机器人携带自动导引小车车体设计与分析

１研究背景

移动机器人是机器人学的重要分支之一，主要功能是协助甚至直接取代人工进行较大范围物流与作业。自动导引小车是一种轮式移动机器人，是集机械、电子、控制、计算机、人工智能等技术于一体的自动化智能装备［１］。相比传统物流线方式及行走轴＋机器人移动上下料方式［２］，通过自动导引小车实现物流自动化，不需要在作业区固定安装轨道、支座架等辅助装置，不存在物流方案变更调整困难、维护操作空间狭小等问题，具有自动化程度高、柔性好、安全可靠等特点，可以广泛应用于仓储物流和产线物流［３］。

自动导引小车技术包括驱动方式、导引方式、供电方式、系统控制及应用等方面，在科研人员的努力下，不断取得突破和发展［４－５］。随着计算机、通信、消费电子产品少量多样柔性生产制造、智能制造、智慧生产模式的发展，自动导引小车的负载、行走速度、精度、应用面临了更高的要求。将自动导引小车与机器人相结合，实现大负载、高速运输、精确定位，并且与其它智能制造设备进行物料高效自动交换，直接完成自动化功能操作，这是智能工厂智能制造的发展需求，可以提升效率，降低生产物流成本。笔者对机器人携带自动导引小车进行车体设计与分析。

２机器人携带自动导引小车概念

计算机、通信、消费电子产品更新换代速度快，零件日益复杂，精度要求不断提高，在自动化、精度、弹性、效率等方面对制造企业的生产提出了比较高的要求［６］。依据计算机、通信、消费电子行业制造产线物流连线自动化应用需求的特点，提出机器人携带自动导引小车概念，对机器人与自动导引小车进行技术整合，通过车体实现将物料自动运输至目标工站，再通过车载实现物料自动交换。机器人携带自动导引小车中的机器人是广义的，既包括四轴及六轴工业机器人，又包括倒挂直角坐标机器人和各类客制物流线，可以实现生产物料的自动运送交换。

所设计的机器人携带自动导引小车包括车体、车载、控制系统等，如图１所示。自动导引小车本体采用标准化设计。车载即机器人，安装在自动导引小车上，采用模组化设计，可以根据需求切换不同类型。控制系统包括车体控制系统、车载物料交换功能控制系统、智能移动机器人调度系统。

图片[1]-机器人携带自动导引小车车体设计与分析 — 图１机器人携带自动导引小车

设计机器人携带自动导引小车时，需要设计车体、车载、激光导航、安全防护、控制系统等。其中，车体设计是基础，也是重点，决定了机器人携带自动导引小车的承载、速度、稳定性等性能参数，并且与导航控制模式、行走精度、停靠精度等重要性能指标相关联。车体设计具体分为动力单元设计、驱动力分析、静力学分析、抗倾覆分析、外观设计，通过车体设计使机器人携带自动导引小车在满足负载要求的前提下，结构合理、稳固、可靠，满足人因工程要求，具有科技感外观。

３动力单元设计

自动导引小车按驱动方式一般分为三类：双舵轮、单舵轮、差动轮［７－８］。所设计的机器人携带自动导引小车优选双舵轮驱动方式，如图２所示。在车体的前后各安装一台驱动舵机，通过调整前后驱动舵机的角度和速度，使机器人携带自动导引小车在不转动车头的情况下实现全方位转向、平移、变道等动作，具有很高的灵活性。车体四个边角安装无动力万向从动轮，起平衡和支撑作用，保证机器人携带自动导引小车行驶平稳。

所设计开发的机器人携带自动导引小车驱动舵机如图３所示。采用集行走和转向于一体的驱动舵机，分别通过直流伺服电机和直流无刷电机进行驱动，实现行走和转向。编码器检测直流伺服电机的转动量，实时反馈至控制单元。控制单元通过计算得到车体行走速度和转向角度，由控制器控制机器人携带自动导引小车完成下一步动作。驱动舵机设计有缓冲机构，可以有效适应地面的不平整性，确保驱动轮着地，不产生打滑。

４驱动力分析

根据计算机、通信、消费电子产品智能工厂、智慧生产相关制程应用需求特点，各类车载及相应载质量合计均小于200kg，于是将机器人携带自动导引小车车体有效载质量设计为250kg，同时要求较高的运载速度，将额定行走速度设计为0.8m/s。车体设计与关键零部件初步选型后，选用400W直流伺服电机提供驱动动力。机器人携带自动导引小车重要设计参数见表１，其中，车体结构质量包括锂电池质量，驱动轮、万向轮材料为聚氨酯。机器人携带自动导引小车受力分析如图４所示。机器人携带自动导引小车要能正常启动和运行，必须同时满足两个条件。第一，驱动轮不打滑，即：