摘要

AGV是一款自动导引运输车,应用广泛,尤其在智慧物流系统中更是必不可少的运输设备,随着机器人在各领域中的应用,将机器人集成到运输车上来实现多种复合功能,对提升AGV的行业竞争力显得尤为重要,通过对AGV和机器人集成应用的分析,设计一种复合型的AGV设备,不仅包含传统AGV的所有功能,而且增加具有多种功能的机器人和末端工具结构,增加分拣、搬运等多种复合功能,生产效率提高,真正实现自动物流的智能化升级改造。

1.前言

AGV,即"自动导引运输车，是现代工业自动化物流系统中的关键设备。伴随着物联网、云计算、大数据、移动互联网等新一代信息技术的蓬勃发展，智慧物流逐渐成为未来物流信息的发展方向，作为智慧物流中的核心设备，复合型 AGV 的设计研究是传统 AGV 设备应用升级的必经之路，可大幅度提升国内 AGV 应用的整体水平，有利于提升 AGV 的行业竞争力；可大幅度提升自动物流系统的生产效率和质量，拓宽AGV应用能力和应用领域。

2.AGV 技术基础

近几年，随着智慧物流概念的提出以及 AGV 技术的研发投入，AGV 设备的发展速度在稳步提升，但与国际水平还是有着明显的差距，需要各研究机构和企业的研发部门加强自主研发，引进和消化国外先进技术[1-2]。目前，国内 AGV 产品种类繁多，有：装配型 AGV 、搬运型 AGV、大负载 AGV；核心技术是专用的 AGV 控制软件、嵌入式 CAN 总线主控制器；不足：AGV设备功能单一，只能完成智慧物流下的搬运功能，国内外市场竞争加剧，迫切需要对 AGV主体结构进行设计和优化，并针对 AGV 的转型升级进行关键技术研究。因此，彻底改变传统AGV 应用模式，增加机器人搬运、分拣等复合功能，运营成本降低，生产节拍缩短，生产效率提高；将机器人机构系统与 AGV 技术深度融合，集搬运、分拣等多种复合功能与传统物流系统融为一体，实现自动物流的智能化升级。

3. 复合型 AGV 设备的总体组成

复合型 AGV 设备由两部分组成：磁条导引式 AGV 的整车和复合机械手[3]，如图 1。

图 1 复合型 AGV 模型图

4. 磁条导引式 AGV 的整车结构设计

AGV 是以特定的导航方式（磁条导航）结合以特定的运动方式（自旋、绕行、循迹、盲走、越障等）配合特定的上装形式（辊道对接、举升、挂接、货叉、夹抱、监视测量等）适应各种的环境（常规、污染、辐射、噪声、危险等）实现更优于人力作业的多种任务（高精度、耐疲劳）需求的智能移动机器人或智能集成系统。示意图 2 如下：

图 2 整车结构布局图

自动导引车(AGV)总体系统组成分为机械部分和控制部分，并结合动力部分为各装置供电[4]。机械系统主要由行走、操作、本体、控制、电源、安全装置等部分构成，如图 3：

图 3 搬运车的结构组成

4.1 行走部分

行走部分由车轮、电机、制动器、驱动装置、速度检测器（码盘等）和减速齿轮构成。车轮与地面的接触材料应为耐磨软质材料。电机和减速器配合以保证在允许位荷内的额定行走速度。制动器应在急停和切断电源时起作用。

4.2 操作部分

操作部分是 AGV 执行人工或自动任务的交互操作功能单元。AGV 必须具备手动操作功能，根据 AGV 不同的供电方式，可以在手动时连接辅助电源，但接线方式必须快建可靠，在连接或断开辅助电源时不需要切断 AGV 的控制电源。AGV 必须以简单的操作即可切换到手动操作模式，在手动操作模式下，AGV 应可以在符合要求的地面上进行人工控制的运动，人工操作使用 AGV 提供的操作面板或专用手控装置，手控装置要求必须可以脱离通讯网络独立操作。操作装置必须具备停止时的刹车功能，同时保证在允许负荷时的正常操作。AGV 操作部分必须提供完整的显示功能，显示内容需根据 AGV 的运行状态进行相应调整，在运动过程中能够显示状态数据，在维护过程中能够显示部件参数等．
AGV 必须提供脱离通讯网络的离线自动运行方式，在该种方式下 AGV 以单机为运行单元，在 AGV 上进行简单的人工操作即可沿设定的路线执行固定的任务。
AGV 的自动工作方式是 AGV 作为系统的组成部分进行运行的工作方式．AGV 是根据外部输送环境的指令运行的，在自动工作方式下，AGV 需服从外部设备的管理及指令分配，按指定的路线执行任务。

4.3 本体部分

AGV 本体必须保证在正常运行时产生的扭曲和变形足够小-避免发生功能障碍。本体覆盖物避免可能产生危险的形状，覆盖物具有坚固的结构。以防止与其他物品发生碰撞时产生功能故障。

4.4 控制部分

控制装置具有防振动功能，避免行走时产生的振动对设备造成损害或出现功能故障。操作面板应采用容易观察、容易操作的结构，避免操作人员产生误操作。

4.5 电源

如选择开放式交变磁场供电的方式，原则上应在无人的工作环境中使用，如 AGV 必须与人交互，制造商必须向用户提供电源生成磁场的相关安全数据。确保不对环境中的人员造成危害，并需在电源开放范围内作出明确标示。
如选择充自电池供电的方式，制造商必须根据用户的输送时间需求选择合适的电池及充电设备。
采用快速充电自池使用在线充电方式．在运行环境中保证一定的充电时间，可进行连续24 h 的工作。快速充电电池供电的大电流充电与运行平均时间比应达到 1：8。
采用免维护慢速充电电池．电池每次充满应保证至少连续工作 8H。

4.6 安全装置

接触障碍物缓冲器：防止自动引导车碰撞人或物时，产生伤害或故障。
接近检测装置根据现场应用的实际情况，用户可以选择激光测距扫描、红外区域漫反射、超声探测或不使用。
示警装置：示警装置由声音或警示灯提醒 AGV 周围的人及时发现正在接近的 AGV。
停车按钮，按下该按钮时 AGV 必须可靠停止运行，并可以通过简单人工操作快速恢复运行。

5. 运行阻力的计算

在研究 AGV 驱动动力学时，需要确定作用在 AGV 上的各种外力，包括驱动力和运行阻力[5]。AGV 在水平道路上等速行驶时必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。但是 AGV 刚起动时车轮所处的滑动状态对应的摩擦力为滑动摩擦力，在起动前必须先要克服静摩擦力，因为静摩擦系数是三者中最大的，对应的静摩擦力也是最大的，因此只要保证 AGV能起动，之后所面临的滚动阻力总是比静摩擦力小得多，因此计算 AGV 的起动阻力即可。
以符号 Ff表示最大静摩擦力，以符号 Fw表示空气阻力。
当 AGV 在坡道上行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡度阻力，以符号 Fi 表示。AGV 加速行驶需要克服的阻力称为加速阻力，以符号 Fj 表示。因此车辆运行的总阻力[6]为:

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj (1)

5.1 AGV 的静摩擦力的计算

Ff=μFn (2)
式中: μ—最大静摩擦系数，即车轮刚好滚动时所需的推力与对地面的正压力之比，即单位车辆重力刚好所需的推力。最大静摩擦系数由实验确定。它与路面的种类、行驶车速以及车轮的构造、材料等有关。由相关的参考资料可知，在一定范围内静摩擦系数随着正压力的增大而增大，并且与地面干湿程度有关，例如：在 24Kg 正压力下，干法测量，静摩擦系数μ在 0.4～0.6 之间，再考虑一定的余量下取静摩擦系数μ=0.7 进行计算，代入公式得静摩擦力为:
Ff=μFn=0.7×462=323.4N； (3)

5.2 加速阻力的计算

AGV 在加速行驶的过程中，需要克服其质量加速运动时的惯性力，即加速阻力 Fj；设 AGV 从原地起步经过的位移 S=lm 时，其车速达到 Vt＝0.4m/s则 AGV 的加速度为:a=(Vt²-Vo²)/2=0.16/2=0.08m²/s
故加速阻力为:
Fj=Ma=a×Fn/g=3.8N； (4)

5.3 坡度阻力的计算

AGV 工作场的道路状况一般较好，坡度较小，坡道角为α=2°，则坡道阻力为:
Fi=Mgsinα=Fnsinα=16N； (5)

5.4 空气阻力的计算

由于空气阻力 F=-KV，K 为空气阻力系数，计算公式为：K =ρV²CDA /2；式中,ρ为空气密度，V 为车速，CD 为气动阻力系数，A 为汽车迎风面积；则空气阻力正比于速度的三次方，AGV 小车不同于道路行驶的高速车辆，此次 AGV 的最高时速为 0.4m/s 并且 AGV 的迎风面积
也比较小，因此空气阻力对 AGV 行驶的影响可忽略不计。
因此 Fw=0N； (6)
根据 AGV 总的运行阻力公式知：
∑F=Ff+Fw+Fi+Fj=323.4+0+3.8+16=343.2N； (7)

6. 复合机械手末端工具结构设计

根据实际应用要求，设计专用的机器人末端工具，本例是柔性抓取装置，两手爪在气缸的驱动下，实现夹取长度的改变；手爪上可更换多种辅助工具，如 V 型块、吸盘等，可实现对不同形状规格的零件进行抓取，如下图：

图 4 柔性手爪

7 结论

在智慧物流概念下，设计此类型的复合型 AGV 设备，不仅包含传统 AGV 的所有功能，而且从运行阻力的计算结论来优化设计设备结构；与此同时增加具有多种功能的机器人和末端工具结构，增加分拣、搬运等多种复合功能，生产效率提高，智能化程度提升，实现自动物流的智能化升级改造。

参考文献

[1]李乐军，施业琼，韦宝秀.关于AGV及其在中国的应用与发展探析[J]， 科技资讯，2007:34；
[2]武启平，金亚萍，任平，查振元. 自动导航车（AGV）关键技术现状及其发展趋势述[J], 制造业自动化， 2013.05;
[3]周文军，吴有明. 基于AGV和工业机器人的智能搬运小车的研究[J], 装备制造技术，2016，（11）：1-2；
[4]林新英.磁导航AGV结构设计与控制策略[J].吉林化工大学学报，2019，（36）07：2；
[5]韩腾.AGV驱动与制动性能研究[D],昆明：昆明理工大学，2014:11；
[6]刘书婷.自动导航小车（AGV）驱动与导航系统的研究[D], 武汉：湖北工业大学，2011:23-25。