基于工字同步鏈的自行車智能存取亭設(shè)計實現(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)計實現(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，小區(qū)內(nèi)建設(shè)的休閑娛樂的場所占地面積較大且單層設(shè)計，空間利用率很低。基于以上問題，提出了一種基于3D打印機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；智能存取；3D打印機；工字形同步鏈

21世紀(jì)，伴隨著社會飛速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)成為一個不可忽視的問題，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，而且在交通擁堵時可以避免浪費時間。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)計的一項重要內(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、物業(yè)管理的同時，適時考慮停車場所，滿足住戶對于停車車位的需求，有時可以獲得意外的經(jīng)濟收益，不僅車位本身掙錢，還帶動了居住物業(yè)的銷售。

但相對的，我國自行車的數(shù)量很多，小區(qū)自行車停放設(shè)施和場所還相對緊缺，布局比較混亂。現(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，住宅小區(qū)一般都會建設(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。本文針對以上問題設(shè)計了自行車智能存取亭裝置，將健身娛樂場所與停車設(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)計的意義有以下幾點：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)，可實現(xiàn)側(cè)向大批量取車，分散取車人流；③將健身娛樂場所與停車設(shè)施結(jié)合，在第一層布置娛樂設(shè)施的同時，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打印機的工字形同步帶機構(gòu)用于驅(qū)動夾取自行車的，軸運動，降低成本，方便快捷。裝置取車時間相較現(xiàn)有智能自行車設(shè)施大大縮短。

1 總體機構(gòu)設(shè)置

本文設(shè)計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，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為升降平臺的垂直運動來實現(xiàn)自行車的升降，設(shè)置了兩個成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模塊，起落模塊的原理同樣為滾珠絲杠傳動；夾取模塊的原理為氣壓傳動，通過氣壓桿的運動來進(jìn)行夾爪的開合。

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

便捷驅(qū)車模塊，停車平臺由兩塊面板構(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，機架上設(shè)有線輪。滑輪與線輪相連，電機帶動線輪轉(zhuǎn)動，從而拉動滑輪在滑軌上移動，當(dāng)某一時間段內(nèi)有大量車輛預(yù)約取車時，系統(tǒng)將車輛集中放置在便捷取車面板上，通過側(cè)面移動的方式運輸下來。

2 各模塊功能的實現(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\至上層的卡槽平臺，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)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(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，所以滾珠絲杠非常適合本項目。升降裝置為了保持運動過程中的平衡，運用雙滾珠絲杠來推動平臺的升降。考慮到平臺運動的穩(wěn)固性及需要附加卡槽及自行車的承重條件，因此，將升降臺搭設(shè)計成了長方形，由兩個電機分別帶動兩軸同步旋轉(zhuǎn)。平臺側(cè)面安設(shè)了用于限制位置的接觸傳感器，保證升降臺到達(dá)指定高度后，傳感器與上層所安置的擋塊接觸，使得電機停止運轉(zhuǎn)。

2.2 滑爪裝置

滑爪裝置運動要求為：可以將升降裝置上的自行車夾取，并且能夠垂直移動實現(xiàn)自行車的安防工作。針對上述運動要求，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構(gòu)來完成整個夾爪的上升和下降。夾取模塊主要由氣泵帶動啟動桿來實現(xiàn)夾爪的開合。夾爪分為固定端和移動端，固定端一直保持靜止不動，移動端與氣動桿相連，通過氣動桿來控制爪子移動端與固定端之間的距離。

2.3 平移裝置

平移裝置用于帶動滑爪裝置移動，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、兩個電機、四根滑竿組成。滑竿滑塊在滑竿上滑動，其上安裝了兩個用于繞鏈的墮輪。兩個電機分別驅(qū)動兩個相對的鏈輪。通過分別控制兩電機的轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)左右兩滑竿滑塊的軸運動，同步鏈通過滑竿滑塊上的墮輪進(jìn)行橫向運動，帶動與中間鏈相連的夾爪裝置進(jìn)行軸運動。該平移裝置為本文設(shè)計的核心裝置，參考了目前3D打印機的工字形同步帶的設(shè)計，省去了兩條滾珠絲杠控制，軸運動的主流想法，由于同步帶是完整的一條，相比現(xiàn)在的兩條傳動方式，移動控制性更好，且到達(dá)指定地點所需要消耗的時間更加少，傳動效率相對滾珠絲杠來說也更高。同時，從成本方面來說，運用傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動來控制兩個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)計的運動目的僅要求能夠快速便捷地實現(xiàn)夾爪裝置的，軸同時運動。

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，其上安裝兩個墮輪，間距小于兩滑竿寬度，保證運動關(guān)系方程為：

Δ=Δ+Δ. （1）

Δ=Δ-Δ. （2）

式（1）（2）中：Δ和Δ為電機旋轉(zhuǎn)偏量；Δ和Δ為設(shè)計圖紙的實際坐標(biāo)偏量。

3 程序與控制

3.1 機電一體化分析

本文所設(shè)計的裝置體現(xiàn)了機電化的設(shè)計理念，機械運動完全由控制器發(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個電機外加一個氣泵，傳感器運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，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子程序，其中每個展示機構(gòu)分別對應(yīng)一個子程序模塊。由于各裝置的運用會被反復(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)計裝置原理相同，但該設(shè)施施工時間較長，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。且就成本及性價比而言，本裝置均處于優(yōu)勢地位。

更為重要的是，現(xiàn)有智能停取自行車設(shè)施都有個很大的通病在于停取自行車所需要的時間較長，而小區(qū)用戶通常停取自行車的時間都較為集中。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間能夠控制在10 s以內(nèi)，大大縮短了消耗時間。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，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)約時間、減少環(huán)境污染的優(yōu)點。本文在此背景下提出了一種基于3D打印機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；第二層用于停車，由停車平臺，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格低廉、人性化設(shè)計、操作輕便等優(yōu)點，可使空間資源利用最大化。

［1］彭文生.機械設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［2］孫恒，陳作模.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2013.

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［4］曲凌.慧魚創(chuàng)意機器人設(shè)計與實踐教程［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2015.

2095－6835（2018）24－0133－02

TP311.52

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.133

〔編輯：張思楠〕