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摘
要
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汽車或貨車在路面上行駛時，因為所遭遇的路況有所不同，會出現(xiàn)一些可以預(yù)見的諸如車體顛簸、搖晃、傾斜等情況，由此容易使車內(nèi)所載貨物有發(fā)生傾灑、泄露甚至爆炸的危險。車載穩(wěn)定平臺可通過其機械結(jié)構(gòu)和電機的相關(guān)工作消除載體運動或其所受的干擾力矩的影響。穩(wěn)定平臺通過姿態(tài)傳感器獲取其實時變化的動態(tài)數(shù)據(jù)，據(jù)此數(shù)據(jù)計算傾斜程度，最后通過單片機整理數(shù)據(jù)，驅(qū)動直線電機運動，由此反復(fù)，回調(diào)平臺傾斜角度以確保其動態(tài)姿態(tài)符合穩(wěn)定標準。從而最大程度消除外界對車內(nèi)載體的干擾，使平臺處于動態(tài)平衡狀態(tài)，以保證所載貨物的安全。目前，穩(wěn)定平臺不僅應(yīng)用于船載、車載， 還廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)中，它已成為現(xiàn)今國際上普遍熱衷研究的課題。
本文據(jù)此設(shè)計了一種新型的車載穩(wěn)定平臺，該穩(wěn)定平臺主要包括直線電機裝置、四桿機構(gòu)、剪叉機構(gòu)、底盤機構(gòu)等。它的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：長 800mm，寬 800mm，高 870mm， 凈重約 20Kg，最大起升后高度 1.27m。該裝置總體分為兩部分：上半部為平臺部分，它的功能是：在路況不利于行駛，車體發(fā)生顛簸時，通過動態(tài)回調(diào)自身平臺傾斜度，保證平臺處于所需平衡狀態(tài)，從而實現(xiàn)消除載體運動和其所受干擾力矩的功能。下半部為車體部分，由剪叉升降機構(gòu)及全向輪底盤組成，可通過智能遙控系統(tǒng)進行定位升降，具有使平臺可做任意方向的運動和原地 360°無死角轉(zhuǎn)動。
對穩(wěn)定平臺的機械機構(gòu)進行了運動分析和靜力學(xué)分析，分析結(jié)果能夠達到自動調(diào)節(jié)功能。最后，利用 solidworks 軟件對機構(gòu)進行了仿真運動，用 matlab 進行數(shù)據(jù)分析。證明其可以完成既定的自穩(wěn)、升降和移動要求。通過該畢業(yè)設(shè)計可以實現(xiàn)智能化自適應(yīng)自穩(wěn)移動平臺的各項既定功能。
關(guān)鍵詞：穩(wěn)定平臺；直線電機；萬向節(jié)；solidworks
I
ABSTRACT
Due to the impact of different roads conditions, there will be bumps or tilt during the car on the road inevitably, which results in the danger of goods to be transported dumping, leakage, explosion and other hazards. The intelligent adaptive self-stabilizing mobile platform can eliminate the influence of the carrier motion and the disturbance torquezit, obtain the dynamic data of the platform change through the attitude sensor, calculate the inclination degree, and then adjust the data through the single-chip microcomputer to drive the linear motor movement and adjust the dynamic attitude standard. Thus isolating the outside device interference, so that the platform has been in a horizontal state to ensure the safe transport of goods. Stable platform widely used in all walks of life, which has become the focus of the current international research topics.
First of all, this paper designs a new type of vehicle self-stabilizing platform, which includes linear motor device, four-bar mechanism，scissor mechanism and chassis mechanism. The main parameters are: length 800mm, width 800mm, height 870mm, net weight 20Kg, the maximum height after rise is 1.27m. The device is divided into two parts：the upper part is the platform part, which can be adjusted by changing their own posture when encountering in the bumps and always maintain a steady state of the level, so as to achieve the function of isolation movement object disturbance. the lower part is the body part,which composed of scissor lifting mechanism and omni-directional chassis. It can be lifted in any point by intelligent remote control system. Its function is to make the platform to do any direction’s movement and in situ 360 ° no dead angle rotation.
Secondly, the motion analysis and static analysis of the self-stabilizing mechanism of the stable platform are carried out,and the analysis result can achieve the function of automatic adjustment.Finally, Solidworks software is used to simulate the movement of the organization and using Matlab for data analysis. To prove that it can complete the established requirements of self-stabilization, lifting and moving.Through the graduation design can achieve the established function of intelligent adaptive self-stabilization mobile platform.
Key words: self-stabilizing platform；linear motor；universal joint；solidworks
II
目
錄
摘 要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1 緒論 2
1.1 研究背景 2
1.2 選題的理論意義和應(yīng)用價值 2
1.3 平臺的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3
2 移動平臺概述 5
2.1 平臺的設(shè)計原理 5
2.2 平臺各組成部分 5
3 平衡機構(gòu)的比較和設(shè)計 6
3.1 四桿機構(gòu) 6
3.2 四桿機構(gòu)極限位置計算 9
3.3 四桿機構(gòu)各桿件的受力分析 11
4 舉升機構(gòu)及移動底盤的選擇和設(shè)計 14
4.1 舉升機構(gòu)的比較及選擇 14
4.2 移動底盤的比較與設(shè)計 17
結(jié)論 19
參考文獻 20
附錄 1 22
附錄 2 29
致謝 40
I
1 緒論
1.1 研究背景
近年來國家經(jīng)濟平穩(wěn)迅速地發(fā)展，各行各業(yè)的科技水平也隨之不斷提高。隨著人們 對交通工具及運輸工具的平穩(wěn)度需求的日漸加強，穩(wěn)定平臺也逐漸成為人們關(guān)注的熱點。尤其對于當(dāng)代飛速發(fā)展的物流業(yè)，對于某些易碎易損壞的脆性物品或是某些價值昂貴的， 對運輸條件有高要求的特殊物品來說，保證被運貨物的安全性和無損性，是現(xiàn)代物流業(yè) 面臨的核心問題，也是最困難的問題。車載穩(wěn)定平臺對于運輸行業(yè)來說利遠遠大于弊。它不僅能夠減少貨物因路況造成的車體顛簸產(chǎn)生的不必要損壞，使貨物在被運輸?shù)倪^程 中更加安全，而且對于運輸工作者來說，車載穩(wěn)定平臺還可減少工作者因道路不平感受 到的顛簸感，使其在山路等各種不平穩(wěn)路況行駛中更為適用?？梢越o自駕旅行的人們提 供所需的穩(wěn)定感，從而提高旅途舒適度，降低駕駛者的疲勞程度。本文研究的穩(wěn)定平衡 裝置剛好可以最大程度減少運輸途中由路況造成的經(jīng)濟損失。是以，本研究具備十分重 要的實際理論指導(dǎo)意義。
1.2 選題的理論意義和應(yīng)用價值
近年來，社會的快速發(fā)展伴隨著科技迅猛的進步，機電一體化在不斷完善的過程中愈來愈顯普遍化。交通工具和運輸工具的平穩(wěn)度隨之日漸成為人們關(guān)注的熱點。在交通運輸中，一旦平穩(wěn)度達到所需要求值，就能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度減少運輸過程中可避免的交通事故和經(jīng)濟損失。從多個需求角度出發(fā)，本文提出了一種智能化車載穩(wěn)定且可移動的平臺，經(jīng)過多次修改和優(yōu)化，本文設(shè)計的車載穩(wěn)定平臺主要可實現(xiàn)兩個方面的運用：一、在快遞公司中作為一種運輸貨物的智能車。二、作為主動平衡裝置，應(yīng)用在大型車輛的車廂上。
目前國內(nèi)的各個較有規(guī)模的快遞公司，倉庫空間和貨物的存儲量都十分可觀，通常貨物擺放也趨于密集，所以一個可以實現(xiàn)全方位移動、自由旋轉(zhuǎn)且運輸貨物既平穩(wěn)安全又快捷的可升降穩(wěn)定運輸小車就能幫助倉儲工作的完成安全高效。對于具備上述特點的智能運輸小車在運輸途中，能夠使承載貨物的平臺一直處于平衡狀態(tài)，不管是在坡道還是在崎嶇不平的路面都能保證被運貨物平穩(wěn)，實現(xiàn)保質(zhì)保量的安全運輸。在有高架臺的倉庫中，還能夠通過操控?zé)o線遙控器來控制穩(wěn)定運輸小車載物平臺的升降，并可選擇適宜的升降高度，使裝卸貨物更加快捷方便。智能穩(wěn)定運輸小車的底盤采用了全向輪裝法， 使小車可實現(xiàn)多角度旋轉(zhuǎn)、全方位移動，便于快速準確裝卸貨物。綜合以上功能，此運輸小車在大型快遞公司里一經(jīng)運用不僅可很大程度地減少勞動力的輸出，而且還能降低運輸過程中貨物損壞的經(jīng)費，使保證運輸貨物質(zhì)量和提高貨物運輸效率兩不誤。
10
車載穩(wěn)定平臺最大的特點在于，無論路面情況如何變化，它都能通過平臺機構(gòu)的自動調(diào)整運動和姿勢變化使載物平臺保持最大程度的平穩(wěn)。針對這一特點，它可①給自駕旅途提供舒適的駕駛和乘坐環(huán)境，減輕人們的疲勞程度，使駕駛和乘坐最大程度的實現(xiàn)人性化需求。②在交通運輸中使平臺穩(wěn)定不顛簸，減少運輸途中因路況產(chǎn)生的可避免的經(jīng)濟損失甚至交通事故的發(fā)生，大大提高了交通安全性。③運用在船業(yè)上，還能保證船只的平穩(wěn)航行。④在地震多發(fā)地區(qū)的建筑上運用此原理，可以實現(xiàn)在地震發(fā)生時減弱建筑晃動，但是由于力的提供等多種原因?qū)崿F(xiàn)起來可能比較困難。據(jù)研究顯示，該穩(wěn)定平臺在各行各業(yè)都能起到大小不同的作用。平臺裝置如果投入生產(chǎn)，將加速交通運輸業(yè)的安全發(fā)展，提高運輸?shù)男什p少運輸途中因道路原因造成的經(jīng)濟損失、交通事故等負面情況，由此滿足人們對生活、生產(chǎn)的要求。
1.3 平臺的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
穩(wěn)定平臺很長一段時間以來都是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域重點研究的對象,相關(guān)技術(shù)已廣泛地被運用在各種航天設(shè)備、艦載、地基、車載、機載、彈載中。很多國家在約一百年前就已經(jīng)牽頭鉆研設(shè)計并試用穩(wěn)定平臺。時至今日，自主穩(wěn)定平臺的運用已涉及貿(mào)易、軍事等諸多范疇。在商業(yè)方面可作用于手持相機的防抖、天文望遠鏡的穩(wěn)定等其他多個方面。軍事方面，它可用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、對象跟蹤、槍炮塔監(jiān)督等。
穩(wěn)定平臺作為一種安置于移動物體上的裝置，具備阻斷移動物體擾動的功能。在船載天線穩(wěn)定平臺體系和船舶的上工作面姿態(tài)檢測上都有應(yīng)用到傾角傳感器實時讀取數(shù)值，計算過后，對穩(wěn)定平臺進行校準。穩(wěn)定平臺活動的實現(xiàn)是憑借單片機調(diào)整外部機械機構(gòu)以實現(xiàn)調(diào)整穩(wěn)定平臺回到水平狀態(tài)目的，讓平臺始終處于平衡狀態(tài)。
相較于國外尤其是世界先進國家，我國穩(wěn)定平臺的的開發(fā)和研究水平落后了將近二十年。同時，國內(nèi)自主研發(fā)的穩(wěn)定平臺目前面臨著許多問題，諸如：使用的慣性元件精度較低，嵌入式技術(shù)跟不上實際需求等。除此之外，我國在穩(wěn)定平臺的研究上歷史相對短暫，整體技術(shù)成熟度明顯比較不足。但是近年來國內(nèi)穩(wěn)定平臺相關(guān)研究愈來愈受到重視，慣性元件、電子技術(shù)包括數(shù)字技術(shù)等不斷創(chuàng)新和進步，加上平臺裝置涉及的機構(gòu)動力學(xué)及運動學(xué)、機械設(shè)計技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號分析和處理技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等多個技術(shù)領(lǐng)域不斷的發(fā)展和完善，我國穩(wěn)定平臺的水平正在逐漸向世界先進國家看齊。
2 移動平臺概述
2.1 平臺的設(shè)計原理
此文所研究的車載穩(wěn)定平臺的工作是為了能夠?qū)崿F(xiàn)：當(dāng)平臺受所安置的主體運動的干擾時，可通過快速計算，將平臺調(diào)整到精確位置，使其可以受到實時的控制跟隨裝置整體運動。此車載穩(wěn)定平臺依照如下理論工作：
我們需要憑借一種角速度感測規(guī)模較大，可以精準地追蹤快、慢速動作的六軸角度傳感器來對運動信號進行采集，然后根據(jù)采集測量出的數(shù)據(jù)進行計算，最后確定平臺的傾斜角度這種傳感器的信號采集元件為 mpu-6050，此采集元件使本傳感器具備了許多優(yōu)勢，如：能夠很大程度的提高包裝空間的使用率，且能有效避免組合三軸陀螺儀和三軸加速器時的軸間差問題。接下來是把它采集到的平臺實時運動的加速度數(shù)據(jù)利用軟件程序編寫，利用微處理器 K60 型號編寫擴大，對傳感器收集的信號經(jīng)由卡爾曼濾波器作業(yè)，以獲得對應(yīng)的角度數(shù)據(jù)。
直線電機驅(qū)動桿的伸、縮速度主要通過編寫的程序代碼控制，程序代碼編寫結(jié)束后可以通過 PID 算法得到 pw 波，此時所得的 pw 波可以控制直線電機的電壓，以此控制桿速。這樣，平臺就能夠根據(jù)角度變化的速度調(diào)整所需的恢復(fù)程度。平臺結(jié)構(gòu)中可伸縮桿件運動動作的實現(xiàn)主要依靠直線電機提供動力，以此使得穩(wěn)定平臺裝置可以時刻保持平衡狀態(tài)，最終實現(xiàn)隔離所安置主體運動時受到的外部因素影響的目的。
2.2 平臺各組成部分
本裝置的各個組成部分主要為：底盤的運動部分、中部的電氣控制部分和機械結(jié)構(gòu)部分。三個主要組成部分分別有以下功能：
底盤的運動部分：為了實現(xiàn)車載穩(wěn)定平臺可以各向轉(zhuǎn)動和全向移動的功能，底盤的運動部分對稱設(shè)置了四個萬向輪。在實現(xiàn)裝置全向運動的同時，還需要使四個輪子在運動過程中所受的摩擦力盡可能的減小，經(jīng)過對比和研究，最后決定采用小輪內(nèi)置大輪在外部包裹小輪的方式。
機械結(jié)構(gòu)部分：有為平臺實現(xiàn)升降提供支持的剪叉機構(gòu)、直線電機控制的可伸縮連桿機構(gòu)、為整體裝置的移動提供支持的萬向輪機構(gòu)等機構(gòu)組成。直線電機為可伸縮的連桿機構(gòu)提供動力，再通過兩組相互垂直的雙折分支并聯(lián)機構(gòu)來使平臺能夠?qū)崿F(xiàn)在水平和豎直方向上的運動，最后通過剪叉機構(gòu)實現(xiàn)平臺的升降運動，底盤通過萬向輪機構(gòu)來保證整個裝置的轉(zhuǎn)動和移動功能；
中部電氣控制部分組成：信號采集元件為 mpu-6050 的傳感器、信號處理器、校正和檢測元件等。 本文主要敘述機械結(jié)構(gòu)部分。
3 平衡機構(gòu)的比較和設(shè)計
3.1 四桿機構(gòu)
3.1.1. 四桿機構(gòu)
圖 3.1.1 四桿機構(gòu)模型圖
如圖 3.1.1，穩(wěn)定平臺中可實時調(diào)控保持穩(wěn)定的部分由一對相互垂直的四桿機構(gòu)組成。因為它們有相同的工作原理，所以下文我們只對裝置中的一個四桿機構(gòu)進行運動分析，直角坐標系如圖所示。
1-推桿 2-鋁材桿件 3-方形連桿 4-圓形連桿 5-支架圖 3.1.2 X 軸方向上四桿機構(gòu)的運動簡圖
如上圖所示，由直線電動機驅(qū)動的主動桿 1，能夠繞鉸鏈 A 作有限角度的來回運動。經(jīng)過計算，我們可以確定主動桿 1 距離從動桿 2 的具體長度，從動件分別為桿件 2、3、
4，兩個從動件間都由銷軸連接。最后，用軸承將從動件 4 固定在承物板的反面，軸承的固定能夠使承放物品的平板擁有更加強而穩(wěn)定的支持力，也能夠讓承物板跟隨整個裝置的運動實時調(diào)整它的角度，使其始終保持水平狀態(tài)。鋁制桿件 5 作為一根支撐桿，兩
端需要分別固定，與從動件 4 連接的一端要使從動件 4 能夠滿足運動要求，所以選擇用
特殊結(jié)構(gòu)的銷軸連接，既可防止桿件 5 產(chǎn)生上下躥動，也方便日后維修時的拆裝。桿件
5 的另一端需要固定于剪叉機構(gòu)的上平面，實現(xiàn)其支撐桿的作用，我們選擇法輪盤連接。
如圖 3.1.2 所示，構(gòu)件 n=5,有一個移動副，六個轉(zhuǎn)動副，因此有 p L 1 + 6 = 7 據(jù)機構(gòu)自
由度計算公式有： F = 3n - 2PL - PH = 3 ′ 5 - 2 ′ 7 - 0 = 1
根據(jù)：原動件數(shù)目大于自由度數(shù)目時，運動干涉；原動件數(shù)目小于自由度數(shù)目時， 無確定運動；原動件數(shù)目等于自由度數(shù)目時，各構(gòu)件具有相對運動可得上訴機構(gòu)具有確定的運動。
3.1.2 萬向節(jié)
如圖 3.1.3 所示為桿件 4、支撐桿 5 之間銷連接結(jié)構(gòu)，組成一個萬向節(jié)：
圖 3.1.3 銷連接模型圖
上述所提可實現(xiàn)萬向節(jié)回轉(zhuǎn)功能的銷軸結(jié)構(gòu)由銷、軸承和矩形外框焊接組成。假定從動件 4 相對支撐桿 5 可實現(xiàn)從 20°擺動到 160°。為做相應(yīng)的定點掃描實驗，我們將一根長 L 的桿件連接在以上提到的銷軸結(jié)構(gòu)上。最終獲得結(jié)果如下：
S可擺動
= pL2 (1 - cosa) 2
20° ￡ a￡ 160°
圖 3.1.4 萬向節(jié) x 軸與 y 軸角度曲線
本機構(gòu)所用的萬向節(jié)是由銷和軸承組合而成的，它的應(yīng)用是整個車載移動平臺完成工作的核心。可同時實現(xiàn)：在增加整個機構(gòu)的靈敏度和平穩(wěn)度的同時，為平臺在調(diào)節(jié)過程中保持潤滑和穩(wěn)定。它使承物板可以完成水平和豎直方向上的共同運動。
3.1.3.局部自由度的構(gòu)成
本機構(gòu)的特殊之處在于：可實現(xiàn)同層的 X 軸偏向和 Y 軸旋轉(zhuǎn)，這一特殊之處也成了設(shè)計過程中所面臨的最大的難題，即 X、Y 軸的干涉問題。本裝置從進入設(shè)計階段開始就考慮到這個問題的嚴重性，也試想過一些解決方案并對不同的解決方案進行了各方面的對比。原先考慮過使用分層來控制，分層控制是將機構(gòu)在水平和豎直方向上的運動分開控制，即各為一層，先設(shè)置一層連桿機構(gòu)控制承物板的豎直方向上的運動，再在這層控制的下一層設(shè)置搖桿機構(gòu)控制上層的水平方向上的運動。這樣一來就可以避免機構(gòu)在運動時水平和豎直方向上存在的相互干涉的問題。但是分別設(shè)置獨立的兩層連桿、搖桿機構(gòu)來完成橫縱向的同時運動免不了會提高裝置整體的高度，裝置整體高度的增加會對平臺的工作精度造成不可避免的影響，在穩(wěn)定平臺工作精度降低的同時還存在平臺穩(wěn)定性降低的風(fēng)險，結(jié)合實際考慮并不適用于生活，因此最終決定不采用分層控制的方案。改良為單層雙向控制。單層的雙向控制能夠很大程度的降低整個平臺裝置的整體高度， 也使平臺的穩(wěn)定性得到保障，但是設(shè)計上就對結(jié)構(gòu)提高了要求。在這里，我們選擇使用旋轉(zhuǎn)軸承，用于連接平臺和連桿。旋轉(zhuǎn)軸承可滿足機構(gòu)單層的橫、縱向同時運動的要求。
3.2 四桿機構(gòu)極限位置計算
圖 3.2.1 上偏角極限位置圖
假設(shè)整機總尺寸已定，則可求各桿件相對距離及尺寸由圖 3.2.1 可知，當(dāng)電機推桿伸到最長時，機構(gòu)會達上偏角極限位置，此時a、b 共線，且出現(xiàn)極點，為避免這種情況發(fā)生，應(yīng)該滿足：
(r - r cosq)2 + (H + r sinq)2 = (a + b)2
(3.2-1)
a b b
展開得：
(a + b)2 - r 2 - r 2 - H 2
即上極限偏角：
H sinq- ra cosq=
a b
2rb
(3.2-2)
(a + b)2 - r 2 - r 2 - H 2 r
q= arcsin
a b + arctan a
H
(3.2-3)
考慮到實際，θ[0, n ]之間。由三角形的構(gòu)成條件，平臺水平時應(yīng)有：
2
豎直時（不存在），應(yīng)有：
a + b 3
a + b ￡
(3.2-4)
(3.2-5)
圖 3.2.2 下偏角極限位置圖
由圖 3.2.2 可知，當(dāng)電機推桿不伸長時，機構(gòu)會達下偏角極限位置，機構(gòu)會出現(xiàn)死點，為避免這種情況發(fā)生，應(yīng)該滿足：
[(b + r cosq) - r ]2 + [H - (b + r )sinq]2 = a2
(3.2-6)
b a b
展開得:
(b + r )2 + r 2 + H 2 - a2
H sinq+ ra cosq= b ( a )
(3.2-7)
2 b + rb
解得:
(b + r )2 + r 2 + H 2 - a2 r
q= arcsin
b a
- arctan a
H
(3.2-8)
考慮到實際工況，q處于é- p,0ù 之間。由三角形的構(gòu)成條件可知，當(dāng)平臺處于豎
?ê 2 ú?
直（不存在）或水平時，應(yīng)滿足(3.2-4)和(3.2-5)條件。
3.3 四桿機構(gòu)各桿件的受力分析
圖 3.3.1 四桿機構(gòu)爬坡狀態(tài)受力簡圖
圖 3.3.1 為機構(gòu)上爬狀態(tài)受力簡圖，設(shè)平臺可承重為 M (kg )，在角度為a° 的斜面上進行上爬運動。平臺承重加上機構(gòu)自重，總重量為：
連架桿 AB 的重量為：
F重力1 = Mg + MDCg
F重力2 = M ABg
（3.3-1）
（3.3-2）
對機構(gòu)各支點的受力情況進行分析。如上圖所示，平臺底座給了鉸鏈 A 一個支反力
F ，據(jù)圖可知 F
= G ′ cosa， FA 隨著 G 增大而增大，隨著a的增大而減小。直線電機
A A
供給動力的推桿給鉸鏈 K 一個大小為 FK 方向為 IK 的力。二力桿 CB 兩端的鉸鏈由于二力平衡， FB 和 FC 都沿著 CB 方向，方向相反但大小相同。
根據(jù)牛頓定律，圖 3.3.2 中可以看出桿件 DC 以及其兩端鉸鏈所受的各個力，其中q2是 BC 和 X 軸的夾角，把 FD 分解到水平和豎直兩個方向 FDX 和 FDy ，同樣的 FCX 和 FCy 是由 FC 分解的。
圖 3.3.2 連架桿 DC 受力簡圖
19
由靜力平衡可得：
?FX = 0
?FY =0
FDX + FCX = 0
FDY +FCY +(M+m)g=0
（3.3-3）
（3.3-4）
?M =0 F L-1
+m)g=0
5
（3.3-5）
O CY 5
L(M
2
解得：
FD =
（3.3-6）
FC = （3.3-7）
同理可知，在直線電機的作用下連架桿 AB 中鉸鏈點 A、點 B 受到支撐力和支反力， 其中，支撐力FK與坐標軸的夾角為θk。
圖 3.3.3 連架桿 AB 受力簡圖
按圖 3.3.3 示列方程：
? FX = 0
?FY = 0
FAY + FKY - FCY = 0
AB
FAX -FM X +FKX +FCX = 0
（3.3-8）
（3.3-9）
帶入公式解得：
?MO =0
FA =
1
2 AB
FM Y+FCYL3
-FKYL6 =0
（3.3-10）
（3.3-11）
F = MABg sinqNL3 + 2FC sinqML3
K 2L sinq
（3.3-12）
6 K
其中:
qN =
1p+ arcsin( CL+ D ) -q
3
2 A+ L2
（3.3-13）
L6sinq
q = arcsin( 3 ) +q
（3.3-14）
K L 3
qM = arcsin(
L =
Hsin 90o - L sinq + CL+ D )
L(
)
L4
（3.3-15）
（3.3-16）
圖 3.3.4 四桿機構(gòu)各支點受力圖
圖 3.3.4 為各個鉸鏈的受力仿真圖，通過仿真圖可知：1、作用在鉸鏈 D 上的力的大小與平臺角度的大小成正相關(guān)。2、作用于鉸鏈 C 上的力基本維持在 200N，上下浮動不大。3、作用于鉸鏈 A 上的力與平臺角度的大小成負相關(guān)。所以只校核強度的時候只校核受力最大的點 D 鉸鏈。
4 舉升機構(gòu)及移動底盤的選擇和設(shè)計
4.1 舉升機構(gòu)的比較及選擇
4.1.1 方案一：電動導(dǎo)軌式的鏈傳動、帶傳動
帶傳動、鏈傳動的工作原理：電機帶動帶輪使升降機構(gòu)在導(dǎo)軌上實現(xiàn)上下移動的目的。帶傳動具有良好的撓性、可以吸收振動且結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但是帶傳動在過載時會出現(xiàn)打滑，打滑雖有防止其它零部件受損的功能，但會造成傳動失效。鏈傳動的工作原理與帶傳動相似，其具有傳動比大，載荷分布均勻的特點，但是其工作時存在沖擊振動、且有噪音。綜合本裝置的工作環(huán)境和功能要求考慮，鏈傳動和帶傳動均不適用。如圖 4.1.1 所示：
圖 4.1.1 帶傳動的升降機構(gòu)
4.1.2. 方案二：渦輪絲杠升降機
渦輪絲杠升降機，利用了運行平穩(wěn)傳動準確的渦輪轉(zhuǎn)動帶動絲杠上下移動的方法來實現(xiàn)升降機功能。但渦輪絲杠升降機存在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜難以維修、且生產(chǎn)成本大、制造精度要求高，機構(gòu)所需空間也相對較大等缺點，考慮到本設(shè)計的設(shè)計精度難以達到以及使用空間有限的問題，暫不采用本方案。如圖 4.1.2 所示：
圖 4.1.2 渦輪絲杠升降內(nèi)部結(jié)構(gòu)
4.1.3. 方案三：液壓升降機構(gòu)
液壓升降機構(gòu)中氣體進入液壓缸的工作區(qū)域，使得液壓缸內(nèi)外產(chǎn)生壓強差，壓強差帶動活塞桿上下移動，從而實現(xiàn)升降機構(gòu)的功能。液壓升降機構(gòu)工作可靠性高，但工作所需耗偏大，使用成本過高，且運動精度難以控制，綜合各方面考慮，不適用于本裝置。如圖 4.1.3 所示：
圖 4.1.3 液壓升降機構(gòu)
4.1.4. 方案四：剪叉式升降機構(gòu)
剪叉機構(gòu)多用于高層間貨物的運送，憑借其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且緊湊的特點，能夠支持運載重量相對比較大的貨物。剪叉機構(gòu)中的活動桿件相互交叉連接，可以做相對擺動運動， 活動桿的相對擺動角度范圍為 0~180 度，由此可以使載物平臺完成從最低平面到最高平面的升降活動，且剪叉機構(gòu)中各個桿件的長度方便設(shè)計和控制，能夠很好的根據(jù)裝置整體的尺寸要求完成配合設(shè)計。剪叉機構(gòu)中的驅(qū)動裝置有不同的結(jié)構(gòu)可供比較和選擇。圖4.1.4（a）為剪叉式升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖：
圖 4.1.4（a） 剪叉式升降機結(jié)構(gòu)簡圖
經(jīng)過對多種驅(qū)動裝置的比較和分析，總結(jié)出以下結(jié)論：直線電機驅(qū)動傳動機構(gòu)簡易、便于拆換維修，而且不會使裝置整體高度增加太多，能為本裝置的設(shè)計尺寸提供較為合適的配合。滾珠絲杠組成的驅(qū)動裝置組成零件比較復(fù)雜，雖然它能夠提供比較高的傳動精度，但由于其成本較高、安裝精度要求也比較高，難以實現(xiàn)在車載穩(wěn)定平臺上的使用。最后還對連桿機構(gòu)的驅(qū)動裝置進行了分析，也由于其自身存在很大程度的增加裝置整體高度的問題，使其不適于作為本文涉及的剪叉機構(gòu)的驅(qū)動裝置。
綜上所訴，升降機構(gòu)選擇方案四：剪叉式升降機構(gòu)，驅(qū)動裝置選擇直線電機驅(qū)動。
圖 4.1.4（b） 直線電機驅(qū)動的剪叉式升降機構(gòu)圖
4.2 移動底盤的比較與設(shè)計
本文設(shè)計的車載移動平臺應(yīng)該具備可在貨物倉庫中的各個貨架間有限的空間內(nèi)實現(xiàn)貨物承運的功能，包括在固定路線中的移動和必要的轉(zhuǎn)向，因此，所選擇的移動底盤必須能夠保證工作時裝置所需達到的運動精度，且靈活性要高。經(jīng)過多種結(jié)構(gòu)的對比和運動精確度的分析，最后選用全向輪結(jié)構(gòu)作為移動底盤。全向輪結(jié)構(gòu)如圖 4.2.1 所示。
圖 4.2.1 全向輪結(jié)構(gòu)圖
整個移動底盤由四個電機驅(qū)動的全向輪在底盤圓周上均勻分布組成，此復(fù)合輪子結(jié)構(gòu)由大輪邊緣套小輪組成，可使裝置實現(xiàn)各個方向的行進和原地各角度的轉(zhuǎn)向。由于此全向輪結(jié)構(gòu)屬于軸系裝配，設(shè)計之初考慮過小輪軸的受力可能存在受力過大的問題從而影響整個移動底盤的使用壽命，但由于四個輪呈對稱分布，因而小輪軸的受力情況也較為均勻，以上問題便得以解決。此外，電機驅(qū)動的四輪底盤結(jié)構(gòu)也使裝置整體的動力更大，運動更加靈活精確。
本裝置中電機軸和全向輪之間通過橡膠吸震聯(lián)軸器連接，利用滾針軸承降低底盤摩擦連接部分的摩擦程度，再加上端面軸承的配合，使底盤適應(yīng)地面較大起伏的情況，而且還能保持各驅(qū)動輪緊壓地面。底盤裝配圖如圖 4.2.2 示：
圖 4.2.2 移動底盤裝配圖
作為連接動力供給部件和運動部件的關(guān)鍵零件，聯(lián)軸器在整個移動底盤中起著不可小視的作用，由于聯(lián)軸器的種類眾多，在不同的工作環(huán)境下所起到的作用也有所區(qū)別， 因此對聯(lián)軸器的選擇也是設(shè)計中的一個重要的環(huán)節(jié)。移動底盤因為會與地面產(chǎn)生直接接觸，在整個車載穩(wěn)定平臺運行的過程中，底盤會受到路況的干擾產(chǎn)生不可避免的振動甚至碰撞，因此需要選擇減振性能較強的聯(lián)軸器，經(jīng)過查閱相關(guān)資料，最終決定選用如圖
4.2.3 所示，內(nèi)、外徑分別為 8 和 30 的橡膠減振聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器的橡膠部分可以實現(xiàn)減振的作用。
圖 4.2.3 橡膠減震聯(lián)軸器
結(jié)論
本文僅對可承載貨物并完成運送的車載穩(wěn)定平臺進行分析和研究，主要對其機械結(jié)構(gòu)進行了選型、設(shè)計和受力分析。在有限的研究時間內(nèi)主要完成了：平臺平衡機構(gòu)的設(shè)計并對其進行受力分析、升降機構(gòu)的選型、底盤移動裝置的設(shè)計，以及對整機進行SolidWorks 裝配圖的繪制等幾項工作。由于本設(shè)計的內(nèi)容涉及知識面較廣，且設(shè)計的過程中存在一些僅憑個人能力難以解決的問題，因此該設(shè)計不盡完美，還存在很大的優(yōu)化空間。
近年來，交通運輸和貨物儲存?zhèn)}庫物料裝卸對運輸工具的平穩(wěn)度需求有增無減，這也使穩(wěn)定平臺成為了人們熱衷研究的項目。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，具備不同功用的穩(wěn)定平臺也應(yīng)運而生。本文設(shè)計的車載可移動穩(wěn)定平臺可為當(dāng)代飛速發(fā)展的物流業(yè)提供貨物運輸過程中的安全保障，尤其是對某些對運輸條件有高要求的物品來說，能夠大大提高物品的完整性和無損性。對未來相關(guān)方面的應(yīng)用有十分重要的理論指導(dǎo)意義。
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20
附錄 1：外文翻譯
連桿機構(gòu)
連桿存在于車庫門裝置，汽車擦裝置，齒輪移動裝置中。它是一種被給予很少關(guān)注的機械工程學(xué)的組成部分。
連桿是具有兩個或更多運動副元件的剛性機構(gòu)，用它的連接是為了傳遞力或運動。在每個機器的運動期間，連桿占據(jù)一相對于地面的固定位置或者作為一個整體來承載機床。這些連桿是機器的主體，被稱為固定連桿。
基于通過旋轉(zhuǎn)或滑動界面連接的部件的布置被稱作連接。這類通過面接觸或線接觸的連接機構(gòu)被稱作低副，而高副是基于接觸點或彎曲分界面的。低副的例子包括鉸鏈連接、軸承與軸的配合、滑道以及萬向接頭。高副的例子包括凸輪和齒輪。
運動分析基于機械幾何加上識別運動的因素（如輸入角速度，角加速度等）來研究特定的給定機制。運動合成是設(shè)計一個機器以完成所需任務(wù)的過程。 在這里，選擇類型以及新機構(gòu)的尺寸都可以是運動合成的一部分。
平面的、空間性的和球面運動機構(gòu)
平面機構(gòu)是其中所有粒子描述平面曲線的平面機構(gòu)叫做空間，并且所有平面都是共面的。大多數(shù)連桿和機構(gòu)被設(shè)計為刨床系統(tǒng)。其主要原因是平面系統(tǒng)工程更方便?？臻g機制要求計算機合成的工程要復(fù)雜得多。平面低副機構(gòu)被稱作二維的連接裝置。平面的連接僅涉及旋轉(zhuǎn)和棱柱對的使用。
空間機構(gòu)沒有對相對運動的點的限制。平面的和球面運動機構(gòu)都是空間機構(gòu)的子集， 這個頁面上沒有考慮空間機制/聯(lián)系。球形機構(gòu)在每個連桿上有一點是靜止的，所有連 桿的固定點在同一位置。機構(gòu)中所有顆粒的運動是同心的，并且可以通過它們的陰影重 新定位在以公共位置為中心的球形表面上。在該頁上不考慮球形機構(gòu)/連桿。
可動性
連桿在運動中所表現(xiàn)的自由度數(shù)是一個很重要的問題。為了使裝置被送到指定位置應(yīng)控制獨立的活動自由度。它可能是由桿的數(shù)量和連接方式?jīng)Q定的。一自由連桿通常有3個自由度(x , y, θ )。由于自由度數(shù)的限制在n連桿裝置中，通常把一個桿固定。自
由度數(shù)=3(n-1).連接二連桿的機構(gòu)有兩個自由度約束的增加。有兩個約束的二連桿連接， 其中一個自由度是來約束這個系統(tǒng)的。有一個約束的連桿機構(gòu)的自由度是j1，有兩個約 束的連桿機構(gòu)的自由度是j2。這個系統(tǒng)的自由度數(shù)可表示為m = 3 (n-1) - 2 j 1 - j 2
21
以下為可動的連桿機構(gòu)裝置的示例
0是這個體系中可動的機構(gòu)。系統(tǒng)中僅僅由一連桿的位置固定可以將可動1安裝在固定位置。系統(tǒng)中需要一個可動的2與兩個連桿來確定連接位置。這是個一般的規(guī)則，但也存在例外，它可以作為一個可動性連桿布局的很有用的參考。
格朗定律
當(dāng)設(shè)計一連接連桿時，在連續(xù)地旋轉(zhuǎn)連桿處，例如由一馬達輸入時，連線可以自由地旋轉(zhuǎn)完全運行驅(qū)動是很重要的。如果連桿鎖在任一點則方案不會工作。四桿聯(lián)動機構(gòu)和gras.of定律對這個情況進行提供了簡單的測驗。格朗的定律如下：
b(短的鏈環(huán))+c(長的鏈環(huán))
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