慧魚智能化立體旋轉(zhuǎn)停車庫的創(chuàng)新設(shè)計*

蒯蘇蘇，陳寒松，孫明權(quán)，吳動波，張 闖，楊 君

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

智能機(jī)械是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、檢測傳感裝置及智能材料構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化設(shè)備，適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，以機(jī)械原理及設(shè)計、控制工程基礎(chǔ)、微機(jī)原理及應(yīng)用等為先修課程，在涉及機(jī)械學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等多學(xué)科理論的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種智能化立體旋轉(zhuǎn)停車庫，并對復(fù)雜智能產(chǎn)品開發(fā)問題和控制運動特性矩陣的理論方法進(jìn)行了深入研究。

1 建立產(chǎn)品功能模型

“智能立體旋轉(zhuǎn)停車庫”，創(chuàng)意來自于立體旋轉(zhuǎn)式能充分地利用空間，每個車庫可以在電機(jī)M1驅(qū)動“蝸輪蝸桿——齒輪傳動”的二級傳動下旋轉(zhuǎn)，其二級傳動的組合效率η＝0.95×0.96＝0.912，傳動方案克服了帶傳動易打滑的缺點，在合理分配蝸輪蝸桿——齒輪傳動比的基礎(chǔ)上[1]，車庫可靈活地循環(huán)，自動伸縮，結(jié)構(gòu)新穎，自動化程度好。

根據(jù)TRIZ理論中的“Stone的功能結(jié)構(gòu)”，首先建立智能立體旋轉(zhuǎn)停車庫的總功能模型，如圖1所示，然后完成各功能的解。

圖1 智能車庫功能結(jié)構(gòu)

1.1 分功能1：停車場

設(shè)計車庫底板（P板）的面積為定值，庫門采用電磁閥控制氣動門。圖2是一電磁閥開關(guān)的工作原理圖。該開關(guān)有兩種狀態(tài)：“打開”與“閉合”，氣動門與車庫用鉸鏈連接，若操縱車庫的氣動門，使氣缸處于進(jìn)氣，氣動門開；或氣缸處于排氣、氣動門關(guān)的狀態(tài)。車庫P板底面積與所允許通過的電流成正比。

圖2 電磁閥開關(guān)控制氣動門的工作原理圖

原設(shè)計空車位所通過的額定電流為0.5 A，現(xiàn)希望再設(shè)計使存車庫其額定電流增加到1 A，車庫的體積保持不變。基于TRIZ中公理（AD）理論設(shè)計的沖突確定如下。

該車庫原設(shè)計的功能與設(shè)計參數(shù)為：

FR1：電磁閥電機(jī)M4電流；DP1：車庫P板的面積。此時，設(shè)計的約束為：C01：通過的電流0.5A；C02：P板的面積為定值。

由于P板面積與所允許通過的電流成正比，計算表明再設(shè)計中P板的面積加大才能滿足增大電流的要求。但板的面積加大要使車庫的體積加大，不滿足約束。因此再設(shè)計約束出現(xiàn)沖突。故P板處需創(chuàng)新設(shè)計運動機(jī)構(gòu)，一個創(chuàng)新的伸縮機(jī)構(gòu)可解決該沖突。

創(chuàng)新的P板運動機(jī)構(gòu)組成：在P板上疊加一個伸縮平板，伸縮平板下安裝有定軸輪系和螺旋絲杠，P板上安裝齒輪齒條機(jī)構(gòu)、齒輪減速箱和電機(jī)M2（圖3（a）），再在P板上安裝有電子觸點開關(guān)，改變電流控制電機(jī)M2的正反轉(zhuǎn)，即可驅(qū)動定軸輪系帶動螺旋絲杠傳動并改變移動方向，同時也帶動齒輪齒條機(jī)構(gòu)嚙合傳動，實現(xiàn)控制伸縮平板中伸縮機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運動，如圖3（b）所示。

圖3 車庫平臺伸縮機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計

該車庫再設(shè)計的功能與設(shè)計參數(shù)為：

FR2：電機(jī)M2電流；DP2：P板伸縮機(jī)構(gòu)。設(shè)計的矩陣式為非耦合設(shè)計[2]，即：

公式（1）為對角線矩陣，設(shè)計控制解是完全解耦的，滿足公理（AD）理論設(shè)計，

再設(shè)計的約束為：C11：通過的額定電流1 A；C12：車庫的體積不變；當(dāng)停車庫氣動門打開，伸縮板伸出，車庫底面積增大，存車（或取車）后伸縮板縮進(jìn)，氣動門關(guān)閉，車庫的體積保持不變。伸縮機(jī)構(gòu)與氣動門的邏輯關(guān)系見表1。

表1 伸縮機(jī)構(gòu)與氣動門的運動順序

1.2 分功能2：車位與地面分離

使用“摩天輪”式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)盤軸心處安裝一個固定的中心輪，每60°安置一齒輪和鏈傳動與中心輪嚙合。在每個行星輪系的系桿上安裝一個“停車庫”停放1輛私家車，一個“摩天輪”可停放6輛車。電機(jī)M1驅(qū)動“蝸輪蝸桿——行星輪系”時，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，車庫與地面分離。SolidWorks建模的旋轉(zhuǎn)停車庫見圖4（a）。

由于汽車行走的是二維軌跡，用TRIZ中40個發(fā)明原理中的第15個原理“動態(tài)化”，概念設(shè)計時將智能車庫的執(zhí)行機(jī)構(gòu)劃分成具有相互關(guān)系的齒輪機(jī)構(gòu)，形成動態(tài)車庫解決車輛停放的空間化，采用行星輪系可實現(xiàn)將一維空間中靜止的停車庫變成在二維空間中運動或靜止的停車庫，在二維空間中的車位變成三維空間中的運動的車位。

該技術(shù)系統(tǒng)包含一個在重力作用下中心輪繞軸運動的物體，而且必須控制這個運動，問題可以通過給物體引入一種以控制的方式，在物體內(nèi)運動的物質(zhì)來移動物體的重心進(jìn)行解決，需建立物－場模型。對照TRIZ中76個標(biāo)準(zhǔn)解，選用標(biāo)準(zhǔn)解法第2級：S2.1向合成物-場模型轉(zhuǎn)化[3]，S2.1.1鏈?zhǔn)轿?場模型來解決問題。如圖4（b）所示，其中F1為電能，S1為行星輪系，S2為車庫；為保證車庫在旋轉(zhuǎn)時無相對滑動，添加物質(zhì)S4，S4為鏈傳動裝置（并聯(lián)在行星輪上），F(xiàn)2為機(jī)械能，S3為在旋轉(zhuǎn)的過程中不至于出現(xiàn)倒置和搖晃的車庫。

行星輪系及鏈傳動復(fù)合傳動裝置[4]，達(dá)到了將車庫用多層排列代替單層排列的狀態(tài)，如圖4（c）所示。在圖4（c）中，用三角固定桿固定中心齒輪，利用輪系中齒輪間的相互嚙合，以無側(cè)隙嚙合保證車庫在旋轉(zhuǎn)的過程中時刻保持相對水平位置，當(dāng)3號齒輪固定不動時，齒輪2和齒輪4保持相對位置做行星運動，齒輪1和齒輪5的旋轉(zhuǎn)方向與齒輪3一致。由于齒輪3固定，所以齒輪1和齒輪5也相對靜止。這樣能保證車庫在旋轉(zhuǎn)的過程中始終水平。從而達(dá)到改善接觸運動物體面積的根本目的。

1.3 分功能3：存車和取車

圖4 立體旋轉(zhuǎn)停車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)一輛轎車進(jìn)入停車場要求停車時，發(fā)散思維的工作流程為：信息輸入→旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)（行星輪系的系桿）→識別車位→伸縮板伸縮等步驟并進(jìn)行模塊化設(shè)計，過程控制采用循環(huán)軟啟動模式[5]，工作流程如圖5所示。

手按車主“所需車位按鈕”觸點開關(guān)[6]，“摩天輪”根據(jù)相應(yīng)的停車位信息指令要求，“旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)”行星輪系傳動，選定的“車主庫號”車位到達(dá)接近地面距離最近時，電子觸動開關(guān)呈“打開”狀態(tài)，車庫平臺自動伸出，轎車開入停車庫中的一個車位后，車庫出入口裝有感應(yīng)開關(guān)，在檢測到車輛存放進(jìn)去且人員離開后，車庫平臺自動縮進(jìn)，電子觸動開關(guān)呈“閉合”狀態(tài)，然后“摩天輪”旋轉(zhuǎn)使之離開此位置，并將空車位的系桿旋轉(zhuǎn)到達(dá)地面位置等待下一輛車的到來。當(dāng)要求取出存放在車庫里的轎車時，只需在控制端輸入所存車庫的對應(yīng)編號使“摩天輪”旋轉(zhuǎn)到地面位置由車主將車開出，整個過程完成。

圖5 工作流程圖

1.4 分功能4：清潔裝置

圖6是一種自動清潔裝置，電機(jī)M3帶動鏈條傳動，用來傳輸動力到洗車板上；通過編程調(diào)用子程序控制清洗電機(jī)M3正反轉(zhuǎn)，使得洗車連接器如毛刷來回運轉(zhuǎn)，齒條和齒輪嚙合使得洗車裝置水平旋轉(zhuǎn)，為車身清潔，由距離傳感器感應(yīng)距離發(fā)出輸入信號至擴(kuò)展板2的輸入端，判斷車輛的存在。

圖6 自動清潔裝置

2 智能化分選識別車位

智能化立體旋轉(zhuǎn)停車庫須完成一系列復(fù)雜動作：尋找車位——沿軌跡行走——遇到邊界停止——回避邊界——識別車位——清潔車身——繼續(xù)沿軌跡行走等。其車庫模式識別控制模型如圖7所示。智能立體旋轉(zhuǎn)停車庫設(shè)計中，產(chǎn)品具有競爭力的關(guān)鍵是控制動態(tài)車位的運動軌跡。程序流程是根據(jù)使用者發(fā)出的指令或事先植入的程序來動作，是該機(jī)器的主功能[7-8]。主功能的實現(xiàn)就是關(guān)于車庫在空間的點、線、面軌跡控制問題。多個觸點開關(guān)信號（按鈕）、距離傳感器信號連接I/O擴(kuò)展板1/擴(kuò)展板2的輸入端口，警示燈信號和紅綠燈顏色信號連接I/O擴(kuò)展板1/擴(kuò)展板2的輸出端口，與“ROBO控制器”耦合，USB串口輸出信號至計算機(jī)COM1/2，編寫相應(yīng)ROBOPro圖形化程序，進(jìn)行模式識別，優(yōu)化最小路徑，定時控制車庫到達(dá)指定位置，滿足精度要求。

圖7 智能化車庫慧魚模型控制

六個車位的1～6個觸點開關(guān)信號L1、L2、L3、L4、L5、L6按數(shù)字量輸入ROBO控制器的輸入端口，識別車位控制部分主要使用了觸點開關(guān)的限位作用，通過延時等待，判斷數(shù)據(jù)并比較；距離傳感器的感應(yīng)發(fā)出反饋信號；而ROBO控制器接口板的輸出端口分別連接M1～M4電機(jī)（執(zhí)行器），這四路電機(jī)輸出可以改變轉(zhuǎn)速方向和進(jìn)行8級調(diào)速。當(dāng)操作與車庫對應(yīng)的觸點開關(guān)按鈕，電機(jī)M1驅(qū)動行星輪系，則車庫所處的環(huán)境在每一個階段由蝸輪蝸桿——行星輪系（M1驅(qū)動）、伸縮機(jī)構(gòu)（M2驅(qū)動）、清潔裝置（M3驅(qū)動）、氣動門（M4驅(qū)動）等自動調(diào)整，ROBO控制器核心元件按軟件指令傳輸信號實現(xiàn)識別和定時控制，主程序、子程序見圖8，經(jīng)過計算機(jī)編程控制后，實現(xiàn)機(jī)器主功能。

圖8 智能車庫硬件和軟件ROBOPro程序

3 結(jié)論

（1）智能化立體旋轉(zhuǎn)停車庫，充分利用了創(chuàng)新智能，用ROBOPro圖形化編程，控制車庫完成尋找車庫——沿軌跡行走——遇到邊界停止——回避邊界——識別車位——清潔車身——繼續(xù)沿軌跡行走等功能。

（2）車庫伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮平板下安裝有定軸輪系、螺旋絲杠和電子觸點開關(guān)，軟件指令控制電磁閥開關(guān)和電機(jī)M2的正反轉(zhuǎn)，設(shè)計控制解矩陣是完全解耦的，方便計算機(jī)集成控制，為實現(xiàn)識別車庫位置和提高精度提供了保證。

（3）立體旋轉(zhuǎn)停車庫中行星輪系及鏈傳動復(fù)合裝置的無相對滑動和對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得它在車輛比較多的時候仍然能夠?qū)崿F(xiàn)自身的靜平衡狀態(tài)。

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