一種智能AGV 小車工裝系統(tǒng)設(shè)計研究

韓健睿，時 光，呂世霞，王學(xué)雷

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

1 概述

AGV（Automated Guided Vehicle）小車又稱自動導(dǎo)引運輸車，是一種集機械、電子、控制、計算機、傳感器以及人工智能等多學(xué)科于一體的現(xiàn)代自動化裝備，已廣泛應(yīng)用在自動化生產(chǎn)工廠、有毒有害環(huán)境、智能物流基地中，如汽車制造車間物料運送、焊接車間鋼板運輸、快遞分揀等作業(yè)[1-7]。現(xiàn)今AGV 小車大多功能單一，需搭配其它生產(chǎn)線和工業(yè)機器人才能完成高難度作業(yè)，本文將AGV 小車、碼垛機器人以及工裝平臺相結(jié)合設(shè)計了一種智能AGV 小車抓取工裝平臺，對制造業(yè)未來發(fā)展、提高設(shè)備功能性、提升設(shè)備工作效率等有著重要意義。

2 智能AGV 小車工裝系統(tǒng)介紹

本文以AGV 小車為平臺，將AGV 小車、碼垛機器人以及工裝平臺相結(jié)合設(shè)計了一種智能AGV 小車抓取工裝平臺，如圖 1 所示，使原AGV 小車功能得到增加，提高了生產(chǎn)效率。智能AGV 小車包括小車箱體、底盤、驅(qū)動輪、剪刀式減震結(jié)構(gòu)；本文在 AGV 小車上側(cè)加裝一臺四自由度碼垛機器人，該機器人可實現(xiàn)三軸平移和繞Z 軸的轉(zhuǎn)動；在碼垛機器人末端加裝視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)對工件位置的識別與定位；抓取工裝包括傳送帶和置物臺等裝置。

圖1 小車整體機械結(jié)構(gòu)三維圖

2.1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的智能AGV 小車由驅(qū)動部分、減震部分、底部焊架、小車箱體、控制模塊、操作模塊等六部分組成，通過兩輪差速運轉(zhuǎn)。為提高AGV 小車行駛時車體橫向穩(wěn)定性，將小車兩輪差速驅(qū)動部分安裝于小車中部，其他四個角安裝萬向輪輔助支撐車體，可實現(xiàn)小車原地轉(zhuǎn)圈、小角度轉(zhuǎn)彎、精確定位等功能。該智能AGV 小車使用減震性能較好的剪刀式減震結(jié)構(gòu)，共4 根減震彈簧。底部焊架上安裝紅外光電傳感器、編碼器和激光雷達，可實現(xiàn)避障、行走距離定位和自主導(dǎo)航等功能?？刂颇K和操作模塊由西門子S7-1200PLC 控制器、人機交互界面HMI、開關(guān)按鈕、三色指示燈等元器件組成，如圖2 所示。

圖2 小車結(jié)構(gòu)三維圖

2.2 智能AGV 小車抓取工裝平臺

上述AGV 小車只能進行物料運輸，柔性和效率較低，需與其它設(shè)備相結(jié)合才能實現(xiàn)更智能化功能。為提高其智能性，在AGV 小車上平臺安裝抓取工裝平臺，抓取工裝平臺由四軸碼垛機器人、傳送帶、視覺系統(tǒng)、置物臺等構(gòu)成，如圖3 所示。四軸碼垛機器人末端執(zhí)行器可實現(xiàn)三維移動和繞Z 軸的轉(zhuǎn)動，在碼垛機器人末端執(zhí)行器上安裝視覺系統(tǒng)，可實現(xiàn)對工件形狀、位置的識別，當小車運行至取料點時，通過碼垛機器人末端視覺系統(tǒng)對物料位置和形狀進行檢測，并且通過MODBUS 總線與主控PLC 進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過PLC 控制器實現(xiàn)對所需工件進行抓取，置物臺上可暫放工件或?qū)崿F(xiàn)對工件的裝配操作；傳送帶可將工件按照一定順序傳送到其它工作站，為自動化生產(chǎn)工作站與工作站間銜接提供便捷。

3 智能AGV 小車工裝平臺控制系統(tǒng)

圖3 智能AGV 小車抓取工裝結(jié)構(gòu)圖

智能AGV 小車抓取工裝平臺控制系統(tǒng)包括：PLC 控制模塊、激光雷達傳感器模塊、工業(yè)機器人控制模塊、視覺識別模塊等，如圖 4 所示。AGV 小車控制器選取西門子S7-1214PLC，S7-1214 PLC 搭配數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊，能夠滿足對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性要求，可實現(xiàn)對AGV 小車的自主運行和定位的控制；AGV 小車上方安裝的四軸碼垛機器人可完成貨物的靈活抓取和存放；碼垛機器人末端視覺系統(tǒng)可實現(xiàn)對物料的分類和位置識別。小車運行模塊由步進電機和編碼器構(gòu)成，PLC 向步進電機驅(qū)動器發(fā)送運動命令，通過兩輪差速實現(xiàn)小車運行功能；小車避障系統(tǒng)采用激光雷達和紅外光電傳感器對障礙物進行識別，信號通過TCP 傳回至PLC 實現(xiàn)小車的避障運行；當小車準確到達指定位置后，通過視覺系統(tǒng)識別貨物位置，以保證機械手能夠準確抓取貨物，并分類擺放至置物臺或傳送帶上；傳送帶將碼垛機器人所拾取到的工件運送至相對應(yīng)工作站。

圖4 智能AGV 小車抓取工裝平臺控制系統(tǒng)圖

3.1 AGV 小車驅(qū)動系統(tǒng)

傳統(tǒng)AGV 小車一般采用磁條導(dǎo)航，兩輪驅(qū)動，兩輪隨動，通過差速控制實現(xiàn)小車運動功能。本文設(shè)計的智能AGV 小車兩驅(qū)動輪采用步進電機驅(qū)動，兩驅(qū)動輪置于車中位置，車體四角采用萬向輪進行支撐與隨動，同時后置兩編碼器輪記錄小車整體運行方向，編碼器可對小車行駛路線進行校正、定位、反饋等。與傳統(tǒng)AGV 小車相比，本設(shè)計小車運行更加靈活，著地面積更大，適應(yīng)道路更多，定位更加精準，偏離運行位置后可自動校正，提高了小車應(yīng)用場景和運行靈敏度。

3.2 避障系統(tǒng)

激光雷達是一種通過發(fā)射激光束以探測目標位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)，其工作原理是向目標物體發(fā)射激光束，然后將反饋回來的信號與發(fā)射信號進行比較，進而獲得目標位置的關(guān)鍵信息，如距離、方位等參數(shù)。本文所設(shè)計的AGV 小車通過激光雷達可實現(xiàn)對小車運行方向上的障礙物等目標進行探測、跟蹤和識別。激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，當小車前方有障礙物時，光接收機把從障礙物反射回來的光脈沖還原成電脈沖，由TCP 傳輸至PLC 后對小車進行控制，小車同時搭配紅外光電傳感器可對小車四周物體進行掃描，從而實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向避障的操作。

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計了一種自動導(dǎo)航AGV 小車，該小車可按照一定路線自動運行、自主避障；AGV 小車上平臺加裝四軸碼垛機器人、傳送帶和置物臺，可實現(xiàn)對工件的自動識別、抓取、裝配、暫存、傳送等作業(yè)。

（2）對自主導(dǎo)航AGV 小車抓取工裝平臺控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，通過PLC 向各執(zhí)行部分輸送運動命令，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的運動控制。

（3）通過激光雷達和紅外光電傳感器對障礙物進行識別，并將信號通過TCP 傳送至PLC，實現(xiàn)小車的避障運行。

（4）上述自主導(dǎo)航AGV 小車工裝系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于自動化工廠或自動化物流基地，對制造業(yè)未來發(fā)展有著重要意義。