CN109335999B - 轻型搬运小车 - Google Patents

Abstract

本发明一种轻型搬运小车，涉及起重机的一种新型起重方案，适用于在工作环境和工作条件较为复杂的情况下，对重物进行高效起升、避障搬运。主要通过运动、起升、夹持三部分***的设计实现了起重机高效率，灵活起升的功能。依托麦克纳姆轮和四轮驱动实现整车的移动，车头车尾设置的两套起升***，使效率翻倍。采用滑块丝杠机构实现了起升动作，在工作时电机可以实现自锁。运用齿轮齿条机构实现手抓的张开与闭合，完成货物的抓取动作。手抓在纵向上实现了一定的扩展，在末端设置了一定的收束，保证了夹持的稳定性与安全性。在控制上，依托了意法半导体公司的STM32F407芯片和FLYSKY航模遥控器，实现对各部分机构动作的相应远程控制。

Description

轻型搬运小车

技术领域

本发明涉及一种起重机，具体涉及一种轻型搬运小车。

背景技术

起重机广泛应用于工业建筑、民用建筑、工业设备等各种工程建设中，承担着运输、装卸与安装部分的主要工作。它对减轻人工劳动轻度，降低建设成本，提高建设效率，提升施工质量起着重要的作用。起重机型号类型繁多，常用的主要机种有：轮胎式起重机(汽车式起重机、轮胎起重机)、塔式起重机、履带式起重机等。轮胎式起重机形式速度较高，可快速转移，但受底盘限制，车身较长，转弯半径较大。塔式起重机对场地要求较高，其通常在专用的宽轨道上行走，要求场地平整以铺设轨道，增加了铺设费用。履带式起重机适用于崎岖不平的场地，但其行驶速度缓慢，行驶过程中对路面损坏较为严重，因此转移时需采用专用车辆装运。同时，履带底盘笨重，制造成本高。

近年来，又随着物流行业的迅速发展，工业车辆需要进入仓库、超市、车间等工作环境情况较为紧凑复杂的场所，这就对仓储物流运输车辆小型化，轻量化，运动灵活轻巧提出了较高的要求。综合考虑到这一发展现状，本次发明设计以轻巧，灵活为特点，结合物流搬运车的特点，设计了一款新型的起重机式的搬运车，对于降低仓储压力和人力成本，提升运输效率起到积极作用。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，公开一种轻型搬运小车，主要通过运动、起升、夹持三部分机械***的设计实现了起重机高效、灵活起升的功能；同时结合单片机和航模遥控器实现了对其的远程控制。

本发明设计思路和策略：

整体采用框架结构，在保证整体结构的稳定性的前提下，实现了整机的小型化和轻量化。具体为，一、前后车桥采用了矩形铝合金板分别将麦克纳姆轮两两连接；利用质量较轻但是结构强度较强的型铝将起承重作用的底板与前后桥相连接；所述底板也采用铝合金板，使得承重通过型铝、前后桥均匀分布到四个轮子上。二、升降机构，采用丝杆、滑块设计，占空间小，集成在整个产品中，也符合小型化、轻量化。三、水平向的夹持机构，采用齿轮、齿条设计，占空间小，集成在整个产品中，也符合小型化、轻量化。四、夹取机构，一方面也采用了质量较轻的铝合金作为材料；另一方面，手抓设计成了条形结构，并在***包裹塑料泡沫材料(图中未画出)，以加大与货物之间的摩擦，防止对货物的损伤。为了减弱夹持机构承载重量的弯矩，在实现对车辆进行轻量化设计的同时，兼顾其工作性能，并利用左右两侧对称布置的导轨滑块来消化所述弯矩，产品性能得到进一步的提升。整体上，采用前后对称的结构布局方式，合理高效利用了安装空间，一定程度上增大了有效自重、增大了底盘，为整车的稳定运行提供了保障，也使得整体结构更为紧凑，为设计的小型化提供了有利的条件。

在夹取搬运策略上，先后采用了抓(夹取动作)、垛叠(升降)、抓(夹取动作)、垛叠(升降)至额定负载，后统一夹持并运走。车辆可以最大限度地利用起升和夹取动作，将货物依次起升并进行垛叠，增加了整车的承载能力，提升了工作效率。手抓设置了多个夹取高度，适用于不同高度货物的夹取，机动性超强，良好地利用了工作空间，增大了一次往返携带货物的数量，再一次地提升了起重机的工作效率。

在对起重机的控制方面，依托了STM32F407ZGT6，基于MDK开发环境进行开发。实现了远程遥控器和起重机之间的通信，最大限度地保证了工作人员的人身安全。

实现进而采用的技术方案：

一种轻型搬运小车，包括框架***、行走***、起升***、抓取***、控制***；

所述框架***包括前后两个车桥10、架设于前后两个桥10的左右两根型铝6、安装于左右两根型铝6的底板16；

所述行走***包括两组麦克纳姆轮8、行星减速电机9、电机座4；电机座固定在车桥10左右两端侧，用于固定行星减速电机和麦格纳姆轮，每个麦克纳姆轮是由一个行星减速电机驱动为其提供行走输出；

所述起升***有两个，前后对称安装于底板16上，包括支撑组件、起升驱动电机2、丝杠滑块机构；所述支撑组件包括步进电机支架3、导轨5、起升支架17；所述丝杠滑块机构包括丝杠1、滑块7；导轨固定于底板16并由起升支架支撑，起升驱动电机固定在步进电机支架上；丝杠竖向安装于步进电机支架上，其端部与起升驱动电机的输出轴同轴安装，使起升驱动电机能够带动丝杠旋转，进而带动滑块升降；

所述抓取***，有两个，分别对称设置在起重机的车头和车尾；

其整体安装在滑块7上从而依靠滑块的升降带动抓取***的升降；

每个抓取***包括舵机15、齿轮齿条机构、一对左右对称分布的导轨滑块机构18、手抓14；齿轮齿条机构包括齿轮11和齿条；所述齿条包括上齿条13和下齿条12，两个齿条上下平行设置；所述齿轮设置在上齿条和下齿条之间，并与上下两个齿条啮合；齿轮与舵机的电机同轴安装，由舵机的正反转带动齿轮的正反转，从而实现两个齿条相对运动或反向运动；所述手抓有左右一对抓片组成，分别位于齿轮的两侧，且两个抓片分别固定在两个齿条的端部，其随齿条相对运动或反向运动实现相互靠拢或分离以实现夹取功能；同时，每个手抓的基部固定于导轨滑块机构上用于分化大部分的承重以减弱齿轮齿条机构吃重，从而保护齿轮齿条机构。

所述手抓设置了三个高度的抓持，每个端部的抓持有向内的收束。

所述控制部分，包括遥控器、信号接收器、主控模块、直流电机驱动模块、舵机驱动模块、步进电机驱动模块，所述遥控器用于指令输入，通过信号接收器与所述主控模块，所述主控模块的输入分别与直流电机驱动模块、舵机驱动模块、步进电机驱动模块连接用于控制底盘机构的行走状态、手抓机构的动作、起升机构的动作。

本发明的有益效果是：

可适应于工作环境和工作条件较为复杂的情况下，对重物进行高效起升、避障搬运。麦克纳姆轮和四轮驱动的搭配方式，避免了过大的转弯半径，保证了整车的灵活性和避障的能力，实现了移动能力的提升。起重机车头车尾设置的两套起升***，保障了一次性的起升重量，充分利用了麦克纳姆轮的灵活性，使整车的工作效率翻倍。滑块丝杠机构实现起升，有利于保证起升、下降的平稳，同时在工作时可以利用电机的自锁，一定程度上可以保证工作的安全性。采用将货物垛叠后统一搬运的方式，使起升效率的进一步提升。齿轮齿条配合实现手抓的夹取动作，使手抓能有较大的开合，利于货物的夹取。手抓在设计上，一方面，手抓设计了三个抓持高度，使得手抓可以稳定地抓住货物，防止了货物的侧向倾倒，保证了工作的稳定性与安全性。另一方面，手抓的末端设置了一定的收束，限制了货物的位移，保证了夹持的稳定性，也为货物的垛叠提供了一定的便利条件。在控制上，通过控制遥控器摇杆的幅度来实现对起重机直流减速电机的控制，使得起重机完成前后移动、左右平移以及顺、逆时针旋转多项功能。同时，也可以通过同时操控多个摇杆的幅度来实现以上各项运动的耦合，从而达到控制上的灵活性。

附图说明

图1是轻型搬运小车主视图。

图2是轻型搬运小车左视图。

图3是轻型搬运小车俯视图。

图4是轻型搬运小车轴测图。

图5为控制***。

图6为控制***实例。

图7为控制***实例中的软件部分。

具体实施方式

本发明通过运动、起升、夹持三部分***的设计实现了起重机高效率，灵活起升的功能。依托麦克纳姆轮和四轮驱动实现整车的移动。在车头车尾设置的两套起升***，采用滑块丝杠机构实现了起升动作。运用齿轮齿条机构实现手抓的张开与闭合，完成货物的抓取动作。通过远程遥控器的开关和摇杆给出控制信号，实现对起重机的操控。

机械部分，如图1至图4所示。

控制部分，如图5所示的控制***。

依托了意法半导体公司的STM32F407芯片和FLYSKY航模遥控器，实现对各部分机构动作的相应远程控制。图6为控制***实例:

在控制程序的开发上，主要可以分为以下几个部分进行：遥控信号的捕获、遥控信号的转化、底盘直流减速电机的控制、起升步进电机的控制以及手抓张合舵机的控制。

首先，在给出一定的控制信号之后，连接在主控模块上的信号接收器接收到信号，并判断出要求的动作。然后，主控模块会根据控制程序对信号进行分解计算处理，得出相对应的电机的转速和转向信号，再传递至相应的驱动模块，从而实现对电机转速和转向的控制，最终完成预期的动作。

在本次设计中使用到了FLYSKY航模遥控器的两个摇杆(左摇杆控制前后左右平移，右摇杆左右控制旋转，上下为STATUS)和两个开关(RUN为三位，FB为两位)，总计六个通道，以实现信号的传输。不同的开关和摇杆幅度位置对应不同的高电平时间，通过设置定时器并对产生信号的上升沿以及下降沿进行捕捉，将上升沿和下降沿之间的计数个数乘以每个计数周期的时间，进而可以计算出高电平的时间，由此反映出摇杆和开关的位置。

直接从各通道捕获到的高电平的时间为正整数，不利于之后的逻辑判断以及相关计算，所以在捕获到高电平信号后，首先需要对其做初步的线性化处理，将其转化为关于零点对称分布的区间。

对于底盘直流减速电机驱动麦克纳姆轮，其控制主要由PWM脉宽调速线、换向线以及FG信号线完成。首先需要对底盘的前后左右移动以及旋转运动进行耦合。再根据根据麦克纳姆轮的转向以及旋向耦合得到的数值正负分别对四个麦克纳姆轮的转向进行控制，正值对应麦克纳姆轮正转，负值对应反转。最后将各轮的数值进行线性化处理，转化为相应的0-3.3V控制PWM电压，从而控制电机的转速。由于本次设计对于起重机的运动精度有较高的要求，因此，还通过FG信号线反馈的脉冲计算出轮子的转速，并对速度进行了PI闭环控制。

起升步进电机的控制主要分为两部分。一部分是起升动作的控制，通电后步进电机会产生自锁，因此在控制起升下降的过程中，需要先解除自锁，再通过GPIO输出的高低电平实现步进电机的正反转，从而实现起升与下降的动作。另一部分是在步进电机的启动过程中，由于负载较大，直接进行启动会导致步进电机失步，会对电机产生不利影响，也不利于控制的进行，为此，需要在启动的阶段，对步进电机给定一个线性化的加速度，完善其控制。

手抓舵机的控制则主要通过不同的PWM给定值，实现舵机达到不同的旋转角度，以此来控制手抓的张合程度，以实现对夹紧力的控制。

控制逻辑如下：

	前进	后退	右平移	左平移	旋转	前起升	后起升	前下降	后下降	前夹紧	后夹紧	前放松	后放松
														RUN	0	0	0	0	0	1	1	1	1	-1	-1	-1	-1
STATUS	0	0	0	0	0	1	1	-1	-1	1	1	-1	-1
														FB						1	-1	1	-1	1	-1	1	-1

图7为控制***实例中的软件部分。软件部分：

接收器接收到遥控信号后，传递到单片机。6路PWM控制信号中信号1/2/3控制底盘运动，信号4/5/6控制夹取和起升运动。

对于底盘运动，首先会将信号转化为以零点为中心的对称区间，以便后续信号处理。考虑到外部环境对信号的干扰，在零点附近信号会有跳动，为此需要在零点附近设定死区，防止信号的抖动。此时得到的信号是车辆运动的整体信号，还需要将信号进行解耦再耦合转化为各个电机的方向和转速信号，最后将信号输出到电机驱动模块驱动电机。

对于夹取运动和起升运动，采用了拨杆开关的状态量进行控制，所以在将信号区间进行转换后，需要将不同的区间转化为相应的状态量。通过判断各状态量的组合方式，从而确定夹取和起升运动。

本发明技术特点：

首先，本发明麦克纳姆轮和四轮单独驱动的方式，大大提高了起重机的灵活性和移动能力，特别是赋予了起重机原地转向的能力，避免了过大的转弯半径，使得起重机能够适用于较为恶劣、复杂、狭小的工作环境，为避障功能的实现提供了有力的保障。

其次，本发明在起重机的车头和车尾设计了两套起升***，增大了有效自重，扩大了整机的底盘，始终保证重心在起重机的倾覆线以内。在起升的过程中，两套起升***互为配重，使得起升机构即实现了起升的功能，也实现了配重的功能。同时采用的两套起升***，增大了起重机一次往返工作的最大起重量，提高了工作效率。最大限度地发挥了麦克纳姆轮转向灵活的特点，保证了车头、车尾的起升能力。

本发明采用了丝杠滑块和手抓夹取的方式实现起重机的工作。使用丝杠滑块机构作为起升机构，传动效率高，摩擦损失小，运动平稳，为高速进给和微进给的同时实现提供了可能，可以实现较高的定位精度。采用手抓对货物进行夹取固定，减少了吊装工作的工作量，减小了惯性和风力等外界因素对货物的不利影响。

同时，考虑到齿条属于细长结构，其结构稳定性、抗弯能力较差，在受到较大弯矩时易产生变形，对整车的安全、寿命带来不利影响。为此，在两齿条之间设置了导轨滑块机构，将手抓与齿条、滑块固连，减少齿条受到的弯矩，使得运动更加平稳可靠，使用寿命也因此得以保障。

Claims (1)

1.一种轻型搬运小车，其特征在于，包括框架***、行走***、起升***、抓取***和控制***；

所述框架***包括前后两个车桥(10)、架设于前后两个车桥的左右两根型铝(6)、安装于左右两根型铝的底板(16)；

所述行走***包括两组麦克纳姆轮(8)、行星减速电机(9)、电机座(4)；电机座固定在车桥(10)左右两端侧，用于固定行星减速电机和麦格纳姆轮，每个麦克纳姆轮是由一个行星减速电机驱动为其提供行走输出；

所述起升***有两个，前后对称安装于底板(16)上，包括支撑组件、起升驱动电机(2)、丝杠滑块机构；所述支撑组件包括步进电机支架(3)、导轨(5)、起升支架(17)；所述丝杠滑块机构包括丝杠(1)、滑块(7)；导轨(5)固定于底板(16)并由起升支架支撑，起升驱动电机固定在步进电机支架上；丝杠竖向安装于步进电机支架上，其端部与起升驱动电机的输出轴同轴安装，使起升驱动电机能够带动丝杠旋转，进而带动滑块升降；

所述抓取***，有两个，分别对称设置在起重机的车头和车尾；

其整体安装在滑块(7)上从而依靠滑块的升降带动抓取***的升降；

每个抓取***包括舵机(15)、齿轮齿条机构、一对左右对称分布的导轨滑块机构(18)、手抓(14)；齿轮齿条机构包括齿轮(11)和齿条；所述齿条包括上齿条(13)和下齿条(12)，两个齿条上下平行设置；所述齿轮设置在上齿条和下齿条之间，并与上下两个齿条啮合；齿轮与舵机的电机同轴安装，由舵机的正反转带动齿轮的正反转，从而实现两个齿条相对运动或反向运动；所述手抓有左右一对抓片组成，分别位于齿轮的两侧，且两个抓片分别固定在两个齿条的端部，其随齿条相对运动或反向运动实现相互靠拢或分离以实现夹取功能；同时，每个手抓的基部固定于导轨滑块机构上用于分化大部分的承重以减弱齿轮齿条机构吃重，从而保护齿轮齿条机构；

所述控制***，包括遥控器、信号接收器、主控模块、直流电机驱动模块、舵机驱动模块、步进电机驱动模块，所述遥控器用于指令输入，通过信号接收器与所述主控模块连接；所述主控模块的输入分别与直流电机驱动模块、舵机驱动模块、步进电机驱动模块连接用于控制底盘机构的行走状态、手抓机构的动作、起升机构的动作；

所述主控模块包括遥控信号的捕获、遥控信号的转化、底盘直流减速电机的控制、起升步进电机的控制以及手抓张合舵机的控制，还包括算法过程：

首先，在给出一定的控制信号之后，连接在主控模块上的信号接收器接收到信号，并判断出要求的动作；然后，主控模块会根据控制程序对信号进行分解计算处理，得出相对应的电机的转速和转向信号，再传递至相应的驱动模块，从而实现对电机转速和转向的控制，最终完成预期的动作；

使用FLYSKY航模遥控器的两个摇杆和两个开关，六个通道，以实现信号的传输；不同的开关和摇杆幅度位置对应不同的高电平时间，通过设置定时器并对产生信号的上升沿以及下降沿进行捕捉，将上升沿和下降沿之间的计数个数乘以每个计数周期的时间，进而计算出高电平的时间，由此反映出摇杆和开关的位置；

对于底盘直流减速电机驱动麦克纳姆轮，其控制主要由PWM脉宽调速线、换向线以及FG信号线完成；首先需要对底盘的前后左右移动以及旋转运动进行耦合；再根据根据麦克纳姆轮的转向以及旋向耦合得到的数值正负分别对四个麦克纳姆轮的转向进行控制，正值对应麦克纳姆轮正转，负值对应反转；最后将各轮的数值进行线性化处理，转化为相应的0-3.3V控制PWM电压，从而控制电机的转速；通过FG信号线反馈的脉冲计算出轮子的转速，并对速度进行了PI闭环控制；

对于起升步进电机的控制分为两部分，一部分是起升动作的控制，通电后步进电机会产生自锁，在控制起升下降的过程中，先解除自锁，再通过GPIO输出的高低电平实现步进电机的正反转，从而实现起升与下降的动作；另一部分是在步进电机的启动过程中，在启动的阶段，对步进电机给定一个线性化的加速度；

手抓舵机的控制则主要通过不同的PWM给定值，实现舵机达到不同的旋转角度，以此来控制手抓的张合程度，以实现对夹紧力的控制，控制逻辑如下：

前进 后退 右平移 左平移 旋转 前起升 后起升 前下降 后下降 前夹紧 后夹紧 前放松 后放松 RUN 0 0 0 0 0 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 STATUS 0 0 0 0 0 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 FB 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1

接收器接收到遥控信号后，传递到单片机，6路PWM控制信号中信号1/2/3控制底盘运动，信号4/5/6控制夹取和起升运动；

对于底盘运动，首先会将信号转化为以零点为中心的对称区间，在零点附近设定死区；将信号进行解耦再耦合转化为各个电机的方向和转速信号，最后将信号输出到电机驱动模块驱动电机；

对于夹取运动和起升运动，采用了拨杆开关的状态量进行控制，在将信号区间进行转换后，需要将不同的区间转化为相应的状态量；通过判断各状态量的组合方式，从而确定夹取和起升运动。

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