樓道搬水裝置的設計與研究

宋宇航，程清偉，郭 湃，張振裕，趙 可

（廣州城市理工學院汽車與交通工程學院，廣東 廣州 510800）

0 引言

我國桶裝水的需求量十分巨大，然而送水方式都是采用人工搬水送到家家戶戶門口，因此，研發一款可以實現智能爬樓道送水的裝置是十分有必要的。

如今同類型搬運裝置一般結構復雜，使用局限性大；需要在地面貼上黑條，搬運裝置才會沿著設定路線行走，路線單一且影響場地美觀。搬運裝置的運動機構限定了該搬運機器車只能在水平地面上運動，不能實現搬運貨物上樓梯的功能，裝卸貨物都需要人工搬運。

基于上述問題，限制了國內市場搬運桶裝水裝置的創新與發展。因此設計出一款適合普通家庭或宿舍的樓道搬水裝置變得尤為重要。本文講述一臺適合我國桶裝水搬運的可行性機構。

1 樓道搬水裝置結構設計

1.1 樓道搬水裝置整體結構的設計

本設計是一款集桶裝水裝卸技術、樓道搬運技術、STM32 控制技術、無線模塊控制技術等四大核心技術組成的一種集裝夾、裝卸、搬運為一體的多功能樓道搬水裝置。裝置通過裝載架上的工裝定位設計，確保桶裝水在上下樓梯過程中不會掉落。同時，整個裝置均采用電和氣作為動力源，實現零排放，達到節能減排的目的。

基于STM32 單片機控制的樓道搬水裝置的整體框架是兩部分構成，分別為機械結構和電控系統，機械結構示意圖如圖1 所示：①機械結構由特殊的裝夾手、水桶裝載架、二級齒輪運動機構、差速鎖、穩定支撐臂等組成；②電控系統由STM32 單片機控制模塊、信號接收模塊、電子攝像頭、液晶顯示屏等設備組成。

圖1 結構設計

其中，機械部分主要由底盤、裝夾手、二級齒輪運動機構等組成，其中底盤使用Q235 作為原材料制作；動力系統組成有電機、電機固定座、齒輪副和AirTAC 小型氣缸等組成。電機主要為裝置的平地運作和上下樓梯提供動力，桶裝水的裝夾和裝卸則由AirTAC 小型氣缸提供動力，即保證了裝卸的可靠性也保證了裝置整體的零排放。

1.2 上樓搬運機構

上樓搬運機構同樣采用無刷直流電機作為動力源。與無刷直流電機輸出軸相連接的齒輪采用模數5，齒數15 的正齒輪，與無刷直流電機軸端齒輪相連的正齒輪參數為模數5，齒數45，傳動比為15:45，也就是無刷直流電機端部齒輪旋轉三圈，與之嚙合的齒輪才旋轉一圈，有效避免小型無刷直流電機力矩不足的缺點。再基于行星齒輪機構進行改造，在上樓搬運時，太陽輪不動，由齒圈直接驅動行星輪翻轉實現上樓搬運功能。得益于無刷直流電機的特性，使搬運機構起步時具有較大的大扭矩，且無刷直流電機的結構簡單，更便于維護。平地搬運機構的三維設計如圖2所示。

圖2 上樓搬運機構三維設計

2 樓道搬水裝置的電控組成部分

2.1 MCU 模塊

MCU 選型是樓道搬水裝置電控部分的核心關鍵。本裝置采用了STM32F103VET6 單片機作為控制系統處理器，能夠滿足超大量數據包括高精度浮點數等運算，在視頻以及圖像處理方面表現優異，攝像頭則向STM32 單片機提供路面的影像，實時反饋路面的狀況，電控系統則根據影像信號控制搬水裝置做出適當的避讓。用戶可以通過智能手機查看搬運裝置的工作狀況，如圖3所示。

圖3 裝置電子控制

2.2 電磁閥與繼電器模塊

本設計選用了受控電壓為12V 的二位五通電磁閥。因為單片機的輸出電壓較小，僅有3～5V，與受控電磁閥12V 電壓差距較大，為此，引入了繼電器模塊。繼電器的工作原理在本質上是一個受控于外部電流的雙向開關，具有常開端與常閉端，根據外部輸入的高低電平，繼電器的雙向開關自動地切換常開端與常閉端與公共端的通斷情況用。在本設計中，選用的是帶光耦的電磁型8 路繼電器模塊。

3 樓道搬水裝置的工作過程及控制

3.1 工作過程

本裝置的工作過程：調試好相關參數后，裝夾手開始運作，對準桶身瓶頸夾緊后，支撐穩定臂伸出，小型氣缸推動裝載架，裝載架將桶裝水搬上底盤，隨后二級齒輪運動機構開始運作，在平地行走與上下樓梯之前切換運動模式。到達指定目的后，小型氣缸再次推動裝載架，放下桶裝水后裝夾手松開，放下桶裝水。整體工作流程如圖4 所示。

圖4 整體工作流程

3.2 樓道搬水裝置的手機APP 控制界面

根據搬水裝置的工作特點，模擬了可由智能手機控制的APP軟件，操作界面如圖5 所示。

圖5 APP 操作界面

APP 操作步驟如下：①點擊“控制電源總開關”旁邊的off-on按鈕，即可打開樓道搬運裝置的總開關。②在“裝置行駛速度”選項中選擇合適的行駛速度。③按照以上步驟即可完成裝置對桶裝水的裝卸和搬運等基本的操作，如需實時操控，可點擊“實時操控”按鈕，實現完全自主實時控制。

4 結論

傳統搬運裝置體積龐大、結構復雜、購買成本高、后期維護成本高，本裝置在設計理念上，針對桶裝水結構進行優化設計，結構緊湊，體積較小。在運作時不會影響用戶正常行走，并且具備遠程操控作業的功能，減少勞動強度從而降低人工成本。城市與農村的經濟發展都非常迅速，很多農村居民也體驗上了桶裝水的便利，而市場上暫時還沒有針對桶裝水設計的搬運裝置，如果像城市有大量桶裝水用戶的情況，都是靠人工來搬運，其中就產生了較高的人工成本、工作效率低等問題。相比本裝置，集裝夾、裝載、搬運、卸載于一體，不僅可以完成一次性作業，并且對環境無任何破壞。

搬水裝置在日后能做到一機多用、工作穩定可靠、無污染、自動化程度高、適應性強的樓道搬運裝置。