双驱双向AGV机器人运动学分析及仿真

2016-04-12KinematicsanalysisandsimulationofdoubledriveanddoubledirectionAGVrobot

制造业自动化 2016年3期

Kinematics analysis and simulation of double-drive and double-direction AGV robot

王殿君1，关似玉1，陈　亚1，彭文祥1，王超星2

（1.北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；2.北京化工大学机械工程学院，北京 100029）

WANG Dian-jun1,　GUAN Si-yu1,　CHEN Ya1,　PENG Wen-xiang1,　WANG Chao-xing2

双驱双向AGV机器人运动学分析及仿真

Kinematics analysis and simulation of double-drive and double-direction AGV robot

王殿君1，关似玉1，陈亚1，彭文祥1，王超星2

（1.北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；2.北京化工大学机械工程学院，北京 100029）

WANG Dian-jun1,GUAN Si-yu1,CHEN Ya1,PENG Wen-xiang1,WANG Chao-xing2

摘要：针对双驱双向AGV机器人采用两个驱动模块的构型特点，利用四轮差速原理建立AGV机器人在转弯过程的运动学模型，运用ADAMS仿真软件对AGV机器人进行运动学仿真，并利用MATLAB软件对AGV机器人运动学模型进行数值分析，通过对比机器人理论计算和仿真结果的偏差，验证了运动学理论分析的正确性，为继续优化机器人结构设计、轨迹规划以及控制系统设计奠定了基础。

关键词：双驱双向AGV机器人；运动学模型；虚拟样机

0　引言

自动导引车（Automated Guided Vehicle，简称AGV）是智能搬运机器人的种，它主要依靠电磁、激光或磁条等导引装置，无需操作人员驾驶就能沿预定轨迹或导引路径行进，实现物料的智能搬运[1～3]。在自动化物流系统中，最能充分地体现AGV的自动化和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产。同时，随着AGV性能的不断完善，其应用范围大为扩展，不仅将在工业、农业、国防、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且将在搜索、救援、辐射和空间领域等有害与危险场合得到很好的应用。

1　双驱双向AGV机器人运动学模型的构建

1.1三维模型的建立

双驱双向AGV机器人的机械本体是由车体、驱动模块、牵引模块以及辅助运动模块等组成。采用UG软件建立了AGV的维模型如图1所示。AGV的行走机构由四个向轮、两个驱动模块组成，按中心对称布置，每个驱动模块包括两个驱动轮。机器人的直线和转弯行走主要通过驱动模块来实现，AGV机器人可以按照预设的轨迹路线进行作业，实现在不同复杂工况下的预设搬运任务。

图1　双驱双向AGV机器人三维模型

1.2运动学模型的建立

在对双驱双向AGV机器人进行运动学建模之前，先作如下假设：

1）AGV由刚性构架组成；

2）运动平面平整光滑，且只作无滑移纯滚动运动；

3）车轮与地面摩擦小到不足以影响车轮沿自身旋转轴线转动。

图2　双驱双向AGV机器人结构简图

当AGV机器人沿着铺设的磁条直线行走时，两个驱动模块的四个驱动轮速度相等；当AGV机器人转弯行走时，要通过两个驱动模块的协调以及AGV机器人自动循迹运动来实现。将双驱双向AGV转弯过程抽象为个阶段，如图3所示。

图3　转弯过程运动简图

图4　转弯第一阶段

O1点速度为：

由图4可知，在ΔFHO2中，，进步化简得：

综上所述，双驱双向A G V最小转弯半径为Rmin=737mm/1.414=521mm。

由于刚体运动时刚体上各点角速度相等，则O2点角速度为：

设t1时刻两个驱动模块瞬时运动半径为R'，O2点瞬时速度为：

在ΔFO1O2中，，在ΔFHO2中，，代入公式(5)可得：

由于第二个驱动模块沿着磁条做直线运动，可以得出C、D轮速度为：

2）AGV转弯第二阶段

图5　转弯第二阶段

设t2时刻两个驱动模块瞬时运动半径为磁条的铺设半径R，由式(3)～式(5)可以得出O2点速度为：

图6　转弯第三阶段

设经过时间t3，第二个驱动模块转过的角度与X轴夹角为D轮走过的弧长为，C轮走过弧长为，则C轮和D轮走过的弧长差为：

设t3时刻两个驱动模块的瞬时半径为R''，在ΔFO1O2中，则在ΔFHO1中：

此时C轮速度为V3，D轮速度为V4，则O2点速度为：

第二个驱动模块沿着磁带做圆周运动，则O2点角速度为：

两个驱动模块组合成刚体运动，刚体运动时角速度处处相等，则O1点角速度为：

O1点瞬时速度为：

联立式(10)、式(13)与式(14)可知O1点瞬时速度为：

表1　AGV转弯过程各驱动轮瞬时速度

2　双驱双向AGV机器人运动学仿真

2.1仿真方案的确定

图7　运动学仿真技术方案

2.2虚拟样机的建立

图8　ADAMS中的双驱双向AGV机器人虚拟样机

模型导入后首先将不需要仿真的AGV部件运用固定副连接起来使之不能相对运动，然后对四个向支撑轮和四个驱动轮创建旋转副，并把剩余的部件运用相应的运动副连接起来，最后在各个车轮和地面之间建立接触。

将虚拟样机中的各个部分连接好后，需要在四个驱动轮上添加驱动。由于驱动模块上有个弹簧提供给驱动模块正压力，所以还需要在驱动模块和车架之间添加弹簧，然后将弹簧系数设置为15N.mm，并添加预紧力[8～10]。经过上述操作，使得AGV虚拟样机能够在设置的平面上顺利行走。

2.3运动学仿真与分析

为了完整地仿真AGV的行走特性，设定AGV的行走过程为：先让AGV走段直线，控制AGV左转弯，然后再让AGV走段直线，再左转弯，反复运动，AGV共完成四个弯道。将AGV仿真过程分为四部分，每个部分包括直线行走以及转弯行走个阶段，共16个运动阶段，每个驱动轮需要编写16个STEP函数，根据AGV各个驱动轮瞬时速度方程，计算各个阶段临界点速度，编写四个驱动轮的STEP函数。

在图10中，每个驱动模块的位移曲线在X、Z方向的同步变化反应了AGV的行走状态。两个驱动模块的位移曲线在X或Z方向的大小与趋势几乎没有偏差，说明AGV的两个驱动模块运行时轨迹重复，不会发生脱离磁条的情况。

2.4理论计算与仿真分析的对比

根据所推导出的AGV机器人运动学模型，采用ADAMS仿真中初始驱动轮的瞬时速度值及临界点的速度值，利用MATLAB编程并求解出AGV机器人第个驱动模块和第二个驱动模块中心点在X、Z方向的位移，将数据提取出来，再与ADAMS仿真得出的轨迹点绘于同图中，如图11～图14所示。