超市自动运货AGV小车的设计.docx

1、超市自动运货AGV小车的设计机械工程学院超市自动运货AGV小车的设计完成人：赵磊罗晓康曹松华吴桢涛学科专业：机械工程及自动化指导教师：徐海波教授2013年06月一 产品构思产品设计背景自动导航车(Automated Guided Vehicles,AGV)又名无人搬运车,出现于20世纪50年代,是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备,属于移动式机器人系统,能够沿预先设定的路径行驶,是现代工业自动化物流系统如计算机集成制造系统(CIMS)中的关键设备之一。AGV具有灵活性、智能化等显著特点,可以方便地重组系统,达到生产过程的柔性化运输。与传统的人工或半人工的物料输送方式相比,AGV系统减轻了劳动

2、强度,降低了危险性,提高了生产效率,在各行各业均可发挥重要作用。1.1.1 AGV的发展概况世界上的第一台自主导航车是美国Basrrett电子公司于1953年开发成功的,它是由一辆牵引式拖拉机改造而成的,带有车兜,在一间杂货仓库中沿着布置在空中的导线运输货物。在20世纪50年代末到60年代初期时,已有多种类型的牵引式AGV用于工厂和仓库。目前世界上约有2万台各种各样的AGV运行在数千座大大小小的仓库中。海尔集团于2000年投产运行的开发区立体仓库中,用9台AGV组成了一个柔性的库内自动搬运系统,成功地完成了每天23 400件出入库货物和零部件的搬运任务。AGV在制造业的应用出现于1973年,瑞

3、典的Volvo Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性,采用基于AGV系统为载运工具的自动轿车装配线。该装配线由多台可装载轿车车体的AGV系统组成,采用该装配线后,装配时间减少了20%,装配故障少了39%,投资回收时间减少了57%,劳动力减少了5%。目前,AGV在世界的主要汽车厂,如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车制造和装配线上得到了普遍应用。早期的AGV主要是自动拖车。在20世纪70年代中期,由于负载AGV(又称自动搬运车)的引入,AGV产业得到了第一次较大的发展。负载AGV能够为物料处理领域提供多功能的服务而被广泛接受,例如工厂里的工作站台、传送设备,以及控制系统和信息系统之间的连

4、接等。目前,已经有许多厂家制造的几百种负载AGV系统,运行于仓库、工厂、作坊、医院以及其它许多领域。在邮局、图书馆、车站、码头和机场等场合,物品的运送存在着作业量变化大、动态性强、作业流程经常调整,以及搬运作业过程单一等特点,AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够很好地满足上述场合的搬运要求。不仅如此,在军事以及危险场所,以AGV的自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备,可用于战场排雷、阵地侦察、危险环境作业,如军用机器人、危险品处理机器人、钢铁炉料运送车、放射性物料搬运车、海底电缆铺设等。从1954年英国采用地下埋线的电磁感应导向技术开始,早期的AGV都是沿着地面上的信号行驶,AG

5、V上的传感器会根据信号的强度,选择某一频率的电磁信号为AGV提供导引。随着电子技术和微处理器技术的快速发展,AGV的智能化技术得到了普遍发展。20世纪80年代末期,无线式导引技术被引入到AGV系统中,例如利用激光和惯性进行导引,大大提高了AGV系统的灵活性和准确性。计算机技术的引入,使得AGV几乎可以处理所有由人工控制的物料搬运过程。但知道目前为止，AGV小车由于成本和技术的问题主要局限在大型生产线应用领域，并未拓展到超市、餐饮等基础性行业，这块市场具有很好的发展前景，随着产品的更新换代越来越强，在货物的传输和配送上对于智能化的程度要求越来越高，因此AGV小车在这片市场的应用将会是对该领域服务

6、水平和运营效率的极大提高。20世纪80年代以来，自动导引运输车（AGV）系统已经发展成为生产物流系统中最大的专业分支之一，并出现产业化发展的趋势，成为现代化企业自动化装备不可缺少的重要组成部分。在欧、美等发达国家，发展最为迅速，应用最为广泛；在亚洲的日本和韩国，也得到迅猛的发展和应用，尤其是在日本，产品规格、品种、技术水平、装备数量及自动化程度等方面较为丰富，已经达到标准化、系列化、流水线生产的程度。在我国，随着物流系统的迅速发展，AGV的应用范围也在不断扩展，如何能够开发出能够满足用户各方面需求（功能、价格、质量）的AGV系统技术是我们必须面对的现实问题。1.1.2 AGV的结构与种类1.

7、AGV的结构通常,AGV以电池为动力,装备电磁或光学等自动导航装置,能够独立自动寻址,并通过计算机系统控制,完成无人驾驶及作业。因此,AGV具有电动车辆的结构特征,图1-1所示是一种三轮AGV的结构示意图,主要由底盘车、动力装置和控制系统等组成,采用后轮驱动、前轮转向运行方式。图1-1 AGV小车结构示意图2. AGV的种类及应用工业AGV可按用途分为自动搬运车、自动拖车和自动叉车等几类,也可根据其导引的方式不同分为电磁导引、激光导引、惯性导引等多种形式,还可根据有无轨道分为有轨AGV和无轨AGV。对于非工业应用,AGV可用于探险、危险品处理、导盲等。1.1.3 AGV发展趋势分析3. AGV

8、的智能水平将日益提高现代AGV技术的最显著特征是具有智能化。车载计算机的硬软件功能日益强大,使AGV具有从网络、无线或红外信号接受装置接收调度中心或客户指令,自动导引,自动行驶,优化路线,自动作业,运行管理,车辆调度,安全避碰,自动充电,自动诊断等功能,实现了AGV的智能化、信息化、数字化、网络化、柔性化、敏捷化、节能化、绿色化。现代AGV是24小时不知疲倦的聪明车辆(仅在任务间隙时随机进行短时充电),能主动、自序、有节拍按最安全、快捷的路线执行作业。智能化的结果加上动力强劲,将使AGV具有日益广泛的用途。4. AGV的动力性能将更趋强劲AGV设计的难点之一是其动力源装置的设计。动力源的功率大

9、小直接影响AGV的功用,而动力源的体积大小将直接影响整车的体积及外观造型。传统的AGV采用铅酸电池,能量密度小,体积大。随着电池技术的发展,近年来电池逐步由高能酸性电池,发展到开始采用高能碱性电池,以提高环保性能,大幅提高充放电比,目前由充电时间/放电时间为1:1已提高到1:12,大幅缩短了AGV的待机充电的时间。动力电池性能及充放电技术的进步,使得现代AGV的动力性能普遍提高,运载能力与行驶特性进一步优化。5. AGV的综合技术将逐步机器人化AGV本身就是一种移动机器人,是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、机械工程、电子工程、计算机工

10、程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果,代表机电一体化的最高成就,是目前科学技术发展最活跃的领域之一。AGV的机器人化一直是AGV研究的热点技术。实际上,在机器人技术发展的整个过程中,其相关技术都先后在AGV中得到了应用。如智能移动机器人技术涉及到的机器人导航与定位、路径规划、运动控制等,均在AGV中得到了体现,使得现代AGV无论是专项技术,还是综合性能,均得到了普遍提高,并仍将继续提高。由于AGV的机器人化,现代AGV已不仅仅是一种沿固定路径行驶的搬运工具,几乎可以适合于各种固定的,或不固定的运输场所。6. AGV的应用将日益普遍AGV的显著特点是无人驾驶,可以保障系统在不需要人工

11、导航的情况下自动行驶,柔性好,自动化和智能化水平高。AGV可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活配置,并且运行路径改变的费用与传统的输送带或刚性的传送线相比非常低廉。如果配有装卸机构,AGV还可以与其他物流设备自动接口,实现货物或物料装卸与搬运全过程自动化。此外,AGV还具有清洁生产的特点,AGV依靠自带的蓄电池提供动力,运行过程噪声极低、无污染,可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。随着AGV性能不断地完善,其应用范围大为扩展,不仅将在工业、农业、国防、医疗、服务等行业中得到广泛的应用,而且将在排险、搜捕、救援、辐射和空间领域等有害与危险场合得到很好的应用,几乎适合于仓储、制造、邮局

12、、图书馆、港口、机场、烟草、医药、食品、化工、危险场所和特种行业等各种场合。因此,AGV技术已经得到世界各国的普遍关注。产品设计目的随着智能化管理观念的不断深入和科技水平的不断提高，在超市的物流系统中，AGV小车具有很大的应用的前景。目前市场上的AGV小车主要应用于大型的生产线设备，特别随着近几年劳动力成本的上升和富士康事件的出现，这种频繁的工作由智能化机器承担已经成为一种在所难免的趋势。我们设计该超市AGV小车的目的是基于目前已有的技术设计一款专门适合于超市等偏重于服务行业应用的智能化机器设备，在产品的设计开发中，我们会注重产品在满足功能需求的同时极大地降低成本，使其能够迅速地实现市场化。另

13、外考虑到超市等服务行业所雇用的人员的知识水平和应用能力，因此产品的服务会更加注重人性化和便捷性，这个在后面的路径规划等控制方面会有较好的体现。对于超市等商家而言，除过购买成本之外，还有像维修成本也是他们所考虑的因素。在设计及制造过程中尽量让产品的维修和元件更换比较方便，同时合理的结构设计和正确使用也会很大程度提高产品的使用寿命。简而言之，我们产品设计的目的就是为超市等基础服务行业提供一款经济适用、安全智能的AGV自动运货小车。这款小车在超市、餐饮店、医院等均会有较为理想的人性化服务结果，且它便于升级，具有很长的产品生命周期。产品功能定位根据上述的内容，我们的AGV小车的首要功能是能够实现超市货

14、物的自动传送功能，另外根据超市的货架布局特点、操作人员使用的方便程度，我们的小车还应该具有更多人性化的功能。1.2 1.3 1.3.1 机械结构上的功能 足够的承载量对于超市而言，每天需要的上货量很大，这就要求我们的小车能够一次承载尽可能大的货物量，以提高运输效率，节省时间成本和人力成本。 货物的分类超市每天要运输的货物不仅数量庞大，而且种类繁多，如果在一辆AGV小车上放置多种货物，那么在从小车上进行卸货的时候还要再次进行挑拣分类，从而增加了很多不必要的劳动时间，而我们的AGV小车又数量有限，不可能每一辆车运送一种货物。所以，我们的小车要具备货物的分类功能，并且结构要尽可能得通用、简单。 运货

15、架高度可调超市的员工每个人的身高都是不一样的，这就要求我们小车的运货架能够根据员工的身高情况调节其高度，从而确保每一个员工都能够舒舒服服的上货、下货。 防触碰装置虽然一般的AGV小车都有避障功能，但是有些时候还是会因为一些突发状况而使小车撞上障碍物，所以小车应该具有一定的防触碰装置，比如在小车周围加上橡胶套等。1.3.2 控制部分的功能 自动导航功能自动导航功能是AGV小车的主要功能也是必备功能，AGV的导航方式有很多种比如：导轨导航、磁导航、光带导航、惯性导航、GPS导航、机器人视觉导航等，然而每一种导航方式都有其优缺点和应用范围的限制，所以如何根据超市的环境特点和工作特点选择合适的AGV导

16、航方式成了我们小车设计的重点。 路径规划功能AGV小车的运动路线是实现认为设置好的，这也就是路径规划。路径规划也是AGV的主要功能之一，根据小车导航方式的不同，路径规划的方式也是不同的。 智能避障小车在行驶的过程中有可能会遇到各种障碍物，比如人、立柱、货物等，小车要想顺利的完成工作任务，就需要及时的避开这些障碍物。 行走纠偏小车在行走过程中会自动记录其已行走的距离来判断是否该转弯，或者是否到达终点，并实时将这些运动信息通过无线传输模块发送给上位机，但是小车在行走时难免有误差（路程误差、方向误差等），而且这样的误差还会随着时间逐渐积累，最终导致小车出现错误的行走路径。所以AGV小车除了要具有自动

17、导航功能之外，还应该具有行走纠偏的功能，即在小车的行走路线上隔一段距离设置一个行走纠偏点，行走纠偏点的位置是固定的，所以小车在行走纠偏点可以进行复定位，以提高小车的行走精度。 优良的速度调控系统小车所载的货物中可能有一些易碎的物品比如鸡蛋，所以小车在行驶过程中特别是启动、紧急刹车、停止时应特别注意小车由于速度的改变而带来的惯性冲击力，而这些需要通过一定的速度控制算法来实现。1.3.3 其他人性化的功能 警报、语音提示小车在行走过程中遇到突发情况比如撞到障碍物或者翻车等紧急情况时应发出警报声以提醒工作人员进行及时的处理，另外小车应能够在某些场合发出提示音以提高其人性化程度，比如刚启动时小车会发出

18、“欢迎使用”的声音，小车在行走过程中遇到工作人员时会发出“请让一让，谢谢!”等，另外小车的提示音还可以活跃工作氛围，减轻工作人员的工作压力。 液晶显示（人机交互）小车的有一块液晶显示屏，除了可以实时显示小车的运动路线、运动状态之外，还应具有人机交互的功能，以方便工作人员直接对小车进行临时的中断操作。二 小车机械结构设计自动导引小车轮系结构的机械设计松华AGV 控制系统中驱动转向系统是一个关键子系统。它直接决定了 AGV 的运动性能。通常 AGV 的驱动转向有中间轮驱动速差转向、前轮驱动转向和前后轮驱动转向这三种方法，如图2-1 所示。图2-1中(1) 中间轮驱动速差转向方案共有两个驱动轮,分别

19、位于 AGV 中轴线的左右两边。前面和后面两个或四个车轮为自由轮。这种结构的 AGV 重心容易掌握；(2)前轮驱动转向把前轮既作驱动轮又作转向轮，即驱动和转向合二为一，后面两个车轮为自由轮，这种结构的 AGV 重心偏向于 AGV 的前方或后方；（3）前后轮驱动转向是在前轮驱动转向的基础上，针对载重量较大的 AGV 而设置两个驱动转向轮，分别用于实现前后的驱动和转向。（1）中间轮驱动速差转向(2)前轮驱动转向(3)前后轮驱动转向图 2-1 AGV 驱动转向方法从本 AGV 设计的基本要求出发，同时考虑到 AGV 运动过程中的平稳性及电源和工控机都需要较大的安置空间，本 AGV 的驱动转向系统采用

20、图 3-5 中的(1)方案，前面和后面各使用两个自由轮。该方案将两驱动轮平行独立地固定于车体的中部左右两边，通过调速控制使两驱动轮产生相同的速度来实现车辆的直线前进或直线后退，通过调速控制使两驱动轮产生不同的速度来实现转向。考虑到橡胶与地面的摩擦系数大，同时能保证足够的驱动能力, 本 AGV 的车轮选用了橡胶轮胎。同时，我们选用了不充气的实心橡胶轮胎，这样用户不需要给轮胎打气，使用方便。另外，实心橡胶轮胎可以避免由于两个车轮气压不一致而引起两驱动轮直径和离地高度不确定而导致的控制和定位困难等缺点。我们AGV小车的六轮结构CAD模型如图2-2所示。图2-2 六轮结构CAD模型从图2-2中我们可以

21、看出，这款小车的轮系结构采用了六轮的底盘，中间两个定向轮为驱动轮，前后四个万向轮为从动轮，这和目前美国研制的火星探测车的结构有点类似。当电机正转或反转时，小车可以前进或后退；通过内外侧两个驱动轮的速度差实现小车转弯；而当一个电机正转，一个电机反转时可以实现小车原地转弯。这种轮系结构不但控制简单，而且机械结构也没有上述轮系结构那么复杂，同时它不需要很多的机械部件的支持，这样不但节省了成本，也减少了控制难度。但是这种六轮结构有一个缺点，如图中所示，两对从动轮分别安装在主动轮轴的两侧，当小车行驶到不平的路面时，主动轮很容易被两侧的从动轮抬离地面，而使驱动轮不能驱动小车行驶，因此需要在从动轮上安装减振

22、弹簧等机械部件，使得六个轮子能与地面充分接触，保持和地面的摩擦力。但考虑到超市的地面平整性较高，因此这部分的修正可以忽略。自动导引小车的技术指标在确定了小车的轮系结构以后，我们还必须确定小车载重、转弯半径、行驶速度等技术指标。首先我们要选择合适的驱动电机，因为电机的性能参数直接决定着整辆小车的运动速度和驱动力。在选型过程中，主要考虑电机的额定电压和额定功率这两个参数。电机的输出功率和小车的重量之间存在以下关系：式（2-1）式中 P 为电机功率， 为摩擦系数，m 为小车重量，g 为重力加速度（9.8m/s），v 为小车的最大速度。按照小车的最大重量（承重加自重）为100kg，摩擦系数按照 0.2

23、5，最大行驶速度为0.5m/s 计算，电机总的最大输出功率为 73.5W，因为小车使用了两个驱动电机，因此每个电机的额定功率必须要大于 37W。考虑到为了便于其它控制电路的取电，电机的额定电压取 24V，这样两个 12V10Ah 的蓄电池串联即可作为整个系统的电源。在满足上面要求的条件下，为了节省成本，我们采用一款额定电压为24V，功率为 40W，转速为 128 圈每分钟的直流减速电机。小车的最小转弯半径与小车重量存在以下关系：式（2-2）式（2-3）式（2-4）式中 F 为小车转弯时由摩擦力提供的向心力，v 为小车的最大行驶速度，r 为小车的最小转弯半径，其它参数同式（2-1）。根据上面三个

24、公式，可以得到小车的最小转弯半径为 0.53m。从图图2-3小车转弯轨迹图2-3中可以看出，在设计小车尺寸时，其宽度 W 不能大于 2 倍的最小转弯半径，即 1.06 米，否则小车就无法达到这个转弯半径。在确定了电机型号和小车的行驶速度后，小车轮子的直径也可以确定，小车驱动轮的直径和电机转速之间的公式如下：式（2-5）式中 v 为小车的最大行驶速度，n 为电机每分钟的最大转速，d 为驱动轮的直径，而我们选定的电机的最大转速是128r/m，v 为0.5m/s，因此可以得到驱动轮直径 d 约为70mm。在确定了小车的几个关键的技术指标后，根据小车的设计要求我们得出一张如表2-1 所示的小车机械指标

25、表。表2-1 小车各项机械技术指标项目内容项目内容小车控制方式可选自动/手动最大行驶速度0.5m/s导航方式陀螺仪导航最小转弯半径0.53m轮系结构六轮结构车轮直径70mm驱动方式双轮差速驱动工作时间连续接收负载方式手动电池池组天能 24V/10Ah（免维修）负载能力40-50kg蔽障方式超声波自重（含蓄电池）50kg卸货方式手动行驶方向双向（前、后）、转弯车体尺寸800*600*200mm(长宽高)自动导引小车整车机械设计2 2.1 2.2 2.3 2.3.1 小车货架结构设计货架结构的设计非常重要。如果设计不恰当，或者会浪费材料，增加自重，提高成本，或者会因局部结构强度不够而埋下安全隐患。

26、一般的小车货架是直接加载在小车车身上，这样的话会造成小车的承载能力受限，且容易造成局部强度的不够等问题。而我们设计的AGV小车则采用4个支柱将货架支撑在小车底盘上，这样就将货架的重量均匀地分配到小车底盘上，增加了小车的承载能力和提高了结构强度。同时便于货架的拆卸、更换和维修。小车货架的CAD模型如图2-4所示，货架与小车的连接如图2-5所示。图2-4 小车货架的CAD模型图2-5 货架与小车的连接图2.3.2 货架手动升降结构设计在搬运前后的上货和卸货过程中，根据操作人员的自身因素和货物位置（仓库位置和最终货架位置）适当调节货架的高度，既是人性化的需要，又是高效的要求。在开始时，货架升降我们打

27、算采用自动控制，可是考虑到以下情况：一般自动控制升降有两种形式：一种是电机驱动通过齿轮齿条进行升降运动的执行，但是这就需要在车身上再添加驱动电机和传动装置，小车的体积和重量都会增加，成本也会较大程度提高，再者对于超市这种形式经济性较差，因此我们舍弃了这种方案；另一种是液压驱动升降，成本的话和体积都比较小，但液压的污染比较严重，对于超市这种对卫生洁净度要求很高的场所来说这种方案同样不可取。因此我们进行了手动升降结构的设计，在这里我们参照了帐篷支撑杆的升降结构，具体结构形式如图所示，操作人员手摁下结构突出的半球形固定弹簧卡销，用力拖动货架，到一定位置孔让弹簧卡销弹出即能完成新位置的固定。这种结构简

28、单、经济，可靠性高，在操作上也能满足对快捷性的要求。货架手动升降结构如图2-6所示，手动升降结构在小车中实际位置如图2-7所示。图2-6 货架手动升降结构图2-7 手动升降结构在小车中实际位置2.3.3 小车底盘结构设计1.从动轮，2.车架，3.控制系统电路板，4.驱动轮，5.天线，6.蔽障超声波传感器，7.扬声器，8.直流伺服电机，9.测速超声波传感器，10.蓄电池组图2-8自动导引小车的车体结构示意图如图所示，小车的四个角上分别安装了一个橡胶万向轮作为小车的从动轮，由直流减速电机驱动的驱动轮同轴线平行独立地固定于车体中部两端。这里我们采用直流伺服电机取代直流电机和减速机的组合是为了节省成本

29、，减轻重量，同时也是为了便于安装和控制。蓄电池组和工控箱主要放置在车体底部中轴线上，这样是为了降低车体重心保持车体的平衡，以提高小车的抗侧翻能力。在小车底部前后两端均装有超声波传感器。在安装超声波传感器时要保持其水平向前，以保证其测障。小车底盘布局的CAD模型如图2-9所示。图2-9 小车底盘布局的CAD模型2.3.4 小车货物分类结构设计超市里的货物比较多，为了一次便捷性地搬运而又能将它们较好的分类，我们采用了柔性较高地且简易方便的活动式插板分类，根据活动插板的形式货架可以进行1、2、3、4四种货物的划分，这样的分类结构使得小车搬运的货物大小尺寸种类上基本满足了超市的要求。同时对于一些易碎物

30、品，小盒的划分更便于他们的固定和保护。货物的2级、3级、4级分类分别如图2-10、2-11、2-12所示。图2-10 货物的2级分类图2-11 货物的3级分类图2-12货物的4级分类2.3.5 小车的整车结构及装潢设计小车采用矩形钢管骨架式焊接车架，在保证其强度和刚度满足小车的承载能力的条件下，应尽量减少车架自重，以提高有效载重。各个机械部件都与车体分离，只用螺栓螺钉连接固定，这样既保证车架的刚性强度，又便于装拆调试。所有覆盖件都可以分拆独立制作处理，特别是免去对车架的整体加工，使工艺大为改善。车体的外饰设计也是不容忽视的一个环节，结构形式和安装方法应考虑维护和修理的方便性。小车的外壳面板由

31、2mm 厚的 PVC 塑料板构成，不但方便加工，易于安装，而且也可用于固定硬件电路板。此外，车体的外廓不应有突出部分，以免碰撞其它物体和造成人员伤害。车体颜色以载物台，底盘和车架三大部分为区分，其中车架以警示醒目的黑色为主色调，其余用适合室内效果的柔和浅暖的黄色为主色调。小车的整体结构及装潢图见附录1。三 小车控制系统设计控制系统硬件构成3 3.1 3.1.1 控制芯片模块 主控芯片经过小组成员的讨论，我们的小车将选用Freescale半导体公司08系列中资源较丰富的MC68HC908MR32 MCU(以下简称MR32)作为本设计的主控芯片。该款芯片的I/O引脚、片内Flash和功能模块符合设计要求，而且本设计中所需驱动的电机达四个之多，而该芯片正是Freescale公司推出的专门驱动电机的新型MCU，因此选用这款芯片还是比较合适的，MR32的内部管脚如图3-1 所示。图3-1 MR32的内部管脚单片机的运行需要一个支撑电路的支持才能工作起来，一般支撑电路包括电源、时钟电路等。图3-2所示为即为主控芯片MR32的支撑电路。主控芯片的支撑电路设计好后，接下来需要解决用户程序的写入问题，Freescale半导体公司为08系列的MCU提供了监控ROM，但是它存在着两大缺陷：一是需要一个Flash编程高电压，且其它引脚还需要满足特定的设置才能进