AGV驱动单元发展现状及趋势

蒋亚风 许 伟 连帅梅

（1.四川工商职业技术学院 智能制造与信息工程学院，成都 611830；2.成都工业学院 智能制造学院，成都 611730）

自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）是一种具有自动导航功能，能够按照设定的路线行驶实现物料的运输，并带有安全保护装置的自动运输车[1]，属于移动机器人的一种。它的主要组成部分包括车体、驱动单元、导航系统、电源系统、控制系统、安全保护系统以及移载装置等。随着《中国制造2025》战略深入推进，AGV被广泛应用于柔性制造系统和自动化仓储系统[2]，大大提高了工厂的自动化和智能化水平。驱动单元是AGV小车的核心部件之一，是AGV行走的动力来源，其性能的优劣直接决定了AGV的整体性能。目前，国内外相关科研技术人员在AGV驱动单元方面的研究主要集中在机械结构、传动系统、驱动系统以及动力学等方面，形成了较为完善的理论，且相关商品化的产品已在市场上得到了广泛应用。

1 AGV驱动单元的组成与分类

驱动单元作为AGV的驱动装置，主要包括电机（含驱动器）、驱动单元支架、传动机构、轮子及相关其他机构[2]。AGV行走系统按照轮系的数量可以分为三轮行走系统、四轮行走系统和多轮行走系统[3]。按照驱动轮的结构形式，AGV行走系统又可以分为舵轮行走系统、差速行走系统和麦克纳姆轮行走系统。从结构和工作原理上来看，AGV驱动单元可以分为舵轮驱动单元、差速驱动单元以及麦克纳姆轮驱动单元。

舵轮驱动单元是一种集成化、模块化的驱动装置，同时具备驱动和转向两种功能，灵活性和承载能力强。常见的有立式和卧式两种结构形式的舵轮驱动单元。差速驱动单元是一种经济型驱动模组，在实际应用中由两个驱动轮同轴并列构成，因此通常又称为双轮差速驱动单元。它的驱动和转向功能是通过调节两个驱动轮的速度来实现的。根据结构形式，它可以分为整体式差速驱动单元和独立式驱动单元两种。麦克纳姆轮驱动单元是一种新型无转向机构的全向驱动单元，核心是麦克纳姆轮。麦克纳姆轮由轮毂和分布在轮毂圆周上的辊子组成。辊子轴线与轮毂主线的夹角为45°，而辊子本身是无动力的。在轮毂滚动过程中，辊子与地面接触也会产生滚动，产生一个侧向运动。当多个轮子配合使用时，可以实现AGV小车的全方位移动。

2 AGV驱动单元发展及应用

2.1 舵轮驱动单元

舵轮驱动单元的结构较为复杂、控制难度大，特别是转向和行走电机的协同控制难度较大，因此早期的舵轮驱动单元多以进口形式从国外购买，主要品牌有意大利CFR、马路达以及德国夏波穆勒等。但是，此类驱动单元价格昂贵，增加了AGV的成本。舵轮驱动单元的国产化虽然起步较晚，但是经过多年的发展，已经完成了从进口产品代理、贴牌销售到自主研发的转型，涌现出了一大批国产舵轮生产企业，如上海同毅、金陵智造、凤凰动力以及广州智轮等，形成了规格较为齐全的产品系列。其中，单舵轮承载力从几百千克到十几吨应有尽有。此外，一些AGV整机制造企业逐渐开始关注舵轮的自主研发，取得了一些成果。目前，国内舵轮驱动单元的发展主要在应用层面，围绕AGV整车稳定性开展舵轮行走和转向协同控制、多舵轮协同控制、减震悬挂系统等研究。整体而言，国产舵轮技术近来取得了较大进步，但和国外相比还存在较大的差距，主要表现在机械传动效率承载能力和驱动器两个方面。

从应用的AGV结构上看，卧式舵轮驱动单元具有结构紧凑，高度低等优点，因此多用于对AGV高度有特别要求的场合，如重载潜伏式AGV。立式舵轮在高度空间充裕的叉车式AGV上应用较多[4]。从舵轮驱动单元构成的行走系统形式看，它主要有单舵轮、双舵轮以及多舵轮3种形式[4-5]。如图1（a）所示，单舵轮一般构成三轮行走系统，由1个驱动轮和2个从动轮组成，且驱动和转向都由舵轮完成。三轮结构可以保证每一个轮子都与地面有效接触，驱动轮不易打滑，对地面的适应性强，适用的环境和场合更加广泛。双舵轮一般构成四轮或六轮行走系统，由2个舵轮和2个或4个从动轮者组成。双舵轮常见的布局形式有舵轮对角对称布置和中间对称布置两种，分别如图1（b）和图1（c）所示。另外，它可以左右对称布置，但这种方式多见于双轮差速驱动。两个舵轮协调配合可以完成AGV的驱动和转向，可以实现全方位移动，灵活性强，承载能力和稳定性比三轮结构好，适用于一些通道狭窄或者对行走方向有特殊要求的场合。但是，为了保证驱动轮与地面有足够的附着力，地面的平整度必须限制在一定范围之内或者增加悬挂系统。多舵轮行走系统一般有4个以上舵轮，可以进一步增加AGV的驱动力，提升AGV的牵引或运输能力。常见有4个舵轮组成四轮车型，或者4个舵轮和4个从动轮构成八轮车型。图1（d）为4个舵轮驱动布局形式。多舵轮行走系统同样可以实现全方位移动，且与前两种行走系统相比承载能力更强，多应用于港口码头等重载行业，进一步增大了多舵轮协调控制难度，使用成本较高。

2.2 差速驱动单元

相对于舵轮驱动单元而言，差速驱动单元技术门槛较低，相关研究也较多。雷川川运用系统化的设计理念，采用AGV驱动单元与车体柔性连接的方式，设计了一种新型差速驱动单元[6-7]。赵华东等运用ANSYS软件分析差速驱动单元外掰现象，提出了合理的改进方案[8]。彭光清和杨滕昆基于模块化的设计理念，较为全面地研究了差速AGV驱动单元[2,9]。蒋小龙对差速AGV驱动单元常见的减震形式及其性能特点进行了详细分析[1]。吴律等设计了一种高载荷AGV模组，并运用有限元分析软件对模组进行了模态分析，得出了前6阶模态图，并分析了AGV驱动单元性能受自身及外界激励的影响[10]。

双轮差速驱动单元多用于轻载AGV，因结构简单、控制难度相对较低、成本低，在各类经济型AGV上应用广泛。实际应用中主要有四轮和六轮两种行走系统，图2为差速驱动单元在AGV小车上的常见布局和应用形式。如图2（a）所示，在四轮行走系统中，AGV驱动单元一般安装在车体前端，当两驱动轮转向和速度均相同时实现前进或后退功能，转向相同转速不同时可以实现转弯功能。在六轮行走系统中，驱动单元一般安装在车体中间[6]，如图2（b）和图2（c）所示。其中：图2（b）为独立式差速驱动单元的应用，两个驱动轮独立安装；图2（c）为整体式差速驱动单元的应用，两个驱动轮通过一个中间装置连接在一起，具有模块化的优点，目前应用最广泛。六轮行走系统布局中，两端的万向轮主要起辅助支撑作用，承受的载荷较小，转向阻力小，主要特点是结构对称布置稳定性好且载重能力强。AGV除了实现前进、后退以及转弯等功能外，当两个驱动轮旋转速度相同、旋转方向相反时，还可通过原地旋转实现掉头。此外，在一些负载较大的场合，也可使用两组整体式差速驱动单元构成八轮车型，如图2（d）所示。

图2 差速驱动单元应用布局

2.3 麦克纳姆轮驱动单元

目前，对麦克纳姆轮驱动单元的研究主要集中在运动学、动力学及相关应用控制上。例如，王明明[11]和江梦林[12]分别从不同角度对麦克纳姆全向轮驱动的移动机器人进行了运动学建模，研究了轨迹跟踪控制问题，提出了一种自适应滑模控制器，并进行了仿真验证。许斌基于凯恩方法的麦克纳姆轮进行AGV动力学建模及仿真[13]。刘威伯等运用质心运动定理、动量矩定理等运动学知识，分析麦克纳姆轮的运动学和动力学，探究了其麦克纳姆轮AGV整体机构全方位运动的原理[14]。

从理论上分析，AGV小车集成3个及以上的麦克纳姆轮就能够实现全向运行，但是实际应用中考虑运动稳定性等问题，一般采用四轮麦轮作为全转向运动机构[15]。麦克纳姆轮分为互为镜像关系的AB轮，可以通过轮毂上的辊子方向来判定。AB轮可以任意判定，先定义其中一种为A轮，那么另一种与之镜像的是B轮。四麦克纳姆轮可以有多种组合方式，但并不是每一种组合都可以实现前进、后退、平移以及旋转等功能，只有特定的组合才能实现。常见的组合形式有ABBA和BAAB两组，即O形布置和X形布置，如图3所示，具体运动分析可以查阅相关资料，此处不再赘述。麦克纳姆轮具有结构精巧、运动灵活等特点，可以方便实现全方位移动，但轮子的结构复杂、加工制造精度高，因此成本较高。同时，因为与地面的接触面小，所以承载能力不如舵轮驱动单元和差速驱动单元，且易磨损。

图3 麦克纳姆轮应用布局

3 AGV驱动单元发展趋势

AGV在工厂智能物流和智能仓储方面的应用越来越广泛，同时对AGV的性能要求越来越高。AGV驱动单元作为AGV的核心部件之一，研究的重点是与整车的匹配性和可靠性，未来的发展趋势是模块化、集成化、专业化与系列化。相关AGV驱动单元专业生产厂家应通过加强驱动单元相关技术的研究，开发更多能满足不同用途需求，产品性能优异，规格系列齐全，集驱动、转向与导引为一体的驱动单元模块，进一步促进AGV的发展与应用。