增效先行2017中國好設計創意獎
——大小車聯動起重機

文武漢理工大學 楊鵬強 陳書輝 魏士博 蔡啟烈 周偉

隨著經濟全球化步伐的加快，港口碼頭在國家貿易中扮演著越來越重要的角色。堆場在集裝箱碼頭的地位十分關鍵，其堆位分配優劣直接影響著碼頭的整體運作效率。

目前，市場對物料搬運設備的總體需求不斷增長，起重運輸機械的生產規模與市場占有量也在逐漸擴大，很多與國計民生直接相關的行業——如煤炭、礦產資源、石化、建筑、交通運輸、裝備制造等，都離不開起重運輸機械。隨著以上各行業的蓬勃發展，市場對起重運輸機械質量與數量的要求也越來越高，對起重運輸機械的智能化、自動化、信息化、高效性、節能性、創新性、安全度等方面都提出了更高的要求。其中，起重、運輸一體式起重運輸機由于其靈活性、功能多樣性受到了市場的青睞，占有一定的市場份額。

2017中國好設計創意獎——大小車聯動起重機項目組由武漢理工大學物流工程學院楊鵬強、陳書輝、魏士博、蔡啟烈、周偉五名本科生組成。2017年，經過8個月的磨礪，項目組設計發明了大小車聯動起重機的等比例實物模型，用以解決集裝箱碼頭部分作業運作效率低下的問題。

大小車聯動起重機可實現貨物運輸與裝卸一體化，提高了堆場的運作效率。其工作流程分為4個部分，即軌道直線行走、多鉤升降起吊、活動托盤移動貨物、擋板卸載貨物。

該起重機設計受現有起重運輸機啟發，集起重與運輸兩個功能于一體，以實現更高效、更快速的起重運輸功能。項目靈感起源于團隊參加第二屆全國大學生起重機創意大賽。結合“將貨物從區域A搬運到區域B”的預設任務要求，團隊成員設計的起重運輸機首先在區域A利用雙叉吊鉤吊取貨物，之后將貨物放置于活動托盤上。接著，起重機與貨物整體運動到區域B，最后利用活動托盤機構平穩放置貨物。該起重機一次最多可以搬運15箱貨物，簡化了起重機的運動過程，節省了運輸時間，使整個過程更加快速高效。

該次需要調運的箱子有15個，單個調運相當繁瑣。因此，項目團隊在創新研討和技術攻關后，設計采用一排5個雙叉吊鉤，每次起吊5箱貨物。單獨采用電機控制鉤子的左右移動，使得鉤子能夠靈活勾住貨箱提帶。

大小車聯動起重機項目團隊隊長、武漢理工大學機械設計制造及其自動化專業楊鵬強代表團隊領獎

為進一步節約運輸過程的時間成本，該設計采用一次運輸多箱貨物的方法，從而滿足任務要求。因此，活動托盤的大小設計為能橫向容納5箱貨物。此外，由于放置過程占用總耗時的比例比較大，所以使用活動托盤機構使大量貨物能夠同時放置，節省了大量時間。為滿足賽事和未來實際應用中限定區域放置的要求，通過同步帶輪控制活動托盤，使得活動托盤能夠前后左右移動，精確控制貨物的放置區域。同時，為了解決起重機難以走直線的問題，設計采用軌道限定起重機行走路線的方法，使得起重機能按照軌道設定的直線行走，節省了起重機行走過程中的路徑調整時間。

整機機械結構及控制設計的創新上，在起重機整體方面，起重運輸裝置整體為起重運輸車形狀，功能上實現了吊取貨物、裝載、運輸與放置。主要結構分為上、下兩部分，上部活動橫梁，雙叉吊鉤機構主要負責吊取、裝載，下部主架、活動托盤等部件主要實現了運輸、放置功能。兩個部分的工作均由基于無線藍牙遙控設計的電機控制，實現了無線控制功能。上、下兩個部分協調合作，從而完成指定區域的貨物運輸。

仍以將15箱（5盒裝）貨物從A區域搬運到B區域為例，該起重運輸設備能夠實現貨物起重、運輸一體化的功能要求。工作時，活動托盤上一次承載吊鉤吊取的15箱貨物，分5堆均勻放置，每堆疊放3箱。當起重機運行至放置區域時，活動托盤利用擋架將5堆箱子依次卸至5個圓內，可以靈活、精準地完成卸貨。

在電動控制方面，該起重機模型電路控制系統基于藍牙遙控設計，系統由單片機控制芯片、藍牙接收模塊、電機模塊、以及手機APP（發出信號）等組成。

單片機芯片是起重機控制系統的核心，它起到接收藍牙模塊的信號、處理數據、發送信號到電機模塊的作用。本設計采用STC89C52系列單片機作為主控芯片。

藍牙模塊實現連接手機APP與單片機系統的功能，它能接收手機APP發出的藍牙信號，并將信號轉化輸入單片機中。本設計采用HC-05型號藍牙模塊。

手機APP實現將指令轉化為藍牙信號并發出的功能。使用時需在安卓系統手機上安裝APP“藍牙串口”。

電機模塊實現接受單片機信號并直接驅動電機的功能，通過電機模塊可以更方便地調節電機的轉速與轉向。本設計采用L298N型號電機驅動模塊。

電機起到提供系統動力的作用，由電機模塊直接驅動。

該起重機模型采用12V鋰電池，不接外部電源，從而實現重量的減輕。目前市面上的鋰電池可以支持起重機運作。

本設計一共有10個電機，包括：2個電機控制起重機整體前后運動；2個電機控制活動橫梁活動梁上下運動；2個電機控制活動托盤前后運動；2個電機控制活動托盤左右運動；1個電機控制吊鉤的左右運動；1個電機控制活動擋板的前后運動。

為了使起重機模型遙控操作更加快捷，該設計采用兩人操作控制。一人負責起重機整體前后運動、活動托盤左右運動和活動擋板前后運動；另一人負責活動托盤前后運動、活動橫梁活動梁上下運動和吊鉤左右運動。

大小車聯動起重機項目的主要創新點在于：

首先，平移齒條與升降電機的搭配使用，實現了對貨物的靈活鉤取。

其二，活動托盤的橫縱變位與三個擋板的組合作業，實現了對貨物的快速精準放置。

其三，起吊裝置與托盤結構配合，實現了運輸裝卸一體化。

在應用前景領域，大小車聯動起重機具有多鉤靈活吊取與托盤、擋板快速精準卸貨的創新功能，在港口碼頭等集裝箱需要變換位姿的情況下，應用該組合創新可以快速精準解決遇到的實際問題。