一種多功能家用升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

馬遠(yuǎn)揚(yáng)，李智祥

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

如今，各種實(shí)用的自動(dòng)化機(jī)械紛紛進(jìn)入現(xiàn)代生活家庭，極大的方便了人們的生活。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化改造的進(jìn)行，城市人口的增加，土地的日益減少，生活空間變得越來越狹窄，而且由于人們的生活水平不斷提高，生活資料和家居越來越多，對(duì)存儲(chǔ)空間要求也越來越多。因此，家庭里的儲(chǔ)物柜正變得越來越高。在不久的將來，可能出現(xiàn)這樣一種情形，即家庭里的物品擺放變得像碼頭的集裝箱一樣井然有序，以便節(jié)省寶貴的空間。通過我們對(duì)大量家庭的采訪以及據(jù)此對(duì)未來生活作出的設(shè)想，我們大膽的得出這樣一個(gè)結(jié)論，物品的取放自動(dòng)化將會(huì)是一種趨勢(shì)，能大大地提高人們生活的舒適度。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前的載重升降裝置大致有三大類：1）導(dǎo)鏈固定式升降機(jī)；2）曲臂式升降機(jī)；3）剪叉式液壓升降機(jī)。通過分析比較三種方式有些不足，主要表現(xiàn)在：功率大、體積大，不能適用于家庭。而集載重升降和自動(dòng)取物功能于一體的裝置在市場(chǎng)上還是一個(gè)空缺。因此本論文設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種多功能家用升降平臺(tái)，具有體積小、自動(dòng)化程度高、便于收藏等特點(diǎn)。

圖1 平臺(tái)升起

1 多功能家用升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

1.1 主要功能

圖2 變?yōu)樽雷?/p>

該升降平臺(tái)最大取物高度為220cm，自動(dòng)放物時(shí)，將平臺(tái)升起至指定高度，利用可伸縮的傳送帶，可將物品傳輸至儲(chǔ)物柜指定位置。自動(dòng)放物時(shí)，先利用機(jī)械臂將物品抬起，然后將可伸縮的傳送帶伸至物品底部，反向傳送，將物品取物。自動(dòng)取物、放物過程均為遙控操作。平臺(tái)自動(dòng)取物能承受的最大重量為25KG。為了避免閑置時(shí)占用額外空間，平臺(tái)在閑置時(shí)可將下方傘狀桌面升起，平臺(tái)便變形成為一張邊長(zhǎng)100cm的方桌。

1.2 升降方案

圖3 剪叉桿升降機(jī)構(gòu)

圖4 絲桿千斤頂

升降機(jī)構(gòu)主要包括兩部分：絲杠千斤頂和剪叉桿升降機(jī)構(gòu)。

絲杠千斤頂主要由一對(duì)傘齒機(jī)構(gòu)和絲杠螺母副組成，拉桿中間與絲杠通過螺母連接，兩端與剪叉桿連接，搖動(dòng)手柄，通過傘齒機(jī)構(gòu)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，在絲杠螺母副的作用下就可帶動(dòng)拉桿上升和下降，這樣，拉桿就可帶動(dòng)剪叉桿升降機(jī)構(gòu)完成升降動(dòng)作。

1.3 自動(dòng)取放物品方案

自動(dòng)取放物品的實(shí)現(xiàn)由傳送帶裝置和輔助機(jī)械臂完成。自動(dòng)放物時(shí)，將平臺(tái)升起至指定高度，利用可伸縮的傳送帶，可將物品傳輸至儲(chǔ)物柜指定位置。自動(dòng)放物時(shí)，先利用機(jī)械臂將物品抬起，然后將可伸縮的傳送帶伸至物品底部，反向傳送，將物品取物。

1.3.1 傳送帶裝置

自動(dòng)取放物品功能的說明：

1）載物平臺(tái)上裝有兩個(gè)電機(jī)（圖5中1、2部分）；

2）電機(jī)1通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)傳送轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠帶面與物體間的摩擦力作用，傳送帶即可運(yùn)送物體；

圖5 傳送帶部分

圖6 傳送帶伸出平臺(tái)

3）電機(jī)2通過齒輪與按裝在傳送帶外框的齒條嚙合，可使傳送帶整體向外伸出或收回如圖6所示。

4）通過電機(jī)1、電機(jī)2的配合運(yùn)用，就可實(shí)現(xiàn)將物品放在儲(chǔ)物柜不同深度的功能。

1.3.2 輔助機(jī)械臂裝置

輔助機(jī)械臂安裝在齒條上，將輔助傳送帶取物。通過一個(gè)主動(dòng)電機(jī)，借助兩個(gè)電磁離合器（圖8中1、2）實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)作的順序進(jìn)行。具體動(dòng)作順序如下：

1) 電動(dòng)機(jī)通電。當(dāng)離合器2通電時(shí)。原動(dòng)機(jī)通過絲杠上的螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，在絲杠螺母副的作用下，螺母將沿著絲杠前后移動(dòng)，從而使得與螺母固定在一起的機(jī)械臂整體前后移動(dòng)。

圖7 輔助機(jī)械臂

圖8 機(jī)械臂傳動(dòng)

2）離合器2斷開，離合器1通電時(shí)。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)右側(cè)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，與渦輪同軸裝有一個(gè)齒輪，齒輪與兩條齒條嚙合，齒輪的正傳、反轉(zhuǎn)就對(duì)應(yīng)著機(jī)械臂的夾緊與張開。

3）當(dāng)夾緊過程完成后，機(jī)械臂下部電磁鐵通電，機(jī)械臂前部夾緊部位向上抬起。此時(shí)，傳送帶就可伸入物品下部將物品取上帶面。

1.4 傘狀桌面

當(dāng)升降平臺(tái)閑置時(shí)，可利用傘狀機(jī)構(gòu)將平臺(tái)四面的四塊桌面板同時(shí)升起，即可形成一張大的方桌使用。這樣，既不用占用家中的閑置空間又增加了產(chǎn)品的實(shí)用性。桌面的張開將借助于傘狀張合機(jī)構(gòu)如圖10所示，就像雨傘一樣。當(dāng)上方的滑塊向上滑動(dòng)，與滑塊相連的連桿機(jī)構(gòu)沿著滑軌上升，當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)上升一定高度后，到達(dá)滑軌的死點(diǎn)位置，將四塊面板撐??；而要將桌面面板收起時(shí)，只用向下推動(dòng)滑塊，將桿件推過死點(diǎn)位置，四塊面板即可降下。

2 多功能家用升降平臺(tái)的控制電路

該自動(dòng)升降平臺(tái)采用單片機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)控制，詳細(xì)電路如圖11所示，多功能家用升降平臺(tái)主要由控制裝置——遙控及接收器0038、控制器——STC89C52、隔離器件——TLP521、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器——L298N、離合器驅(qū)動(dòng)——繼電器等組成。

圖9 傘狀桌面展開

圖10 傘狀機(jī)構(gòu)

其中，S1，S2，S3表示三個(gè)限位開關(guān)，S0為一個(gè)復(fù)位開關(guān)，P3.2口連接紅外接收器0038的一個(gè)引腳。

首先遙控通過按鍵發(fā)送控制信號(hào)，紅外接收器0038接受信號(hào)通過單片機(jī)的P3.2口中斷接受信號(hào)，單片機(jī)再通過解碼程序識(shí)別對(duì)應(yīng)的按鍵，然后對(duì)每個(gè)對(duì)應(yīng)的按鍵進(jìn)行相應(yīng)的操作。

控制系統(tǒng)硬件組成為：

單片機(jī)接收遙控器發(fā)出的命令后，根據(jù)接收的鍵盤命令可進(jìn)行相應(yīng)的操作。當(dāng)L298N輸入端IN1、IN2端輸入“1，0”、 “0，1”且使能端EN為“1”時(shí)，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，當(dāng)使能為“0”或是輸入端為“0，0”、 “1，1”時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。通過對(duì)L298N輸入端與使能端發(fā)高低信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與停轉(zhuǎn)操作，從而可以實(shí)現(xiàn)通過遙控器對(duì)電機(jī)的正反停操作。離合器與電磁鐵的驅(qū)動(dòng)由繼電器完成，單片機(jī)IO口通過8050三極管和光耦電路驅(qū)動(dòng)繼電器，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)24V離合器與電磁鐵的操作。

同時(shí)，在機(jī)械臂與載物臺(tái)端邊裝設(shè)光電開關(guān)，通過光電開關(guān)檢測(cè)機(jī)械臂及運(yùn)載目標(biāo)是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的位置，再將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)給單片機(jī)，最后通過單片機(jī)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這樣通過對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及離合器、電磁鐵的控制，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械臂的前近后退，橫向縱向運(yùn)動(dòng)控制。

3 多功能家用升降平臺(tái)的特點(diǎn)與不足

綜合目前現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，經(jīng)過多方面的改進(jìn)與完善，本論文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

1） 采用單片機(jī)作為該家用產(chǎn)品的核心控制元件，自動(dòng)化程度大大提高；

2） 通過傳送帶和輔助機(jī)械臂的巧妙設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)放物、取物的功能；

圖11 單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

3） 多功能，放可作為升降機(jī)取放物體，收可作為桌子使用。

同時(shí)本論文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品由于絲桿千斤頂?shù)淖饔命c(diǎn)在第二層剪叉桿上，導(dǎo)致阻力臂較大，帶動(dòng)千斤頂需要較大功率。如果剪叉桿降得過低，相連兩層剪叉桿之間的夾角太小，就會(huì)出現(xiàn)壓力角過大的問題。另外輔助機(jī)械臂抬起物品的作用力，是機(jī)械臂與物品之間的摩擦力，因此要求機(jī)械臂有足夠的強(qiáng)度能夠提供足夠的夾緊力，機(jī)械臂前端還要安裝摩擦片。

圖12 控制原理圖

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