隨著我國的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級步伐的加快，機械自動化代替人工勞動力也成了當今的重點。相比以前，如今的物流及物料搬運形式已逐漸地由傳統(tǒng)人工搬運轉(zhuǎn)為智能自動搬運形式，AGV 已是目前國內(nèi)制造業(yè)應(yīng)用最廣泛的搬運機器人之一。
AGV最早源于倉儲物流，其中的應(yīng)用環(huán)境條件比較良好，并且AGV的應(yīng)用場地也有相關(guān)的標準定義。隨著智能物流的飛速發(fā)展，AGV現(xiàn)已涉足制造業(yè)、港口搬運、安防巡檢等領(lǐng)域，應(yīng)用的領(lǐng)域范圍擴大意味著運行場景的復(fù)雜度提升，因此，AGV的適應(yīng)性能也應(yīng)當提高。作為AGV的適應(yīng)結(jié)構(gòu)之一的減震浮動結(jié)構(gòu)，目前，其結(jié)構(gòu)形式繁多，對于不同的 AGV 底盤形式、承載量，減震浮動結(jié)構(gòu)也不同。本文通過列舉目前AGV 常見的減震浮動結(jié)構(gòu)形式，加以研究分析其減震的特性，以對AGV 的懸掛浮動系統(tǒng)設(shè)計提供特性分析以及理論參考。

1 減震浮動結(jié)構(gòu)的作用

大體上來說，AGV的減震浮動結(jié)構(gòu)是要使AGV獲得可以在復(fù)雜路面上行駛的性能，其具體發(fā)揮的作用：
(1)輪系共同著地。在AGV具有多輪的布局輪系中，為保證驅(qū)動輪著地，一般的想法是將驅(qū)動單元安裝得比其他輔助輪凸出來以保證驅(qū)動輪的首先著地。但如此一來。輔助輪實際并沒有與地面貼緊，導致更多的載荷施加到驅(qū)動單元上，降低了AGV的承載能力的同時，AGV的行駛穩(wěn)定性也會降低。
那么，在上述的基礎(chǔ)上，減震浮動結(jié)構(gòu)使驅(qū)動單元具有上下壓縮的自由度。如圖1所示，在驅(qū)動輪外凸下，通過AGV的自重將驅(qū)動輪壓至與輔助輪平齊。通過減震浮動結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)多輪共同著地問題，保證了AGV的驅(qū)動力外，輔助輪的著地也分擔了一部分的承載。
(2)適應(yīng)不平路面。在AGV的作業(yè)環(huán)境中，路面的不平會導致驅(qū)動輪懸空以致使AGV失去動力或被頂起。減震浮動結(jié)構(gòu)中的彈簧會使驅(qū)動輪始終與地面貼緊，遇到凸起路面時，由于驅(qū)動單元的浮動性以及彈簧的可壓縮性，可避免驅(qū)動單元帶動AGV整體被頂起。彈簧的反作用力使驅(qū)動輪始終與地面貼緊，地面也時刻提供驅(qū)動輪支承力以保證具有足夠的附著力，保證了AGV不會因路面不平而失去動力。

圖1 AGV自重將驅(qū)動輪壓至平齊

圖2 浮動結(jié)構(gòu)的路面適應(yīng)性

(3)減緩沖擊力。路面的不平以及行徑方向的障礙物會對驅(qū)動單元造成沖擊，而減震彈簧將其沖擊吸收，有效緩解沖擊力對驅(qū)動單元的破壞，延長驅(qū)動單元的使用壽命。

2 減震浮動結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求

為了保證減震浮動結(jié)構(gòu)能發(fā)揮上述的具體功能，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)當滿足一定的條件，否則，會出現(xiàn)浮動剛度過大或過小所引起的功能失效。
現(xiàn)假定減震彈簧的所需剛度為k、路面起伏不平度為±δ、驅(qū)動輪安裝外凸量為λ。那么，在分析減震浮動結(jié)構(gòu)中，應(yīng)當把AGV的作業(yè)路面狀況分為三種來
具體分析：
(1)平地路面。平地路面是AGV作業(yè)時間最長的工況，此時，AGV應(yīng)該保證所有輪子共同著地、各輪的承載在其額定承載范圍內(nèi)、驅(qū)動輪的附著力足以防止輪子打滑。
當AGV所處平地路面時，即驅(qū)動輪與其他輔助輪處于平齊狀態(tài)，那么，此時的減震彈簧相當于被壓縮了外凸量λ，此時，驅(qū)動輪與地面的作用力FN1為：
FN1 = (Δ+λ)·nk
式中，Δ為彈簧的安裝預(yù)壓量；n 為彈簧數(shù)量。
在承載上須滿足：
FN1 ≤ Fmax1
FN2 ≤ Fmax2
FN2 = f(FN1,G)
式中，F(xiàn)max1驅(qū)動輪的額定負載；FN2平路上輔助輪的支承力；Fmax2為輔助輪的額定負載；G為AGV工作
整體重量；f(FN1,G)關(guān)于FN1和G的方程式，輪系結(jié)構(gòu)的不同，其計算方程也不一樣。
在驅(qū)動輪附著力 Ff上須滿足：
Ff ＞ Fq
Ff = FN1·μ1
Fq = G·μ2
式中，F(xiàn)q為AGV行走所需牽引力；μ1為驅(qū)動輪與地面的附著系數(shù)；μ2為AGV的滾動摩擦系數(shù)。
(2)凹陷路面。在凹陷路面中，為使驅(qū)動輪貼緊地面，減震彈簧會將驅(qū)動輪頂緊地面，此時，彈簧相比平地路面時形變量以及驅(qū)動輪的壓力均變小，而其他輔助輪的壓力變大。
從圖 3 的幾何關(guān)系可知，當 AGV 所處凹陷路面時，此時，減震彈簧的壓縮量實際是外凸量與路面不平度之差，由此可見，驅(qū)動輪的外凸量必須大于路面不平度，
否則，在凹陷路面時驅(qū)動輪會處于懸空狀態(tài)。
如果保證了AGV在平地中所有輪子共同著地且驅(qū)動輪的外凸量大于路面不平度，則AGV處于凹陷路面時所有輪子也必定共同著地，因此，需保證的是各輪的承載其承載范圍內(nèi)、驅(qū)動輪的附著力足以防止輪子打滑。
此時，驅(qū)動輪與地面的作用力FN1'為：
FN1 = (Δ+λ-δ)·nk
λ > δ

圖3 凹陷路面時的彈簧形變量

相比平地路面和凹陷路面，彈簧形變量減少，則驅(qū)動輪負載變小而輔助輪負載變大。由于凹陷路面的工況頻率低于平地路面，即輔助輪的大負載工作時間較短，
此時，輔助輪負載處于其極限負載范圍內(nèi)即可（如該工況頻率較高，則須處于額定負載范圍內(nèi)），則減震浮動結(jié)構(gòu)在承載上須滿足：
FN1' ≤ Fmax1'
FN2' ≤ Fmax2'
FN2' = f(FN1',G)
式中，F(xiàn)N2'為凹陷路面上輔助輪的支承力;Fmax2'為輔助輪的極限負載;f(FN1',G)關(guān)于FN1'和G的方程式，輪系結(jié)構(gòu)的不同，其計算方程也不一樣。
在驅(qū)動輪附著力Ff'上須滿足：
Ff' > Fq
Ff' = FN1'·μ1
(3)凸起路面。在凸起路面中，由于路面外凸將驅(qū)動單元的減震彈簧壓縮，理論上減震彈簧的壓縮量會大于平地時的彈簧壓縮量。但如果彈簧在壓縮過程的彈力已經(jīng)足以支承 AGV 整體的重量時，那么，彈簧不再壓縮，而是如同剛性連接一般將AGV整體頂起。如上述分析，此時，彈簧壓縮量最大，因此驅(qū)動輪的負載最大。
為保證所有輪子共同著地，應(yīng)保證凸起壓縮彈簧時，彈簧的彈力不會將AGV整體支承起來，則驅(qū)動輪與地面的作用力FN1"須滿足：
FN1" = (Δ+λ+δ)·nk
2FN1" < G [caption id="attachment_478" align="aligncenter" width="382"]

圖4 凸起路面時的彈簧形變量[/caption]
凸起路面中，此時，驅(qū)動輪負載最大，輔助輪的負載最小。由于凸起路面的工況頻率依然低于平地路面，驅(qū)動輪僅短時間承受大負載，所承載的負載處于其極限負載范圍內(nèi)即可。則減震浮動結(jié)構(gòu)在承載上須滿足：
FN1" ≤ Fmax1'
FN2" ≤ Fmax2'
FN2" = f(FN1",G)
式中，F(xiàn)max1'為驅(qū)動輪的極限負載;FN2"凸起路面
上輔助輪的支承力;f(FN1",G)關(guān)于FN1"和G的方程式，輪系結(jié)構(gòu)的不同，其計算方程也不一樣。
(4)綜合條件。綜合上述(1)、(2)、(3)3種工況下的條件，減震浮動結(jié)構(gòu)需要滿足的綜合條件如下：
對于上述的綜合條件，每項條件都可如上述分析構(gòu)建起相關(guān)彈簧剛度的方程式以及范圍不等式，通過剛度的多個范圍條件，可確定出彈簧剛度在滿足所有條件
下的取值范圍。那么，在用于減震浮動結(jié)構(gòu)的彈簧的剛度應(yīng)當處于該取值范圍內(nèi)。

圖5 減震浮動結(jié)構(gòu)的綜合條件

3  AGV 常見減震浮動結(jié)構(gòu)

(1)鉸接擺動式。鉸接擺動式浮動結(jié)構(gòu)是應(yīng)用較多的一種減震結(jié)構(gòu)，如圖6所示，驅(qū)動輪與安裝座固定并與車體形成鉸接，則驅(qū)動單元與車體間可繞鉸接點1旋轉(zhuǎn)擺動，實現(xiàn)上下方向的浮動。通過在驅(qū)動單元與車體間設(shè)置彈簧減震裝置，利用彈簧力來決定驅(qū)動單元的擺動幅度。

圖6 鉸接擺動式詳細結(jié)構(gòu)圖

圖7 鉸接擺動式結(jié)構(gòu)的受力圖

該類結(jié)構(gòu)的驅(qū)動輪支承力與彈簧反力間存在力臂的關(guān)系(如圖7所示)，在需要獲得一定的驅(qū)動輪支承力下，實際彈簧所需的彈力比驅(qū)動輪支承力更小。然而，浮動量剛好相反，在驅(qū)動單元需要獲得一定的浮動量時，彈簧的壓縮量需要比驅(qū)動單元浮動量的更大。
基于上述特性，鉸接擺動式浮動結(jié)構(gòu)比較適用于大載荷、空間充足的AGV輪系布局上。力臂有效減小彈簧所需的剛度，但對擺動空間具有一定的要求。

圖8 鉸接擺動式結(jié)構(gòu)的雙向差異性

當AGV在坡道中行走時，其坡道方向如圖8的上圖所示，其驅(qū)動輪支承力與擺動鉸接點間力臂長度相比另一方向（圖8的下圖）的要短。在彈簧的壓縮量一定時，即彈簧反力一定下，圖8上圖的驅(qū)動輪支承力更大，在AGV負載較大時，應(yīng)當注意驗算驅(qū)動輪載荷是否處于額定范圍內(nèi)。
(2)垂直導柱式。垂直導柱式浮動結(jié)構(gòu)是通過驅(qū)動輪與安裝座固定，安裝座中設(shè)置有導套與導桿形成移動副，導桿上設(shè)置有壓力彈簧的一種減震結(jié)構(gòu)。驅(qū)動單元通過導柱導套副實現(xiàn)上下浮動，壓力彈簧在垂直方向上給驅(qū)動單元提供豎直的反力。

圖9 垂直導柱式詳細結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)應(yīng)當合理布置導柱與驅(qū)動輪間的位置關(guān)系，如圖10所示，為避免因力分配不均勻的原因?qū)е聦е�與導套間產(chǎn)生力矩，應(yīng)將兩導柱相對驅(qū)動輪觸地點居中布置。若導柱沒有居中放置，兩邊的彈簧反力并不相等，造成反力較大一端壓縮量較多，反力較小一端壓縮量較小，此時，導柱與導套間必然會產(chǎn)生力矩使移動副發(fā)生卡滯。
為進一步防止導柱與導套間發(fā)生卡滯，如圖11所示，兩導柱的中心連接線應(yīng)處于驅(qū)動輪寬中心。如圖12所示，當兩導柱的中心連接線偏離驅(qū)動輪寬中心時，驅(qū)動輪的支承力與彈簧反力間存在力矩的力臂，在導套與導柱的配合面上必定產(chǎn)生對頂力，使移動副發(fā)生卡滯。

圖10 垂直導柱式結(jié)構(gòu)的受力圖

圖11 導柱布局形式

圖12 導柱偏移的受力情況

整體而言，垂直導柱式浮動的結(jié)構(gòu)占用體積較小、結(jié)構(gòu)簡單。從成本方面而言，是較為經(jīng)濟的一種減震結(jié)構(gòu)，比較適用于對空間具有限制的輕中載輪系布局。
導柱的受扭卡滯是該結(jié)構(gòu)的局限點，為解決該問題，應(yīng)當合理布局導柱與驅(qū)動輪的相對位置關(guān)系。在此同時，增加導柱與導套的配合長度，可有效減小因受扭產(chǎn)生的對頂力，減小導柱導套的卡滯概率外，避免導柱受扭彎曲變形的可能。
(3)剪叉式。剪叉式浮動結(jié)構(gòu)是基于剪叉舉升結(jié)構(gòu)所延申出來的一種減震結(jié)構(gòu)。其中包含了剪叉式舉升結(jié)構(gòu)的上下托架，中間通過剪叉進行連接并在兩托架中間設(shè)置有減震彈簧。
該結(jié)構(gòu)的減震浮動型式與剪叉式舉升相同，在遇到路面不平整時，下托架會垂直向上壓縮并靠近上托架，同時，下托架與上托架間水平方向也會發(fā)生位移。
由于剪叉結(jié)構(gòu)在高度空間的占用較大，此減震結(jié)構(gòu)更多的是適用于差速單元模塊。其中，剪叉結(jié)構(gòu)的中間部分的空間可以被有效利用，差速驅(qū)動模塊在包含路面適應(yīng)功能外，其單元模塊還具備相對車體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向功能以提高AGV的轉(zhuǎn)向性能。因此，關(guān)于轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)完全可以放置于剪叉結(jié)構(gòu)的中間空間，以使得在具備減震以及轉(zhuǎn)向功能的同時節(jié)省更多的空間。

圖13 剪叉式浮動詳細結(jié)構(gòu)圖

圖14 剪叉式浮動詳細結(jié)構(gòu)圖

剪叉式浮動結(jié)構(gòu)整體相對減震模塊而言體積占用較大，其更多是與差速轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將兩者結(jié)構(gòu)空間合并。其結(jié)構(gòu)不適用于對空間要求較高以及帶有轉(zhuǎn)向功能的舵輪布局。
在路面適應(yīng)性中，剪叉式結(jié)構(gòu)具有一定的局限性。如圖14所示，當兩驅(qū)動輪的路面高度不一致時，由于剪叉結(jié)構(gòu)并沒有更多的自由度來適應(yīng)兩側(cè)的高度不平，則使AGV整體被傾斜地頂起。
(4)擺動橋式。擺動橋式結(jié)構(gòu)通過整橋式將兩個輪子連接起來，以橋的中心作為擺動中心與車體鉸接。擺動橋式的路面適應(yīng)結(jié)構(gòu)常見于裝載機以及相關(guān)的工程機械中，通過釋放整橋的旋轉(zhuǎn)自由度來適應(yīng)地面的不平整。彈簧在該結(jié)構(gòu)中主要起到了減緩沖擊的作用，在實際的應(yīng)用中，若路面僅僅只是不平整而沒有給驅(qū)動單元帶來更多的沖擊，擺動橋式的浮動結(jié)構(gòu)可以無須設(shè)置彈簧。地形的不平整使得兩輪的支承力離擺動中心的距離不一樣，則力臂較遠的輪子支承力小，力臂較短的輪子支承力大，浮動結(jié)構(gòu)由此來適應(yīng)路面的不平。
對于一個擺動橋結(jié)構(gòu)而言，兩個輪子始終通過擺動適應(yīng)不平路面，實際可視為將橋上兩個輪子變化為整橋的1個大輪子。那么，對于擺動橋式的四輪布局來說（圖 16所示），即將四輪布局變化為三輪布局，在三點確定一個平面的理論上，三個輪子必然接地，從而解決了所有輪子共同著地的問題。

圖15 擺動橋式浮動結(jié)構(gòu)簡圖

圖16 擺動橋的輪系演變

對于六輪布局等多輪系布局，通過擺動橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)路面適應(yīng)則需要設(shè)置更多組的擺動橋。由上述分析，一個擺動橋可視為將兩個輪子變化為1個輪子。由于三
輪必定接地，六輪布局須將六輪變化為三輪，即需要3組擺動橋結(jié)構(gòu)。

圖17 擺動橋結(jié)構(gòu)具體應(yīng)用

（5）四邊形式。四邊形式浮動結(jié)構(gòu)是基于四連桿的擺動原理，在其基礎(chǔ)上增加減震彈簧，使其結(jié)構(gòu)擺動時壓縮減震彈簧而實現(xiàn)的減震效果。
四邊形式浮動結(jié)構(gòu)的減震型式比較類似于鉸接擺動式浮動結(jié)構(gòu)，兩者均是通過繞著鉸接點旋轉(zhuǎn)來壓縮減震彈簧從而起到減震效果，然而，這兩者在運動結(jié)構(gòu)以及受力上不全相同。

圖18 四邊形式浮動結(jié)構(gòu)簡圖

如圖19 所示，四邊形式浮動結(jié)構(gòu)的上下浮動方式是四連桿機構(gòu)的擺動原理，而鉸接擺動式浮動結(jié)構(gòu)的上下浮動方式是繞鉸接點作圓周運動的原理。

圖19 四邊形式與鉸接擺動式的受力對比

四連桿的擺動原理可實現(xiàn)驅(qū)動單元在浮動時其姿態(tài)不會發(fā)生改變，而鉸接擺動式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動單元在浮動過程其傾角會逐漸變化。傾角的變化使得驅(qū)動輪的支承力與安裝座的支反力間產(chǎn)生力臂，從而使驅(qū)動單元受扭。
表1 AGV常見減震浮動結(jié)構(gòu)特點分析

四邊形式浮動結(jié)構(gòu)在浮動過程中姿態(tài)不會發(fā)生改變，其驅(qū)動單元與安裝座間的力始終共線。
四邊形式浮動結(jié)構(gòu)對豎直方向的空間要求較大，其結(jié)構(gòu)相比鉸接擺動式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此類結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于叉車式 AGV 的立式舵輪以及差速驅(qū)動中。

4 常見減震浮動結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對比分析

對AGV常見的減震浮動結(jié)構(gòu)特點分析見于表1。從目前國內(nèi)的 AGV 減震型式來看，大載重的舵輪布局更多的是采用鉸接擺動式浮動結(jié)構(gòu)，對于載重較為小的舵輪布局則采用垂直導柱式結(jié)構(gòu)。對于差速驅(qū)動，對于路面適應(yīng)性要求較高的布局一般采用獨立懸掛的減震型式，其包括了鉸接擺動式、垂直導柱式、四邊形式。
AGV的主要輪系布局包含差速布局和舵輪布局，針對其布局的型式不同，其減震的結(jié)構(gòu)方式也應(yīng)當分析其影響的輕重。

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