老焯源，胡壹書，宮欽釗，丁園，謝鼎，潘順

（天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387）

自動化自行車立體存放系統(tǒng)

老焯源，胡壹書，宮欽釗，丁園，謝鼎，潘順

（天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387）

針對自行車停放混亂無序、安全性較低、占地面積大等不足的問題，設(shè)計了一種運(yùn)用簡單的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)便可以達(dá)到自動存放自行車的系統(tǒng)，該設(shè)計具有安全性高，性價比高，自動化程度高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)摒棄了復(fù)雜的機(jī)械操作系統(tǒng)和計算機(jī)裝置，通過簡單易控制的機(jī)電裝置和計算機(jī)編程，便可以實(shí)現(xiàn)存放數(shù)目較多的自行車，并可以實(shí)現(xiàn)存取指定位置的自行車。這是一個通用率高、智能、高效的自動化自行車立體存放系統(tǒng)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)；控制裝置；自動化自行車立體存放系統(tǒng)

目前隨著城市人口激增，城市交通壓力巨大，而且對于環(huán)境的保護(hù)意識愈來愈強(qiáng)，普通汽車已經(jīng)不能被環(huán)保人士所接受，自行車已經(jīng)成為了一個比汽車更好的選擇。但隨之而來的問題也變得越來越多，如自行車亂停亂放問題、丟失問題，因?yàn)樽孕熊嚊]有妥善放置而損壞導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問題，這些都嚴(yán)重影響了一個城市的市容市貌，也產(chǎn)生了交通安全、節(jié)能環(huán)保的問題。而當(dāng)今市面上設(shè)計的自行車車庫有占地面積大、自行車易丟失、需要人員管理的問題，或是空中樓閣，華而不實(shí)，前期投資巨大，不能實(shí)際的為城市居民生活提供便利。因此，城市里需要一個既方便實(shí)用，成本低廉，保護(hù)性好，使用價值較高的自行車存取方案，來解決各種各樣的自行車的問題。

當(dāng)前城市發(fā)展快速，城市土地資源則越來越緊缺，傳統(tǒng)的自行車棚因?yàn)橐舫鲂熊嚾≤嚨奈恢?，平均每個自行車棚要占用40平方米的土地資源，顯然這在寸土寸金的城市里會造成相當(dāng)大的浪費(fèi)。為此，本文研究了自行車立體存取方案。自行車立體存取車庫上下層的特點(diǎn)可以盡可能的多存放自行車而最少占用土地資源，而上下層的數(shù)量可以根據(jù)本地的自行車存放量安排，極大可能減少了浪費(fèi)。而整體封閉的設(shè)計則避免現(xiàn)在自行車屢屢丟失被盜的現(xiàn)象，同時封閉的設(shè)計也避免自行車被雨雪淋濕而車體生銹的現(xiàn)象。自動化自行車立體存放系統(tǒng)帶有的計算機(jī)識別系統(tǒng)則保證車主可以取出自己的自行車，不至于使車主拿錯自行車。自動化自行車立體存放系統(tǒng)巧妙地將智能系統(tǒng)和傳統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)更大程度的完美結(jié)合，給生活帶來了極大的方便[1-2]。

該系統(tǒng)由四部分組成，其中包括：升降機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

1 自動化自行車立體存放系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

1.1 自動化自行車立體存放系統(tǒng)的工作原理

傳動方案如圖2所示。將自行車放到平臺上，機(jī)械手由齒輪1齒條1驅(qū)動上升夾住自行車前輪，與此同時電機(jī)和齒輪使齒輪3旋轉(zhuǎn)，使自行車支架轉(zhuǎn)動到合適的角度，這時鏈傳動使機(jī)械手向前推動自行車，使其平穩(wěn)的進(jìn)入自行車之間內(nèi)，機(jī)械手在齒輪1齒條1和鏈傳動的帶動下回到原位。如果底層的自行車支架已放滿自行車，放上自行車后，則齒輪2齒條2將會帶動整個平臺向上升到達(dá)高層的自行車支架，鏈傳動將帶動機(jī)械手推動自行車進(jìn)入高層的自行車支架內(nèi)。取出自行車時，先由人決定取出存放在何處的自行車，之后通過計算機(jī)來確定各工作部件的運(yùn)動過程，如要取出存放在高處的自行車，先由齒輪2和齒條2帶動整個平臺上升到一定高度，齒輪1齒條1配合使機(jī)械手向上升，自行車支架在電動機(jī)的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)到指定的車架，鏈傳動將機(jī)械手推動到指定位置夾緊自行車，機(jī)械手在鏈傳動的作用下往后退取出自行車，最后齒輪2和齒條2使平臺下降至地面，就可以取出自行車。

圖2 傳動方案

1.2 自動化自行車立體存放系統(tǒng)升降機(jī)構(gòu)的選擇

升降機(jī)構(gòu)主要有四種：（1）鋼絲繩式升降形式；（2）鏈條式升降形式；（3）絲桿式升降形式；（4）齒輪齒條式升降形式。

而本車庫選用齒輪齒條升降形式，其優(yōu)點(diǎn)是承載能力大，傳動的精度較高，可達(dá)0.1 mm，可無限長度對接延續(xù)，傳動速度可以很高，每秒大于2 m，操作簡單，同步性好，而且壽命長，工作平穩(wěn)，可靠性高[3]。

1.3 自動化自行車立體存放系統(tǒng)橫移機(jī)構(gòu)的選擇

橫移方式主要有三幾種：（1）V帶傳動；（2）滾子鏈傳動；（3）絲杠傳動。

綜合各種因素，該自動化自行車立體存放系統(tǒng)橫移機(jī)構(gòu)選擇滾子鏈傳動。這種傳動方式主要存在于兩平行軸間的傳動。該傳動方式不會出現(xiàn)彈性滑動以及打滑現(xiàn)象，這種傳遞方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于傳動比比較準(zhǔn)確，可靠性高，工作效率高；傳動的工作功率較大，承受過載的能力高，在同樣的工作情況下傳動的尺寸較小，從而作用在軸上的壓力就??；同時也能夠在很多惡劣的條件下進(jìn)行工作[4]。

1.4 自動化自行車立體存放系統(tǒng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計與動作設(shè)計

機(jī)械手是可以效仿人的手和臂的一些動作的，它是一種可以依照人們編好的程序來實(shí)現(xiàn)手部的開合、運(yùn)輸工件等操作的全自動裝備。它還可以在不安全的條件下運(yùn)用自己的功能來保護(hù)人們的安全，所以現(xiàn)在人們在各個領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用機(jī)械手。機(jī)械手又被叫做末端執(zhí)行器，它可以用來實(shí)現(xiàn)直接抓取和握緊目的工件的作用。

機(jī)械手按驅(qū)動方式可分為：（1）液壓式機(jī)械手；（2）氣動式機(jī)械手；（3）電動式機(jī)械手；（4）機(jī)械式機(jī)械手[5]。

權(quán)衡考慮下，該部分應(yīng)用電動式機(jī)械手。電動式驅(qū)動的機(jī)械手是機(jī)械手應(yīng)用中最廣泛的一種。它擁有方便的電源驅(qū)動，反應(yīng)靈敏快捷，工作靈活等優(yōu)勢。驅(qū)動的電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)。運(yùn)用減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速。

機(jī)械手直接與工件接觸，以機(jī)械手的開合來實(shí)現(xiàn)抓取、松開工件的動作，如圖3所示。

圖3 機(jī)械手工作原理圖

在圖3中，電機(jī)輸出軸O，曲柄OA，連桿AB，機(jī)架與滑塊B構(gòu)成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。使用電機(jī)驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手開合動作。

1.5 自動化自行車立體存放系統(tǒng)的主要參數(shù)

（1）該自行車立體車庫采用環(huán)形陣列；

（2）該自行車立體車庫初步設(shè)計每層10輛；

（3）該自行車立體車庫初步設(shè)計高度是3層；

（4）該自行車立體車庫每層間距1.5 m；

（5）該自行車立體車庫總高5 290mm.

2 自動化自行車立體存放系統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案設(shè)計

使用計算機(jī)對此系統(tǒng)進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)整體的設(shè)計如圖4和圖5所示。

圖4 系統(tǒng)框圖

圖5 主程序流程圖

3 自動化自行車立體存放系統(tǒng)的三維建模與模型制造

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，采用solidworks建立系統(tǒng)的三維模型如圖6所示，并通過運(yùn)動仿真驗(yàn)證運(yùn)動參數(shù)，符合設(shè)計要求，且各構(gòu)件間不存在干涉。

圖6 車庫的三維示意圖

車庫高5 290 mm，寬8 080 mm.由于真實(shí)的車庫體積過大，所以用比較小的模型來替代實(shí)際模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 模型的制作

4 結(jié)束語

本文研制了一種自動化自行車立體存放系統(tǒng)。該自動化自行車立體存放系統(tǒng)使平面停車轉(zhuǎn)換成空間停車，使占地面積大大減少，同時也對自行車加大保護(hù)，防止天氣的變化對自行車帶來的損害和人為竊取一系列問題。該系統(tǒng)方便存取，可行性強(qiáng)，是一種非常便捷有效的存放自行車的方式。

[1]劉麗娜.淺談立體車庫的特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].智能建筑與城市信息，2007，14（12）：96-99.

[2]汪浩，余華.自動化立體停車庫的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，20（04）：90-92.

[3]杜干.升降平臺升降機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀分析[J].機(jī)械工程與自動化，2013，42（02）：205-207.

[4]李程輝.鏈傳動與帶傳動相關(guān)問題討論[J].科技致富向?qū)В?013，21（26）：168-169.

[5]劉明保，呂春紅，張春梅.機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及其技術(shù)指標(biāo)的確定[J].河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2004，9（01）：18-23.

Three-Dimensional Automatic Bicycle Storage System

LAO Zhuo-yuan，HU Yi-shu，GONG Qin-zhao，DING Yuan，XIE Ding，PAN Shun
（College of Mechanical Engineering of Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to grapple with the problem that bicycles are parked disorderly with low security and large land occupation，a new system is designed for automatic bicycle garage by ordinary mechanical transmission structure with high security，high cost effectiveness and high automatization. Instead of applying the sophisticated mechanical operation system and computer devices，by the simple and manageable electromechanical device and computer programming，the new-designed system can easily achieve the goal of storing a large number of bicycles in a place and access the bike at the specified location. It is a three-dimensional automatic bicycle storage system that has strong generality，intelligence and efficiency.

mechanical structure；control device；three-dimensional automatic bicycle storage system

TP23

A

1672-545X（2016）09-0093-03

2016-06-19

天津工業(yè)大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201510058047）

老焯源（1995-），男，廣東佛山人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動化。