紧凑型自行车立体车库结构设计及控制系统研究

祁宇明，谢 兵,，王 刚，苏卫华，刘朝华

（1.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所，天津300222；2.天津（滨海）人工智能创新中心，天津300222）

在绿色、低碳、共享理念的大力宣传下，电动车、自行车已成为市民出行必不可少的交通工具。据不完全统计，两轮电动车的社会保有量已达2.9亿辆［1］，共享单车的投放量达2 300万辆［2］。自行车作为一种低碳环保的交通工具备受大众青睐，可用作公交车站、地铁站间的接驳工具，从而减少交通拥堵和环境污染现象的发生［3-4］。然而，杜绝自行车被盗丢失、防止自行车乱停乱放等问题亟待解决。

对于汽车的存放，国内外学者已设计了多种停车库［5-8］，主要分为升降、横移、堆垛及循环等9种方式，但汽车停放姿态固定，其停车库不适用于自行车。自行车数量庞大且可自由停放，如何扩大自行车存放空间和提高车库空间的利用率十分关键。上海电机学院的刘俊等［9］基于 PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）设计了一种多层循环式自行车库，其占地面积小，充分利用了立体空间，但该车库仍处于理论研究阶段，暂未投产使用；天津职业技术师范大学和天津远卓科技发展有限公司共同研发了国内第1个自行车智能存取系统［10-12］，该系统一次可存放240辆自行车，但其占地面积相对较大且需改变地形地貌；Springer等［13］介绍了日本工程公司研发的Eco-Cycle自行车存放系统，其深度约为11 m，直径约为9 m，可容纳200辆自行车，但该系统造价昂贵。

为解决现有自行车立体车库存在的问题，笔者设计了一种紧凑型自行车立体车库，改变了自行车传统固定姿态停放的方式。首先，对紧凑型自行车立体车库的整体结构和工作原理进行介绍，并利用D-H法计算推拉夹持机构的可达工作空间范围；然后，对紧凑型自行车立体车库的关键机构进行设计；接着，从硬件及软件两方面对紧凑型自行车立体车库的控制系统进行设计；最后，通过搭建样机对紧凑型自行车立体车库的可行性进行验证。

1 紧凑型自行车立体车库的整体结构与工作原理

1.1 整体结构

本文所设计的紧凑型自行车立体车库主要分为出入库子系统、控制子系统和人机交互子系统三个部分。为满足紧凑型的设计要求，实现全方位存车，同时增加自行车存放数量，采用六自由度并联机构来设计出入库子系统，使其在规定的工作空间内完成自行车的存取；为保证良好、稳定、快速的动态响应，控制子系统采用西门子PLC对出入库子系统进行逻辑控制；人机交互子系统用于实现自行车存取的自助操作。

紧凑型自行车立体车库的结构如图1所示，其主要由夹持推拉机构、旋转升降机构（包括旋转机构和升降机构）、联动机构和载车架组成，其中载车架采用拼接组合模式。

图1 紧凑型自行车立体车库的结构示意图Fig.1 Structure diagram of compact bicycle stereo garage

为保证自行车立体车库的紧凑性，需充分利用空间及合理布置载车架，因此应对推拉夹持机构的可达工作空间范围进行分析计算。本文基于D-H法，通过位姿变换来求解夹持推拉机构的运动学正解，以得到其可达工作空间范围与初始位姿参数的关系。为准确描述紧凑型自行车立体车库各连杆的运动情况，需要建立多个坐标系。如图2所示，在底座中心o1（即联动机构中心）处建立固定坐标系o1-x1y1z1，即基坐标系o0-x0y0z0，其中，z1轴垂直于固定底座向上，y1轴沿导轨方向；在旋转机构质心o2处建立坐标系o2-x2y2z2，旋转机构绕z2轴旋转θ后，坐标系o2-x2y2z2变为o2-x′2y′2z′2；在升降机构质心o3处建立坐标系o3-x3y3z3；在夹持推拉机构质心o4处建立坐标系o4-x4y4z4。

由图3可知，紧凑型自行车立体车库各坐标系间的变换矩阵如下：

图2 紧凑型自行车立体车库的D-H坐标系Fig.2 D-H coordinate system of compact bicycle stereo garage

式中：cθ表示cosθ，sθ表示sinθ；Δx、Δy表示机构相对原点的x、y方向的移动量；θ表示旋转机构的旋转角度；a表示联动机构中心与旋转机构质心之间的距离，为常数；b表示升降机构质心与旋转机构质心之间的距离，为变量；c表示夹持推拉机构质心与升降机构质心之间的距离，为变量。

则夹持推拉机构的正运动学解为：

根据式（1）可知，夹持推拉机构的位姿取决于旋转机构的旋转角度θ，机构移动量Δx、Δy以及机构间的距离b、c。由此可得推拉夹持机构的可达工作空间范围：x方向为Δxcθ-Δysθ，y方向为Δxsθ+Δycθ+c，z方向为a+b。

1.2 工作原理

紧凑型自行车立体车库的工作流程如图3所示，主要分为存车与取车两部分。

图3 紧凑型自行车立体车库的工作流程Fig.3 Work flow of compact bicycle stereo garage

1）自行车存放。首先，通过磁卡来确认用户的身份信息，待用户将自行车推至指定位置后，控制子系统发出指令，出入库子系统中的机械手张开并夹持自行车，并由夹持推拉机构将自行车送至车库内部；然后，根据自行车就近入库原则，通过夹持推拉机构、旋转升降机构以及联动机构的相互配合和快速联动，将自行车移动至最近的载车架前；最后，将自行车推送至载车架中，并在完成自行车存放的同时系统回零（初始状态）。

2）自行车提取。通过磁卡来确认用户的身份信息，控制子系统发出指令，夹持推拉机构、旋转升降机构及联动机构快速联动，从载车架中取出自行车并推至门口，并在完成取车过程的同时系统回零（初始状态）。

2 紧凑型自行车立体车库关键机构设计

2.1 夹持推拉机构设计

2.1.1 夹持推拉机构的工作原理

考虑到传统夹持推拉机构易引起车轮变形且效率较低，采用单向平转夹持机械手机构作为紧凑型自行车立体车库的夹持推拉机构，其结构如图3所示。夹持推拉机构的工作过程为：伺服电机带动齿轮转动，通过齿轮齿条、光轴与直线轴承配合完成直线运动，实现机械手开合。

图4 夹持推拉机构的结构示意图Fig.4 Structure diagram of clamping push-pull mechanism

2.1.2 夹持推拉机构的关键部位分析

夹持推拉机构中机械手所受的最大载荷为自行车的重力。设自行车的质量为25 kg，自行车车轮与机械手之间的摩擦系数为0.6，则机械手所承受的载荷为147 N。夹持推拉机构的受力情况如图5所示。其中：F1表示自行车对机械手的压力，F2表示自行车对地面的压力，F3表示自行车对载车架的压力；F11表示地面对自行车的支持力，F22表示载车架对自行车的支持力；f1表示地面对自行车的摩擦力，f2表示载车架对自行车的摩擦力，f3表示机械手对自行车前轮的摩擦力。

图5 夹持推拉机构受力分析示意图Fig.5 Force analysis diagram of clamping push-pull mechanism

为验证夹持推拉机构中机械手的强度是否满足工作要求，利用ANSYS软件对其进行静力学分析［14］，结果如图6所示。

图6 夹持推拉机构中机械手的静力学分析结果Fig.6 Static analysis results of manipulator in the clamping push-pull mechanism

由图6可知，机械手的最大应力为72.832 MPa，低于45#钢的许用应力253 MPa；机械手的最大变形量为0.101 83 mm，满足实际工况的要求。

2.2 旋转升降机构设计

旋转升降机构主要承受的负载为自行车重力。为使旋转升降机构具有较高的输出扭矩和运动稳定性，采用行星轮系转动机构传动，利用电机驱动行星轮系、同步轮运动，以带动机构进行旋转和升降运动。旋转升降机构的整体结构及其旋转机构的结构如图7所示。

图7 旋转升降机构的结构示意图Fig.7 Structure diagram of rotary lifting mechanism

设行星轮系转动机构的输入功率为P1；行星轮系中大小齿轮的齿数比为u；根据工作条件，大小齿轮均采用20CrMnTi钢渗碳淬火工艺，其硬度为56～62 HRC。查机械设计手册可知［15］，20CrMnTi钢渗碳淬火齿轮的弯曲疲劳强度极限应力σFlim=450MPa，接触疲劳强度极限应力σHlim=1500MPa，则齿轮的许用弯曲应力、齿根弯曲应力KF、齿轮的转矩T1、大小齿轮重合度ε、大小齿轮重合度系数Yε、齿轮模数S和齿轮的应力循环次数N分别为：

式中：YN表示齿轮的寿命系数；YX表示齿轮的尺寸系数；SF表示齿根弯曲疲劳安全系数；KA表示齿轮的使用系数；KV表示齿轮的动载系数；Kβ表示齿向载荷分布系数；KFα表示齿间载荷分配系数；ψd表示齿宽系数；YFa表示齿形系数；YSa表示应力修正系数；γ表示齿轮每转一周同一齿面的啮合次数；n表示小齿轮转速；th表示齿轮的设计寿命；z1表示小齿轮的齿数。

在紧凑型自行车立体车库样机中，输入功率P1=3.2kW，行星轮系中大小齿轮的齿数比u=2，小齿轮齿数z1=20，齿宽系数ψd=0.8，小齿轮的转速n=350 r/min，齿形系数YFa=2.053，应力修正系数YSa=2.65，齿轮的寿命系数YN=1.2，齿轮的尺寸系数YX=1，齿根弯曲疲劳安全系数SF=2×2=4，则可得：

取行星轮系中齿轮的标准模数S=3。

为保证行星轮系转动机构运行稳定，避免不必要的冲击，需对齿面静强度进行校核。齿轮的许用接触应力、最大许用接触应力及齿面最大接触应力分别为：

式中：SH表示齿面接触疲劳强度的安全系数，SH=1；S'H表示静强度安全系数，S'H=1.3；ZN表示接触疲劳强度寿命系数，ZN=1.03；Z'N表示静强度寿命系数，Z'N=1.6；T1max表示由外在因素引起的齿轮转矩过载量，T1max=2T1。

联立式（8）、式（9）和式（10），可得：

根据计算结果可知，行星轮系中齿轮的弯曲疲劳强度和齿面静强度均满足工作要求。

2.3 联动机构设计

联动机构主要分为两部分：顶部同步伴随机构和底部协同运动机构，其整体结构如图8（a）所示；其中底部协同运动机构主要是通过电机带动同步带来实现旋转升降机构和夹持推拉机构在水平方向的快速运动，其结构如图8（b）所示。为保证旋转升降机构运行过程稳定、可靠，在旋转升降机构顶部安装1套“十”字伴随装置，以与底部协同运动机构稳定联动。

图8 联动机构的结构示意图Fig.8 Structure diagram of linkage mechanism

假设在底部协同运动机构中，所有轴承受的总重力G=200N，则每根轴所承受的力；45#钢的许用弯曲应力σ*=300MPa。假设第1组轴中长轴的长度l1=900 mm，其固定端处的分力FA=。根据截面法分析可得，该轴的弯矩分布情况如图9所示。由图可知，当轴上滑块位于长轴正中间时，该轴所受的弯矩最大，最大弯矩。

图9 第1组轴中长轴的弯矩分布Fig.9 Bending moment distribution of long axis in the first group of axes

基于强度要求，轴的最大正应力应小于材料的许用弯曲应力［15］，即：

由此可得第1组轴中长轴的直径为：

假设第2组轴中长轴的长度l2=1 100 mm，其固定端所受的扭矩T=0.4N⋅m，该轴的自重忽略不计。此组轴承受的载荷为径向重力和端部周向转矩，因此其失效形式为强度过大导致的弯曲。根据截面法分析可得，该轴的弯矩分布情况如图10（a）所示，扭矩分布情况如图10（b）所示。当轴上滑块位于该轴正中间时，该轴所受的弯矩最大，最大弯矩。

图10 第2组轴中长轴的弯矩和扭矩分布Fig.10 Bending moment and torque distribution of long axis in the second group of axes

根据第四强度理论计算该轴的最大正应力：

由此可得第2组轴中长轴的直径为：

通过理论计算和经济性预估可知，长轴的直径均取12 mm。通过合理设计联动机构，可保证整个紧凑型自行车立体车库的运行稳定性与可靠性。

3 紧凑型自行车立体车库的控制系统设计

3.1 硬件设计

紧凑型自行车立体车库控制系统的硬件结构如图11所示，主要包括检测传感器、联动机构电机、夹持推拉机构电机、旋转升降机构电机、PLC模块、上位机等组件以及人机交互界面、语音通信设备、IC（inte-grated circuit，集成电路）卡读卡器等辅助设备［16］。

图11 紧凑型自行车立体车库控制系统的硬件结构Fig.11 Hardware structure of compact bicycle stereo garage control system

3.2 软件设计

采用STEP-7软件对紧凑型自行车立体车库控制系统的软件部分进行编程设计，其主程序主要包括存车部分与取车部分，具体流程如图12所示。存车时，当用户刷卡下达存车指令后，自行车立体车库的控制系统判断车库中最近的空闲位置并将该位置的相关信息写入PLC模块［17-19］，同时夹持推拉机构到达门口；然后车库门打开，机械手抓取自行车并将其拉入车库；接着，提示音响起，车库门关闭，夹持推拉机构、旋转升降机构和联动机构配合联动将自行车送至载车架处；最后，各运动机构回原点，显示屏中自行车剩余位置数量减1。取车时，当用户刷卡下达取车指令后，自行车立体车库的控制系统先判断用户身份信息，若与系统中已存信息不一致，则返回系统主页面并等待；若与系统中已存信息一致，则夹持推拉机构、旋转升降机构和联动机构配合联动，将自行车从载车架上取出并推送至车库门口，车库门打开。然后，夹持推拉机构将自行车推出车库并松开。最后，各运动机构回原点，提示音响起，车库门关闭，显示屏中自行车剩余位置数量加1。

4 紧凑型自行车立体车库调试试验

紧凑型自行车立体车库样机如图13所示，其尺寸为1 100 mm×600 mm×1 060 mm，共有30个载车架，在存、取车处安装人机交互界面和IC卡读卡器。

图12 紧凑型自行车立体车库控制系统主程序流程Fig.12 Main program flow of compact bicycle stereo garage control system

图13 紧凑型自行车立体车库样机Fig.13 Prototype of compact bicycle stereo garage

将编写好的程序分别下载至PLC模块和人机交互界面中，待各设备进入正常工作状态后进行自行车存取调试。试验结果表明，存车时，可精确快速地将自行车存入载车架中，存车时间约为6 s；取车时，可准确地验证用户身份信息，且能快速地将自行车从对应的载车架中取出，取车时间约为5.5 s。结果表明，该紧凑型自行车立体车库可以很好地实现自行车存取，且具有自动化程度高、性能稳定和结构可靠等优点。

5 结 论

自行车立体车库的机械结构与控制系统较为复杂，本文基于PLC、伺服电机和人机交互技术设计了紧凑型自行车立体车库，实现了自行车的高效存取。本文的主要创新点为：1）在旋转升降机构中，采用行星轮系提供较大的旋转扭矩，可保证车库安全、可靠地运行；2）载车架采用拼接组合模式，减小了自行车的存放面积，增加了存车数量，使车库结构紧凑；3）车库控制系统的智能化和自动化水平较高。