文/曹沖振 王洪祥 王鳳芹 闞常凱 許彤然 徐 杰

AGV在承載貨物運(yùn)行時(shí)，當(dāng)遇到路面不平整的情況，會(huì)對(duì)AGV的運(yùn)行平穩(wěn)性造成影響。所以AGV能否在凹凸障礙路面平穩(wěn)運(yùn)行就成為設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。本文通過(guò)建立倉(cāng)儲(chǔ)AGV虛擬樣機(jī)，對(duì)其在凹凸障礙路面上運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了AGV的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足平穩(wěn)性要求。

一、AGV的機(jī)械結(jié)構(gòu)

AGV的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由以下五個(gè)部分構(gòu)成：行走系統(tǒng)、減振結(jié)構(gòu)、車(chē)架結(jié)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。AGV的整體結(jié)構(gòu)，如圖1。

AGV行走系統(tǒng)方案，如圖2：四個(gè)萬(wàn)向輪均不設(shè)有減振裝置，驅(qū)動(dòng)輪安裝在單臂式獨(dú)立減振裝置上。

減振裝置主要由單臂板、減振彈簧、導(dǎo)向桿、鉸接座、銷(xiāo)軸、連接座等組成，如圖3。單臂板一端與鉸接座通過(guò)銷(xiāo)軸連接，另一端穿過(guò)導(dǎo)向桿，沿導(dǎo)向桿運(yùn)動(dòng)方向壓縮彈簧。

減振彈簧的彈性系數(shù)決定了其對(duì)地面適應(yīng)能力的大小，其壓縮量應(yīng)具有上限，該減震彈簧的彈性系數(shù)為K=6.38N/mm，材質(zhì)選用C級(jí)碳素彈簧鋼絲，鋼絲直徑d為4.0mm，總?cè)?shù)n=10，彈簧中徑D=30mm，節(jié)距p=0.3D=9mm。

萬(wàn)向輪的材料影響其能承載的重量大小，本方案中材料為酚醛樹(shù)脂，輪子直徑為65mm，輪寬32mm，萬(wàn)向輪高度92mm，最大承重300kg，單個(gè)重量為0.615kg。萬(wàn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力應(yīng)較小，避免倉(cāng)儲(chǔ)AGV轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的側(cè)向力。

二、驅(qū)動(dòng)扭矩計(jì)算

所設(shè)計(jì)的倉(cāng)儲(chǔ)A G V自重m1=100kg，最大載重量m2=300kg，空載時(shí)運(yùn)行速度最高為2m/s，滿(mǎn)載時(shí)運(yùn)行速度為1.5m/s，最大加速度為0.5m/s2。倉(cāng)儲(chǔ)AGV在路面運(yùn)行時(shí)需要克服來(lái)自地面的滾動(dòng)摩擦阻力Ff、坡路阻力Fi、空氣阻力Fw、加速行駛時(shí)的加速阻力Fj，如圖4。

AGV行駛時(shí)的總阻力為：

已知運(yùn)行地面為耐用型1.5mm環(huán)氧砂漿地坪，參考相關(guān)數(shù)據(jù)，地面與驅(qū)動(dòng)輪之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為：μ=0.018～0.020，取μ= 0.019，總質(zhì)量為m=m1+m2= 400kg，得：

求得加速阻力：

室內(nèi)地面坡度α≤3°，求得最大坡路阻力：

圖1： AGV機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖2： AGV行走系統(tǒng)方案

圖3：減振方案

圖4：AGV行駛時(shí)受力分析

圖5：凸起凹坑障礙示意圖

負(fù)載時(shí)室內(nèi)最高行駛速度為1.5m/s，F(xiàn)w空氣阻力可以不考慮。計(jì)算總阻力為：

該方案中采用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪半徑r=0.075m，計(jì)算所需要總的驅(qū)動(dòng)力矩為：

單個(gè)車(chē)輪軸所需扭矩：

該倉(cāng)儲(chǔ)AGV的減速電機(jī)扭矩要大于單個(gè)車(chē)輪軸所需要的扭矩。

三、仿真模型建立

1.模型的導(dǎo)入

由于采用SolidWorks進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)需轉(zhuǎn)換格式即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。啟用Motion工具，生成一個(gè)新運(yùn)動(dòng)算例，模型即導(dǎo)入仿真環(huán)境。導(dǎo)入之后在仿真環(huán)境中零件之間的裝配關(guān)系仍然存在，各個(gè)零件都處于配合狀態(tài)，不需要重新確定各個(gè)零件之間約束關(guān)系和材料屬性等參數(shù)。

2.模型參數(shù)設(shè)置

將倉(cāng)儲(chǔ)AGV模型導(dǎo)入后：（1）設(shè)置重力方向及單位；（2）設(shè)置地面的材料為混凝土；（3）添加外力。SolidWorks中模擬實(shí)際環(huán)境，通過(guò)添加引力、AGV的重量、接觸面、壓力等實(shí)現(xiàn)。

四、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性仿真分析

查閱資料，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)G B/T20721-2006（自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)通用技術(shù)條件）對(duì)于路面環(huán)境有具體要求：路面臺(tái)階高度的最大允許值為5mm（含5mm），路面溝寬幅度的最大允許值為8mm（含8mm）。為了能綜合分析驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理，運(yùn)行過(guò)程中倉(cāng)儲(chǔ)AGV的穩(wěn)定性是否滿(mǎn)足要求，至少應(yīng)驗(yàn)證以下內(nèi)容：①所計(jì)算的驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)的扭矩是否合理，能否滿(mǎn)足速度、加速度要求；②減振彈簧是否滿(mǎn)足越過(guò)不平整路面時(shí)的要求，能否使萬(wàn)向輪與地面不脫離。

為此設(shè)計(jì)有兩種使用工況：一種是倉(cāng)儲(chǔ)AGV滿(mǎn)載時(shí)，貨架高度2m，載重300kg，重量均勻分布在每一層，運(yùn)行速度為1.5m/s；另一種是倉(cāng)儲(chǔ)AGV空載時(shí)，無(wú)任何載重，運(yùn)行速度為2m/s。

1.滿(mǎn)載時(shí)直線(xiàn)行駛

（1）仿真設(shè)置

在S o l i d W o r k s中建立10000mm×10000mm×50mm的方形板，作為場(chǎng)景中的地面，材料為混凝土。在其表面建立凹凸障礙，以模擬實(shí)際場(chǎng)景中的凹坑和凸起。在SolidWorks中建模時(shí)，凸起為采用凸出半圓柱方式，設(shè)其高度為Ht，凹坑為采用凹下半圓柱方式，設(shè)其深度為ht，考慮到實(shí)際路面狀況可能比較惡劣，所以選取的障礙高（深）度要比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大一些，選取的尺寸如下：凸起障礙高度Ht（單位mm）：5 5 10 10 15 15 20 20

凹坑障礙高度ht（單位mm）：-5 -5-10 -10 -15 -15 -20 -20

凸起凹坑障礙示意圖，如圖5。

相鄰的兩個(gè)障礙之間的距離大于一個(gè)車(chē)身長(zhǎng)度，仿真時(shí)取間隔距離dt=1000mm。將該路面模型導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)中，調(diào)整好AGV與路面的位置關(guān)系，盡量使AGV的驅(qū)動(dòng)輪、萬(wàn)向輪與地面相切。然后添加接觸關(guān)系，并添加靜摩擦力和動(dòng)摩擦力，動(dòng)摩擦系數(shù)為f =0.019，而靜摩擦系數(shù)為fx= 0.5。分別給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪添加驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，設(shè)置AGV以最大速度= 1.5 m/s運(yùn)行，設(shè)置仿真時(shí)間為10s。

（2）凸起障礙的仿真結(jié)果

查閱相關(guān)資料，分析圖中產(chǎn)生的尖點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著多次碰撞，應(yīng)當(dāng)忽略碰撞情況的極值，提取出靜態(tài)接觸力進(jìn)行分析。圖6是AGV滿(mǎn)載時(shí)的運(yùn)行速度，經(jīng)過(guò)3s加速至1.5m/s，并保持勻速行駛，經(jīng)越過(guò)障礙物時(shí)有輕微波動(dòng)但是整體很平穩(wěn)。圖7是AGV依次經(jīng)過(guò)從低到高的凸起障礙時(shí)，后萬(wàn)向輪、驅(qū)動(dòng)輪在豎直方向的豎直跳動(dòng)位移變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?，在驅(qū)動(dòng)輪越過(guò)前6個(gè)障礙（H≤15mm）時(shí)，后萬(wàn)向輪與驅(qū)動(dòng)輪豎直方向的位移變化相近且發(fā)生時(shí)間交錯(cuò)，表示越過(guò)凸起障礙時(shí)萬(wàn)向輪與驅(qū)動(dòng)輪總能接觸到地面，以保持運(yùn)行的平穩(wěn)性。但當(dāng)遇到越高的障礙（H≥20mm）時(shí)，萬(wàn)向輪豎直位移變化大于20mm（離地狀態(tài)），說(shuō)明此時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)性較差，出現(xiàn)顛簸。

圖6： 越過(guò)凸起障礙時(shí)運(yùn)行速度變化

圖7： 越過(guò)凸起障礙時(shí)萬(wàn)向輪與驅(qū)動(dòng)輪豎直位移變化

圖8： 越過(guò)凸起障礙時(shí)驅(qū)動(dòng)輪力矩變化

圖9： 越過(guò)凹坑障礙時(shí)驅(qū)動(dòng)輪力矩

圖10： 越過(guò)凹坑障礙時(shí)整體質(zhì)心位置變化

圖11： 越過(guò)凸起障礙時(shí)萬(wàn)向輪、驅(qū)動(dòng)輪豎直位移變化

圖12： 越過(guò)凸起障礙時(shí)驅(qū)動(dòng)輪力矩

圖13： 越過(guò)凹坑障礙時(shí)萬(wàn)向輪與地面接觸力

圖14：車(chē)體質(zhì)心位置變化

從圖8中可以看出，驅(qū)動(dòng)輪所需的扭矩在11N.m附近上下波動(dòng)，但是經(jīng)過(guò)20mm的障礙時(shí)所需扭矩大于18N.m，即所選的電機(jī)扭矩滿(mǎn)足障礙小于15mm的路面，但是受碰撞的因素扭矩出現(xiàn)多次較大的峰值。綜合分析該設(shè)計(jì)方案可以滿(mǎn)足AGV在低于15mm的凸起障礙路面上穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）凹坑障礙的仿真結(jié)果

圖9顯示驅(qū)動(dòng)輪所需的扭矩同樣在11N.m上下波動(dòng)，驗(yàn)證了所選的減速電機(jī)能越過(guò)低于20mm的凹坑障礙。圖10為整體質(zhì)心在運(yùn)行過(guò)程中的波動(dòng)，幅度較小表明AGV的運(yùn)行平穩(wěn)，且凹坑障礙對(duì)其運(yùn)行的平穩(wěn)性影響遠(yuǎn)小于凸起障礙。該設(shè)計(jì)方案可以滿(mǎn)足AGV在低于20mm的凹坑障礙路面上穩(wěn)定運(yùn)行。

2.空載時(shí)直線(xiàn)行駛

（1）仿真設(shè)置

除了載荷設(shè)置不同，其余設(shè)置方式和參數(shù)與上述相同。

（2）凸起障礙下的仿真結(jié)果

圖11是空載情況下的AGV依次經(jīng)過(guò)從低到高的凸起障礙時(shí)，前萬(wàn)向輪、驅(qū)動(dòng)輪離地面的距離變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?，驅(qū)動(dòng)輪經(jīng)過(guò)前8個(gè)障礙時(shí)，前萬(wàn)向輪豎直方向的位移均小于障礙物高度，表明當(dāng)凸起障礙為（H≤20mm）時(shí)，萬(wàn)向輪也始終接觸地面，符合減振彈簧設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)輪平地行駛穩(wěn)定扭矩低于8N.m，與計(jì)算結(jié)果基本一致，如圖12。

（3）凹坑障礙下的仿真結(jié)果

圖13是倉(cāng)儲(chǔ)AGV依次經(jīng)過(guò)凹坑時(shí)前萬(wàn)向輪在豎直方向的接觸力曲線(xiàn)?？梢钥闯銎湓谶\(yùn)行過(guò)程中一直保持與地面接觸，但是在經(jīng)過(guò)凹坑時(shí)接觸力會(huì)瞬間增大，隨著凹坑的尺寸增大，現(xiàn)象越嚴(yán)重。圖14表示空載時(shí)整個(gè)車(chē)體質(zhì)心波動(dòng)較小，運(yùn)行平穩(wěn)，但是仍大于滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)的波動(dòng)。

五、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)AGV在不平路況下的平穩(wěn)性進(jìn)行了分析，運(yùn)用三維仿真軟件對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)AGV的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，減速電機(jī)的輸出扭矩滿(mǎn)足要求；減震彈簧選取合理，減振機(jī)構(gòu)能使倉(cāng)儲(chǔ)AGV同時(shí)越過(guò)凸起障礙（L≤15mm）和凹坑障礙（H≤20mm），并使驅(qū)動(dòng)輪保持有足夠的驅(qū)動(dòng)力，速度穩(wěn)定、質(zhì)心波動(dòng)平穩(wěn)。從而驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的AGV的結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足平穩(wěn)性要求，此研究也對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)AGV平穩(wěn)性的進(jìn)一步研究提供了一定基礎(chǔ)。