王顯旺，吳明福

（北京天下先智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102600）

在智能倉庫的貨到人系統(tǒng)中，貨架搬運AGV得到了大量且快速的應(yīng)用，此類AGV體積小，搬運能力強(qiáng)，多臺AGV在調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下同時作業(yè)，極大地提高了貨到人系統(tǒng)的吞吐量[1-3]。AGV自身結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)行走、頂升、自旋和托盤旋轉(zhuǎn)等動作，經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一種車體底盤與上部頂升組件融合為一體的鉸接式車體結(jié)構(gòu)[4-5]，這種結(jié)構(gòu)的AGV車在成本、生產(chǎn)和控制穩(wěn)定性方面具有很大優(yōu)勢。由于貨架搬運AGV的車體自重小，而頂升負(fù)載大，空載和滿載時驅(qū)動輪與地面的正壓力要求差異大，鉸接式車體結(jié)構(gòu)的特點正好滿足了不同工況下車輪與地面正壓力的要求[6]，但同時由于鉸接式結(jié)構(gòu)的影響，加上負(fù)載重量大、重心高等因素，導(dǎo)致車體在滿負(fù)載急加速或急減速的過程中產(chǎn)生的額外傾覆力矩可能使車體劇烈晃動甚至傾翻。

1 車體結(jié)構(gòu)和靜力學(xué)分析

車體和負(fù)載的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，前、后底盤通過車體中部的銷軸鉸接在一起，左、右驅(qū)動輪分別布置在車體中部的左、右兩側(cè)，前、后萬向輪分別位于前、后底盤的前端和后端并且偏離左右中心線一定距離。頂升動力組件安裝在前底盤上，頂升連桿組件通過前、后鉸接軸分別與前、后底盤連接，回轉(zhuǎn)托盤安裝于頂升連桿組件的頂部，負(fù)載放置于回轉(zhuǎn)托盤上。

圖1 車體和負(fù)載的結(jié)構(gòu)圖

簡化后的平面結(jié)構(gòu)受力如圖2所示，根據(jù)理論力學(xué)平衡條件可計算得到靜止?fàn)顟B(tài)下地面對前、后萬向輪和驅(qū)動輪的支撐力，在上述負(fù)載和車體自重（總重6429 N，約合656 kg）的作用下，得到地面對前、后萬向輪和驅(qū)動輪的支撐力分別為1499 N、1288 N和3642 N。

圖2 簡化后的平面結(jié)構(gòu)受力

2 車體動力學(xué)分析

2.1 主要件柔性化處理

車體中前、后底盤和頂升連桿組件的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，因此對前、后底盤和頂升連桿組件的各連桿進(jìn)行柔性化處理。在有限元軟件中采用剛性區(qū)域法提取上述各件的模態(tài)中性文件MNF[7-8]，柔性化的各零件材料為鋁合金，密度2700 kg/m3，彈性模量69 GPa，泊松比0.33，實體單元使用solid187，連接點使用3Dmass21單元，對實體和連接點分別劃分網(wǎng)格，并建立剛性區(qū)域，抽取6階模態(tài)并輸出MNF文件，其余件采用相同設(shè)置并提取MNF文件，分別導(dǎo)入Adams軟件的車體模型中并替換原有剛性件。

2.2 車體動力學(xué)仿真

AGV車體在實際使用中，需在不同載荷下反復(fù)啟停，當(dāng)車體滿載時，負(fù)載質(zhì)量為車體質(zhì)量的3倍以上，且負(fù)載的重心高，車體在滿載狀態(tài)時的動力學(xué)特性對于車體和控制的穩(wěn)定性非常重要，通過模擬真實的速度控制方法驅(qū)動車體運動，以觀察其運動規(guī)律。速度控制通過驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速輸入，對應(yīng)車體最高速度和平均加速度分別為1 m/s和0.5 m/s2。按上述條件設(shè)置車體行走5.5 s，提取相應(yīng)數(shù)據(jù)并做分析。

負(fù)載重心和車體托盤中心的速度幅值曲線如圖3所示，負(fù)載重心和車體托盤中心的Y方向（車體前進(jìn)的左右方向）速度曲線如圖4所示，從圖中可以看出，在加速和減速階段，貨物重心的速度與車體托盤中心的速度僅在極少時刻稍有不同，表現(xiàn)為貨物稍有左右方向的晃動，到了勻速階段，貨物重心的速度與車體托盤中心的速度幾乎完全相同，貨物晃動很小。而在實際情況中，由于地面的不平，貨物重心更高或偏離貨物幾何中心等因素的影響，貨物的晃動會更加劇烈，但車體本身的剛度對晃動的影響很小，且由于實際情況下各鉸鏈軸之間的摩擦作用，晃動的收斂速度會很快。

圖3 加速度0.5m/s2時，負(fù)載重心和車體托盤中心的速度幅值曲線

圖4 加速度0.5m/s2時，負(fù)載重心和車體托盤中心的Y方向速度曲線

圖5是左、右兩側(cè)驅(qū)動輪和前、后萬向輪在運行過程中與地面的正壓力，在加速和減速階段由于貨物的左右晃動，左、右兩側(cè)驅(qū)動輪與地面正壓力也會頻繁地增加或減小。在勻速階段，兩側(cè)驅(qū)動輪與地面的正壓力相差較小。在整個運行過程中，驅(qū)動輪與地面的正壓力都分布在靜平衡時的支撐力附近，保證車體加減速和勻速運行的穩(wěn)定性。加速階段，在加速度為最大值的階段（0.5～1.4 s之間），前萬向輪與地面的正壓力很小，此時由于加速，貨物對車體的重心后移，后萬向輪的壓力增大；在勻速階段（1.4～4 s之間），由于貨物重心的速度比較平穩(wěn)，前、后萬向輪與地面正壓力也比較穩(wěn)定；減速階段，在加速度為最大值的階段（4～5 s之間），后萬向輪與地面的正壓力很小，此時由于減速，貨物對車體的重心前移，前萬向輪的壓力增大。

圖5 加速度0.5 m/s2時，左、右兩側(cè)驅(qū)動輪和前、后萬向輪在運行過程中與地面的正壓力

為進(jìn)一步驗證，平均加速度增大為0.8 m/s2的情況下進(jìn)行分析，負(fù)載重心和車體托盤中心的速度幅值曲線如圖6所示，負(fù)載重心和車體托盤中心的Y方向（車體前進(jìn)的左右方向）速度曲線如圖7所示，在車體運行過程中，左、右兩側(cè)驅(qū)動輪和前、后萬向輪在運行過程中與地面的正壓力如圖8所示。

圖8 加速度0.8m/s2時，左、右兩側(cè)驅(qū)動輪和前、后萬向輪在運行過程中與地面的正壓力

對比圖6、圖7和圖3、圖4，當(dāng)增大加速度為0.8 m/s2時，在加速階段，貨物重心的速度滯后于車體托盤中心的速度，到了勻速階段，貨物重心的速度出現(xiàn)了圍繞車體托盤中心速度的震蕩，并且震蕩幅度較大，表現(xiàn)為貨物晃動較大，可能影響車體的正常運行，由于貨物重心的速度震蕩，又反過來影響車體托盤中心的速度，使車體托盤中心的速度出現(xiàn)了一些跳動，并非完全勻速行駛，且貨物左右方向晃動嚴(yán)重，導(dǎo)致車體難以保持直線行駛；在減速階段，貨物重心的速度經(jīng)過一次震蕩后，才逐漸與車體托盤中心的速度保持一致，速度減小直至運動停止。

圖6 加速度0.8m/s2時，負(fù)載重心和車體托盤中心的速度幅值曲線

圖7 加速度0.8m/s2時，負(fù)載重心和車體托盤中心的Y方向速度曲線

對比圖8和圖5，當(dāng)增大加速度為0.8 m/s2時，隨著車體晃動的增加，兩側(cè)驅(qū)動輪與地面的正壓力交替變化的幅度也隨之增大，加劇了車體行走的不穩(wěn)當(dāng)性。加速階段，前萬向輪與地面的正壓力大多時間為0，此時由于加速，貨物對車體的重心后移，后萬向輪的壓力增大；在勻速階段（1.9～3.5 s之間），由于貨物重心的速度震蕩，在貨物對車體壓力的影響下，前、后萬向輪交替出現(xiàn)與地面正壓力減小與增大的過程，與前述速度曲線相對應(yīng)。在實際應(yīng)用中，各輪對地面的正壓力如果為0，意味著車體會出現(xiàn)傾翻或者處于臨界狀態(tài)，這種狀態(tài)是非常危險而不被允許的，要極力避免；減速階段，后萬向輪與地面的正壓力減小接近0，前萬向輪與地面正壓力增大。體現(xiàn)在實際情況中，整個運動過程中，車體上方負(fù)載表現(xiàn)為前后晃動嚴(yán)重并伴有左右晃動，在啟、停階段，車體前萬向輪和后萬向輪交替脫離地面，整個車體和負(fù)載運動不平穩(wěn)，因此，加速度的最大值需要嚴(yán)格限制在一定范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

在車體滿載且加速度較大時，啟動和減速階段，負(fù)載晃動嚴(yán)重，甚至影響勻速運動階段的平穩(wěn)性，在減小加速度的情況下，車體穩(wěn)定性提高；結(jié)合實際生產(chǎn)的車體并經(jīng)過測試，當(dāng)實際的加速度為0.5 m/s2時，柔性化的各件在仿真中的效果與實際情況接近，滿足車體穩(wěn)定行駛的要求。剛?cè)狁詈系腁GV車體動力學(xué)分析考慮到實際主要結(jié)構(gòu)件的彈性變形對車體運行的影響，通過各種工況下的仿真分析，驗證了車體結(jié)構(gòu)的適用范圍，同時也間接驗證了各主要結(jié)構(gòu)件的剛度滿足使用要求，此種方法可作為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計階段的重要輔助手段，并可提前做各種不同工況下的動力模擬分析，作為后續(xù)產(chǎn)品測試的參考依據(jù)。