裝備制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)導(dǎo)致我國(guó)許多企業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)物流系統(tǒng)的自動(dòng)化水平對(duì)企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和管理水平起著顯著的作用，也是《國(guó)家重點(diǎn)扶持的高新技術(shù)領(lǐng)域》中的第八大類—高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的扶持項(xiàng)目。2015年3月5日，李克強(qiáng)總理在全國(guó)兩會(huì)上作《政府工作報(bào)告》時(shí)首次提出“中國(guó)制造2025”的宏大計(jì)劃，全面提升中國(guó)制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)；
近年來(lái)，自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）的使用成為裝備制造業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)物流方案中的亮點(diǎn)，對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和管理水平起到了一定的作用，但由于其運(yùn)動(dòng)靈活性不夠，效率較低、復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)困難，在很多場(chǎng)合的應(yīng)用受到了限制。因此本文將推薦一款可以沿平面內(nèi)360°任意方向精確運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人—基于麥克納姆輪的全方位式移動(dòng)AGV，可以替代傳統(tǒng)AGV小車，擁有更靈活、更高效的應(yīng)用價(jià)值。
一、麥克納姆輪簡(jiǎn)介
圖1 麥克納姆輪結(jié)構(gòu)圖
麥克納姆輪，最早由瑞典人Bengt Ilon于1973年發(fā)明，是一種結(jié)構(gòu)特殊的全向輪。麥克納姆輪外形像一個(gè)斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形輥?zhàn)樱佔(zhàn)拥妮S線與輪的軸線成α角度。輥?zhàn)佑腥齻€(gè)自由度，在繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)又能繞車軸轉(zhuǎn)動(dòng)，還能繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這使得輪體本身也具備了三個(gè)自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)虞S線垂線方向的平動(dòng)及繞輥?zhàn)优c地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，驅(qū)動(dòng)輪在一個(gè)方向上具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，另外一個(gè)方向也具有自由移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性。輪子的圓周不是由普通輪胎組成，而是分布了許多小輥?zhàn)樱@些輥?zhàn)拥耐饫€與輪子的理論圓周相重合，并且輥?zhàn)幽茏杂尚D(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，車輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動(dòng)軸的方向前進(jìn)，同時(shí)車輪周邊的輥?zhàn)友刂涓髯缘妮S線自由旋轉(zhuǎn)。根據(jù)小輥?zhàn)拥钠蚍譃樽笮溈思{姆輪和右旋麥克納姆輪。相比于萬(wàn)向輪，麥克納姆輪具有靈活、精確、高效的特點(diǎn)，是一種可以控制的萬(wàn)向輪。
圖2 麥克納姆輪實(shí)物圖
二、麥克納姆輪全方位移動(dòng)平臺(tái)
麥克納姆輪的使用通常采用四個(gè)一組，其布置如下圖所示：
圖2 麥克納姆輪AGV全向移動(dòng)原理
四個(gè)麥克納姆輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)四個(gè)麥克納姆輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的精確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)車的全向移動(dòng)，包括前后直行、左右橫移、零半徑原地旋轉(zhuǎn)、指定半徑轉(zhuǎn)彎、任意方向直線移動(dòng)等。其最大優(yōu)點(diǎn)在于其卓越的運(yùn)動(dòng)靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的全向移動(dòng)，且不同運(yùn)動(dòng)方式之間的轉(zhuǎn)換迅速，非常適用于物料、零件、貨物的搬運(yùn)工作，尤其是在運(yùn)動(dòng)空間要求較高（空間狹窄或者運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜）的場(chǎng)合具有出色的表現(xiàn)，如空間擁擠的倉(cāng)庫(kù)、大型零部件的轉(zhuǎn)運(yùn)，工件運(yùn)輸?shù)轿缓蟮木_調(diào)整等。麥克納姆輪在地面上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其與地面的摩擦力方向和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向不重合而是有一個(gè)夾角。四個(gè)麥克納姆輪摩擦力的組合力為AGV提供驅(qū)動(dòng)力。其全向移動(dòng)原理如圖2所示：
相比于普通的移動(dòng)機(jī)器人，麥克納姆輪式全方位移動(dòng)AGV有著其獨(dú)特的靈活運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，解決了兩大難題：
? 狹小空間內(nèi)的靈活穿梭
解決諸如S彎、直角彎等普通移動(dòng)機(jī)器人“忘而卻步”的通過(guò)性問(wèn)題、利用橫移才能通過(guò)的理論死角，不受空間、環(huán)境的約束；
圖4 普通小車直角轉(zhuǎn)彎 圖5 全方位移動(dòng)小車直角轉(zhuǎn)彎
? 平面內(nèi)任意方向的快速精確定位
解決“最后一米”的移動(dòng)問(wèn)題，使得原本在裝配、加工、運(yùn)輸過(guò)程中需花費(fèi)數(shù)十個(gè)小時(shí)完成的精確對(duì)位問(wèn)題，輕松地利用一個(gè)動(dòng)作瞬間完成。
傳統(tǒng)形式的AGV車輪通常采用聚氨酯輪，通過(guò)兩輪差動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，能夠?qū)崿F(xiàn)前、后、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)功能，目前廣泛應(yīng)用于汽車、電子、物流等行業(yè)。麥克納姆輪AGV與傳統(tǒng)AGV相比各有優(yōu)缺點(diǎn)：麥克納姆輪AGV運(yùn)動(dòng)靈活，微調(diào)能力高，運(yùn)行占用空間小，但是成本相對(duì)較高，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)復(fù)雜，對(duì)控制、制造、地面等的要求較高，適用于空間狹小，定位精度要求較高、工件姿態(tài)快速調(diào)整的場(chǎng)合，傳統(tǒng)AGV結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低，但是其運(yùn)動(dòng)靈活性差，在空間受限的場(chǎng)合無(wú)法使用，難以實(shí)現(xiàn)工件微小姿態(tài)的調(diào)整。適用于空間較大、工件到位后對(duì)位置姿態(tài)等要求不高的場(chǎng)合。兩者對(duì)比如下：
表1 傳統(tǒng)AGV和麥克納姆輪AGV對(duì)比
項(xiàng)目 | 傳統(tǒng)AGV | 麥克納姆輪AGV |
驅(qū)動(dòng)輪形式 | 通常采用聚氨酯輪 | 麥克納姆輪 |
驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量 | 2個(gè) | 4個(gè) |
驅(qū)動(dòng)組件數(shù)量 | 2組 | 4組 |
運(yùn)動(dòng)方向 | 前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎 | 前進(jìn)、后退、左右橫移、零半徑轉(zhuǎn)彎、任意方向斜行等 |
占用空間 | 大 | 小 |
運(yùn)動(dòng)靈活性 | 低 | 高 |
微調(diào)能力 | 低 | 高 |
成本 | 低 | 較高 |
控制系統(tǒng) | 簡(jiǎn)單 | 復(fù)雜 |
結(jié)構(gòu)形式 | 簡(jiǎn)單 | 復(fù)雜 |
制造要求 | 一般 | 較高 |
對(duì)地面環(huán)境的要求 | 較高 | 高 |
根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和功能的不同，麥克納姆輪全方位移動(dòng)AGV小車可分為幾種類型：
基本型AGV：可作為通用移動(dòng)底盤，俗稱“平板車”，可將搬運(yùn)的貨物直接放在平臺(tái)上進(jìn)行輸送，也可在底盤上進(jìn)行改造，配套移載設(shè)備；
升降型AGV：升降平臺(tái)或叉車結(jié)構(gòu)形式，用于貨架運(yùn)輸、高空作業(yè)，解決“最后一米”問(wèn)題，快速對(duì)準(zhǔn)；
滾筒型AGV：在基本型AGV的基礎(chǔ)上，加裝滾筒或輸送帶，可直接與生產(chǎn)車間流水線對(duì)接，代替人工完成上、下料的串聯(lián)工作；
操作型AGV：利用移動(dòng)式的AGV與機(jī)械臂組合應(yīng)用，完成諸如焊接、抓取、鉆孔等生產(chǎn)動(dòng)作，減少了同種操作設(shè)備的數(shù)量，增加了運(yùn)動(dòng)靈活性。
三、基于全方位移動(dòng)平臺(tái)的智能物流系統(tǒng)
目前，國(guó)內(nèi)大部分汽車、電器等制造裝配生產(chǎn)線中單機(jī)自動(dòng)化已接近國(guó)際先進(jìn)水平，但設(shè)備、工序間的串聯(lián)，如物料轉(zhuǎn)運(yùn)、上下料等操作仍然依靠大量的人力解決。而以多臺(tái)麥克納姆輪式AGV組成的全自動(dòng)無(wú)人化運(yùn)輸物流系統(tǒng)可節(jié)省20%空間，提高30%的運(yùn)行效率，是“工業(yè)4.0”中智能物流環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的無(wú)縫對(duì)接、工序與工序之間的串聯(lián)銜接、原料與成品的物流輸送與管理，減少人工重復(fù)勞動(dòng)和出錯(cuò)率，提高生產(chǎn)效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)規(guī)范化生產(chǎn)過(guò)程管理起到重要作用，為早日實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”的目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。
全自動(dòng)無(wú)人物流系統(tǒng)是利用多臺(tái)麥克納姆輪全方位移動(dòng)AGV進(jìn)行群控和調(diào)度，一方面結(jié)合MES（制造執(zhí)行系統(tǒng))和WPS(倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng))數(shù)據(jù)共享，為某一個(gè)具體的物流任務(wù)，提供最優(yōu)的AGV派送解決方案；另一方面，與自動(dòng)化設(shè)備完美對(duì)接，起到設(shè)備、工序之間緊密串聯(lián)的作用，主要組成部分：
1）后臺(tái)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器
與MES（制造執(zhí)行系統(tǒng))、WMS(倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng))進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，管理、監(jiān)控所有AGV小車的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)做出AGV調(diào)度決策，是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”；
2）工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)
數(shù)據(jù)傳輸、共享的硬件保障，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地環(huán)境選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，覆蓋全車間并支持大數(shù)據(jù)交換；
3）全方位移動(dòng)AGV小車
基于麥克納姆輪的全方位移動(dòng)AGV搬運(yùn)車，通過(guò)無(wú)線信號(hào)與系統(tǒng)通信，接受調(diào)用命令并反饋位置信息，自主導(dǎo)航到達(dá)指定地點(diǎn)，行進(jìn)過(guò)程中可自主避障，確保安全。
4) 呼叫基站
任務(wù)的產(chǎn)生信號(hào)，由具體工位的操作人員直接呼叫，或結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)判斷；
5）路徑識(shí)別線
AGV小車的自動(dòng)導(dǎo)引軌跡，實(shí)現(xiàn)AGV小車的自主導(dǎo)航
6）定位地標(biāo)
AGV小車在岔路選擇、目標(biāo)點(diǎn)定位的判斷依據(jù)；
圖12 麥克納姆輪AGV物料輸送與存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖
系統(tǒng)工作流程大致如下：
（1）上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)和AGV、生產(chǎn)設(shè)備、自動(dòng)存儲(chǔ)貨架等進(jìn)行通訊；
（2）生產(chǎn)設(shè)備輸出端發(fā)送輸送請(qǐng)求給上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送調(diào)度命令給AGV，派遣合適的AGV去取貨；
（3）AGV自主導(dǎo)航至取貨點(diǎn)，AGV和生產(chǎn)設(shè)備物料輸出端對(duì)接，完成自動(dòng)接貨后將貨物送到自動(dòng)物料暫存臺(tái)架相應(yīng)入庫(kù)位置；
（4）AGV和自動(dòng)存取貨架入庫(kù)位對(duì)接，將貨物自動(dòng)輸送入庫(kù)，自動(dòng)存取貨架自動(dòng)將貨物輸送到空位。
（5）AGV回到初始位置，自主或人工進(jìn)行充電，并等待下一條命令，動(dòng)作依次循環(huán)。
圖13 智能物流系統(tǒng)示意圖
