自動化自行車立體存放系統

老焯源，胡壹書，宮欽釗，丁園，謝鼎，潘順

（天津工業大學機械工程學院，天津300387）

自動化自行車立體存放系統

老焯源，胡壹書，宮欽釗，丁園，謝鼎，潘順

（天津工業大學機械工程學院，天津300387）

針對自行車停放混亂無序、安全性較低、占地面積大等不足的問題，設計了一種運用簡單的機械傳動機構便可以達到自動存放自行車的系統，該設計具有安全性高，性價比高，自動化程度高等特點。該系統摒棄了復雜的機械操作系統和計算機裝置，通過簡單易控制的機電裝置和計算機編程，便可以實現存放數目較多的自行車，并可以實現存取指定位置的自行車。這是一個通用率高、智能、高效的自動化自行車立體存放系統。

機械結構；控制裝置；自動化自行車立體存放系統

目前隨著城市人口激增，城市交通壓力巨大，而且對于環境的保護意識愈來愈強，普通汽車已經不能被環保人士所接受，自行車已經成為了一個比汽車更好的選擇。但隨之而來的問題也變得越來越多，如自行車亂停亂放問題、丟失問題，因為自行車沒有妥善放置而損壞導致的資源浪費問題，這些都嚴重影響了一個城市的市容市貌，也產生了交通安全、節能環保的問題。而當今市面上設計的自行車車庫有占地面積大、自行車易丟失、需要人員管理的問題，或是空中樓閣，華而不實，前期投資巨大，不能實際的為城市居民生活提供便利。因此，城市里需要一個既方便實用，成本低廉，保護性好，使用價值較高的自行車存取方案，來解決各種各樣的自行車的問題。

當前城市發展快速，城市土地資源則越來越緊缺，傳統的自行車棚因為要留出行車取車的位置，平均每個自行車棚要占用40平方米的土地資源，顯然這在寸土寸金的城市里會造成相當大的浪費。為此，本文研究了自行車立體存取方案。自行車立體存取車庫上下層的特點可以盡可能的多存放自行車而最少占用土地資源，而上下層的數量可以根據本地的自行車存放量安排，極大可能減少了浪費。而整體封閉的設計則避免現在自行車屢屢丟失被盜的現象，同時封閉的設計也避免自行車被雨雪淋濕而車體生銹的現象。自動化自行車立體存放系統帶有的計算機識別系統則保證車主可以取出自己的自行車，不至于使車主拿錯自行車。自動化自行車立體存放系統巧妙地將智能系統和傳統機械機構更大程度的完美結合，給生活帶來了極大的方便[1-2]。

該系統由四部分組成，其中包括：升降機構、橫移機構、旋轉機構和控制系統，如圖1所示。

圖1 總體結構圖

1 自動化自行車立體存放系統的機械結構方案設計

1.1 自動化自行車立體存放系統的工作原理

傳動方案如圖2所示。將自行車放到平臺上，機械手由齒輪1齒條1驅動上升夾住自行車前輪，與此同時電機和齒輪使齒輪3旋轉，使自行車支架轉動到合適的角度，這時鏈傳動使機械手向前推動自行車，使其平穩的進入自行車之間內，機械手在齒輪1齒條1和鏈傳動的帶動下回到原位。如果底層的自行車支架已放滿自行車，放上自行車后，則齒輪2齒條2將會帶動整個平臺向上升到達高層的自行車支架，鏈傳動將帶動機械手推動自行車進入高層的自行車支架內。取出自行車時，先由人決定取出存放在何處的自行車，之后通過計算機來確定各工作部件的運動過程，如要取出存放在高處的自行車，先由齒輪2和齒條2帶動整個平臺上升到一定高度，齒輪1齒條1配合使機械手向上升，自行車支架在電動機的驅動下旋轉到指定的車架，鏈傳動將機械手推動到指定位置夾緊自行車，機械手在鏈傳動的作用下往后退取出自行車，最后齒輪2和齒條2使平臺下降至地面，就可以取出自行車。

圖2 傳動方案

1.2 自動化自行車立體存放系統升降機構的選擇

升降機構主要有四種：（1）鋼絲繩式升降形式；（2）鏈條式升降形式；（3）絲桿式升降形式；（4）齒輪齒條式升降形式。

而本車庫選用齒輪齒條升降形式，其優點是承載能力大，傳動的精度較高，可達0.1 mm，可無限長度對接延續，傳動速度可以很高，每秒大于2 m，操作簡單，同步性好，而且壽命長，工作平穩，可靠性高[3]。

1.3 自動化自行車立體存放系統橫移機構的選擇

橫移方式主要有三幾種：（1）V帶傳動；（2）滾子鏈傳動；（3）絲杠傳動。

綜合各種因素，該自動化自行車立體存放系統橫移機構選擇滾子鏈傳動。這種傳動方式主要存在于兩平行軸間的傳動。該傳動方式不會出現彈性滑動以及打滑現象，這種傳遞方式的主要優點在于傳動比比較準確，可靠性高，工作效率高；傳動的工作功率較大，承受過載的能力高，在同樣的工作情況下傳動的尺寸較小，從而作用在軸上的壓力就??；同時也能夠在很多惡劣的條件下進行工作[4]。

1.4 自動化自行車立體存放系統機械手的結構設計與動作設計

機械手是可以效仿人的手和臂的一些動作的，它是一種可以依照人們編好的程序來實現手部的開合、運輸工件等操作的全自動裝備。它還可以在不安全的條件下運用自己的功能來保護人們的安全，所以現在人們在各個領域廣泛的應用機械手。機械手又被叫做末端執行器，它可以用來實現直接抓取和握緊目的工件的作用。

機械手按驅動方式可分為：（1）液壓式機械手；（2）氣動式機械手；（3）電動式機械手；（4）機械式機械手[5]。

權衡考慮下，該部分應用電動式機械手。電動式驅動的機械手是機械手應用中最廣泛的一種。它擁有方便的電源驅動，反應靈敏快捷，工作靈活等優勢。驅動的電機一般采用步進電機。運用減速機構進行減速。

機械手直接與工件接觸，以機械手的開合來實現抓取、松開工件的動作，如圖3所示。

圖3 機械手工作原理圖

在圖3中，電機輸出軸O，曲柄OA，連桿AB，機架與滑塊B構成了曲柄滑塊機構。使用電機驅動，從而實現機械手開合動作。

1.5 自動化自行車立體存放系統的主要參數

（1）該自行車立體車庫采用環形陣列；

（2）該自行車立體車庫初步設計每層10輛；

（3）該自行車立體車庫初步設計高度是3層；

（4）該自行車立體車庫每層間距1.5 m；

（5）該自行車立體車庫總高5 290mm.

2 自動化自行車立體存放系統的控制系統方案設計

使用計算機對此系統進行控制。控制系統整體的設計如圖4和圖5所示。

圖4 系統框圖

圖5 主程序流程圖

3 自動化自行車立體存放系統的三維建模與模型制造

根據設計參數，采用solidworks建立系統的三維模型如圖6所示，并通過運動仿真驗證運動參數，符合設計要求，且各構件間不存在干涉。

圖6 車庫的三維示意圖

車庫高5 290 mm，寬8 080 mm.由于真實的車庫體積過大，所以用比較小的模型來替代實際模型進行實驗，實驗裝置如圖7所示。

圖7 模型的制作

4 結束語

本文研制了一種自動化自行車立體存放系統。該自動化自行車立體存放系統使平面停車轉換成空間停車，使占地面積大大減少，同時也對自行車加大保護，防止天氣的變化對自行車帶來的損害和人為竊取一系列問題。該系統方便存取，可行性強，是一種非常便捷有效的存放自行車的方式。

[1]劉麗娜.淺談立體車庫的特點及其應用[J].智能建筑與城市信息，2007，14（12）：96-99.

[2]汪浩，余華.自動化立體停車庫的類型、特點和應用[J].蘇州市職業大學學報，2004，20（04）：90-92.

[3]杜干.升降平臺升降機構研究現狀分析[J].機械工程與自動化，2013，42（02）：205-207.

[4]李程輝.鏈傳動與帶傳動相關問題討論[J].科技致富向導，2013，21（26）：168-169.

[5]劉明保，呂春紅，張春梅.機械手的組成機構及其技術指標的確定[J].河南機電高等?？茖W校學報，2004，9（01）：18-23.

Three-Dimensional Automatic Bicycle Storage System

LAO Zhuo-yuan，HU Yi-shu，GONG Qin-zhao，DING Yuan，XIE Ding，PAN Shun
（College of Mechanical Engineering of Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to grapple with the problem that bicycles are parked disorderly with low security and large land occupation，a new system is designed for automatic bicycle garage by ordinary mechanical transmission structure with high security，high cost effectiveness and high automatization. Instead of applying the sophisticated mechanical operation system and computer devices，by the simple and manageable electromechanical device and computer programming，the new-designed system can easily achieve the goal of storing a large number of bicycles in a place and access the bike at the specified location. It is a three-dimensional automatic bicycle storage system that has strong generality，intelligence and efficiency.

mechanical structure；control device；three-dimensional automatic bicycle storage system

TP23

A

1672-545X（2016）09-0093-03

2016-06-19

天津工業大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201510058047）

老焯源（1995-），男，廣東佛山人，本科，主要研究方向為機械制造及其自動化。