可控便攜式汽車移動機器人設計＊

馬登秋，鄭紅建，李 飛，盧 超，蔣 兵，陳 派，李馨婷，葉振環

（1.遵義師范學院 工學院，貴州 遵義 563006；2.貴州天義電器有限責任公司，貴州 遵義 563000）

1 引言

隨著社會進程的發展，科技水平逐漸提高，人們的生活和生產水平也越來越高，汽車也成為人們出行的主要代步工具。據有關資料顯示：2017年，中國汽車產量達2 901.54萬輛，同比增長3.19%；銷量達2 887.89萬輛，同比增長3.04%[1]。由于城市汽車數量的迅速增加，各種各樣的交通問題也隨之而來。例如，上下班和節假日期間車流量極大，造成交通擁堵；車輛的亂停亂放問題嚴重，不僅影響城市的文明形象，也影響市民出行，甚至可能會引起交通事故等[2]。為了解決汽車亂停亂放的問題，設計制作了汽車移動機器人，它具有體積較小、操作簡單、便于移動等優點。

2 可控便攜式汽車移動機器人設計方案

可便攜式汽車移動機器人簡易結構如圖1所示。

圖1 可便攜式汽車移動機器人簡圖

可控便攜式汽車移動機器人可以不借助汽車動力移動汽車，分為結構部分和驅動控制部分。在結構上主要由轉向機構、升降機構和驅動機構三大部分組成，其各部件主要功能是：升降機構把汽車與地面分離；驅動機構把汽車移動；轉向機構實現轉向功能，各機械結構在驅動控制部分的作用下運行。

3 可控便攜式汽車移動機器人結構設計

3.1 轉向機構設計

對于轉向機構，一般基于汽車轉向機構設計，但因可控便攜式汽車移動機器人趨于微型化，無論是結構特征還是使用要求等都與汽車的轉向機構存在差異[3]，所以汽車轉向機構并不能完全適應于汽車移動機器人，可控便攜式汽車移動機器人轉向機構需要進行一定的改進。本設計提出兩種轉向方案：①搖桿式轉向機構，具體如圖2所示，該機構通過電機正反轉驅動搖桿擺動，帶動輪子擺動，從而實現轉向的功能；②齒條轉向機構，具體如圖3所示，齒輪齒條機構是通過電機的正轉和反轉作用于齒條2，使得齒條左右移動，從而引動其他基本桿件運動，進而帶動輪子擺動，實現轉向的功能。由于搖桿機構擺動具有不確定性、可靠性低等特點，而齒輪傳動效率高、可靠，所以，可控便攜式汽車移動機器人轉向機構采用齒輪齒條機構。

圖2 搖桿轉向機構簡圖

3.2 升降機構設計

目前，常見的升降機構有液壓桿式升降機構、絲杠式升降機構和鏈條式升降機構[4]。便攜式汽車移動機器人作為一種微型移動工具，升降機構不能過大，否則會影響靈動性和便攜性。由此汽車移動機器人升降機構便排除了液壓桿式升降結構和鋼絲繩式升降結構這兩種較大的升降機構，可控便攜式汽車移動機器人升降機構采用絲桿式升降機構。

圖3 齒條轉向機構簡圖

絲桿式機構如圖4所示，四桿承重機構后面的短桿可以打開，使其進入汽車輪胎底部，對汽車進行升降處理；箱體機構中的電機帶動螺紋桿，與螺紋桿升降機構的其他四桿進行聯動，機構其中兩機械點以左右移動來實現四桿承重機構的升降，即可實現汽車的升降；輪系機構可以在一定程度不平整的路面移動，且沒在升起汽車時，輪系保持不動并自鎖。

圖4 絲桿式機構簡圖

3.3 驅動機構設計

可控便攜式汽車移動機器人有多種驅動方案供選擇，比如，特殊移動機器人的同步轉向四輪驅動、常見汽車的前輪轉向后輪驅動等[5]。由于便攜式汽車移動機器人是作為微型機器人來設計，它的體積結構較小，如果讓轉向和驅動都同時存在，需要考慮特殊的機械結構。所以，可控便攜式汽車移動機器人將驅動機構分為主動組和從動組，分別對應汽車的前輪和后輪。主動組由兩個汽車移動機器人構成，可以同時完成驅動和轉向，移動汽車時分別裝載在汽車的兩個前輪，轉向由轉向機構控制，驅動部分采用輪轂電機作為驅動動力源；從動組也由兩個汽車移動機器人構成，但從動組輪系是簡單的萬向輪機構，用來輔助移動，移動汽車時分別裝載在汽車的兩個后輪。

根據機器人轉向機構、升降機構和驅動機構的設計確定機器人各零部件具體尺寸，并對各個零部件進行繪制，可控便攜式汽車移動機器人三維模型與爆炸圖如圖5所示。

圖5 可控便攜式汽車移動機器人

3.4 控制系統設計

在可便攜式汽車移動機器人的設計中，要使汽車移動機器人各個部分之間相互緊密配合，需要相關程序來控制，即汽車移動機器人的控制系統。可控便攜式汽車移動機器人控制系統由單片機系統控制，機器人控制程序設計分為通訊模塊程序和控制模塊程序。機器人控制系統工作基本流程如圖6所示。在機器人電源接通后，首先判斷脫扣部分是否鎖緊，未鎖緊的情況下通過通訊模塊輸出“脫扣未鎖緊”，脫扣鎖緊后方可驅動升降電機；在機器人移動之前判斷升降是否完成，升降未完成的情況下通過通訊模塊輸出“升降未完成”，升降完成后方可驅動移動或轉向電機，等到達運送目的地之后即可完成機器人移動；把汽車放下，完成汽車的移動。

圖6 控制系統流程圖

4 結語

目前，汽車成為人們出行的主要代步工具，汽車不文明停放問題突出，為了規范不文明停放車輛的行為，開發出了可控便攜式汽車移動機器人，分為結構部分和驅動控制部分，其中結構由轉向機構、升降機構和驅動機構組成。在出現亂停亂放現或急需移動汽車時，機器人可不借助汽車自身動力或者大型拖車解決相關問題，該可控便攜式汽車移動機器人可為交通管控等提供極大的幫助。