停车机器人设计泊车系统结构设计.docx
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停车机器人设计泊车系统结构设计
停车机器人设计--泊车系统结构设计
停车机器人设计--泊车系统设计
通过对国内外需求的未来方向的了解和发展进程的了解,本次设计对一个机器人应该具备的功能需求做出确定,并就此在对机器人的车身结构,驱动方式,导航方式,充电方式做出了相关整理和计算,并对相关关键零件做出选型。
基于CAD完成了对机器人的二维图结构设计,基于proe完成了对机器人的三维结构设计,并计算各种极端条件下机器人的承受极限,即在满载情况下的最大爬坡角度时所需要的驱动力,计算机器人行进过程中受到的摩擦阻力,和机器人需要克服的最大阻力需求,同时对包括电池的承受能力和续航问题做出说明。
基于以上各种基本车架的确定,选择包括各种传感器如位置检测传感器,摄像头,边灯,防触变传感器等附加功能,加装LCD操作面板,自动充电功能等智能化需求的模块。
关键词:
结构设计驱动系统导航选择智能化
Structuredesignofparkingsystem
Throughtheunderstandingofthefuturedirectionanddevelopmentprocessofdomesticandforeigndemands,thisdesigndeterminesthefunctionalrequirementsthatanAGVshouldhave,andmakesrelevantsortingandcalculationonthebodystructure,drivingstructure,navigationmodeandchargingmodeofAGV,andmakesselectionofrelevantkeyparts.
BasedonCAD,thetwo-dimensionalstructuredesignofAGViscompleted,basedonPROE,thethree-dimensionalstructuredesignofAGViscompleted,andthebearinglimitofAGVundervariousextremeconditionsiscalculated,thatis,thedrivingforcerequiredforthemaximumclimbingangleunderfullload,thefrictionresistanceencounteredintheprocessofAGVtravel,andthemaximumresistancedemandthatAGVneedstoovercomearecalculated.Atthesametime,thebearingcapacityandenduranceofthebatteryareexplained.
Basedonthedeterminationoftheabovevariousbasicframe,theselectionincludesvarioussensorssuchaspositiondetectionsensor,camera,sidelamp,antithixotropicsensorandotheradditionalfunctions,addingLCDoperationpanel,automaticchargingfunctionandotherintelligentmodules.
Keywords:
structuraldesign,drivingsystem,Navigationselection,Intelligence.
1.绪论
1.1.研究的意义
这篇文章引用智云大数据平台的数据,大数据平台上的汽车保有量显示,一直到2018年的年末为止来说,在中国的汽车保有量的数据是167349763台。
得益于经济的发展人民生活水平也在提高,譬如在交通方式上私家车数量近年也在一直增加,外出时的停车位问题开始影响人们出行的便捷。
用深圳市交通运输局的数据,数据显示了深圳的停车位和车辆的关系,在2017年4月的时候,深圳在道路外的停车位有191.6万个。
可是就现在深圳的汽车保有量就超过了335万辆,目前市内可供停车的位子和居民的汽车比值是0.57∶1。
停车困难和难以管控也算是政府工作的大难题,市民对于停车的需求大,但是车位数量不足,效率也不高,以前的停车效率和车位利用率已经解决不了问题了。
前几年深圳的人大代表秦钢说:
“在深圳高昂的土地成本里,应该问空中要空间,立体才是解决停车麻烦的未来。
”在将来深圳大力支持机械立体车库的建设,用最大程度发挥深圳的空间资源。
有一样想法的有深圳市的人大代表谢呼,他的想法是希望深圳快速的将市内停车场,然后接入统一大数据平台,这个平台可以向社会开放,政府可以运用大数据的手段,在解决城市停车这样的问题上更加方便。
做到改善和促进停车场的智能化建设的进程,更快的改善停车环境。
在以前的方法不能满足要求后,比较智能的泊车机器人开始出现,这几年来慢慢为人所知。
在5G时代的慢慢接近生活的时候,物联网这个名词已经进入了大家的生活,譬如2017年无人公交上路,试行工作开始推进,智能泊车机器人被人们重视,怎么样把网络和智能机器人更好一点配合使用,也成为了人们开始想的事情。
1.2.国内外的发展概况
1.2.1.国内发展现状:
机器人(AutomatedGuidedVehicle),名字的意思就是自动导引运输车,一般来看他的叫法和名字一般是机器人机器人或移动机器人。
它最早的诞生在50年代,是美国一家物料搬运的研究所。
设计的一种无人驾驶卡车的方向,在当时只是一个设计概念。
发展的过程一直到了现在,才慢慢因为发展的原因才进入生产生活领域。
至于我国内的汽车工业起步本来就晚,在国内的机器人相关的领域发展迅速。
到现在已有近20家企业开始做这个智能机器人的实物。
有以前做立体车库的企业,也有做工业/物流机器人的企业。
比较有代表性的有深圳怡丰,具体它的方案是采用激光导航+梳齿交换技术,是第一个在国内成功研发梳齿型停车机器人和车台板停车机器人。
使用梳齿型结合传统梳齿型交换技术的方案,就不在使用车台板,这样做有利于提高运行效率。
国内的首个项目当属南京夫子庙地铁P+R停车库,它是国内第一家,真正用机器人停车的项目。
一直到现在来讲,我国的很多企业已经开始布局机器人停车机器人领域,名气大的有:
海康机器人、昆船智能、深圳怡丰、西子智能、松灵机器人这些。
在海康威视的方案里,采用的是仓储机器人上很成熟的方案,使用视觉+惯性双导航技术,来做的海康威视的泊车机器人。
海康威视打算,智能泊车机器人和自己的其它项目合作,譬如覆盖停车场管理、出入口、辅助设备、诱导停车这些方案,形成一个完整停车生态闭环系统操作。
今日海康威视的停车机器人,已经可以在第三届互联网大会期间落地乌镇投入应用。
对西子&极木科技来讲,曾制造过一款基于麦克纳姆轮的机器人停车机器人。
这种机器人的方案是采用2台激光+视觉导航的技术,能够实现分体式的机器人小车,这个小车配备4个机械臂来夹持汽车的轮胎;设计上它的底盘是采用小型全向移动功能的麦克纳姆轮,用于机器人实现全向移动,旁边设置了多个万向脚轮帮助承载;从整个机器人来看高度较低,能够胜任从直接进入车底的要求,还可以对汽车做夹持举升和运输的工作。
转到传统做工业/物流机器人的企业,这些企业包括云南昆船、沈阳机器人、上海汇聚等,他们占据原始的机器人技术的优势,可以对原有机器人进行结构和功能的改变,这些产品的初代多采用车台板交换方式。
在多年前就做立体车库的企业,主要企业譬如航天汇信、青岛茂源等,在这个领域已经有多年的车库应用的经验,到现在他们已经着手开发车台板+机械手结构的机器人。
大体来讲,我国国内的机器人研发,主要在这两三年才开始有很多企业去做,做车库的建设周期大都很长,以前人们的市场需求较少等原因,所以很多国内机器人停车机器人,都停留在样机和模型这样的阶段,他们之中大都是车台板方案,基本上没有商业化的应用案例。
现在竣工的工程应用案例也很少,报道可以见的的,仅南京夫子庙、乌镇、北京五棵松3处,所有的机器人泊位数量一般没有100个。
在宏观的国家政策来看,这些年来,智能化这个话题,一直被政府关注着,提出的包括建设智慧城市的方向,落实到着重于智能制造产业,开始鼓励从事制造业的公司引进智能机器人,慢慢的提升产业的自动化水平,同时看到国内服务机器人利好政策也开始增加,各项原因下技术开始迅猛进步。
每一件事都说白了政府对于智慧型城市和智慧化产业的一个重视程度。
早在2016年4月的那时,就有国家工信部和发改委还有财政部,一起联合发布过《机器人产业发展规划(2016-2020)》,大体来讲是国家将大力推动工业机器人产业,要慢慢的朝中高端领域发展。
在2014年—2018年这段时间,国内市场的机器人机器人销量4.7万台,每年的增长速度是55.68%。
1.2.2.国外发展现状:
看一些发达国家来讲,本来立车车库和机器人两个专业的起步就很早,不过对于在机器人和车库的结合的概念,可是最近几年才刚开始兴起的。
已经有不少相关的公司开发了不同技术路线的机器人,有不少的停车机器人和自动泊车管理系统配合的方式,在一些特殊地方比如机场、商业区等,慢慢开始了实际的应用。
乘客会在出行的时候,在停车网站或APP发出指令,开始约车位和取车的步骤,更加方便和快捷的出行。
德国的公司ServaTransportSystemsGmbH,以前开发过自动泊车机器人和自动泊车系统,并逐步应用在杜塞尔多夫机场的停车场。
数据显示杜塞尔多夫机场的停车场有大约260个停车位,合计有设置6个中转站,包括3个泊车服务机器人。
遇到乘客有存放汽车的想法时,只需把汽车停放在中转站就可以了,中转站会用激光扫描器,开始扫描汽车的外形尺寸和轴距这些数据,数据传输给机器人判断;而后机器人根据传回的数据,不断调整叉臂所在的位置,开始把汽车抬起后运送到指定的车位停放。
机器人整体的形状是U形,行走舵轮和激光扫描仪等组件安装U形外侧,它的内侧是运载汽车的空间,这个机器人体积很大。
这个机器采用夹持轮胎的交换方式,和过往的夹持形式都不一样,机器人采用了4个外形酷似货叉的叉臂,车的前后各1组;每组都能同时夹持汽车的前后轴的2个轮胎,而后通过调整2组叉臂的距离,做到适应不同大小的车辆。
法国的初创公司StanleyRobotics研发过Stan停车机器人,搭配的有全自动代客泊车方案。
Stan停车机器人具备有将控制系统、行走驱动、电池等体积较大的结构整合的能力,并且会放置在车头,这个车的主体仍采用传统的超薄轮胎夹持臂结构,机器人依然可像传统立体车库,用夹持轮胎式搬运的方法来完成工作,机器人会直接钻入车底检查汽车大小之后抬起车辆。
每个Stan停车机器人都可独自管理400个停车位,每年都可以做到运送20000~30000辆汽车,应用它的场景可以在室内或室外。
到现在已经在法国戴高乐机场投入使用。
美国的公司Boomerang,以前开发了一种基于车台板交换技术的机器人停车机器人,附加有自动代客泊车系统。
具体方法是乘客将汽车停放到出入口处的车台板上,之后机器人停车机器人进入车台板的底部,开始用顶升机构,把汽车和车台板同时举升,再通过升降机,最后到不同的停车楼层。
CrystalSpringsResort,是Boomerang第一个商业运营自动代客泊车系统,所拥有的车位数量是40个。
Miami的BrickellHouse项目,合计的车位数多达480个。
1.2.3.机器人停车机器人发展趋势:
车辆交换技术
传统仓储式立体车库,主要包括车台板、夹持臂、固定梳齿、活动梳齿等,这些车辆交换形式各有好坏。
目前的一些机器人停车机器人,还是车台板的形式为主的,类似于这种交换的方式的优点,主要因为技术门槛低非常容易做到,还在实际的使用中效果很好,这些效果在前期快速推广企业品牌,还包括抢占先发市场之中很重要。
另外一种在传统机器人的技术积累上,在普通的停车机器人的结构上进行修改,在譬如车体大小、驱动轮组和增加顶升机构这些方面进行整理,还可以增加双剪叉、四剪叉或者齿轮齿条这些部件。
车台板交换技术也有缺点,主要是效率低、占用空间大和层高要求高等缺点,现在已经开始了仓储式立体车库种被替换,新的停车机器人登场的趋势,在市场的占有利率较低。
和车台板交换技术一样,在立体车库中开始被逐渐代替,今后有很大可能会出现新的更符合时代的产品来继续停车。
现在看其他产品的交换方式,依然有很多不如人意的地方:
突出的是体积过大、不用于纵向停放车辆;车头的长度不满足,转弯的半径也长,原地转向非常受限于空间,转向的过道空间也大,在场地的适应性就比较差;像怡丰的梳齿型机器人,也需要做到土建配合,在地面上安装悬臂的梳齿架,这就对地面承载能力要求很高;对极木科技的停车机器人来讲,它没有采用常规舵轮驱动,体积就可以做到小一点,在使用能实现全向移动采用小直径的麦克纳姆轮来看,机器人对地面的适应能力也很差,在它的续航能力、轮组寿命和产品可靠性这些参数上,依然有没有实际表现能参照。
机器人停车机器人主要面向的工作地点,在城区老旧的停车场改造和新建的停车场中。
使用其能做到大幅降低层高的同时基本不需土建改动量,去掉或减少了土建成本,对于拥有的交换高效率的夹持轮胎,还有活动梳齿交换方式是未来的机器人的结构方向。
机器人调度及导引技术
以前的立体车库使用中,每个巷道内在一个轨道上的搬运器都是较少的,存和取车的规划调度也很简单,这种调度一般是为了做到最小存取车时间而设计的。
对于大型的机器人停车场一般有存在多个机器人同时工作的要求,这个时候一般就需要计算最短的存取路线,与此同时避免多个机器人出现行进路线的混乱,还要顾及及时处理充电和故障报警等,警惕到由于其他的临时任务和意外可能造成的判断问题。
根源来说机器人控制的算法,决定了系统可调度机器人的数量上限和机器人整体性能的优劣。
换个角度来讲的话,在包括了自动循迹、自主导航和定位这些方面,他们是实现机器人停车机器人的基础功能,作为一种必不可少的重要组成部分。
今天的工业机器人,已拥有了多种成熟的导航方式,早就形成标准化的导航模块,主要可以概括为磁条导航、磁钉导航、色带导航、二维码导航、惯性导航、激光导航等板块 。
类似的企业已经在机器人调度和引导技术上有了很多的积累,以前的立体车库厂家与之相比后发优势或许多一点。
在针对不同项目的车位数量、场地环境和实际使用的场景里,各不相同的解决方案, 才能够形成适应多种复杂环境使用和面向高中低不同层次需求的多种工程化应用方案。
这样类型的车库在使用搬运器和 机器人停车机器人时,对设备高度的要求也比较多一点,过高的高度会直接影响到车库的建设,在车库的使用便利性,或者土建建设成本上会得不偿失的。
同时也有对譬如suv这种大车型的考量, 所以机器人停车机器人的载重和续航能力能适应汽车车型的变化。
停车机器人主要受到驱动轮组、车体结构、电池、车辆交换方式的影响,现在国内 机器人的缺点通常都是高度过高的问题,尤其是车台板机器人。
单独在驱动轮组设计的方面来说,它需要满足全向行驶的功能之外,还有满足承载、行驶速度、驱动扭矩与功率各个方面的要求,以前机器人中经常使用的驱动舵轮,普遍因为高度等因素通常无法直接使用。
到现在的不少的 机器人停车机器人企业需要自行设计驱动轮组,并保证这些设计能满足低高度、高速度、大功率和全向驱动的实际需求。
在满足了机器人的性能和使用需求之后,还有要实现超薄化的车体底盘和车辆交换技术的设计需求,这些都是未来的停车机器人需要改进的步骤。
在工业 机器人的发展已经经过多年的发展的前提下,对于机器人的市场规模和产业配套设施变的特别广阔了,相关的市场在成熟度和部件设计上已经很成熟了,优胜劣汰的马太效应开始体现。
拉出机器人停车机器人这个市场分支来看,这个市场目前在萌芽状态,还没有整个行业的成熟度高。
新的入局到该领域的企业,基本都携带着工业机器人的技术、市场、资源等某些方面的基础优势,来抢占这个新型市场的先机,或许因为这个竞争的大环境会更快的促进行业的发展
新的机器人停车场和以前平面的停车场还有已经发展的立体车库相比,自身便带有更多的天然优势地位,它对现有停车场的建设和运营模式是一种非常好的替代产品。
这几年机器人停车机器人的相关话题每年都在上升,城市发展的需要刺激了市场需求。
有更加多的企业放眼在 机器人停车场市场的场景上,先后开始加入机器人停车机器人的更替当中。
1.2.4.研究目的
和智能机器人相关的产业不断的前行,让更多人们解决问题的眼界变的更具有前瞻性,譬如在解决停车难的问题上,会更加多的考虑到智能化的停车机器人。
停车机器人能够更快更准的将汽车运送到汽车停放处,一整个工作环境里不再需要人工的干预,停车机器人也不需为驾驶员,停车位不需预留出入门时所需的空间。
全部流程中,全部的工作留给机器人完成停车驱车,可以在狭小的空间,完成对汽车的姿态调整。
比汽车转向需要的空间更加小,同一面积停车场的密度也大幅提高,在一样面积的停车场,智能停车场的停车容量可增幅40%。
自动泊车机器人,正是通过智能化解决方案的典型,任何一个通过系统调度的单体机器人,都是高效率配置停车位的优良载体。
本次目标在于解决智能停车机器人的结构问题,意在解决停车机器人这个载体如何实现的问题。
通过计算相关部件的数据,对停车机器人的各项参数的设计,以及对传动方式的选择,譬如在电机和齿轮方面。
在进行合理的工业设计下,设计出最合理的停车机器人。
2.停车机器人设计方案
2.1.泊车机器人设计
泊车机器人的机械结构设计总共包含3个模块,分别为基础车架模块,驱动模块和充电模块。
如图2-1所示:
图2-1泊车机器人机械结构设计方案
1.车架部分的主要功能是承重和承载,因而主要结构由车体承重骨架和轮系结构组成,是机器人运动和工作的基本,因而车架设计尤为重要。
2.驱动部分的主要功能是前进和转向,为机器人提供动力支撑,主要结构包括驱动电机,转向电机,驱动轮和从动轮组成。
3.充电部分是能量储存和电池稳定的机构,主要内容包含充电方式的优化,提高蓄电池的充放电次数。
3.泊车机器人的布局
3.1.设计要求
泊车机器人的设计需要考虑到各个部件的所在位置和整体布局,设计之前必须保证每个零部件的使用合理性,以及所需空间的大小,具体的设计布局如图3-1所示:
图3-1泊车机器人的整体布局设计
1-激光检测传感器2-舵轮3-夹持结构预留区域4-主控制箱5-防撞边传感器6-减震轮
2-7-电池箱8-充电装置9-减震舵轮10-平衡装置11-锂电池12-扫描传感器
13-LCD显示器14-摄像头15-警示灯16-前灯
3.2.日常工作和布局说明:
3.2.1.布局说明
1号位置预留的是激光检测传感器区域,激光检测器的主要存在作用是检测前方障碍,做出及时的回避处理,它预留的位置偏向于侧边,因而主要的任务是在转向的时候检测侧边可能存在的障碍。
2号位置是舵轮的区域,由于本次设计是6舵轮全驱动的设计,在设计开始考虑的承重较大,它的作用主要是提供机器人的动力支持和转向需求,同时也作为支撑作用而存在。
3号位置是为夹持结构预留的区域,本次设计是采用夹持的方式来进行举升汽车的操作,位置3是为夹持机械臂控制预留的区域,机械臂的臂长部分可直接放置在机器人的上车板。
4号位置是主控制箱的区域,芯片和其它控制部件的所在地,图像识别的模块也在此位置,和控制中心连接的区域,内存,控制传感器的区域也在其中。
5号位置是防撞边传感器的区域,这个区域遍布了机器人的侧身,防撞边传感器的放置主要基于安全考虑的想法,假想情况是机器人正常工作,有物体撞击了机器人或者机器人承载的车辆,打断了机器人的正常行驶,防撞边传感器存在的作用是在撞击发生后,立即发出指令锁死轮胎,并在一定范围内吸收冲击,规避由于其它传感器的微小失误造成的刮擦。
6号是减震轮所在的区域,由于6轮系的设计机器人在爬坡时会出现中间轮胎受力变小或有打滑现象的产生,所以在中间的舵轮上增添了减震装置,主要作用是上坡时依然保证驱动轮的受力均衡,保证车体的稳定。
7号是电池组的位置,电池组为全车提供电力保障,它的设计位置靠后是因为后车体传感器较少,前车头的位置更接近传感器,控制箱在前车头可以节省材料和布局难度。
8号是自动充电装置的区域,在机器人自检测到电量不足时,机器人主控制箱发出指令向充电桩接近,而充电桩和机器人的距离判断较远时由图像识别和激光检测辨别充电桩,较近时精准测量位置则由自动充电区域的传感器和充电桩完成配对,位置检测无误后自动伸出充电头,完成接触充电。
9号也是减震舵轮的区域,和6号减震舵轮的区别在于9号减震轮的作用不是为了上坡时的受力,它的作用主要体现在下坡,机器人在下坡时后轮受到的冲击较大时易产生颠簸,此减震轮的作用是防止下坡的颠簸而设计的。
10号是平衡装置设计的区域,主要作用是为检测车体平衡来设计的,此区域包括水平仪等部件,主要用来让机器人自检测自身所处的位置以及所处坡度的大小,当倾斜角度明显超出爬坡角度时,则系统认为机器人突然经受颠覆或其它非正常情况,同样发出指令锁死轮胎。
11号是锂电池,单个锂电池的作用主要是提供所需的电力。
12号是扫描传感器所在位置,扫描传感器的具体作用是检测即将夹持的车辆的轴距大小,传回检测数据,判断夹持装置所要夹持的位置。
13号是LCD屏幕的区域,此区域是可视化界面,用于更改机器人的相关设置,调试机器人的状态,提取机器人的行车日志,以及在机器人锁死的情况下变更指令的区域,是用于人工检测和控制机器人的主要途径。
14号是CMOS摄像头区域,此区域的主要作用是拍摄正前方的路面情况,将拍摄的画面传输回视觉处理的主控制箱,用于判断前方情况。
15号是警示灯所在区域,此区域的主要作用是发出警示提醒,机器人内部故障,或者机器人检测到自身倾斜时通知控制台并亮起警示灯。
16号位置是前灯区域,前灯的作用是在夜晚或者其它照明条件恶劣的条件下,发出灯光照亮前方,从而保证摄像头的正常工作。
3.2.2.日常工作说明
机器人的日常工作,接到指令离开无停车工作的停留区域开始停车指令,此时唤醒休眠的内部控制区域,检测自身各项传感器和位置是否正确,摄像头传回正前方路面情况,接受控制台的指令,依照最优路线接近目标车辆,接近车辆之后做减速运动,两侧激光检测传感器分别检测与车辆两侧轮胎的距离,而后慢速行驶至车辆正下方,当激光检测传感器第二次检测到与车轮距离最近时停车,12号扫描传感器开始工作,开始检测车辆的轴距大小,同时夹持装置接收到12号传感器关于轴距大小的信息,接收到1号传感器关于轮胎位置的信息,3号夹持机构开始工作,使用机械臂夹持车辆到机器人车板上并夹紧车辆以固定,此时机器人开始起步加速到最大速度,驶向目标停车区域,同样使用1号激光检测传感器确定目标停车区域,之后3号夹持机构开始卸载车辆,并收回机械臂,返回机器人停放区域。
4.车架模块设计
4.1.功能要求:
当前机器人种类众多,适用于社会的各个方向,尤其在电商带动下的物流行业,机器人的应用尤为重要,同时也加快了机器人的技术进步。
本文主要方向是探究机器人在停车方面的用途,主要场景是城市智能停车场内,实现对车辆的高效快速准确的搬运。
由于作业对象是家用车,所以具体参数需要参考家用车的参数,比如轴距,轮距,车身长
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