（机械电子工程专业论文）立体车库中自动搬运小车的研究.pdf

上海人学硕士学位论文 摘要 随着城市交通的发展，汽车数量飞速增加同停车设施缓慢增长之间的 矛盾越来越严重。解决该矛盾的关键途径之一是修建空间利用率高的立体 车库。堆垛式立体车库是立体车库中技术含量高的一类。堆垛式立体车库 的核心部分就是自动泊车机器人。应用这种机器人搬运系统，可以实现无 钢架车位，并满足国内消防规范中关于防火分隔和耐火时间两个指标的要 求，结构简洁，占用车位高度较小。 本文主要是对立体车库中自动搬运小车进行了系统的总体研究、系统 中机械结构部分和自动定位控制系统的研究设计以及定位系统实验等方面 的工作。 本论文第一章简要介绍了堆垛式立体车库中自动搬运小车的研究背 景，概述了现有的主要停车方法及其存在的不足。第二章对自动搬运小车 进行了系统设计，讨论了系统工作原理，设计指标，并详细论述了系统模 块组成及各模块的主要功能。第三章着重针对自动搬运小车机械结构设计 进行了研究，包括驱动系统的选型以及起重部分的结构设计。第四章在 a d a m s 环境下对起重臂推出机构建立了虚拟样机进行仿真分析，获得起重 臂推出机构工作时的运动学参数。第五章着重介绍了自动搬运小车的控制 系统设计。第六章讨论了控制系统中自动定位部分的实验，包括实验过程、 实验数据处理、误差分析。实验结果表明，本系统基本达到预定指标。最 后，第七章介绍了本硕士论文的研究结果和创新点，提出了今后研究的方 向。 关键词：自动搬运小车夹持起重方式小空间起重机构 自动定位系统 v l ：海大学硕i ：学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ei n c o n s i s t e n c yb e t w e e nt o om a n y a u t o m o b i l e sa n dl i m i t e dp a r k i n gs p a c ei sm o r ea n dm o r es e v e r e t h es o l u t i o ni s t ob u i l dt h es t a c k e dg a r a g e t h ek e yo ft e c h n o l o g yi st h er o b o to ft r a n s p o r t i n g a u t o m o b i l ea b o u tt h es t a c k e dg a r a g e o u rp r o j e c tr e s e a r c ha i m sa t d e v e l o p i n gt h er o b o to ft r a n s p o r t i n g a u t o m o b i l ef o rc a r r y i n gt h ea u t o m o b i l ei nt h es t a c k e dg a r a g e t h er o b o ts y s t e m i se n g a g e di nt h er e s e a r c ho na u t o - c a r r i e dd e v i c eb a s e da u t o o r i e n t a t i o ns y s t e m ， i n c l u d i n gt h ec o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，k e ym o d u l e sd e s i g na n da n a l y s i s ，c o n t r o l s y s t e md e s i g n ，a n dt h es y s t e me x p e r i m e n t s i nc h a p t e r1 t h eb a c k g r o u n do far o b o to ft r a n s p o r t i n ga u t o m o b i l ei n t h es t a c k e dg a r a g ei sb r i e f l yi n t r o d u c e da n ds o m ew i d e l y - u s e dc a r r i e d a u t o m o b i l em e t h o d s ，b o t hg o o d n e s sa n ds h o r t a g e s ，a r ea l s op r e s e n t e d i n c h a p t e r2 ，i ti sd e v o t e dt ot h es y s t e mc o n f i g u r a t i o nd e s i g n i nc h a p t e r3 ，i t d e s c r i b e st h em e c h a n i c a ld e s i g nw h i c hc o n s i s t so fa c t u a t o r s s e n s o r s ，a n d c o n f i g u r a t i o nd e s i g n t h i si sf o l l o w e db yd i s c u s s i o no fo p e r a t i n gp r i n c i p l e s p e c i f i c a t i o n 。a n dm o d u l e so ft h es y s t e m i nc h a p t e r4 t h ea d a m s m e c h a n i c a l m o d e l ( v i r t u a lp r o t o t y p e ) i se s t a b l i s h e da n dt h ec a r r i e dm o d e lk i n e m a t i c a l s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e d i nc h a p t e r5 i tp r e s e n t st h ew h o l ec o n t r o la r c h i t e c t u r e i n c l u d i n gt h ec o n t r o ls c h e m e s t h ea c t u a t o rc o n t r 0 1 t h es e n s o r sp r o c e s sa n dt h e h a r d w a r ed e s i g n i nc h a p t e r6 ，n o to n l yt h ee x p e r i m e n t sa n dt h ed a t a , b u ta l s o t h ep r e c i s i o na n a l y s i sa n de l l o rc o m p e n s a t i o na r ee x p o u n d e dd e e p l y b ym e a n s o fe x p e r i m e r i t s t h es y s t e mi sp r o v e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fa p p l i c a t i o n t h ef i n a lc h a p t e rs u m m a r i z e st h ew h o l et h e s i sb yl i s t i n gs e v e r a lc h a r a c t e r i s t i c p o i n t sa n ds o m ei m p r o v i n gm e t h o d st ot h es y s t e m k e y w o r d s ： r o b o to ft r a n s p o r t i n ga u t o m o b i l e ； u pt e c h n i q u e ； s m a l lr o o mc r a n e ； o b t a i n i n gt h ec e n t e r ； v i c l a m p a n dp u t s y s t e mo f 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盈埠 日期：之堕：呈：! 竺 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盈煌导师签名：盏鲤堡 1 1 日期：力形，；恤 上海大学硕= i ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源、研究背景及意义 道路交通根据交通流的状态，可分为动态交通和静态交通两部分。动态 交通是指由于出行而产生的行驶在道路上的各种车辆组成的交通流总体状况： 而静态交通是指，车辆为完成不同的出行目的而产生的在不同区域，不同停放场 所的停放状态，其中停车设施是城市静态交通的主要内容。静态交通和动态交 通是一个有机的整体，互相影响，互相制约，而且随着城市交通的发展，静态 交通将发挥越来越大的作用。通过对部分城市停车状况的调查显示，目前我国 城市机动车辆的保有量与停车位之比大约为5 ：1 ，也就是说，停车位的满足率 只有2 0 左右。 我国大型城市现有的状况： 上海目前有近2 4 万个停车泊位。其中9 3 的停车泊位是由建筑物配建的停车 库所提供，其余的为路边停车位和公共停车场各占一半。在由建筑物配建的2 2 万余个停车泊位中，仅有近四分之一能够面向社会提供停车服务。在这2 4 万个总 停车泊位中，近七成分布在内环线内，包括路边停车位的8 9 ，公共停车场泊 位的2 4 ，建筑物配建停车泊位的7 0 。至1 j 2 0 2 0 年，住宅停车需求预计将超过 1 0 0 万泊位。截至2 0 0 4 年4 月底，北京市共有各类机动车停车场1 1 5 万个，提供 机动车泊位1 1 0 8 万个。城八区共有停车场1 0 l 万个，提供各类泊位9 7 4 万个： 郊区县共有停车场0 1 4 万个，提供各类泊位1 3 4 万个。从总量来看，北京市的停 车泊位根本不能满足机动车的停放需求，在城八区内，虽然车均泊位拥有率比郊 区县高，但城区人口和建筑密集，车辆总数大，因而停车问题比郊区严重。口1 我国中型城市现有的状况： 郑州市停车位总数与机动车拥有量比值不足5 0 ，公共停车位数与机动车 拥有量比值仅为4 ，显然偏小。只有当市区的公共停车场达到机动车量总数的 1 5 一2 5 左右，才能缓解停车难的问题。 武汉市如按照国际上停车泊位需求与小汽车拥有量之间约1 2 倍关系的普 上海人学硕士学位论文 遍规律来计算，城区约需要5 6 万个小汽车停车泊位，泊位缺口很大。可见，城 区停车供需失衡的情况比较严重。 广州实际有效车位只有3 0 万个，与2 0 0 万的车辆数目相距甚远。机动车“无 处安身 挤占公用道路，乱停乱放又加剧了交通拥堵，引发了一系列社会问题。 深圳市小汽车拥有量超过7 0 万辆，并且每天以3 5 0 辆的速度增长，年增长达 1 0 万辆以上。汽车数量的增长与停车位短缺的矛盾日益突出。如表1 ： 表1四个城市拥有车数量与停车位统计表 现有情况拥有汽车的数量拥有的停车位 城市( 万辆)( 万个) 北京 2 1 29 7 4 上海约3 0 0 1 7 0 广州 1 7 0 5 53 0 武汉3 1 6约1 8 综合比较上述数据，预计到2 0 1 0 年我国将需要数百万个停车位，而平面停放 所需新增停车面积惊人，从城市建设和发展角度来看，必须考虑其中一部分要立 体化停放。因此全自动立体化停车将是今后停车建设的一个重要方向。 1 2 国内外研究的方向与重点 1 2 1国内外立体车库的分类及现状 机械停车库的概念是有电动传动系统，自动控制系统，机电仪一体化所组成 的多层立体车库，使汽车搬运或存放到存车位置而使用动力设备作为存放车辆主 要手段的整体设施一山1 。 机械停车库的优点： ( 1 ) 节省面积 一般来说，机械停车库的占地面积为平面车库的1 2 - - 1 2 5 ，空间利用率 比建普通停车库提高了7 5 。目前土地资源十分匮乏，土地成本高，机械停 车库无疑可以节约大量的土地成本。 2 上海人学硕十学位论文 ( 2 ) 司机更方便 机械停车库完全采用电脑控制，司机不用进入车库，车辆熄火后进库，自 动停放和取出车辆。全自动机械车库在国外被看作是提供代客泊车服务方式 的车库。 ( 3 ) 车辆更安全 车辆放在机械车库内，可以防刮防盗防雨防晒，减少了被损毁，盗窃及破 坏的危险。 机械停车库发展趋势 ( 1 ) 国内机械停车库发展趋势 中国机械式立体停车设备行业是一个新兴的行业，在2 0 0 0 年后高速增长， 年增长率在4 5 以上。随着我国制造的立体停车设备的质量水平不断提高和 品种的增加，加上我们的产品价格低，出口市场前景很看好。 ( 2 ) 国外机械停车库发展趋势 日本：日本从2 0 世纪5 0 年代中期开始停车场问题研究，1 9 6 0 年建成了一座四个车 位的二段式立体停车场，6 0 年代末，仅东京市就引进西欧技术建成了 各种形式的立体停车场4 0 座，1 9 7 1 年开始发展装配自行式立体停车场。据 日本建设厅调查统计，在日本从事立体停车库及其设备开发、制造的公司 约有2 0 0 多家。目前日本已经投入使用立体停车位超过3 0 0 万个，其中以升降 横移式停车设备为主 韩国：韩国立体停车设备技术是日本技术的派生。产业从2 0 世纪7 0 年代中期开始 起步，8 0 年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，9 0 年代开始为 推广使用阶段。由于得到政府的高度重视，各种立体停车设备得到普遍开 发和利用，韩国近几年增长速度都在3 0 左右。 欧洲：德国和意大利等欧洲国家从事停车设备开发和生产比较早。较好的公司有 意大利s o t e f i i 2 、i n t e r p a r k 、德国p a l i s 等。由于欧洲国家土地资源比较 富余，停车问题表现不很突出，停车设备应用量不是很大。多数为巷道堆 垛式产品哺3 。 立体停车场的控制正向智能化方向发展，一些新技术正在迅速进入该领域， ：海大学硕士学位论文 如变频技术、全电脑( 多微机) 控制系统、传感技术、光纤通讯技术、垂直提升和 水平平移机构、i c 卡的防伪技术、机电安全装置系统、防火防盗系统、停电与电 源故障的排除及处理系统等。 目前机械立体停车设备主要分九大类，即升降横移类，垂直循环类，水平循 环类，多层循环类，平面移动类，巷道堆垛类，垂直升降类，简易升降类，和汽 车专用升降机类。其中垂直循环类，水平循环类，多层循环类，平面移动类，巷 道堆垛类为全自动停车设备。 1 2 2 处于先进地位的堆垛式立体车库的研究现状 在大型机械式停车设备的研究设计中，把自动化集装箱货仓的相关成熟技术 移植到停车设备上，从工作原理上考虑是可行的。而且国内目前用于民航系统的 自动化集装箱货仓的设备主参数也大致与停车设备相符，如：载重量2 6 t ，货台 尺寸2 2 m x5 m ，略加变更即可应用于停车设备n 一9 1 。但在实际操作中存在以下 几方面的差距： ( 1 ) 集装箱货仓往往使用无动力辊道作为货箱在堆垛机与货位之间的交接设 备，货箱不能精确定位，若用于交接汽车则不很安全。 ( 2 ) 如果使用常规的伸缩叉方式交接汽车，由于叉子伸出距离达2m ( 纵向布 置时) ，甚至5 m ( 横向布置) ，因伸缩叉刚度不足，技术上存在较多困难。 ( 3 ) 汽车入库虽然熄火但带有油箱，对消防仍有特殊要求。 欧洲一些生产机械停车库的厂商的解决方案： ( 1 ) 以德国m e p a 公司为代表的交换板式交接系统，其空板与满板在工作行程 中交换，采用链式传动机构。 ( 2 ) 以奥地币u p a r k t e c 公司为代表的板式交接系统，传动机构为齿轮传动辊道 式。 ( 3 ) 以德国w e f i l o n 公司、s t o p a 公司为代表的伸缩叉式交接系统为链式传动 机构。 ( 4 ) 以瑞士c o m p a r k 公司为代表的又式小车交接系统采用轨道行走式传动机 构。 4 上辉大学砸士学位论文 ( 5 ) 以意大利s i l o p a r k 公司为代表的爬行小车交接系统采用纵向单边抬轮行 走方式。 ( 6 ) 以德国p a l l s 公司为代表的爬行小车交接系统是纵向双边抬轮行走。 根据上述多种交接形式的利弊，有以下几方面分析： a 板式和交换板式的交换系统结构较复杂，运行噪声大，每边只能作 单车位排列对于国内经常遇到的重列布置形式，设计时技术困难 较大。如图11 所示： b 伸缩叉式交接系统，由于叉体厚度( 5 0 m n 左右) 和交接高度( 加安全距 离需2 5 0 m m 左右) 两项，使车库的高度利用率较低，其每层净空都在 2 m 左右，尤其对于地面以下的车库，经济损失也较大，在国内推广 这种形式有困难。 c 爬行小车式交接系统可以实现无钢架货位，并满足国内消防规范中 关于防火分隔和耐火时间两个指标的要求，其结构较简洁，占用车 位高度也较小，可以作为国内巷道堆垛式停车设备的研究发展方向 “。如图1 2 所示： 图1 l板式交换系统 i 沸大学碗 1 学位论文 图1 2 爬行小车式交接系统 1 2 3 自动搬运小车的研究现状 目前对于各种形式的立体车库，其中堆垛式立体车库是自动化程度最高，最 节约材料，在整个搬运过程中依靠搬运小车去完成汽车的停放入库。国内外著名 的停车设备厂商都以此类立体车库为高端产品。堆垛式立体车库中核心的部分为 自动搬运器。 对于自动搬运小车的研究具体放在如何去抬起汽车和自动搬运器的自主定 位方面。在起重汽车方面多采用对堆垛机改进的方式。以汽车的四个轮胎为起重 点，设计一种双边央持器，用来起重轮胎”1 。 在抬起汽车方面，国内的研究成果有下面两种方式： 一种方式如图1 3 所示工作原理为：行走小车轮带动整个车架进入所运车 辆的车底，车架上的液压杆伸出，首先带动摆杆伸出，当摆杆到达导向杆的下限 位置时，再推动车轮抬爪伸出，并嵌入车轮底部。此时，驱动电机启动，摆杆上 的摆臂在平面上旋转1 8 0 度，卡在车轮下并与车轮抬爪抬起车轮，车轮电机驱动 小车轮带着车辆到就位的位置，液压缸降落，摆杆先收回，然后车轮抬爪也被 收回，完成输送车辆的工作“”。 j ：海人学硕上学位论文 图1 3 国内搬运小车工作方式一 另一种方式如图4 所示，此种方式搬运小车是从汽车的纵向驶入。通过4 组液压杆抬起汽车轮胎n 钔。其机械结构简单，起重以后的自锁完全依靠液压系统。 图1 4 国内搬运小车工作方式二 国外的研究成果为：德国p a i l s 公司的自动泊车机器人n5 l ，是采用纵向双 边抬车轮行走的方式。该机器人定位待搬运汽车轮胎的方式为检测汽车两个后轮 的位置，通过自动调节起重臂的位置去抬起汽车。此方式对待搬运车辆的车型限 制较多。另外由于该机器人进入车底的方式为平行于车身方向，使得机器人的长 度变长，增加了堆垛式车库中升降机的尺寸，从而降低了整个堆垛式车库空间利 7 f 湃 学碗1 学衄论z 用率。 1 2 4自动定位导向系统的研究现状 在定位导向研究方面，现在有多种方法可以对不同环境进行定位，从各 种传感装置，获取环境数据，通过算法，规划路径，完成自动控制。定位导向 方法如下所示： ( 1 ) 利用激光传感器对所要搬运的货物进行轮廓扫描，通过这种方式进行精 确的定位“。 ( 2 ) 利用3 d 虚拟成像技术对工作地点的环境进行成像，去引导堆垛机的精确 工作“7 ”3 。 ( 3 ) 在定位过程中，误差的分析也是十分重要的，有些研究是利用神经网络 对工作环境进干亍建模，通过对误差的分析得到更加精确的定位 i ( 4 ) 利用全方位监测系统( o d i s ) 去用作安全检测的小型移动机器人，可以 对移动机器人的运行轨迹进行很好的导航。此系统中用到了声纳红外 传感器，激光传感器，和监控系统还有两个r f 负责射频通讯，一个连 接上位机系统，与上位机通讯，另一个与图形显示面板，得到通过监控系 统获得的环境图像”“1 。如图1 5 所示： 行走部件 监控部件 声纳红外俸感器，澈光传感器 用15o d i s 系统 上海人学硕士学位论文 1 3 “堆垛式立体车库中自动搬运小车研究 项目简介 “堆垛式立体车库中自动搬运小车研究 项目受到上海席尔诺停车设备有 限公司的支持。 本项目包括机械系统和控制系统两部分。机械系统包括起重臂伸出模块， 起重臂夹持模块，搬运小车骨架结构，行走导向机构；控制系统包括定位模块， 电机驱动器模块，起重臂压力检测模块，关键数据显示模块。 1 4 本硕士论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，主要研究内容 包括机械结构设计，定位控制算法及其实现。下面是本课题的具体研究内容： ( 1 ) 堆垛式立体车库中自动搬运小车的总体系统的设计 ( 2 )自动搬运小车的机构分析和机械结构设计 ( 3 ) 基于a d m a s 的自动搬运小车中起重臂推出机构的虚拟样机仿真 ( 4 ) 自动搬运小车定位汽车底部中心的算法以及控制系统设计 ( 5 )自动定位系统的实验以及误差分析 1 。5 小结 随着社会快速发展带来的停车位不够的难题，需要我们开发空间利用率高 的立体车库。对于自动化程度和科技含量较高的堆垛式立体车库是开发的重点。 为解决这一难题，把研究的重点放在堆垛式立体车库中起着核心地位的自动搬 运小车。 本章节中，在对立体车库的发展需求和技术发展的调研基础上，制定堆垛 式立体车库中自动搬运小车的总体方案设计，确定了本课题的研究内容其中包 括：机械结构的设计及仿真，自动定位算法及其可靠性实验验证，控制系统的 硬件和软件的设计。 9 j ：海大学硕卜学位论文 第二章立体车库中自动搬运小车总体方案设计 2 1 引言 为解决日益增长的汽车数量和城市中越来越稀缺的停车位之间的矛盾，立 体车库是一种性价比很高的解决方案。在诸多形式的立体车库中，堆垛式立体 车库是技术先进，代表着停车领域发展方向的一种车库形式。其中，堆垛式立 体车库系统中最核心的部分就是自动搬运小车心3 _ 4 1 。 在进行自动搬运小车总体方案设计之前，先介绍一下堆垛式立体车库的工 作原理。如下图2 1 所示，堆垛式立体车库包括4 个组成部分：( 1 ) 车库入口 房间( 2 ) 抬汽车的自动搬运小车( 3 ) 升降机( 4 ) 立体堆垛仓库。它的存放汽 车的工作过程是这样的：准备停放的汽车从车库入口进入，自动搬运小车从升 降机中开出。自动搬运小车通过一系列的传感器协调工作，使其中心位置自动 定位并停靠在待停放汽车的四个轮胎的中心。当停靠在中心位置以后，搬运小 车伸出4 组起重臂，将待搬运汽车抬起。汽车被抬起并经过搬运小车安全系统 确定后，搬运小车抬着汽车开到升降机上。升降机将搬运小车和汽车带到指定 的立体堆垛仓库的库位。搬运小车抬着汽车从升降机开进停车位，停好后，收 起4 组起重臂，将汽车放下。随后，自主搬运小车回到升降机上，准备接受新 的任务。堆垛式立体车库的取车过程刚好同存车过程相反，当客户发出取车申 请后，载有空载搬运小车的升降机到达指定的立体堆垛仓库的库位。搬运小车 开到汽车下方，通过起重臂将其抬起。随后将汽车搬到升降机上，升降机将到 达车库出口房间指定位置。载有汽车的搬运小车从升降机上开下，将汽车放在 客户取车区，接着再开回到升降机上，准备接受新的任务。 l o l 悔大# 顺t 学位论文 盛ru 匿重要 图2 1 堆垛式立体车库存取车过程示意图 在堆垛式立体车库运转的各个环节中，是靠自动搬运小车将其衔接在一起的， 可以说自动搬运小车是整个车库的核心所在。自动搬运小车系统结构由多个部 分组成，因此，在进行细化研究之前，有必要对系统进行总体设计，以便从整 体上对系统有所把握，使系统中各组成部分相互协调，共同配合完成汽车的存 取工作。总体设计包括在被搬运汽车特征参数分析基础上，对系统进行概念和 原理设计，提出系统的设计指标，根据系统所需实现的功能，将系统分为若干 模块，并对各模块进行功能设计。 2 2 被搬运汽车特征参数分析 了解待搬运车辆的特征将有助于堆垛式立体车库中的搬运小车系统的设 计尤其应掌握待搬运汽车的4 个车轮的位置参数。由于每辆汽车的具体参数都 是由差别的，而且大型车和小型车的差别很大为了适应大多数车型，需要对 能够停放的车辆进行参数指标的限制。这些参数限制是制定自动搬运小车技术 指标韵一个方面的依据。表2l 是待搬运车辆的参数： 器擎需 一 _ 3 一 c ： 莲 上海人学硕士学位论文 表2 1 待搬运车辆参数 参数 数值 单位 待搬运汽车重量 小于2 8t 汽车轴距范围 2 4 0 0 2 7 0 0m m 汽车轮距范围 1 4 0 0 1 5 5 0n u n 轮胎( 截面) 1 8 0 2 4 0n l m 底盘高度大于2 0 0m m 注：根据参数，符合要求的汽车为普桑，捷达，帕萨特，广州本田，标志3 0 7 ，现代，丰田 等中档三厢小型车。数据来自上海席尔诺停车设备有限公司。 汽车轴距范围的限制是为了搬运小车的起重臂的宽度能够保证抬起汽车的4 个轮胎。汽车轮距范围的限制是为了使自动搬运小车能够i l i o n 地驶入待搬运汽 车下方。底盘高度的限制是为了避免自动搬运小车的高度过高而损坏待搬运汽 车的底盘。 自动搬运小车的技术指标参数确定的另一方面依据是搬运小车进入汽车下 方的方式。进入方式决定了自动搬运小车的基本外部形状，包括长，宽，高， 起重臂的尺寸。搬运小车是垂直于待搬运车辆进入车底的，如图2 2 所示： 图2 2 搬运小车垂直于待搬运车辆行走方向进入 于是根据待搬运车辆的参数要求和自动搬运小车的进入方式，计算出搬运 小车的设计参数指标，如下表2 2 ： 1 2 上海人学硕士学位论文 表2 2 自动搬运小车设计参数表 搬运小车关键外型尺寸 长 宽局备注 搬运小车车身 2 3 0 01 7 0 0 2 3 0 ( 1 )单位( m m ) 起重臂l ( a r m ) 2 5 0 2 8 0 1 2 5 起重臂2 ( 1 e g ) 3 0 09 0 01 2 5 y 方向导向轮直径7 0 搬运小车工作指标 起重重量 2 8 1 3 = 3 6 4 吨1 3 为安全系数 起重臂最小伸出量 起重臂最小伸出量2 5 0 r a m 搬运小车可接受的误差范围 定位误差x 方向l o o m m靠起重臂的伸出量补 鹿乡 i z 彳 y 方向5 0 m m搬运小车定位系统的 参数指标 车轮偏移角度小于1 5 度此数据作为限制司机 ( 同y 方向的停车标准( 一般司 夹角)机都可以达到) 注：( 1 ) 车身高度2 3 0 = 1 7 0 ( 地面部分) + 6 0 ( 低于地面部分) 2 3 系统概念设计 2 3 1 系统工作原理 本系统是一种新型的在立体车库中自动搬运汽车的搬运小车。它首先从车 库中的升降机上开出，沿着轨道垂直驶入待搬运汽车的底部，在驶入的过程中， 获得待搬运汽车的四个轮胎的坐标位置，将采集到数据交给微控制器运用定位 算法进行计算。从而控制自动搬运小车能够准确的停到待搬运汽车四个车轮的 几何中心位置。自动搬运小车停到中心位置后，伸出四组起重臂，将汽车抬起， 等待安全保护系统对抬起汽车状态进行安全确认后，自动搬运小车将抬着汽车 驶到升降机中。 2 3 2 性能设计指标 鉴于目前国内尚无成熟的自动搬运小车设计产品，根据在功能和应用范围 上海大学硕十学位论文 等方面均比较突出的德国p a l i s 的堆垛式立体车库搬运小车的性能参数，确定 本系统的性能设计指标如下： ( 1 ) 定位精度 平行于车身方向( x 方向) ：l o o m m 垂直于车身方向( y 方向) ：5 0 m m ( 2 ) 负载能力 起重汽车限制：3 6 吨 2 4 系统模块构成 根据上节所述的系统工作原理，整个系统可以分为四大子模块，分别是起 重臂抬起汽车模块，搬运小车行走模块，搬运小车定位系统，安全保护和通讯 系统。每个子模块又可以细分为若干单元，每一单元完成特定功能。图2 3 是系 统的模块构成图。 图2 3 搬运小车装置系统模块构成框图 1 4 e 海大学硕一i ：学位论文 2 4 1 起重臂抬起汽车模块 起重臂抬起汽车模块包括起重臂伸出机构和起重臂夹持机构两个部分。起 重臂伸出机构是通过螺旋机构，将电动机的旋转运动变成螺旋机构中滑块的直 线运动。是一种传力螺旋，将起重臂1 向； i - n 推出，使之紧紧靠住汽车轮胎的一 侧。当起重臂l 靠住汽车轮胎的一侧之后，起重臂抬起汽车装置开始启动，该装 置是通过轮系结构，将起重臂2 旋转1 8 0 度。旋转后的起重臂2 同起重臂1 一起配 合将汽车抬起。 2 4 2 搬运小车行走模块 搬运小车行走模块是由电机正反转驱动装置，减速箱组成。自动搬运小车 的行走模块是采用单相异步电机驱动的。由于自动搬运小车是沿着轨道行走 时，只需实现电机的正反转控制，而无需进行调速等其他速度控制。因此， 该小车的控制器电路就显得相对简单。 2 4 3 搬运小车的定位系统 自动搬运小车是否能够准确，快速，安全的完成搬运汽车的工作，关键的 一个系统就是定位系统。因为搬运小车是靠抬起汽车的四个车轮来搬运汽车的， 所以搬运汽车的定位系统实质是定位待搬运车辆的四个车轮的位置。自动搬运 小车定位位置示意图如图2 4 所示。对待搬运车辆四个车轮位置的定位包括y 方向的定位，x 方向的定位，以及车轮偏移角度的修正。y 方向的定位是靠中心 定位算法使得自动搬运小车进行定位。x 方向的定位是通过起重臂的伸出量自 适应系统来调节的。车轮偏移角度是靠停放待搬运汽车的转盘进行修正的。所 以定位系统的关键是中心定位算法和起重臂伸出量自适应系统。 上海火学硕上学位论文 y 传感器 j _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ 待搬运汽 车的轮胎 厂 盈 2 4 4 安全保护系统 图2 4 自动搬运小车定位位置示意图 因为这里设计的自动搬运小车属于特殊行业的特殊机器人系统。所完成的 工作是起重汽车，安全保护措施和规范是必不可少的。但是这方面国内还没有 一个规范的行业标准，所以这里的安全措施是借鉴起重行业中的相关行业标准 制定的。在设计时的安全系数是参照起重行业的安全系数进行计算咄引。 另外，安全系统中必不可少的一部分是对传感器信号的实时采集。将采集 好的相关传感器信号传给微控制器。微控制器对这些信号进行处理，将得出是 否能够进行下一个动作的判断。并将原始信号和处理后的判断信号实时传递给 控制台。操作人员既可以是设定参数让微控制器自动控制搬运小车的运行，也 可以对搬运小车进行人工操作啪_ 7 瑚1 。 2 4 5自动搬运小车动力源提供方式 自动搬运小车使用电动机提供所需的动力，电动机电源可以有三种提供方 式。一种是通过自带的蓄电池供电，另一种是通过自动搬运小车的轨道供电， 还有一种是通过外部自动收放线装置进行电缆供电。三种供电方式各有优缺点。 蓄电池供电可以将蓄电池安装在搬运小车内部，使搬运小车不会受到电缆的干 扰，但是蓄电池持续工作能力相对较差，需要不断的充电。轨道式供电方式也 可以实现无电缆供电，但是由于轨道暴露在外面，容易造成漏电等安全隐患。 1 6 上海大学硕卜学位论文 本论文设计的自动搬运小车准备采取通过外部收放线装置的电缆供电，可以提 供持续的电源，并且在安全方面也有一定的保障。 2 5 小结 堆垛式立体车库中的自动搬运小车作为堆垛式车库运行的核心，其组成部 分包括起重臂抬起汽车装置，搬运小车行走装置，搬运小车的定位系统，安全 保护和通讯系统四个子系统。 定位系统中的中心定位算法和起重臂伸出量自适应系统对自动搬运小车的 定位和起重汽车两个动作起着关键性的作用。 因为堆垛式立体车库中的自动搬运小车属于新型产品，在对其安全规范设 计方面参照起重机械行业的设计准则，并对其起重数据进行实时传送，对其工 作状态进行实时监控，来保证其安全性。 1 7 上海大学硕一 ：学位论文 3 1 引言 第三章自动搬运小车机械结构设计 机械结构的设计是整个自动搬运小车系统开发过程中的第一步，也是极其 重要的一步，因为机械结构设计的好坏将直接影响到整个系统最终功能的实现 程度。在机械结构设计过程中，包括机构设计和结构设计两大部分。机构设计 包括机构模型的建立，运动学分析和动力学分析以及机构的工作原理。结构设 计包括机构工作原理的实现和结构中各零部件的联结，刚度，强度的保证。 本文所设计的自动搬运小车属于特殊行业中的产品，对于外形限制和安全 要求有着严格的规定。自动搬运小车工作在堆垛式立体车库中的一种自动搬运 汽车的工具，它是沿垂直于汽车行进方向进入汽车底部的，因此，自动搬运小 车的外形尺寸是扁平的，它的高度受汽车底盘高度所限制，它的宽度受汽车轮 胎的轮距所限制。在机构设计和结构设计过程中，一个关键的问题就是，如何 在规定的空间内设计和布置复杂的机构，并且能够使该机构完成频繁起重一个 三吨多的重物。 本章节主要任务是根据自动搬运小车工作环境的要求完成驱动系统的选择 并且对自动搬运小车的机械结构进行设计。首先根据第二章确定好的自动搬运 小车外形尺寸，设计一套能够在该外形尺寸限制条件下工作的起重机构，然后 通过对此机构进行运动学分析，获取该机构各部分的速度，受力等参数。通过 对运动学分析得出的各参数，计算出提供动力的电动机的功率，扭矩，转速等。 在确定好机构之后，进行机械结构的设计，其中包括起重臂推出模块，起重臂 夹持模块，伸缩导向支撑模块。 3 2 驱动系统的选型 驱动器用于驱动自动搬运小车起重工作的动力。驱动器必须有足够的功率 对负载加速或者减速。同时，驱动器本身要精确、灵敏、轻便、经济、使用方 便可靠且易于维护。驱动器选择的要求： ：海大学硕_ i ：学位论文 ( 1 ) 驱动装置的质量尽可能的轻，单位质量的输出功率要高； ( 2 ) 反应速度快，即要求力与质量比和力矩转动惯量比要大； ( 3 ) 动作平滑，不产生冲击： ( 4 ) 控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小： ( 5 ) 安全可靠，经济合理。 目前机器人的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种方式幽3 。 液压系统在大型工业机器人系统中使用非常普遍，它具有驱动力矩大，功 率高，工作平稳可靠，系统响应速度快以及传动中的力、速度、方向易于实现 自动控制等特点；但是也存在成本高、重量大、工艺复杂以及可能发生泄漏甚 至高温爆炸等缺点，如果应用在本自动搬运小车中，需要专门定做微型的液压 系统，成本会加倍提高，因此不宜作为自动搬运小车的驱动器。 气动具有成本低、控制简单的特点，易于高速控制，无污染，但由于位置 控制困难，只能用于i 2 自由度的开关类型关节，实现插入、点位搬运等简单 操作，并且其工作稳定性差，压缩空气需要除水。气动装置虽然成本低，但是 由于其体积很难缩小到自动搬运小车体积所限制的范围，因此不能够作为自动 搬运小车的驱动器。 电机驱动成本低、实现容易、控制方便；易与计算机控制系统相连接、精 度高、安全性好、维修方便，是目前最常用的机器人驱动方式。表3 1 列出了 几种驱动方式各自的优缺点，所以本设计根据他们的特点以及自动搬运小车功 能要求和特殊体积要求，拟定自动搬运小车采用伺服电动机作为起重部分的驱 动器。 1 9 上海大学硕i ：学位论文 表3 1 驱动性能比较表 特性电机气压 液压 保养简单麻烦( 贮气瓶)较麻烦 驱动装置马达气缸油缸 重量轻重较重 效率高低稍高 功率 较大 小 大 反应性 较好 差 好 线路和管道简单轻小元件较重大元件重大 控制信号处理简单作电气变换 作电液变换 3 3 自动搬运小车机构设计 自动搬运小车工作过程是：行驶到待搬运汽车底部，通过夹持待搬运汽车 四个车轮的方式来起重汽车的；并且在抬起汽车后，自动搬运小车的起重机构 部分不能有运动，防止在搬运过程中汽车滑落。因此，自动搬运小车在外形尺 寸上是有限制的；同时其起重机构部分需要有自锁功能。 根据外形尺寸限制和需要自锁功能的两个要求，起重机构部分采用起重臂 伸缩模块和起重臂夹持机构配合工作。其中起重臂伸缩模块采用螺旋传力机构 和双滑块机构的混合机构：起重臂夹持机构采用轮系机构。 起重臂伸缩模块的混合机构，如图3 1 所示。 从图3 1 中可以看出，该机构是将电机的旋转运动转换成平面直线运动。电 机驱动丝杠轴旋转，丝杠轴上的丝杠滑块沿y 方向直线运动，通过连杆将y 方 向的直线运动转换成x 方向的直线运动。整个机构的自锁发生在丝杠和丝杠滑 块部分。本机构的特点是：构件数目少，机构工作时占用空间小，带有自锁功 能。能够满足自动搬运小车的设计要求。 上海人学硕士学位论文 图3 1 起重臂伸缩模块的混合机构原理图 在起重臂推出模块中，螺旋机构和双滑块机构组成的混合机构完成整个模块 所需的动作。双滑块机构中的y 方向轴向力与螺旋传力机构中的螺杆的轴向力 大小相等，所以螺杆轴向力f 是通过双滑块机构中的求得的。 在双滑块机构中，连杆的受力如图3 2 所示： 图3 2 双滑块机构连杆受力图 由图可知：舻v 吒l = l 面v l 2 1 ( 3 1 ) 刊0引川“川f 上海大学硕上学位论文 口：彩：( 上) ：堕皇尝0 。 ( 3 2 ) 、l c o s 0 7lc o s 20 又因为0 = 0 9 ( 3 3 ) 由3 5 ，3 - 6 ，3 - 7 可知， ，? t a n o 口= i _ _ c 0 s 20 ( 3 4 ) 式中国连杆l 绕速度瞬心的角速度 连杆l 与丝杠滑块铰接处的线速度 口连杆l 的法向加速度 连杆l 为均匀杆，质心处在杆中点，由三角形中点定理可知： ，：! 2 连杆切向加速度f ： f 耐一熹 连杆l 质心处的受力如图3 3 所示： ( 3 5 ) ( 3 6 ) 瞬心 队f 触 八 f f 拒 i 、 忒 0 、 x 、 f b x t n f f b ly 图3 3 连杆l 质心处的受力分析 由理论力学知识可知咖1 ，建立平面力系动力学方程 卜海大学硕i j 学位论文 由式3 1 1 可知 ( 3 7 ) 础m 丽j r + 竺竿一s i n 2 0 ) 8 ) = 去+ 锗+ 等c s m p + 豢 俘9 ) 其中秒【a r c t 锄三8 ，a r c t a l l 刍3 其中： 。 公式中i r 连杆长 m 连杆质量 卜连杆转动惯量 可知，( 矽) 是单调增加的。因为起重汽车时，有四个起重模块同时工作， 所以每个起重模块承担总重量的四分之一。同时起重时接触平面为与地面夹角成 夕角的省力斜面，可知： 岛= 詈t a n 夕 其中起重斜面的倾角 ( 3 1 0 ) g 一带搬运汽车重量。 综上所述，当起重臂刚刚接触到汽车轮胎的位置时，根据该机构机械尺寸， 即当。趾p = 詈时，v 。：。，靠( 秒) 为最大值： ( 秒) = 如t a n 8 = 6 3 0 9 n ( 3 1 1 ) 根据所计算出的r ( 护) 对起重臂伸出模块进行选电机。首先算出丝杠的效 秒 u 一， 硼秒一一， 哟 卜 m 唱 7 载一嘎 + f 钳竹km 魄 嗡 坫 彬 似 咖 伊嗍卜 一甜 支 _ & o o d 吱柳呶 ， f ll旧【 上海大学硕。f ：学位论文 率，丝杠效率为n ： 7 7 = 掣= o 2 4 l + l t a n ( d ) 其中：动态摩擦系数( 值为0 2 1 ) ( 3 - 1 2 ) d 丝杠轴螺旋升角( 值为3 。4 6 ) 获得推力& ( 乡) 所需扭矩瓦为： ：掣1 0 一：1 2 6 m ( 3 - 1 3 ) 2 万刀 其中：s 导程( 3 m m ) p ：旦竺：0 3 9 ( k w 、 功率为 9 5 3 5 ( 3 1 4 ) 其中，n 转速( 3 0 0 r m i n ) 所以在此选取宁波市北仑减速调速电机厂的单相齿轮减速电机作为起重臂 伸出模块的驱动电机。该电机功率4 0 0 w ，扭矩1 3 n m ，输入电压为2 2 0 v ，4 个输入端子。 起重臂夹持机构是用来配合起重臂伸出模块央持起重汽车轮胎的机构。上 一节驱动系统选型可知，自动搬运小车是靠电机驱动的，所以起重臂央持机构 是把电机的旋转运动转换成央持臂的平面旋转运动。为了使起重臂夹持机构占 用较小的工作空间完成任务，使用轮系机构来设计。轮系机构的特点就是结构 紧凑，工作空间小。在本轮系机构设计中，第一级传动采用蜗轮蜗杆传动，具 有自锁功能口刳。如图3 4 所示。 图3 4 轮系示意图 2 4 卜海大学硕七学位论文 根据第二章中待搬运汽车参数可知，汽车重量为3 6 t ，四个夹持臂平均分摊 汽车重量，即汽车轮胎作用在每个夹持臂上的力为9 0 0 0 n 。夹持臂夹持汽车轮 胎的部位为斜面设计，当汽车被抬起1 0 e m 时，夹持臂沿推力方向位移7 0 c m 。 因此，推力所做的功用于将汽车抬起，即若将汽车抬起1 0 c r n ，所需推力f 为： f ：盟：3 6 0 0 0 n xl o c m ：1 3 0 0 n( 3 1 5 ) 4 s4 7 0 c m 由夹持机构受力分析图3 5 可知，夹持臂与齿轮a 同轴，扭矩相等；齿轮a 与齿轮b 啮合，啮合点处e = 一e ：齿轮b 与蜗轮同轴，扭矩相等。 另外由夹持臂机构的尺寸可知，d 。= 0 4 m ，1 = r 2 ；因此夹持臂完成工作需 要