許哲文

摘 要：本文基于逆平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種物流倉儲(chǔ)自動(dòng)拖車系統(tǒng)。該系統(tǒng)由拖車機(jī)構(gòu)和自動(dòng)化拖車測(cè)控系統(tǒng)組成。在分析對(duì)比逆平行四桿機(jī)構(gòu)與普通平行四桿機(jī)構(gòu)的特性之后，最終選用逆平行四桿機(jī)構(gòu)，使本文設(shè)計(jì)的拖車的轉(zhuǎn)向半徑為一般拖車的一半，拓寬了其應(yīng)用范圍。同時(shí)針對(duì)作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)在牽引車上應(yīng)用多種傳感器來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使拖車能轉(zhuǎn)向避障并進(jìn)行平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。論文完成了一種能簡單運(yùn)輸且安全高效、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的自動(dòng)化拖車的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：拖車；逆平行四桿機(jī)構(gòu)；牽引車；轉(zhuǎn)向半徑

中圖分類號(hào)：F252 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

當(dāng)下，隨著網(wǎng)購日益成為民眾生活中重要的一部分，人們對(duì)快遞的完好和送達(dá)速度有了更高的要求。而此時(shí)物流倉儲(chǔ)扮演著相當(dāng)關(guān)鍵的角色，但是物流分揀自動(dòng)化水平較低、包裹運(yùn)輸安全等多個(gè)問題都在困擾我國物流倉儲(chǔ)行業(yè)。因此目前物流行業(yè)急需一種能夠代替工人進(jìn)行簡單運(yùn)輸且安全高效的自動(dòng)化拖車。針對(duì)物流倉儲(chǔ)存在著的問題，本文分析并設(shè)計(jì)了一種物流倉儲(chǔ)自動(dòng)拖車系統(tǒng)。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，本文應(yīng)用了逆平行四桿機(jī)構(gòu)來減小拖車轉(zhuǎn)向半徑。四桿機(jī)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡單，成本低而被廣泛應(yīng)用，文獻(xiàn)中關(guān)于生產(chǎn)生活中的四桿機(jī)構(gòu)的研究有很多。曹烈以阿克曼原理為研究基礎(chǔ)，對(duì)四輪拖車梯形結(jié)構(gòu)分析了誤差存在的原因。黃健、張昊克服了常見平行四邊形機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)問題。孫文剛對(duì)飛機(jī)牽引車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，提高了牽引車轉(zhuǎn)向性能。本文借鑒前人經(jīng)驗(yàn)，選用一種四桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來進(jìn)行優(yōu)化。在自動(dòng)化設(shè)計(jì)方面，我們采用自動(dòng)牽引車方案。設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)用傳感器配合控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障運(yùn)輸，最終達(dá)到拖車安全快速準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)位置的自動(dòng)化目標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)的物流倉儲(chǔ)自動(dòng)拖車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的目標(biāo)，提高物流倉儲(chǔ)工作效率，發(fā)展并完善物流倉儲(chǔ)業(yè)，并為其他物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供了一個(gè)切實(shí)可行的思路。希望本文的研究為今后該領(lǐng)域的研究貢獻(xiàn)一份力量。

1 拖車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)市場上常見的拖車種類進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要包括梯形機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)。其中梯形機(jī)構(gòu)能夠使拖車轉(zhuǎn)向時(shí)左右前輪得到合理的偏轉(zhuǎn)角匹配，從而避免或減少輪子的側(cè)滑，延長了輪子使用壽命。但是在實(shí)際工作中，由于原理誤差的存在，無法實(shí)現(xiàn)拖車轉(zhuǎn)向的純滾動(dòng)。而采用平行四邊形機(jī)構(gòu)的拖車存在著轉(zhuǎn)向半徑大的問題，無法在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行工作。本文應(yīng)用四桿機(jī)構(gòu)中的逆平行四邊形機(jī)構(gòu)改善了該問題，并實(shí)現(xiàn)了其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文基于逆平行四邊機(jī)構(gòu)為物流拖車設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)在于前后軸在車體發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)能夠協(xié)同運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到減小拖車轉(zhuǎn)向半徑的目的，解決了現(xiàn)存拖車轉(zhuǎn)向半徑大的問題。

該機(jī)構(gòu)由車身（機(jī)架）、轉(zhuǎn)向基座、連桿、滑塊、車輪軸組成。轉(zhuǎn)向基座鉸接于車身底部前后兩端，兩車輪軸鉸接于前后轉(zhuǎn)向基座。兩轉(zhuǎn)向基座相向面設(shè)置鉸鏈，并通過連桿進(jìn)行連接。該機(jī)構(gòu)中有構(gòu)件5個(gè)，低副7個(gè)，高副0個(gè)，故機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算式（1）。

該機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)向過程中，因逆平行四邊機(jī)構(gòu)兩曲柄反向轉(zhuǎn)動(dòng)的特性，前后輪產(chǎn)生相反的轉(zhuǎn)向，使得轉(zhuǎn)向中心與前后輪動(dòng)的距離減小，即減小了轉(zhuǎn)向半徑，如圖1（a）所示。

設(shè)拖車期望路徑偏移量為α，兩轉(zhuǎn)向基座軸距為L，兩車軸延長線相較于點(diǎn)O。則由圖1（a）所示的幾何關(guān)系可知，R1與轉(zhuǎn)向基座側(cè)邊垂直。由圖中余角關(guān)系，得兩車軸延長線夾角為2α，

通過不等式放縮式4，得Kmin=2。經(jīng)上述比較計(jì)算可知，當(dāng)拖車軌跡偏移量相同時(shí)，應(yīng)用逆平行四桿機(jī)構(gòu)的拖車轉(zhuǎn)向半徑更小。

2 拖車運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)圖1所設(shè)計(jì)逆平行四桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行抽象，繪制其機(jī)構(gòu)簡圖及其坐標(biāo)系，如圖2所示。對(duì)其進(jìn)行速度分析，分析其轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

首先根據(jù)圖2所示的逆平行四邊坐標(biāo)系對(duì)該逆平行四邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行矢量建模，創(chuàng)建矢量l0，l1，l2，l3來表示各構(gòu)件。設(shè)各矢量的正方向與x軸正方向的夾角為θi（i=1，2，3，0）。從而建立位移方程：

經(jīng)上述分析計(jì)算可知，逆平行四桿機(jī)構(gòu)搖桿與曲柄，即l1與l3，運(yùn)動(dòng)時(shí)等速反向。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種小轉(zhuǎn)向半徑的拖車機(jī)構(gòu)，并為其設(shè)計(jì)了一套與之匹配的自動(dòng)化拖車測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由牽引車及拖車構(gòu)成，針對(duì)其作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)在其上添加了傳感器，以達(dá)到自動(dòng)控制的目的?；谀嫫叫兴臈U機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的物流倉儲(chǔ)自動(dòng)拖車的測(cè)控系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、直流電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，如圖3所示。

在此系統(tǒng)中，牽引車的前、左、右三面都安裝紅外距離傳感器，在運(yùn)動(dòng)過程中傳感器將外界距離信號(hào)反饋傳輸給控制器。當(dāng)小車與左（右）側(cè)障礙物距離較近時(shí)，控制器收到信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)器，使得左（右）側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，從而使小車向右（左）側(cè)行駛；當(dāng)小車與前方障礙物距離較近時(shí)，控制器收到信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)器，使得左右兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，從而使小車減速行駛。上述傳感器的控制作用，使小車在牽引車的牽引下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向避障。

4 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)了一種物流倉儲(chǔ)自動(dòng)拖車系統(tǒng)，并應(yīng)用逆平行四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化了拖車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)拖車的小半徑轉(zhuǎn)向功能。本文首先對(duì)拖車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了一般拖車50%的轉(zhuǎn)向半徑，使其能夠在狹小的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，并分析了該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。同時(shí)為該拖車設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)用多種傳感器，通過接收外界信號(hào)來完成自動(dòng)化控制。本文所完成的機(jī)構(gòu)優(yōu)化僅應(yīng)用了四桿機(jī)構(gòu)，在今后的研究中，可以采用六桿或者其他多機(jī)構(gòu)組合的優(yōu)化方式對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化。

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