史志慧， 吳何畏， 陳 新， 李月寒， 張 武， 齊海寧

（湖北文理學(xué)院， 湖北 襄陽 441053）

引言

為解決現(xiàn)有小區(qū)自行車停車難的問題，提高場(chǎng)地利用率，提高停車效率等滿足人們對(duì)小區(qū)自行車停放的要求，同時(shí)促進(jìn)我國(guó)小區(qū)建設(shè)的發(fā)展。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)草坪空中自行車停車裝置。該停車場(chǎng)選址新穎獨(dú)特，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，性能穩(wěn)定，存取車簡(jiǎn)單方便，實(shí)用性強(qiáng)?？梢愿咝П憬莸拇嫒∽孕熊?，同時(shí)空中停車場(chǎng)不影響小區(qū)綠化建設(shè)，兼顧解決問題和綠化建設(shè)。不僅適用于已有小區(qū)的停車場(chǎng)規(guī)劃，對(duì)小區(qū)規(guī)劃建設(shè)也是一個(gè)很好的參考。

1 總體結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)草坪空中自行車停車裝置，分為上下兩層共有12個(gè)停車位。主要由單軌懸吊軌道結(jié)構(gòu)、桁架下的機(jī)械手結(jié)構(gòu)、雙滑塊連接的自鎖式吊鉤、自動(dòng)門結(jié)構(gòu)以及ROBOPRO和PLC相結(jié)合的控制系統(tǒng)等組成[1]，如圖1所示。自鎖式吊鉤在起始停車位上固定自行車，可自鎖結(jié)構(gòu)增加自行車懸掛的穩(wěn)定性；電機(jī)控制機(jī)械手三軸向移動(dòng)到停車位并控制機(jī)械臂觸近滑塊，同時(shí)控制手爪抓住滑塊；在單軌懸吊軌道上，滑塊帶動(dòng)萬向輪在軌道上行走，即吊鉤在軌道上行走并帶動(dòng)懸吊在正下方的自行車移動(dòng)；通過實(shí)現(xiàn)自行車在起始停車位與停車位之間的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)存取[2]。

1.1 單軌懸吊軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該軌道也稱懸臂式立體自行車庫?？考?，?？考荛L(zhǎng)度為一個(gè)自行車全長(zhǎng)，所述停靠架用做放置方形小車，所述小車下面帶有兩個(gè)掛鉤，通過?？考芸p隙懸置自行車，小車在懸臂式停車架上運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)懸空的自行車，達(dá)到存取自行車的目的。

1.2 桁架機(jī)械手結(jié)構(gòu)[3-5]

機(jī)械手倒立結(jié)構(gòu)固定在桁架上，機(jī)械手又包括抓取機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)，抓取機(jī)構(gòu)包括手指、傳力機(jī)構(gòu)等，主要是用來抓取和放置工件（或工具）的部件；傳送機(jī)構(gòu)包括手腕、手臂等，主要是改變選定目標(biāo)的方向和位置，如圖2所示。

該停車裝置的運(yùn)動(dòng)部分均由機(jī)械手來完成。下面通過建立機(jī)械手手爪與吊鉤上滑塊之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程如下：

1）當(dāng)執(zhí)行存車命令時(shí),機(jī)械手抓住吊鉤上的滑塊水平移動(dòng)到起始停車位，抓取動(dòng)作可以通過吸盤、氣動(dòng)手指和杠桿機(jī)構(gòu)等完成。

2）若存入第一層停車位，機(jī)械手水平移動(dòng)到指定位置即可。若存入第二層停車位，機(jī)械手抓取吊鉤上的滑塊沿Z軸方向垂直上升到第二層對(duì)接起始軌道。再在平面上移動(dòng)將自行車送至相應(yīng)停車位即完成存車命令。

3）停車完成后機(jī)械手沿上述軌跡反方向運(yùn)動(dòng)到起點(diǎn)待命。

4）當(dāng)執(zhí)行取車命令時(shí)，若取第一層自行車，機(jī)械手沿X軸方向?qū)⒌蹉^抓住，在水平移動(dòng)到起始停車位。若取第二層自行車，機(jī)械手沿X軸方向抓住吊鉤再通過Z軸的升降運(yùn)動(dòng)將吊鉤釋放到指定軌道對(duì)接點(diǎn)即完成取車命令。

5）機(jī)械手沿上述軌跡反方向運(yùn)動(dòng)到起始點(diǎn)待命，開始下一個(gè)循環(huán)。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)控制要求,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和X軸方向的直線運(yùn)動(dòng)可以同時(shí)進(jìn)行。

機(jī)械手主要由傳輸機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)三大部分組成（如圖3所示）。

圖3 機(jī)械手控制構(gòu)成圖

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)既定動(dòng)作，改變被抓持部件的方向和位置。驅(qū)使其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，常用的有液壓、氣壓、電力和機(jī)械四種驅(qū)動(dòng)形式。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的是電力驅(qū)動(dòng)。

控制系統(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度電機(jī)的控制，來完成動(dòng)作的程序、位置和時(shí)間（甚至速度與加速度）等，是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或DSP等微控制芯片構(gòu)成，通過對(duì)其編程實(shí)見所要求的功能。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用的是慧魚編程軟件PROROBOTXT。

1.3 自鎖式吊鉤結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)滑塊、滑塊上的萬向輪及滑塊下的吊鉤組成[6-7]，如圖4所示。其中吊鉤由三個(gè)鉤子組成，其設(shè)計(jì)思路是滿足自行車固定要求。上面滑塊與下面滑塊剛性連接，下面滑塊與吊鉤剛性連接，整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

1）鉤子的數(shù)量及位置布置起到了自鎖性功能。單個(gè)鉤子鉤住自行車座，雙鉤子對(duì)稱鉤住自行車把手，既滿足了自行車的固定作用，也起到了自鎖作用。當(dāng)自行車受很大徑向拉力時(shí)不易脫離吊鉤。

2）機(jī)械手抓住滑塊使整個(gè)吊鉤在軌道上移動(dòng)。當(dāng)?shù)蹉^在第一層存取時(shí)，下面滑塊的萬向輪在軌道上移動(dòng)；當(dāng)?shù)蹉^在第二層存取時(shí)，上面滑塊的萬向輪在軌道上移動(dòng)。

3）萬向輪在軌道上行駛，接觸面的摩擦較小、靈活的轉(zhuǎn)向提高了吊鉤在軌道上的運(yùn)動(dòng)速度。

圖4 吊鉤結(jié)構(gòu)圖

1.4 自動(dòng)門結(jié)構(gòu)[8-12]

自動(dòng)門是單滑門結(jié)構(gòu)；單滑門結(jié)構(gòu)只有一扇門，開合運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相對(duì)于雙滑門比較好控制、節(jié)約成本但占用空間稍大。實(shí)際應(yīng)用中可操作性高，所以更加適用于停車裝置做庫門。自動(dòng)門由光敏傳感器、微動(dòng)開關(guān)等元件組成，當(dāng)有物體經(jīng)過門時(shí)，光敏傳感器反饋信息給控制器，控制器控制門開合。即存取車時(shí)當(dāng)人進(jìn)門和出門時(shí)門會(huì)自動(dòng)開合。

2 工藝流程分析

自行車存取的過程如圖5所示：

存車時(shí)，自行車沿地面推送至入庫門，車到達(dá)設(shè)定位置時(shí)，按下存車按鈕。智能管理系統(tǒng)通過無線通訊技術(shù)獲取該自行車ID并分配停車位，用戶獲取ID后即完成操作。

圖5 自行車存取流程圖

入庫登記程序完成后，ROBOPRO[13-15]控制的機(jī)械手伸出，從吊鉤停放架上抓住吊鉤至庫門，鉤子固定待存自行車，機(jī)械手再將吊鉤送入相應(yīng)停車位軌道，即自行車入庫。并在PLC管理的存、取自行車系統(tǒng)中完成登記。

取車時(shí)，用戶在出庫門輸入ID，PLC控制的智能管理系統(tǒng)檢索ID對(duì)應(yīng)自行車，ROBOPRO控制的機(jī)械手到達(dá)指定停車位，抓取吊鉤將快吊鉤送至出庫門，即自行車出庫。待自行車取走后將吊鉤放回停放架。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)具有環(huán)保、便捷、拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)。機(jī)械手控制自行車的存取快捷方便；小單元化系統(tǒng)體積不大，相比于傳統(tǒng)存取裝置更加節(jié)約空間且拓展性強(qiáng)；無底板的空中懸吊式停車更節(jié)省材料；軌道上運(yùn)行優(yōu)化了停車路線；透明亞克力做頂棚透光性強(qiáng)，白天不影響草坪綠化，晚上保障自行車安全。此停車裝置的出現(xiàn)，一定程度上解決了已有小區(qū)自行車停車場(chǎng)困難的現(xiàn)象，獨(dú)特新穎的空中草坪自行車停車裝置在現(xiàn)代化城市有著極佳的市場(chǎng)前景和應(yīng)用值。

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