新型升降旋轉式自行車自動停車裝置設計

浦廣益， 盧學玉， 紀凱鵬， 徐源浩， 李乾坤， 程瑞敏， 王小松

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫214122)

0 引 言

當今，國家對節能降耗和環境保護等日益重視。自行車是我國目前交通體系的重要組成部分。家用自行車及共享單車行業的發展有效地響應了環保節能的號召。但同時數量劇增的自行車及共享單車也帶來了不少問題，如小區、商場等公共場所經常出現自行車停放雜亂無序，停車占地面積過大等現象，進而引發了交通擁堵、步行困難等一系列的問題。為此本文設計了一種升降旋轉式自行車自動停車裝置，以解決自行車的停放等問題。

1 設計目標與研究內容

1.1 設計目標

現如今，低碳環保逐漸成為世界人民生活方式的主旋律。各國大力倡導使用自行車作為代步工具，但劇增的自行車數量，也使得自行車雜亂無序，停車占地面積過大等問題暴露得愈加明顯。針對該問題，擬設計一種自行車自動停車裝置，能集中有序停放自行車，節約空間和能源。

1.2 研究內容

針對本設計所提出的研究目標，主要解決以下幾個方面的內容：1）方案的選擇和討論；2）升降旋轉式自行車自動停車裝置的整體結構設計，包括停車架部分、升降系統部分、抓取與進給部分、回轉部分、機電控制部分；3）運用三維建模軟件UGNX對升降旋轉式自行車自動停車裝置進行整體建模，包括停車架部分、升降系統部分、抓取與進給部件、回轉部分；4）機電控制部分選擇Arduino mega2560芯片進行控制，安全模塊采用IC卡進行用戶身份識別。

2 裝置結構設計

2.1 升降旋轉式自行車自動停車裝置工作原理

如圖1所示，升降旋轉式自行車自動停車裝置主要由停車架部分、升降系統部分、抓取與進給部分、回轉部分、機電控制部分組成。該裝置執行部分有4個自由度，包括沿豎直方向的升降、繞豎直方向的旋轉、沿徑向的進給和抓取，運動原理如圖2所示。

圖1 升降旋轉式自行車自動停車裝置結構示意圖

圖2 運動原理圖

停車架部分主要由若干層分布車位的平臺、鋼柱組成，其車位都內嵌于地下，停車入口位于地上。升降系統由步進電動機、卷揚機、鋼絲繩、滑輪組成，通過控制鋼絲繩伸出的長短來控制抓取進給平臺的升降，保證其高度方向的定位。自行車的抓取由舵機控制的機械手完成，自行車的進給由齒輪齒條機構完成。自行車的周向定位由回轉機構完成，回轉機構的功能通過步進電動機和減速器實現。

此停車設備的具體運行過程：首先將自行車放到地面指定導軌上，然后進行刷卡，基于主控制芯片Arduino Mega 2560和RFID讀卡器顯示記錄系統儲存用戶信息后執行進給運動，進給系統控制齒輪齒條進行進給，控制機械手的夾持系統抓取自行車后輪，待完成抓取動作后進給系統回復至圓盤中央，電動機驅動的旋轉系統控制升降臺旋轉到有空車位的指定角度，然后電動機驅動卷揚機式升降系統下降到指定停車層，進給系統再次進給適當距離后，夾持系統松開，將自行車停入指定空車位，停車結束，整個系統復位至初始狀態。反之，就是取車過程。

2.2 停車架部分的尺寸設計

本課題所設計的升降旋轉式自行車自動停車裝置的停車架是以木板、特大雙頭螺柱為主要框架組成的。立柱采用GB900-88標準的M80×1200雙頭螺柱，每層之間采用螺紋固定。停車槽內徑為170 mm，外徑為340 mm，夾角為18°。切槽部分長為180 mm，寬為6 mm，深為12.5 mm。用螺栓固定在底部固定鋁合金盤上。鋁合金固定盤有兩種：外盤內徑為640 mm，外徑為740 mm；內盤內徑為300 mm，外徑為400 mm，盤上開有φ3 mm的螺紋孔。本停車設備可停放車輛最大尺寸為1800 mm×1100 mm×800 mm。權衡空間利用和安全停放的關系，停車單元相間距離為20 mm。在設置層高時，為了方便停放和取用，將每層高度增加為1400 mm。本停車位共設置3層，60個停車位，總高度為7260 mm。

圖3 車架示意圖

2.3 夾持與進給部分的設計

夾持機構的工作原理為：夾持與進給部分是該設備第一個具有運動型的模塊，如何精準地抓住自行車是本次設計制作中要解決的關鍵技術問題之一。本設備利用在停車槽底部加圓弧凹槽巧妙解決了這個問題，如圖4所示。這樣每次停放車輛時車輪和圓弧凹槽的作用使得車子每次都能靜止在一個地方，所以每次夾持時只需要進給設定距離，就可準確夾持到車輪。取車同樣適用。夾持系統主要由電動機驅動一對嚙合齒輪，齒輪帶動四桿機構的夾持手完成夾持動作，如圖5和圖6所示。

1）夾持機構中四桿機構的設計[1-3]。如圖7所示，為保證機械手頭部夾持時保持平行，由四桿機構原理需要AB=CD，AD=BC。保證了夾持時平行夾持車輪。經過試驗測得當夾持車輪1/3部分時可以保證夾持的平穩性，自行車車輪直徑在400～600 mm之間，故EF在377.1～565.7 mm之間。選EF=400 mm。

2）夾持機構中齒輪的設計。齒輪的齒數與夾持進給密切相關，還和電動機性能相關，由于采用電動機靈敏度為1°，并且夾持段黏附有緩沖橡膠，所以齒輪齒數在一定范圍內對進給影響較小，綜合考慮選擇模數為1 mm、齒數為22的一對嚙合齒輪。

3）夾持系統中電動機的選擇。夾持系統需要工作穩定、反應迅速的位置伺服電動機，且模型中的夾持機構較小，需要體積小、力矩適中的電動機，經過分析選擇ES08MA II型舵機。

圖4 停車槽圓弧槽示意圖

圖5 夾持機械手

圖6 夾持系統

圖7 四桿機構

2.4 進給機構的工作原理

進給系統主要是配合夾持系統完成自行車的移動。具體為當用戶將自行車停到停車槽后，進給系統進給讓夾持系統工作，然后進給系統再次工作回復到升降臺上，隨升降臺下降，將自行車停入底層停車架，此時進給系統再次發揮類似作用。進給系統基于電動機驅動的齒輪齒條，如圖8所示。

這種進給系統利用了齒輪齒條傳動，齒條固定，齒輪運動。主要包括支撐桿件、齒輪、進給電動機及支撐件、用戶停車槽、齒條、導軌。

2.5 升降系統部分的設計

圖8 進給系統總體結構

升降系統是該設備第二個帶有運動性的模塊，它是本次設計制作中又一關鍵技術問題。一般實現升降的形式有卷揚式、鏈傳動式、液壓傳動式、曳引升降式等。由于鏈傳動式和液壓式升降在高層次車庫中受到高度行程的限制，所以卷揚式和曳引式用得較多。在本設備中高度并不是很高，從簡單易行方面考慮選擇卷揚式升降。卷揚式升降便于配合電動機實現電控，其三維布置如圖9所示。

圖9 設備中升降系統布置

升降系統的工作過程是曳引機正向轉動，鋼絲繩通過滑輪改變方向帶動升降臺完成上升運動，平衡輪沿著4根固定柱滑下保證下降過程足夠平穩。反之，在重力作用下實現下降運動。電動機4在升降過程中起調整旋轉角度的作用。

1）鋼絲繩的選型。機械式停車設備一般實現升降運動會用鋼絲繩提升和鏈條提升。因為鏈條提升傳動復雜、成本高。而鋼絲繩通常由6股（每股19根）鋼絲擰成，本身柔韌性較好，運動平穩，噪聲和鏈條相比小很多，所以鋼絲繩提升是很好的選擇。

2）升降系統升降臺的設計。升降臺是進給系統的基座，不可或缺，本設備中升降臺為方形，材料為鋼板，最大尺寸為100 mm（長）、80 mm（寬）、5 mm（厚）。在升降臺四角分布4個平衡滑輪，起穩定作用。

3）升降系統中電動機的選型。升降系統需要精度高、轉矩較大、能進行位置伺服的電動機，經過分析選擇35BYG48步進電動機，并通過一個減速比為16的行星減速器匹配慣量和轉矩。

2.6 回轉系統部分的設計

1）回轉系統部分的工作原理。旋轉系統是本設備的第3個運動性模塊，主要改變升降臺的角度，實現周向停車的功能。旋轉系統底部靠電動機帶動軸向旋轉，動力源為底部電動機，頂部為無動力軸承配合軸向運動，中間為升降臺，4根立柱限制住升降臺的5個自由度，在立柱不動的條件下只能上下升降，如果立柱旋轉，則升降臺一起轉動，如圖10所示。

圖10 旋轉系統結構

2）回轉系統中電動機的選型。電動機動力裝置結構如圖11所示，主要由電動機和能承受軸向力的軸承及其它支撐部件組成。由于旋轉的角度主要由電動機來控制，精度要求較高，所以有必要對電動機的型號進行設計選型。C向旋轉電動機要求精度較高，輸出轉矩較大，選擇易于控制的步進電動機，但步進電動機易丟步，而旋轉平臺轉動慣量較大，故需要減速器來匹配轉矩和轉動慣量。經過分析，減速器選取減速比為16的行星減速器，電動機選取為35BYG48型步進電動機。

3）升降臺旋轉固定的設計。如圖12所示，為保證旋轉的正常，要求旋轉臺和立柱連接應緊密，為此，在升降臺的四周裝上4個直線軸承，通過立柱和直線軸承的配合保證了升降臺轉動的平穩性。

圖11 電動機動力裝置

2.7 機電控制部分的設計

如圖13 所示，機電控制部分的工作原理為：1）主 控 制板。自行車自動停車系統主控制芯片為Arduino Mega 2560，它具有54路數字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，一個16 MHz晶體振蕩器，可以滿足停車裝置的控制需要。2）人機接口。輸入裝置為一RFID讀卡器，用戶可通過刷IC卡來讓系統確定用戶身份，顯示裝置為一八段二位數碼管，可顯示剩余車位數。3）機電接口。X向電動機為直流電動機，通過L298N芯片進行控制，此芯片內為H橋電路，Z向、繞Z軸旋轉電動機均為步進電動機，通過步進電動機控制芯片A4988控制，機械手舵機通過主控制板發出的方波信號控制機械手開合。4）信息接口。X向限位傳感器、Z向、繞Z軸回轉電動機回零傳感器均為光電傳感器。

圖12 升降臺

圖13 機電控制示意圖

如圖14所示，顯示系統采用二位八段數碼管用于顯示剩余車位數量，用戶識別裝置選取了MFRC522模塊，通過IC卡識別用戶身份，并通過單片機記錄用戶信息。

3 創新特色

該裝置能夠有效解決自行車停放過程中出現的停車雜亂無序、占地面積大、停放安全性低、停取車效率低等問題，為城市自行車停放系統提供服務與幫助，推動自行車交通系統的可持續發展。本設計創新點主要體現在以下幾方面：1）占地面積小。升降旋轉式自行車自動停車裝置主體停車部分位于地下，地面部分占地極小，可以有效節省地表空間。2）存取車效率高。本停車裝置通過用戶持有的IC卡進行智能識別，機器自動完成存取車過程，相較于傳統停車裝置，省時省力，更加方便快捷。3）安全可靠性高。本裝置深入地下，存取車過程由機械智能完成，并且實行“一人一卡一車”的工作流程，有效減少自行車失竊事件的發生，大大提高了自行車停車過程中的安全性問題。4）延長車輛使用時間。由于主體停車部分位于地下，停車結構層層固結，有效避免了停放車輛受到大風天氣、大雨天氣對車體造成的損傷，延長車輛使用時間。

圖14 顯示系統

4 結 語

目前，我國城市正處于由工業文明向生態文明的轉型過程，而自行車即將成為未來城市“微循環”體系中“微交通”的主力軍，因而隨之應運而生的自行車停車裝置愈加受到人們的關注。人們對設計出一種集安全、可靠、經濟于一身的新型停車裝置的需求將越來越迫切。綠色、靈活、健康、經濟賦予了自行車停車裝置在新的歷史條件下的新生命力和巨大潛力。

為解決自行車停放問題，人們逐漸開發出各式各樣的停車裝置，通過分析比較目前市面上較為常見的停車裝置，可以發現多數停車裝置仍存在占地面積比較大、安全程度較低、不宜長期保存等問題。并且受到停車群眾素質水平影響，自行車停放雜亂。而該裝置通過地上取車、地下停車、自動取車、密閉存車等一系列措施，有效地解決了自行車停車裝置的普遍問題[4]。在未來自行車愈加流行的社會中將成為一種受到人們廣泛喜愛的公共設施。為繁華地段的停車問題提供了一種有力的解決措施。