基于Solidworks的爬樓送水小車設(shè)計(jì)與仿真

吳麗華，陳豪鵬，祝銘力

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于Solidworks的爬樓送水小車設(shè)計(jì)與仿真

吳麗華，陳豪鵬，祝銘力

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

設(shè)計(jì)了一種能自動(dòng)爬樓送水的小車.根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基本知識，確定了小車的總體設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)，借助Solidworks軟件對小車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并利用其仿真功能對小車的爬樓運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真.結(jié)果表明: 設(shè)計(jì)的小車結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)，可較好地實(shí)現(xiàn)爬樓梯送水的功能.后續(xù)還可以繼續(xù)優(yōu)化，采用人工智能實(shí)現(xiàn)小車無人駕駛，在復(fù)雜的樓道地形中進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)水.

爬樓送水小車；Solidworks；三維建模；運(yùn)動(dòng)仿真

目前，運(yùn)送到無電梯的大學(xué)寢室樓或居民樓的桶裝礦泉水還是采用人工搬運(yùn)的方式，該方式不僅效率低，而且還很費(fèi)時(shí)費(fèi)力.隨著人們生活水平的提高，桶裝礦泉水的需求不斷增加，純體力進(jìn)行爬樓搬運(yùn)的方式過于費(fèi)時(shí)費(fèi)力.國內(nèi)外根據(jù)不同的設(shè)計(jì)原理和性能提出了多種形式的爬樓機(jī)構(gòu)，幾種典型的類型是履帶式、輪式、腿式和輪腿式.腿式結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是對于凹凸不平的路面具有超強(qiáng)的適應(yīng)能力，不僅可以比較輕松的跨過障礙物，而且還可以適用于各種大小不一的臺階，但是這種機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而且速度也不快，效率不高；履帶式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是針對不同的地形適應(yīng)能力比較強(qiáng)，缺點(diǎn)是耗能比較高，特別是在轉(zhuǎn)彎時(shí)尤其明顯；輪式結(jié)構(gòu)是比較經(jīng)典的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，比較靈活并且控制相對簡單，按照輪子的數(shù)目可以分為多種類型；輪腿式結(jié)構(gòu)做到了將腿式結(jié)構(gòu)對地形的強(qiáng)大適應(yīng)能力以及輪式結(jié)構(gòu)的靈活高效完美結(jié)合，但缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[1].為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于Solidworks的可自動(dòng)爬樓梯送水的小車[2-3]，該小車省時(shí)省力、爬樓梯效果好.

1 小車總體方案設(shè)計(jì)

爬樓送水小車主要功能是實(shí)現(xiàn)小車的爬樓和搬水的動(dòng)作，其核心是小車底盤爬樓機(jī)構(gòu)和裝卸水機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).本文選用典型的輪式作為爬樓機(jī)構(gòu)[4]，為滿足實(shí)際爬樓小車要求，前輪采用V輪式兩輪機(jī)構(gòu)加支撐輪的方式，左右對稱布置；后輪采用三腳輪式三輪機(jī)構(gòu)左右對稱布置，減少重心波動(dòng)范圍，增加小車爬樓時(shí)的穩(wěn)定性，輪組結(jié)構(gòu)形式示意圖(見圖1).小車在平面運(yùn)動(dòng)時(shí)靠貼地的輪行走，V輪作為驅(qū)動(dòng)輪，開始爬樓時(shí)，支撐桿輪抵住樓梯臺階側(cè)面，通過杠桿原理，使V輪靠近臺階一側(cè)向上抬高，從而繼續(xù)前進(jìn)，直到V輪前端上到臺階上表面帶動(dòng)后輪爬樓；同時(shí)，支撐桿輪靠不完全齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)回到前端，進(jìn)行下一次爬樓準(zhǔn)備，小車爬樓動(dòng)作

分解(見圖2).總體傳動(dòng)方案[5](見圖3).前輪作為驅(qū)動(dòng)輪，采用“兩個(gè)電機(jī)”驅(qū)動(dòng)，同一側(cè)“前輪”和“后輪”用一條“同步帶傳動(dòng)”，通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)后輪運(yùn)動(dòng)，并且通過改變兩側(cè)電機(jī)的速度差，即可實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎.

圖1 爬樓輪組結(jié)構(gòu)形式示意圖

圖2 小車爬樓梯動(dòng)作分解示意圖

圖3 總體傳動(dòng)方案簡圖

2 小車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 前輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前輪采用V形輪的結(jié)構(gòu)，既可以實(shí)現(xiàn)爬樓，又比較簡單靈活，再配合支撐輪的輔助作用，完成爬樓的動(dòng)作，前輪結(jié)構(gòu)示意圖(見圖4(a)).支撐桿由單獨(dú)的電機(jī)帶動(dòng)，通過不完全齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，V輪的滾動(dòng)由主電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)，前輪齒輪傳動(dòng)示意(見圖4(b)).在上樓過程中，支撐輪首先與臺階垂直面接觸，并沿支撐桿產(chǎn)生支持力，相當(dāng)于一個(gè)杠

圖4 V輪三維結(jié)構(gòu)示意圖

桿，將V輪靠近臺階一側(cè)抬起沿著臺階繼續(xù)向上滾動(dòng),直到爬上臺階，當(dāng)支撐桿到達(dá)一定角度時(shí)，不完全齒恰與傳動(dòng)齒輪嚙合，帶動(dòng)支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)位，使其進(jìn)入下一臺階，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)爬樓.

2.2 后輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

后輪主要是配合前輪順利實(shí)現(xiàn)爬樓的功能，并且結(jié)構(gòu)越簡單越好.因此后輪采用三輪式結(jié)構(gòu)對稱布置，減少爬樓時(shí)小車重心波動(dòng)范圍，增加小車爬樓梯時(shí)的穩(wěn)定性.三腳輪結(jié)構(gòu)爆炸示意圖(見圖5).其傳動(dòng)與V輪相同采用齒輪傳動(dòng)，共有7個(gè)齒輪位于齒輪盤，中間主齒輪與主軸連接，通過齒輪傳動(dòng)把動(dòng)力分別傳遞給三個(gè)輪子，從而實(shí)現(xiàn)后輪的運(yùn)動(dòng).

底盤主要用槽鋼制作，用于固定電機(jī)等部件，根據(jù)上述的設(shè)計(jì)，底盤爬樓機(jī)構(gòu)三維示意圖(見圖6).

圖5 三腳輪結(jié)構(gòu)分解示意圖

圖6 底盤爬樓機(jī)構(gòu)三維示意圖

2.3 裝卸水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝卸水機(jī)構(gòu)就像貨車的車斗，用可伸縮的手臂把桶裝水搬到箱體里，箱體相對小車底盤可翻轉(zhuǎn)，上樓之后用推臂推出桶裝水實(shí)現(xiàn)卸貨.該機(jī)構(gòu)一共有3個(gè)直流減速電機(jī)，箱體上有兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)電機(jī)作用于推臂，使其完成卸水動(dòng)作，另一個(gè)電機(jī)作用于可伸縮的手臂，使其完成搬水動(dòng)作，第三個(gè)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿使滑塊螺母前后移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)箱體的翻轉(zhuǎn).箱體用于固定搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件與兩個(gè)電機(jī)，并且對可伸縮的手臂和推臂的動(dòng)作起約束作用.手臂有前后伸縮、向內(nèi)外旋轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作，通過觸發(fā)開關(guān)，轉(zhuǎn)換動(dòng)作.當(dāng)手臂上端凸出與框體凹槽保持接觸，手臂前后伸縮；當(dāng)手臂凸出與框體分離，手臂向內(nèi)外旋轉(zhuǎn).箱體結(jié)構(gòu)(見圖7(a)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(見圖7(b)，伸縮式手臂結(jié)構(gòu)(見圖7(c)).

圖7 裝卸水機(jī)構(gòu)示意圖

3 確定輪子的尺寸

4 小車運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)，小車整體結(jié)構(gòu)三維示意圖(見圖8)；用三維軟件Solidworks軟件[6-7]的仿真功能，對小車的爬樓運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真[8](見圖9).通過仿真可知，小車能平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)爬樓送水的功能.

圖8 小車整體結(jié)構(gòu)三維示意圖

圖9 小車爬樓梯運(yùn)動(dòng)仿真圖

5 結(jié) 論

本文提出的可爬樓梯送水小車，具有伸縮式的手臂和可翻轉(zhuǎn)的框體，通過絲杠傳動(dòng)較簡單地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)搬卸桶裝礦泉水的動(dòng)作. 底盤采用三角輪和帶有支撐桿的V輪結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)爬樓梯的動(dòng)作，異于普遍應(yīng)用的履帶式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，省時(shí)省力，非常適合無電梯的高校宿舍樓或居民樓的桶裝水運(yùn)輸，可以通過預(yù)先設(shè)定的時(shí)間和數(shù)量，方便可靠地完成送水任務(wù)，解決了送水量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力成本高的問題.后續(xù)還可以繼續(xù)優(yōu)化，采用人工智能實(shí)現(xiàn)小車無人駕駛，在復(fù)雜的樓道地形中進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)水.

[1] 姚 怡.可上樓梯的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

[2] 趙華成，劉 武，潘聰華，等.重力勢能驅(qū)動(dòng)的自行避障小車設(shè)計(jì)與制作[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2016,28(6):73-76.

[3] 屈 伸，李斯瑞，靳 松.一種重力勢能驅(qū)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29(3)：30-34.

[4] 童俊華.行星輪式爬樓梯機(jī)器人小車的研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2009.

[5] 徐雅蒙,施冬冬,楊瑞偉.爬樓卸載一體化運(yùn)載小車設(shè)計(jì)[J].科技廣場,2016(4):182-185.

[6] 曹銀茍，車艷春，王永強(qiáng).基于SolidWorks的液壓支架Top-Down三維設(shè)計(jì)方法的研究[J].河南科技,2013(3):116-117.

[7] CAD/CAM/CAE技術(shù)聯(lián)盟.SolidWorks 2012中文版從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[8] 趙書曉,趙 凱,宋樹權(quán).基于Pro/E的爬樓梯小車的設(shè)計(jì)和仿真[J].機(jī)械工程師,2008(7):134-135.

DesignandSimulationofClimbingCarBasedonSolidworks

WU Li-hua, CHEN Hao-peng, ZHU Ming-li

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

An automatic climbing water vehicle is designed. According to the basic knowledge of mechanical design, the overall design scheme and the structure of the vehicle are determined. The main structure of the vehicle is 3D designed based on Solidworks software, and the climbing movement of the vehicle is simulated by using the simulation function of the software. The results show that the car design can realize the function of delivering water to climb the stairs with simple structure and stable operation. The unmanned automatic water is transported in the complex terrain after the vehicle controlled technology being optimized with the artificial intelligence.

climbing vehicle; Solidworks; 3D design; motion simulation

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.04.016

TP32

A

1008-536X(2017)04-0079-05

2017-03-03

2016年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)項(xiàng)目(2016R434009)

吳麗華(1982-)，女，山東青島人，碩士，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的科研與教學(xué)工作.