基于電池供電的便攜式救援車的設計*
——以第44屆世界技能大賽制造團隊挑戰(zhàn)賽產品為例

劉培桐，詹志遠，曾齊高，陳泳桓

（1.深圳市龍崗職業(yè)技術學校，廣東深圳 518172；2.深圳子言科技文化有限公司，廣東深圳 518172；3.廣東省機械技師學院，廣州 510450）

0 引言

世界技能大賽由世界技能組織舉辦，被譽為“技能奧林匹克”，是世界技能組織成員展示和交流職業(yè)技能的重要平臺[1]。截至2019 年第45 屆世界技能大賽，大賽項目共分為6 個大類，分別為結構與建筑技術、創(chuàng)意藝術和時尚、信息與通信技術、制造與工程技術、社會與個人服務、運輸與物流，共計53 個競賽項目。大部分競賽項目對參賽選手的年齡限制為22 歲，制造團隊挑戰(zhàn)賽、機電一體化、信息網絡布線和飛機維修4 個有工作經驗要求的綜合性項目，選手年齡限制為25歲。

世界技能大賽的舉辦機制類似于奧運會，由世界技能組織成員申請并獲批準之后，世界技能大賽在世界技能組織的指導下與主辦方合作舉辦。第41 屆世界技能大賽于2011 年10 月在英國倫敦舉辦，第42 屆世界技能大賽于2013 年7 月在德國萊比錫舉辦，第43 屆世界技能大賽于2015 年8 月在巴西的圣保羅和阿聯(lián)酋的阿布扎比舉辦，第44 屆世界技能大賽于2017 年10 月在阿聯(lián)酋阿布扎比舉辦，第45 屆世界技能大賽將于2019 年8月在俄羅斯喀山舉辦。2017 年10 月13 日，在阿聯(lián)酋阿布扎比舉行的世界技能組織全體成員大會一致決定，2021 年第46屆世界技能大賽在中國上海舉辦。

制造團隊挑戰(zhàn)賽是世界技能大賽的一項團隊競賽項目，每個參賽隊由3 名選手組成。世賽競賽內容主要是完成機電類產品的設計與制造，團隊必須掌握機械結構與電路設計、電子裝配與編程、機械加工、裝配調試、測試驗證、成本控制等方面的技能[2]。比賽中團隊要完成的任務：制造出滿足提前公布的試題規(guī)范和參數要求的產品或設備，并且完成一套涉及數銑加工、普銑加工、普車加工、焊接等技能的測試項目。

1 大賽設計要求

救援車，是第44 屆世界技能大賽“制造團體挑戰(zhàn)賽”項目競賽產品，該項目要求團隊設計和制造一個電池供電救援車，該救援車由一個操縱桿進行遠程操控。它能夠在不平坦的地形上操控，并在視為敵對的環(huán)境中，能恢復成堅固的形態(tài)。該救援車可以用來恢復或研究危險的地基情況，這些情況包括埋布地雷的區(qū)域或建成區(qū)潛在的爆炸事件。它還可以應用于外層空間探索時，樣本的復原。具體的設計參數要求如下[3]。

（1）該救援車需用電池供電，用電纜連接進行遙控操作，操作人員需使用遙控裝置操控該救援車，應與該救援車保持至少5 m的距離，來進行一系列的操作。

（2）該救援車的輪距長度可介于750～1 000 mm 之間，并且通過可控的電氣/機械方式，能夠包裝在一個600 mm×300 mm×300 mm的運輸貨箱里。

（3）該救援車必須能夠恢復和運輸3 個不同質量和尺寸的總質量達5 kg 的物體。最大單個負載不超過2 kg,尺寸應在100 mm×100 mm ×100 mm 和25 mm ×25 mm ×25 mm之間。

（4）救援車必須能夠進行向前和反方向操縱。能爬20°的斜坡，能在直徑不超過1.25 m 的圓內進行360°旋轉，能在表面不平坦的50 mm 高的障礙物上操作，在完整的測試周期操作全過程中，無需充電。

2 產品總體方案設計

本文結合第44 屆世界技能大賽“制造團體挑戰(zhàn)賽”項目競賽要求，使用單片機作為主控設計了一款基于電池供電的便攜式救援車。該產品由機械結構部分，手動控制部分組成，涵蓋了電氣裝配、焊接、鈑金、機械工程、電子電路以及機械裝調等技術技能。

由于比賽所使用到的材料、工作時間以及設備都將被計算成本，文中根據技術圖紙和控制要求，設計機械裝置和控制系統(tǒng)兩部分。機械裝置部分通過車床、銑床、鋸床、焊接等設備完成機械的各種零件加工，將各加工完成的零件與標準件進行機械組裝與裝置調試?？刂葡到y(tǒng)部分包括設計電路系統(tǒng)、產品主控模板原理圖、手操器原理圖，選用相應的電機、舵機、型材及電子元器件，采用規(guī)范的安裝及調試工藝完成救援車驅動系統(tǒng)回路連接安裝；設計單片機控制系統(tǒng)原理圖和控制系統(tǒng)I/O 分配表，選取合適的導線和輔件，規(guī)范完成電子元件布局安裝及電路控制回路、舵機與相應控制單元的單片機輸出端進行連接調試工藝，并完成各執(zhí)行部件動作功能測試[4-5]。產品總體方案結構如圖1所示。

圖1 產品結構組成

3 產品裝置的機械結構設計

救援車的機械結構主要由提升機構、旋轉舵機、控制箱、驅動電機、夾持機構、底盤及遙控器組成。產品的主要的工作過程為產品展開，打開鑰匙開關，此時蜂鳴器響起、旋轉警示燈閃亮，救險車可以正常操作，通過行駛搖桿可以控制車輛直向行駛，當轉向選擇開關1 按下時，4 個舵機控制驅動輪轉至水平90 °方向；當轉向選擇開關2 按下時，4 個舵機控制驅動輪轉至斜向45 °方向；當模式按鈕按下時，不論切換哪一種轉向模式，4 個驅動輪會交替異步轉動；機械臂升降及旋轉可以由升降/旋轉搖桿控制。救援車設計結構如圖2 所示。

圖2 救援車結構

3.1 產品折疊功能

產品能夠包裝在一個600 mm× 300 mm × 300 mm 的運輸貨箱里，團隊需從運輸貨箱中卸下救援車，并準備操作，將救援車放置在起點的位置上，使用遙控裝置驅動救援車至2 m 外的終點線處。為了便于快速折疊展開，底盤折疊部位設計由合頁及搭扣固定。展開方法如下：第一步通過合頁展開救險車底盤，并鎖緊4個緊固搭扣，如圖3所示。第二步安裝機械臂，完成救險車展開操作。如圖4所示。

圖3 展開救險車底盤

圖4 機械臂安裝

產品折疊步驟和展開步驟相反，首先取下機械臂，然后松開4 個緊固搭扣，將救險車底盤折疊。產品折疊（展開）時注意事項包括折疊（展開）前應切斷電源，避免帶電操作造成電子器件毀壞；折疊（展開）時注意折疊方向，避免造成零部件擠壓損壞；折疊（展開）時注意零部件的間隙，防止夾手；折疊（展開）時注意電源及控制線纜，避免線纜擠壓破裂。

3.2 產品夾持器結構

夾持器結構和電池要求必須容易替代更換，移除電池和夾持器結構后，能快速恢復救援車驅動救援車從維修區(qū)域到2 m 遠外。為了便于快速替換夾持器結構，設計采用5 個強力磁鐵固定，起到快速拆卸安裝，如圖5所示。

圖5 強力磁鐵安裝結構圖

3.3 產品控制箱

控制箱采用塑料盒保護裝置，電池安裝后運用搭扣快速固定，PC 板設計于塑料盒內，救援車應有一個鑰匙開關鍵和一個緊急停止按鈕。救援車必須有一個緊急停止按鈕，能夠停止所有正在操作的活動。根據救援車的狀態(tài)需要設計指示燈和報警器，救援報警器必須在工作室時激活，并且能夠在一定距離范圍內清晰地接收信號。急停開關、指示燈及報警器設計于塑料盒上方，相關尺寸、位置如圖6所示。

圖6 控制箱結構

3.4 產品夾持機構

救援車夾持機構要求必須能操縱3 個裝載物。救援車在預先確定的路徑上將裝載所有3 個物品，這個路徑上包括可上升至50 mm 高和具有傾斜度的障礙物。裝載好所有3個物品后，救援車將放置物品2在斜坡的頂端的安全區(qū)域。當救援車在返回至終點的路上，將對物品2在最后階段進行恢復。

設計運用電機帶動絲桿正反轉起到夾持、松開，由8 個零件組成后連接提降機構，最大可張開為154 mm，可夾持直徑100 mm 物品，最大高度為150 mm，為了起到夾持更牢固，防止物品掉落及電機螺絲松落情況，安裝夾持器時需加涂螺絲膠，在夾持面加固塑料軟膠，如圖7所示。

圖7 夾持器部分設計圖

3.5 產品提降機構

提降機構由2 條直徑為10 mm 方管連接夾持機構和提降U 形板固定，運用L 塊連接驅動電機固定提降輪拉動鋼絲繩起到提降作用，底板連接旋轉盤固定車身，運用旋轉舵機360°旋轉，如圖8所示。

圖8 提降機構部分設計

3.6 產品輪子

救援車必須能在半徑為1.25 m 水平表面的圓內順時針和逆時針方向分別旋轉360°，20°斜坡上的圓內逆時針方向旋轉360°。為達到以上要求，輪子結構設計由驅動機電、旋轉電機結合完成，驅動電機絲桿與六方棒配合連接輪子，驅動救援車前進后退，運用L 形鋁板固定驅動電機，上方連接L 形板加裝旋轉舵機，達到輪子可轉變?yōu)?5°、90°、180°方向完成原地和斜坡旋轉360°，如圖9所示。

圖9 輪子結構部分設計圖

3.7 產品車身

車身由11條鋁型材和2塊2 mm厚度鋁板連接裝配而成，展開最大尺寸為877 mm×712 mm，如圖10所示。

圖10 車身結構部分設計圖

4 控制系統(tǒng)設計

救援車由機械裝置和電路控制系統(tǒng)等組成，設備在運行時，電動機、夾持機構等按照預設的程序流程先后，通過遙控器驅動，具有運行效率高、響應速度快、穩(wěn)定性好等特點[6]。

4.1 硬件設計

（1）總體要求。根據救援車的控制要求，電路控制系統(tǒng)的設計包括硬件設計以及程序設計等。文中電路控制系統(tǒng)主要分為主電路和控制電路兩部分。主電路選用鑰匙開關，型號D16。鑰匙開關作為整個控制電路的總開關，當鑰匙開關打開時，外部220 V 電壓通過開關電源轉化為系統(tǒng)所需要的24 V 和0 V 電壓傳輸給系統(tǒng)中其他元器件。電路控制系統(tǒng)原理如圖11所示。

圖11 電路控制系統(tǒng)原理

（2）單片機系統(tǒng)選擇。本文的控制系統(tǒng)選擇單片機，主電路選用74HC14 芯片。74HC14 是一款高速CMOS 器件，其引腳兼容低功耗肖特基TT1（1STT1）系列，實現了6 路施密特觸發(fā)反相器，可將緩慢變化的輸入信號轉換成清晰、無抖動的輸出信號?？蓱糜诓ㄐ?、脈沖整形器、非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、單穩(wěn)多諧振蕩器等[7]。

控制電路選用ATmega16 芯片，ATmega16 是基于增強的AVR RISC 結構的低功耗8 位CMOS 微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾[8]。ATmega16 AVR 內核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至11 倍的數據吞吐率[9]。

4.2 控制流程PCB版設計

按照救援車的任務要求，設計主控模板和遙控器工作原理如圖12所示。

圖12 工作流程原理圖

4.3 控制系統(tǒng)單片機程序設計

根據產品的任務要求，編寫單片機控制程序，控制救援車前進后退、機械臂升降或旋轉等，把設計好的程序傳入單片機，控制要求及功能操作要求如圖13所示。

圖13 部分單片機控制程序

5 救援車功能和調試

5.1 工作模式

救援車會根據不同的救援環(huán)境需要選擇不同的行駛模式，所以救援車在設計的過程中設計了直向行駛模式、左右行駛模式、原地轉向模式和特殊控制模式等。

（1）直向行駛模式

當轉向選擇開關均未按下時，通過行駛搖桿可以控制車輛直向行駛。此時行駛搖桿左右可以通過差速微調車輛前進時的左右方向。

（2）左右行駛模式

當轉向選擇開關1按下時，4個舵機控制驅動輪轉至水平90°方向。此時通過行駛搖桿前后可以控制車輛左右行駛。

（3）原地轉向模式

當轉向選擇開關2按下時，4個舵機控制驅動輪轉至斜向45°方向。此時通過行駛搖桿左右可以控制車輛原地轉向。

（4）特殊旋轉模式

當模式按鈕按下時，不論切換哪一種轉向模式，4個驅動輪會交替異步轉動，防止在斜坡上操作救險車下滑，放開該按鈕時4個驅動輪同步轉動。

圖14 直向行駛模式

圖15 左右行駛模式

圖16 原地轉向模式

圖17 特殊旋轉模式

5.2 救援車的功能調試

（1）救援車的裝配

救援車的組裝和調試包括機械裝置的安裝以及控制系統(tǒng)的調試等。機械裝置組裝及調試，根據設計機械裝置，技術圖紙和控制要求，通過使用車床、銑床等設備完成機械的各種零件加工，將各加工好的零件與標準件、螺絲、型材、電機、銷等相應的配件進行機械裝置的組裝與調試，使機械裝置達到規(guī)定的動作要求，機械部分裝配成品如圖18所示。

圖18 產品裝配圖

結合電路控制系統(tǒng)原理圖或控制系統(tǒng)I/O 分配表，選取合適的導線和輔件（電源開關、舵機、單片機、繼電器、指示燈、按鈕開關等），規(guī)范完成電子元件布局安裝及電路控制回路與相應控制單元的單片機輸出端進行連接調試工藝，并完成各執(zhí)行部件動作功能測試。救援車控制系統(tǒng)由遙控器為總控部分，控制系統(tǒng)如圖19所示。

圖19 救援車控制部分

（2）救援車的指定功能調試

救援車的設計和裝調完成之后，最總要的環(huán)節(jié)就是要通過專家的功能測試，產品需要在指定的路徑上，完成指定的任務才能認定合格，如圖20所示。

圖20 產品功能測試指定任務

大賽專家將裝載物1、2、3放置在地板上，團隊驅動救援車沿著有障礙物的路徑，按照1、2、3的順序裝載。然后驅動救援車上斜坡，放置裝載物2在斜坡頂部的孔徑內。最后驅動救援車返回至起點，途中，從斜坡的底部收集裝載物2。

6 結束語

救援車是第44屆世界技能大賽中國代表隊設計的產品，文中詳細闡述了該設備的總體設計方案，由機械裝置部分、控制裝置等組成。產品解決了救援車控制裝置的設計與開發(fā)，包括基于單片機的電路控制系統(tǒng)和機械裝置的設計，同時也完成了單片機的程序設計，并進行了調試與實驗，設備能夠實現物塊的夾持、轉動、放置等搬運功能。

本文機械臂提降機構由5 對磁鐵塊吸引固定，電路部分采用觸點式接觸；電池由控制箱頂部搭扣扣緊；兩者都不需要任何螺絲固定。解決了在某種場合需要快速更換機械臂或電池沒電更換電池的情況下僅需將其整體拔起更換即可或打開控制箱頂部搭扣，并打開控制箱箱蓋，拔下電池插頭并更換電池，關閉控制箱箱蓋并扣緊搭扣即可。可避免在恢復或研究危險的地基情況或埋布地雷的區(qū)域事件時由于機械臂故障而耽誤了外層空間探索時間。

該產品因設計新穎、產品創(chuàng)新、功能齊全等獲得大賽專家裁判的一致認可，最后團隊獲得第44 屆世界技能大賽第三名的好成績，為中國代表團贏得寶貴的銅牌[10]。