基于自平衡的林间竹子独轮搬运车的设计_李晓晓.pdf

第 卷 第 期 年 月 成都大学学报（自然科学版）（）文章编号：（）：收稿日期：基金项目：四川省教育厅重点项目（）作者简介：李晓晓（），男，硕士，实验师，从事机械机构设计与机器视觉研究：基于自平衡的林间竹子独轮搬运车的设计李晓晓，母银飞，孙付春，杨 涛，龚一龙，董万福（成都大学 机械工程学院，成都；成都农业科技职业学院 机电信息学院，四川 成都）摘 要：利用现代设计方法学完成林间竹子搬运车的初步功能方案设计，再通过有效值分析法获得最佳设计方案完成竹子独轮搬运车的行走装置、搭载平台和平衡调节装置的结构设计后，还进行了搬运车自平衡控制系统的设计与运动仿真分析 基于自平衡的林间竹子独轮搬运车的设计，能有效地解决目前竹子搬运工具的通过性和平衡性差的问题，提升了运输效率、减轻了劳动强度，具有良好的开发前景关键词：竹材；现代设计方法学；搬运车；有效值分析法；自平衡中图分类号：文献标志码：引 言 我国竹林资源大多分布在地势复杂的丘陵地区，竹林间基本上都是崎岖的林间路，道路窄小、路面状况复杂，而且林间路坡度大、拐弯多且急，该路况基本无法使用中型和大型的运输机械来搬运物资，林间竹子的搬运大多使用手推车、两轮和三轮摩托车来搬运 基于地形和路面情况的复杂，尤其是下雨过后山间道路泥泞且很滑，一般的手推车很难控制速度，两轮的摩托车又很难控制平衡，而三轮摩托车转向时容易发生侧翻，总之，现有的搬运工具实用性低，竹材运输需要投入大量的人力 基于目前竹材搬运车机械的自动化、智能化程度低，通过性和平衡性不可兼顾，因此，本研究制作出一款适合在丘陵山地复杂的林间道路上作业且可自动调节平衡的小型独轮搬运车，以克服目前竹材搬运车的不足 竹林间竹子搬运车方案设计 搬运车的设计任务通过对竹子生长环境和搬运路况的考察，结合具体使用情况和现代设计方法学原则，竹子搬运车具体的要求明细见表 表 搬运车要求明细表要求明细尺寸要求搬运车的整体尺寸不能太大，能轻松穿过林间道路工作方式调节范围要广，调节速度要快动力装置动力源要对环境无污染控制在一定的坡度范围内，能够自动检测平衡状态并自动调节平衡人机关系平衡调节范围要监测和控制，有报警和安全措施加工尽可能选用国产器件，与安全有关的联结要容易检查和维护装配运输拆装方便，更换配重容易且不影响原来的调节速度和范围使用保养简化操作步骤适合普通工人操作，保养维修方便成本单件成本不超过 万元，在使用寿命期限内收回成本 总功能分解竹林间竹子搬运车的总功能是对竹林间的竹子实现短距离的运输，并且能够在行驶过程中实现自动检测并调节车体左右 侧平衡 为了清楚地表示竹林间搬运车各工作部分和周围环境的工作关系，建立了如图 所示的独轮搬运车技术过程流程图流程图中，环境系统是指丘陵山地的竹林环境，相邻技术系统是指搬运车对能源和控制等的技术要求，图中点划线表示机械系统与外部的联系 为了更直观地了解竹林间搬运车系统各部分的功能，将系统的总功能分解为简单的功能元，并建立如图 的搬运车功能树 搬运车总功能具体分为驱动功能、执行功能、控制功能和支撑联结部分环境系统人相邻技术系统信息控制工作机构行走，调节平衡能量传递能量转换能量待运竹材竹材支撑和联结部分图 搬运车技术过程流程图能量转换能量传递与分配行走调节平衡启动和停止变速驱动功能执行功能控制功能支撑联结总功能图 搬运车功能结构树 原理方案解根据搬运车功能树，采取系统组合的方法，建立起搬运车组合的形态矩阵，将其可能的方法进行列举排列，计算出解法，并在所有的解法中找出符合项目实际意义的方案 搬运车所有形态矩阵见表 表 搬运车功能解功能原理解能量转换汽油机柴油机液压马达电动机行走方式四轮三轮两轮独轮调节平衡齿轮齿条传动滚珠丝杠组件齿轮传动组件制动鼓式制动盘式制动 由表 可知，当不考虑实际工作环境和其他条件制约的情况下，能得到的方案一共有 种方案 ）能量转换 丘陵地区竹林间的竹子运输对生态环境的保护是必须首要考虑的问题，首先考虑使用电动机作为驱动源 交流电动机在竹林中使用会造成诸多的不方便，初步考虑使用直流电动机作为驱动源）行走方式 对于竹林间的道路而言，四轮、三轮和两轮的搬运车都存在通过性差的问题，相比较之下独轮车拥有较好的通过性）制动方式 盘式制动的制造成本会比鼓式的更高，但是鼓式构造零件多，不利于后续的维修，盘式刹车构造简单，维修更容易，初步选用盘式制动综上所述，初步制定了 种搬运车的设计方案方案：使用直流电机的齿轮齿条传动调节平衡的独轮搬运车如图 所示 其主要包括车体、车把手、行走装置、齿轮齿条平衡调节装置、平衡调节装置安装架和控制器 此方案通过控制把手对行走轮的运动状态进行调控；通过刹车把手停止行走轮；当检测到车体不平衡时，通过平衡调节装置对车体进行平衡调节；当车体有向左倾斜的趋势时，则由伺服电机控制齿轮向右运动，从而带动整个滑板向右运动，最后使车体重新恢复平衡；当车体有向右倾斜的趋势时，则由伺服电机控制齿轮向左运动，从而带动整个滑板向左运动，最后使车体重新恢复平衡12543注：车体，车把手，行走装置，齿轮齿条平衡调节装置，平衡调节装置安装架图 齿轮齿条传动调节平衡的独轮搬运车 方案：使用直流电机的滚珠丝杠调节平衡的独轮搬运车如图 所示 其主要包括车体、行走装置和滚珠丝杠平衡调节装置 此方案通过控制车体上的把手对行走轮的运动状态进行调控；当检测到车体不平衡时，通过滚珠丝杠平衡调节装置对车体进行平衡调节；当车体有向左倾斜的趋势时，则由伺服电机控制滚珠丝杠向右运动，从而带动整个平衡调节装置向右运动，最后使车体重新恢复平衡；当车体12注：车体，滚珠丝杠平衡调节装置图 滚珠丝杠调节平衡的独轮搬运车 第 期 李晓晓，等：基于自平衡的林间竹子独轮搬运车的设计有向右倾斜的趋势时，则由伺服电机控制滚珠丝杆向左运动，从而带动整个平衡调节装置向左运动，最后使车体重新恢复平衡 方案：使用直流电机的齿轮传动组件调节平衡的独轮搬运车如图 所示 其主要包括行走装置、搭载平台和齿轮传动组件平衡调节装置 此方案通过控制车体上的把手对行走轮的运动状态进行调控；当检测到车体不平衡时，通过齿轮传动组件平衡调节装置对车体进行平衡调节；当车体有向左倾斜的趋势时，则由直流减速电机控制齿轮传动组件带动配重向右摆动，从而使整个重心向右偏移，最后使车体重新恢复平衡；当车体有向右倾斜的趋势时，则由直流减速电机控制齿轮传动组件带动配重向左摆动，从而使整个重心向左偏移，最后使车体重新恢复平衡312注：行走装置，搭载平台，齿轮传动组件平衡调节装置图 齿轮传动组件调节平衡的独轮搬运车 设计方案的评价与选择有效值分析法是系统工程学最重要的评价方法之一，根据系统论观点，有效值分析法把待评价的目标看成 个系统，由于系统可以分解，于是可以把总评价目标拆分成多个级别的分目标，整体呈现出一个树状结构，也就是目标树 例如，为总目标，和为第 级分目标，和 为 的分目标，即 的第 级分目标，和 为 的分目标，即 的第 级分目标，最末级的分目标即为总目标的具体评价目标，即评价标准 建立评价目标树时应选择起决定作用的设计要求和条件作为主要目标，各个目标之间应相互独立 每个评价标准在总的评价目标中有着不一样的重要性，通常把重要程度用加权系数表示，加权系数通常用 之间的数来表示，最终每个分目标的加权系数等于 搬运车的评价目标树和加权系数如图 所示1 1搬运车0.5 0.5性能0.5 0.5经济性0.73 0.37可靠性0.27 0.14舒适性0.6 0.3维修0.4 0.2造价调节速度0.40.15调节范围0.60.22图 搬运车的评价目标树和加权系数 评价目标的加权系数在目标树中是逐级分配的，每个目标用 个大方框表示，每个大方框内有 项内容 其中，大方框的上部分为目标名称，大方框下部分左边为上一级目标的同级分目标的加权系数，大方框下部分右边则表示该分目标在整个目标树的加权占比，其等于相关的上层所有目标的加权系数与该分目标加权系数的乘积，如调节速度在总评价目标的加权占比为，对目标系统评价时，使用最末级分目标的加权占比 进行表示，之和为，可表示为，（；，）（）式中，为评价目标数针对各个方案相对应的分目标评价，对其进行评分以体现其价值 在有效分析法中，用 分来评价其价值，将评好的各项分数填入评价表 将每项分价值（）乘以加权占比（）即可得到该项的加权价值（），各评价目标的加权价值之和即为该方案的总价值（）搬运车 个方案的评价表见表表 搬运车方案评价表评价目标加权系数 方案 方案 方案 分价值 加权价值 分价值 加权价值 分价值 加权价值 调节速度调节范围舒适性造价维修成都大学学报（自然科学版）第 卷 加权总价值公式为，（）（）分价值矩阵 为，|加权占比矩阵 为，各个方案的总价值为 为，|由于 ，故方案 最佳，方案 次之，方案 最差 因此选择直流电机的齿轮传动组件调节平衡的独轮搬运车的设计方案作为本研究最终的设计方案 自平衡独轮搬运车结构设计自平衡独轮搬运车主要包括行走装置、搭载平台和平衡调节装置 部分 其中，行走装置主要包括行走轮、行走轮安装架、车架和控制把手等；搭载平台主要指的是安装在搬运车行走轮两侧的载物框；平衡调节装置主要包括直流减速电机、电机安装架、齿轮传动组件、配重电池和电池安装架等 自平衡独轮搬运车的主要设计参数见表，整体结构如图 所示表 自平衡独轮搬运车主要的设计参数名称设计参数搬运车外形尺寸（长 宽 高）搬运车自身重量 左右载重范围 图 自平衡独轮搬运车三维图 行走装置的设计自平衡独轮搬运车的行走装置主要包括行走轮、行走轮安装架、车架和控制把手等 使用环境决定着行走轮的选用，土壤的承载能力影响行走轮的宽度，路面的状况影响行走轮的大小 车架是行走装置的基础部件，搭载和固定连接着整个独轮搬运车所有必需的零部件 搬运车在行驶过程中和搭载货物受到外界作用力时，所有的作用力都只能由车架来接收和传递 竹农通过车架上的车把手对行走轮的状态进行控制，右车把手上的手柄控制车速，左把手上的手柄控制搬运车的启停 行走装置的三维结构如图 所示图 行走装置的三维图 搭载平台的设计自平衡独轮搬运车主要是用于林间竹材运输，竹材的密度是随着生长的时间而有所差异的，本研究针对的竹材为生长期超过 年的竹材，由研究报告可知，该类竹子的密度大约为 ，竹材的主干高度通常为 ，竹子的直径大小在 之间 选择中间的数据作为初步估算的依据，选取主干为 ，竹子直径为 根据搬运车整体设计的要求，将竹材截切为 长的小节，根据竹子的密度和直径估算每 小节竹子重 左右，根竹子的重量约，单个装满竹材的竹材框的重量小于 根据竹材的物理特性，竹材框的尺寸为 竹材框上的边框连板为可以旋转设计，目的是卸载竹材时，竹农可以手动把搭挂在边框连板上的连接板挪动，此时边框连板放下，则竹材便可以从竹材框中卸载下来 竹材框的三维结构如图 所示图 竹材框三维图 第 期 李晓晓，等：基于自平衡的林间竹子独轮搬运车的设计 平衡调节装置设计 平衡调节装置设计平衡调节装置用于调节车体的平衡 当传感器检测到车体倾斜的信息后，将信号传递给控制系统，这时控制系统启动平衡调节装置当中的直流减速电机，当电机接受到来自于控制系统的信号后，电机开始工作，同时带动装置中的电机齿轮转动，从而带动回转齿轮一起运动 由于配重电池和回转齿轮是通过螺栓连接在一起的，当回转齿轮转动时，与其连接的配重电池配重也会随之一起运动，利用配重电池的重量在一定程度上逐渐抵消掉车体倾斜的重量，在一定程度上重新调节车体的重心 电机齿轮如此左右循环往复运动，使车体保持动态平衡状态 平衡调节装置的三维结构如图 所示图 平衡调节装置的三维结构图 控制系统设计）自平衡原理 电动独轮搬运车主要存在前后左右 个方向的平衡问题 通过分析可知，搬运车前后 个方向的平衡主要通过竹农来手动平衡，而自平衡指的是独轮搬运车左右 边的平衡 当控制器检测到车体的倾斜信号时，控制独轮搬运车平衡调节装置中的直流减速电机，使平衡调整装置向相反的方向摆动，从而平衡掉独轮搬运车的倾倒趋势，以此保持独轮搬运车的动态平衡 自平衡独轮搬运车的车体左右倾斜与其车