增效先行2017中国好设计创意奖——大小车联动起重机

文武汉理工大学 杨鹏强 陈书辉 魏士博 蔡启烈 周伟

随着经济全球化步伐的加快，港口码头在国家贸易中扮演着越来越重要的角色。堆场在集装箱码头的地位十分关键，其堆位分配优劣直接影响着码头的整体运作效率。

目前，市场对物料搬运设备的总体需求不断增长，起重运输机械的生产规模与市场占有量也在逐渐扩大，很多与国计民生直接相关的行业——如煤炭、矿产资源、石化、建筑、交通运输、装备制造等，都离不开起重运输机械。随着以上各行业的蓬勃发展，市场对起重运输机械质量与数量的要求也越来越高，对起重运输机械的智能化、自动化、信息化、高效性、节能性、创新性、安全度等方面都提出了更高的要求。其中，起重、运输一体式起重运输机由于其灵活性、功能多样性受到了市场的青睐，占有一定的市场份额。

2017中国好设计创意奖——大小车联动起重机项目组由武汉理工大学物流工程学院杨鹏强、陈书辉、魏士博、蔡启烈、周伟五名本科生组成。2017年，经过8个月的磨砺，项目组设计发明了大小车联动起重机的等比例实物模型，用以解决集装箱码头部分作业运作效率低下的问题。

大小车联动起重机可实现货物运输与装卸一体化，提高了堆场的运作效率。其工作流程分为4个部分，即轨道直线行走、多钩升降起吊、活动托盘移动货物、挡板卸载货物。

该起重机设计受现有起重运输机启发，集起重与运输两个功能于一体，以实现更高效、更快速的起重运输功能。项目灵感起源于团队参加第二届全国大学生起重机创意大赛。结合“将货物从区域A搬运到区域B”的预设任务要求，团队成员设计的起重运输机首先在区域A利用双叉吊钩吊取货物，之后将货物放置于活动托盘上。接着，起重机与货物整体运动到区域B，最后利用活动托盘机构平稳放置货物。该起重机一次最多可以搬运15箱货物，简化了起重机的运动过程，节省了运输时间，使整个过程更加快速高效。

该次需要调运的箱子有15个，单个调运相当繁琐。因此，项目团队在创新研讨和技术攻关后，设计采用一排5个双叉吊钩，每次起吊5箱货物。单独采用电机控制钩子的左右移动，使得钩子能够灵活勾住货箱提带。

大小车联动起重机项目团队队长、武汉理工大学机械设计制造及其自动化专业杨鹏强代表团队领奖

为进一步节约运输过程的时间成本，该设计采用一次运输多箱货物的方法，从而满足任务要求。因此，活动托盘的大小设计为能横向容纳5箱货物。此外，由于放置过程占用总耗时的比例比较大，所以使用活动托盘机构使大量货物能够同时放置，节省了大量时间。为满足赛事和未来实际应用中限定区域放置的要求，通过同步带轮控制活动托盘，使得活动托盘能够前后左右移动，精确控制货物的放置区域。同时，为了解决起重机难以走直线的问题，设计采用轨道限定起重机行走路线的方法，使得起重机能按照轨道设定的直线行走，节省了起重机行走过程中的路径调整时间。

整机机械结构及控制设计的创新上，在起重机整体方面，起重运输装置整体为起重运输车形状，功能上实现了吊取货物、装载、运输与放置。主要结构分为上、下两部分，上部活动横梁，双叉吊钩机构主要负责吊取、装载，下部主架、活动托盘等部件主要实现了运输、放置功能。两个部分的工作均由基于无线蓝牙遥控设计的电机控制，实现了无线控制功能。上、下两个部分协调合作，从而完成指定区域的货物运输。

仍以将15箱（5盒装）货物从A区域搬运到B区域为例，该起重运输设备能够实现货物起重、运输一体化的功能要求。工作时，活动托盘上一次承载吊钩吊取的15箱货物，分5堆均匀放置，每堆叠放3箱。当起重机运行至放置区域时，活动托盘利用挡架将5堆箱子依次卸至5个圆内，可以灵活、精准地完成卸货。

在电动控制方面，该起重机模型电路控制系统基于蓝牙遥控设计，系统由单片机控制芯片、蓝牙接收模块、电机模块、以及手机APP（发出信号）等组成。

单片机芯片是起重机控制系统的核心，它起到接收蓝牙模块的信号、处理数据、发送信号到电机模块的作用。本设计采用STC89C52系列单片机作为主控芯片。

蓝牙模块实现连接手机APP与单片机系统的功能，它能接收手机APP发出的蓝牙信号，并将信号转化输入单片机中。本设计采用HC-05型号蓝牙模块。

手机APP实现将指令转化为蓝牙信号并发出的功能。使用时需在安卓系统手机上安装APP“蓝牙串口”。

电机模块实现接受单片机信号并直接驱动电机的功能，通过电机模块可以更方便地调节电机的转速与转向。本设计采用L298N型号电机驱动模块。

电机起到提供系统动力的作用，由电机模块直接驱动。

该起重机模型采用12V锂电池，不接外部电源，从而实现重量的减轻。目前市面上的锂电池可以支持起重机运作。

本设计一共有10个电机，包括：2个电机控制起重机整体前后运动；2个电机控制活动横梁活动梁上下运动；2个电机控制活动托盘前后运动；2个电机控制活动托盘左右运动；1个电机控制吊钩的左右运动；1个电机控制活动挡板的前后运动。

为了使起重机模型遥控操作更加快捷，该设计采用两人操作控制。一人负责起重机整体前后运动、活动托盘左右运动和活动挡板前后运动；另一人负责活动托盘前后运动、活动横梁活动梁上下运动和吊钩左右运动。

大小车联动起重机项目的主要创新点在于：

首先，平移齿条与升降电机的搭配使用，实现了对货物的灵活钩取。

其二，活动托盘的横纵变位与三个挡板的组合作业，实现了对货物的快速精准放置。

其三，起吊装置与托盘结构配合，实现了运输装卸一体化。

在应用前景领域，大小车联动起重机具有多钩灵活吊取与托盘、挡板快速精准卸货的创新功能，在港口码头等集装箱需要变换位姿的情况下，应用该组合创新可以快速精准解决遇到的实际问题。