǎo)航設(shè)計、安全防護設(shè)計以及控制系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1 車體設(shè)計

AGV 按驅(qū)動方式一般分為三類：雙舵輪、單舵輪和差動輪[8]。設(shè)計開發(fā)的RCGV 優(yōu)選雙舵輪方案，如圖2 所示，在車體的前后各安裝一個驅(qū)動舵機。它是通過調(diào)整前后舵機的角度和速度，使RCGV 小車在不轉(zhuǎn)動車頭的情況下實現(xiàn)全方位轉(zhuǎn)向、平移和變道等動作，具有很高靈活性。車體4 個邊角安裝無動力萬向從動輪，起平衡和支撐作用，保證RCGV小車平穩(wěn)行駛。

圖2 車體雙舵機結(jié)構(gòu)示意圖

所設(shè)計開發(fā)的RCGV 驅(qū)動舵機如圖3 所示，其行走和轉(zhuǎn)向集成一體的驅(qū)動舵機，分別用直流伺服馬達和直流無刷馬達驅(qū)動實現(xiàn)行走和轉(zhuǎn)向。編碼器檢測馬達的轉(zhuǎn)動量，實時反饋給控制單元，控制單元通過計算得到車體行走速度和轉(zhuǎn)向角度，由控制器控制RCGV 的下一步動作。驅(qū)動舵機還設(shè)計了緩沖機構(gòu)，有效地適應(yīng)地面不平整性，確保驅(qū)動輪著地，不易打滑。

圖3 驅(qū)動單元示意圖

通過驅(qū)動力、慣量和應(yīng)力變形、振動頻率及抗傾翻穩(wěn)定性等工程分析，使RCGV 車體設(shè)計在滿足負載要求條件下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、堅固、可靠，還要滿足人機工程和科技外觀。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的車體，如圖1 所示。所設(shè)計的車體質(zhì)量為320 kg，行走驅(qū)動馬達選用400 W直流伺服電機驅(qū)動，減速機減速比為28，額定承載320 kg，額定行走速度0.8 m/s。

2.2 車載標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計

RCGV 的車體是負責(zé)以最優(yōu)的路徑實現(xiàn)點到點。RCGV到點后，要實現(xiàn)物料上下料或物料盤的堆棧交換，則由車載實現(xiàn)，即廣義Robot。課題組依RCGV 的應(yīng)用場合，設(shè)計開發(fā)了不同類型的車載，并把它們標(biāo)準(zhǔn)化模組化，如圖4（a）所示為以六軸機器人為主體的車載，搭配上下料手爪，實現(xiàn)CNC 自動上下料；如圖4（b）所示是以四軸機器人為主體的車載，搭配帶視覺定位補償?shù)氖肿Γ瑢崿F(xiàn)給CNC 派送刀把；如圖4（c）所示是以倒掛XYZ為主體的車載，搭配手爪，實現(xiàn)CNC 工站料盤自動交換；如圖4（d）所示是以滾筒線為主體，實現(xiàn)重物料成型料盤堆棧在工站間的自動交換；如圖4（e）所示是以皮帶線為主體，實現(xiàn)輕物料吸塑料盤堆棧在工站間的自動交換。這些車載功能，標(biāo)準(zhǔn)化模組設(shè)計，可依實際需求自由快速切換。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化模塊化車載

2.3 導(dǎo)航設(shè)計

自20 世紀(jì)50 年代初美國Basrret 設(shè)計制造出世界上第一臺AGV小車以來，AGV 技術(shù)得到很大的發(fā)展，尤其在導(dǎo)航技術(shù)上。根據(jù)導(dǎo)航原理，可分為固定路徑導(dǎo)航和自由路徑導(dǎo)航。固定路徑導(dǎo)航，是根據(jù)實際生產(chǎn)需要，提前規(guī)劃好AGV 行走路線，并在行走路線上預(yù)先設(shè)定導(dǎo)航媒介，AGV 在行走過程中，利用AGV 上的導(dǎo)航探測器，持續(xù)檢測導(dǎo)向信息，如磁場強度、光強度等，并對信息變化進行信息運算處理，確保AGV 沿著預(yù)定的路線行駛，這類導(dǎo)航方式主要有光學(xué)導(dǎo)航和電磁導(dǎo)航等[9]；而自由路徑導(dǎo)航，則是無需在AGV 行走路徑上鋪設(shè)導(dǎo)航媒介，AGV 依控制系統(tǒng)的運算決策最優(yōu)路徑行走，這類導(dǎo)航方式有激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航等[10-11]。

每種導(dǎo)航方式均有它的優(yōu)缺點，主要體現(xiàn)在對環(huán)境的適應(yīng)性、路徑更換的柔性、技術(shù)成熟度及成本等[12]。課題組選擇激光導(dǎo)航作為RCGV 導(dǎo)航方式，它的原理是在RCGV 上安裝激光導(dǎo)航儀，在行走路徑周邊按一定的規(guī)則要求安裝反光貼，在RCGV 行走過程中，激光發(fā)射端發(fā)射激光束，通過不斷旋轉(zhuǎn)，不停地向四周發(fā)射激光束，周邊的反光貼反射回激光，導(dǎo)航儀通過采集這些信號，并不斷利用三角幾何運算來確認RCGV 的當(dāng)前位置，并依DSP算法修正RCGV 行走。雖然激光導(dǎo)航成本較高，但它環(huán)境適應(yīng)性強，定位精度較高，路徑規(guī)劃柔性好，能快速適應(yīng)制程路徑變更，能很好地適應(yīng)3C行業(yè)少量多樣，制程依產(chǎn)品常變更的自動化柔性生產(chǎn)需求。

目前市場上激光導(dǎo)航AGV 常用SICKNAV350 激光掃描儀，SLAM 導(dǎo)航方式[13]，理論精度是±4 mm。但導(dǎo)航精度和定位精度對反光貼的布局有諸多要求。在工廠實際由于設(shè)備種類多，空間布局依制程緊湊布局，同類設(shè)備多以對稱布局，周圍還有較多水電氣等周邊管道，所以難以達到要求。并且由于動力驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)、地面狀況影響，RCGV 綜合導(dǎo)航及定位精度難以做到±10 mm。課題組創(chuàng)新地提出了雙激光掃描儀RCGV導(dǎo)航方式和精定位方案，即其中一個激光掃描儀，SICKNAV350安裝于RCGV 車頂，另一個激光掃描儀LMS111 安裝車體側(cè)面，如圖1所示。頂面激光掃描儀1#主要用于SLAM方式進行車間地圖構(gòu)建行走導(dǎo)航；反光柱固定于工作站邊角上，利用側(cè)面激光掃描儀2#，輔助反光柱進行RCGV對中精定位，提高RCGV的定位精度至±10 mm，滿足要求，如圖5所示。

圖5 RCGV精定位示意圖

2.4 安全防護設(shè)計

AGV 能夠高效可靠地檢測出周圍不明障礙物，是避障和安全防護技術(shù)的關(guān)鍵[14]。課題組設(shè)計開發(fā)的RCGV安全防護，采用機械式安全防護和非接觸式安全防護結(jié)合的雙重防護，如圖6所示。機械式安全防護為前后機械防護板，防護板帶導(dǎo)桿彈簧緩沖，并與接近感應(yīng)器相串接，機械防護板撞到物體受壓，導(dǎo)桿收縮，彈簧緩沖，接近感應(yīng)器觸發(fā)，系統(tǒng)緊急停止RCGV。而非接觸式避障感應(yīng)器，則采用SICK迷你檢測型紅外激光掃描器TIM320，安裝于RCGV對角，通過繪制一定的區(qū)域用于感應(yīng)停車，防止碰撞障礙物，實現(xiàn)RCGV360°無死角非接觸避障安全防護。

圖6 RCGV安全防護示意圖

2.5 控制系統(tǒng)

設(shè)計開發(fā)的RCGV及其在智能工廠應(yīng)用的控制系統(tǒng)架構(gòu)，如圖7所示。車體和車載機器人分別由2個控制器控制，車體是運動控制器（NUC） 搭配自主開發(fā)的GLC3AGV運動板卡控制，而車載機器人則由自主開發(fā)的機器人控制器控制。車體和車載通過交換機協(xié)調(diào)，并通過無線模塊和交換機與中控、CNC等工作站通訊協(xié)調(diào)調(diào)度工作[15]，并與SCADA系統(tǒng)對接，實現(xiàn)智能工廠內(nèi)RCGV與其他制程設(shè)備工作站及其自動化周邊的數(shù)據(jù)采集、分析及智能控制。

圖7 RCGV在智能工廠應(yīng)用控制架構(gòu)

3 RCGV應(yīng)用

為貫徹集團發(fā)展工業(yè)4.0 的政策，以工業(yè)4.0 標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)設(shè)計開發(fā)了觀瀾智能示范工廠，該項目導(dǎo)入設(shè)計開發(fā)的各類激光導(dǎo)引RCGV 12 臺，應(yīng)用于為CNC 一對二機器人自動上下料模組上下料盤，派送刀具，成型自動上下料工站輸送料，物流店面工站物料自動串接等，提高了物流自動化水平，提升了效率，降低了生產(chǎn)成本。同時，RCGV 中控系統(tǒng)，搭配CNC 智能控制SCADA 系統(tǒng)，實現(xiàn)CNC、刀具庫、物流店面、成型機和清洗機及上下料、物流線等各工站數(shù)據(jù)采集、分析和控制，達到智能工廠和智慧生產(chǎn)目的，具有良好的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化示范效應(yīng)和社會效益。如圖8為智能工廠一角，該智能工廠也于2019年1月10日入選世界經(jīng)濟論壇評選的“制造業(yè)燈塔工廠”[16]。

圖8 燈塔工廠一角

4 結(jié)束語

為適應(yīng)公司3C產(chǎn)品少量多樣、彈性生產(chǎn)制造等需求特點，標(biāo)準(zhǔn)化模組化設(shè)計開發(fā)了適用智能工廠物流自動化的各類激光導(dǎo)引RCGV。RCGV采用雙激光掃描儀導(dǎo)航和精定位方案，實現(xiàn)了±10 mm定位精度，并成功應(yīng)用于多個智能工廠自動化應(yīng)用。設(shè)計開發(fā)的RCGV是集團智能制造設(shè)備的重要組成部份，提升了生產(chǎn)制造效率和降低了生產(chǎn)物流成本。展望未來，伴隨集團智能制造的持續(xù)推進，設(shè)計開發(fā)的RCGV勢必會獲得更多的應(yīng)用機會，發(fā)揮更大的作用。項目組也將持續(xù)努力進行RCGV的優(yōu)化改善，包括優(yōu)化車體和車載結(jié)構(gòu)，減輕重量，降低高度，提升運行速度和車載交換物料速度，同時方便動力模組等快速維修和拆換。