新型升降旋转式自行车自动停车装置设计

浦广益， 卢学玉， 纪凯鹏， 徐源浩， 李乾坤， 程瑞敏， 王小松

(江南大学 机械工程学院，江苏 无锡214122)

0 引 言

当今，国家对节能降耗和环境保护等日益重视。自行车是我国目前交通体系的重要组成部分。家用自行车及共享单车行业的发展有效地响应了环保节能的号召。但同时数量剧增的自行车及共享单车也带来了不少问题，如小区、商场等公共场所经常出现自行车停放杂乱无序，停车占地面积过大等现象，进而引发了交通拥堵、步行困难等一系列的问题。为此本文设计了一种升降旋转式自行车自动停车装置，以解决自行车的停放等问题。

1 设计目标与研究内容

1.1 设计目标

现如今，低碳环保逐渐成为世界人民生活方式的主旋律。各国大力倡导使用自行车作为代步工具，但剧增的自行车数量，也使得自行车杂乱无序，停车占地面积过大等问题暴露得愈加明显。针对该问题，拟设计一种自行车自动停车装置，能集中有序停放自行车，节约空间和能源。

1.2 研究内容

针对本设计所提出的研究目标，主要解决以下几个方面的内容：1）方案的选择和讨论；2）升降旋转式自行车自动停车装置的整体结构设计，包括停车架部分、升降系统部分、抓取与进给部分、回转部分、机电控制部分；3）运用三维建模软件UGNX对升降旋转式自行车自动停车装置进行整体建模，包括停车架部分、升降系统部分、抓取与进给部件、回转部分；4）机电控制部分选择Arduino mega2560芯片进行控制，安全模块采用IC卡进行用户身份识别。

2 装置结构设计

2.1 升降旋转式自行车自动停车装置工作原理

如图1所示，升降旋转式自行车自动停车装置主要由停车架部分、升降系统部分、抓取与进给部分、回转部分、机电控制部分组成。该装置执行部分有4个自由度，包括沿竖直方向的升降、绕竖直方向的旋转、沿径向的进给和抓取，运动原理如图2所示。

图1 升降旋转式自行车自动停车装置结构示意图

图2 运动原理图

停车架部分主要由若干层分布车位的平台、钢柱组成，其车位都内嵌于地下，停车入口位于地上。升降系统由步进电动机、卷扬机、钢丝绳、滑轮组成，通过控制钢丝绳伸出的长短来控制抓取进给平台的升降，保证其高度方向的定位。自行车的抓取由舵机控制的机械手完成，自行车的进给由齿轮齿条机构完成。自行车的周向定位由回转机构完成，回转机构的功能通过步进电动机和减速器实现。

此停车设备的具体运行过程：首先将自行车放到地面指定导轨上，然后进行刷卡，基于主控制芯片Arduino Mega 2560和RFID读卡器显示记录系统储存用户信息后执行进给运动，进给系统控制齿轮齿条进行进给，控制机械手的夹持系统抓取自行车后轮，待完成抓取动作后进给系统回复至圆盘中央，电动机驱动的旋转系统控制升降台旋转到有空车位的指定角度，然后电动机驱动卷扬机式升降系统下降到指定停车层，进给系统再次进给适当距离后，夹持系统松开，将自行车停入指定空车位，停车结束，整个系统复位至初始状态。反之，就是取车过程。

2.2 停车架部分的尺寸设计

本课题所设计的升降旋转式自行车自动停车装置的停车架是以木板、特大双头螺柱为主要框架组成的。立柱采用GB900-88标准的M80×1200双头螺柱，每层之间采用螺纹固定。停车槽内径为170 mm，外径为340 mm，夹角为18°。切槽部分长为180 mm，宽为6 mm，深为12.5 mm。用螺栓固定在底部固定铝合金盘上。铝合金固定盘有两种：外盘内径为640 mm，外径为740 mm；内盘内径为300 mm，外径为400 mm，盘上开有φ3 mm的螺纹孔。本停车设备可停放车辆最大尺寸为1800 mm×1100 mm×800 mm。权衡空间利用和安全停放的关系，停车单元相间距离为20 mm。在设置层高时，为了方便停放和取用，将每层高度增加为1400 mm。本停车位共设置3层，60个停车位，总高度为7260 mm。

图3 车架示意图

2.3 夹持与进给部分的设计

夹持机构的工作原理为：夹持与进给部分是该设备第一个具有运动型的模块，如何精准地抓住自行车是本次设计制作中要解决的关键技术问题之一。本设备利用在停车槽底部加圆弧凹槽巧妙解决了这个问题，如图4所示。这样每次停放车辆时车轮和圆弧凹槽的作用使得车子每次都能静止在一个地方，所以每次夹持时只需要进给设定距离，就可准确夹持到车轮。取车同样适用。夹持系统主要由电动机驱动一对啮合齿轮，齿轮带动四杆机构的夹持手完成夹持动作，如图5和图6所示。

1）夹持机构中四杆机构的设计[1-3]。如图7所示，为保证机械手头部夹持时保持平行，由四杆机构原理需要AB=CD，AD=BC。保证了夹持时平行夹持车轮。经过试验测得当夹持车轮1/3部分时可以保证夹持的平稳性，自行车车轮直径在400～600 mm之间，故EF在377.1～565.7 mm之间。选EF=400 mm。

2）夹持机构中齿轮的设计。齿轮的齿数与夹持进给密切相关，还和电动机性能相关，由于采用电动机灵敏度为1°，并且夹持段黏附有缓冲橡胶，所以齿轮齿数在一定范围内对进给影响较小，综合考虑选择模数为1 mm、齿数为22的一对啮合齿轮。

3）夹持系统中电动机的选择。夹持系统需要工作稳定、反应迅速的位置伺服电动机，且模型中的夹持机构较小，需要体积小、力矩适中的电动机，经过分析选择ES08MA II型舵机。

图4 停车槽圆弧槽示意图

图5 夹持机械手

图6 夹持系统

图7 四杆机构

2.4 进给机构的工作原理

进给系统主要是配合夹持系统完成自行车的移动。具体为当用户将自行车停到停车槽后，进给系统进给让夹持系统工作，然后进给系统再次工作回复到升降台上，随升降台下降，将自行车停入底层停车架，此时进给系统再次发挥类似作用。进给系统基于电动机驱动的齿轮齿条，如图8所示。

这种进给系统利用了齿轮齿条传动，齿条固定，齿轮运动。主要包括支撑杆件、齿轮、进给电动机及支撑件、用户停车槽、齿条、导轨。

2.5 升降系统部分的设计

图8 进给系统总体结构

升降系统是该设备第二个带有运动性的模块，它是本次设计制作中又一关键技术问题。一般实现升降的形式有卷扬式、链传动式、液压传动式、曳引升降式等。由于链传动式和液压式升降在高层次车库中受到高度行程的限制，所以卷扬式和曳引式用得较多。在本设备中高度并不是很高，从简单易行方面考虑选择卷扬式升降。卷扬式升降便于配合电动机实现电控，其三维布置如图9所示。

图9 设备中升降系统布置

升降系统的工作过程是曳引机正向转动，钢丝绳通过滑轮改变方向带动升降台完成上升运动，平衡轮沿着4根固定柱滑下保证下降过程足够平稳。反之，在重力作用下实现下降运动。电动机4在升降过程中起调整旋转角度的作用。

1）钢丝绳的选型。机械式停车设备一般实现升降运动会用钢丝绳提升和链条提升。因为链条提升传动复杂、成本高。而钢丝绳通常由6股（每股19根）钢丝拧成，本身柔韧性较好，运动平稳，噪声和链条相比小很多，所以钢丝绳提升是很好的选择。

2）升降系统升降台的设计。升降台是进给系统的基座，不可或缺，本设备中升降台为方形，材料为钢板，最大尺寸为100 mm（长）、80 mm（宽）、5 mm（厚）。在升降台四角分布4个平衡滑轮，起稳定作用。

3）升降系统中电动机的选型。升降系统需要精度高、转矩较大、能进行位置伺服的电动机，经过分析选择35BYG48步进电动机，并通过一个减速比为16的行星减速器匹配惯量和转矩。

2.6 回转系统部分的设计

1）回转系统部分的工作原理。旋转系统是本设备的第3个运动性模块，主要改变升降台的角度，实现周向停车的功能。旋转系统底部靠电动机带动轴向旋转，动力源为底部电动机，顶部为无动力轴承配合轴向运动，中间为升降台，4根立柱限制住升降台的5个自由度，在立柱不动的条件下只能上下升降，如果立柱旋转，则升降台一起转动，如图10所示。

图10 旋转系统结构

2）回转系统中电动机的选型。电动机动力装置结构如图11所示，主要由电动机和能承受轴向力的轴承及其它支撑部件组成。由于旋转的角度主要由电动机来控制，精度要求较高，所以有必要对电动机的型号进行设计选型。C向旋转电动机要求精度较高，输出转矩较大，选择易于控制的步进电动机，但步进电动机易丢步，而旋转平台转动惯量较大，故需要减速器来匹配转矩和转动惯量。经过分析，减速器选取减速比为16的行星减速器，电动机选取为35BYG48型步进电动机。

3）升降台旋转固定的设计。如图12所示，为保证旋转的正常，要求旋转台和立柱连接应紧密，为此，在升降台的四周装上4个直线轴承，通过立柱和直线轴承的配合保证了升降台转动的平稳性。

图11 电动机动力装置

2.7 机电控制部分的设计

如图13 所示，机电控制部分的工作原理为：1）主 控 制板。自行车自动停车系统主控制芯片为Arduino Mega 2560，它具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16 MHz晶体振荡器，可以满足停车装置的控制需要。2）人机接口。输入装置为一RFID读卡器，用户可通过刷IC卡来让系统确定用户身份，显示装置为一八段二位数码管，可显示剩余车位数。3）机电接口。X向电动机为直流电动机，通过L298N芯片进行控制，此芯片内为H桥电路，Z向、绕Z轴旋转电动机均为步进电动机，通过步进电动机控制芯片A4988控制，机械手舵机通过主控制板发出的方波信号控制机械手开合。4）信息接口。X向限位传感器、Z向、绕Z轴回转电动机回零传感器均为光电传感器。

图12 升降台

图13 机电控制示意图

如图14所示，显示系统采用二位八段数码管用于显示剩余车位数量，用户识别装置选取了MFRC522模块，通过IC卡识别用户身份，并通过单片机记录用户信息。

3 创新特色

该装置能够有效解决自行车停放过程中出现的停车杂乱无序、占地面积大、停放安全性低、停取车效率低等问题，为城市自行车停放系统提供服务与帮助，推动自行车交通系统的可持续发展。本设计创新点主要体现在以下几方面：1）占地面积小。升降旋转式自行车自动停车装置主体停车部分位于地下，地面部分占地极小，可以有效节省地表空间。2）存取车效率高。本停车装置通过用户持有的IC卡进行智能识别，机器自动完成存取车过程，相较于传统停车装置，省时省力，更加方便快捷。3）安全可靠性高。本装置深入地下，存取车过程由机械智能完成，并且实行“一人一卡一车”的工作流程，有效减少自行车失窃事件的发生，大大提高了自行车停车过程中的安全性问题。4）延长车辆使用时间。由于主体停车部分位于地下，停车结构层层固结，有效避免了停放车辆受到大风天气、大雨天气对车体造成的损伤，延长车辆使用时间。

图14 显示系统

4 结 语

目前，我国城市正处于由工业文明向生态文明的转型过程，而自行车即将成为未来城市“微循环”体系中“微交通”的主力军，因而随之应运而生的自行车停车装置愈加受到人们的关注。人们对设计出一种集安全、可靠、经济于一身的新型停车装置的需求将越来越迫切。绿色、灵活、健康、经济赋予了自行车停车装置在新的历史条件下的新生命力和巨大潜力。

为解决自行车停放问题，人们逐渐开发出各式各样的停车装置，通过分析比较目前市面上较为常见的停车装置，可以发现多数停车装置仍存在占地面积比较大、安全程度较低、不宜长期保存等问题。并且受到停车群众素质水平影响，自行车停放杂乱。而该装置通过地上取车、地下停车、自动取车、密闭存车等一系列措施，有效地解决了自行车停车装置的普遍问题[4]。在未来自行车愈加流行的社会中将成为一种受到人们广泛喜爱的公共设施。为繁华地段的停车问题提供了一种有力的解决措施。