一種重載型AGV的結構研究與設計

王 鶴，陳 浩，石 光

(1.天津馭金機器人科技有限公司 天津300381；2.天津機電職業技術學院 天津300354)

0 引 言

AGV(Automated Guided Vehicle)是智能制造的重要組成部分。AGV是含有電磁或光學等自動導航裝置，能夠沿預先設定的導航路徑行駛，具有安全保護和各種移載功能的物流機器人。工業應用中不需要駕駛員或操控人員的搬運車，以可充電的蓄電池為其動力來源，而且目前大部分 AGV已經使用能量密度更高的鋰離子電池組作為動力源。AGV一般可通過路徑規劃算法程序來控制行進路徑和行為，依靠電磁軌道所帶來的信號進行移動。如今AGV也可以依靠二維碼作為行進坐標來進行導航、坐標再確認，可以脫離原有的預設軌道運動。近幾年，人工智能部分技術用在 AGV領域，逐漸延伸出將視覺識別技術作為導航方式的技術基礎，通過視覺識別技術進行場景環境認知，建立模擬地圖完成 AGV路線規劃、障礙物躲避及工作指令特征識別等技術動作。AGV技術已經廣泛用于制造業和電商物流產業，隨著相關領域技術的日趨成熟，對 AGV的智能化程度及工作效率又提出了更高的要求[1]。

根據近幾年的市場規模數據，國內 AGV銷量和行業產值每年都以兩位數的比例進行復合式增長，國內 AGV市場規模已達到百億級規模。AGV應用領域占比情況中，以汽車工業領域占比最高，約為25%；其次為家電制造領域，約為 22%；第三為物流領域，占比約為 16%。前三領域占比超五成，達到60%以上。從這個統計數據數據不難看出，AGV目前主要批量用于制造業和智能物流行業，隨著《中國制造 2025》全面推進實施制造強國的戰略，未來制造業應用 AGV進行產業升級轉型和智能化改造會呈現爆發式增加，需求量將大增[2]。同時，我國的人口基數決定了國內消費基數，并且隨著國內人均收入的增加和生活水平的提高，內生消費動力還在不斷提高，我國電商和物流行業的發展水平和規模都是世界第一的，而且也會隨著國內消費的增長而持續增長，那么作為智能倉儲物流重要組成部分的 AGV，在電商物流行業也會呈現出不斷增長的剛性需求。

隨著智能裝備和智能技術的逐步推廣，AGV技術的應用領域不斷擴大，在公共設施巡檢、危險環境作業、港口搬運及智能停車領域也在不斷地探索應用。AGV不再單一作為搬運工具出現在應用場景，已經開始與多軸機械臂等動作單元、功能單元綜合應用，并作為柔性制造的一部分進行各類探索和應用研究[3]。隨著應用數量的增長、工作效率的提高和應用復雜性的提高，AGV的載重量已經開始成為技術瓶頸之一，市場需求和現有技術之間的矛盾日益凸顯。目前 AGV的額定負載一般在 2t以內，但是在重型機械制造、大型電商倉庫及特殊工作場景出現了很多載重2t以上的應用需求。隨著AGV負載的增加，車輛整體慣性也呈線性增長，對 AGV整體的安全性、靈活性和運行的穩定性都提出了更高的技術要求，本次項目研究團隊針對以上的技術難點逐一進行研發。

1 重載型AGV車體承載結構設計

在現有的技術中，AGV承載一般都在 2t以內，其中一個最主要原因是承重結構的限制，車體大部分都采用鈑金結構承重的設計方案，此類方案是通過將鋼板進行鈑金加工并增加部分承重拉筋、橫梁的方式來實現。如果想增加車體載重能力，就只能通過增加鋼板厚度、承重拉筋、橫梁排布密度和材料厚度的方式進行。但是由于受到通用鋼板的上限厚度限制及鈑金加工設備最大折彎厚度的限制，導致此類結構的承載上限無法順利達到 2t，且安全系數＞2.0的基礎設計要求。同時，此類方案也會大幅增加車體自重，不利于車輛的靈活運動。因此，研究團隊摒棄了此類設計思路，采用了工字鋼與方鋼焊接承重梁結構，如圖1、2所示，用鈑金件作為車體外殼的設計思路，解決了車體重負載工作下自身結構安全性的技術難題。

圖1 車體結構外形圖Fig.1 Outline drawing of vehicle body structure

在本次設計結構中，承重梁采用多根方鋼與工字鋼進行焊接，鈑金外殼在整體結構中不作為承重結構的輕量化設計。同時，此結構可以根據車輛外形尺寸的需要進行承重梁的尺寸放縮，但并不影響整體的承重性能。與現有技術相比，此方案不僅承載能力強，而且結構簡單、布局科學、成本低，極簡的結構設計即可達到承重設計要求[4]。

圖2 車體承重梁結構圖Fig.2 Structural diagram of vehicle body bearing beam

2 車體受力仿真分析

在車體承重結構設計完成后，需要對結構的承載能力進行更準確的評估，預估此結構在最大承重能力條件下受力情況與形變量的數據，從而進行結果安全性的判斷。在機械結構設計和評估過程中常用Solidworks中的SolidWorks Simulation系統進行結構力學有限元分析，該系統是與 Solidworks完全集成的設計分析系統，提供了應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析的集成工具。可以通過選定模擬材料、應力條件等因素比較精確地模擬出結構的受力和形變情況，并且提供詳細分析云圖[5]。

研究團隊應用此工具模擬設定整體承重結構受外力荷載為 5t，模擬指定車體材料為普通碳鋼，用軟件對該結構的受力進行仿真分析，結構的應力情況和位移的仿真結果云圖如圖3、4所示。根據仿真云圖可以看出在對承載結構施加 5t的荷載時，最大應力點位于車體對稱承載板內側，靠近車體外殼上面中心線位置，縱向承重梁及周邊區域應力較小。因此，結構設計采用左右對稱的 2組工字鋼作為承重梁結構可以抵消最大應力對結構的破壞，對整體承載的安全性有較大的提升作用。同時，最大應變位置出現在車體兩側邊緣，按照正常情況下的 AGV承載貨物的擺放原則看，不會將重載貨物偏離中心而擺放在車體邊緣，由此可以看出，此車體的承重結果設計是合理的。

圖3 應力仿真云圖Fig.3 Stress simulation cloud chart

圖4 位移仿真云圖Fig.4 Displacement simulation cloud chart

經過分析得到的對應應力和位移數據見表1。結構的最大應力約為鋼板安全應力的 20%，最大合位移為 0.0209mm，2組數據均在選取材料的允許范圍內，且車體變形對于整體的承載能力和運行能力沒有影響，可以得出此結構設計是安全可靠的結論。

表1 應力和位移的數據Tab.1 Stress and displacement data

3 防碰撞裝置設計

根據 AGV載重的技術要求，并且考慮到全車自重，整體總重量＞5.5t，那么車輛即使在低速運動時總體慣性動量已經非常大了，因此，重載型 AGV的運動安全性是在方案設計階段必須重點考慮的問題之一。在本次設計過程中，研究團隊在車體前方設計了2組紅外線傳感器用于車輛前進方向2～3m內的障礙物探測。當紅外傳感器感知到前方障礙物時，AGV將開始剎車減速防止碰撞。另外，考慮到紅外傳感器的工作原理，其只能發射線性紅外光束，對于車輛兩側障礙物無法進行感知，因此，在設計過程中增加了機械防碰撞觸碰杠，如圖5所示。觸碰杠與障礙物發生輕微觸碰時，觸碰杠壓迫彈簧并聯動彈簧后部的感應片發生位移，使感應片上方的光電傳感器發生感知變化，從而緊急制動，以防止重載 AGV與障礙物發生碰撞。光電傳感器的靈敏性和感應片在機構中的裝配精度決定了觸碰杠的機械制動性的敏感程度，同時也可以通過這2個參數進行敏感性的上下限度調整，從而實現輕微觸碰制度性和運行連續性的限度調整。

圖5 觸碰杠結構圖Fig.5 Touch bar structure diagram

4 減震輪系結構設計

根據AGV的載重技術要求，本次方案采用6輪設計組合，其中 4個支撐輪、2個驅動總成如圖6所示，4個支撐輪位于車輛承重結構兩根縱梁的端頭，通過固定板、腳輪支架最終與工字鋼縱梁進行剛性固定，2個驅動總成位于車體兩側對稱的中間位置，驅動總成由緊固螺栓通過安裝板直接連接在車體承重結構上，這樣的設計方案可以大幅增加輪系的載荷能力。同時，驅動總成自帶減震功能，在AGV行進過程中地面崎嶇不平時，AGV對稱的兩組驅動總成中的4個彈簧通過壓縮與回彈的往復過程對車體起到明顯的減震效果，只要驅動總成有足夠的正壓力即可保證車輛平穩的線性運動，并不會發生打滑或單輪離地的情況，從而保證 AGV運行的安全性。此項設計也是保證重載 AGV運行安全性和平穩性的關鍵技術之一[6]。

圖6 驅動總成結構圖Fig.6 Drive assembly structure diagram

5 結 語

本設計方案的重載型 AGV采用工字鋼方鋼作為承重梁的框架承重結構，增加了機械防碰撞制動機構和雙減震驅動總成的整體設計思路，將傳統 AGV承載能力從2t提升到5t，而且車體整體尺寸和外觀沒有發生巨大變化，保持了原有的車內箱體空間用于安裝電氣部件、動力電池組及其他元器件。此設計結構保持了原有 AGV的靈活性及使用場景的適用性，同時也為設計更大載重量的 AGV提供了一種研發方向。