武晨曉,謝羽嘉,王子航,朱 磊,吳曉艷

(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱 150040)

0 引言

私家車數(shù)量的逐年增加給城市交通帶來了前所未有的挑戰(zhàn),城市空間的有限性導(dǎo)致停車位數(shù)量無法跟上私家車的增長速度,停車難問題日益嚴(yán)重,這不僅加劇了城市交通的擁堵,還給車主帶來了極大的不便。尋找停車位的過程不僅消耗了時(shí)間和燃料,還增加了空氣污染和交通事故的風(fēng)險(xiǎn),因此尋求創(chuàng)新解決方案變得尤為緊迫。

為了解決停車難問題,通常選擇在居民區(qū)和商業(yè)綜合體下方建設(shè)地下停車場。為了便于管理,這些停車場會(huì)在地面上噴涂停車線。但一些車主為了節(jié)省時(shí)間,往往沒有將車輛停在規(guī)定的停車線內(nèi),或由于停車位過小導(dǎo)致倒車空間不足,難以將車輛駛?cè)胪＼嚲€內(nèi),這種情況下需要一種能夠輔助搬運(yùn)汽車進(jìn)入停車線的設(shè)備。

考慮到汽車的多樣化,不同車型之間存在車輪間距的差異。目前的車輛搬運(yùn)器在處理車輪較寬的汽車時(shí),由于車輛與夾桿機(jī)構(gòu)接觸位置偏外側(cè),導(dǎo)致受力點(diǎn)在夾桿機(jī)構(gòu)旁邊遠(yuǎn)離基體,容易導(dǎo)致夾桿機(jī)構(gòu)的損壞。而在搬運(yùn)車輪較窄的汽車時(shí),搬運(yùn)器則容易磕碰到車輪內(nèi)側(cè),甚至可能無法將車輛順利駛?cè)肫嚨撞?。需尋找更先進(jìn)、智能化的搬運(yùn)器,以更好地適應(yīng)不同車型的特殊需求,提高設(shè)備的可操作性和適用性。在解決停車問題的同時(shí),需關(guān)注搬運(yùn)器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,以更好地服務(wù)城市交通的發(fā)展。需研發(fā)一種新型的車輛搬運(yùn)器,具備以下特點(diǎn):適應(yīng)不同車型,包括車輪較寬和較窄的汽車;具備較高的安全性,避免損壞車輛和夾桿機(jī)構(gòu);具有較高的搬運(yùn)效率,能夠快速將車輛搬運(yùn)到指定位置;操作簡單,易于推廣應(yīng)用;具有較好的環(huán)保性能,減少對空氣污染和能源消耗。

美國Boomerang公司在2015年被授權(quán)一種“自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)和搬運(yùn)小車”專利[1],該專利中的汽車搬運(yùn)器屬于夾持式汽車搬運(yùn)器,可實(shí)現(xiàn)軸向伸縮以適應(yīng)不同軸距及全轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),極大地提高了搬運(yùn)器的靈活性,使得停放汽車之間的間隙很小。該搬運(yùn)器的夾持機(jī)構(gòu)與AUTOPARK 公司的搬運(yùn)器夾持機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上有所不同,其中一根夾持臂(450 b)通過直線運(yùn)動(dòng)來適應(yīng)汽車輪距,另一根夾持臂(452 b)通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來夾持汽車輪胎[2]。

國內(nèi)有多位學(xué)者對立體車庫汽車搬運(yùn)器理論進(jìn)行了深入研究。趙超等設(shè)計(jì)了以液壓系為動(dòng)力的夾持輪胎式汽車搬運(yùn)器,降低了搬運(yùn)器的整體高度,運(yùn)用AMESim軟件對模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性[3-4]。張晉暢對比了各種汽車搬運(yùn)器的性能,研究了夾持輪胎式搬運(yùn)器的結(jié)構(gòu),該設(shè)計(jì)利用蝸輪蝸桿作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu),有效解決了傳動(dòng)時(shí)間長和自鎖穩(wěn)定的問題[5]。王新等利用Abaqus有限元軟件分析了汽車搬運(yùn)的起重夾持機(jī)構(gòu)強(qiáng)度,對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義[6]。邱亮等利用仿真軟件對單軸抬升形式的搬運(yùn)器進(jìn)行仿真,相關(guān)仿真結(jié)果可用于堆垛式搬運(yùn)器的設(shè)計(jì)思路[7]。

我國汽車搬運(yùn)器正在加速發(fā)展,相比于其他類型的汽車搬運(yùn)器,夾持式汽車搬運(yùn)器無需載車板,更能節(jié)省立體車庫空間,適用于更多類型的停車庫,應(yīng)用前景廣闊。該裝置主要應(yīng)用于露天停車場、立體停車場及消防疏散。對于露天停車場,利用衛(wèi)星尋跡確定搬運(yùn)器的位置,按照預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)行。在循跡過程中通過Open CV識(shí)別車輛是否規(guī)范停車,夾持裝置負(fù)責(zé)抬起車輛并實(shí)現(xiàn)鎖止,鎖止之后通過物聯(lián)網(wǎng)告知車主目前的車輛狀態(tài),通過查詢是否已繳納停車規(guī)范費(fèi),解除鎖止車輛。立體停車場費(fèi)用由車主通過掃描二維碼支付,實(shí)現(xiàn)智能跟隨。當(dāng)裝置到達(dá)指定車輛前,選擇紅外或藍(lán)牙進(jìn)行遙控挪車,完成車輛的搬運(yùn)倒車。

1 技術(shù)方案

提供一種輔助搬運(yùn)汽車的設(shè)備,可搬運(yùn)不同車體寬度的汽車,采用的技術(shù)方案為兩個(gè)主體,即第一基座和第二基座,均設(shè)有行進(jìn)裝置。第一基座的一側(cè)和第二基座的一側(cè)均設(shè)有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上滑動(dòng)連接兩個(gè)托舉機(jī)構(gòu),第一基座和第二基座之間設(shè)有伸縮機(jī)構(gòu),包括伸縮絲桿、光桿和剪叉式伸縮臂,剪叉式伸縮臂的兩端分別與伸縮絲桿和光桿滑動(dòng)連接。伸縮機(jī)構(gòu)包括兩根伸縮桿和保護(hù)罩,伸縮桿的兩端分別與第一基座和第二基座固定連接,第一基座的另一側(cè)和第二基座的另一側(cè)均延伸有環(huán)形臺(tái)階,伸縮絲桿和光桿分別置于相鄰的環(huán)形臺(tái)階內(nèi),保護(hù)罩套設(shè)在兩個(gè)環(huán)形臺(tái)階外側(cè)。

圖1 裝置系統(tǒng)應(yīng)用Fig.1 Application of device system

圖2 自主設(shè)計(jì)的控制移動(dòng)操作軟件Fig.2 Autonomous designed control mobile operation software

剪叉式伸縮臂由兩個(gè)X型伸縮臂單元組成,兩個(gè)X型伸縮臂單元首尾相連,其中一個(gè)X型伸縮臂單元的兩個(gè)伸縮臂末端旋轉(zhuǎn)連接第一滑塊,兩個(gè)第一滑塊分別與伸縮絲桿上的左旋螺紋和右旋螺紋滑動(dòng)連接。另外一個(gè)X型伸縮臂單元的兩個(gè)伸縮臂末端旋轉(zhuǎn)連接第二滑塊,第二滑塊與光桿滑動(dòng)連接。伸縮絲桿上的螺紋分為兩段,伸縮絲桿上的兩端螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋,兩個(gè)第一滑塊分別與伸縮絲桿上的左旋螺紋和右旋螺紋滑動(dòng)連接。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括雙軸電機(jī),第一基座的一側(cè)和第二基座的一側(cè)均開設(shè)收容槽,雙軸電機(jī)置于收容槽的中部,雙軸電機(jī)的兩個(gè)輸出軸上均固定連接調(diào)節(jié)絲桿,兩根調(diào)節(jié)絲桿的螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋。

托舉機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)組件,旋轉(zhuǎn)組件包括旋轉(zhuǎn)支架和齒輪箱,旋轉(zhuǎn)支架的一端與調(diào)節(jié)絲桿滑動(dòng)連接,兩個(gè)旋轉(zhuǎn)支架的一端分別與相鄰左旋螺紋和右旋螺紋的調(diào)節(jié)絲桿滑動(dòng)連接。兩個(gè)相鄰的旋轉(zhuǎn)支架分別位于雙軸電機(jī)的兩側(cè),齒輪箱與旋轉(zhuǎn)支架另一端的一側(cè)固定連接,齒輪箱上設(shè)有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件,其輸出軸與齒輪箱連接。兩個(gè)相鄰的托舉機(jī)構(gòu)互相對稱,托舉機(jī)構(gòu)包括托舉支架,托舉支架的一端與旋轉(zhuǎn)支架的另一端旋轉(zhuǎn)連接,托舉支架的一端設(shè)有齒輪,齒輪的軸心與托舉機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)連接處同軸,齒輪與齒輪箱連接。

2 設(shè)備實(shí)施及優(yōu)勢

本設(shè)備包括兩個(gè)主體,分別為抬升車輛的前輪和后輪。主體包括第一基座和第二基座,第一基座和第二基座互相對稱,均設(shè)有行進(jìn)裝置,各兩個(gè)。第一基座上的兩個(gè)行進(jìn)裝置分別靠近兩端,貫穿第一基座。第二基座上的兩個(gè)行進(jìn)裝置分別靠近兩端,貫穿第二基座。設(shè)備優(yōu)選行進(jìn)裝置為麥克納姆輪,使主體在狹窄空間內(nèi)帶動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向移動(dòng),伸縮機(jī)構(gòu)拉動(dòng)或推動(dòng)第一基座和第二基座互相靠近或遠(yuǎn)離時(shí),麥克納姆輪的運(yùn)行能降低伸縮機(jī)構(gòu)在拉動(dòng)或推動(dòng)第一基座和第二基座的阻力。如圖3、圖4。

圖3 裝置示意圖Fig.3 Device schematic diagram

圖4 局部放大圖Fig.4 Local magnification diagram

圖5 裝置局部放大視圖Fig.5 Local enlarged view of the device

圖6 裝置爆炸視圖Fig.6 Device explosion view

圖7 Simulation SolidWork有限元分析Fig.7 Simulation SolidWork finite element analysis

收容槽位于兩個(gè)相鄰的行進(jìn)裝置之間。第一基座的一側(cè)和第二基座的一側(cè)均設(shè)有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)絲桿的一端與收容槽的內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)連接,連接處靠近相鄰的行進(jìn)裝置。調(diào)節(jié)絲桿的螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋,雙軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩根調(diào)節(jié)絲桿正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí),與之滑動(dòng)連接的兩個(gè)托舉機(jī)構(gòu)相互靠近或遠(yuǎn)離。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上滑動(dòng)連接兩個(gè)托舉機(jī)構(gòu),兩個(gè)托舉機(jī)構(gòu)互相對稱。雙軸電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)兩根調(diào)節(jié)絲桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),從而在兩根調(diào)節(jié)絲桿上滑動(dòng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)支架互相靠近或遠(yuǎn)離,根據(jù)要搬運(yùn)車輛車輪的尺寸調(diào)節(jié)兩個(gè)托舉機(jī)構(gòu)之間的距離。

托舉機(jī)構(gòu)包括托舉支架,托舉支架的一端與旋轉(zhuǎn)支架的另一端旋轉(zhuǎn)連接,通過齒輪箱帶動(dòng)齒輪使托舉支架在旋轉(zhuǎn)支架上旋轉(zhuǎn)一定角度,從而讓兩個(gè)托舉支架靠近車輛車輪。優(yōu)選4個(gè)滾輪,位于同一軸線上,通過滾輪與車輛接觸,避免托舉支架直接頂觸車輪,對車輪造成傷害,也能在兩個(gè)托舉支架互相靠近時(shí)令滾輪在車輛上滾動(dòng),將車輛抬升,使車輪離開地面。

環(huán)形臺(tái)階位于兩個(gè)行進(jìn)裝置之間。第一基座和第二基座之間設(shè)有伸縮機(jī)構(gòu),伸縮機(jī)構(gòu)包括伸縮絲桿、光桿、剪叉式伸縮臂、兩根伸縮桿及保護(hù)罩,伸縮絲桿的兩端與第一基座的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)連接,伸縮絲桿上的螺紋分為兩段,伸縮絲桿上的兩端螺紋分別為左旋螺紋和右旋螺紋。通過伸縮桿提升伸縮機(jī)構(gòu)的自身強(qiáng)度,避免由于車輛重量過大導(dǎo)致伸縮機(jī)構(gòu)損壞。保護(hù)罩避免灰塵進(jìn)入伸縮機(jī)構(gòu)內(nèi),影響伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

通過伸縮驅(qū)動(dòng)件帶動(dòng)伸縮絲桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),令兩個(gè)第一滑塊相互靠近或遠(yuǎn)離,從而讓剪叉式伸縮臂推動(dòng)或拉動(dòng)第一基座和第二基座互相遠(yuǎn)離或靠近,使主體駛?cè)胲囕v底部且不碰撞車輛。通過3D模型進(jìn)行Simulation SolidWork有限元分析,得到該裝備結(jié)構(gòu)受力情況穩(wěn)定,可正常應(yīng)用于實(shí)際工作。

該搬運(yùn)設(shè)備展現(xiàn)了出色的場景適應(yīng)性,不論是在繁忙的停車場、便捷的停車庫還是其他車輛集中區(qū)域都能靈活運(yùn)用,獨(dú)特之處在于能夠主動(dòng)獲取并準(zhǔn)確計(jì)算環(huán)境信息,通過高精度的智能路徑規(guī)劃和搬運(yùn)操作滿足機(jī)動(dòng)車在各種不同應(yīng)用場景下的操控需求,這一特性顯著提升了操控靈活性和環(huán)境適應(yīng)性,為城市交通提供了更為智能、高效的解決方案。

通過工具的自主運(yùn)算和操作,極大減少了人工的介入,提高了資源利用率,不僅有效降低了車輛搬運(yùn)過程中的能耗,還有助于減少對環(huán)境的影響,符合可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。這種自主性和高效性不僅提高了搬運(yùn)操作效率,也提高了城市交通管理的可持續(xù)性。該搬運(yùn)設(shè)備可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行智能化升級和功能擴(kuò)展,通過集成更多先進(jìn)的傳感器模塊及人工智能算法進(jìn)一步提升感知能力,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與智能化水平的全面提升。這種可擴(kuò)展性注入了更多的可能性,使其能夠持續(xù)適應(yīng)不斷變化的技術(shù)和應(yīng)用要求。未來,隨著科技的不斷進(jìn)步,該搬運(yùn)器將能夠更靈敏地適應(yīng)新的挑戰(zhàn)和需求,為城市交通發(fā)展提供可持續(xù)、先進(jìn)的解決方案。

3 結(jié)論

提出了一種用于輔助搬運(yùn)汽車的新型裝置,采用創(chuàng)新技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)了對不同車體寬度汽車進(jìn)行有效搬運(yùn)的功能。結(jié)合伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),靈活調(diào)整兩個(gè)主體之間的距離,使其適應(yīng)不同車輪之間的距離,提高了搬運(yùn)的穩(wěn)定性。該裝置的優(yōu)勢在于避免了與汽車車輪的碰撞,通過伸縮機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)使主體能夠在狹窄的空間中進(jìn)行搬運(yùn),有效防止汽車損壞。托舉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)一步增強(qiáng)了托舉強(qiáng)度,確保搬運(yùn)過程中的安全性和可靠性。該裝置的托舉支架采用滾輪,進(jìn)一步提高了對車輪的托舉效果,令汽車搬運(yùn)更加平穩(wěn)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的雙軸電機(jī)和旋轉(zhuǎn)組件設(shè)計(jì)令調(diào)整過程更為靈活、精準(zhǔn)。設(shè)計(jì)上充分考慮了不同汽車車體寬度的需求,通過多重機(jī)構(gòu)的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了對汽車的安全、穩(wěn)定搬運(yùn),為汽車運(yùn)輸帶來了一種創(chuàng)新解決方案,實(shí)現(xiàn)了對不同寬度汽車車輪的適應(yīng)性托舉,提高了托舉強(qiáng)度及穩(wěn)定性,有助于減少汽車搬運(yùn)過程中的損壞風(fēng)險(xiǎn)。