（模式识别与智能系统专业论文）基于arm7的智能储物系统的设计.pdf

摘要 摘要 智能仓储货柜的应用是现代仓储物流发展的一个重要方向，自动货柜的使用 已经从工业企业走向更多的行业领域。本文提出一种新型的适用于家庭及办公 领域的小型智能储物系统，主要用于现金、存折、印章、证件、机要文件等重 要物品的自动存储。 该智能储物系统由上位机、物品存取管理软件和自动执行机构组成。上位机 为一台内部安装了物品管理软件的p c 机，它为智能储物系统提供人机交互的平 台，用于实现储物系统的用户验证功能、物品存取界面显示、物品的管理和检索 功能。自动执行机构由以a r m 7 微处理器l p c 2 2 1 0 为核心的下位机控制，执行上 位机发送的控制指令，使被选中的储物箱到达预定的位置来实现物品的自动存 取，并且能够实现异常情况下的快速报警功能。整个储物系统被安装在一个坚固、 密封的金属箱体中，该箱体可以被嵌入到墙体中或者作为房屋隔断使用，还可根 据用户需要设计为整面墙，或作为墙体的一部分。与传统橱柜或保险柜相比，它 非常隐蔽，并能够有效地利用室内空间。 本文详细介绍了基于p c 机及a r m 7 微处理器l p c 2 2 1 0 两种不同控制方式的 新型智能储物系统的设计理念，以及采用的相关智能控制方法和技术。采用a r m 控制方式实现了储物系统的物品自动化存取和安全报警功能，与传统存储装置相 比，该系统具有方便快捷、安全以及节省空间的优点。l p c 2 2 1 0 芯片的使用使储 物系统具有了很高的控制精度、实时性和可靠性，而p c 机与下位机l p c 2 2 1 0 芯片 间的通讯控制方法则进一步实现了储物系统对物品进行智能管理的功能。 智能储物系统作为一种新型的办公、家用储物装置，在未来的智能楼宇系统 中将具有良好的应用前景 关键词a r m 7 ；控制器；智能储物系统 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t b ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n ts t o r a g ee q u i p m e n ti sa l li m p o r t a n td e v e l o p i n g d i r e c t i o ni nm o d e m l o g i s t i c s ，a n dt h eu s a g eo fa u t o m a t i cs t o r a g ee q u i p m e n th a sb e e n s p r e a df r o mi n d u s t r i a le n t e r p r i s e st om o r ef i e l d s t 陆sp a p e rp r e s e n t san e wt y p eo f i n t e l l i g e n ts t o r a g es y s t e mw i t hs m a l ls c a l e w h i c hi sa p p l i c a b l ef o r 哪o fo f f i c ew o r k a n dh o m e a n dc a nb ea d o p t e dt os t o r a g ei m p o r t a n tg o o d ss u c h 船c a s h , b a n k b o o k , s e a l ，c e r t i f i c a t ea n dc o n f i d e n t i a lf i l e s ，e t c 1 1 i n t e l l i g e n ts t o r a g es y s t e mi sc o n s i s t e do f t h eh o s tp c t h em a n a g i n gs o f t w a r e f o rg o o dk e e p i n ga n dt a l d n g ，t h ea u t o m a t i ce x e c u t i v em e c h a n i s m 1 1 圮h o s tp ci sa c o m p u t e ri nw h i c ht h em a n a 咖gs o f t w a r eo fg o o d si si n s t a l l e d , i ts u p p l i e s a c o m m u n i c a t i o na l t e m a n tp l a c ef o rp e o p l ea n dt h es t o r a g es y s t e m , a n dc a nr e a l i z et h e t e s tf u n c t i o no fu s e fi n f o r m a t i o n , t h ew i n d o wf o rg o o dk e e p i n go rt a k i n g t h e m a n a g e m e n ta n ds e a r c h f u n c t i o no fs t o r a g e g o o d s 1 1 他a u t o m a t i ce x e c u t i v e m e c h a n i s mi sc o n t r o l l e db yt h ec l i e n tb a s e do na r m 7l p c 2 2 1 0g o r em i c r o p r o c e s s o r , i to b e y sc o n t r o lc o m m a n do ft h eh o s tp ca n dd r i v e st h es t o r a g eb o xt ot h e p r e c o n c e r t e dp o s i t i o nw h e r et h eg o o di sk e p to rt a k e n n 圮a u t o m a t i ce x e c u t i v e m e c h a n i s mc a l la l s of u l f i l lt h ef u n c t i o no ff a s tw a r n i n gf o re x c e p t i o n a ls t a t e 1 1 1 e a u t o m a t i cs t o r a g es y s t e mi sf i x e di nas o l i d i t ya n dh e r m e t i cm e t a l l i cb o x ，t h eb o xc a n b ee m b e d d e di n t ot h ew a l l o ri tc a l lb eu s e da st h er o o ms e p a r a t e - w a l l t om e e tu s e r s n e e d ，t h es i z eo ft h eb o xc , a nb et h ew h o l ew a l lo rap a r to ft h ew a l l c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lc a b i n e ta n ds a f e t y ，i ti sc o v e r - u pa n do c c u p i e ss m a l lr o o ms p a c e i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g ni d e ao ft h en e w i n t e l l i g e n ts t o r a g ee q u i p m e n t c o n 仃o h e d t h r o u g ht w om o d e sb a s e do na r m 7l p c 2 2 1 0c o r em i c r o p r o c e s s o ra n dp c ，t h e c o n 仃o lm e t h o da n dt e c h n o l o g yu s e di ns t o r a g ee q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e di nd e t a i l 1 1 1 ea u t o m a t i ck e e p i n ga n dt a k i n go fg o o d , w a r n i n gf u n c t i o na x ef u l f i l l e db yt h e c o n t r o lw a yo fa r m 7 a sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc a b i n e t , t h ei n t e l l i g e n ts t o r a g e e q u i p m e n th a st h em e r i t so f c o n v e n i e n c e s p e e d i n e s s ，s a f e t ya n ds p a c e e c o n o m i z a t i o n i n 也ep r e s e n t e di n t e l l i g e n ts t o r a g ee q u i p m e n t ，t h eh i g hc o n t r o lp r e c i s i o na n d r e l i a b i l i t yi sr e a l i z e db yl p c 2 2 1 0 ，a n dt h ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n tf u n c t i o nf o r s t o r a g eg o o d sa r ef u l f i l l e dt h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o lm o d eb e t w e e np ca n d l p c 2 2 1 0c l i e n t a san e wt y p eo fs t o r a g ed e v i c ef o ru s eo fo f f i c ew o r ka n dh o m e ，t h ei n t e l l i g e n t s t o r a g ee q u i p m e n tw i l lb ew i d e l yu s e di nf u t u r ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g s k e y w o r d sa r m t ；c o n t r o l l e r ；i n t e l l i g e n ts t o r a g ee q u i p m e n t n - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲雄隰坐4 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：三型! ：， 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 自动化仓储货柜的发展始于2 0 世纪5 0 年代。自动化仓储货柜是由电脑控制的 自动存取货物的仓储设备。其主要特点为全自动化操作，存取物品方便、快捷， 降低了劳动强度，提高了存取效率，能充分利用空间，并且可以实现存储物品智 能管理【i “。对自动化仓储设备的研究及成果的使用，可大大降低仓储物流成本。 在工业发达的欧美国家，自动货柜已经得到广泛应用。对自动货柜的使用， 几乎没有严格的行业和领域限制，自动货柜的使用也不再只局限于工业企业，而 是走向更多的行业和领域，在家庭及办公领域中也得到大力使用。自动货柜存储 的物品不再只是工业企业中的生产用品，而是扩大到文件、档案、家庭用品等等。 同样自动货柜的管理模式也发生了巨大变化，现代物流信息化的理念融入到自动 货柜的信息管理中，自动货柜向着数字化、信息化、智能化、人性化的方向发展， 而应用于家庭的自动货柜则发展成为一种数字化智能家电产品。 国内对自动货柜的研究尚属起步阶段，但随着国内经济不断发展，企业和机 关开始日益重视现代化的仓储物流管理。作为现代仓储物流的重要组成部分，全 自动货柜正获得越来越多的应用【】。 随着科技的发展和技术的进步，人们对办公设备和家居环境提出了更高的要 求。方便性，快捷性以及安全性成为人们选购设备的重要考虑因素，越来越多的 办公室和家庭已经不满足于传统的物品存储方式，而是提出了更高的要求。但是， 就应用于家庭及办公领域的储物装置而言，一方面，目前人们仍在使用传统的 储物橱柜存储物品，存在着存储效率低、安全性差、无法自动检索等缺陷。传统 的储物橱柜已经无法满足目前家庭及办公现代化等个性化需求，因此迫切需要 一种安全、快捷的智能化的储物系统；另一方面，储物装置的管理模式也发生 了巨大变化，现代物流信息化的理念融入到储物装置的信息管理中，自动货柜向 着数字化、信息化、智能化、人性化的方向发展，而应用于家庭的储物装置则发 展成为一种数字化智能家电产品。 针对以上问题，本课题研制的智能化储物装置是一种新型的应用于家庭及办 公领域的小型智能自动货柜，存储的物品主要是家庭或是公有重要物品，它将物 品的自动存取、科学管理、防盗报瞀、节省空间等功能融为一体，成为未来智能 楼宇系统的一部分。该储物装置通过上位p c 机进行人机交互，选择需要存取物 品的箱体，基于a r m 7 微处理器l p c 2 2 1 0 的下位机接收到上位机的控制信号后， 北京工业大学工学硕士学位论文 输出相应的位置控制信号，通过驱动器控制步进电机运转，步进电机带动机械传 动机构进行运行( 机械传动机构由两条相互平行的齿轮链条机构组成，储物箱体 通过悬挂装置悬挂于两条相互平行的链条中间) ，从而带动储物箱体到达预定的 位置。整个储物传动机构被安装在一个坚固的金属箱体中，该金属箱体可以被嵌 入到墙体中或者作为房屋隔断使用，合理而有效地利用了室内空间。 智能储物装置主要解决的问题是：家庭及办公领域贵重物品的安全保障；家 庭及办公领域重要物品的合理存放和方便、快捷地存取；对储存物品进行方便的 检索和系统的管理以及家居空间的合理利用。 智能化储物装置不但具有自动货柜的功能特点，而且还具有保险柜功能和多 种自动报警功能，对它的研制具有重要的现实意义 1 2 智能储物系统的研究现状和应用 随着仓储市场的迅速发展，各式各样的仓储设备层出不穷，现就家庭及办公 领域的应用加以论述 经调研及查阅资料，发现目前常用的储物设备如：华润励致洋行家私( 珠海) 有限公司生产的l g w 系列储物橱柜，主要为了适合储存种类繁多之各种用品及 办公室文件而设计的，它是一种具有如书架、衣架、档案架、抽屉柜及写字板等 多功能性的存储装置。该公司生产的c t u r b o 系列文件柜是专为储存大量及多 种类型的文件而设计的，其活动式的结构有助于节省空间；c u n i c l a s s 系列文 件柜的卷门设计同样为节省空间且便于存放物品。又如：北京金兴钢质办公家具 有限公司生产的a 2 15 0 0 、a 2 81 5 0 0 系列保险柜，其各种不同的尺寸适用于家庭 及办公室储藏贵重物品或重要文件。但是，使用者在使用上述介绍的这些储物橱 柜、文件柜及保险柜存取物品时存在以下缺点：由于储物橱柜顶部较高、而底部 又较低，存取物品时需要爬上爬下，不但效率低，而且不方便：当存放物品较多 时，虽然可通过贴标签的方式以示区别，但难以细致登录，也无法快速检索：储 物橱柜或文件柜，尽管采用卷门方式，该柜前面也无法放置其它物品，否则便会 影响储物柜物品的存取，橱柜前需要留出较大的空间；储物橱柜或文件柜不适宜 存放贵重物品，因为其门容易被强行打开而失窃。而采用上述保险柜来存放贵重 物品时，- - n 保险柜价格高、二则目标过于明确，同样容易被刻意破坏，一些小 型保险柜甚至容易被整体盗走，也不安全。 本课题研制的智能化储物装置克服了传统储物装置的缺陷，作为方便、安全、 智能化的家庭或办公物品存储装置，具有明显的优点及良好的应用前景。但经检 索目前并没有发现国内有关智能化储物装置的研究资料和技术。 第1 章绪论 1 3 论文的研究目标及研究内容 本课题所研制的智能储物系统采用p c 机作为上位机对储物装置中存储的 物品进行科学、系统的管理，并可对存储物品进行方便地检索，利用基于a r m 7 l p c 2 2 1 0 控制系统的下位机来控制储物装置实现自动存取和快速报警功能。用 户只需通过人机交互平台中的鼠标、键盘等设备选择自己需要进行的存取、检索 等操作，就可以方便的完成存取物品和管理物品的功能。 本课题的研究目标是研制一套小型智能储物系统。研究内容包括：( 1 ) 机 械部分设计；( 2 ) 设计并实现微机控制系统中控制驱动、自动报警、位置检测 部分硬件设计、软件编程：( 3 ) 与主机联调，完成输出控制、检测功能。 1 4 论文的结构安排 论文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章：绪论，介绍课题的背景、研究现状、研究目标、主要研究内容和论 文结构安排。 第二章：智能储物系统的总体设计。 第三章：智能储物系统硬件平台的研制，论述智能储物系统硬件平台各部分 的设计与实现。 第四章：a 鼬嵌入式系统控制方式，介绍直接使用a r m 7l p c 2 2 l o 控制芯 片实现智能储物系统的功能控制。 第五章：p c 机控制方式，介绍采用p c 机和a r m 芯片共同实现智能储物系统 的各项功能，使智能储物系统的功能更加强大，使用更加灵活。 最后的结论部分总结了本文的主要研究内容和创新点，预铡了智能储物系统 的应用前景，同时，对今后进一步在本研究方向进行研究应做的工作进行了展望 与设想。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 设计要求 第2 章智能储物系统的总体设计 2 1 1 系统概述 本课题研究的智能化储物系统，利用计算机辅助设计方法( a u t o c a d ) 进 行设计，是一种根据传动控制原理，在微型计算机的控制下，可以方便、快捷地 存取物品的智能化储物装置。智能化储物装置在需要时可以取代室内非承重墙， 作为隔断使用，有效的利用了室内空间。另外通过坚固的外壳和智能控制及报警 系统的应用，提高了该储物装置的安全防范能力，使之除了具有自动存取物品的 功能外，还具有储存贵重物品的保险柜功能。 智能化储物系统由上位机、物品存取软件和以下位机为核心的自动控制执行 机构三大部分组成。操作者在使用智能化储物系统时利用显示器及键盘进行人机 交互，通过屏幕显示的菜单提示操作，进行相应选项后，控制系统将根据选项控 制伺服传动机构的运行，使被选择箱体准确地停放在储物装置的窗口位置，同时 其门内电磁锁将自动打开，此时，操作者可根据自己的愿望在被选中的储物箱体 中存取物品，并通过修改物品记录窗口对物品记录进行增删，以备检索。如果装 置窗口门或装置外壳遭到破坏被强行打开，报警系统将自动启动，实现现场报警 或远程拨号报警。 2 1 2 智能储物系统的设计要求 智能化储物系统的设计要求具有以下基本特性 2 s - 7 ：第一，自动、快捷地存 取物品功能；第二，对存储物品进行科学管理的功能；第三，具有安全防范功能； 第四，节省空间。 基于智能化储物装置要实现方便，快捷，安全的存取物品，同时整个装置的 设计还要能够满足不同用户个性化的需求，因此对结构的设计提出了较高的要 求。首先，整个装置在结构上的设计应该具有灵活性，能根据用户的不同需求方 便地做出尺寸调整，又基于安全性的考虑，外壳应该牢固，不容易被破坏；其次， 在装置的内部结构上，存放物品的箱体在装置内部的传动方式也非常重要。智能 化储物系统不但要求各个箱体能够平稳地、准确地传送到取物窗口，并且希望储 物装置占用的空间应尽可能的小。因此，在对智能化储物系统进行设计时，应该 第2 章智能储物系统总体设计 将以上各方面结合起来综合考虑，处理好各个部分之间的关系，才能作出最佳的 设计。 因为考虑到实验室空间有限以及智能储物系统硬件制作在实验室中实现的 可行性和经济性，最后决定先设计制作一个小型智能储物系统样机模型。 2 2 智能储物系统的结构设计 2 2 1 智能储物装置的设计思想 智能储物装置独特的设计思想有四点：一是智能储物装置具有自动存取物品 的功能，与传统的储物橱柜、保险柜相比，它省去了人工爬上、爬下的存取，对 物品的存取实现了自动化，省时、省力：二是智能储物系统能够通过计算机对存 储物品进行系统的管理和方便快速地检索：三是智能储物系统所具有的快速报警 功能可以提供快速的现场与远程报警，这使它的安全防范性能大大提高；四是智 能储物系统可以被嵌入到墙体中或作为隔断使用，而不再单独占用空间，这使得 它与建筑体融为一体，隐蔽、并且更加节省空间。与之相比，保险柜目标太明显， 容易被盗，而传统的橱柜既太占用空间又无保险功能。智能储物系统的设计和存 取物品窗口的位置还能够依据用户的不同要求进行灵活变更，体现了人性化的设 计思想。图2 1 为智能储物装置室内放置示意图。 2 2 2 系统结构 卧室 客厅 图2 1 室内放置示意图 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i cp l a c e m e n td i a g r a mi nt h er o o m 基于a r m 7l p c 2 2 1 0 控制系统的智能储物装置系统由上位计算机、执行机 构( 包括步进电机、步进电机驱动器和机械传动机构) 、位置检测器、报警器以 及以a i t m 7l p c 2 2 1 0 控制系统为核心的下位机控制器组成。图2 2 为系统结构框 图。 储置能装智物 北京工业大学工学硕士学位论文 i 图2 2 系统结构框图 f i g 2 - 2t h ec o n f i g u r a t i o no f t h es y s t e m 上位机为一台内部安装了物品存取软件的p c 机。它为智能储物系统提供 人机交互的平台，来实现智能储物系统的用户验证功能、物品存取界面显示、 存储物品的管理和检索功能。以基于a r m 7l p c 2 2 1 0 的下位机为核心的自动控 制执行机构接受上位机发送的控制指令，通过自动控制使被选中的储物箱体到 达预定的位置来实现物品的自动存取和异常情况下的快速报警功能。整个储物系 统被安装在一个坚固、密封的金属箱体中。储物系统存取物品的窗口可以根据用 户的愿望开在箱体表面的任何位置，门内安装有电磁锁。存储物品用的箱体由多 个小箱体组成，数量和内部结构根据用户需要确定，这些小箱体通过悬挂装置悬 挂于机械传动机构上 2 3 系统方案设计 2 3 1 参考设计方案 智能化储物装置被设计成一套完整密封的墙式结构，其中空部分安装可伺服 传动的储物箱体，智能化储物装置的机械传动结构的设计采用类似游乐场的空中 旋转游览车的小型旋转结构，所不同的是：每一个原本坐人的位置都被置换成可 以储物的箱体而存放物品。旋转结构中可根据需要安装数个储物箱体，每个箱体 都有其特定的编号。这些储物箱体被伺服电动机减速后拖动运行，在运行过程中 其位置不断被固定在外壳上的位置检测器检测，并把检测信号传送给控制器。检 测到的位置信号与其给定的位置信号进行比较，经过控制算法运算，输出相应的 控制信号，从而使被选中的储物箱体准确运行到特定位置，以实现定位的要求。 第2 章智能储物系统总体设计 存、取物品的窗口可以开在储物装置外壳的某一个适当的位置，其窗口门内安装 电磁锁，由微机控制。当需要存取物品时，打开微机( 可根据需要设置用户密码) ， 操作者利用显示器及键盘进行人机交互，通过显示的菜单提示操作，进行相应选 项后，微机系统将根据选项控制伺服传动机构的运行，使被选择箱体准确地停放 在储物装置的窗口位置，同时其门内电磁锁将自动打开。此时，操作者可根据自 己的愿望在被选中的储物箱体中存取物品，并通过显示器及键盘对该物品记录进 行增删，以备检索。图2 3 是小型旋转结构式智能化储物装置机械结构图。 图2 - 3 机械结构图 f i g 2 3t h es t r u c t u r eo f t h em e c h a n i s m 但是，通过对以上方案进行分析，发现方案中存在两个问题：一是储物装置 的机械传动结构采用小型旋转结构，这种结构的灵活性较差，只要制做完成，则 储物箱体的个数和悬挂的位置就已经被确定，而很难再进行改变，另外，这种结 构还使得装置上取物窗口开取的位置受到限制，并且相对于储物装置墙式的外壳 来说，采用小型旋转结构对装置壳内空间的利用率不高。二是本方案选用了伺服 电机作为传动机构的动力源，伺服电机具有能够进行准确定位的特点，但是伺服 电机也存在着控制电路复杂、成本高的问题，而这些都与储物装置所要求的简单、 经济的宗旨相违背。因为本课题对定位精度的要求不是太高，所以我们最后选择 了成本较低但定位精度可以满足要求的步迸电机作为储物装置的动力源。 2 3 2 课题设计方案 在本方案中，智能化储物装置设计成由上位机、物品存取软件和以下位机 为核心的自动控制执行机构组成。上位机为一台内部安装了物品存取软件的 p c 机，它为智能储物系统提供人机交互的平台，来实现智能储物系统的用户 验证功能、物品存取界面显示、存储物品的管理和检索功能。以基于舢洲7 l p c 2 2 1 0 的下位机为核心的自动控制执行机构接受上位机发送的控制指令，通 过自动控制使被选中的储物箱体到达预定的位置来实现物品的自动存取和异常 北京工业大学工学硕士学位论文 情况下的快速报警功能。 智能化储物装置的机械传动结构采取齿轮链条传动结构，传动机构由两条相 互平行的齿轮链条机构组成，储物箱体通过悬挂装置悬挂在两条相互平行的链条 中间。运行时由步进电机带动一级齿轮运转，一级齿轮与二级齿轮啮合进行减速 后，同步带动两个相同型号的链轮运转，两个链轮再分别带动两条平行的链条运 动，从而保证了这两条平行的链条具有相同的运行速度，链条运动带动储物箱体 运行到达指定的位置。储物装置存取物品的窗口可以根据用户的愿望开在箱体表 面的任何位置，门内安装有电磁锁。存储物品用的箱体由多个小箱体组成，数量 和内部结构可根据用户的需要确定 图2 _ 4 机械传动方式示意图 f i g 2 - 4t h es c h e m a t i ct r a n s m i s s i o nm o d ed i a g r a mo f t h em e c h a n i s m 对于传动机构动力源的选取，本方案选用步进电机作为传动机构的动力源， 因为通过对其它种类电机特点的分析，直流电机或交流电机无法达到步进电机所 能达到的定位精度，伺服电机需要复杂的控制，这些都无法很好地满足储物装置 能够准确定位、成本低的要求。相比较而言，步进电机具有控制简单、成本低的 特点，并且它的定位精度也能够满足本课题的定位要求，所以最后选择步进电机 作为动力源，通过加装减速齿轮组对电机转速进行减速处理，降到合适的转速。 图2 _ 4 是智能储物装置机械传动方式示意图。 相比于2 3 1 中提出方案的设计本方案中对智能化储物装置的设计，更加注 第2 章智能储物系统总体设计 重了个性化、灵活性和有效利用空间特点的设计，而且此方案的采纳，也使得智 能化储物装置的制造成本更加经济。 2 4 本章小结 本章介绍了智能化储物系统的总体设计方案。首先介绍了系统的设计要求和 本课题提出的这种智能化储物装置所具有的独特的设计思想，接着对智能化储物 装置采用的系统结构进行了介绍，智能化储物装置整体上采用了基于a r m 7 的嵌 入式系统结构。文中引入了一个智能化储物装置参考方案的设计，并对此方案的 优缺点作了一定的分析。在此基础上介绍了本课题对智能化储物装置的方案设 计，内容包括系统实现的原理、具体实施方案，本方案与参考方案的不同点以及 它所具有的优势等。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章智能储物系统硬件平台的研制 3 1 机械部分设计 智能储物系统机械部分的设计包括机械传动部分的设计和系统箱体外壳的 设计。 3 1 1 机械传动部分设计 3 1 1 1 智能化储物装置传动方案的设计 传动机构是整个智能储物装置实现功能的重要部分。传动方案的选择主要是 来确定通过何种传动方式使存放物品的箱体在装置内部运动，使被选择的箱体传 动到存取物品窗口 常用的传动方式有链传动和带传动 8 1 。 带传动一般是由主动轮、从动轮、紧套在两轮上的传动带及机架组成。带传 动是通过带与带轮之间摩擦力的作用，从而实现运动动力的传递。皮带传动传动 平稳、噪音小，结构简单，制造、安装和维护方便。但是带传动也存在着装置外 廓尺寸大、结构不够紧凑，并且带的寿命较短，需经常更换的缺点。 链传动( 见图3 1 ) 由两轴平行的大、小链轮和链条组成。链传动是靠链轮 齿和链条之间的啮合来传动，常用于一般机械传动装置中。在链条的生产和应用 中，传动用短节距精密滚子链占有支配地位。 链传动与摩擦型带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而具有能保 持准确的传动比( 平均传动比) 、传动效率较高的优点，又因链条不需要像带那 样张得很紧，所以作用在轴上的压轴力较小，而且在同样条件下，链传动的结构 比较紧凑。链传动主要应用于要求工作可靠，且两轴相距较远的中低速传动 场合【引。 图3 i 链条传动图 f i g 3 1t h ec h a i nt r a n s m i s s i o n 第3 章智能储物系统硬件平台的研制 根据本课题研究的智能化储物装置对机械传动机构的要求：传动比恒定，工 作可靠。结构紧凑、易于安装，成本低廉。通过比较两种传动方式的特点结合本 课题的具体需求发现与带传动相比，选用链条传动方式具有更多的优点比如运 行稳定、容易悬挂储物箱体。而带传动最大的一个缺点是使储物箱体悬挂困难。 经过比较，最终选择使用链传动方式。 本课题对智能化储物装置机械传动结构设计采用了齿轮链条传动结构，传动 机构由两条相互平行的齿轮链条机构组成，储物箱体通过悬挂装置悬挂在两条相 互平行的链条中间。齿轮链条传动方式见图2 - 4 。由图中可以看出，步进电机带 动减速齿轮组运行，齿轮组对电机转速进行减速后同轴带动两只相同型号的链轮 ( 链轮1 ) 运转，链轮l ( 2 只) 通过啮合链条带动链轮2 ( 2 只) 运转，链轮2 再分 别带动同轴安装的链轮3 ( 2 只) 转动，链轮3 通过与两条相互平行的输送链条( 悬 挂了储物箱体) 分别啮合带动储物箱体运动其中2 只链轮1 之间、链轮2 和链轮3 之间都是同轴安装，因此保证了这两条输送链条同速运行，储物箱体悬挂于两条 互相平行的链条之间随着链条进行运动。图3 - 2 为机械传动结构图。 图3 2 机械传动结构图 f i g 3 - 2t h et r a n s m i s s i o ns u u c r i r eo f t h em e c h a n i s m 3 1 1 2 机械传动结构的设计 ( 1 ) 电机的选型与安装结构设计( 以样机为例)电动机的种类有很多种， 根据该储物装置的运行特点与要求，我们选用步迸电机作为此装置传动机构的动 力源。步进电机是一种利用电脉冲信号进行控制，将控制电脉冲转换成相应的角 位移或线位移的执行机构。步进电机的使用需要有相应的驱动系统( 驱动器) 及 控制系统与之相匹配，是典型的机电一体化产品。 电机型号的选取通常是通过计算传动部分折合到电机轴上的转动惯量，再根 北京工业大学工学硕士学位论文 据转矩计算方法计算出转矩值来选择电机的型号( i 肛“1 。 电机转矩计算：已知所选链轮的齿数为1 7 ，节距为9 ，5 2 5 m m ，厚度为2 5 c m ， 直径为4 5 c m ，链条每米的质量为1 0 5 k g ，大约使用4 m 。设每个储物小箱体的质 量为1 0 k g ，共悬挂l o 个小箱体，共计1 0 0 k g 。 计算链条运行的速度：要求距离储物装置取物窗口最远的小箱体运行到取物 窗口的时间为3 0 秒，整个链条的长度经计算所得约为1 7 m 。这样，距离最远小箱 体的运行距离近似等于1 7 m 。那么，链条的线速度( 箱体运行速度) 为： 1 7 m 3 0 s = 0 0 5 7 m s ( 1 一1 ) 链条的平均速度 式中r 喵轮的齿数； 矿啭轮节距； 月j 链轮转速。 则，链轮的转速 矿：型1 6 0 + 1 0 0 0 矿+ 6 0 + 1 0 0 0 刀1 2 z p 已知减速比为9 ，那么电机的转速 一= 9 n 电机的角速度 = 百2 ：o i 计算负载惯量 式中西为链轮的转动惯量 川 + 丽w d 小哮( 闩8 7 1 ) c m 3 ) 。r 百【，叫 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( i - 6 ) ( i - 7 ) 式中彤链条、箱体的质量： e 链轮厚度； 伊链轮直径。 根据传动比计算负载惯量折算到电机轴上的转动惯量与电机转动惯量之和 得：以= 5 2 1 9 c m 2 。 由转矩公式 瓦：以粤 o - s ) a l 得到转矩乃司3 7 n m 。 在计算过程中，齿轮传动的转动惯量被忽略，这是因为传动过程中齿轮转动 惯量相对于链条传动来说比较小，而且电机转矩的计算只是一个粗略的计算。 第3 章智能储物系统硬件平台的研制 步进电机主要分为三大类，永磁式，磁阻式和混合式。其中后者性能较好， 具有如下特点：力矩大：定位准确，特别适用于位置控制场合；不怕堵转，系统 寿命长：转速控制范围大，特别是低速力矩大；开环控制，使系统成本降低；低 速运行平稳，高速性能好；功耗低。结合智能化储物装置对传动机构的要求，考 虑到必须要使储物箱体准确地停放在取物窗口，所以定位准确的特点就非常重 要：考虑到电机带动的负载较大，而且是经常会变化，所以对电机的力矩特性和 运行的平稳性要有一定的要求；对一个产品来说，成本也非常关键，只有尽可能 的降低成本，才能很好的推广产品，所以功耗低，成本低又是很重要的。步进电 机具有：转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低及波形的影响；步进差距不会 长期积累，转动一周后误差就自动回零；易于采用脉冲信号控制等突出优点。 根据电机转矩计算值，经过市场调研、比较，最终选择了和利时电机公司生 产的型号为5 6 b y g 2 5 0 d s a s s b l 0 2 4 1 的步进电机，该种型号的电机具有体积 小，低振动的特点。电机主要技术参数如下： 相数：2 步距角：0 9 1 8 。 静态相电流：2 4 a 保持转矩：1 7 2 n m 定位转矩：0 0 7 n m 空载启动频率( 半步方式) ：3 0 k h z 重量：l k g 转动惯量：4 6 0 9 e m 2 步进电机在储物装置中的安装位置位于整个传动链条的右下方，由步进电机 带动齿轮，齿轮又与链条的链轮构成传动关系，从而带动整个装置运动。 ( 2 ) 齿轮组的设计齿轮组在该装置中具有两种作用：一是传递力矩，安 装于步进电机轴上的齿轮组带动链轮转动，链轮又带动链条运动；二是起到减速 的作用，齿轮组对电机输出转速进行减速后，带动链条运动。 根据该储物装置对链条运行速度的要求，经过计算得出电机转速与链轮的转 速比为l o ：1 。因此考虑用齿轮组和链轮进行两级减速来达到该储物装置对链条 运行速度的要求。在齿轮组的设计中，我们选择齿轮组的传动比为l ：3 ，因此齿轮1 和齿轮2 ( 见图2 4 ) 的齿数比也为l ：3 ，同时让链轮1 和链轮2 的齿数之比也是1 3 ， 这样总的速度比就为1 ：9 。基本上达到了设计要求。 选择齿轮时有两个参数非常关键，必须确定：一是模数，二是齿数。在动力 传动时通常选择模数m 大于等于1 5 2 ，故该装置( 样机) 选择模数为2 的齿轮。齿 轮的工作方式可以分为三种：开式、半开式和闭式。本装置属于开式工作方式。 开式工作方式的齿轮齿数一般选择在1 7 2 0 之间。如果选择齿数为1 7 齿，经计算 齿轮外形尺寸较大，比较占用空间依据优先选择奇数齿的原则【1 2 】，选择齿轮l 北京工业大学工学硕士学位论文 的齿数为1 5 齿，根据齿轮组传动比为1 ：3 ，经过计算后选择齿轮2 的齿数为4 5 齿。 ( 3 ) 链轮、链条的设计在上文智能化储物装置传动方案的设计中，我们 已经对链传动作出了设计，其中链轮1 与链轮2 构成传动比为3 ：l 的传动关系。为 了简化设计、降低成本，将链轮l 与链轮3 设计为相同型号的链轮，所有链条设计 为相同型号的链条。 链轮与链条的选取必须相互配合，节距必须相等，否则链轮无法带动链条传 动。在选择链条链轮型号时应该优先选择符合国家标准的链条链轮。 首先选取链条，在链条的生产和应用中传动用短节距精密滚子链占有支配地 位，所以首选滚子链。选择链条时有几个关键参数必须确定。两销轴之间的中心 距称为节距，节距p 是链传动的一个重要参数。链条的节距越大，销轴的直径、 链条强度和承载能力就越大，传动能力越强。但是，链节距越大，传动时引起的 冲击，振动和噪音也越大。为使传动平稳和结构紧凑，应尽量选用节距较小的单 排链。 因为该储物装置的设计要在链条上插装横杆来悬挂储物箱体，所以必须选择 带有输送用途的链条。经过市场调研，查找到一种中间带有附板的链条【1 3 】( 见图 3 3 ) ，链条的每个链节上都带有一个竖直的附板，板上有孔，正好可以安装横 杆，满足储物装置悬挂储物箱体的要求经过综合考虑。最终决定选用节距为 9 5 2 5 m m 的链条。 p 图3 - 3 运输用链结构图 f i g 3 - 3t h es t r u c t u r eo f t h et r a n s m i s s i o nc h a i n 链轮的主要参数有：节距和齿数。根据链轮节距必须与链条节距相等的原则， 确定链轮节距为9 5 2 5 m m 。 选择链轮齿数时必须考虑以下问题：链轮齿数少则动载荷增大，传动平衡性 差，因此链轮的最少齿数一般限制为1 7 齿，当链速很低时可取9 齿，齿数也不应 过多，以免增大传动机构尺寸；考虑到均匀摩损，链轮齿数应优先选用1 7 、1 9 、 2 l 、2 3 、2 5 、3 8 、5 7 、7 6 、8 5 、1 1 4 齿；通常链传动的传动比i 野，推荐i f f i 2 3 5 ， 该储物装置的链传动比根据装置减速要求在上文中己确定为3 。根据以上原则， 选择链轮1 齿数为1 7 齿，因为链传动比确定为i = 3 ，所以选择链轮2 的齿数为5 l 齿， 第3 章智能储物系统硬件平台的研制 链轮3 的齿数与链轮1 齿数相同为1 7 齿，满足储物装置的设计要求。 ( 4 ) 轴上装配方案的设计轴上装配方案的设计是指图2 - 4 中轴1 ，轴2 和轴 3 装配方案的设计。 轴1 装配方案的设计：轴1 上安装有主动链轮1 、齿轮2 和轴承，轴与轴上件的 安装为紧配合。轴承使用可调轴承架进行支撑，当轴在转动中出现偏心时，可调 轴承架能够进行自动调整，保证了转动的稳定性和安全性。在该装置样机轴1 设 计中，通过对轴上承受负荷粗略的估计，综合考虑了轴的强度、刚度后，对轴l 进行了设计。图3 - 4 为轴1 装配结构示意图。 渤 链轮l 冀 4 口厂r 呻l 、厂 r 笏翮 8 躐 冽一j 狰凶 鎏鋈 凶震i 图3 - 4 轴l 装配结构图 f i g 3 - 4t h ea s s e m b l es t r u c t m eo f t h ea x i sl 轴2 装配方案的设计：轴2 上安装有链轮2 和链轮3 ，其中链轮2 与链轮1 进行啮 合，链轮3 带动输送链条使储物箱体运动。链轮2 和链轮3 通过螺拴相互固定，使 两轮一起转动。轴2 通过螺栓固定于储物装置龙骨内侧，图3 5 为轴2 装配结构图。 氅， q 轴承轴2 厂厂 。一馐 獾 7 迄浆 鼍 图3 5 轴2 装配结构图 f i g 3 5t h ea s s e m b l es 咖c n o f t h ea x i s2 轴3 装配方案的设计：轴3 上也安装有链轮3 并且通过螺栓固定于储物装置龙 北京工业大学工学硕士学位论文 骨内侧。轴3 上链轮3 的齿与轴2 上链轮3 的齿必须在一条线上，用同一根链条带动。 图3 6 为轴3 装配结构图。 、钾 ，_ l 轴承轴3 厂厂 ， i l u 瞳l 1 w 图3 - 6 轴3 装配结构图 f i g 3 - 6t h ea s s e m b l es l r u c a _ i _ l r co f t h ea x i s3 ( 5 ) 储物小箱体的设计为了存取物品方便，样机中储物小箱体的内部结 构被设计成抽屉式结构。 在设计储物小箱体的悬挂装置时要考虑到以下问题：第一，箱体在运行时既 有水平运动，又有垂直运动，所以箱体与悬挂箱体的横秆问不应是紧配合，而应 该可以灵活转动；第二，箱体由于是悬挂着的，在运动过程中必然会晃动，所以 应该避免箱体的摇摆和在横杆上的水平滑动。 3 1 2 智能储物系统箱体外壳设计 智能储物装置样机由龙骨、外壳和内部传动机构三部分组成。龙骨有两个作 用：第一，它承担内部传动机构的所有重量起到支撑作用；第二，机柜的外壳 都附着在龙骨上，依靠龙骨组成智能储物装置安全防范的第一道防线。 箱体外壳的设计要考虑到装置的尺寸，特别是长和高两个尺寸能够根据用 户的不同需求灵活她做出相应变动。因为该装置内部的传动机构以及装置外壳的 安装都是通过固定于龙骨上来实现的，因此龙骨的结构设计采用了不同长度的u 形槽钢组装而成，这样当智能储物装