双驱双向AGV机器人运动学分析及仿真分析

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所属分类:AGV设计资料
摘要

对于双驱双向AGV机器人导引车的运动学分析与仿真分析,需充分考量双驱双向AGV导引车所采用驱动模块的特点,构建运动学模型。基于此,本文研究首先就双驱双向AGV机器人导引车进行简要介绍,进而就AGV导引车进行运动学模型构建与分析,在此基础上对AGV机器人导引车进行仿真分析,为AGV机器人导引车的结构设计与运动轨迹规划的优化提供参考。

所谓AGV机器人,也被称作自动导引车,是一种智能搬运机器人,可采用电磁或磁条等导引装置,沿预定路线进行职能运动,自动搬运物料。在这一过程中,自动化物流系统的构建,需充分体现AGV机器人导引车运行的自动化与柔性化性能,合理扩大AGV机器人的适用范围。

1双驱双向的AGV机器人

所谓AGV机器人,全称为AutomatedGuidedVehicle,也被称作自动导引车,属于一种轮式可移动机器人。随着智能化与自动化技术的高速发展,越来越多的机器人被应用于各种领域,也成为目前我国技术研发与科技发展的重要方向,先进制造技术与工厂物流技术是其中研究热点,柔性加工与柔性装备的研究也愈发广泛。其中,AGV系统是重要设备与组成单元,诸如智能化仓库、车间柔性制造及物流系统等方面的探索与应用逐渐普遍。

AGV自动导引车系统的组成部分包括就生产线控制管理系统、局域网、调度控制设备、远程I/O、地面导航系统、无线接入点、充电站及导引车。AGV自动导引策划系统在实际运行中,还需要采用一定的辅助装置、输送系统及通讯系统等。(图1)

双驱双向AGV机器人运动学分析及仿真分析

2双驱双向AGV机器人运动模型

2.1三维模型

双驱双向AGV机器人采用导引车体、驱动模块、牵引模块及运动模块等机械构成,采用UI团建进行模型构建,搭建AGV三维模型。AGV运动系统包括4个万向轮及2个驱动模块,这些系统模块按照中心对称方式设置,即1个驱动模块驱动2个万向轮。在驱动模块的驱动下使AGV机器人进行直线运动及转向运动,AGV机器人能够按照既定的运动轨迹进行运动与作业,完成工厂搬运任务,并适应各种复杂工况。

2.2运行模型

对双驱双向 AGV 机器人进行设计时,需进行运动学建模,在此之前需进行假设:假设 1,AGV 机器人的组成采用刚性材质架构;

假设 2,AGV 机器人的工作平面平整光滑,在机器人运动时,只进行滚轮运动,不进行滑移运动;

假设 3,AGV 机器人在运动中,万向轮与地面之间的摩擦极小,不会对万向轮按照旋转轴线的运动造成影响。在进行双驱双向 AGV 机器人结构设计时,需合理调整两个驱动模块驱动下的万向轮之间的距离,本次研究假设驱动模块之间的距离为650mm,每个驱动模块下的驱动轮间距为237mm,假设所采用的每个万向轮半径为 75mm。对 4个万向轮运行中的运动速度、万向轮间中点点速度、万向轮运动角速度进行计算。假设 AGV 机器人按照既定线路进行直线运动,则确定两个驱动模块驱动下的万向轮运动速度相同;当 AGV 机器人按照既定线路进行曲线运动时,2 个驱动模块需要相互协调,并依靠 AGV 机器人进行自动循迹运动[1]。

3 双驱双向 AGV 机器人运动学仿真

3.1 制定运动学仿真方案

基于以上论述,采用UG软件建立三维模型,将三维模型导入ADAMS进行机械系统动力学自动分析,采用MATLAB数学软件对运动模型所获取的数据信息进行数学分析,建立运动学模型,在MATLAB软件环境下进行运动学方程的编制,进行运动学计算,并进行运动学模型曲线绘制,提炼仿真分析结果,将分析结果与MATLAB计算结果进行比对,并确定技术路线。

3.2 建立虚拟样机

在进行双驱双向AGV导引车设计时,需考虑到其复杂结构与繁杂零件,在进行运动学仿真时,如果直接采用ADAMS进行三维模型图导入,则会导致工作量增加,仿真难度得以上升,其十分容易出现错误。基于此,本文基于仿真性能的考量,可对双驱双向AGV机器人的三维模型进行简化与转化,成为 Parasolid格式,进而采用 ADAMS 进行仿真处理,构成虚拟样机。完成三维模型导入之后,对无需进行仿真模拟的 AGV 部件加以固定,避免这些部件在实际运动中出现相对运动,进而将 4个驱动轮与支撑轮进行旋转副的创建,采用运动副连接剩余部件,并在每个车轮与地面之间建立接触。

对虚拟样机的每个部位进行连接之后,在驱动轮上增加驱动。驱动模块上安装弹簧,为驱动模块增加正向的压力。可将弹簧安装于驱动模块与车间之间的位置,确定弹簧系数设置,确定技术参数为 15N·mm,向驱动模块与车架之间增加及预紧力。完成一系列操作之后,AGV 机器人的虚拟样机就可以在规定线路顺利运行[2]。

3.3 运动学仿真分析

出于对AGV机器人行走路线的行走特性进行仿真模拟,设定机器人的运动轨迹为:直线运动→左转向→直线运动→左转向,并循环往复。运动中,机器人会经过四次左转向。因此,在运动学仿真分析时,可将其具体的仿真过程划分四个部分,每个部分都包含一次直线运动、左转向运动及转向行走,因而其具体的运动阶段包括 16 个环节,在进行运动学仿真分析时,应就每一个驱动轮进行 16 个函数编写,基于机器人驱动轮瞬时速度确定函数方程,对临界点速度进行计算,并对 4 个驱动轮的STEP函数进行编写。本次研究,采用UG软件进行双驱双向AGV机器人导引车三维模型的创建,对车轮之间的差速原理加以利用,搭建机器人导引车转向运动的运动学模型,对AGV机器人转向半径的最小值加以确定。运动学仿真分析时,将两个驱动模块的运动中心点设置于Marker,实现运动轨迹在地面上的投射。对机器人的行走轨迹及两个驱动模块的在X、Z方向上的位移曲线加以确定。经过仿真模拟可以确定,每一个驱动模块的位移曲线会在X、Z方向上产生曲线位移,充分体现了AGV机器人的仿真模拟行走状态,机器人的两个驱动模块运行过程中的位移曲线大小及变化趋势,可以看出其位移曲线与变化趋势之间没有偏差,在实际运动中,AGV 的驱动模块存在重复的运行轨迹,并且并不会产生磁条脱离的问题。

3.4 比对理论计算与仿真分析结果

对AGV机器人运动学模型进行推导,根据具体的推导结果,通过ADAMS进行仿真模拟,确定初始驱动轮的瞬时速度及临界速度,需采用MATLAB软件进行编程,并对AGV机器人的两个驱动模块中心点在X、Z方向产生的位移进行解析,提取其中数据信息,结合ADAMS软件仿真模拟结果所产生的轨迹点,在同一图中进行绘制,分别确定两个驱动模块在两个方向上的运动轨迹所形成的仿真曲线及理论曲线。对两个软件仿真模拟结移曲线存在偏差。而这种情况的出现,是由于AGV机器人在进行转向运动时,会受到多种因素的干扰,机器人导向车在横摆角速度、侧倾力等因素的干扰与影响下,出现导向车万向轮侧偏角的转向存在不确定性。尽管AGV机器人导引车在位移曲线上存在偏差,但其偏差较小,平均偏差不超过0.14m,偏差程度属于合理范围。

结束语

双驱双向 AGV 机器人导引车的设计与构建,应首先以 UG软件为基础进行三维模型与运动学模型的构建,这种导引车在运动中,会利用车轮差速原理进行转向运动的运动学模型构建,确定其最小转向半径,并利用先进的 ADAMS 软件进行仿真分析,获取仿真曲线。将仿真曲线与理论曲线进行对比,确定了其较小的平均偏差,可证明机器人运动理论分析的合理性。

参考文献

[1]刘欠洋,王殿君,刘占民,etal.单驱单向 AGV 机器人运动学分析及仿真[J].新技术新工艺,2015(10):45-48.

[2]王殿君,吴超,陈亚,etal.双驱双向 AGV 控制系统设计[J].机床与液压,2017(5):16-19,22

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