聂阳文　黎子豪　闰磊　胡星

摘要：针对目前自行车停车装置存在停放位置不足（或乱停乱放）、久置积灰以及停放不安全等问题，设计了一种顶楼式自行车智能停车装置，采用了慧鱼模型零部件对该装置设计方案进行模型搭建，并基于慧鱼ROBO PRO编程软件对该装置进行程序设计和系统调试，验证了该装置设计方案技术的可行性。

关键词：慧鱼模型;自行车;停车装置;环境污染

中图分类号：U495

文献标识码：A

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

近年来，随着交通拥堵、环境污染等问题日益严重，自行车作为一种经济便利、低碳环保的交通方式，作为一种健康的生活方式，受到世界各国青睐[1]。与此同时，自行车停放问题随着自行车数量增长而越来越严重，例如停放位置严重不足（乱停乱放影响公共环境）[2-3]、久置积灰以及停放不安全等问题，而现有的自行车停车装置普遍存在占用公共空间、功能相对单一以及容易被盗等问题。本文设计了一种顶楼式自行车智能停车装置，采用密码存放方式，将自行车停放在小区休息亭、路面车库或者公交站台候车亭的顶部，不占用公共空间，并且配置擦拭除尘装置对自行车上灰尘进行擦拭，有效解决目前自行车停放问题。

慧鱼模型是技术含量很高的工程技术类拼装模型，涵盖机械工程、计算机、自动控制等多个学科，具有很强的扩展性和启发性，被广泛应用于实验教学、科学研究和实际生产中[4]。本文基于慧鱼模型对顶楼式自行车智能停车装置设计方案进行模型搭建，并采用ROBO PRO编程软件对该装置进行程序设计和系统调试，验证了该装置设计方案在工程技术可行性。此作品已获得第八届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组竞赛一等奖。

1 机械设计方案

顶楼式智能自行车停车装置的设计方案综合运用了连杆机构、齿轮齿条机构、链传动、丝杠螺母结构等多种慧鱼模型零部件，实现了将自行车夹紧、提升、下降、转向、擦拭除尘等自行车存取全过程的稳定运行，其模型总体结构如图1所示。顶楼式智能自行车停车装置适合在多种小区环境下进行搭建，例如它既可以搭建在小区绿化带、空闲区域的上方，也可以搭建在小区休息亭、路面车库或者公交站台候车亭的顶部等，其主体部分由夹取装置、运输装置、停车位及擦拭除尘装置组成。

1.1 夹取装置

夹取装置由连杆机构和气动装置组成，实现对自行车前轮的夹紧、准备运送。连杆机构由两个曲柄滑块机构组合而成.其中滑块作为连杆机构的原动件，其模型和运动简图分别如图2、图3所示。连杆机构的运动通过气动装置驱动，用以控制夹取装置的张开与闭合。气动装置具有稳定、安全、可靠等特点，相比电磁阀具有断电保护功能。气动装置由气缸、电机、联轴器、气动阀组成。

1.2 运输装置

运输装置主要实现将自行车准确地运输到指定位置，其模型如图4所示。运输装置主要由二级升降机构、旋转机构和单丝杠导轨三部分组成。

二级升降机构采用齿轮齿条传动、丝杠传动实现了自行车在垂直方向上的两级提升。第一级升降机构通过齿轮箱与齿条的配合，将夹取装置固定在齿轮减速箱的下方。停车时，夹取装置夹住自行车，电机开始运作，使齿轮箱沿齿条爬升，从而使自行车上升至指定位置;取车时，电机反转使齿轮箱沿齿条下降，从而使自行车下降至地面。第二级升降机构由丝杠和导轨组成，丝杠与一级升降机构整体配合。停车时，在一级升降机构上升后，电机带动丝杠使一级升降机构进一步上升，从而使上层空间被更好利用，提高空间利用率;取车时，电机反转带动丝杠旋转首先使一级升降机构整体下降，然后一级升降机构再下降，从而使自行车能够平稳降至地面供用户取车使用。

旋转机构由一大一小齿轮组成，小齿轮直接连接在电动机上，大齿轮位于二级升降机构的底座上，旋转的角度大小由电脑程序中对电动机运行的行程限制来进行控制，如图5所示。当二级升降机构将自行车提升至一定高度后，旋转机构将自行车水平旋转900进行停放车操作，或再旋转900进行车辆擦拭。单丝杠导轨用来运输二级升降旋转平台整体，其一端为一个电机带动齿轮转动从而传动至丝杠带动转动，两边由铁杆固定，另一端上方连接二级伸缩旋转平台，下方连接停车区，二级伸缩旋转平台可在其上方滑动。

1.3 擦拭除尘装置

擦拭除尘装置主要作用是解决久置自行车的积灰问题，让人们享受干净舒适的骑行过程，如图6所示，该装置主要利用太阳能板提供能源，从而給风扇供电，形成真正的绿色环保的供能方式。其主要机构由除尘风扇、齿轮齿条链条连续传动机构、正反转持续旋转运动的擦拭海绵构成。其中，除尘风扇是为了解决自行车表面的积灰;正反转持续旋转运动的擦拭海绵可以清理掉自行车表面大部分的灰尘，它由链条、齿轮等机构组成。另外，考虑到链传动的多边形效应和擦拭时需要的速度与力度，我们采用合适链轮速度和齿数，得到了最为理想的传动比。

2 控制系统设计方案

本控制系统采用两块TXT Controller控制板，完成顶楼式智能自行车停车装置的存车、取车及擦拭除尘功能，其控制程序的Panel面板如图7所示。

2.1 存车过程

用户先将自行车放置在安置好的候车位上，然后在系统操作界面点击存车按钮，随后装置会自动运行。当按下存车按钮，程序通过传感器依次判断停车装置上所有车位有无空车位，并且就近选择空车位进行停车，以节约存车时间和装置运行能耗。以1号车位存车为例来分析.点击存车按钮，程序通过0号位传感器II，通过程序中的门的开关判断0号位有车，因此0号位存车子程序不运行，接着判断1号位是否有车，当1号位无车辆时，1号位存车子程序运行，如图8所示，并将1号位对应的存车密码反馈至显示面板。

2.2 取车过程

用户在显示界面输入自己的取车密码后，系统会自动弹出选择是否擦车界面，当用户选择“否”后，夹取装置空载运行至目标自行车上方，夹取装置夹住自行车，再由升降机构和运输机构将车辆送至候车位完成取车过程。

2.3 擦拭除尘过程

用户在系统显示界面输入取车密码后，系统会自动弹出选择是否擦车界面，当用户选择“是”后，夹取装置空载运行至目标自行车上方，夹取装置夹住自行车，由运输装置带动自行车向擦拭除尘装置运动，直至触碰到限位开关运输装置停止运行，除尘风扇和擦拭海绵同时运作。擦拭除尘完毕后，系统会控制运输装置将自行车送至候车位，其控制程序如图9所示。

3 结束语

本文所设计的顶楼式智能自行车停车装置，可以在多种环境下采用顶楼式搭建方式，不占用小区的地面空间，实现了小区自行车的智能化规范化管理;停车取车的整个操作过程简单、方便、费时少，适合多个年龄段人群使用;擦拭除尘机构可以针对自行车重点部位进行清洁，有效解决了自行车长时间放置容易积灰的问题，并且作业时间短、清理效率高;用户通过密码取车保证了自行车存储的安全性。因此，顶楼式智能自行车停车装置具有良好的市场发展前景。

参考文献：

[1]陈可可，王会良，许广云，等.一种立式自行车停车装置[J].科学技术创新，2018（ 9）： 180-181.

[2]舒诗楠，边扬，李爽，等.北京市公共自行车发展定位[J].城市交通，2017 （3）： 58-62，73.

[3]申爱萍.互联网租赁自行车路指何方？[J].人民交通，2017 （9）： 10-14.

[4]蔡理，郭鲁家.慧鱼模型在本科教学中的多层次应用[J1实验室研究与探索，2004（7）：81-83.