可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)＊

馬登秋，鄭紅建，李 飛，盧 超，蔣 兵，陳 派，李馨婷，葉振環(huán)

（1.遵義師范學(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義 563006；2.貴州天義電器有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000）

1 引言

隨著社會(huì)進(jìn)程的發(fā)展，科技水平逐漸提高，人們的生活和生產(chǎn)水平也越來(lái)越高，汽車也成為人們出行的主要代步工具。據(jù)有關(guān)資料顯示：2017年，中國(guó)汽車產(chǎn)量達(dá)2 901.54萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)3.19%；銷量達(dá)2 887.89萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)3.04%[1]。由于城市汽車數(shù)量的迅速增加，各種各樣的交通問(wèn)題也隨之而來(lái)。例如，上下班和節(jié)假日期間車流量極大，造成交通擁堵；車輛的亂停亂放問(wèn)題嚴(yán)重，不僅影響城市的文明形象，也影響市民出行，甚至可能會(huì)引起交通事故等[2]。為了解決汽車亂停亂放的問(wèn)題，設(shè)計(jì)制作了汽車移動(dòng)機(jī)器人，它具有體積較小、操作簡(jiǎn)單、便于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

可便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人簡(jiǎn)圖

可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人可以不借助汽車動(dòng)力移動(dòng)汽車，分為結(jié)構(gòu)部分和驅(qū)動(dòng)控制部分。在結(jié)構(gòu)上主要由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成，其各部件主要功能是：升降機(jī)構(gòu)把汽車與地面分離；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)把汽車移動(dòng)；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，各機(jī)械結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)控制部分的作用下運(yùn)行。

3 可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，一般基于汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，但因可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人趨于微型化，無(wú)論是結(jié)構(gòu)特征還是使用要求等都與汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)存在差異[3]，所以汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)并不能完全適應(yīng)于汽車移動(dòng)機(jī)器人，可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行一定的改進(jìn)。本設(shè)計(jì)提出兩種轉(zhuǎn)向方案：①搖桿式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，具體如圖2所示，該機(jī)構(gòu)通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)搖桿擺動(dòng)，帶動(dòng)輪子擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能；②齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，具體如圖3所示，齒輪齒條機(jī)構(gòu)是通過(guò)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)作用于齒條2，使得齒條左右移動(dòng)，從而引動(dòng)其他基本桿件運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)輪子擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能。由于搖桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)具有不確定性、可靠性低等特點(diǎn)，而齒輪傳動(dòng)效率高、可靠，所以，可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)。

圖2 搖桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，常見(jiàn)的升降機(jī)構(gòu)有液壓桿式升降機(jī)構(gòu)、絲杠式升降機(jī)構(gòu)和鏈條式升降機(jī)構(gòu)[4]。便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人作為一種微型移動(dòng)工具，升降機(jī)構(gòu)不能過(guò)大，否則會(huì)影響靈動(dòng)性和便攜性。由此汽車移動(dòng)機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)便排除了液壓桿式升降結(jié)構(gòu)和鋼絲繩式升降結(jié)構(gòu)這兩種較大的升降機(jī)構(gòu)，可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)采用絲桿式升降機(jī)構(gòu)。

圖3 齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

絲桿式機(jī)構(gòu)如圖4所示，四桿承重機(jī)構(gòu)后面的短桿可以打開(kāi)，使其進(jìn)入汽車輪胎底部，對(duì)汽車進(jìn)行升降處理；箱體機(jī)構(gòu)中的電機(jī)帶動(dòng)螺紋桿，與螺紋桿升降機(jī)構(gòu)的其他四桿進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，機(jī)構(gòu)其中兩機(jī)械點(diǎn)以左右移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)四桿承重機(jī)構(gòu)的升降，即可實(shí)現(xiàn)汽車的升降；輪系機(jī)構(gòu)可以在一定程度不平整的路面移動(dòng)，且沒(méi)在升起汽車時(shí)，輪系保持不動(dòng)并自鎖。

圖4 絲桿式機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人有多種驅(qū)動(dòng)方案供選擇，比如，特殊移動(dòng)機(jī)器人的同步轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動(dòng)、常見(jiàn)汽車的前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)等[5]。由于便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人是作為微型機(jī)器人來(lái)設(shè)計(jì)，它的體積結(jié)構(gòu)較小，如果讓轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)都同時(shí)存在，需要考慮特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)。所以，可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為主動(dòng)組和從動(dòng)組，分別對(duì)應(yīng)汽車的前輪和后輪。主動(dòng)組由兩個(gè)汽車移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)成，可以同時(shí)完成驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，移動(dòng)汽車時(shí)分別裝載在汽車的兩個(gè)前輪，轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制，驅(qū)動(dòng)部分采用輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源；從動(dòng)組也由兩個(gè)汽車移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)成，但從動(dòng)組輪系是簡(jiǎn)單的萬(wàn)向輪機(jī)構(gòu)，用來(lái)輔助移動(dòng)，移動(dòng)汽車時(shí)分別裝載在汽車的兩個(gè)后輪。

根據(jù)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)確定機(jī)器人各零部件具體尺寸，并對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行繪制，可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人三維模型與爆炸圖如圖5所示。

圖5 可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在可便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，要使汽車移動(dòng)機(jī)器人各個(gè)部分之間相互緊密配合，需要相關(guān)程序來(lái)控制，即汽車移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)控制，機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)分為通訊模塊程序和控制模塊程序。機(jī)器人控制系統(tǒng)工作基本流程如圖6所示。在機(jī)器人電源接通后，首先判斷脫扣部分是否鎖緊，未鎖緊的情況下通過(guò)通訊模塊輸出“脫扣未鎖緊”，脫扣鎖緊后方可驅(qū)動(dòng)升降電機(jī)；在機(jī)器人移動(dòng)之前判斷升降是否完成，升降未完成的情況下通過(guò)通訊模塊輸出“升降未完成”，升降完成后方可驅(qū)動(dòng)移動(dòng)或轉(zhuǎn)向電機(jī)，等到達(dá)運(yùn)送目的地之后即可完成機(jī)器人移動(dòng)；把汽車放下，完成汽車的移動(dòng)。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

目前，汽車成為人們出行的主要代步工具，汽車不文明停放問(wèn)題突出，為了規(guī)范不文明停放車輛的行為，開(kāi)發(fā)出了可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人，分為結(jié)構(gòu)部分和驅(qū)動(dòng)控制部分，其中結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。在出現(xiàn)亂停亂放現(xiàn)或急需移動(dòng)汽車時(shí)，機(jī)器人可不借助汽車自身動(dòng)力或者大型拖車解決相關(guān)問(wèn)題，該可控便攜式汽車移動(dòng)機(jī)器人可為交通管控等提供極大的幫助。