果蔬仓储搬运的AGV小车机械结构分析研究

任 培 华

(潍坊职业学院，山东 潍坊 262737)

智能果蔬仓储管理中，果蔬的精准搬运是重要环节，也是智能果蔬仓储管理的关键，因此智能AGV小车以其灵活、便捷、安全、自动化程度高等优势备受青睐。AGV小车以电池供电，通过电磁等自动导引装置，按照实际生产需求预先制定规划路径，在程序控制下或者沿电磁轨道精准到达指定地点完成货物搬运。智能AGV小车种类众多，虽能自动、灵活、准确地搬运货物，但是在现代农业智能果蔬仓储搬运过程中仍存在一定的问题，对环境的要求以及识别精准度还有待提高。现对智能AGV小车的各部分机械结构进行对比分析，以进一步优化设计方案，实现更高效的工作。

1 应用特点分析

AGV小车自动化程度较高，能实现自动导引、自动充电、自动作业等果蔬搬运需求，有效解决了传统果蔬仓储管理的痛点，是农业现代化果蔬仓储搬运中的重要工具。

1.1 自动化作业程度高

传统的果蔬搬运都是人工完成，效率低，人工成本高，智能化程度低。而智能AGV小车不管是“货找人”还是“人找货”的方式，只需编制好程序，优化好路线，果蔬会被自动搬运到指定地点，对企业来说省时省力，节省人工成本。

1.2 快捷安全，自动充电

智能AGV小车在搬运果蔬时具有快速安全准确的优势，并具有一定的自我诊断能力，尤其是在电池充电问题上。当诊断电量过低时，会自己到指定区域连接插座进行充电。因此在搬运过程中不用担心因电量不足停止作业，同时也能对故障进行自动分析、自动诊断，并发出故障报警，进而得到及时处理。

1.3 自动识别接收信号

AGV小车智能化程度较高，能够自动接收并分析命令指示，AGV小车接到作业命令后，会自己到达货架，取出货物后在导引装置指引下，再按照规定路线或自动优化路线搬运到指定地点，非常便捷。

1.4 精细化、柔性化程度高

AGV小车在物联网大环境下能够进行点对点果蔬自动存取，在具体的搬运过程中能够接收命令自动进行数据处理，确保精准高效，实现果蔬仓储搬运的智能化和柔性化作业。

2 整体结构设计分析

AGV搬运小车种类较多，在智能果蔬仓储搬运中常用的是背负式和托盘式，不管是哪种类型，他们的机械结构、驱动转向装置和动力电机对于整个小车的运行性能至关重要，影响着其运行平稳性，托载货物的承重性等。

2.1 机械结构整体分析

AGV搬运小车机械结构主要包括底盘、车轮、联轴器、蜗杆、滚动轴承、减速器、驱动电机等。

2.1.1 底盘

底盘是整个小车结构的支撑，不仅要承受货物的重量，还有自身车体的重量，因此底盘材料的强度和刚度以及尺寸设计尤为重要。结合果蔬仓储搬运的特点，AGV搬运小车的底盘尺寸设计要与货架尺寸相适应。AGV小车在实际果蔬搬运过程中会有全方位360°方向变换要求，因此前后轮分别采用万向轮和独立的驱动轮，后轮驱动轮能够实现差速转向，前轮万向轮可以实现360°转向，并起到对整个车体的支撑平衡作用，使转向更灵活，保证了货物搬运过程中的平稳性。

2.1.2 联轴器

联轴器主要采用安全联轴器，是用来进行蜗杆和电机联结的，联轴器型号的选择要与蜗杆轴和电机轴的尺寸相适应。蜗杆、联轴器和滚动轴承主要实现AGV小车机械传动和联结功能，强度要求比较高，也是AGV小车搬运果蔬过程中安全平稳性能的保障。AGV搬运小车的动力装置主要是驱动电机，电机输出的动力通过减速器、联轴器等传动机构，最后传送给前后驱动轮，实现全方位运行。

2.2 驱动转向装置分析

AGV智能小车整车的行驶稳定性是前提。要充分考虑前后车轮轮间距、同轴度、车体重心等因素对小车的影响。因此小车各机械结构之间的相对位置及驱动转向装置的选择至关重要。

2.2.1 机械结构相对位置分析

AGV智能小车的转向范围及作业性能是由驱动轮之间的轮间距控制的。轮间距过大或过小，都会影响AGV智能小车的转弯角度，使车体的转向行驶受到限制。因此在设计轮间距时应多方面考虑作业平稳性、电源及驱动电机在车体中的配置位置以及前后轮是否在同一个平面上。

2.2.2 驱动转向装置分析

AGV小车还需要一个推动车体自由行进的装置，为减少车轮与地面的摩擦，推动装置采用轮式滚动机构，更利于小车自由运行，其行驶灵活度取决于驱动转向方式。驱动系统需能提供AGV小车在不同工作环境下的车轮转速，确保小车正常运行，而转向系统是AGV小车能够实现转向及绕轴旋转的保障。常用的驱动转向装置有舵轮转向驱动、差速转向驱动、全轮转向驱动，可根据具体工作要求和工作环境进行分析选择。

舵轮转向驱动装置有单舵轮和双舵轮两种，单舵轮多为三轮车型，转向驱动装置仅有一个舵轮，搭配从动轮，控制AGV小车自由行使，结构简单成本低，但灵活性较差，转向存在局限性；双舵轮多为四轮及以上车型，转向驱动装置在车体前后各一个舵轮，搭配从动轮，实现360°行使，较单舵轮稳定性好，但成本较高，且AGV小车作业中经常需要两个舵轮差动，需要相对复杂的运动控制。舵轮转向驱动适合于智能物流仓储中牵引式或者叉车式小车对大吨位货物的搬运。

差速转向驱动装置需要在AGV小车车体两侧分别安装差速轮，差速轮不需要电机驱动，靠两侧驱动轮之间的速度差实现转向，虽灵活性高，但不能做到万向横移。另外安装差速轮成本低，但对地面平整度要求非常高，且负重要控制在1吨以下，适用于环境较好的电商、零售等仓储。

全轮转向驱动装置是最为灵活的一种，小车安装的所有车轮既是驱动轮又是转向轮，并分别由电机单独控制，从而最大化实现了AGV小车的全方位自由行驶，适用范围较广。全轮转向驱动在智能果蔬仓储搬运中不会受到货架间狭小空间的限制，灵活度高，但是相对应的控制算法难度较大，结构相对复杂。

2.3 动力电机的选择分析

电机是将电源提供的电能转换为机械能带动负载运行的一种驱动装置，也是AGV智能小车驱动系统的重要部件。电机自身的机械特性及选用的减速装置，是AGV小车驱动系统的核心，是整个车体运行速度和驱动性能的决定性因素。因此不同配置的小车、不同的工作要求和环境要求以及承载货物重量的不同，使得AGV小车选用的电机也大不相同。AGV小车常选用的电机有直流有刷电机、直流无刷电机、直流伺服电机、步进电机四种，对四种电机进行整体性能分析，以做初步选择[1]。

2.3.1 直流有刷电机

直流有刷电机内部含有电刷装置，通过电刷与外部电路相连，是所有电机的基础。直流有刷电机不但启动快、制动灵敏，而且调速范围广、调速平滑，控制电路相对简单。但因电刷和换向器的存在，高速运转中两者摩擦会产生火花，会带来一定危险性，同时导致使用寿命缩短，后期检修维护难。根据AGV小车运行工况，对于控制要求简单且对电机功率要求低的工作环境，AGV小车可选用直流有刷电机。

2.3.2 直流无刷电机

为解决电刷换向存在的问题，直流无刷电机采用电子换向代替电刷换向，结构上主要由定子和转子组成。转子上装有永磁体，定子被扭曲成特定的极数，通过内置霍尔传感器感应转子位置，实现换向。直流无刷电机除需要专用控制器外，在效率、能耗、噪音等各方面优势都较为突出。

2.3.3 直流伺服电机

直流伺服电机是一种特殊控制电机，一般用作执行元件，在自动控制系统中应用非常广泛。它需要专用的驱动器来实现驱动控制，将接收到的控制信号通过矢量控制算法转换为角速度输出，并通过霍尔传感器或者编码器检测转子位置，实现转子的任意停止。直流伺服电机不但效率高、响应快，而且在运行过程中转动平滑、噪声小，因此常用在对精度要求较高的AGV小车中。

2.3.4 步进电机

步进电机是通过接收电脉冲信号来实现驱动控制的。它可将脉冲信号转换成位移矢量，每接收一个脉冲信号，转子就转动一下，实现电机运转。步进电机可以通过控制脉冲个数和脉冲频率来改变角位移量和电机转速，能起到调速作用[2]。

AGV智能小车在驱动电机选择上，可以从精准度、经济性、控制难易度等方面进行考虑，结合侧重点选择合适的电机。如精准度要求高，可选用伺服电机，否则可选用无刷电机。

3 导引技术分析

AGV智能小车自动作业应用的一项重要技术是导引技术，由小车内传感器来感应小车相对周围环境的相对位置，经过反馈数据处理，实现AGV小车的自动导引行驶。目前普遍应用的导航方式有电磁导航、磁条导航、激光导航、惯性导航、视觉导航[3]，可以根据智能果蔬仓储的实际环境和具体建设成本等进行分析选择。

3.1 电磁导航

电磁导航是以电磁感应原理为基础。在规划好的搬运路线地面下铺好导电线，导电线通入三相交流电后会在周围产生磁场，车内传感器就会通过感应磁场信号强弱来辨别路径，实现自动行驶。这种导航方式虽然规划路径导电线藏于地下，抗干扰能力较强，但是改变导电线路径比较困难，线路故障排查维修成本也高。

3.2 磁条导航

与电磁导航不同的是，磁条导航需要借助AGV小车安装的磁导航器，与沿规划路径铺设在地面上的磁条发生感应，根据磁感应生成频率来实现小车自动行驶。该导航方式铺设磁条以及路径变换更加灵活方便，故障检测维修成本低，但是磁条露于地面之上，易损坏，使用周期短。

3.3 视觉导航

视觉导航智能性更高，它需要借助摄像头获取AGV智能小车周围的图像信息，并将其与数据库里的图像信息进行对比，通过对比信息判断AGV智能

小车运行状态，进而引导小车自动行驶。视觉导航智能化程度高，无需再铺设任何东西，但较难建立实时更新且较全面的图像库信息，控制算法复杂，这也是目前人们在人工智能领域研究的热点问题。

3.4 激光导航

随着激光技术的发展，激光导引在导引技术领域也日益凸显，并将成为AGV导引控制技术的主流。激光导航需要在规划路径周围放置反射板，在AGV小车顶端安装激光扫描器[4]。小车运行过程中，激光扫描器会不断的发出激光信号，经反射板反射后再由小车接收，通过PLC控制算法来确定小车行驶位置，实现自动牵引。激光导航虽定位精准灵活，但在物流仓储中反射板易被货物阻挡，影响信号收集，且成本较高，对空间环境要求严格。

3.5 惯性导航

惯性导航是通过陀螺仪对信号的检测来进行方位判断的，并对车的航程和转向角速度进行计算，根据路径区域内的定位块信号完成数据调整，实现小车的自动导引。它的优势是定位准确，路径灵活，但陀螺仪对振动敏感，实际应用中会有行走误差累积。

4 控制器选择分析

AGV智能小车控制系统，是操控小车稳定运行的“中枢”，而空调器又是控制系统的核心，因此选用合适的控制器，也是AGV小车工作稳定和安全可靠的关键。由于智能果蔬仓储搬运的AGV小车精准度要求比较高，可根据实际需求选用可编程控制器和单片机作为控制中枢。

4.1 可编程控制器

可编程控制器(简称PLC)是一种数字运算操作的电子系统，通过编写程序指令发出控制、定时、计数和算术运算等操作命令，实现自动化控制。PLC可靠性较高、编程简便、安装容易、运行速度快，已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。如果设备需要更高的可靠性，应对复杂的生产环境，可以选用PLC进行控制。

4.2 单片机

单片机是一种将 CPU、ROM、 RAM、计数器、中断系统及多种I/O 口、A/D转化器等功能模块集成在一起的集成电路芯片，通过程序编写控制执行操作命令实现自动化控制。单片机模块集成度比较高，体积小，所需驱动电压较低，并且功耗较小，实用可靠性较高。在仪器仪表、家用电器、机械设备自动化等行业得到了普遍使用。如果设备需要更高的智能化，更灵活的控制方式等可以选用单片机进行控制。

AGV智能搬运小车在现代农业果蔬仓储中的应用越来越广泛，也是果蔬仓储实现智能化的关键。它通过自动导引装置准确识别规划路线，精准完成果蔬搬运，大大减轻了人工劳动量的同时还提高了工作效率。AGV搬运小车还可根据放置果蔬货架位置要求，灵活选择优化路径，更好地体现了小车柔性化、智能化的优势。对AGV智能小车的主要组成结构、引导技术、驱动电机等方面进行了对比分析，为后期进一步优化AGV小车的机械结构设计方案提供了理论依据。