基于自平衡的林間竹子獨(dú)輪搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)

李曉曉 母銀飛 孫付春 楊濤 龔一龍 董萬福

摘 要：利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)完成林間竹子搬運(yùn)車的初步功能方案設(shè)計(jì)，再通過有效值分析法獲得最佳設(shè)計(jì)方案.完成竹子獨(dú)輪搬運(yùn)車的行走裝置、搭載平臺(tái)和平衡調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，還進(jìn)行了搬運(yùn)車自平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真分析.基于自平衡的林間竹子獨(dú)輪搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)，能有效地解決目前竹子搬運(yùn)工具的通過性和平衡性差的問題，提升了運(yùn)輸效率、減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，具有良好的開發(fā)前景.

關(guān)鍵詞：竹材；現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)；搬運(yùn)車；有效值分析法；自平衡

中圖分類號(hào)：S776.361

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

我國竹林資源大多分布在地勢(shì)復(fù)雜的丘陵地區(qū)，竹林間基本上都是崎嶇的林間路，道路窄小、路面狀況復(fù)雜，而且林間路坡度大、拐彎多且急［1］，該路況基本無法使用中型和大型的運(yùn)輸機(jī)械來搬運(yùn)物資，林間竹子的搬運(yùn)大多使用手推車、兩輪和三輪摩托車來搬運(yùn).基于地形和路面情況的復(fù)雜，尤其是下雨過后山間道路泥濘且很滑，一般的手推車很難控制速度［2］，兩輪的摩托車又很難控制平衡，而三輪摩托車轉(zhuǎn)向時(shí)容易發(fā)生側(cè)翻，總之，現(xiàn)有的搬運(yùn)工具實(shí)用性低，竹材運(yùn)輸需要投入大量的人力.基于目前竹材搬運(yùn)車機(jī)械的自動(dòng)化、智能化程度低，通過性和平衡性不可兼顧［3］，因此，本研究制作出一款適合在丘陵山地復(fù)雜的林間道路上作業(yè)且可自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡的小型獨(dú)輪搬運(yùn)車，以克服目前竹材搬運(yùn)車的不足.

1 竹林間竹子搬運(yùn)車方案設(shè)計(jì)

1.1 搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)任務(wù)

通過對(duì)竹子生長(zhǎng)環(huán)境和搬運(yùn)路況的考察，結(jié)合具體使用情況和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)原則［4］，竹子搬運(yùn)車具體的要求明細(xì)見表1.

1.2 總功能分解

竹林間竹子搬運(yùn)車的總功能是對(duì)竹林間的竹子實(shí)現(xiàn)短距離的運(yùn)輸，并且能夠在行駛過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)并調(diào)節(jié)車體左右2側(cè)平衡.為了清楚地表示竹林間搬運(yùn)車各工作部分和周圍環(huán)境的工作關(guān)系，建立了如圖1所示的獨(dú)輪搬運(yùn)車技術(shù)過程流程圖.流程圖中，環(huán)境系統(tǒng)是指丘陵山地的竹林環(huán)境，相鄰技術(shù)系統(tǒng)是指搬運(yùn)車對(duì)能源和控制等的技術(shù)要求，圖中點(diǎn)劃線表示機(jī)械系統(tǒng)與外部的聯(lián)系.

為了更直觀地了解竹林間搬運(yùn)車系統(tǒng)各部分的功能，將系統(tǒng)的總功能分解為簡(jiǎn)單的功能元，并建立如圖2的搬運(yùn)車功能樹.搬運(yùn)車總功能具體分為驅(qū)動(dòng)功能、執(zhí)行功能、控制功能和支撐聯(lián)結(jié)部分.

1.3 原理方案解

根據(jù)搬運(yùn)車功能樹，采取系統(tǒng)組合的方法，建立起搬運(yùn)車組合的形態(tài)矩陣，將其可能的方法進(jìn)行列舉排列，計(jì)算出解法，并在所有的解法中找出符合項(xiàng)目實(shí)際意義的方案.搬運(yùn)車所有形態(tài)矩陣見表2.

由表2可知，當(dāng)不考慮實(shí)際工作環(huán)境和其他條件制約的情況下，能得到的方案一共有4×4×3×2=96種方案.

1）能量轉(zhuǎn)換.丘陵地區(qū)竹林間的竹子運(yùn)輸對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)是必須首要考慮的問題，首先考慮使用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源.交流電動(dòng)機(jī)在竹林中使用會(huì)造成諸多的不方便，初步考慮使用直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源.

2）行走方式.對(duì)于竹林間的道路而言，四輪、三輪和兩輪的搬運(yùn)車都存在通過性差的問題，相比較之下獨(dú)輪車擁有較好的通過性.

3）制動(dòng)方式.盤式制動(dòng)的制造成本會(huì)比鼓式的更高，但是鼓式構(gòu)造零件多，不利于后續(xù)的維修，盤式剎車構(gòu)造簡(jiǎn)單，維修更容易，初步選用盤式制動(dòng).

綜上所述，初步制定了3種搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)方案.

方案1：使用直流電機(jī)的齒輪齒條傳動(dòng)調(diào)節(jié)平衡的獨(dú)輪搬運(yùn)車如圖3所示.其主要包括車體、車把手、行走裝置、齒輪齒條平衡調(diào)節(jié)裝置、平衡調(diào)節(jié)裝置安裝架和控制器.此方案通過控制把手對(duì)行走輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控；通過剎車把手停止行走輪；當(dāng)檢測(cè)到車體不平衡時(shí)，通過平衡調(diào)節(jié)裝置對(duì)車體進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)；當(dāng)車體有向左傾斜的趨勢(shì)時(shí)，則由伺服電機(jī)控制齒輪向右運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)滑板向右運(yùn)動(dòng)，最后使車體重新恢復(fù)平衡；當(dāng)車體有向右傾斜的趨勢(shì)時(shí)，則由伺服電機(jī)控制齒輪向左運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)滑板向左運(yùn)動(dòng)，最后使車體重新恢復(fù)平衡.

方案2：使用直流電機(jī)的滾珠絲杠調(diào)節(jié)平衡的獨(dú)輪搬運(yùn)車如圖4所示.其主要包括車體、行走裝置和滾珠絲杠平衡調(diào)節(jié)裝置.此方案通過控制車體上的把手對(duì)行走輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控；當(dāng)檢測(cè)到車體不平衡時(shí)，通過滾珠絲杠平衡調(diào)節(jié)裝置對(duì)車體進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)；當(dāng)車體有向左傾斜的趨勢(shì)時(shí)，則由伺服電機(jī)控制滾珠絲杠向右運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)平衡調(diào)節(jié)裝置向右運(yùn)動(dòng)，最后使車體重新恢復(fù)平衡；當(dāng)車體有向右傾斜的趨勢(shì)時(shí)，則由伺服電機(jī)控制滾珠絲桿向左運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)平衡調(diào)節(jié)裝置向左運(yùn)動(dòng)，最后使車體重新恢復(fù)平衡.

方案3：使用直流電機(jī)的齒輪傳動(dòng)組件調(diào)節(jié)平衡的獨(dú)輪搬運(yùn)車如圖5所示.其主要包括行走裝置、搭載平臺(tái)和齒輪傳動(dòng)組件平衡調(diào)節(jié)裝置.此方案通過控制車體上的把手對(duì)行走輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控；當(dāng)檢測(cè)到車體不平衡時(shí)，通過齒輪傳動(dòng)組件平衡調(diào)節(jié)裝置對(duì)車體進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)；當(dāng)車體有向左傾斜的趨勢(shì)時(shí)，則由直流減速電機(jī)控制齒輪傳動(dòng)組件帶動(dòng)配重向右擺動(dòng)，從而使整個(gè)重心向右偏移，最后使車體重新恢復(fù)平衡；當(dāng)車體有向右傾斜的趨勢(shì)時(shí)，則由直流減速電機(jī)控制齒輪傳動(dòng)組件帶動(dòng)配重向左擺動(dòng)，從而使整個(gè)重心向左偏移，最后使車體重新恢復(fù)平衡.

1.4 設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與選擇

有效值分析法是系統(tǒng)工程學(xué)最重要的評(píng)價(jià)方法之一，根據(jù)系統(tǒng)論觀點(diǎn)，有效值分析法把待評(píng)價(jià)的目標(biāo)看成1個(gè)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)可以分解，于是可以把總評(píng)價(jià)目標(biāo)拆分成多個(gè)級(jí)別的分目標(biāo)，整體呈現(xiàn)出一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，也就是目標(biāo)樹.例如，Z為總目標(biāo)，Z1和Z2為第1級(jí)分目標(biāo)，Z11和Z12為Z1的分目標(biāo)，即Z的第2級(jí)分目標(biāo)，Z111和Z112為Z11的分目標(biāo)，即Z的第3級(jí)分目標(biāo)，最末級(jí)的分目標(biāo)即為總目標(biāo)的具體評(píng)價(jià)目標(biāo)，即評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).建立評(píng)價(jià)目標(biāo)樹時(shí)應(yīng)選擇起決定作用的設(shè)計(jì)要求和條件作為主要目標(biāo)，各個(gè)目標(biāo)之間應(yīng)相互獨(dú)立.每個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在總的評(píng)價(jià)目標(biāo)中有著不一樣的重要性，通常把重要程度用加權(quán)系數(shù)表示，加權(quán)系數(shù)通常用0～1之間的數(shù)來表示，最終每個(gè)分目標(biāo)的加權(quán)系數(shù)等于1.搬運(yùn)車的評(píng)價(jià)目標(biāo)樹和加權(quán)系數(shù)如圖6所示.

2 自平衡獨(dú)輪搬運(yùn)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自平衡獨(dú)輪搬運(yùn)車主要包括行走裝置、搭載平臺(tái)和平衡調(diào)節(jié)裝置3部分.其中，行走裝置主要包括行走輪、行走輪安裝架、車架和控制把手等；搭載平臺(tái)主要指的是安裝在搬運(yùn)車行走輪兩側(cè)的載物框；平衡調(diào)節(jié)裝置主要包括直流減速電機(jī)、電機(jī)安裝架、齒輪傳動(dòng)組件、配重電池和電池安裝架等.自平衡獨(dú)輪搬運(yùn)車的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表4，整體結(jié)構(gòu)如圖7所示.

2.1 行走裝置的設(shè)計(jì)

自平衡獨(dú)輪搬運(yùn)車的行走裝置主要包括行走輪、行走輪安裝架、車架和控制把手等.使用環(huán)境決定著行走輪的選用，土壤的承載能力影響行走輪的寬度，路面的狀況影響行走輪的大?。?］.車架是行走裝置的基礎(chǔ)部件，搭載和固定連接著整個(gè)獨(dú)輪搬運(yùn)車所有必需的零部件.搬運(yùn)車在行駛過程中和搭載貨物受到外界作用力時(shí)，所有的作用力都只能由車架來接收和傳遞.竹農(nóng)通過車架上的車把手對(duì)行走輪的狀態(tài)進(jìn)行控制，右車把手上的手柄控制車速，左把手上的手柄控制搬運(yùn)車的啟停.行走裝置的三維結(jié)構(gòu)如圖8所示.

2.2 搭載平臺(tái)的設(shè)計(jì)

自平衡獨(dú)輪搬運(yùn)車主要是用于林間竹材運(yùn)輸，竹材的密度是隨著生長(zhǎng)的時(shí)間而有所差異的，本研究針對(duì)的竹材為生長(zhǎng)期超過3年的竹材，由研究報(bào)告可知，該類竹子的密度大約為1.16 g/cm3，竹材的主干高度通常為6～12 m，竹子的直徑大小在40～90 mm之間［1］.選擇中間的數(shù)據(jù)作為初步估算的依據(jù)，選取主干為10 m，竹子直徑為70 mm.根據(jù)搬運(yùn)車整體設(shè)計(jì)的要求，將竹材截切為900 mm長(zhǎng)的小節(jié)，根據(jù)竹子的密度和直徑估算每1小節(jié)竹子重2 kg左右，1根竹子的重量約22 kg，單個(gè)裝滿竹材的竹材框的重量小于50 kg.根據(jù)竹材的物理特性，竹材框的尺寸為920 mm×220 mm×290 mm.竹材框上的邊框連板為可以旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，目的是卸載竹材時(shí)，竹農(nóng)可以手動(dòng)把搭掛在邊框連板上的連接板挪動(dòng)，此時(shí)邊框連板放下，則竹材便可以從竹材框中卸載下來.竹材框的三維結(jié)構(gòu)如圖9所示.

2.3 平衡調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

2.3.1 平衡調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

平衡調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)車體的平衡.當(dāng)傳感器檢測(cè)到車體傾斜的信息后，將信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，這時(shí)控制系統(tǒng)啟動(dòng)平衡調(diào)節(jié)裝置當(dāng)中的直流減速電機(jī)，當(dāng)電機(jī)接受到來自于控制系統(tǒng)的信號(hào)后，電機(jī)開始工作，同時(shí)帶動(dòng)裝置中的電機(jī)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)齒輪一起運(yùn)動(dòng).由于配重電池和回轉(zhuǎn)齒輪是通過螺栓連接在一起的，當(dāng)回轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與其連接的配重電池配重也會(huì)隨之一起運(yùn)動(dòng)，利用配重電池的重量在一定程度上逐漸抵消掉車體傾斜的重量，在一定程度上重新調(diào)節(jié)車體的重心.電機(jī)齒輪如此左右循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使車體保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài).平衡調(diào)節(jié)裝置的三維結(jié)構(gòu)如圖10所示.

2.3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）自平衡原理.電動(dòng)獨(dú)輪搬運(yùn)車主要存在前后左右4個(gè)方向的平衡問題.通過分析可知，搬運(yùn)車前后2個(gè)方向的平衡主要通過竹農(nóng)來手動(dòng)平衡，而自平衡指的是獨(dú)輪搬運(yùn)車左右2邊的平衡.當(dāng)控制器檢測(cè)到車體的傾斜信號(hào)時(shí)，控制獨(dú)輪搬運(yùn)車平衡調(diào)節(jié)裝置中的直流減速電機(jī)，使平衡調(diào)整裝置向相反的方向擺動(dòng)，從而平衡掉獨(dú)輪搬運(yùn)車的傾倒趨勢(shì)，以此保持獨(dú)輪搬運(yùn)車的動(dòng)態(tài)平衡.自平衡獨(dú)輪搬運(yùn)車的車體左右傾斜與其車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)是互相獨(dú)立的，同時(shí)使用者手扶車把手，把握車體前后的平衡.當(dāng)車體向左傾斜時(shí)，則通過控制直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)平衡調(diào)節(jié)裝置中的齒輪向右運(yùn)動(dòng)以保持車體平衡；當(dāng)車體向右傾斜時(shí)，則通過控制直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)平衡調(diào)節(jié)裝置中的齒輪向左運(yùn)動(dòng)以保持車體平衡；當(dāng)車體保持平衡狀態(tài)時(shí)，直流減速電機(jī)不工作.以此往復(fù)循環(huán)，使獨(dú)輪搬運(yùn)車始終保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài).

2）主程序流程圖設(shè)計(jì).主程序中先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，然后根據(jù)芯片所要實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)主程序進(jìn)行編寫.自平衡獨(dú)輪搬運(yùn)車最主要的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)小車的平衡控制.當(dāng)控制器接收到平衡傳感器的信號(hào)后，輸出脈沖到直流減速電機(jī)，使其控制平衡調(diào)節(jié)裝置左右運(yùn)動(dòng).通過控制器對(duì)車體的平衡狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測(cè)到車體處于不平衡狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)平衡調(diào)節(jié)裝置當(dāng)中的直流減速電機(jī)，通過擺動(dòng)電池配重來調(diào)整搬運(yùn)車重心，當(dāng)搬運(yùn)車的車體恢復(fù)平衡時(shí)，直流減速電機(jī)停止工作，當(dāng)車體不平衡時(shí)再重新啟動(dòng)，以此循環(huán)往復(fù)，使獨(dú)輪搬運(yùn)車一直處于一種動(dòng)態(tài)平衡之中.

2.3.3 平衡調(diào)節(jié)裝置的運(yùn)動(dòng)仿真分析

平衡調(diào)節(jié)裝置是搬運(yùn)車自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡的關(guān)鍵部件，依靠齒輪傳動(dòng)來帶動(dòng)配重電池的運(yùn)動(dòng)，從而使搬運(yùn)車的車體偏移時(shí)的整體重心得到一定程度的調(diào)節(jié).對(duì)平衡調(diào)節(jié)裝置做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)分析，是衡量該裝置設(shè)計(jì)合理性的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)過程，可以了解模型在運(yùn)動(dòng)過程中的變化規(guī)律，讓平衡調(diào)節(jié)裝置在搬運(yùn)車的行駛過程中，能夠具有更好的穩(wěn)定性與可靠性.將建立的三維模型從Solidworks中另存為x-t的中間通用格式，將其導(dǎo)入到ADAMS軟件中，在各零部件位置添加相關(guān)的條件約束與對(duì)應(yīng)的載荷作用，得到平衡調(diào)節(jié)裝置的邊界條件施加圖如圖11所示.

當(dāng)所有的約束添加完成過后，對(duì)電機(jī)的輸出軸進(jìn)行一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的添加，平衡調(diào)節(jié)裝置中直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為665 r/min.在該裝置中，電機(jī)安裝架中的電機(jī)軸與回轉(zhuǎn)齒輪安裝軸都是固定不動(dòng)的，即設(shè)置為固定副，電機(jī)齒輪和回轉(zhuǎn)齒輪分別圍繞著電機(jī)軸和回轉(zhuǎn)齒輪安裝軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即都為轉(zhuǎn)動(dòng)副.齒輪在運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過計(jì)算時(shí)間為2.5 s，即設(shè)置仿真的時(shí)間為2.5 s，得到回轉(zhuǎn)齒輪的位移如圖12所示，回轉(zhuǎn)齒輪的質(zhì)心速度變化如圖13所示，回轉(zhuǎn)齒輪的質(zhì)心加速度如圖14所示.

由圖12～圖14可知，在搬運(yùn)車的行駛過程中，平衡調(diào)節(jié)裝置中回轉(zhuǎn)齒輪的移動(dòng)位移隨著速度減小而逐漸縮小，加速度逐漸增加，但運(yùn)動(dòng)范圍處于設(shè)計(jì)的合理范圍之內(nèi)，符合自平衡獨(dú)輪搬運(yùn)車實(shí)際的工作過程規(guī)律.

3 結(jié) 論

竹資源的生長(zhǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，給竹材的運(yùn)輸帶來了諸多困難.基于自平衡的竹林間竹子獨(dú)輪搬運(yùn)車，專門用于丘陵地區(qū)竹林間的竹材運(yùn)輸.利用機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)的設(shè)計(jì)理論，對(duì)獨(dú)輪搬運(yùn)車的各部分進(jìn)行了功能元求解，通過有效值分析法對(duì)3個(gè)初步方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到竹林間竹子獨(dú)輪搬運(yùn)車的最佳方案，完成了行走裝置、搭載平臺(tái)和平衡調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)，后期還需要樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn).隨著智慧農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，林竹運(yùn)輸將繼續(xù)向自動(dòng)化和智能化方向快速發(fā)展，無人操作的農(nóng)業(yè)機(jī)器人是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì).

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（責(zé)任編輯：伍利華）

Abstract：

Modern design methodology is used to complete the preliminary functional design of the bamboo carrier in the forest，and then through the effective value analysis method，the best design scheme is obtained.After completing the structural design of the walking device，carrying platform and balance adjustment device of the single wheel bamboo carrier，the design and motion simulation analysis of the self balance control system of the carrier are also carried out.The design of forest bamboo single wheel carrier，based on self balance，can effectively solve the problems，such as poor trafficability，poor balance in current bamboo handling tools and so on.Therefore，the design can also improve transportation efficiency，reduce labor intensity，and have a good development prospect.

Key words：

bamboo;modern design methodology;carrier;effective value analysis method;self balance