裝備制造業(yè)是國民經濟的重要支柱產業(yè)，但產業(yè)大而不強導致我國許多企業(yè)面臨轉型升級，提高生產環(huán)節(jié)物流系統(tǒng)的自動化水平對企業(yè)提高生產效率、降低成本、提高產品質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領域》中的第八大類—高新技術改造傳統(tǒng)產業(yè)的扶持項目。2015年3月5日，李克強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)展質量和水平，實現制造業(yè)轉型升級；
近年來，自動導引車（AGV）的使用成為裝備制造業(yè)生產環(huán)節(jié)物流方案中的亮點，對提高企業(yè)生產效率、降低成本、提高產品質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、復雜環(huán)境中作業(yè)困難，在很多場合的應用受到了限制。因此本文將推薦一款可以沿平面內360°任意方向精確運動的移動機器人—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、更高效的應用價值。
一、麥克納姆輪簡介
圖1 麥克納姆輪結構圖
麥克納姆輪，最早由瑞典人Bengt Ilon于1973年發(fā)明，是一種結構特殊的全向輪。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，在繞自身轉動的同時又能繞車軸轉動，還能繞輥子與地面接觸點的轉動。這使得輪體本身也具備了三個自由度：繞輪軸的轉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動。這樣，驅動輪在一個方向上具有主動驅動能力的同時，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。當電機驅動車輪旋轉時，車輪以普通方式沿著垂直于驅動軸的方向前進，同時車輪周邊的輥子沿著其各自的軸線自由旋轉。根據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動，通過對四個麥克納姆輪轉速和轉向的精確控制來實現搬運車的全向移動，包括前后直行、左右橫移、零半徑原地旋轉、指定半徑轉彎、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，能夠實現真正意義上的全向移動，且不同運動方式之間的轉換迅速，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雜）的場合具有出色的表現，如空間擁擠的倉庫、大型零部件的轉運，工件運輸到位后的精確調整等。麥克納姆輪在地面上轉動時，其與地面的摩擦力方向和車輪轉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提供驅動力。其全向移動原理如圖2所示：
相比于普通的移動機器人，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：
? 狹小空間內的靈活穿梭
解決諸如S彎、直角彎等普通移動機器人“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 普通小車直角轉彎 圖5 全方位移動小車直角轉彎
? 平面內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轉向功能，能夠實現前、后、轉彎等運動功能，目前廣泛應用于汽車、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，微調能力高，運行占用空間小，但是成本相對較高，結構形式相對復雜，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)快速調整的場合，傳統(tǒng)AGV結構簡單成本較低，但是其運動靈活性差，在空間受限的場合無法使用，難以實現工件微小姿態(tài)的調整。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 |
驅動輪形式 | 通常采用聚氨酯輪 | 麥克納姆輪 |
驅動輪數量 | 2個 | 4個 |
驅動組件數量 | 2組 | 4組 |
運動方向 | 前進、后退、轉彎 | 前進、后退、左右橫移、零半徑轉彎、任意方向斜行等 |
占用空間 | 大 | 小 |
運動靈活性 | 低 | 高 |
微調能力 | 低 | 高 |
成本 | 低 | 較高 |
控制系統(tǒng) | 簡單 | 復雜 |
結構形式 | 簡單 | 復雜 |
制造要求 | 一般 | 較高 |
對地面環(huán)境的要求 | 較高 | 高 |
根據應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行輸送，也可在底盤上進行改造，配套移載設備；
升降型AGV：升降平臺或叉車結構形式，用于貨架運輸、高空作業(yè)，解決“最后一米”問題，快速對準；
滾筒型AGV：在基本型AGV的基礎上，加裝滾筒或輸送帶，可直接與生產車間流水線對接，代替人工完成上、下料的串聯工作；
操作型AGV：利用移動式的AGV與機械臂組合應用，完成諸如焊接、抓取、鉆孔等生產動作，減少了同種操作設備的數量，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，國內大部分汽車、電器等制造裝配生產線中單機自動化已接近國際先進水平，但設備、工序間的串聯，如物料轉運、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，是實現各生產環(huán)節(jié)的無縫對接、工序與工序之間的串聯銜接、原料與成品的物流輸送與管理，減少人工重復勞動和出錯率，提高生產效率，對實現規(guī)范化生產過程管理起到重要作用，為早日實現“中國制造2025”的目標奠定基礎。
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進行群控和調度，一方面結合MES（制造執(zhí)行系統(tǒng))和WPS(倉庫管理系統(tǒng))數據共享，為某一個具體的物流任務，提供最優(yōu)的AGV派送解決方案；另一方面，與自動化設備完美對接，起到設備、工序之間緊密串聯的作用，主要組成部分：
1）后臺管理系統(tǒng)與數據庫服務器
與MES（制造執(zhí)行系統(tǒng))、WMS(倉庫管理系統(tǒng))進行數據交換，管理、監(jiān)控所有AGV小車的運行狀態(tài)和相關參數，實時做出AGV調度決策，是整個系統(tǒng)的“大腦”；
2）工業(yè)以太網數據傳輸架構
數據傳輸、共享的硬件保障，根據實際場地環(huán)境選擇相應的網絡設備，覆蓋全車間并支持大數據交換；
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，接受調用命令并反饋位置信息，自主導航到達指定地點，行進過程中可自主避障，確保安全。
4) 呼叫基站
任務的產生信號，由具體工位的操作人員直接呼叫，或結合生產現場監(jiān)控系統(tǒng)自動判斷；
5）路徑識別線
AGV小車的自動導引軌跡，實現AGV小車的自主導航
6）定位地標
AGV小車在岔路選擇、目標點定位的判斷依據；
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）上位機系統(tǒng)通過無線局域網和AGV、生產設備、自動存儲貨架等進行通訊；
（2）生產設備輸出端發(fā)送輸送請求給上位機系統(tǒng)，上位機經過處理后發(fā)送調度命令給AGV，派遣合適的AGV去取貨；
（3）AGV自主導航至取貨點，AGV和生產設備物料輸出端對接，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
