论文部分内容阅读
【摘要】针对狭小的生活空间，设计了一种室内移动式可升降搁置架，通过电推杆带动导向伸缩杆实现升降运动，通过两轮驱动实现室内复杂环境中的地面运动，通过遥控操作实现了空间点对点的运动控制。使用C51系列单片机搭建了运动控制系统。
【关键词】升降机；移动式搁置架；遥控；单片机
Abstract：Through the electric push rod drives the telescopic guide rod lifting movement，through two wheel drive implementation of ground motion in complex indoor environments，operated by remote control to realize spatial point-to-point motion control，design an indoor movable lifting shelf In view of the narrow living space.
Keywords：Lifts；Mobile Shelf；Remote Control；SCM
1.引言
对于狭小和复杂的生活空间，比如学生宿舍，凌乱的实验室等，由于空间小、物品多，因此需要对活动空间加以充分利用，由此造成了物品取用的不便。在未来相当长的一段时间内，随着人口的增长和城市化进程的加速，人们的活动空间将变的越来越狭小，如何实现在狭小和复杂的空间内方便地取放杂物，具有重要的现实意义。
在多种多样的便捷装置设计中，很重要的一部分是搁置架的设计。为此很多人提出了方案：CN200820170976.3公开了一种桌子搁置架，包括桌子和搁置架，其要点在于所述的搁置架上有上夹板和下夹板。上夹板下有上夹板橡胶垫，下夹板上有下夹板橡胶垫。搁置架上的有用于放置物体的搁置袋。该桌子搁置架可以挂在桌子边缘，给人们多一层的放置物品的空间；CN200820170962.1公开了一种学生床搁置架包括背板和盒子，其特征在于背板上有折板，折板是通过背板上的吊板相连接。背板依靠盒子的地方有一凸出钩。盒子上有用于套在背板上的凸出钩上的钩套。这种搁置架还可拆下盒子来用，当搁置架上的盒子拆下之后背板上的凸出钩就可以用来挂衣服或袋子一类的物体了。这种搁置架可以挂在学生床上，便于上铺的学生存放一些物品，避免了上下床取放的繁琐。但目前这种搁置架均是依托于桌子或者床架，无法根据需要灵活的调整位置和高度，因此使用上具有很大的局限性。
基于此，我们设计了一种移动式可升降搁置架，可以通过遥控器来控制其多方向自由移动和升降，即使在上铺也可以方便的在搁置架上取放物品，对寝室空间可以充分利用，为我们的生活提供极大的便利。具有适用性广、灵活性强、安全性高的特点，具有很广阔的应用前景。
图1
2.移动式可升降搁置架
移动式可升降搁置架机构如图1所示，其置物台可以实现空间的三维运动，从而实现物体的方便取用。其升降运动通过电机驱动，经由齿轮减速器，使推杆旋转，带动置物台上升或下降。为了保证升降的稳定性，在置物架四角的位置安装了可伸缩的导向杆。在导杆上装有限位开关，保证升降的安全性。
搁置架的底座采用两轮驱动方式，通过两个直流电机同速转动实现水平直线运动，通过两个电机的差动实现转向运动。其运动轨迹通过遥控方式实现。
图2
当需要取用杂物时，通过遥控器按钮控制机构启动，通过方向遥控控制按钮控制装置的水平运动，通过遥控升降按钮控制升降运动，使置物架行驶到指定位置，从而方便杂物的取放。当不需要时，则通过遥控操作使其回到空闲的角落里，从而保证空间的整洁。
3.机构设计与选型
电机的选型与优化：
根据搁置架的总体重量和其最大的载物量（5KG）为20KG，根据地面的摩擦系数为0.2，F=μmg=0.2x20x10N=40N。
考虑到搁置架在转向时，只有一个电机带动搁置架，因此每个电机所承受的最大扭矩为：
TL=FxR=40x0.05=2N·m（轮子的直径为10CM）
查资料得：电动机的传动效率为0.8。
TM=TL/0.8=2/0.8=2.5N·m
因此，电动机输出转矩为3N·m。
电源选用的是24v直流电瓶供电，所以选择输出转矩为3N·m的30W直流电动机。故电动机型号为07SGN。
减速器的选择与设计：
考虑到实际搁置架的移动速度不需要太大，故选择每个轮子的转速为60r/min。再根据所选电动机的转速为1800r/min，因此减速器齿轮箱的传动比为：
i=60/1800=1/30
因此选择减速器的传动比为1：30。
电推杆的选择：
搁置架的最大载荷为5KG，上板面重量为2KG，考虑到在上升过程中的各种因素，电推杆的推力不小于70N，且行程为1m，24V直流。故我们选择电推杆的型号为TG-300B。
伸缩杆的设计：
考虑到上板面的稳定性，在上板面的四角处，分别安装了1个伸缩杆，且最大行程大于电推杆的最大行程。故其最大长度为120CM。因为伸缩杆只起到保持稳定性和导向作用，故其直径的选择对总体的设计无影响，所以定直径为5CM。
4.移动式可升降搁置架的电路控制设计
本装置采用51单片机作为驱动核心，通过无线电遥控操作实现运动控制。其系统流程图如图3所示。
图3 系统流程图
其中，无线控制器选用MX-YK12X-12型号的，其参数规格如下。 工作电压 12V，24V（可选）
静态工作电流 ≤6mA
工作温度 -40度-+80度
接收灵敏度 ≥105dBm
工作频率 315MHz 433MHz
输出电压 交、直可选
输出电流 ≤10A
单片机选用MC9S12XS128型号，其参数如下：
该机有16个AD通道，可以配置8、10、12位精度；8路PWM；2路SCI接口；1路SPI接口；1个TIM模块，可以配置8个输入捕捉或输出比较通道；4路周期中断定时器（PIT）通道；1个CAN模块；及其丰富的IO口，方便外部设备的接入。
电机驱动芯片选用L298N型号，其参数如下：
驱动部分端子供电范围Vs +5V～+35V
驱动部分峰值电流Io 2A
逻辑部分端子供电范围Vss +5V～+7V
逻辑部分工作电流范围 0～36mA
控制信号输入电压范围 低电平：-0.3V≤Vin≤1.5V
高电平：2.3V≤Vin≤Vss
使能信号输入电压范围 低电平：-0.3≤Vin≤1.5V（控制信号无效）
高电平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信号有效）
最大功耗 20W（温度T=75℃时）
存储温度 -25℃～+130℃
控制原理图如图4所示：
图4 控制原理图
我们采用的是12路遥控器，通过遥控器上的按键控制接收器上继电器端口的开关，从而把信号传输到芯片控制，进一步把信号传到电机驱动器上，进而实现电动机的开与关。
5.总结
本文介绍了一种室内移动式可升降搁置架，通过无线遥控控制电动机的正反转，实现了搁置架的水平方向（前进、后退及转向）的移动，采用电推杆的伸缩移动，实现了搁置架的上下移动。该机构有利于在多人宿舍等方便远距离取物和搁置物品，达到智能化遥控操作搁置架移动和升降取物及搁置的效果，为我们的生活提供极大的便利，适用性广、灵活性强、安全性高的特点，具有很广阔的应用前景。在电路控制和外观设计等方面还需改进和进一步研究。
参考文献
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计（第7版）[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2]濮良贵.机械零件（第4版）[M].北京：高等教育出版社，1982.
[3]吴金成.8051单片机实践与应用[M].清华大学出版社，2002.
[4]何立民.单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社，2002.
[5]李鸿.单片机原理及应用[M].湖南大学出版社，2004.
基金项目：本项目来自上海大学生科创项目（项目编号：2011SCX28）。
作者简介：
赵吻吻（1989—），男，安徽阜阳人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。
金广（1992—），男，安徽合肥人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。
周佳伟（1991—），男，上海人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。
黄嘉渊（1992—），男，上海人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。
郝连波（1991—），男，内蒙古赤峰人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。
【关键词】升降机；移动式搁置架；遥控；单片机
Abstract：Through the electric push rod drives the telescopic guide rod lifting movement，through two wheel drive implementation of ground motion in complex indoor environments，operated by remote control to realize spatial point-to-point motion control，design an indoor movable lifting shelf In view of the narrow living space.
Keywords：Lifts；Mobile Shelf；Remote Control；SCM
1.引言
对于狭小和复杂的生活空间，比如学生宿舍，凌乱的实验室等，由于空间小、物品多，因此需要对活动空间加以充分利用，由此造成了物品取用的不便。在未来相当长的一段时间内，随着人口的增长和城市化进程的加速，人们的活动空间将变的越来越狭小，如何实现在狭小和复杂的空间内方便地取放杂物，具有重要的现实意义。
在多种多样的便捷装置设计中，很重要的一部分是搁置架的设计。为此很多人提出了方案：CN200820170976.3公开了一种桌子搁置架，包括桌子和搁置架，其要点在于所述的搁置架上有上夹板和下夹板。上夹板下有上夹板橡胶垫，下夹板上有下夹板橡胶垫。搁置架上的有用于放置物体的搁置袋。该桌子搁置架可以挂在桌子边缘，给人们多一层的放置物品的空间；CN200820170962.1公开了一种学生床搁置架包括背板和盒子，其特征在于背板上有折板，折板是通过背板上的吊板相连接。背板依靠盒子的地方有一凸出钩。盒子上有用于套在背板上的凸出钩上的钩套。这种搁置架还可拆下盒子来用，当搁置架上的盒子拆下之后背板上的凸出钩就可以用来挂衣服或袋子一类的物体了。这种搁置架可以挂在学生床上，便于上铺的学生存放一些物品，避免了上下床取放的繁琐。但目前这种搁置架均是依托于桌子或者床架，无法根据需要灵活的调整位置和高度，因此使用上具有很大的局限性。
基于此，我们设计了一种移动式可升降搁置架，可以通过遥控器来控制其多方向自由移动和升降，即使在上铺也可以方便的在搁置架上取放物品，对寝室空间可以充分利用，为我们的生活提供极大的便利。具有适用性广、灵活性强、安全性高的特点，具有很广阔的应用前景。
图1
2.移动式可升降搁置架
移动式可升降搁置架机构如图1所示，其置物台可以实现空间的三维运动，从而实现物体的方便取用。其升降运动通过电机驱动，经由齿轮减速器，使推杆旋转，带动置物台上升或下降。为了保证升降的稳定性，在置物架四角的位置安装了可伸缩的导向杆。在导杆上装有限位开关，保证升降的安全性。
搁置架的底座采用两轮驱动方式，通过两个直流电机同速转动实现水平直线运动，通过两个电机的差动实现转向运动。其运动轨迹通过遥控方式实现。
图2
当需要取用杂物时，通过遥控器按钮控制机构启动，通过方向遥控控制按钮控制装置的水平运动，通过遥控升降按钮控制升降运动，使置物架行驶到指定位置，从而方便杂物的取放。当不需要时，则通过遥控操作使其回到空闲的角落里，从而保证空间的整洁。
3.机构设计与选型
电机的选型与优化：
根据搁置架的总体重量和其最大的载物量（5KG）为20KG，根据地面的摩擦系数为0.2，F=μmg=0.2x20x10N=40N。
考虑到搁置架在转向时，只有一个电机带动搁置架，因此每个电机所承受的最大扭矩为：
TL=FxR=40x0.05=2N·m（轮子的直径为10CM）
查资料得：电动机的传动效率为0.8。
TM=TL/0.8=2/0.8=2.5N·m
因此，电动机输出转矩为3N·m。
电源选用的是24v直流电瓶供电，所以选择输出转矩为3N·m的30W直流电动机。故电动机型号为07SGN。
减速器的选择与设计：
考虑到实际搁置架的移动速度不需要太大，故选择每个轮子的转速为60r/min。再根据所选电动机的转速为1800r/min，因此减速器齿轮箱的传动比为：
i=60/1800=1/30
因此选择减速器的传动比为1：30。
电推杆的选择：
搁置架的最大载荷为5KG，上板面重量为2KG，考虑到在上升过程中的各种因素，电推杆的推力不小于70N，且行程为1m，24V直流。故我们选择电推杆的型号为TG-300B。
伸缩杆的设计：
考虑到上板面的稳定性，在上板面的四角处，分别安装了1个伸缩杆，且最大行程大于电推杆的最大行程。故其最大长度为120CM。因为伸缩杆只起到保持稳定性和导向作用，故其直径的选择对总体的设计无影响，所以定直径为5CM。
4.移动式可升降搁置架的电路控制设计
本装置采用51单片机作为驱动核心，通过无线电遥控操作实现运动控制。其系统流程图如图3所示。
图3 系统流程图
其中，无线控制器选用MX-YK12X-12型号的，其参数规格如下。 工作电压 12V，24V（可选）
静态工作电流 ≤6mA
工作温度 -40度-+80度
接收灵敏度 ≥105dBm
工作频率 315MHz 433MHz
输出电压 交、直可选
输出电流 ≤10A
单片机选用MC9S12XS128型号，其参数如下：
该机有16个AD通道，可以配置8、10、12位精度；8路PWM；2路SCI接口；1路SPI接口；1个TIM模块，可以配置8个输入捕捉或输出比较通道；4路周期中断定时器（PIT）通道；1个CAN模块；及其丰富的IO口，方便外部设备的接入。
电机驱动芯片选用L298N型号，其参数如下：
驱动部分端子供电范围Vs +5V～+35V
驱动部分峰值电流Io 2A
逻辑部分端子供电范围Vss +5V～+7V
逻辑部分工作电流范围 0～36mA
控制信号输入电压范围 低电平：-0.3V≤Vin≤1.5V
高电平：2.3V≤Vin≤Vss
使能信号输入电压范围 低电平：-0.3≤Vin≤1.5V（控制信号无效）
高电平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信号有效）
最大功耗 20W（温度T=75℃时）
存储温度 -25℃～+130℃
控制原理图如图4所示：
图4 控制原理图
我们采用的是12路遥控器，通过遥控器上的按键控制接收器上继电器端口的开关，从而把信号传输到芯片控制，进一步把信号传到电机驱动器上，进而实现电动机的开与关。
5.总结
本文介绍了一种室内移动式可升降搁置架，通过无线遥控控制电动机的正反转，实现了搁置架的水平方向（前进、后退及转向）的移动，采用电推杆的伸缩移动，实现了搁置架的上下移动。该机构有利于在多人宿舍等方便远距离取物和搁置物品，达到智能化遥控操作搁置架移动和升降取物及搁置的效果，为我们的生活提供极大的便利，适用性广、灵活性强、安全性高的特点，具有很广阔的应用前景。在电路控制和外观设计等方面还需改进和进一步研究。
参考文献
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计（第7版）[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2]濮良贵.机械零件（第4版）[M].北京：高等教育出版社，1982.
[3]吴金成.8051单片机实践与应用[M].清华大学出版社，2002.
[4]何立民.单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社，2002.
[5]李鸿.单片机原理及应用[M].湖南大学出版社，2004.
基金项目：本项目来自上海大学生科创项目（项目编号：2011SCX28）。
作者简介：
赵吻吻（1989—），男，安徽阜阳人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。
金广（1992—），男，安徽合肥人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。
周佳伟（1991—），男，上海人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。
黄嘉渊（1992—），男，上海人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。
郝连波（1991—），男，内蒙古赤峰人，大学本科，现就读于上海电机学院机械制造及其自动化专业。