基于慧魚模型的自行車智能停車裝置設計

聶陽文　黎子豪　閏磊　胡星

摘要：針對目前自行車停車裝置存在停放位置不足（或亂停亂放）、久置積灰以及停放不安全等問題，設計了一種頂樓式自行車智能停車裝置，采用了慧魚模型零部件對該裝置設計方案進行模型搭建，并基于慧魚ROBO PRO編程軟件對該裝置進行程序設計和系統調試，驗證了該裝置設計方案技術的可行性。

關鍵詞：慧魚模型;自行車;停車裝置;環境污染

中圖分類號：U495

文獻標識碼：A

DOI：10. 15913/j.cnki.kjycx.2019.09.020

近年來，隨著交通擁堵、環境污染等問題日益嚴重，自行車作為一種經濟便利、低碳環保的交通方式，作為一種健康的生活方式，受到世界各國青睞[1]。與此同時，自行車停放問題隨著自行車數量增長而越來越嚴重，例如停放位置嚴重不足（亂停亂放影響公共環境）[2-3]、久置積灰以及停放不安全等問題，而現有的自行車停車裝置普遍存在占用公共空間、功能相對單一以及容易被盜等問題。本文設計了一種頂樓式自行車智能停車裝置，采用密碼存放方式，將自行車停放在小區休息亭、路面車庫或者公交站臺候車亭的頂部，不占用公共空間，并且配置擦拭除塵裝置對自行車上灰塵進行擦拭，有效解決目前自行車停放問題。

慧魚模型是技術含量很高的工程技術類拼裝模型，涵蓋機械工程、計算機、自動控制等多個學科，具有很強的擴展性和啟發性，被廣泛應用于實驗教學、科學研究和實際生產中[4]。本文基于慧魚模型對頂樓式自行車智能停車裝置設計方案進行模型搭建，并采用ROBO PRO編程軟件對該裝置進行程序設計和系統調試，驗證了該裝置設計方案在工程技術可行性。此作品已獲得第八屆全國大學生機械創新設計大賽慧魚組競賽一等獎。

1 機械設計方案

頂樓式智能自行車停車裝置的設計方案綜合運用了連桿機構、齒輪齒條機構、鏈傳動、絲杠螺母結構等多種慧魚模型零部件，實現了將自行車夾緊、提升、下降、轉向、擦拭除塵等自行車存取全過程的穩定運行，其模型總體結構如圖1所示。頂樓式智能自行車停車裝置適合在多種小區環境下進行搭建，例如它既可以搭建在小區綠化帶、空閑區域的上方，也可以搭建在小區休息亭、路面車庫或者公交站臺候車亭的頂部等，其主體部分由夾取裝置、運輸裝置、停車位及擦拭除塵裝置組成。

1.1 夾取裝置

夾取裝置由連桿機構和氣動裝置組成，實現對自行車前輪的夾緊、準備運送。連桿機構由兩個曲柄滑塊機構組合而成.其中滑塊作為連桿機構的原動件，其模型和運動簡圖分別如圖2、圖3所示。連桿機構的運動通過氣動裝置驅動，用以控制夾取裝置的張開與閉合。氣動裝置具有穩定、安全、可靠等特點，相比電磁閥具有斷電保護功能。氣動裝置由氣缸、電機、聯軸器、氣動閥組成。

1.2 運輸裝置

運輸裝置主要實現將自行車準確地運輸到指定位置，其模型如圖4所示。運輸裝置主要由二級升降機構、旋轉機構和單絲杠導軌三部分組成。

二級升降機構采用齒輪齒條傳動、絲杠傳動實現了自行車在垂直方向上的兩級提升。第一級升降機構通過齒輪箱與齒條的配合，將夾取裝置固定在齒輪減速箱的下方。停車時，夾取裝置夾住自行車，電機開始運作，使齒輪箱沿齒條爬升，從而使自行車上升至指定位置;取車時，電機反轉使齒輪箱沿齒條下降，從而使自行車下降至地面。第二級升降機構由絲杠和導軌組成，絲杠與一級升降機構整體配合。停車時，在一級升降機構上升后，電機帶動絲杠使一級升降機構進一步上升，從而使上層空間被更好利用，提高空間利用率;取車時，電機反轉帶動絲杠旋轉首先使一級升降機構整體下降，然后一級升降機構再下降，從而使自行車能夠平穩降至地面供用戶取車使用。

旋轉機構由一大一小齒輪組成，小齒輪直接連接在電動機上，大齒輪位于二級升降機構的底座上，旋轉的角度大小由電腦程序中對電動機運行的行程限制來進行控制，如圖5所示。當二級升降機構將自行車提升至一定高度后，旋轉機構將自行車水平旋轉900進行停放車操作，或再旋轉900進行車輛擦拭。單絲杠導軌用來運輸二級升降旋轉平臺整體，其一端為一個電機帶動齒輪轉動從而傳動至絲杠帶動轉動，兩邊由鐵桿固定，另一端上方連接二級伸縮旋轉平臺，下方連接停車區，二級伸縮旋轉平臺可在其上方滑動。

1.3 擦拭除塵裝置

擦拭除塵裝置主要作用是解決久置自行車的積灰問題，讓人們享受干凈舒適的騎行過程，如圖6所示，該裝置主要利用太陽能板提供能源，從而給風扇供電，形成真正的綠色環保的供能方式。其主要機構由除塵風扇、齒輪齒條鏈條連續傳動機構、正反轉持續旋轉運動的擦拭海綿構成。其中，除塵風扇是為了解決自行車表面的積灰;正反轉持續旋轉運動的擦拭海綿可以清理掉自行車表面大部分的灰塵，它由鏈條、齒輪等機構組成。另外，考慮到鏈傳動的多邊形效應和擦拭時需要的速度與力度，我們采用合適鏈輪速度和齒數，得到了最為理想的傳動比。

2 控制系統設計方案

本控制系統采用兩塊TXT Controller控制板，完成頂樓式智能自行車停車裝置的存車、取車及擦拭除塵功能，其控制程序的Panel面板如圖7所示。

2.1 存車過程

用戶先將自行車放置在安置好的候車位上，然后在系統操作界面點擊存車按鈕，隨后裝置會自動運行。當按下存車按鈕，程序通過傳感器依次判斷停車裝置上所有車位有無空車位，并且就近選擇空車位進行停車，以節約存車時間和裝置運行能耗。以1號車位存車為例來分析.點擊存車按鈕，程序通過0號位傳感器II，通過程序中的門的開關判斷0號位有車，因此0號位存車子程序不運行，接著判斷1號位是否有車，當1號位無車輛時，1號位存車子程序運行，如圖8所示，并將1號位對應的存車密碼反饋至顯示面板。

2.2 取車過程

用戶在顯示界面輸入自己的取車密碼后，系統會自動彈出選擇是否擦車界面，當用戶選擇“否”后，夾取裝置空載運行至目標自行車上方，夾取裝置夾住自行車，再由升降機構和運輸機構將車輛送至候車位完成取車過程。

2.3 擦拭除塵過程

用戶在系統顯示界面輸入取車密碼后，系統會自動彈出選擇是否擦車界面，當用戶選擇“是”后，夾取裝置空載運行至目標自行車上方，夾取裝置夾住自行車，由運輸裝置帶動自行車向擦拭除塵裝置運動，直至觸碰到限位開關運輸裝置停止運行，除塵風扇和擦拭海綿同時運作。擦拭除塵完畢后，系統會控制運輸裝置將自行車送至候車位，其控制程序如圖9所示。

3 結束語

本文所設計的頂樓式智能自行車停車裝置，可以在多種環境下采用頂樓式搭建方式，不占用小區的地面空間，實現了小區自行車的智能化規范化管理;停車取車的整個操作過程簡單、方便、費時少，適合多個年齡段人群使用;擦拭除塵機構可以針對自行車重點部位進行清潔，有效解決了自行車長時間放置容易積灰的問題，并且作業時間短、清理效率高;用戶通過密碼取車保證了自行車存儲的安全性。因此，頂樓式智能自行車停車裝置具有良好的市場發展前景。

參考文獻：

[1]陳可可，王會良，許廣云，等.一種立式自行車停車裝置[J].科學技術創新，2018（ 9）： 180-181.

[2]舒詩楠，邊揚，李爽，等.北京市公共自行車發展定位[J].城市交通，2017 （3）： 58-62，73.

[3]申愛萍.互聯網租賃自行車路指何方？[J].人民交通，2017 （9）： 10-14.

[4]蔡理，郭魯家.慧魚模型在本科教學中的多層次應用[J1實驗室研究與探索，2004（7）：81-83.