可控便攜式汽車移動機器人設(shè)計＊

馬登秋，鄭紅建，李 飛，盧 超，蔣 兵，陳 派，李馨婷，葉振環(huán)

（1.遵義師范學院 工學院，貴州 遵義 563006；2.貴州天義電器有限責任公司，貴州 遵義 563000）

1 引言

隨著社會進程的發(fā)展，科技水平逐漸提高，人們的生活和生產(chǎn)水平也越來越高，汽車也成為人們出行的主要代步工具。據(jù)有關(guān)資料顯示：2017年，中國汽車產(chǎn)量達2 901.54萬輛，同比增長3.19%；銷量達2 887.89萬輛，同比增長3.04%[1]。由于城市汽車數(shù)量的迅速增加，各種各樣的交通問題也隨之而來。例如，上下班和節(jié)假日期間車流量極大，造成交通擁堵；車輛的亂停亂放問題嚴重，不僅影響城市的文明形象，也影響市民出行，甚至可能會引起交通事故等[2]。為了解決汽車亂停亂放的問題，設(shè)計制作了汽車移動機器人，它具有體積較小、操作簡單、便于移動等優(yōu)點。

2 可控便攜式汽車移動機器人設(shè)計方案

可便攜式汽車移動機器人簡易結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可便攜式汽車移動機器人簡圖

可控便攜式汽車移動機器人可以不借助汽車動力移動汽車，分為結(jié)構(gòu)部分和驅(qū)動控制部分。在結(jié)構(gòu)上主要由轉(zhuǎn)向機構(gòu)、升降機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)三大部分組成，其各部件主要功能是：升降機構(gòu)把汽車與地面分離；驅(qū)動機構(gòu)把汽車移動；轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，各機械結(jié)構(gòu)在驅(qū)動控制部分的作用下運行。

3 可控便攜式汽車移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

對于轉(zhuǎn)向機構(gòu)，一般基于汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計，但因可控便攜式汽車移動機器人趨于微型化，無論是結(jié)構(gòu)特征還是使用要求等都與汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)存在差異[3]，所以汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)并不能完全適應(yīng)于汽車移動機器人，可控便攜式汽車移動機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)需要進行一定的改進。本設(shè)計提出兩種轉(zhuǎn)向方案：①搖桿式轉(zhuǎn)向機構(gòu)，具體如圖2所示，該機構(gòu)通過電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動搖桿擺動，帶動輪子擺動，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能；②齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)，具體如圖3所示，齒輪齒條機構(gòu)是通過電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)作用于齒條2，使得齒條左右移動，從而引動其他基本桿件運動，進而帶動輪子擺動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能。由于搖桿機構(gòu)擺動具有不確定性、可靠性低等特點，而齒輪傳動效率高、可靠，所以，可控便攜式汽車移動機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用齒輪齒條機構(gòu)。

圖2 搖桿轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖

3.2 升降機構(gòu)設(shè)計

目前，常見的升降機構(gòu)有液壓桿式升降機構(gòu)、絲杠式升降機構(gòu)和鏈條式升降機構(gòu)[4]。便攜式汽車移動機器人作為一種微型移動工具，升降機構(gòu)不能過大，否則會影響靈動性和便攜性。由此汽車移動機器人升降機構(gòu)便排除了液壓桿式升降結(jié)構(gòu)和鋼絲繩式升降結(jié)構(gòu)這兩種較大的升降機構(gòu)，可控便攜式汽車移動機器人升降機構(gòu)采用絲桿式升降機構(gòu)。

圖3 齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖

絲桿式機構(gòu)如圖4所示，四桿承重機構(gòu)后面的短桿可以打開，使其進入汽車輪胎底部，對汽車進行升降處理；箱體機構(gòu)中的電機帶動螺紋桿，與螺紋桿升降機構(gòu)的其他四桿進行聯(lián)動，機構(gòu)其中兩機械點以左右移動來實現(xiàn)四桿承重機構(gòu)的升降，即可實現(xiàn)汽車的升降；輪系機構(gòu)可以在一定程度不平整的路面移動，且沒在升起汽車時，輪系保持不動并自鎖。

圖4 絲桿式機構(gòu)簡圖

3.3 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

可控便攜式汽車移動機器人有多種驅(qū)動方案供選擇，比如，特殊移動機器人的同步轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動、常見汽車的前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動等[5]。由于便攜式汽車移動機器人是作為微型機器人來設(shè)計，它的體積結(jié)構(gòu)較小，如果讓轉(zhuǎn)向和驅(qū)動都同時存在，需要考慮特殊的機械結(jié)構(gòu)。所以，可控便攜式汽車移動機器人將驅(qū)動機構(gòu)分為主動組和從動組，分別對應(yīng)汽車的前輪和后輪。主動組由兩個汽車移動機器人構(gòu)成，可以同時完成驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，移動汽車時分別裝載在汽車的兩個前輪，轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機構(gòu)控制，驅(qū)動部分采用輪轂電機作為驅(qū)動動力源；從動組也由兩個汽車移動機器人構(gòu)成，但從動組輪系是簡單的萬向輪機構(gòu)，用來輔助移動，移動汽車時分別裝載在汽車的兩個后輪。

根據(jù)機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)、升降機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計確定機器人各零部件具體尺寸，并對各個零部件進行繪制，可控便攜式汽車移動機器人三維模型與爆炸圖如圖5所示。

圖5 可控便攜式汽車移動機器人

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

在可便攜式汽車移動機器人的設(shè)計中，要使汽車移動機器人各個部分之間相互緊密配合，需要相關(guān)程序來控制，即汽車移動機器人的控制系統(tǒng)。可控便攜式汽車移動機器人控制系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)控制，機器人控制程序設(shè)計分為通訊模塊程序和控制模塊程序。機器人控制系統(tǒng)工作基本流程如圖6所示。在機器人電源接通后，首先判斷脫扣部分是否鎖緊，未鎖緊的情況下通過通訊模塊輸出“脫扣未鎖緊”，脫扣鎖緊后方可驅(qū)動升降電機；在機器人移動之前判斷升降是否完成，升降未完成的情況下通過通訊模塊輸出“升降未完成”，升降完成后方可驅(qū)動移動或轉(zhuǎn)向電機，等到達運送目的地之后即可完成機器人移動；把汽車放下，完成汽車的移動。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語

目前，汽車成為人們出行的主要代步工具，汽車不文明停放問題突出，為了規(guī)范不文明停放車輛的行為，開發(fā)出了可控便攜式汽車移動機器人，分為結(jié)構(gòu)部分和驅(qū)動控制部分，其中結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)向機構(gòu)、升降機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)組成。在出現(xiàn)亂停亂放現(xiàn)或急需移動汽車時，機器人可不借助汽車自身動力或者大型拖車解決相關(guān)問題，該可控便攜式汽車移動機器人可為交通管控等提供極大的幫助。