停車機器人的設計（泊車機器人設計）

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Finite-time Stabilization of a General Class of Nonholonomic Dynamic Systems via Terminal Sliding ModeJ. International Journal of Automation and Computing,2016,(06):585-595.17ZHUANG HongChao,GAO HaiBo,DENG ZongQuan,DING Liang,LIU Zhen. A review of heavy-duty legged robotsJ. Science China(Technological Sciences),2014,(02):298-314.指導教師意見：對“文獻綜述”的評語：文獻內容與論文選題相關，閱讀文獻數量滿足要求。對總體安排和進度計劃的評語研究進度及計劃可行，同意開題。 指導教師簽名： 年 月 日教研室意見： 同意教研室主任簽名： 年 月 日學院意見： 教學院長簽名： 年 月 日停車機器人的設計DESIGN OF PARKING ROBOT 摘要本論文主要設計研究雙層垂直升降式停車裝置，該裝置是處理現代車位嚴重緊缺，停車麻煩等問題的高效措施。該裝置具有自己行走,自動升降汽車以及準確定位停放車輛的能力。機器人構造主要有主體結構、行走系統、升降系統以及安全保護系統幾部分構成，通過對機械裝置PLC控制完善停車機器人的能力，控制其按程序行走和升降。停車機器人主體結構分為兩個部分，一是帶有行走輪子的車架，車架為固定的，另一部分是能夠升降的叉板，應用于抬升轎車，行走輪子能夠運動轉向，采用能夠充當萬向輪作用的輪子，構思選取麥克納姆輪，四個麥克納姆輪配備四臺相同的電機帶動，以此來控制我們的停車機器人進行轉向，控制其速度大小。待停車輛起落機構使用安裝固定在車架上的兩個液壓缸工作桿的伸縮進行控制，通過液壓缸帶動鏈輪傳動系統。把鏈條一端固定在升降橫梁上，另一端固定在車架上，兩個液壓缸伸縮輸出軸上固定轉軸，轉軸上安裝鏈輪，保證其周向運動，油缸輸出軸推動轉軸，轉軸上安裝鏈輪，鏈輪旋轉運動，鏈輪旋轉將運動傳遞給鏈條，拉動鏈條上下直線移動，通過鏈條拉動升降叉在導軌橫梁上直線往復運動完成待停車輛起降的工作。對我們構思的設備進行機械結構的分析，選取麥克納姆輪配套電動機的型號以及具體參數、動力源與執行元件之間同步輪傳動的分析與構思、起落液壓缸的分析與構思、鏈輪的構思分析等，通過利用PROE對停車機器人構造進行三維建模，最后要對停車機器人運用電氣控制。關鍵詞 停車機器人；麥克納姆輪；升降系統；電氣控制 AbstractThis paper mainly designs the double deck vertical lifting parking device, which is an efficient measure to deal with the serious shortage of parking spaces and troubles in parking. The device has the ability to walk, automatically lift cars, and locate parking vehicles accurately. The robot structure of main body structure, walking system, lifting system and safety protection system of several parts, by improving the ability of parking robot controlled by mechanical device to control the PLC, according to the procedure of walking and lifting.Parking robot body structure is divided into two parts, one is the walking frame with wheels, the frame is fixed, the other part is capable of lifting fork plate, used for lifting car, walking wheels can turn, the universal wheel can act as the role of the concept of Mecanum wheels, select four Mecanum wheel equipped with wheels. Four sets of the same drive motor, in order to control the robot to our parking control, its velocity. The parking gear of the parking gear is controlled by the expansion of the two hydraulic cylinder working rods fixed on the frame, and the sprocket drive system is driven by a hydraulic cylinder. The chain end is fixed on the lifting beam, the other end is fixed on the frame, two telescopic hydraulic cylinder is fixed on an output shaft of the sprocket shaft installed on the revolving shaft, the circumferential motion of the output shaft, cylinder drive shaft, shaft sprocket, sprocket wheel rotation, rotation motor to pull the chain chain. Under the linear movement, through the chain to pull the lifting fork in the guide bar straight reciprocating motion to stop car landing work. Analysis of mechanical structure of our design equipment selection Mecanum wheel motor model and supporting specific parameters, power source and actuators synchronous wheel drive analysis and design, analysis and design of hydraulic cylinder gear, sprocket design analysis, through the use of PROE on the mechanical structure of robot parking structure modeling and analysis of its main and parts of the force, and finally to use the electrical control of parking robot.Keywords stop the robot McKennas wheel the elevator system electrical control31目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題意義和目的11.2 設計現狀分析21.2.1 停車機器人的分類21.2.2 停車機器人的發展歷程21.2.3目前停車位發展要求31.2.4停車機器人的優點41.2.5 停車機器人主要構造41.3設計重要內容和解決問題62 總體方案設計及擬定8 2.1 控制系統和電器構思方案82.2機械部分構思計劃83 停車機器人機械方面構思及設計123.1停車機器人車架的設計123.2行走驅動機構的計算133.2.1停車機器人運行阻力計算133.2.2 驅動電機的轉速和扭矩的計算143.3 傳動軸的計算153.4 同步帶的選型163.5 升降構造的設計分析184 停車機器人受力分析234.1升降裝置有限元分析234.2軸的有限元分析265 控制系統設計295.1 控制系統總體結構295.2 各個模塊的設計與運行315.3 I/O接口分配325.4 導引裝置的選擇33總結35致謝36參考文獻371 緒論1.1 課題意義和目的人們生活水平的漸漸進步，物資需要不斷擴充，代步工具的便利和快速發展以及汽車的成本下降帶來了各地機動車數量劇增的狀況，然而由于土地資源高度缺少，人均擁有數量不斷降低，這一增一降直接產生了停車位嚴重不足，隨即出現了交通擁擠以及停車艱難的場面。停車問題隨著汽車的出現而產生，我們如何在土地不足，停車位難尋的“搶車位”年代，設計出有效的停車形式是人們急切需要的。目前處理停車困難的最好辦法是設計全自動的多層式立體車庫，構造緊湊，高效方便，可以說是一舉多得。停車困難是妨礙城市交通建設和未來發展的急需處理的問題，如何在不多的土地上搭建出更多的停車位置是我們從根本上處理問題的方向。目前幾種可行的停車方式主要有多層升降式、循環式、平行移動式、巷道堆垛式。 圖1-1 城市停車現狀當今農村正在向城鎮化轉型，人們生活水平提高了。物質需求不斷擴充，比如轎車購買量的迅速擴大，與此同時我們經濟發展好的城市能夠使用的土地擁有量高度缺乏，車位與車輛在數量上嚴重失衡，車位設施總體上數量非常不足，配置不完善，使用效率低以及停車管理方法不到位，因此出現了非常嚴峻的停車困難場面。停車機器人的構思正是處理此問題的好辦法。圖1-2停車機器人實圖本次設計方案就是為了處理目前發生的停車位緊缺，停車困難的囧狀。采用停車機器人進行泊車不會浪費車主時間，而且也解決了車庫事故頻發的問題。既有所需空間小、成本低也有安全便利等優點，在不久的將來停車機器人停車會成為主要停車方式，擁有可觀的市場前景以及實際的操作可行性。1.2 設計現狀分析1.2.1 停車機器人的分類依據使用環境具體情況，高科技停車方式可以分為多種結構和樣式；依照構造，可分為四柱結構型式、二柱結構型式，也叫后懸臂型式；按車位布置形式分：1） 全地上布置形式：有二層到五層四種，一般不會超過五層，層數越高我們越要保證工作效率，滿足車主使用需求。 2）半地下布置形式：半地下布置形式比全地上布置能多建車位，空間使用率高，但土建資金投入大。3）重列式布置形式：（一般只能設置單個車道時采用，或者是雙車道，但能布置多排以上停車位時，可應用這種配置方式）優點是車道用地少，節約土地增加了車位。缺點是車主泊車不夠方便。按車輛起降方式分：1）鋼絲繩牽引起降 2）鏈條帶動起降 3）液壓缸推動起降4）螺桿旋轉起降 5）組合起降方式1.2.2 停車機器人的發展歷程圖1-3智能停車機器人機械式立體升降輔助停車設備的運用擁有許久的的歷史了。泊車機器人的發展正在一步步革新，以前的機械式停車設備大多是筆直循環式的，它能最大程度的利用空間，提高使用效率。伴隨著科技的高速發展，停車設備從單一走向了多元化，同樣由于經濟的迅猛發展，特別是轎車進入千家萬戶，車位的嚴重緊缺，更大的增進了機械式立體停車機構的發展與應用。許多制造企業看到了這一科技的發展前景，紛紛加入投資，加大對新技術的研發力度，為科技創新提供了新的能量，直接促進了生產水平的提高，高科技設備都運用了當今最優秀的PLC以及計算機技術，例如垂直升降和平面移動式的車庫中，加入了交流變頻調速方式，這樣設備具有運行速度靈敏、震動和噪音小等特點?？刂葡到y大多采用了更加人性化的觸摸屏式以及IC卡式。載車臺應用整體熱鍍鋅，提高了它的抗腐蝕性能。作為目前的朝陽產業，停車機器人同時也被人們廣泛認為帶有良好的發展背景。1.2.3目前停車位發展要求目前在大多數國家，停車場還是自走式停入。對許多人來說,普通的多層自走式停車場簡直就是一個噩耗。新聞媒體不間斷的報道在自走式停車場出現安全事故：綁架、搶劫和謀殺等犯罪行為幾乎都發生在光線灰暗的自走式停車場，嚴重威脅著人們的生命財產安全。同樣大多數人不喜歡自走式停車場,由于技術問題或者視線昏暗，車主總是有可能泊車時刮掉了車上涂漆或輪軸等。為了處理停車困難等問題 , 就必須對我們目前的停車方式進行改進，建立立體兩層停車車庫 ,這樣就可以節約空間以及土地 。這種車庫便于管理 ,提高了停車的安全性能,同時占有了節能環保等好處，但是我們還可以更加的去完善。針對目前展現出來的缺點，我們設計研發出一類最新的全方位的立體停車機器人輔助設備,應用蓄電池進行帶動，減少了對環境的污染，耗費資源比較少,而且不用建設專門的停車機器人行走的車道,充分合理的減少了占用土地的平方數,設備行動迅速簡潔，操作方便，能夠最大限度的滿足汽車的停入。設計的停車機器人輔助停車設備能夠滿足三個坐標軸 X 、Y 、Z 不同方向的動作 ,它能改善目前市場上許多其它設備運動功能不全 ,以及另外的功能缺失，如不可以實現瞬時轉變各種不同的功能 ,停車機器人具有360度全方位工作能力。停車機器人車架運動到車底部 ,升降叉將汽車抬高，設備根據指令順著任何一個方位運動 ,把待停車輛運送到空的車位,各個功能通過指令控制，精度以及可行性都很高。與之配合的兩層停車車庫可選用鋼筋混泥土澆灌成一個整體多層構造。整個車庫只有停車機器人需要動了能源，其他設置設施完全不需要,從根本上節約了資源，減少了花銷,基本沒有噪聲污染,同時極大的有利于我們的生態環境。此停車機器人研究設計主要是通過通訊系統控制設備的液壓以及機械系統，促使機器人選擇一條最佳運行軌跡將車輛安全送達。至今,停車機器人設備正在高速化、規?；?，同時向建筑結構整體化和運動功能高可靠性方面進步 。1.2.4停車機器人的優點（1)占地面積較小, 空間使用率高。設備除了必需的停車空間、起落井道和鋼構造框架、外包裝墻體之外, 不再多占用其他的土地, 相比于平面停車和其他種類的車庫設備，它的空間利用率得到了極大的提高。這樣設計的設備, 占地面積53m2, 高度可達48.5 m, 可以同時停放大型轎車50 余輛。這是垂直升降式停車機器人最大的優點之一。（2）機器人由計算機控制管理，全自動行駛。停取車時, 只要輸入存取車的車牌編碼, 機器人將在計算機的控制下, 自動運行將車存到停車位或將所取汽車送至出入口。在計算機操控下, 機器人會平穩地軟啟動、緩慢制動, 高速行駛。計算機控制系統會將設備的存取車狀況、運行狀況, 通過通訊系統及時傳送到監控屏幕上,目的就是方便管理人員對設備進行實時監控。（3）高安全性。我們設計的設備上裝有很多項安全保護措施，確保其運行安全可靠。如待停車輛出現超高、超長、超寬、超重等現象將立即被檢測到, 并觸動緊急停止開關, 牽引繩斷裂檢測,是否到達一定高度檢測等, 機器人上帶有的安全保護措施如設備的保護傘，幫設備能夠行走自如，而且降低了故障發生率以及修理便捷。（4）沒有人為性質的破壞。停車場是全密封，保證無人進入, 除了存取車輛以外,所有人員都不能進入兩層停車場內, 所以可以保證不會有人為性的對待停車輛進行損害，并且就可以保證車內的物品安全，沒有偷竊行為的發生。1.2.5 停車機器人主要構造圖1-4升降停車機器人主體構造圖（一）主體結構主體構造是由兩根立柱，上、下橫粱組成的方形架構，其是主體結構的主要承載部分，整機構造瘦長，立柱通常用方管制作。主體結構需要的高度高、起重力大、運行速度快特點，立柱最好用圓管制作。上橫粱和下橫粱一般需要用槽鋼及鋼板焊接而成。 主體構造的機架沿天軌運行，為了防止框架傾倒，上橫粱上有導向輪。天軌一般用角鋼、糟鋼或熱軋H型鋼制作。 表1-1運車叉對應汽車尺寸大小車型設備裝置尺寸范圍備注長L（mm）寬W（mm）小型車5000530022502350中型車5300550023502450推薦選用大型車5500580024002550推薦選用特大型車5800630025502700 圖1-5運車叉實際樣式（二）運行機構運行機構主要由電機減速器、行走車輪、導向輪等部件構成。運行機構下橫梁上裝有車輪，車輪一般用鑄鋼制作。每個車輪的側面有兩個導向輪，以保證運行機構能夠在地面上正常行駛。電機減速器裝在前面車輪上，它帶動車輪在地面上運行，切斷電機電源，電機就能主動制動，使運行機構停止。（三）升降機構升降機構由電機減速器、驅動鏈輪、驅動鏈條、升降鏈輪、升降鏈條、配重塊等組成。升降鏈條和叉齒相連接，與升降鏈輪、上下橫粱的鏈輪及載貨臺組成封閉構造。電機減速機驅動升降鏈輪旋轉，升降鏈輪通過升降鏈條帶動叉齒上下運動。（四）安全保護裝置停車機器人是一種起重機械，通常工作在又高又窄的巷道內并且高速運行。要確保機器人工作時的安全性，設備上的保護系統就成了必需品。重要的防護安全保障有：（1）導軌兩端極限位置防護措施終。停車機器人在行走、升降終端都安裝有限位保護裝置。 （2）聯鎖保護裝置。聯鎖保護停車機器人在行走時，升降機構電路切斷；相反升降機構運動時，行走電路切斷。1.3設計重要內容和解決問題（一）課題主要內容通過對兩層可升降停車機器人的設計研究，目的是為了處理現在社會上出現的車位緊張，停取車輛不便的困難。對設備的整個構造的分析構思，聯合升降停車機器人的運載待停車輛的車架以及車叉升降系統結合在一起。設計的該設備可以使用在土地緊張的發達城市中，構思車的整套全智能的輔助系統，重要的部分分為主體構造、動作系統、車叉上下移動系統以及防護發生安全事故的保護措施。機構能夠根據車輛情況調節負載的大小進行操作，并且本機構能夠實時顯示車輛的重量、車輛的大小及搬運時間等。通過PLC程序控制，完成了存取車方式的高度自動化, 程序能迅速正確地完成平穩升降、定位、取送等操作。系統也可結合快速掃描識別系統、智能IC 卡系統等, 進一步完善存取車速度。（二）設計重要技術指標（1）在機械設備的整體構造中，叉車板的硬度以及剛度都要滿足轎車的重力壓迫，確保其能夠承受，而且不會發生應變等現象。同時也必須可以承受車輛上下升降的加速度，整體設計要做到保證能夠承載待停車輛，而且要減少停車機器人的主體構造的重量，盡量做到待停車輛重量與停車機器人重量達到一個良好的比較。（2）車叉動作上下移動系統部分為電機減速器、鏈傳動、動作叉板、液壓傳動等幾部分。運車叉零件進行裝配前，必須對其部件進行不同的表面熱處理，提高載車板耐用能力。載車板是停車設備通用的組合部件，現在已經標準化，這樣就能滿足其又有良好的互換性以及通用性，便于以后損毀進行修理便于安裝，節省了時間花銷。而且叉車板要能夠批量生產。載車車叉現實工作中會受到運動載荷的沖擊，所以她所使用的材料一般要考慮到彈性構造設計方案以及達到預應力的要求，必須保證這個部分能夠有良好的承載重量，存取待停車輛時平緩，不會發生很大的沖擊發出聲音。（3）停車機器人的能源輔助裝置布局合理構思，能夠將驅動裝置、信號接收器、外包裝等裝置合理安排在機器人的車架中，減少空間的使用，而且要保證彈門之間不會產生相互之間的影響干擾。各種連接通訊線路明確布局，并采取一定隔離措施，防止其相互存在一定的干擾，影響到機器人的安全與性能。（4）對于停車機器人突發情況安全保護的設計（5）對于停車機器人升降機構的設計2 總體方案設計及擬定2.1 控制系統和電器構思方案（1）控制系統就如停車機器人的大腦，控制著機器人每個零部件進行動作，它是整個設計最為重要的部分，控制系統由控制器組成，它是車架中非常重要的硬件。選用控制器的方式要注意其發出脈沖的最高的頻率的參考性標準。當待停車輛停在指定區域內，熄火，關好車門，停車機器人載車叉智能尋車并主動運動到車底盤下，將車輛進行抬高。動力源電源斷電后，電機會立刻自動采取控制停止，確保其自身以及待停車輛的安全性。機器人升降機構必須擁有完善的安全保護裝置。重要的危險防護措施有：1）導軌極限位置保護措施。停車機器人在運動動作、抬升車輛的始末位置都會裝有到位感應，防止其位。2）行走系統與升降系統可以形成聯鎖控制。設備在動作時，叉車板的升降系統會鎖住，防止其動作；同樣在提升放下車輛時，機器人的運行動作系統電源斷開。（2）關于動力提供源電動機的選取要求：電動機的重要作用是給停車機器人帶來工作行動力的，因此要嚴格選擇符合我們所設計的機器的要求，能夠保障其完成規定動作。停車機器人構思中，第一必須根據其主要工作方式以及其工作環境，還有器主體構造等方面來選取所需要的動力源，然后挑選出與之匹配的電機。（4）電動機依據它的使用的電源種類同城能夠分成直流和交流電動機。交流電動機還包括兩類，單相和三相電機。根據停車機器人動作靈活，工作運動范圍為整個停車場的特點，我們要選擇的電機要便于攜帶，不拖泥帶水。而且要在不是很好的環境中，根據這些要求，我們可以采取利用蓄電池與直流電機進行合作。蓄電池便于攜帶而且比較環保，所以我們采用直流伺服電機。（5）安全防護措施流程圖： 圖2-1安全防護措施流程圖2.2機械部分構思計劃 圖2-2總體結構假想外觀停車機器人車架構思： （1）停車機器人的車架用槽鋼制作，主要用于支撐固定輪子以及支撐升降機構和導軌，輪子是應用車架底面側板和槽鋼配合進行固定，輪子的中心軸固定在車架側板上，停車機器人升降可以達到與之配合車庫的兩層高度，通過導軌進行控制，升降部分是依據鏈傳動帶動升降車叉在導軌上直線移動。導軌應用熱處理軋制而成的工字形狀鋼材料，升降車叉板與導軌上的橫梁焊接成一體，以備實現整體升降構造的上下移動，把待停車輛抬升到停車庫第二層，升降橫梁應用三根正方形中空材料焊接起來，升降叉也是使用這種材料的正方形，但是必須將車架底座的方通和升降方通進行區分，它們之間材料性能是一樣的但是各有各的安裝形式，升降方通為了能夠插進車輛底盤所以一段固定在橫梁上，而另一頭懸空以備靠近車輛，完成動作，因此可以確保其工作方便靈活。車架的方通是兩兩焊接在一起的，組成一個規則的長方形。 （2）工作構造主要有電機減速器、動作車輪、方向輪等幾部分組成。四個麥克納姆輪作為機器人行走輪子，麥克納姆輪能夠全方位移動是基于一個有很多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的理論上，這些成角度的周邊輪軸將一部分的機輪轉向力分解到到一個機輪法相力上。根據各自機輪的方向與速度，四個輪子的合力方向最終合成在任何要求的方向上，并且得到一個合力矢量從而確保了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地運動，而且不用改變機輪自身的方向。麥克納姆輪輪緣上斜向均布著十來根不粗的轉軸，保證了車輪能夠進行橫向動作。轉軸上的小滾子母線布置十分合理，動作時輪子在位置保持不變的輪心軸周圈進行轉動，任何一個小轉軸滾子的包絡線均是圓柱面，因此這種車輪能夠不間斷的向前方動作。麥克納姆輪特點是小而緊湊，動作靈活，功用是很完善的全方位輪。使用四個麥克納姆輪進行組合，機器人能夠更加靈活方便的實現全方位移動。（3）升降系統可以采用液壓缸帶動，升降構造中的液壓系統由動力源、油管、伸縮液壓缸、油泵、各種控制閥體以及一些小的零部件構成。升降系統工作理論是應用發動機去帶動液壓的齒輪泵，其不斷從油缸中吸油，同時會出現油液壓力增高，油液順著油管通過各種控制閥體進入伸縮液壓缸，液壓缸容積不斷變化，控制升降叉板動作。轉軸固定在液壓缸伸縮桿前段，轉軸上固定鏈輪，通過液壓缸推動轉軸，實現轉軸旋轉帶動鏈條直線移動，從而帶動叉板升降。圖2-3液壓缸升降（4）運車叉設計，運車叉是焊接在橫梁上固定的，主要作為是抬升放下車輛的普通裝置，它直觀的呈現給人們的是一字形的，與導軌上的橫梁成為一體，之所以選擇整體的方式，是因為它的工作是要搬動數噸重量的車輛。3 停車機器人機械方面構思及設計圖3-1立體停車機器人三維建模圖3.1停車機器人車架的設計停車機器人的車架是一個框架的構造，只有把車架設計合理以及制造工藝提高才能保證整個機器人工作時的準確性和質量，在構思機器人的車架時必須想到下面幾個方面：（1） 為了能夠肩負車輛對車架的負載與沖擊，車架必須擁有良好的剛度、強度等力學性能，既要保證其能夠承受轎車的重量同時也要盡量減少自己本身的質量。（2） 必須盡可能正確整潔的安排能源驅動構造、信息傳遞器、擋板等設備放置在在沒有干擾的方位，減少各個設備線路之間的影響，確保其他們的保障工作的能力，同時也必須把各種連接電路整潔有序的放置，防止其散開，并在可能互相影響的線路上弄一些隔離裝置，保證相互之間沒有影響。（3） 車架采用價格便宜的剛性型材，其構造單一，同時能夠擁有良好的承受力。在這個論文構思的進程之中，車架分為兩個部分，即車輛抬升叉板和車架底盤，應用為保持整個機器人站立不倒，雖然都是使用型材焊接起來的，但是其形狀不一樣，抬升車叉應用的工字型鋼焊接，車架底盤為正方形中空型材焊接，工字型型鋼總長度之和為2050mm，正方形中空型材的長短是2100mm，橫截面的尺寸120mmx60mmx4mm,整個設備的車架長度3860mm，待停車輛會超出來一段，車輛四個輪子放置在車架上，其寬度是1970mm，和普通的車輛相比會寬一點，因此可以防止車輛和停車機器人車架產生相互搓碰，橫梁串通在導軌上，橫梁與鏈條固結在一起，于是能夠完成插車叉的上下移動，帶動汽車上下移動。前車輪與后車輪相隔3690mm，左右兩個車輪間隔為2306mm。升降系統是利用固定在車架上的兩個液壓缸動作運動，液壓缸伸縮端固定轉軸，轉軸上安裝鏈輪，液壓缸內部空間不斷變化，推動鏈輪轉動，鏈傳動系統運動，鏈條拉動橫梁移動，由于插車板和橫梁焊接固定，叉板帶動待停汽車運動，待停車輛一般重量大，應用滾輪在導軌上運動，降低了橫梁與導軌之間的摩擦，降低了柱塞液壓油缸的動作用力，兩邊為方向引導輪避免橫梁上下移動錯位。3.2行走驅動機構的計算3.2.1停車機器人運行阻力計算我們所構思的設備所應用的動作能源以及運動產生的一起阻力可以通過電機的大小進行控制，在工作運動中，設備周圍各種力作用于停車機器人，其中包含了以下幾點：設備在運動過程中與水平地面產生的輪子的運動摩擦力，在設計中為空氣給行駛中的機器人帶來的阻力，在設計中為設備在工作運動中，由于行駛的車庫地面不是完全水平，就會導致上坡時產生一個分力，在設計中為設備工作運動時速度提高時，會自然地減少一個阻力，在設計中為分析以上的四種不同的影響機器人工作運動的力，能夠整體估計計算出設備字工作運動時所需要克服力的總和，即： （3.1）麥克納姆輪運動與地面產生的力： （3.2）公式3.2中，代表滾動摩擦系數，通常用0.02，代表設備所承受的待停汽車的重量以及其自身輕重，估算停車機器人設備為400kg,待停汽車為1600kg，所以分析為： （3.3）停車機器人通常在地下室停車庫內工作運行的，動作速度并不是非常高，因此我們在構思計算時機器人所受到的空氣阻力能夠不算。與設備配套的車庫地面比較水平，基本上沒有起伏，因此上升阻力也沒必要帶入其中。設備因突然提高速度，而產生的妨礙設備運行的力，通過下列公式計算： （3.4）為停車機器人擔當的壓力大小，是其工作運動產生的加速度，假設其工作運動的最大運動速率為30m/min,抬起轎車工作時機器人從發動到達高速度所用時2s,運動距離為0.5m，代入公式可得： （3.5）最后根據上面的公式將計算數據帶入其中，可以算出設備在工作運動時的阻力總和，即： （3.6）3.2.2 驅動電機的轉速和扭矩的計算在設備工作運動時，輪子所產生的動力目的是帶動整體運動的同時會減少工作中其他方面所受的一些不利于運動的力。而且我們所采用的傳動系統的工作能力以及它的速度增減比重會對動力產生軸有一定的不好的方面。因此在構思選用中，設備的動力部分傳動減速比定為20。提供動能電動機的算數式： （3.7）上面式子中，是電動機的軸上傳動能力，是設備工作運動中，所承受不利于正常運動的力，是停車機器人所使用輪子的大小。為電動機的多少，為工作能力，動力源與工作運動輪子之間采用同步帶進行傳動，這個方案構思中是0.9，為我們設備的傳動中速度增減比，分析代入數據得： （3.8）設備接上車以后，工作運動慢慢開始，由原來的靜止到正常速度的行駛工作中，妨礙停車機器人運動的最重要的一個力是由靜止到運動的力，這個論文構思中，這個妨礙的力為0.3，通過以下公式計算： （3.9）設計的設備剛開始工作時輸出最大力量： （3.10）電動機的工作速度： （3.11）公式中，是停車機器人工作速度，本論文構思其數值可以達到30m/min，是停車機器人的車輪大小，通過公式可得： （3.12）帶動輪子的電機工作時輸出的能量為： （3.13）依據上面的公式數值帶入，我們所要使用的電動機的輸出能力要超過公式得出的理論上的功率，因此能夠使用蝸輪蝸桿傳動的減速電動機，其標準輸出能力1.1K，標準輸出軸工作轉動速度720r/min，與我們的構思計算結果差不多，可以滿足使用要求。3.3 傳動軸的計算從電動機輸出軸的動作到設備車輪的工作中間是利用軸進行傳動的，而且任何一個軸都不是中空的，其是由20Cr制作，軸的直徑計算： （3.14）在上面的計算中，指傳動軸的大小，其是依據軸的性能和使用狀況選用的，為軸的工作能力，為傳動軸的速度大小,為軸的性能和使用狀況數值,本次畢業構思中定為105，因此帶入數值為： （3.15）輸出軸上產生一定程度的扭轉變形分析為： （3.16）因此采用該軸的大小為25,45剛作為材料,這種材料的性能符合要求。3.4 同步帶的選型 1）電器正常工作時功率的分析 （3.17） 2） 同步帶小輪子轉動速度 修改帶的轉動快慢3） 擬選帶子的型號和每一節的距離 依據下面的圖表不難看到，此次的設計要素標準數值都不大，所以同步帶的類型隨意選，我們采用8M，此類帶型表3-1工作情況系數看工作機原動機交流電動機（普通轉矩籠型，同步電動機）,直流電動機（并勵），多缸內燃機交流電動機（大轉矩，大滑差率，單相，滑環）直流電動機（復勵，串勵）,單缸內燃機運轉時間運轉時間斷續使用每日35小時普通使用每日810小時連續使用每日1624小時斷續使用每日35小時普通使用每日810小時連續使用每日1624小時復印機，計算機，醫療器械1.01.21.41.21.41.6清掃機，縫紉機，辦公機械，帶鋸盤1.21.41.61.41.61.8輕載傳送帶，包裝機，篩子1.31.51.71.51.71.9攪拌機，帶式傳送機，牛頭刨床，中挖掘機，離心壓縮機，振動篩，紡織機械，回轉壓縮機，往復式發動機1.51.71.91.71.92.1液體攪拌機，圓形帶鋸，平碾盤，洗滌劑，造紙機，印刷機械1.41.61.81.61.82.0輸送機，抽水機，洗滌機，鼓風機，發動機，激勵機，卷揚機，起重機，橡膠加工機，紡織機1.61.82.01.82.02.2圖3-2 同步帶選型圖4）設計同步帶自主轉動輪子的 同步帶小的帶輪允許最少為18，設計選用25。5）小帶輪兩個齒輪的交接點位置的大小= （3.18）6）大帶輪計算分析 同步帶的速比為2，7）運動速度v的計算 （3.19）8） 擬定同步帶兩輪軸之間距離 。9）帶著的長度=() （3.20） = =768mm10）同步帶工作時帶輪與帶子接觸的齒數因為同步帶的速比為2，=12。11）同步帶正常工作時的功率的分析=2100.85N，m=0.448kg/m。 帶入=0.24KW （3.21）表3-2 基準寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質量帶型Ta/NmMXL270.007XXL310.01XL50.170.022L244.460.095H2100.850.448XH4048.91.484XXH6398.032.47312）分析軸上產生的力= （3.22） =2086N3.5 升降構造的設計分析（1）待停車輛升降構思升降叉板和橫梁通過立柱焊接在一切，兩部份呈現為L狀，升降叉板布局成一條平行線，分布均勻的8個，在橫梁的上方與升降橫梁焊接成一個整體，兩種不同的輪子固定在升降橫梁上，分別為導向輪進行方向的控制以及支撐輪起到支撐作用，導向輪可以防止升降橫梁升降的時候錯位，液壓缸垂直焊接于車架上，液壓缸輸出軸伸縮推動軸上鏈輪，經過鏈傳動帶動鏈條移動，鏈條拉動升降橫梁，帶動叉板上下移動停取車輛。圖3-3 升降叉的整體結構(2)油缸分析1)升降系統工作壓力的分析依據中國液壓器件的使用狀況，采用運行壓力2)液壓缸大小的分析工作中應承受 （3.23）液壓缸直徑，選；3）油缸缸體厚度外面直徑的分析通常機械設備中的油缸缸體厚度： （3.24）公式中 為油缸缸體厚度（）；為缸體內徑（）；選用為最大承載時壓力的（）；為液壓缸缸體材料的允許應力。我們應用無縫鋼材，其；因此 （3.25）選取。液壓缸缸體外徑為 （3.24）4）液壓缸蓋子薄厚分析我們選用的液壓缸缸蓋使用平底形狀，其厚度計算：,取5）液壓缸伸縮件工作范圍分析液壓缸有效工作范圍：我們設計的要把停的車輛抬升3336mm，因此液壓缸要升降到它的一半高度1500mm。6） 液壓缸從活塞支撐面中點到導向滑動面中點的距離的分析 液壓缸構思中，從活塞支撐面中點到導向滑動面中點的距離應符合 （3.25）公式中表示液壓缸的最大工作范圍表示液壓缸的外徑帶入數值，選用液壓缸活塞寬度，帶入公式的因為，普遍，所以隔套長度 是根據最小導向長度得出的，為 （3.26） 7） 液壓缸整體的長度分析液壓缸體內部長度 液壓缸體外部長度總和 （3.27）(3)升降系統中鏈傳動的分析1）分析鏈輪所需齒數鏈傳動是用鏈輪轉動帶動鏈條直線移動，牽引停車機器人升降叉板，我們采用小鏈輪齒數z1=17。和小帶輪配合的大鏈輪齒數z2=i2z1=117=17，鏈輪齒數采用奇數有利于鏈傳動的均勻磨損。 2）分析以及算出單排鏈傳動的功率xw30.952.85KW3）選定傳動鏈條類型和每節距離p傳動鏈輪節距構思選取主動鏈輪的型號為08A，每節距離p=12.7mm兩鏈輪之間的中心距采用中心距a0=(3050)p，取a0=381635mm，采用a0=700mm 4）鏈條的節數 為了防止使用過渡鏈節，所以我們的傳動鏈節數一定設計為偶數個。所以為節。5）輥子鏈類型08APSa/SmJB/T8920-19906）牽引鏈的長短 根據我們所選的類型08APSa/SmJB/T8920-1990查資料，q=0.6kg/m。鏈的運動速度 傳動鏈是采用一個個的剛性鏈結通過銷軸鉸接而成，鏈條圍繞鏈輪上工作運動時，鏈條的鏈節會包圍相與之滾動的的鏈輪嚙合，鏈條會在接觸鏈輪的地方變成一個正多邊形，這個形狀的邊長和鏈條每節的距離相等。所以正多邊形的邊數和鏈輪齒數相同。鏈傳動中，鏈輪工作一周，旋轉過鏈長度Zp，所以計算出鏈傳動的速度v： （3.28）（7） 分析對軸的壓力圓周上產生的有效力： （3.29） （3.30） （8） 鏈輪構造分析鏈輪的構造分類也有不同，有整體結構、孔板構造、組合結構等（圖3-4）圖3-4 鏈輪的結構鏈輪齒的形狀必須保證鏈條能夠穩定的卷入纏繞和脫離，接觸的每一個鏈節受力均衡，工作時不產生掉鏈，制作工藝簡單。雙圓弧齒形簡單明了，三圓弧一直線齒形形狀復雜，必須用標準的車刀制作。圖3-5鏈輪的齒形分度圓直徑d的計算， （3.31） 齒頂圓直徑 （3.32） 齒根圓直徑 df=d-dt （3.33） 式中，dt為滾子外徑。鏈輪輪齒要用金屬熱處理，鏈輪的齒必須具有良好的力學性能。傳動鏈工作的時候鏈輪大的轉動慢，小的轉動快，因此小鏈輪受力比較多也比較大，所以在材料性能上要采用比大鏈輪性能優秀的。我們一般設備中使用的鏈輪為碳素鋼（如Q235、Q275、45、ZG310-570等）以及HT200等。重要工作環境中的鏈輪可以選用合金鋼。泊車機器人上的起落體系的鏈輪采用整體式，45鋼，輪齒形狀按（GB12441985）選擇雙圓弧齒形，具體參數：分度圓直徑 ： mm （3.34） 齒頂圓直徑：mm （3.35） 齒根圓直徑： （3.36） 4 停車機器人受力分析4.1升降裝置有限元分析為了便于起降待停車輛，升降叉板進入車底一端是懸空的，而另一端是固定在升降橫梁上的，車輛自重完全壓在上面，其受力分析情況與懸臂梁差不多，我們做這一部分是對停車機器人重要零件進行加載力分析，觀察分析其受力情況和它的變形情況，檢驗我們的構思中的升降叉板能否正常工作，安全升降我們的待停車輛，下圖4-1是其三維模型。 圖4-1升降叉板的三維模型受力測試前首先要確定約束力。約束力加在哪邊其就是被固定的部分，一個零件如果不被約束固定就不能對其進行靜力學受力情況分析。在軟件中固定零件就是使其受一個約束力，軟件中叫做“夾具”。軟件中擁有很多不同的固定方式，其中固定的夾具種類有幾何體、鉸鏈等，通常還有專為軸承配套的固定方式。根據升降叉板的工作形式，我們把約束放在一段，相當于其焊接在橫梁上也就是支撐徑上。在軟件中右擊找到“夾具”按鈕，選用其中的“固定幾何體”。通過點線面選定升降叉的首段端面，下圖4-2。 圖4-2 定義夾具固定約束端找到后對其進行外力載荷施壓。我們分析的升降叉板主要是承受來自于待停車輛的對其的壓力，設計中采用了8個升降叉板，待停車輛的載荷15000N，平均分一下，每一個上面要承受的力為整車的八分之一1875N。采用下列方法對模型進行施加外力，右擊鼠標選擇“外部載荷”選項，其中的“力”。由于車輛是垂直壓下去的，所以我們施加的力也要豎直向下即選擇“法向”受力，受力面為一個側面，這時叉板模型中的一個面會有受力顯示，我們要確保受力方向是對的，如圖4.3定義載荷。 圖4-3定義載荷下面我們進行分析處理前的最后一部分:軟件中劃分網格。即我們要對模型進行不同單元的劃分。在軟件中區分部分能夠利用軟件中的實體模子四面體和三角形殼另有橫梁單元；根據區別單元的階數分一階和二階兩種差別的單元格式。零件受力分析的準確性和單元格的使用有直接的關系。通常情況下，網格劃分的越精細，更便于進一步分析，如果劃分的過于粗大嚴重的會直接影響到測試結果，單元格越細化我們軟件分析的時間也會越長。我們分析的各種零件要不同對待，將分析質量與所用時間合理分配，選擇與模型相符的網格。不同的地方劃分不同的網格，受力面要重要分析所以采用細密的網格，其他部分可以采用默認的形式。運行這一部分我們使用軟件中的網格控制工具。右鍵單擊鼠標，選取下拉菜單中的“網格”，其中的“應用網格控制”，把頁面中的所有需要的數值敲擊進去。受力加載面為停車機器人升降叉的上面。寫上“網格參數”，網格大小數值1.5mm,比率值1.5，保存數據進行下一步分析。把所有數據設置好以后，我們將啟動按鈕，對模型進行分析，軟件自動處理，不長時間就會出現結論圖以及得出數據。軟件分析結束后，會顯示三張圖，位移云圖是分析應力、應變的基礎。下圖中顯示了模型在各個部分上所受的力的大小。模型受力較小顏色為藍色，數值上沒有到1.823MPa，數值上顯示模型所受最大的壓強10.94MPa，沒有超過我們的擬定值，軟件上顯示升降叉懸空端所產生的位置移動最大，為0.009mm前后，數值也是在正常以內。根據以上分析，升降叉板設計符合使用要求，可以承載車輛的起降。a- 應力云圖 b-位移云圖圖4-4結果云圖4.2軸的有限元分析傳動軸支撐著停車機器人的運動輪子，輪子承受著設備本身的重量以及待停車輛的重量，麥克納姆輪將受力加載在軸上，設備擁有四個輪子以及與之配合的軸，軸承擔著麥克納姆輪給予它的直徑方向的受力。以下將用軟件對軸的受力進行分析，看是否符合要求，下圖4-5為傳動軸的模擬圖形。 圖4-5傳動軸的三維模型軟件中對待分析零件進行固定，我們選取傳動軸的兩端固定，如圖4-6定義夾具。 圖4-6 定義夾具通過軟件對軸進行模擬外力施加。傳動軸主要承受麥克納姆輪的作用力，設備采用4個輪子，我們擬定的停車機器人為20000N，分攤到每一個輪子上所受的力為5000N。點擊鼠標右鍵“外部載荷”，其中的“力”。選擇受力方向為“法向”，力的方向作用在我們的軸的面上，這個時候力可以加載在上面，我們要確保力的方向以及作用面是否準確，情況如圖4-7定義載荷。 圖4-7定義載荷力加載好以后啟動軟件進行分析，稍等片刻就會出現受力數據。系統運行結束，出現各種圖，通過位移圖分析傳動軸上的應力以及應變。應力云圖表明的是傳動軸的各個部分不同的受力大小。在應力云圖中傳動軸受力基本上是藍色，說明應力不大。通過我們模擬進行分析，傳動軸的受力符合我們的選用條件，是安全可操作的。 a-應力云圖圖4-8結果云圖 5 控制系統設計5.1 控制系統總體結構我們需要給設備加一個操縱頭腦即控制措施，我們這次構思選用西門子控制系統用于主控制。我們要思考控制器的首要目標就是最高脈沖頻率。圖5-1 控制系統結構圖停車機器人的重要的控制部分包括八大部分。第一路徑跟蹤控制模塊，控制機器人的行走路線，防止其撞東西；第二無線通信模塊，給機器人傳遞信號，為監控者進行實時共享；第三脈沖采集模塊，起到脈沖控制；第四電機驅動模塊，控制機器人的行走系統；第五電磁傳感器采集模塊，進行電磁探路；第六阻礙物檢測模塊，探測是否有東西阻礙機器人運行工作；第七位置偏差控制模塊，控制停車機器人按既定路線行駛，防止偏離路線；第八路徑、位置顯示模塊，實時顯示設備的位置以及行走路線。圖5-2 運行流程圖我們所設計的控制程序中，要確保兩個問題：每一個不同的系統進行單獨的程序控制，嚴格制定各個系統程序之間的分隔，確保其不會互相影響，而且要加以說明，每一條程序要做到詳盡準確。對于輸入與輸出、操作的功能這些方面我們要進行程序的詳細編寫。在我們所設計的停車機器人的工作運動中，正常的程序運行為設備首先自檢，確保其沒有任何問題才能運行，自檢合格啟動按鈕接通，開始對所行道路進行檢測