辅助搬运车辆电动化智能装备模型的设计

武晨晓,谢羽嘉,王子航,朱 磊,吴晓艳

(东北林业大学,哈尔滨 150040)

0 引言

私家车数量的逐年增加给城市交通带来了前所未有的挑战,城市空间的有限性导致停车位数量无法跟上私家车的增长速度,停车难问题日益严重,这不仅加剧了城市交通的拥堵,还给车主带来了极大的不便。寻找停车位的过程不仅消耗了时间和燃料,还增加了空气污染和交通事故的风险,因此寻求创新解决方案变得尤为紧迫。

为了解决停车难问题,通常选择在居民区和商业综合体下方建设地下停车场。为了便于管理,这些停车场会在地面上喷涂停车线。但一些车主为了节省时间,往往没有将车辆停在规定的停车线内,或由于停车位过小导致倒车空间不足,难以将车辆驶入停车线内,这种情况下需要一种能够辅助搬运汽车进入停车线的设备。

考虑到汽车的多样化,不同车型之间存在车轮间距的差异。目前的车辆搬运器在处理车轮较宽的汽车时,由于车辆与夹杆机构接触位置偏外侧,导致受力点在夹杆机构旁边远离基体,容易导致夹杆机构的损坏。而在搬运车轮较窄的汽车时,搬运器则容易磕碰到车轮内侧,甚至可能无法将车辆顺利驶入汽车底部。需寻找更先进、智能化的搬运器,以更好地适应不同车型的特殊需求,提高设备的可操作性和适用性。在解决停车问题的同时,需关注搬运器设计的创新,以更好地服务城市交通的发展。需研发一种新型的车辆搬运器,具备以下特点:适应不同车型,包括车轮较宽和较窄的汽车;具备较高的安全性,避免损坏车辆和夹杆机构;具有较高的搬运效率,能够快速将车辆搬运到指定位置;操作简单,易于推广应用;具有较好的环保性能,减少对空气污染和能源消耗。

美国Boomerang公司在2015年被授权一种“自动存储系统和搬运小车”专利[1],该专利中的汽车搬运器属于夹持式汽车搬运器,可实现轴向伸缩以适应不同轴距及全转向运动,极大地提高了搬运器的灵活性,使得停放汽车之间的间隙很小。该搬运器的夹持机构与AUTOPARK 公司的搬运器夹持机构在结构上有所不同,其中一根夹持臂(450 b)通过直线运动来适应汽车轮距,另一根夹持臂(452 b)通过旋转运动来夹持汽车轮胎[2]。

国内有多位学者对立体车库汽车搬运器理论进行了深入研究。赵超等设计了以液压系为动力的夹持轮胎式汽车搬运器,降低了搬运器的整体高度,运用AMESim软件对模型进行动态分析,验证了设计的可行性[3-4]。张晋畅对比了各种汽车搬运器的性能,研究了夹持轮胎式搬运器的结构,该设计利用蜗轮蜗杆作为传动机构,有效解决了传动时间长和自锁稳定的问题[5]。王新等利用Abaqus有限元软件分析了汽车搬运的起重夹持机构强度,对其结构进行优化设计,对产品设计具有指导意义[6]。邱亮等利用仿真软件对单轴抬升形式的搬运器进行仿真,相关仿真结果可用于堆垛式搬运器的设计思路[7]。

我国汽车搬运器正在加速发展,相比于其他类型的汽车搬运器,夹持式汽车搬运器无需载车板,更能节省立体车库空间,适用于更多类型的停车库,应用前景广阔。该装置主要应用于露天停车场、立体停车场及消防疏散。对于露天停车场,利用卫星寻迹确定搬运器的位置,按照预设轨迹运行。在循迹过程中通过Open CV识别车辆是否规范停车,夹持装置负责抬起车辆并实现锁止,锁止之后通过物联网告知车主目前的车辆状态,通过查询是否已缴纳停车规范费,解除锁止车辆。立体停车场费用由车主通过扫描二维码支付,实现智能跟随。当装置到达指定车辆前,选择红外或蓝牙进行遥控挪车,完成车辆的搬运倒车。

1 技术方案

提供一种辅助搬运汽车的设备,可搬运不同车体宽度的汽车,采用的技术方案为两个主体,即第一基座和第二基座,均设有行进装置。第一基座的一侧和第二基座的一侧均设有调节机构,调节机构上滑动连接两个托举机构,第一基座和第二基座之间设有伸缩机构,包括伸缩丝杆、光杆和剪叉式伸缩臂,剪叉式伸缩臂的两端分别与伸缩丝杆和光杆滑动连接。伸缩机构包括两根伸缩杆和保护罩,伸缩杆的两端分别与第一基座和第二基座固定连接,第一基座的另一侧和第二基座的另一侧均延伸有环形台阶,伸缩丝杆和光杆分别置于相邻的环形台阶内,保护罩套设在两个环形台阶外侧。

图1 装置系统应用Fig.1 Application of device system

图2 自主设计的控制移动操作软件Fig.2 Autonomous designed control mobile operation software

剪叉式伸缩臂由两个X型伸缩臂单元组成,两个X型伸缩臂单元首尾相连,其中一个X型伸缩臂单元的两个伸缩臂末端旋转连接第一滑块,两个第一滑块分别与伸缩丝杆上的左旋螺纹和右旋螺纹滑动连接。另外一个X型伸缩臂单元的两个伸缩臂末端旋转连接第二滑块,第二滑块与光杆滑动连接。伸缩丝杆上的螺纹分为两段,伸缩丝杆上的两端螺纹分别为左旋螺纹和右旋螺纹,两个第一滑块分别与伸缩丝杆上的左旋螺纹和右旋螺纹滑动连接。

调节机构包括双轴电机,第一基座的一侧和第二基座的一侧均开设收容槽,双轴电机置于收容槽的中部,双轴电机的两个输出轴上均固定连接调节丝杆,两根调节丝杆的螺纹分别为左旋螺纹和右旋螺纹。

托举机构包括旋转组件,旋转组件包括旋转支架和齿轮箱,旋转支架的一端与调节丝杆滑动连接,两个旋转支架的一端分别与相邻左旋螺纹和右旋螺纹的调节丝杆滑动连接。两个相邻的旋转支架分别位于双轴电机的两侧,齿轮箱与旋转支架另一端的一侧固定连接,齿轮箱上设有旋转驱动件,其输出轴与齿轮箱连接。两个相邻的托举机构互相对称,托举机构包括托举支架,托举支架的一端与旋转支架的另一端旋转连接,托举支架的一端设有齿轮,齿轮的轴心与托举机构和旋转支架旋转连接处同轴,齿轮与齿轮箱连接。

2 设备实施及优势

本设备包括两个主体,分别为抬升车辆的前轮和后轮。主体包括第一基座和第二基座,第一基座和第二基座互相对称,均设有行进装置,各两个。第一基座上的两个行进装置分别靠近两端,贯穿第一基座。第二基座上的两个行进装置分别靠近两端,贯穿第二基座。设备优选行进装置为麦克纳姆轮,使主体在狭窄空间内带动汽车转向移动,伸缩机构拉动或推动第一基座和第二基座互相靠近或远离时,麦克纳姆轮的运行能降低伸缩机构在拉动或推动第一基座和第二基座的阻力。如图3、图4。

图3 装置示意图Fig.3 Device schematic diagram

图4 局部放大图Fig.4 Local magnification diagram

图5 装置局部放大视图Fig.5 Local enlarged view of the device

图6 装置爆炸视图Fig.6 Device explosion view

图7 Simulation SolidWork有限元分析Fig.7 Simulation SolidWork finite element analysis

收容槽位于两个相邻的行进装置之间。第一基座的一侧和第二基座的一侧均设有调节机构,调节丝杆的一端与收容槽的内壁旋转连接,连接处靠近相邻的行进装置。调节丝杆的螺纹分别为左旋螺纹和右旋螺纹,双轴电机驱动两根调节丝杆正转和反转时,与之滑动连接的两个托举机构相互靠近或远离。

调节机构上滑动连接两个托举机构,两个托举机构互相对称。双轴电机的输出轴带动两根调节丝杆正转或反转,从而在两根调节丝杆上滑动两个旋转支架互相靠近或远离,根据要搬运车辆车轮的尺寸调节两个托举机构之间的距离。

托举机构包括托举支架,托举支架的一端与旋转支架的另一端旋转连接,通过齿轮箱带动齿轮使托举支架在旋转支架上旋转一定角度,从而让两个托举支架靠近车辆车轮。优选4个滚轮,位于同一轴线上,通过滚轮与车辆接触,避免托举支架直接顶触车轮,对车轮造成伤害,也能在两个托举支架互相靠近时令滚轮在车辆上滚动,将车辆抬升,使车轮离开地面。

环形台阶位于两个行进装置之间。第一基座和第二基座之间设有伸缩机构,伸缩机构包括伸缩丝杆、光杆、剪叉式伸缩臂、两根伸缩杆及保护罩,伸缩丝杆的两端与第一基座的另一侧旋转连接,伸缩丝杆上的螺纹分为两段,伸缩丝杆上的两端螺纹分别为左旋螺纹和右旋螺纹。通过伸缩杆提升伸缩机构的自身强度,避免由于车辆重量过大导致伸缩机构损坏。保护罩避免灰尘进入伸缩机构内,影响伸缩机构的运行。

通过伸缩驱动件带动伸缩丝杆正转或反转,令两个第一滑块相互靠近或远离,从而让剪叉式伸缩臂推动或拉动第一基座和第二基座互相远离或靠近,使主体驶入车辆底部且不碰撞车辆。通过3D模型进行Simulation SolidWork有限元分析,得到该装备结构受力情况稳定,可正常应用于实际工作。

该搬运设备展现了出色的场景适应性,不论是在繁忙的停车场、便捷的停车库还是其他车辆集中区域都能灵活运用,独特之处在于能够主动获取并准确计算环境信息,通过高精度的智能路径规划和搬运操作满足机动车在各种不同应用场景下的操控需求,这一特性显著提升了操控灵活性和环境适应性,为城市交通提供了更为智能、高效的解决方案。

通过工具的自主运算和操作,极大减少了人工的介入,提高了资源利用率,不仅有效降低了车辆搬运过程中的能耗,还有助于减少对环境的影响,符合可持续发展目标。这种自主性和高效性不仅提高了搬运操作效率,也提高了城市交通管理的可持续性。该搬运设备可根据实际需求进行智能化升级和功能扩展,通过集成更多先进的传感器模块及人工智能算法进一步提升感知能力,实现数字化与智能化水平的全面提升。这种可扩展性注入了更多的可能性,使其能够持续适应不断变化的技术和应用要求。未来,随着科技的不断进步,该搬运器将能够更灵敏地适应新的挑战和需求,为城市交通发展提供可持续、先进的解决方案。

3 结论

提出了一种用于辅助搬运汽车的新型装置,采用创新技术方案,实现了对不同车体宽度汽车进行有效搬运的功能。结合伸缩机构的设计,灵活调整两个主体之间的距离,使其适应不同车轮之间的距离,提高了搬运的稳定性。该装置的优势在于避免了与汽车车轮的碰撞,通过伸缩机构的调节使主体能够在狭窄的空间中进行搬运,有效防止汽车损坏。托举机构的设计进一步增强了托举强度,确保搬运过程中的安全性和可靠性。该装置的托举支架采用滚轮,进一步提高了对车轮的托举效果,令汽车搬运更加平稳。调节机构的双轴电机和旋转组件设计令调整过程更为灵活、精准。设计上充分考虑了不同汽车车体宽度的需求,通过多重机构的协同作用实现了对汽车的安全、稳定搬运,为汽车运输带来了一种创新解决方案,实现了对不同宽度汽车车轮的适应性托举,提高了托举强度及稳定性,有助于减少汽车搬运过程中的损坏风险。