裝備制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)導(dǎo)致我國許多企業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級，提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)物流系統(tǒng)的自動化水平對企業(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《國家重點扶持的高新技術(shù)領(lǐng)域》中的第八大類—高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的扶持項目。2015年3月5日，李克強(qiáng)總理在全國兩會上作《政府工作報告》時首次提出“中國制造2025”的宏大計劃，全面提升中國制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平，實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級；
近年來，自動導(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，對提高企業(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，但由于其運動靈活性不夠，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°任意方向精確運動的移動機(jī)器人—基于麥克納姆輪的全方位式移動AGV，可以替代傳統(tǒng)AGV小車，擁有更靈活、更高效的應(yīng)用價值。
一、麥克納姆輪簡介
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斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動的鼓形輥子，輥子的軸線與輪的軸線成α角度。輥子有三個自由度，在繞自身轉(zhuǎn)動的同時又能繞車軸轉(zhuǎn)動，還能繞輥子與地面接觸點的轉(zhuǎn)動。這使得輪體本身也具備了三個自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動和沿輥子軸線垂線方向的平動及繞輥子與地面的接觸點轉(zhuǎn)動。這樣，驅(qū)動輪在一個方向上具有主動驅(qū)動能力的同時，另外一個方向也具有自由移動的運動特性。輪子的圓周不是由普通輪胎組成，而是分布了許多小輥子，這些輥子的外廓線與輪子的理論圓周相重合，并且輥子能自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時，車輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動軸的方向前進(jìn)，同時車輪周邊的輥子沿著其各自的軸線自由旋轉(zhuǎn)。根據(jù)小輥子的偏向分為左旋麥克納姆輪和右旋麥克納姆輪。相比于萬向輪，麥克納姆輪具有靈活、精確、高效的特點，是一種可以控制的萬向輪。
圖2 麥克納姆輪實物圖
二、麥克納姆輪全方位移動平臺
麥克納姆輪的使用通常采用四個一組，其布置如下圖所示：
圖2 麥克納姆輪AGV全向移動原理
四個麥克納姆輪獨立驅(qū)動，通過對四個麥克納姆輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的精確控制來實現(xiàn)搬運車的全向移動，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、任意方向直線移動等。其最大優(yōu)點在于其卓越的運動靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的全向移動，且不同運動方式之間的轉(zhuǎn)換迅速，非常適用于物料、零件、貨物的搬運工作，尤其是在運動空間要求較高（空間狹窄或者運動軌跡復(fù)雜）的場合具有出色的表現(xiàn)，如空間擁擠的倉庫、大型零部件的轉(zhuǎn)運，工件運輸?shù)轿缓蟮木_調(diào)整等。麥克納姆輪在地面上轉(zhuǎn)動時，其與地面的摩擦力方向和車輪轉(zhuǎn)動方向不重合而是有一個夾角。四個麥克納姆輪摩擦力的組合力為AGV提供驅(qū)動力。其全向移動原理如圖2所示：
相比于普通的移動機(jī)器人，麥克納姆輪式全方位移動AGV有著其獨特的靈活運動優(yōu)勢，解決了兩大難題：
? 狹小空間內(nèi)的靈活穿梭
解決諸如S彎、直角彎等普通移動機(jī)器人“忘而卻步”的通過性問題、利用橫移才能通過的理論死角，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”的移動問題，使得原本在裝配、加工、運輸過程中需花費數(shù)十個小時完成的精確對位問題，輕松地利用一個動作瞬間完成。
傳統(tǒng)形式的AGV車輪通常采用聚氨酯輪，通過兩輪差動原理實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，能夠?qū)崿F(xiàn)前、后、轉(zhuǎn)彎等運動功能，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：麥克納姆輪AGV運動靈活，微調(diào)能力高，運行占用空間小，但是成本相對較高，結(jié)構(gòu)形式相對復(fù)雜，對控制、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)整的場合，傳統(tǒng)AGV結(jié)構(gòu)簡單成本較低，但是其運動靈活性差，在空間受限的場合無法使用，難以實現(xiàn)工件微小姿態(tài)的調(diào)整。適用于空間較大、工件到位后對位置姿態(tài)等要求不高的場合。兩者對比如下：
表1 傳統(tǒng)AGV和麥克納姆輪AGV對比
項目 | 傳統(tǒng)AGV | 麥克納姆輪AGV |
驅(qū)動輪形式 | 通常采用聚氨酯輪 | 麥克納姆輪 |
驅(qū)動輪數(shù)量 | 2個 | 4個 |
驅(qū)動組件數(shù)量 | 2組 | 4組 |
運動方向 | 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 |
運動靈活性 | 低 | 高 |
微調(diào)能力 | 低 | 高 |
成本 | 低 | 較高 |
控制系統(tǒng) | 簡單 | 復(fù)雜 |
結(jié)構(gòu)形式 | 簡單 | 復(fù)雜 |
制造要求 | 一般 | 較高 |
對地面環(huán)境的要求 | 較高 | 高 |
根據(jù)應(yīng)用場景和功能的不同，麥克納姆輪全方位移動AGV小車可分為幾種類型：
基本型AGV：可作為通用移動底盤，俗稱“平板車”，可將搬運的貨物直接放在平臺上進(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：升降平臺或叉車結(jié)構(gòu)形式，用于貨架運輸、高空作業(yè)，解決“最后一米”問題，快速對準(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)車間流水線對接，代替人工完成上、下料的串聯(lián)工作；
操作型AGV：利用移動式的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)動作，減少了同種操作設(shè)備的數(shù)量，增加了運動靈活性。
三、基于全方位移動平臺的智能物流系統(tǒng)
目前，國內(nèi)大部分汽車、電器等制造裝配生產(chǎn)線中單機(jī)自動化已接近國際先進(jìn)水平，但設(shè)備、工序間的串聯(lián)，如物料轉(zhuǎn)運、上下料等操作仍然依靠大量的人力解決。而以多臺麥克納姆輪式AGV組成的全自動無人化運輸物流系統(tǒng)可節(jié)省20%空間，提高30%的運行效率，是“工業(yè)4.0”中智能物流環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，是實現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的無縫對接、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)勞動和出錯率，提高生產(chǎn)效率，對實現(xiàn)規(guī)范化生產(chǎn)過程管理起到重要作用，為早日實現(xiàn)“中國制造2025”的目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。
全自動無人物流系統(tǒng)是利用多臺麥克納姆輪全方位移動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(倉庫管理系統(tǒng))數(shù)據(jù)共享，為某一個具體的物流任務(wù)，提供最優(yōu)的AGV派送解決方案；另一方面，與自動化設(shè)備完美對接，起到設(shè)備、工序之間緊密串聯(lián)的作用，主要組成部分：
1）后臺管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器
與MES（制造執(zhí)行系統(tǒng))、WMS(倉庫管理系統(tǒng))進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，管理、監(jiān)控所有AGV小車的運行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，實時做出AGV調(diào)度決策，是整個系統(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)實際場地環(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AGV小車
基于麥克納姆輪的全方位移動AGV搬運車，通過無線信號與系統(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，行進(jìn)過程中可自主避障，確保安全。
4) 呼叫基站
任務(wù)的產(chǎn)生信號，由具體工位的操作人員直接呼叫，或結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)自動判斷；
5）路徑識別線
AGV小車的自動導(dǎo)引軌跡，實現(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)點定位的判斷依據(jù)；
圖12 麥克納姆輪AGV物料輸送與存儲系統(tǒng)示意圖
系統(tǒng)工作流程大致如下：
（1）上位機(jī)系統(tǒng)通過無線局域網(wǎng)和AGV、生產(chǎn)設(shè)備、自動存儲貨架等進(jìn)行通訊；
（2）生產(chǎn)設(shè)備輸出端發(fā)送輸送請求給上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)經(jīng)過處理后發(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，AGV和生產(chǎn)設(shè)備物料輸出端對接，完成自動接貨后將貨物送到自動物料暫存臺架相應(yīng)入庫位置；
（4）AGV和自動存取貨架入庫位對接，將貨物自動輸送入庫，自動存取貨架自動將貨物輸送到空位。
（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，動作依次循環(huán)。
圖13 智能物流系統(tǒng)示意圖
