宋宇航，程清偉，郭 湃，張振裕，趙 可

（廣州城市理工學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 引言

我國(guó)桶裝水的需求量十分巨大，然而送水方式都是采用人工搬水送到家家戶(hù)戶(hù)門(mén)口，因此，研發(fā)一款可以實(shí)現(xiàn)智能爬樓道送水的裝置是十分有必要的。

如今同類(lèi)型搬運(yùn)裝置一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用局限性大；需要在地面貼上黑條，搬運(yùn)裝置才會(huì)沿著設(shè)定路線行走，路線單一且影響場(chǎng)地美觀。搬運(yùn)裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)限定了該搬運(yùn)機(jī)器車(chē)只能在水平地面上運(yùn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)貨物上樓梯的功能，裝卸貨物都需要人工搬運(yùn)。

基于上述問(wèn)題，限制了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)搬運(yùn)桶裝水裝置的創(chuàng)新與發(fā)展。因此設(shè)計(jì)出一款適合普通家庭或宿舍的樓道搬水裝置變得尤為重要。本文講述一臺(tái)適合我國(guó)桶裝水搬運(yùn)的可行性機(jī)構(gòu)。

1 樓道搬水裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 樓道搬水裝置整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是一款集桶裝水裝卸技術(shù)、樓道搬運(yùn)技術(shù)、STM32 控制技術(shù)、無(wú)線模塊控制技術(shù)等四大核心技術(shù)組成的一種集裝夾、裝卸、搬運(yùn)為一體的多功能樓道搬水裝置。裝置通過(guò)裝載架上的工裝定位設(shè)計(jì)，確保桶裝水在上下樓梯過(guò)程中不會(huì)掉落。同時(shí)，整個(gè)裝置均采用電和氣作為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)零排放，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

基于STM32 單片機(jī)控制的樓道搬水裝置的整體框架是兩部分構(gòu)成，分別為機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示：①機(jī)械結(jié)構(gòu)由特殊的裝夾手、水桶裝載架、二級(jí)齒輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、差速鎖、穩(wěn)定支撐臂等組成；②電控系統(tǒng)由STM32 單片機(jī)控制模塊、信號(hào)接收模塊、電子攝像頭、液晶顯示屏等設(shè)備組成。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其中，機(jī)械部分主要由底盤(pán)、裝夾手、二級(jí)齒輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，其中底盤(pán)使用Q235 作為原材料制作；動(dòng)力系統(tǒng)組成有電機(jī)、電機(jī)固定座、齒輪副和AirTAC 小型氣缸等組成。電機(jī)主要為裝置的平地運(yùn)作和上下樓梯提供動(dòng)力，桶裝水的裝夾和裝卸則由AirTAC 小型氣缸提供動(dòng)力，即保證了裝卸的可靠性也保證了裝置整體的零排放。

1.2 上樓搬運(yùn)機(jī)構(gòu)

上樓搬運(yùn)機(jī)構(gòu)同樣采用無(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)力源。與無(wú)刷直流電機(jī)輸出軸相連接的齒輪采用模數(shù)5，齒數(shù)15 的正齒輪，與無(wú)刷直流電機(jī)軸端齒輪相連的正齒輪參數(shù)為模數(shù)5，齒數(shù)45，傳動(dòng)比為15:45，也就是無(wú)刷直流電機(jī)端部齒輪旋轉(zhuǎn)三圈，與之嚙合的齒輪才旋轉(zhuǎn)一圈，有效避免小型無(wú)刷直流電機(jī)力矩不足的缺點(diǎn)。再基于行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，在上樓搬運(yùn)時(shí)，太陽(yáng)輪不動(dòng)，由齒圈直接驅(qū)動(dòng)行星輪翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)上樓搬運(yùn)功能。得益于無(wú)刷直流電機(jī)的特性，使搬運(yùn)機(jī)構(gòu)起步時(shí)具有較大的大扭矩，且無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更便于維護(hù)。平地搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 上樓搬運(yùn)機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)

2 樓道搬水裝置的電控組成部分

2.1 MCU 模塊

MCU 選型是樓道搬水裝置電控部分的核心關(guān)鍵。本裝置采用了STM32F103VET6 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)處理器，能夠滿足超大量數(shù)據(jù)包括高精度浮點(diǎn)數(shù)等運(yùn)算，在視頻以及圖像處理方面表現(xiàn)優(yōu)異，攝像頭則向STM32 單片機(jī)提供路面的影像，實(shí)時(shí)反饋路面的狀況，電控系統(tǒng)則根據(jù)影像信號(hào)控制搬水裝置做出適當(dāng)?shù)谋茏?。用?hù)可以通過(guò)智能手機(jī)查看搬運(yùn)裝置的工作狀況，如圖3所示。

圖3 裝置電子控制

2.2 電磁閥與繼電器模塊

本設(shè)計(jì)選用了受控電壓為12V 的二位五通電磁閥。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸出電壓較小，僅有3～5V，與受控電磁閥12V 電壓差距較大，為此，引入了繼電器模塊。繼電器的工作原理在本質(zhì)上是一個(gè)受控于外部電流的雙向開(kāi)關(guān)，具有常開(kāi)端與常閉端，根據(jù)外部輸入的高低電平，繼電器的雙向開(kāi)關(guān)自動(dòng)地切換常開(kāi)端與常閉端與公共端的通斷情況用。在本設(shè)計(jì)中，選用的是帶光耦的電磁型8 路繼電器模塊。

3 樓道搬水裝置的工作過(guò)程及控制

3.1 工作過(guò)程

本裝置的工作過(guò)程：調(diào)試好相關(guān)參數(shù)后，裝夾手開(kāi)始運(yùn)作，對(duì)準(zhǔn)桶身瓶頸夾緊后，支撐穩(wěn)定臂伸出，小型氣缸推動(dòng)裝載架，裝載架將桶裝水搬上底盤(pán)，隨后二級(jí)齒輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)作，在平地行走與上下樓梯之前切換運(yùn)動(dòng)模式。到達(dá)指定目的后，小型氣缸再次推動(dòng)裝載架，放下桶裝水后裝夾手松開(kāi)，放下桶裝水。整體工作流程如圖4 所示。

圖4 整體工作流程

3.2 樓道搬水裝置的手機(jī)APP 控制界面

根據(jù)搬水裝置的工作特點(diǎn)，模擬了可由智能手機(jī)控制的APP軟件，操作界面如圖5 所示。

圖5 APP 操作界面

APP 操作步驟如下：①點(diǎn)擊“控制電源總開(kāi)關(guān)”旁邊的off-on按鈕，即可打開(kāi)樓道搬運(yùn)裝置的總開(kāi)關(guān)。②在“裝置行駛速度”選項(xiàng)中選擇合適的行駛速度。③按照以上步驟即可完成裝置對(duì)桶裝水的裝卸和搬運(yùn)等基本的操作，如需實(shí)時(shí)操控，可點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)操控”按鈕，實(shí)現(xiàn)完全自主實(shí)時(shí)控制。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)搬運(yùn)裝置體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、購(gòu)買(mǎi)成本高、后期維護(hù)成本高，本裝置在設(shè)計(jì)理念上，針對(duì)桶裝水結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小。在運(yùn)作時(shí)不會(huì)影響用戶(hù)正常行走，并且具備遠(yuǎn)程操控作業(yè)的功能，減少勞動(dòng)強(qiáng)度從而降低人工成本。城市與農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都非常迅速，很多農(nóng)村居民也體驗(yàn)上了桶裝水的便利，而市場(chǎng)上暫時(shí)還沒(méi)有針對(duì)桶裝水設(shè)計(jì)的搬運(yùn)裝置，如果像城市有大量桶裝水用戶(hù)的情況，都是靠人工來(lái)搬運(yùn)，其中就產(chǎn)生了較高的人工成本、工作效率低等問(wèn)題。相比本裝置，集裝夾、裝載、搬運(yùn)、卸載于一體，不僅可以完成一次性作業(yè)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)任何破壞。

搬水裝置在日后能做到一機(jī)多用、工作穩(wěn)定可靠、無(wú)污染、自動(dòng)化程度高、適應(yīng)性強(qiáng)的樓道搬運(yùn)裝置。