摘要

AGV 广泛应用于物流、制造业、安防巡检等领域，AGV 所使用的环境层面范围越来越广。如在制造业中使用，AGV 需要在两个以上的车间来回行驶，室内外的场景切换势必对 AGV 的环境适应性要求有所增加。在面对应用场景范围的扩大，AGV 的路面适应性能也愈加重要，目前，AGV 的减震浮动型式也各有不同。本文通过列举目前 AGV 常见的减震浮动结构类型，加以研究分析其减震的特性，以对 AGV 的悬挂浮动系统设计提供特性分析以及理论参考。

随着我国的制造业转型升级步伐的加快，机械自动化代替人工劳动力也成了当今的重点。相比以前，如今的物流及物料搬运形式已逐渐地由传统人工搬运转为智能自动搬运形式，AGV 已是目前国内制造业应用最广泛的搬运机器人之一。
AGV最早源于仓储物流，其中的应用环境条件比较良好，并且AGV的应用场地也有相关的标准定义。随着智能物流的飞速发展，AGV现已涉足制造业、港口搬运、安防巡检等领域，应用的领域范围扩大意味着运行场景的复杂度提升，因此，AGV的适应性能也应当提高。作为AGV的适应结构之一的减震浮动结构，目前，其结构形式繁多，对于不同的 AGV 底盘形式、承载量，减震浮动结构也不同。本文通过列举目前AGV 常见的减震浮动结构形式，加以研究分析其减震的特性，以对AGV 的悬挂浮动系统设计提供特性分析以及理论参考。

1 减震浮动结构的作用

大体上来说，AGV的减震浮动结构是要使AGV获得可以在复杂路面上行驶的性能，其具体发挥的作用：
(1)轮系共同着地。在AGV具有多轮的布局轮系中，为保证驱动轮着地，一般的想法是将驱动单元安装得比其他辅助轮凸出来以保证驱动轮的首先着地。但如此一来。辅助轮实际并没有与地面贴紧，导致更多的载荷施加到驱动单元上，降低了AGV的承载能力的同时，AGV的行驶稳定性也会降低。
那么，在上述的基础上，减震浮动结构使驱动单元具有上下压缩的自由度。如图1所示，在驱动轮外凸下，通过AGV的自重将驱动轮压至与辅助轮平齐。通过减震浮动结构来实现多轮共同着地问题，保证了AGV的驱动力外，辅助轮的着地也分担了一部分的承载。
(2)适应不平路面。在AGV的作业环境中，路面的不平会导致驱动轮悬空以致使AGV失去动力或被顶起。减震浮动结构中的弹簧会使驱动轮始终与地面贴紧，遇到凸起路面时，由于驱动单元的浮动性以及弹簧的可压缩性，可避免驱动单元带动AGV整体被顶起。弹簧的反作用力使驱动轮始终与地面贴紧，地面也时刻提供驱动轮支承力以保证具有足够的附着力，保证了AGV不会因路面不平而失去动力。

图1 AGV自重将驱动轮压至平齐

图2 浮动结构的路面适应性
(3)减缓冲击力。路面的不平以及行径方向的障碍物会对驱动单元造成冲击，而减震弹簧将其冲击吸收，有效缓解冲击力对驱动单元的破坏，延长驱动单元的使用寿命。

2 减震浮动结构的设计需求

为了保证减震浮动结构能发挥上述的具体功能，其结构的设计应当满足一定的条件，否则，会出现浮动刚度过大或过小所引起的功能失效。
现假定减震弹簧的所需刚度为k、路面起伏不平度为±δ、驱动轮安装外凸量为λ。那么，在分析减震浮动结构中，应当把AGV的作业路面状况分为三种来
具体分析：
(1)平地路面。平地路面是AGV作业时间最长的工况，此时，AGV应该保证所有轮子共同着地、各轮的承载在其额定承载范围内、驱动轮的附着力足以防止轮子打滑。
当AGV所处平地路面时，即驱动轮与其他辅助轮处于平齐状态，那么，此时的减震弹簧相当于被压缩了外凸量λ，此时，驱动轮与地面的作用力FN1为：
FN1 = (Δ+λ)·nk
式中，Δ为弹簧的安装预压量；n 为弹簧数量。
在承载上须满足：
FN1 ≤ Fmax1
FN2 ≤ Fmax2
FN2 = f(FN1,G)
式中，Fmax1驱动轮的额定负载；FN2平路上辅助轮的支承力；Fmax2为辅助轮的额定负载；G为AGV工作
整体重量；f(FN1,G)关于FN1和G的方程式，轮系结构的不同，其计算方程也不一样。
在驱动轮附着力 Ff上须满足：
Ff ＞ Fq
Ff = FN1·μ1
Fq = G·μ2
式中，Fq为AGV行走所需牵引力；μ1为驱动轮与地面的附着系数；μ2为AGV的滚动摩擦系数。
(2)凹陷路面。在凹陷路面中，为使驱动轮贴紧地面，减震弹簧会将驱动轮顶紧地面，此时，弹簧相比平地路面时形变量以及驱动轮的压力均变小，而其他辅助轮的压力变大。
从图 3 的几何关系可知，当 AGV 所处凹陷路面时，此时，减震弹簧的压缩量实际是外凸量与路面不平度之差，由此可见，驱动轮的外凸量必须大于路面不平度，
否则，在凹陷路面时驱动轮会处于悬空状态。
如果保证了AGV在平地中所有轮子共同着地且驱动轮的外凸量大于路面不平度，则AGV处于凹陷路面时所有轮子也必定共同着地，因此，需保证的是各轮的承载其承载范围内、驱动轮的附着力足以防止轮子打滑。
此时，驱动轮与地面的作用力FN1'为：
FN1 = (Δ+λ-δ)·nk
λ > δ

图3 凹陷路面时的弹簧形变量

相比平地路面和凹陷路面，弹簧形变量减少，则驱动轮负载变小而辅助轮负载变大。由于凹陷路面的工况频率低于平地路面，即辅助轮的大负载工作时间较短，
此时，辅助轮负载处于其极限负载范围内即可（如该工况频率较高，则须处于额定负载范围内），则减震浮动结构在承载上须满足：
FN1' ≤ Fmax1'
FN2' ≤ Fmax2'
FN2' = f(FN1',G)
式中，FN2'为凹陷路面上辅助轮的支承力;Fmax2'为辅助轮的极限负载;f(FN1',G)关于FN1'和G的方程式，轮系结构的不同，其计算方程也不一样。
在驱动轮附着力Ff'上须满足：
Ff' > Fq
Ff' = FN1'·μ1
(3)凸起路面。在凸起路面中，由于路面外凸将驱动单元的减震弹簧压缩，理论上减震弹簧的压缩量会大于平地时的弹簧压缩量。但如果弹簧在压缩过程的弹力已经足以支承 AGV 整体的重量时，那么，弹簧不再压缩，而是如同刚性连接一般将AGV整体顶起。如上述分析，此时，弹簧压缩量最大，因此驱动轮的负载最大。
为保证所有轮子共同着地，应保证凸起压缩弹簧时，弹簧的弹力不会将AGV整体支承起来，则驱动轮与地面的作用力FN1"须满足：
FN1" = (Δ+λ+δ)·nk
2FN1" < G [caption id="attachment_478" align="aligncenter" width="382"]

图4 凸起路面时的弹簧形变量[/caption]
凸起路面中，此时，驱动轮负载最大，辅助轮的负载最小。由于凸起路面的工况频率依然低于平地路面，驱动轮仅短时间承受大负载，所承载的负载处于其极限负载范围内即可。则减震浮动结构在承载上须满足：
FN1" ≤ Fmax1'
FN2" ≤ Fmax2'
FN2" = f(FN1",G)
式中，Fmax1'为驱动轮的极限负载;FN2"凸起路面
上辅助轮的支承力;f(FN1",G)关于FN1"和G的方程式，轮系结构的不同，其计算方程也不一样。
(4)综合条件。综合上述(1)、(2)、(3)3种工况下的条件，减震浮动结构需要满足的综合条件如下：
对于上述的综合条件，每项条件都可如上述分析构建起相关弹簧刚度的方程式以及范围不等式，通过刚度的多个范围条件，可确定出弹簧刚度在满足所有条件