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带有伸缩式第三轮和动态平衡机构的自动两轮叉车的设计
摘要
无论其规模如何，物料搬运设备都是行业的组成部分。物料搬运设备行业根据行业的特定要求提供各种产品。本文提到了起重能力为4000磅的两轮叉车的设计。（1814.37kg），最大高度为7m。该叉车的总长度为1.7m，以便在小于2.1m的狭窄过道空间中舒自由操纵。借助创新的机械平衡机制，为狭窄的过道中设计出叉车提供了可能。
关键词：动态传递；回缩机制；传感器；执行器
简介
物料搬运设备可根据所需的处理能力大致分为两种类型---单位负荷处理和大宗货物装卸。单位负荷处理由以下设备来完成，如叉车，剪叉式升降机，货物升降机，起重和放置机器人，步进梁式起重机，起重机，滚筒式运输机，起重，手推车，皮带输送机，斗式提升机，堆取料机，轮式装载机，螺旋输送机和抓斗起重机等。
当今，物料搬运行业中最常见的做法是用提高自动化水平来提高效率，从而提高生产率并最大限度地提高安全性。当今可用的设备在安全性，准确性，质量等方面都非常优越，并且使用电子传感器，执行器和逆变器可确保安全性，减少人为干扰。为了适应在不断缩小的过道空间中使用叉车的需求，以使仓库更小，我们开发了一种可以轻松在狭窄过道中移动的叉车（通常过道空间约为1.7m）。在当前情况下，狭窄过道的尺寸为1.9m过道空间。因此，这辆叉车可以轻松在当前狭窄的过道运行，但在不久的将来也可以轻松地移动到较小尺寸的过道中。本文着重于使这种具有动态质量转移的第三轮机构缩回的概念的机构，从而减少了现有叉车的总长和宽度。
文献评论
叉车制造的当前趋势是提供了四轮和三轮叉车，其方式从使用传统燃料源转变为电动操作，并配备了先进的自动化技术。然而，两轮叉车的早期设计起重能力很低，需要手动进行动作。经过了较大的研究和审查，可以改进三轮和四轮叉车。
关于设计优化和产品分析[1]和叉车的动态仿真[2]的主题，有很多研究论文。为了举起不规则表面的负载，叉的单个运动是通过气动促动实现的[3]。在任何叉车中，关键的操作之一就是在设计了液压系统的高处举起重物[4]。关于安全标准的一些主要发现是主动稳定性系统（SAS）的开发，该系统是由丰田工程师设计的，它利用一系列传感器来检测不稳定性，以避免在其运行过程中倾翻。为了检查叉车的安全性，进行了各种测试，以确保符合国际标准[5]的要求。为了确保叉车的稳定性，叉车的中心必须始终位于稳定性三角形内。稳定性三角形由枢轴和后轮轴的中心组成。枢轴是连接叉车两个前轮中心的直线。[5]
通过分析该领域的现有文献，我们得出结论，现在缺乏关于有效的可操纵性的优化尺寸以及通过设计平衡机制来确保高速安全性有关的研究。因此，我们设计了带有第三轮缩回的平衡机构，以进行动态质量传递。
机构平衡设计
本文致力于开发可伸缩的第三轮机构。自从整个叉车设计以来，它是确保稳定性的最关键组件。需要一个非常敏捷和快速的响应机制来在所有操作条件下动态地平衡叉车。同样，为了提高可操纵性和提高操作速度，我们决定制造两轮叉车。但是，由于无法达到满载条件下的可装载性，因此我们决定包括一个可伸缩的第三轮，该第三轮将在叉车装载时形成稳定三角形的底面。
标准狭窄过道空间的大小为2.1m，因此叉车每侧从叉架端到后轮胎的间隙大约为0.15m。使用标准的工业卡车协会（ITA）叉，机构的可用空间为0.580m，因此在7m（23英尺）的举升高度上举起1814.4kg（4000 lbs）的负载时，所需的载荷为2000 kg 。
该伸缩式第三轮机构的一些主要组件如下：
（1）下落元件（2）伸缩轮（3）齿轮齿条。
框架截面参数计算
将其视为UDL的悬臂，载荷质量 M=1200 kg即将2400公斤分为2条，考虑材料为50C4钢
建立弯矩方程
式中，，
代入数据后可得到横截面积为30mmtimes;50mm。
滚子的计算
考虑使用三个滚子：钢50C4的负载质量= 800千克
式中，，
代入数据后可得到直径为46mm。
齿轮齿条的计算
所需速度为1.3m/s ，m = 50kg，功率为52.25W
我们得到模数为4，小齿轮直径为68 mm，所需齿条长度为260 mm。
通过传感器和执行器增强机构
将需要各种类型的传感器来执行缩回运动以将缩回的第三个轮胎精确地放置在正确的位置。放置在前叉表面的称重传感器可帮助我们测量放置在前叉上的载荷。该测量至关重要，因为保持叉车的稳定性的载荷运动取决于测力传感器测得的重量。但是，即使在称重传感器未进入图像之前，接近传感器也将整辆车引导到所需位置，以使货叉与托盘开口完全对准（图1）。
高精度称重传感器可以精确地获得所需的输出电压，如下图所示（图2）对其进行了进一步处理。
图1 用于回缩第三轮运动的齿条齿轮机构
图2 接近传感器工作流程图
工况说明
工况1
最初，静重距轴心的距离为213.5毫米。因此，在空载条件下，载荷和后平台提供的扭矩足以抵消重心在枢轴前方的重量，即，货叉和桅杆一部分的重量。此时，由于货叉上没有负载，因此载荷保持在其初始位置。
当所装载的重心距其杆面的距离为1228毫米时（前叉长度为1028毫米 200毫米间隙），IR传感器将致动电动机，以将缩回的第三个车轮从其初始位置移动到最终位置。第三齿轮的这种缩回运动可以通过在齿条和小齿轮组件的帮助下将被动的马达轴的旋转运动转换为线性运动来实现。
在同一时间（假设叉车速度达到15km/h，则为0.2757），下降的平台旋转了90°角，就与平台的另一半对齐，以形成一个完全水平的表面，在该表面上可以移动载荷。到此为止（0.2757s），叉车已经向前移动，并且叉车就位以抬起负载。
工况2
当货叉即将与货盘表面接触时，此时的称重传感器将货叉放置在货叉表面上，以感测负载，并相应地驱动马达驱动器为载荷提供所需的运动，以使其根据提升的重量平移。
载荷在辊子组件上移动的距离是要举起的质量的函数。这两个数量成正比。要举起的负载的重量越大，载荷必须行进的距离就越大。
工况3
当叉架将负载提升到特定高度时，重心（C.G.）会向上移动，并且更有可能移动到底部稳定的三角形以外，并逐渐收回到负载C.G的垂直高度3092mm。因此，为了补偿C.G.的这种变化，需要相应地设置载荷的位置.
工况4
此时，货叉已将货物放在货架上，并且即将失去与托盘的接触。称重传感器向各种电动机提供反馈，以使质量块返回其初始位置。在完成此任务之后，将输入信号输入电动机，以使回退轮到达其初始位置，并且下降平台沿其初次旋转的相反方向旋转90°。
结果
在叉车处于最高负载区域的最高工况下，叉车处于最高位置时的仿真结果表明C.G.处于可举升三角形内，因此叉车在所有情况下均能保持稳定。此外，电子系统的快速响应通过适当地移动载荷来提供叉车所需的平衡重，从而确保叉车保持稳定。
总结
因此可以得出结论，认为有可能使叉车比目前的两轮和三轮叉车效率更高。只有在叉车处于装载状态时，伸缩的第三轮才起作用，从而确保在空载状态下的稳定性和敏捷性。因此，在空载条件下，叉车的长度仅为1.7m，是为未来派狭窄通道设计的完美选择。这种叉车不仅减少了空间需求，而且由于其较高的运行速度而节省了非附加值的时间。
未来前景
截至目前，如果由于任何不可预见的情况而无法保持叉车的稳定性，则不会提供动态反馈，因此将来在陀螺仪的帮助下，我们计划实现一种动态反馈机制，该机制将使载荷同时运动一旦从垂直方向观察到一些倾斜。该倾斜将由陀螺仪测量，该陀螺仪用作触发电动机驱动器的输入，该电动机驱动器又将驱动电动机将载荷定位在所需位置。
参考文献
基于Kinect的自动叉车设计
摘要
在工厂中，物料搬运是必要但昂贵的活动。自动机器人技术可以降低成本并从帮助人们从叉车驾驶的繁琐工作中解脱出来。在本文中，我们描述了自动叉车的机电一体化设计和实现。机器人可以感知3D动态世界，并且可以自动地计划其运动，以将物料从来源提升到目标位置。使用Kinect磁头的数据和车轮编码器的读数来构建动态地图，从而使机器人能够避开障碍物并安全地到达目标位置。实验表明，该机器人成功地将货物移动并装载到目标位置。在运动过程中会监视实际的机器人路径以及所需的给定路径。
简介
物料的装卸和运输过程是每个生产地点的关键问题之一，并且对产品成本有很大影响。产品制造场地内的物料流动非常昂贵；因此，寻找有利和灵活的系统的努力仍然非常重要。对更高自治级别的需求很强，并且将大大改变仓库的运作[1，2]。
叉车是通用的物料搬运机器，通常由驾驶员手动操作。对操作员进行叉车方面的培训，使他们了解设备的局限性以及安全有效操作的规则。驾驶叉车的工作需要对驾驶员进行长时间的培训，以确保安全操作。此外，这项工作非常繁琐，不适合人类，因此它是自动化的理想选择。
随着传感器和计算机设备价格的近期下降，一些研究人员意识到，移动机器人技术已经足够成熟，可以在仓库中使用叉车。自动的叉车只需要人类主管的高等级命令，就可以安全地执行需要与未知环境中的人和物体进行交互的任务。这些功能包括在地面和卡车底座上检测和操纵装载的货盘的能力，以及在障碍物之间导航的能力[3，4]。
尽管市场上存在一些产品，但是成本很高，并且仍有开发更易于使用且价格更合理的简单系统的空间 [5]。
在本文中，我们的目标是设计和开发能够自动移动，提起货物并将其移动到目标位置的叉车。它应该能够绘制工作环境并自动移动，或者在需要时允许并要求人工干预。尽管Kinect的使用已在其他应用程序中使用[6，7]，但对于该叉车应用程序来说是新的，并将用于映射机器人环境。
本文的安排如下：下一部分概述了有关构建自动叉车技术的相关工作。然后在第3节中介绍了系统的机电一体化设计。在第4节中介绍了控制系统逻辑和使用该系统的实验，最后在第5节中总结了结论。
研究背景
自动驾驶汽车（AGV）可能是工厂中移动机器人的第一个工业应用。通常，该路径是预先定义的，并且可以是可见的，具有高对比度的表面标记，或者可以像磁带一样不可见。 AGV用作线路跟随机器人，通常在工厂中具有用于避障和在固定位置之间转移物料的传感器。该系统具有有限的自动性，并且在更改路径时尤其不便，特别是在可变的大型生产线中。
AGV的概念与叉车相结合，构成了既具有强大的物料搬运功能又具有AGV的简单自动性的系统。通过用3D扫描仪代替遵循生产线原则的几款产品，甚至具有更大的自动权，都可以实现[8，9]。3D扫描仪使自动式叉车能够感知其周围的环境，绘制地图并以自动的自控方式规划其任务和路径。几家制造商生产自动叉车，我们将讨论如图1所示的三种主要产品：日立，克拉克和CSAIL自动叉车。
日立已成功向韩国工业机械制造商韩华交付了AGV系统。该系统可以处理放置在两个不同高度的专用手推车。此外，它可以旅行而无需遵循任何旅行指南。更改工厂布局时，AVG的行驶路线需要轻松修改。
克拉克斯（Clarks）开发了一种自动叉车，其车身安装在四个车轮上，前叉包括两个脚轮，右后侧包含一个小脚轮。为了实现自动化，对叉车进行了修改，以便安装所有必要的传感器以及用于转向和驱动电机的计算机。有关叉车环境的信息是通过使用视觉，激光测距仪和声纳传感器获得的。
CSAIL是为军事开发的自动机器人叉车。它可以在语音命令的作用下将托盘货物从一个地方移到另一个地方，并最终包装整个室外托盘仓库并将其运输到新的位置。叉车设计用于在非结构性环境（例如室外堆积的土）中运行。它支持双重操作，无论是自主操作还是手动操作[10-12]。
在[13，14]中使用语音或其他图形界面进行了自主叉车界面的设计工作。在[15]中已经描述了几种叉车的协调。
图1 AGV，日立，克拉克斯的自动叉车示例
机电一体化设计
该系统架构如图2所示。机器人通过连接到主机的arduino板传达其数据。Kinect传感器直接与主机通信以发送其视觉测量值。
图2 配备Kinect的自动铲车的系统架构
机构设计
该系统由叉车的可移动基座和包含金属叉的垂直移动机构组成，如图3所示。
基座具有三个轮子，两个前轮和一个后轮。前轮由带减速齿轮箱的直流电动机驱动。差动驱动器被控制以驱动和操纵基座。叉车的概念是将一个提升机构与两个金属叉相连，以离开货物。叉车的尺寸是在室内环境下工作的，因此尺寸选择为可以通过普通门。 基本尺寸如图3所示。 高度为120厘米。
图3 叉车的新型设计及尺寸
传感器与执行器
为了建立3D地图，将Microsoft X-box Kinect连接到叉车，以检测叉车近侧的障碍物。 Kinect的选择是与其他具有全尺寸叉车的作品中使用的流行激光测距仪相比较的，例如hokuyo urg04lx，sick lms200。
激光测距仪相对昂贵，并且其处理和地图维护需要复杂的计算。这也将需要笨重且昂贵的计算设备。几位研究人员指出，可以以可承受的成本和令人满意的分辨率将Kinect用于世界3D扫描[6，7]。
而对于Kinect而言，由于提供了准确的地图且易于使用且需要简单的计算能力。如表1所示，Kinect可以为近距离物体提供良好的分辨率，该分辨率足以满足此应用程序的要求
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