蒯蘇蘇，陳寒松，孫明權(quán)，吳動(dòng)波，張 闖，楊 君

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

智能機(jī)械是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)傳感裝置及智能材料構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化設(shè)備，適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺(tái)，以機(jī)械原理及設(shè)計(jì)、控制工程基礎(chǔ)、微機(jī)原理及應(yīng)用等為先修課程，在涉及機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等多學(xué)科理論的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種智能化立體旋轉(zhuǎn)停車庫，并對(duì)復(fù)雜智能產(chǎn)品開發(fā)問題和控制運(yùn)動(dòng)特性矩陣的理論方法進(jìn)行了深入研究。

1 建立產(chǎn)品功能模型

“智能立體旋轉(zhuǎn)停車庫”，創(chuàng)意來自于立體旋轉(zhuǎn)式能充分地利用空間，每個(gè)車庫可以在電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)“蝸輪蝸桿——齒輪傳動(dòng)”的二級(jí)傳動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，其二級(jí)傳動(dòng)的組合效率η＝0.95×0.96＝0.912，傳動(dòng)方案克服了帶傳動(dòng)易打滑的缺點(diǎn)，在合理分配蝸輪蝸桿——齒輪傳動(dòng)比的基礎(chǔ)上[1]，車庫可靈活地循環(huán)，自動(dòng)伸縮，結(jié)構(gòu)新穎，自動(dòng)化程度好。

根據(jù)TRIZ理論中的“Stone的功能結(jié)構(gòu)”，首先建立智能立體旋轉(zhuǎn)停車庫的總功能模型，如圖1所示，然后完成各功能的解。

圖1 智能車庫功能結(jié)構(gòu)

1.1 分功能1：停車場(chǎng)

設(shè)計(jì)車庫底板（P板）的面積為定值，庫門采用電磁閥控制氣動(dòng)門。圖2是一電磁閥開關(guān)的工作原理圖。該開關(guān)有兩種狀態(tài)：“打開”與“閉合”，氣動(dòng)門與車庫用鉸鏈連接，若操縱車庫的氣動(dòng)門，使氣缸處于進(jìn)氣，氣動(dòng)門開；或氣缸處于排氣、氣動(dòng)門關(guān)的狀態(tài)。車庫P板底面積與所允許通過的電流成正比。

圖2 電磁閥開關(guān)控制氣動(dòng)門的工作原理圖

原設(shè)計(jì)空車位所通過的額定電流為0.5 A，現(xiàn)希望再設(shè)計(jì)使存車庫其額定電流增加到1 A，車庫的體積保持不變。基于TRIZ中公理（AD）理論設(shè)計(jì)的沖突確定如下。

該車庫原設(shè)計(jì)的功能與設(shè)計(jì)參數(shù)為：

FR1：電磁閥電機(jī)M4電流；DP1：車庫P板的面積。此時(shí)，設(shè)計(jì)的約束為：C01：通過的電流0.5A；C02：P板的面積為定值。

由于P板面積與所允許通過的電流成正比，計(jì)算表明再設(shè)計(jì)中P板的面積加大才能滿足增大電流的要求。但板的面積加大要使車庫的體積加大，不滿足約束。因此再設(shè)計(jì)約束出現(xiàn)沖突。故P板處需創(chuàng)新設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一個(gè)創(chuàng)新的伸縮機(jī)構(gòu)可解決該沖突。

創(chuàng)新的P板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成：在P板上疊加一個(gè)伸縮平板，伸縮平板下安裝有定軸輪系和螺旋絲杠，P板上安裝齒輪齒條機(jī)構(gòu)、齒輪減速箱和電機(jī)M2（圖3（a）），再在P板上安裝有電子觸點(diǎn)開關(guān)，改變電流控制電機(jī)M2的正反轉(zhuǎn)，即可驅(qū)動(dòng)定軸輪系帶動(dòng)螺旋絲杠傳動(dòng)并改變移動(dòng)方向，同時(shí)也帶動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)嚙合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制伸縮平板中伸縮機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，如圖3（b）所示。

圖3 車庫平臺(tái)伸縮機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)

該車庫再設(shè)計(jì)的功能與設(shè)計(jì)參數(shù)為：

FR2：電機(jī)M2電流；DP2：P板伸縮機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的矩陣式為非耦合設(shè)計(jì)[2]，即：

公式（1）為對(duì)角線矩陣，設(shè)計(jì)控制解是完全解耦的，滿足公理（AD）理論設(shè)計(jì)，

再設(shè)計(jì)的約束為：C11：通過的額定電流1 A；C12：車庫的體積不變；當(dāng)停車庫氣動(dòng)門打開，伸縮板伸出，車庫底面積增大，存車（或取車）后伸縮板縮進(jìn)，氣動(dòng)門關(guān)閉，車庫的體積保持不變。伸縮機(jī)構(gòu)與氣動(dòng)門的邏輯關(guān)系見表1。

表1 伸縮機(jī)構(gòu)與氣動(dòng)門的運(yùn)動(dòng)順序

1.2 分功能2：車位與地面分離

使用“摩天輪”式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)盤軸心處安裝一個(gè)固定的中心輪，每60°安置一齒輪和鏈傳動(dòng)與中心輪嚙合。在每個(gè)行星輪系的系桿上安裝一個(gè)“停車庫”停放1輛私家車，一個(gè)“摩天輪”可停放6輛車。電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)“蝸輪蝸桿——行星輪系”時(shí)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，車庫與地面分離。SolidWorks建模的旋轉(zhuǎn)停車庫見圖4（a）。

由于汽車行走的是二維軌跡，用TRIZ中40個(gè)發(fā)明原理中的第15個(gè)原理“動(dòng)態(tài)化”，概念設(shè)計(jì)時(shí)將智能車庫的執(zhí)行機(jī)構(gòu)劃分成具有相互關(guān)系的齒輪機(jī)構(gòu)，形成動(dòng)態(tài)車庫解決車輛停放的空間化，采用行星輪系可實(shí)現(xiàn)將一維空間中靜止的停車庫變成在二維空間中運(yùn)動(dòng)或靜止的停車庫，在二維空間中的車位變成三維空間中的運(yùn)動(dòng)的車位。

該技術(shù)系統(tǒng)包含一個(gè)在重力作用下中心輪繞軸運(yùn)動(dòng)的物體，而且必須控制這個(gè)運(yùn)動(dòng)，問題可以通過給物體引入一種以控制的方式，在物體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)來移動(dòng)物體的重心進(jìn)行解決，需建立物－場(chǎng)模型。對(duì)照TRIZ中76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，選用標(biāo)準(zhǔn)解法第2級(jí)：S2.1向合成物-場(chǎng)模型轉(zhuǎn)化[3]，S2.1.1鏈?zhǔn)轿?場(chǎng)模型來解決問題。如圖4（b）所示，其中F1為電能，S1為行星輪系，S2為車庫；為保證車庫在旋轉(zhuǎn)時(shí)無相對(duì)滑動(dòng)，添加物質(zhì)S4，S4為鏈傳動(dòng)裝置（并聯(lián)在行星輪上），F(xiàn)2為機(jī)械能，S3為在旋轉(zhuǎn)的過程中不至于出現(xiàn)倒置和搖晃的車庫。

行星輪系及鏈傳動(dòng)復(fù)合傳動(dòng)裝置[4]，達(dá)到了將車庫用多層排列代替單層排列的狀態(tài)，如圖4（c）所示。在圖4（c）中，用三角固定桿固定中心齒輪，利用輪系中齒輪間的相互嚙合，以無側(cè)隙嚙合保證車庫在旋轉(zhuǎn)的過程中時(shí)刻保持相對(duì)水平位置，當(dāng)3號(hào)齒輪固定不動(dòng)時(shí)，齒輪2和齒輪4保持相對(duì)位置做行星運(yùn)動(dòng)，齒輪1和齒輪5的旋轉(zhuǎn)方向與齒輪3一致。由于齒輪3固定，所以齒輪1和齒輪5也相對(duì)靜止。這樣能保證車庫在旋轉(zhuǎn)的過程中始終水平。從而達(dá)到改善接觸運(yùn)動(dòng)物體面積的根本目的。

1.3 分功能3：存車和取車

圖4 立體旋轉(zhuǎn)停車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)一輛轎車進(jìn)入停車場(chǎng)要求停車時(shí)，發(fā)散思維的工作流程為：信息輸入→旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)（行星輪系的系桿）→識(shí)別車位→伸縮板伸縮等步驟并進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，過程控制采用循環(huán)軟啟動(dòng)模式[5]，工作流程如圖5所示。

手按車主“所需車位按鈕”觸點(diǎn)開關(guān)[6]，“摩天輪”根據(jù)相應(yīng)的停車位信息指令要求，“旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)”行星輪系傳動(dòng)，選定的“車主庫號(hào)”車位到達(dá)接近地面距離最近時(shí)，電子觸動(dòng)開關(guān)呈“打開”狀態(tài)，車庫平臺(tái)自動(dòng)伸出，轎車開入停車庫中的一個(gè)車位后，車庫出入口裝有感應(yīng)開關(guān)，在檢測(cè)到車輛存放進(jìn)去且人員離開后，車庫平臺(tái)自動(dòng)縮進(jìn)，電子觸動(dòng)開關(guān)呈“閉合”狀態(tài)，然后“摩天輪”旋轉(zhuǎn)使之離開此位置，并將空車位的系桿旋轉(zhuǎn)到達(dá)地面位置等待下一輛車的到來。當(dāng)要求取出存放在車庫里的轎車時(shí)，只需在控制端輸入所存車庫的對(duì)應(yīng)編號(hào)使“摩天輪”旋轉(zhuǎn)到地面位置由車主將車開出，整個(gè)過程完成。

圖5 工作流程圖

1.4 分功能4：清潔裝置

圖6是一種自動(dòng)清潔裝置，電機(jī)M3帶動(dòng)鏈條傳動(dòng)，用來傳輸動(dòng)力到洗車板上；通過編程調(diào)用子程序控制清洗電機(jī)M3正反轉(zhuǎn)，使得洗車連接器如毛刷來回運(yùn)轉(zhuǎn)，齒條和齒輪嚙合使得洗車裝置水平旋轉(zhuǎn)，為車身清潔，由距離傳感器感應(yīng)距離發(fā)出輸入信號(hào)至擴(kuò)展板2的輸入端，判斷車輛的存在。

圖6 自動(dòng)清潔裝置

2 智能化分選識(shí)別車位

智能化立體旋轉(zhuǎn)停車庫須完成一系列復(fù)雜動(dòng)作：尋找車位——沿軌跡行走——遇到邊界停止——回避邊界——識(shí)別車位——清潔車身——繼續(xù)沿軌跡行走等。其車庫模式識(shí)別控制模型如圖7所示。智能立體旋轉(zhuǎn)停車庫設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵是控制動(dòng)態(tài)車位的運(yùn)動(dòng)軌跡。程序流程是根據(jù)使用者發(fā)出的指令或事先植入的程序來動(dòng)作，是該機(jī)器的主功能[7-8]。主功能的實(shí)現(xiàn)就是關(guān)于車庫在空間的點(diǎn)、線、面軌跡控制問題。多個(gè)觸點(diǎn)開關(guān)信號(hào)（按鈕）、距離傳感器信號(hào)連接I/O擴(kuò)展板1/擴(kuò)展板2的輸入端口，警示燈信號(hào)和紅綠燈顏色信號(hào)連接I/O擴(kuò)展板1/擴(kuò)展板2的輸出端口，與“ROBO控制器”耦合，USB串口輸出信號(hào)至計(jì)算機(jī)COM1/2，編寫相應(yīng)ROBOPro圖形化程序，進(jìn)行模式識(shí)別，優(yōu)化最小路徑，定時(shí)控制車庫到達(dá)指定位置，滿足精度要求。

圖7 智能化車庫慧魚模型控制

六個(gè)車位的1～6個(gè)觸點(diǎn)開關(guān)信號(hào)L1、L2、L3、L4、L5、L6按數(shù)字量輸入ROBO控制器的輸入端口，識(shí)別車位控制部分主要使用了觸點(diǎn)開關(guān)的限位作用，通過延時(shí)等待，判斷數(shù)據(jù)并比較；距離傳感器的感應(yīng)發(fā)出反饋信號(hào)；而ROBO控制器接口板的輸出端口分別連接M1～M4電機(jī)（執(zhí)行器），這四路電機(jī)輸出可以改變轉(zhuǎn)速方向和進(jìn)行8級(jí)調(diào)速。當(dāng)操作與車庫對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)開關(guān)按鈕，電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)行星輪系，則車庫所處的環(huán)境在每一個(gè)階段由蝸輪蝸桿——行星輪系（M1驅(qū)動(dòng)）、伸縮機(jī)構(gòu)（M2驅(qū)動(dòng)）、清潔裝置（M3驅(qū)動(dòng)）、氣動(dòng)門（M4驅(qū)動(dòng)）等自動(dòng)調(diào)整，ROBO控制器核心元件按軟件指令傳輸信號(hào)實(shí)現(xiàn)識(shí)別和定時(shí)控制，主程序、子程序見圖8，經(jīng)過計(jì)算機(jī)編程控制后，實(shí)現(xiàn)機(jī)器主功能。

圖8 智能車庫硬件和軟件ROBOPro程序

3 結(jié)論

（1）智能化立體旋轉(zhuǎn)停車庫，充分利用了創(chuàng)新智能，用ROBOPro圖形化編程，控制車庫完成尋找車庫——沿軌跡行走——遇到邊界停止——回避邊界——識(shí)別車位——清潔車身——繼續(xù)沿軌跡行走等功能。

（2）車庫伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮平板下安裝有定軸輪系、螺旋絲杠和電子觸點(diǎn)開關(guān)，軟件指令控制電磁閥開關(guān)和電機(jī)M2的正反轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)控制解矩陣是完全解耦的，方便計(jì)算機(jī)集成控制，為實(shí)現(xiàn)識(shí)別車庫位置和提高精度提供了保證。

（3）立體旋轉(zhuǎn)停車庫中行星輪系及鏈傳動(dòng)復(fù)合裝置的無相對(duì)滑動(dòng)和對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得它在車輛比較多的時(shí)候仍然能夠?qū)崿F(xiàn)自身的靜平衡狀態(tài)。

［1］申永勝.機(jī)械原理教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［2］蒯蘇蘇，馬履中.TRIZ理論機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)工程訓(xùn)練教程［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2011.

［3］蒯蘇蘇.港口鶴式起重機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械傳動(dòng) ， 2012， 36 （5）：56-70.

［4］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)：第八版［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］漆向軍，劉武，劉明丹，等.基于慧魚模型對(duì)焊接機(jī)器人無碰撞軌跡規(guī)劃的研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù) ， 2007， 26 （11）：1442-1446.

［6］曲凌.慧魚創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

［7］曹國(guó)忠，郭海霞，檀潤(rùn)華，等.面向功能創(chuàng)新的功能進(jìn)化、組合與失效研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（11）：29-38.

［8］楊清亮.發(fā)明是這樣誕生的：TRIZ理論全接觸［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.