基于工字同步鏈的自行車智能存取亭設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

劉力，陳浩，陶鑒，莫晰媛

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基于工字同步鏈的自行車智能存取亭設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

劉力，陳浩，陶鑒，莫晰媛

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了很多問題，我國城市小區(qū)中原有的自行車停放設(shè)施多為簡陋停車架，設(shè)施簡陋且數(shù)量緊缺，堵塞了逃生通道，損傷車輛，降低使用壽命，而且影響交通與城市美觀，同時(shí)，小區(qū)內(nèi)建設(shè)的休閑娛樂的場(chǎng)所占地面積較大且單層設(shè)計(jì)，空間利用率很低。基于以上問題，提出了一種基于3D打印機(jī)工字同步帶的自行車智能存取亭，在現(xiàn)有小區(qū)涼亭的基礎(chǔ)上，以不影響第一層空間為條件的情況下將自行車存取空間向上拓展。

自行車；智能存??；3D打印機(jī)；工字形同步鏈

21世紀(jì)，伴隨著社會(huì)飛速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)成為一個(gè)不可忽視的問題，其中空氣的污染尤為嚴(yán)重，日益增長的私家車數(shù)量是空氣污染的罪魁禍?zhǔn)字弧Ｔ谟蛢r(jià)不斷上漲的今天，很多人都選擇騎自行車上班，不僅節(jié)約、環(huán)保，而且在交通擁堵時(shí)可以避免浪費(fèi)時(shí)間。80年代以后，我國逐步克服了新建小區(qū)不考慮存車房所帶來的惡果。自行車存放已成為住宅區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。據(jù)有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在做好住宅小區(qū)環(huán)境設(shè)計(jì)、物業(yè)管理的同時(shí)，適時(shí)考慮停車場(chǎng)所，滿足住戶對(duì)于停車車位的需求，有時(shí)可以獲得意外的經(jīng)濟(jì)收益，不僅車位本身掙錢，還帶動(dòng)了居住物業(yè)的銷售。

但相對(duì)的，我國自行車的數(shù)量很多，小區(qū)自行車停放設(shè)施和場(chǎng)所還相對(duì)緊缺，布局比較混亂?，F(xiàn)有停放自行車的設(shè)施可停取數(shù)量較少，部分小區(qū)停放場(chǎng)所過于簡陋，缺乏基本的自行車固定設(shè)施，很容易造成車輛的無序停放，也容易導(dǎo)致大面積倒車現(xiàn)象，堵塞交通，影響市容；有的停放場(chǎng)所直接占用人行道，妨礙人行交通，影響住宅區(qū)的景觀風(fēng)貌等。同時(shí)，住宅小區(qū)一般都會(huì)建設(shè)有供居民休息玩耍的涼亭或健身器材，占地面積很大且僅僅使用了單層空間，空間利用率很低。本文針對(duì)以上問題設(shè)計(jì)了自行車智能存取亭裝置，將健身娛樂場(chǎng)所與停車設(shè)施相結(jié)合，以不影響第一層空間的使用為條件，將自行車存取空間向上拓展，以節(jié)約空間，提升效率。

綜上所述，本設(shè)計(jì)的意義有以下幾點(diǎn)：①平移模塊創(chuàng)新性地仿照了H-bot結(jié)構(gòu)，定位精準(zhǔn)；②停車面板采用仿卷簾結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)側(cè)向大批量取車，分散取車人流；③將健身娛樂場(chǎng)所與停車設(shè)施結(jié)合，在第一層布置娛樂設(shè)施的同時(shí)，向上拓展空間停取自行車，向上拓展空間，提高空間利用率；④將3D打印機(jī)的工字形同步帶機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)夾取自行車的，軸運(yùn)動(dòng)，降低成本，方便快捷。裝置取車時(shí)間相較現(xiàn)有智能自行車設(shè)施大大縮短。

1 總體機(jī)構(gòu)設(shè)置

本文設(shè)計(jì)的整體裝置共分為升降模塊、夾爪模塊、平移模塊及便捷取車模塊。升降模塊為單臂滾珠絲杠傳動(dòng)，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為升降平臺(tái)的垂直運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)自行車的升降，設(shè)置了兩個(gè)成90°的導(dǎo)桿來保證升降模塊的平穩(wěn)，限定，兩方向的自由度。夾爪模塊有起落部分和夾取部分兩個(gè)模塊，起落模塊的原理同樣為滾珠絲杠傳動(dòng)；夾取模塊的原理為氣壓傳動(dòng)，通過氣壓桿的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行夾爪的開合。

平移模塊為鏈傳動(dòng)，采用工字二維機(jī)構(gòu)，仿照H-bot結(jié)構(gòu)，通過兩個(gè)電機(jī)同時(shí)控制軸和軸，左右兩個(gè)電機(jī)同方向的時(shí)候，縱向?qū)U上的滑桿滑塊沿方向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，鏈條不運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)反方向時(shí)，往軸移動(dòng)，橫向?qū)U上的滑桿滑塊沿軸運(yùn)動(dòng)，此時(shí)鏈條做工字形周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

便捷驅(qū)車模塊，停車平臺(tái)由兩塊面板構(gòu)成，分別為常規(guī)停車面板與便捷取車面板，其中，常規(guī)停車面板是整體結(jié)構(gòu)，便捷取車面板采用仿卷簾機(jī)構(gòu)，由相互連接的長方形活頁板構(gòu)成，活頁板上安裝有滑輪，機(jī)架上設(shè)有線輪?；喤c線輪相連，電機(jī)帶動(dòng)線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拉動(dòng)滑輪在滑軌上移動(dòng)，當(dāng)某一時(shí)間段內(nèi)有大量車輛預(yù)約取車時(shí)，系統(tǒng)將車輛集中放置在便捷取車面板上，通過側(cè)面移動(dòng)的方式運(yùn)輸下來。

2 各模塊功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 升降裝置

該自行車智能存取亭需要在下層有能夠?qū)⒆孕熊囘\(yùn)至上層的卡槽平臺(tái)，因此，本文采用的是滾珠絲杠來達(dá)到目的，滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。具有高效率、預(yù)緊及高剛性、使用壽命長、有可逆性的特點(diǎn)，所以滾珠絲杠非常適合本項(xiàng)目。升降裝置為了保持運(yùn)動(dòng)過程中的平衡，運(yùn)用雙滾珠絲杠來推動(dòng)平臺(tái)的升降?？紤]到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)固性及需要附加卡槽及自行車的承重條件，因此，將升降臺(tái)搭設(shè)計(jì)成了長方形，由兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)兩軸同步旋轉(zhuǎn)。平臺(tái)側(cè)面安設(shè)了用于限制位置的接觸傳感器，保證升降臺(tái)到達(dá)指定高度后，傳感器與上層所安置的擋塊接觸，使得電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 滑爪裝置

滑爪裝置運(yùn)動(dòng)要求為：可以將升降裝置上的自行車夾取，并且能夠垂直移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自行車的安防工作。針對(duì)上述運(yùn)動(dòng)要求，本文將滑爪裝置分為起落模塊和夾取模塊。起落模塊由滾珠絲杠機(jī)構(gòu)來完成整個(gè)夾爪的上升和下降。夾取模塊主要由氣泵帶動(dòng)啟動(dòng)桿來實(shí)現(xiàn)夾爪的開合。夾爪分為固定端和移動(dòng)端，固定端一直保持靜止不動(dòng)，移動(dòng)端與氣動(dòng)桿相連，通過氣動(dòng)桿來控制爪子移動(dòng)端與固定端之間的距離。

2.3 平移裝置

平移裝置用于帶動(dòng)滑爪裝置移動(dòng)，分為同步鏈部分和滑竿滑塊部分。同步鏈部分由一根同步鏈、兩個(gè)電機(jī)、四根滑竿組成?；突瑝K在滑竿上滑動(dòng)，其上安裝了兩個(gè)用于繞鏈的墮輪。兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)相對(duì)的鏈輪。通過分別控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)向來實(shí)現(xiàn)左右兩滑竿滑塊的軸運(yùn)動(dòng)，同步鏈通過滑竿滑塊上的墮輪進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與中間鏈相連的夾爪裝置進(jìn)行軸運(yùn)動(dòng)。該平移裝置為本文設(shè)計(jì)的核心裝置，參考了目前3D打印機(jī)的工字形同步帶的設(shè)計(jì)，省去了兩條滾珠絲杠控制，軸運(yùn)動(dòng)的主流想法，由于同步帶是完整的一條，相比現(xiàn)在的兩條傳動(dòng)方式，移動(dòng)控制性更好，且到達(dá)指定地點(diǎn)所需要消耗的時(shí)間更加少，傳動(dòng)效率相對(duì)滾珠絲杠來說也更高。同時(shí)，從成本方面來說，運(yùn)用傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)來控制兩個(gè)自由度的控制的成本更大，要求精度相比同步鏈來說也更加高。而本設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)目的僅要求能夠快速便捷地實(shí)現(xiàn)夾爪裝置的，軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)。

滑竿滑塊由慧魚標(biāo)準(zhǔn)零件搭設(shè)而成，滑竿以慧魚零件庫中的260 mm金屬桿來代替。為保證兩滑竿滑塊能夠平穩(wěn)同步進(jìn)行，將滑塊搭建成寬于兩滑竿寬度兩倍的長方形，其上安裝兩個(gè)墮輪，間距小于兩滑竿寬度，保證運(yùn)動(dòng)關(guān)系方程為：

Δ=Δ+Δ. （1）

Δ=Δ-Δ. （2）

式（1）（2）中：Δ和Δ為電機(jī)旋轉(zhuǎn)偏量；Δ和Δ為設(shè)計(jì)圖紙的實(shí)際坐標(biāo)偏量。

3 程序與控制

3.1 機(jī)電一體化分析

本文所設(shè)計(jì)的裝置體現(xiàn)了機(jī)電化的設(shè)計(jì)理念，機(jī)械運(yùn)動(dòng)完全由控制器發(fā)出的指令控制，從而完成一系列的功能。采用ROBOPRO interface 控制器作為核心控制器，外加拓展板，本裝置共用5個(gè)電機(jī)外加一個(gè)氣泵，傳感器運(yùn)用了接觸傳感器和光電傳感器，分別用來感知位置和感應(yīng)光強(qiáng)，其中廣電傳感器放置在上層卡槽邊，用來定位。

3.2 程序分析

采用模塊化編程思想，程序分為主程序子程序和更下一級(jí)子程序，其中每個(gè)展示機(jī)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)子程序模塊。由于各裝置的運(yùn)用會(huì)被反復(fù)調(diào)用，故將其寫成子程序供其他子程序調(diào)用。

4 實(shí)際應(yīng)用分析

市面上現(xiàn)有智能停取自行車采用向垂直方向拓展的方式，與本文設(shè)計(jì)裝置原理相同，但該設(shè)施施工時(shí)間較長，難以迅速地投入到住宅小區(qū)進(jìn)行應(yīng)用。而本文設(shè)計(jì)裝置所用零件較少，且僅向上拓展一層，就停取自行車的數(shù)量而言雖不如市面上的設(shè)施多，但本裝置所占空間較少，且能夠迅速地投入使用。且就成本及性價(jià)比而言，本裝置均處于優(yōu)勢(shì)地位。

更為重要的是，現(xiàn)有智能停取自行車設(shè)施都有個(gè)很大的通病在于停取自行車所需要的時(shí)間較長，而小區(qū)用戶通常停取自行車的時(shí)間都較為集中。因此，這種大量停取且停取速度不快的設(shè)施就很難在住宅小區(qū)得到應(yīng)用。而本文設(shè)計(jì)裝置由于采用工字形同步帶進(jìn)行取車，使得單次停取自行車的時(shí)間能夠控制在10 s以內(nèi)，大大縮短了消耗時(shí)間。由于本智能停取亭占地面積較少，停取數(shù)量并不多，因此，適合在住宅區(qū)中多地段安設(shè)，在取車時(shí)間短的情況下進(jìn)一步分散取車人流。綜上所示，本文所設(shè)計(jì)的裝置與現(xiàn)有市面上的智能停取自行車設(shè)施相比，更加適合住宅小區(qū)。

5 結(jié)束語

當(dāng)今社會(huì)，自行車出行正受到越來越多人的青睞，它具有降低成本、節(jié)約時(shí)間、減少環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)。本文在此背景下提出了一種基于3D打印機(jī)工字同步帶的自行車智能存取亭，在現(xiàn)有小區(qū)涼亭的基礎(chǔ)上以不影響第一層空間為條件，將自行車存取空間向上拓展，裝置整體為兩層，第一層用于安放健身娛樂設(shè)施，并在角落處設(shè)置升降平臺(tái)；第二層用于停車，由停車平臺(tái)，平移模塊，夾爪模塊構(gòu)成。該裝置能節(jié)省大量的可使用空間，提供更多的汽車停車位，并且它還有著使用價(jià)格低廉、人性化設(shè)計(jì)、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，可使空間資源利用最大化。

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［3］秦曾惶.電子電工學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

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2095－6835（2018）24－0133－02

TP311.52

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.133

〔編輯：張思楠〕