背负举升型智能物流小车

.前言1.1研究背景及意义随着科学技术的不断进步，智能系统已经在各个领域广泛应用。智能车辆技术也与时俱进、同步发展。智能车应用领域也在不断扩展，目前主要应用于物流运输、军事部门和空间采样等领域。智能小车简称AGV小车，是一种应用导航、通信、自动化控制的具有安全保护和多种移动载重功能的运输车。小车起初的目的是降低工人的劳动强度，随着社会的不断的发展，人们开始考虑如何提高劳动生产率，降低制造业的生产成本。由于智能小车具有行驶灵敏、效率高等特点，人们开始大量引进智能小车，不但提高了工厂的工作效率而且随着各种技术的突飞猛进智能小车发展成为一种多功能的复合小车，应用范围越来越广[1]。智能小车作为各行各业的理想运输工具，得到了越来越多的应用。目前已经有许多科研单位对智能小车不断深入研发，小车自动定位、自动引导控制技术成为研究领域的热点[2-5]。最具代表性的应用领域是智能运输系统，在该系统中车辆智能性能的进化具有非常大的意义，因此对智能小车结构及功能的提升进行深入的研究具有重要的理论和现实意义。1.2国内外发展现状和趋势于19世纪50年代初，人们致力于研究智能小车。当今社会，万象更新，概念类的此种产品层出不穷，目前已发展成为一种自动化物料运输设备。由美国Barrett公司自主研发的智能小车就是个例子。这种小车应用到工厂物料的装卸，降低工人劳动强度。十几年后，在欧洲出现了主要用于工业化生产的多种形式、不同水平的智能小车。德意志联邦大学曾研制出依靠机器视觉来实现车辆横向和纵向的VaMoRs智能原型车辆[6]；日本大阪大学的Shirai实验室曾研制出一种利用电位计和旋转编码器来获取小车转向角从而完成了智能小车的精确定位；荷兰鹿特丹港口工厂货物的运输采用一种装有Combiroad系统的智能小车来完成，该智能小车的导向技术采用的是磁性导航，该智能小车的研制有望将港口的货物运往各地。此外，对智能移动车辆有一定研究的机构还有英国国防研究处、韩国理工大学、美国麻省理工学院等。随着计算机技术的普及小车的控制系统更加先进，控制可靠性更高，使得智能小车的技术达到了更高的水平[7-9]。我国对智能小车的研制起步晚，开始着手智能小车的研究是在20世纪80年代，由于技术和经验的不足，大多研制的智能车辆功能都非常简单，但随着国内科学技术的发展，国内很多高校和企业都在自主研发智能小车，颇有成效。标志着我国开始自动引导车辆（AGV)的研制是沈阳自动化研究室研制的第一辆无人驾驶智能小车；北京起重机械研究所设计了第一台智能小车；北京邮政研究所研发出自动引导小车；天津理工学院曾研发出应用在核电项目的光学智能小车；20世纪90年代中期，清华大学曾研制出一种通过图像识别来实现自动导航的车辆；吉林大学曾研制出一种智能小车的模型，该智能小车能够实现自动无人驾驶。我国经过多年的研究对智能小车的研制取得了一定的成果，但是相比于欧美发达国家还存在一定的差距。取得的主要成果是：能够在高速路上以90km/h行驶的无人驾驶小车，该无人驾驶小车是国防科技大学和中国第一汽车集团公司在2003年研制的车辆；吉林大学曾研制出含有图像识别、制动、转向等功能的智能小车，小车的行驶速度可达到20km/h；配有激光雷达、彩色摄像机和导向定位仪的军用无人驾驶车，该车是由清华大学、北京理工大学、国防科技大学等高校联合研制的。目前我国已经加大了对智能小车的研发投入，智能小车的研制在一定程度上促进了我国自动化技术的创新发展。但智能小车还要依照自动化和标准化的要求，与监控设备和操控设备等组合，智能小车系统才能更好地发挥其优势[10-11]，所以智能小车的技术在未来一定会有一个高速发展的时期。1.3研究的目的和主要内容 论文研究的主要目的是通过对小车车体结构、举升装置结构、运动学原理等的研究，设计出一种具有单道行驶、行走平稳，可潜伏到工装车下自动升降挂接或脱落料车的背负举升型智能物流小车。通过对其控制系统的研究，使小车的控制系统更加稳定，确保小车可以完成规定的任务。为以后更深入的研究提供参考。主要内容如下：第一章，大概论述了本课题研究的目的和意义，对国内外研究现状进行分析，结合现状介绍了本论文的主要研究内容，为后面论文做了整体规划。第二章，对智能小车的关键技术进行研究，分析了AGV系统的功能要求及基本参数，确定了小车的导引采用二维码导引技术，小车的驱动转向技术采用差速转向驱动。结合实际的资源条件最后对小车的电源技术进行阐述。第三章，对背负举升型智能物流小车的整体结构进行设计。并对整车结构外形、驱动机构、举升机构进行设计绘制其三维模型。第四章，对背负举升型智能物流小车的关键部件选型，并对关键部件驱动轮及底盘和底盘支架进行受力分析。第五章，结论，对论文的主要研究工作和结论进行总结，提出研究需要进一步改进的地方，对背负举升型智能物流小车的下一步研究设计做出展望。2.智能小车的关键技术2.1智能小车的功能要求智能小车属于移动机器人，是一个结构非常复杂的综合系统。不但具备前进、倒退、转弯、原地旋转的功能，而且还要有避障、过载保护、目标任务分析、异常报警等行为特点。根据实际工作环境的需求，本设计中的背负举升型智能物流小车应具有以下特点：（1）单道行驶，行走平稳，速度可以调节。（2）机械结构布局紧凑，能实现平稳行驶。（3）小车车身结构符合设计要求，可以潜伏到工装车下作业，底盘强度和刚度可以满足满载货物时的行驶需求。（4）引导方式采用读取二维码。（5）小车应具备自动导航行驶和停车定位功能，能够根据作业目标进行最优路径的选择。（6）小车应具备接受主机指令，自动完成作业的任务。（7）小车应具备自动报警功能，当小车发生故障时，能够自主判断并上报故障原因。（8）小车应具备安全装置、激光障碍检测装置和防障碍警示报警等装置。AGV小车能够根据障碍检测装置发出的信号，做出减速、暂停或终止作业的动作，当障碍解除时，能够继续执行作业。2.2智能小车的基本参数智能小车基本参数如下表2-1所示：表2-1AGV基本参数序号项目基本参数1整机外形尺寸L1030mm×W750mm×H2952自身重量260kg(含电池)3引导方式二维码4驱动方式底盘差速5行走方向前进、原地旋转、倒退（默认配置不带后方避障传感器），转弯（需要调度支持）6控制方式工控机7供电方式DC48V8最小转弯半径原地旋转9额定运载质量≤500kg10前进速度60~72m/min11蓄电池DC48V,30AH,锂电池12安全防护过载保护、紧急停止开关、异常报警、障碍物检测13报警形式LED灯闪烁14升降最大速度10mm/s15升降高度精度±1mm15满载连续运行时间6小时2.3导引技术AGV根据路径偏移量来控制速度和转向，从而保证AGV能够精确行驶到指定方位的过程叫做导引。AGV能够实现自动行驶的关键在于自动导引技术的引进。智能小车的自动导引行驶是通过安装在车体上的传感检测装置来获取空间环境和小车位置信息，再通过控制系统的处理来实现的。根据AGV引导方式的工作原理的不同可将导引方式分为电磁感应引导方式、光学引导方式、激光引导方式、视觉引导方式等。电磁感应导引方式电磁感应导引方式是AGV系统中常见的一种导引方式，小车的感应装置通过感应路面上磁场的强弱来实现小车的自动引导，而磁场的产生是由于交变电流通过已铺设好的行驶路径的金属线产生的[12]。通常在AGV车体上安装两个对称的电磁感应传感器，主要目的是检测磁场强度的差异，根据信号的变化来决定AGV系统的转向、纠偏等功能[13]。电磁感应引导方式的特点是抗干扰能力强，线路隐蔽，但成本较高，一般适用于线路提前确定的工厂。光学导引方式首先在小车行驶的路面上铺设具有特定颜色和材料的标线，再利用车上光电探测传感器发射和接收的信号来确定小车行驶的位置及相对于标线的偏移量，进而保证小车自动导引轨迹正确[14]，该技术相对成熟，成本低，但要求小车行驶的地面清洁、平整。激光导引方式激光引导属于自由路径引导方式，是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，智能物流小车在行驶过程中发出激光信号，信号反射到已事先设定好的坐标定位反射板上，再获取反射回的信号，通过计算机数学分析，进而控制自己当前的位置，通过连续的三角几何运算来实现小车的自动行驶[15]该导引定位精确，但制造费用高，空间环境要求严格。（4）视觉导引方式[16]视觉导引是一种能够使得AGV更加智能化的最佳解决方法，是一种极具发展前景的导引方式。它通过安装在AGV小车上的摄像机来获取地面上标线的位置信息，并通过对图像信息的处理确定小车当前位置及导航偏差，从而实现小车的导引。（5）惯性导引方式[17]首先在AGV小车运行的路径上安装定位标识，其次在AGV小车车体上安装陀螺仪和速度检测仪等装置，当小车向前运行时，AGV车载控制信号对陀螺仪发出的偏差信号进行计算的同时采集地面上安装的定位标识。最后通过信息融合技术将AGV小车的位置和前进方向，从而实现智能小车的导航。（6）二维码导引方式[18]智能物流小车上的高速摄像头捕捉到二维码图像，解析二维码中的信息获取二维码在行驶轨迹全局坐标下的坐标信息，从而提供AGV导航所需要位置信息、导航信息。为了避免小车在利用二维码导航时出现偏离方向的问题，需要在二维码识别技术中增加可见光通信定位功能。二维码引导成本低，定位精准。其导引原理如图2-1所示。图2-1二维码导引原理图二维码导引中，所有的二维码都是带有相应的坐标信息，不同位置的二维码是不一样的，不能混用，即二维码的坐标信息是固定的，不能随意替换不一致的二维码。通过对以上几种导引方式的分析及评价，结合智能小车的工作环境，依据AGV的设计要求，选择二维码视觉引导技术，在仓库中利用二维码识别来实现智能小车对货物的自动升降挂接和脱落料车。2.4驱动转向技术智能小车能否在地面上灵活行驶，主要取决于小车的驱动和转向，根据驱动方式的不同，智能小车的转向装置有以下三种：舵轮转向驱动三轮车型的小车通常用这种类型的驱动转向装置，车轮分为驱动轮和舵轮两种，舵轮主要实现小车的转向功能，也能当作驱动轮使用。小车行驶动力主要由驱动轮提供，根据舵轮的功能，将其分为两种类型。如图2-1所示。前轮设定为舵轮，驱动轮后置（b）前轮既是舵轮又是驱动轮，两个后轮是驱动轮图2-1舵轮转向驱动结构差速转向驱动该类型的驱动车轮一般对称布置在车体前端位置，一个（三轮式）或两个（四轮式）自由支撑轮固定于车体后端位置，该车体轮系结构主要用于三轮和四轮的车型，结构如图2-2所示。AGV小车底盘上的两个驱动轮分别由两个电机驱动，通过控制两个驱动轮的速度可以实现智能小车的前进、后退和转弯时的转弯半径、速度和角速度的大小。差速驱动还可以实现小车的原地转向，有很大的灵活性。图2-2差速转向驱动结构全轮转向驱动小车的四个轮既是驱动轮又是转向轮，每个轮都有一个电机单独控制，能实现小车的纵向、横向、回转等方向的行驶。轮系布置方式如图2-3所示。利用该方式驱动的小车能够在狭小的空间自由行驶，但整体结构复杂，控制算法难度大。图2-3全轮转向驱动结构本设计中，AGV小车车体自身重量为260kg,要求最大运载质量为100kg,AGV小车的外形尺寸为L1030mm×W750mm×H295，通过对以上几种转向驱动方式的分析对比以及小车工作的实际状况，AGV的系统功能要求和基本参数，智能小车采用二维码导引的方式，又因智能小车的载重不超过100kg，且小车原地旋转，货物相对地面不旋转，所以小车设计成两轮驱动和四轮支撑转向的结构，底盘结构安装有两个独立的驱动轮，分别由两个电机驱动，实现小车的前进和后退，底盘上安装的万向轮可以实现小车的转弯。这种转向驱动方式方便、灵活，同时该结构满足差速转向驱动的原理。考虑到小车维护成本和加工制造难以程度，整体结构和控制方法不太复杂，设计小车驱动转向结构如图2-4所示。采用这种结构设计有诸多优点：（1）承载能力高，运行时平稳可靠。小车的两个驱动轮安装于车体中间，四个万向轮安装于车体的四个边角，AGV运行时能够保证3~4个车轮与地面接触。（2）AGV小车转弯半径小，有较强的灵活性。（3）AGV小车导航与定位精度高。小车采用二维码导航，二维码摄像机安装于车体中间位置，AGV小车前进和后退时导航传感器的工作方式基本相同，易于调整和控制。图2-4智能小车转向驱动结构2.5电源技术移动电源是智能小车中最主要的部分，其供电系统和充电系统是AGV系统作业稳定和高效的保障。它可以为小车提供一定的电源，是小车的生命的源泉。它可以为小车的行走提供动力，为控制模块提供稳定的电压。电池在放电过程中能够保持恒定的电压，内阻比较小成本低廉这种电池是智能小车的理想电源。传统小车采用车载24V和48V蓄电池作为动力源，可以对小车人工手动充电也可以自动充电。AGV小车需要自动充电时，AGV向工作中心发出退出工作服务请求，自行驶进指定的充电区域进行充电。增加了小车的不间断工作时间。锂电池被广泛应用于AGV小车中，因锂电池具有体积小、重量轻、可快速充放电、维护方便、寿命长等特点。2.6本章小结本章主要对智能小车的关键技术进行研究。包括：AGV系统功能要求、基本参数、导引方式和驱动方式。在导引方式中，对目前几种常用的导引方式、工作原理进行详细的介绍，最后通过对几种引导方式的对比，最终确定本设计中小车的引导方式采用二维码引导技术。在小车的驱动方式中，对舵轮转向驱动、差速转向驱动、全轮转向驱动的原理和适用环境进行详细介绍，并最终确定背负举升型智能物流小车的驱动方式采用两个驱动轮和四个万向轮结构的差速转向驱动。最后介绍了背负举升型智能物流小车的电源技术。3.背负举升型智能物流小车的结构设计3.1机械结构的组成和工作原理智能小车由机械部分和控制系统两大部分组成。机械部分包括高强度塑料底盘、外壳、两个驱动轮和四个万向轮。是电机、电池以及控制系统的载体。控制系统主要由传感器部分（避障传感器）、微型计算机部分（单片机）等部分组成。小车驱动部分是由2个伺服电机以及相应的驱动机构组成的，伺服电机带动2个驱动轮，使得小车运动工作，前后采用应用非常广泛的万向轮这样既减小了小车机构的复杂程度，又提高了转弯的灵活性。通过改变作用于伺服电机的脉冲信号的频率对电机实现不同精度的调速，同时可以对两电动机施加不同的脉冲信号频率时，可以通过差速的方式来实现吸尘器前进，后退，左转，右转等不同功能。这个设计的最大优点在于小车能够在180°旋转半径下，以60m/min速度实现转弯，同时转弯的速度可以通过改变单片机的程序来调节。3.2整车结构设计背负举升型智能物流小车整体结构包括：焊接结构件车体、举升板、驱动和控制单元、电池、报警防撞装置、导航定位装置、驱动轮和万向支撑轮等。为了方便小车内部零件的安装和装配，提高车体空间利用率，将小车的车体框架设计成箱式框架。设计的整车结构紧凑、车体外部无明显的突出部件，减少了车体碰撞发生的概率。智能小车车体是各个零件的主要承载部件，小车能举升100kg的重物，初步选择3-4mm厚的钢板作为小车底盘的加工样板，通过激光切割和焊接加工而成，这样加工的小车底盘在承受较大的载荷时不易变形。小车整车结构模型初步设计成图3-1所示的结构。87654123876541231091091.小车底盘2.电池3.驱动轮支架4.驱动轮电机5.载物台6.丝杆螺母7.齿轮电机8.圆柱齿轮9.万向轮10.驱动轮图3-1小车整车结构模型3.3驱动机构设计由2.4驱动转向技术可知背负举升型智能物流小车的驱动系统采用差速转向驱动，将小车两个驱动轮位置对称布置在底盘两侧，通过控制电机使小车前进、后退、转弯，通过万向轮的旋转实现小车的转弯，智能小车的驱动模块结构包括：伺服电机、减速器、车轮、驱动轮支架。其结构如图3-2所示。在小车一侧驱动模块中，驱动轮通过驱动轮支架固定在小车底盘上，伺服电机和减速器相连接，再通过轴与驱动轮连接。电机旋转带动驱动轮旋转，进而实现小车的前进后退。小车驱动模块的设计不仅需要满足AGV系统功能和基本参数的要求，同时要求装配简单，易于实现。432143211.驱动轮支架2.伺服电机3.减速器4.驱动轮图3-2驱动机构模型在实际安装中，为了保证驱动轮和万向支撑轮在车体自重的作用下可以与地面共同接触，将驱动轮安装高度低于四个万向支撑轮，这样驱动轮可以与地面充分接触，保证小车运行时与地面有足够的摩擦力。3.4举升机构设计举升机构是背负举升型智能物流小车的关键执行机构之一，其作用是将放在载物平台上的物料举升离开地面，方便货物的自动升降挂接和脱落料车。举升机构包括的机械结构有：载物平台、圆柱齿轮、丝杆螺母、滚珠丝杆、驱动齿轮、驱动电机等。其三维结构模型如图3-3所示。54321543211.载物平台2.丝杆螺母3.滚珠丝杆4.圆柱齿轮5.驱动电机图3-3举升机构模型丝杆螺母一端安装在轴承上，螺母外壁设有一圈外齿，外齿安装有与其啮合的驱动轮，驱动轮安装在驱动电机上，驱动电机固定在安装座上，安装座上设有供丝杆穿过的通孔，轴承固定在安装座上。该结构通过驱动电机带动螺母旋转。螺母通过轴承安装在安装座上，螺母不滑动，旋转的螺母带动滚珠丝杠滑动实现货物的举升。3.5本章小结本章对背负举升型智能物流小车的整体结构进行设计，根据智能物流小车的性能需求，用Solidworks软件绘制出整车结构包括：焊接结构件车体、举升板、驱动和控制单元、电池、报警防撞装置、导航定位装置、驱动轮和万向支撑轮等，并对小车的关键机构驱动机构及举升机构进行设计模型，分析其工作原理。4.关键部件的选型及受力分析4.1直流伺服电机的选择直流伺服电机的选择是根据小车运动参数、小车受力分析等确定的，相关计算如下。（1）小车运动参数智能小车行走速度为60m/min=1000mm/s，则车轮转速为：（4-1）（2）电机转速初步确定减速机的减速比i=60，则电机的转速为：（4-2）（3）智能小车的受力分析图4-1车轮受力简图智能小车车架自重为P取P=260kg=2548N（4-3）智能小车载荷为GG=mg=100×9.8=980N（4-4）由此列出平衡方程（4-5）（4-6）解得F=84NFC=3444N两个驱动轮受力情况如图4-2所示。图4-2驱动轮受力简图滚动摩擦阻力偶矩Mf的大小介于零与最大值之间，即（4-7）（4-8）式中δ是滚动摩擦系数[19]，查表可知δ=2~10，取δ=6mm牵引力F为：（4-9）①求换算到电机轴上的负荷力矩（4-10）式中：η为传动效率，取η=0.7②电机的选定根据额定转矩，初步确定选择直流伺服电机，电机型号UABPT90L-4-25-0.75。4.2底盘支架受力分析背负举升型智能物流小车在行走过程中，为了保证驱动轮能够平稳行驶，需要对驱动轮进行固定。通过固定在小车底盘上的支架通过轴将驱动轮固定。其三维结构模型如图4-3所示。智能物流小车在满载货物行进过程中，货物重量主要施加在驱动轮及万向轮上，而驱动轮所受的力又施加在驱动轮支架上，支架结构设计的合理性对小车平稳行驶至关重要，故需要对支架进行受力分析。图4-3底盘支架三维模型建立支架三维数学模型并对其进行受力分析，受力简图如图4-4所示。图4-4底盘支架受力简图由图4-1车轮受力简图可知，驱动轮所受的地面支撑力FN=FC=3444N。由图4-4底盘支架受力简图可知，驱动轮所受的地面支撑力FN和小车满载行走过程中驱动轮所受的压力P是作用力和反作用力，即FN=P=3444N。驱动轮所受的压力主要分布于支架上，即F1=1/2P=1722N。底盘对支架的支撑力分别为FN1和FN2。由此列出平衡方程。（4-11）（4-12）式中FN1=FN2，经过计算可得FN1=1841N=FN2。4.3本章小结本章对背负举升型智能物流小车的关键部件选型，根据背负举升型智能物流小车的性能要求确定驱动电机采用直流伺服电机。并对智能物流小车的关键部件进行受力分析，在选择电机型号时，对小车的驱动轮及万向轮进行受力分析，最终确定了电机型号。为了确保智能小车在行走过程中能够平稳行驶，对小车的底盘支架进行了详细的受力分析。5.结论通过对背负举升型智能物流小车工作原理的了解以及小车的优缺点的了解，对小车的整体结构进行了详细的分析和介绍，电动机选择直流伺服电动机，轮子采用滚动轮，两个驱动轮，四个万向轮。另外对智能小车驱动轮受力情况进行分析并选择电动机的型号，最后对底盘支架进行受力分析。设计的结果如下：通过电脑和图书馆的一些书籍查阅了一些关于智能物流小车的相关文献，对国内外有关这些方面的研究有一些了解，通过对智能物流小车驱动转向机构的分析对比总结出它们各自的优缺点，最终选择了一种采用差速转向驱动原理进行驱动行驶的智能物流小车。并对对小车的整体外在结构进行了系统的研究。本文的设计重点是在对机械结构和相关分析计算的基础上对智能小车举升重物机构进行设计，最终设计出体积小重量轻的智能举升重物小车大致的外形结构。AGV的发展会向着更加智能化的方向前进。

参考文献[1]骆第含，赵子豪，岳有山.智能小车的发展现状与趋势[J].河南科技，2017（23）：92-93.[2]金雷.自动导引车路径规划与导引控制研究[D].重庆：重庆大学，2006.[3]李伟娟.浅析AGV小车的引导方式及其发展趋势[J].中小企业管理和科技,2015(4):235.[4]王晓春.机器人在仓储管理中的“货到人”技术浅谈—基于亚马逊物流中心KIVA橙色机器人[J].现代经济信息,2017(13):78+80.[5]刘晔.汽车发动机装配线作业分析及AGV路径规划[D].西安:陕西科技大学，2014.[6]DenosC.Gazis.TrafficTheory[M].2002;31~33.[7]卢川.美国制造业机器人发展路线图[J].机器人产业，2017（2）：68-79.[8]陈爱珍.日本工业机器人的发展历史及现状[J].机械工程师,2008(7):8-10.[9]刘全胜AGV机器人在柔性制造系统中的应用[J].中国制造业信息化,2008(17):74-75+77.[10]万亮.智能小车运行控制系统的研究[J].电子制作,2014(12):58-59.[11]倪振.激光导引四轮差动全国方位移动AGV关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2013