基于5G技術(shù)面向復(fù)雜環(huán)境重載移動機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

徐 斌，陳 友

（廣東嘉騰機(jī)器人自動化有限公司，佛山 528313）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展和港口自由貿(mào)易的發(fā)展，航空航天、高鐵建設(shè)、港口、機(jī)場、核工業(yè)、船舶、大型渦輪機(jī)、港口集裝箱運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展時期[1-6]。原有的拖掛車作業(yè)已經(jīng)滿足不了當(dāng)前各行各業(yè)的需求，因此，重載移動機(jī)器人（Automated Guided Vehicle）應(yīng)運(yùn)而生，它是一種裝有自動導(dǎo)引系統(tǒng)的搬運(yùn)設(shè)備，與傳統(tǒng)重載搬運(yùn)設(shè)備相比，具有安全性高、定位精確、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

在此背景下，許多國家和高校認(rèn)識到重載AGV的強(qiáng)大作用，國內(nèi)外投入了大量的人力物力來進(jìn)行研究和應(yīng)用，中國高校的學(xué)者對國內(nèi)外的重載運(yùn)輸車、牽引車進(jìn)行了深入的研究，也研究出了電動、混合動力的驅(qū)動系統(tǒng)[7-15]。

但是，在面對如上所述質(zhì)量較大的中大型工件以及港口集裝箱重載搬運(yùn)需求時，國內(nèi)傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人無法滿足要求，而選用國外機(jī)器人則成本較高。

目前市場的20 t及以上重載移動機(jī)器人售價(jià)均超百萬元，且大多數(shù)產(chǎn)品采用“單舵輪”設(shè)計(jì)，輪子磨損速度快、維護(hù)成本高；在移動機(jī)器人向重型和超重型（承載能力100 t以上）發(fā)展時，國內(nèi)尚無法提供高轉(zhuǎn)矩、低底盤、全轉(zhuǎn)向的驅(qū)動輪單元。

因此，研制可承受重載荷，運(yùn)行迅速、穩(wěn)定可靠的移動機(jī)器人迫在眉睫。

本文以載重80 t載荷的移動機(jī)器人為例，以差速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)20 t重載移動機(jī)器人舵輪，通過仿真計(jì)算對整機(jī)架構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)、研發(fā)多智能體協(xié)同感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對多種類型和多臺智能體同時進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航、協(xié)同定位、路徑規(guī)劃和任務(wù)處理。建立中國移動機(jī)器人行業(yè)5G通訊標(biāo)準(zhǔn)，處理重載移動機(jī)器人運(yùn)行過程中的海量數(shù)據(jù)。開發(fā)語義SLAM算法，為重載移動機(jī)器人提供環(huán)境的結(jié)構(gòu)信息和自身的位置信息。該重載移動機(jī)器人的創(chuàng)新研發(fā)，突破行業(yè)痛點(diǎn)、攻克“卡脖子”技術(shù)，有利于為國產(chǎn)機(jī)器人行業(yè)建立技術(shù)自信，助力打破全球工業(yè)機(jī)器人市場的壟斷格局。

1 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 重載移動機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)

載重80 t移動機(jī)器人的總體尺寸：7 160 mm（長）×4 006 mm（寬）×1 060 mm（高）；實(shí)現(xiàn)的功能為整個過程中移動機(jī)器人的運(yùn)動方式為前進(jìn)、后退、橫移、原地轉(zhuǎn)圈。

移動機(jī)器人采用“4組差速輪”的布置形式，如圖1～2所示。整個系統(tǒng)為差速輪配備一個車載控制器（VCU），通過VCU接收指令控制4組差速輪運(yùn)動。VCU集成多差速輪控制協(xié)同算法，能夠?qū)LC控制器發(fā)出的差速輪的移動速度v、轉(zhuǎn)向角度θ指令進(jìn)行求解運(yùn)算，得到各個差速輪的位姿狀態(tài)，控制差速輪及輔助輪按照設(shè)定速度和角度運(yùn)行，并將數(shù)據(jù)返回于PLC控制器中。

圖1 80 t重載移動機(jī)器人整機(jī)外觀

圖2 80 t重載移動機(jī)器人整機(jī)布局

1.2 重載移動機(jī)器人舵輪設(shè)計(jì)

目前市場的20 t及以上重載移動機(jī)器人售價(jià)均超百萬元，且大多數(shù)產(chǎn)品采用“舵輪”設(shè)計(jì)，輪子磨損速度快、維護(hù)成本高；在移動機(jī)器人全向重型和超重型（承載能力80 t以上）發(fā)展時，國內(nèi)尚無法提供高轉(zhuǎn)矩、低底盤、全轉(zhuǎn)向的驅(qū)動輪單元。

本文自主研發(fā)對稱式20 t重載舵輪，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動單元的360°旋轉(zhuǎn)，并以差速設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動輪的高耐磨和長壽命。如圖3所示。

圖3 20 t重載舵輪

1.3 重載移動機(jī)器人整機(jī)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

對載重量為80 t的重載移動機(jī)器人車架進(jìn)行焊接工藝的仿真模擬、有限元分析、尺寸優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化。首先，利用Simufact.welding焊接仿真軟件對車架縱梁進(jìn)行不同焊接順序的仿真模擬，如圖4所示，通過對比仿真模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，焊接順序?qū)附訙囟葓觥⒑附幼冃巍堄鄳?yīng)力有一定的影響；然后利用Hypermesh有限元分析軟件對車架進(jìn)行有限元分析，如圖5～6所示。其中包括有限元的建模過程：幾何清理、中面抽取、網(wǎng)格劃分及單元質(zhì)量檢查、材料屬性以及連接工藝的添加，并根據(jù)車架實(shí)際受力情況，對其進(jìn)行載荷邊界條件的確定以及工況的選取，接著對車架進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果可知，該車架滿足強(qiáng)度及剛度要求并具有輕量化空間；同時，該車架可以有效地避免共振。

圖4 80 t重載移動機(jī)器人整機(jī)車架

圖5 80 t重載移動機(jī)器人整機(jī)車架強(qiáng)度分析

圖6 80 t重載移動機(jī)器人整機(jī)車架剛度分析

2 行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車有4個差速驅(qū)動單元，每個驅(qū)動單元2個電機(jī)，共計(jì)8個電機(jī)，分別用8個CAN控制接口的電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動。每個驅(qū)動單元，安裝有CAN通信口的角度編碼器，用于檢測驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)向角度，共計(jì)4個角度編碼器。在重載移動機(jī)器人車身的前、后、左、右安裝有CAN通信接口的尋跡傳感器。

重載移動機(jī)器人主控器器，根據(jù)AGV要做的行走動作，計(jì)算出各個驅(qū)動器的目標(biāo)轉(zhuǎn)角，以及驅(qū)動器的行走速度，從而計(jì)算出各個電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，通過CAN總線，發(fā)送相應(yīng)指令給驅(qū)動器。重載移動機(jī)器人主控器，還會根據(jù)各個驅(qū)動器的角度編碼器反饋過來的數(shù)據(jù)，計(jì)算驅(qū)動的角度，如果跟“目標(biāo)轉(zhuǎn)角”有偏差，就會調(diào)整相應(yīng)驅(qū)動單元上的左、右驅(qū)動器的速度，通過差速調(diào)整驅(qū)動單元的角度，如圖7所示。

圖7 重載移動機(jī)器人控制框圖

各個驅(qū)動單元的電機(jī)速度，都需要精確計(jì)算的，特別是重載移動機(jī)器人在轉(zhuǎn)向的時候（在用手操器操作轉(zhuǎn)向，或者重載移動機(jī)器人在進(jìn)行磁尋跡引導(dǎo)，需要轉(zhuǎn)向的時候），各個驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)角是不同的，每個電機(jī)的行走速度也是不同的，需要精確計(jì)算。

由于是讓差速驅(qū)動單元，實(shí)現(xiàn)“舵輪的功能”，即不但能夠提供行走動力，還需要控制其轉(zhuǎn)向角度。

驅(qū)動單元的角度，是靠“驅(qū)動單元上左、右電機(jī)的速度差”實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的，安裝有角度編碼器，用于檢測角度。重載移動機(jī)器人控制器，會根據(jù)重載移動機(jī)器人行駛的動作要求，計(jì)算出，各個驅(qū)動單元的“目標(biāo)轉(zhuǎn)角”的。而重載移動機(jī)器人可能在行駛的過程中，驅(qū)動單元是可能會由于各種原因，轉(zhuǎn)向角度會出現(xiàn)偏差的，這個時候就需要主控器調(diào)整驅(qū)動器左、右電機(jī)的速度，讓驅(qū)動單元重新回到“目標(biāo)轉(zhuǎn)角”。也就是說，重載移動機(jī)器人主控器需要實(shí)現(xiàn)“驅(qū)動單元的角度閉環(huán)”，為了描述方便，稱之為驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)角跟隨功能。

驅(qū)動轉(zhuǎn)角的約定：驅(qū)動單元中軸跟車身中軸方向平行，此時驅(qū)動轉(zhuǎn)角為0°；右側(cè)，驅(qū)動轉(zhuǎn)角為0°～-135°；左側(cè)，驅(qū)動的轉(zhuǎn)角為0°～135°。順時針的時候，驅(qū)動的轉(zhuǎn)角值變小。

驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)角跟隨，分為“靜態(tài)跟隨”以及“動態(tài)跟隨”。當(dāng)重載移動機(jī)器人整車還處于行駛狀態(tài)，驅(qū)動單元的當(dāng)前轉(zhuǎn)角偏離目標(biāo)轉(zhuǎn)角的時候，是采用“動態(tài)跟隨”，即驅(qū)動單元的左右電機(jī)相對車身的運(yùn)轉(zhuǎn)方向一致（即跟車身運(yùn)動的方向力一致），通過左、右電機(jī)的速度差，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)角改變；當(dāng)重載移動機(jī)器人整車是處于停止?fàn)顟B(tài)時，由于驅(qū)動單元的目標(biāo)轉(zhuǎn)角改變，而需要跟隨的時候，會采用“靜態(tài)跟隨”，即驅(qū)動單元的左、右電機(jī)相對車身的運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反，從而讓驅(qū)動單元以“原地旋轉(zhuǎn)”的方式，改變驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)角。為了描述方便，約定重載移動機(jī)器人向HMI屏幕運(yùn)行發(fā)得方向?yàn)檎较颍粗疄榉捶较颉．?dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向，跟重載移動機(jī)器人正方向一致，那么此時電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 多個重載移動機(jī)器人協(xié)同感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多個重載移動機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)是一個能實(shí)現(xiàn)對多種類型和多臺重載移動機(jī)器人同時進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航、協(xié)同定位、路徑規(guī)劃和任務(wù)處理的控制系統(tǒng)，它是控制機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的核心控制軟件。多重載移動機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)可以通過接收客戶系統(tǒng)、呼叫盒、呼叫客戶端和點(diǎn)料系統(tǒng)等命令源發(fā)來的移動機(jī)器人任務(wù)指令，經(jīng)過任務(wù)分解、任務(wù)分配、移動機(jī)器人位置信息共享、協(xié)同定位等環(huán)節(jié)，最終通過控制移動機(jī)器人執(zhí)行一連串連續(xù)的操作以完成相應(yīng)的任務(wù)。為了保障安全，目前移動機(jī)器人運(yùn)行在提前設(shè)置好的路網(wǎng)上，如圖8所示，白色小框表示一臺重載移動機(jī)器人，黃色小方塊表示任務(wù)站點(diǎn)，紅色線條是表示重載移動機(jī)器人運(yùn)行的路徑。每個重載移動機(jī)器人實(shí)時通過5G網(wǎng)絡(luò)與云端系統(tǒng)以及其他重載移動機(jī)器人進(jìn)行信息共享。目前該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)50臺重載移動機(jī)器人協(xié)同完成任務(wù)，同時實(shí)現(xiàn)了多臺重載移動機(jī)器人和多臺叉車混合協(xié)同工作。

圖8 多智能體運(yùn)行路網(wǎng)

3.2 重載移動機(jī)器人語義SLAM算法

定位導(dǎo)航系統(tǒng)是重載移動機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，即時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術(shù)可以為重載移動機(jī)器人提供環(huán)境的結(jié)構(gòu)信息和自身的位置信息。自身的位置信息通過局部環(huán)境信息與全局地圖的比對而獲得，SLAM技術(shù)從幾何層面幫助機(jī)器人感知環(huán)境，SLAM算法解決重載移動機(jī)器人定位導(dǎo)航的問題。語義SLAM技術(shù)使得機(jī)器人不僅獲得環(huán)境的結(jié)構(gòu)信息，同時可以識別環(huán)境中獨(dú)立的個體，獲取個體的位姿、物理屬性、功能屬性等語義信息，即在地圖中識別出相應(yīng)的物體，并打標(biāo)簽，用于定位匹配。

重載移動機(jī)器人系統(tǒng)中的語義SLAM部分，目前的方案是由3D點(diǎn)云地圖構(gòu)建和目標(biāo)分割組成。3D點(diǎn)云地圖構(gòu)建的數(shù)據(jù)只要來源于多線激光雷達(dá)和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU），多線激光雷達(dá)提供大量的環(huán)境點(diǎn)云信息，IMU提供線加速和角速度。提取多線激光雷達(dá)的里程計(jì)因子、GPS因子、IMU的預(yù)計(jì)分因子和回環(huán)因子，采用因子圖優(yōu)化的方法得到機(jī)器人的全局一致的位姿，從而構(gòu)建整個地圖。重載移動機(jī)器人所運(yùn)行的工廠3D點(diǎn)云地圖如圖9所示。

圖9 工廠3D點(diǎn)云地圖

4 重載移動機(jī)器人信息傳輸?shù)脱訒r技術(shù)

重載移動機(jī)器人根據(jù)VLSAM遠(yuǎn)程計(jì)算和調(diào)度協(xié)同的需求，本文采用最新的5G技術(shù)來支撐。

（1）高速率要求

由于VLSAM傳感器獲取的視頻信息要傳輸?shù)皆朴?jì)算中心，進(jìn)行多角度視頻和多車視頻的融合處理，因此每臺AGV應(yīng)具備較高帶寬的傳輸能力。以每個攝像頭提供1 080 p/30 fps的h265編碼方案，需要4 Mb/s的帶寬。目前5G理論傳輸速率在1 Gb/s，當(dāng)前我們所采用的嘉騰5G智能網(wǎng)關(guān)可以提供最高500 Mb/s的下行速率和200 Mb/s的上行速率，單AGV理論上可以支持多達(dá)50個攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集和上傳。

（2）低延遲要求

由于AGV運(yùn)動過程中需要實(shí)時根據(jù)VSLAM的定位信息和障礙物狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動控制，故延遲要求較高。5G理論延遲在1 ms內(nèi)，但目前商用環(huán)境5G公網(wǎng)只能提供大約40 ms的延遲水平，專網(wǎng)環(huán)境可以提供10 ms以內(nèi)的保障。

（3）超高移動性要求

5G是移動通訊技術(shù)，理論上在時速500 km的場景下都可以運(yùn)行。但由于要保證較大的帶寬和低時延，在目前的商用環(huán)境中，測試過實(shí)際在100 km/h下，還能保持200 M的上下行速率和40 ms延遲。基本可以滿足重載AGV的運(yùn)行需要。

（4）海量接入要求

5G技術(shù)的理論接入能力是100萬個/km2，雖然重載移動機(jī)器人在單位面積內(nèi)不可能有這么大量的接入，但考慮到同一區(qū)域內(nèi)可能存在較多的其他無線設(shè)備接入，還是在一定程度上對大接入有要求。

嘉騰機(jī)器人公司針對重載移動機(jī)器人的5G通訊技術(shù)，在北京大學(xué)的牽頭下，首次在中國AGV行業(yè)建立5G通訊標(biāo)準(zhǔn)，如圖10所示。

圖10 中國AGV行業(yè)5G通訊標(biāo)準(zhǔn)證明

5 重載舵輪實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了實(shí)驗(yàn)20 t差速舵輪的承載能力和運(yùn)行可靠性，搭建了一個實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)平臺為三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，20 t差速舵輪在前面的中間位置，后面采用兩個固定輪輔助支撐。

在實(shí)驗(yàn)平臺上放置總質(zhì)量為30 t的負(fù)載鋼板和金屬塊，如圖11～12所示。實(shí)驗(yàn)平臺的負(fù)載運(yùn)行速度為36 m/min，兩種路況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，水泥平地和10°的斜坡，時間周期為7天。

圖11 負(fù)載30 t的實(shí)驗(yàn)平臺

圖12 在坡道行駛的30 t實(shí)驗(yàn)平臺

對稱式舵輪重載移動機(jī)器人舵輪試機(jī)結(jié)果：（1）重載移動機(jī)器人單組舵輪承載能力20 t，運(yùn)行速度0.6 m/s，定位精度小于或等于20 mm；（2）重載移動機(jī)器人采用4組輪組，可以滿足承載80 t的目標(biāo)要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明產(chǎn)品突破行業(yè)痛點(diǎn)、攻克“卡脖子”技術(shù)，國產(chǎn)機(jī)器人更加貼近國內(nèi)市場，具備開發(fā)成本低、響應(yīng)速度快等先天優(yōu)勢，在性能功能上實(shí)現(xiàn)差異化，激發(fā)增量市場，將成為國產(chǎn)品牌差異化競爭的關(guān)鍵。

6 結(jié)束語

以載重80 t的重載移動機(jī)器人作為研究對象，通過對整機(jī)結(jié)構(gòu)、舵輪、控制、導(dǎo)航等創(chuàng)新設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論。

（1）通過差速結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了20 t重載舵輪，結(jié)果顯示：該方法減少兩輪在轉(zhuǎn)向時對地面的磨損，延長其使用壽命。搭建30 t重載實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，20 t重載舵輪達(dá)到了載荷要求，而且定位精度小于20 mm。產(chǎn)品突破行業(yè)痛點(diǎn)、攻克“卡脖子”技術(shù)，有利于為國產(chǎn)機(jī)器人行業(yè)建立技術(shù)自信，助力打破全球工業(yè)機(jī)器人市場的壟斷格局。

（2）整機(jī)采用4組差速輪的形式布置，實(shí)現(xiàn)重載移動機(jī)器人的運(yùn)動方式為前進(jìn)、后退、橫移、原地轉(zhuǎn)圈。通過建立機(jī)架的三維模型，并對該模型進(jìn)行有限元等軟件進(jìn)行分析，仿真結(jié)果顯示整機(jī)機(jī)架焊接順序?qū)附訙囟葓觥⒑附幼冃巍堄鄳?yīng)力有一定的影響。

（3）首次在AGV行業(yè)建立中國AGV行業(yè)5G通訊標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)重載移動機(jī)器人低延時，以及海量數(shù)據(jù)的處理。

（4）語義SLAM對重載移動機(jī)器人室外運(yùn)行提供保障。

基于5G技術(shù)面向復(fù)雜環(huán)境的重載移動機(jī)器人，推進(jìn)了我國獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的智慧重載、高效、節(jié)能搬運(yùn)機(jī)器人裝備產(chǎn)業(yè)化，推動我國智慧重載移動機(jī)器人發(fā)展和應(yīng)用。