作者：樊烨 任宇 李蓬宇 徐海涛

单位：黑河学院

指导老师：于光华 李岩

1. 项目概述

1.1 项目来源

      随着社会的发展，我国工程项目越来越多，工程车的使用也随之越来越频繁。难免会遇到山坡开采以及爬坡等问题，对于目前普遍的工程车而言，山坡开采会有所问题，可能我们会采用其他方试进行开采，但是资金等其他方面的负担可定会有所加重。而且对于山坡开采，器材的安放比较复杂并且转移比较困难，爬坡更是难上加难。于此，工程效率就会变得更低，人力的消耗变的庞大。节省人力资源，以及提高工程效率，促进国家的发展对我们来非常重要。

1.2 项目描述

      目前在工程车的使用上爬坡问题不能最优化的解决，并且机械手臂的自由度有待提高。对于爬坡问题人们当前使用的方法为使用机械臂作为支撑，通过抬起车子底盘来达到爬坡功能。此方法确实可行，但是极大地缩短了机械臂的寿命，而且危险系数极大，对工作人员的要求较高，效果不明显。

1.3 技术参数

      使用多级履带来代替传统的履带，同时履带可手动控制调节角度，用来适应不同角度的斜坡。用多自由度舵机组成的机械臂代替传统的机械臂，增加机械臂的灵活度。

2. 问题分析

2.1 工作原理

      由Arduino控制板对多级履带进行控制，通过轮滑开关来调节履带角度，再用锁存器对当前履带角度进行锁存，之后该车即可进行正常行驶。通过Arduino控制板对舵机发送模拟信号，当舵机接收到信号时，会进行升降操作，在操作的同时，操作间内会有一个LED显示屏，用来显示当前舵机角度，让工作人员能够清楚地看到履带的变化。系统组成原理图和系统实验阶段实物图如下所示：

2.2 存在的主要问题

      ① 使用多级履带轮胎，必然会使车子的体积稍微变大，自身的重量也会增加。

      ② 以目前设计并没有达到真正的自主控制--遇到斜坡时不能自主调节履带，还需人工调节。

      ③ 爬坡时可能不会一次到位，需要工作人员多次操作。

2.3 限制条件

      ① 由于履带规格固定，体积方面不能有所缩小。

      ② 由于履带的升降频率比较高，履带的寿命大大降低。

2.4 目前解决方案

      采用质量较好的履带，并且购买精度较高的舵机。

3. 系统分析

3.1 九屏幕图

      经过问题分析本项目得到了一些问题解决的思路。对于工程车爬坡问题，想要改变土地的结果是不太现实的，所以说我们只能通过分析工程车的变化，在原有的基础上加以改进，使得更加容易上坡。为了更全面认识问题，寻找解题方向，查找可用资源，用九屏图进行分析，因其他外围组件（机械臂、电机等）不适合改变，我们将其置于超系统，而将重点放在履带改造上，依次确定当前系统为现有工程车，未来系统为多级履带工程车，分析如下图所示：

3.3 资源分析

      以下是挖掘机系统、系统的超系统、系统的子系统的资源分析。

F1：舵机旋转的动能可以转换为电能，虽然微弱，只需收集起来仅供舵机本身使用。

F2：将当前系统的子系统的轮胎加以改造，加上舵机使得履带能够可控升降。

3.4 功能分析

3.4.1 组件分析

通过功能分析以及九屏幕法分析可得缺陷列表：

      ① 多级履带的连接之间常常会因为摩擦而损坏履带。

      ② 舵机的承重能力需要多次测试。

      ③ 使用舵机对履带进行分层控制时，使用自身电源太过浪费，需要新能源来代替。

      ④ 履带与履带之间会出现摩擦起热现象。

      ⑤ 要考虑履带的抓引力，毕竟使用在工程队中。

4. 运用工具解决问题

      工具（可能用到的工具有：最终理想解、技术矛盾、物理矛盾、物-场分析、ARIZ算法等）

4.1 因果分析

提出技术解决方案：

      F1：使用多级履带来调节履带的弯曲。

      F2：使用多级履带来增大履带的长度。

      F3：使用舵机来控制履带的升降。

4.2 最终理想解

提出技术解决方案：

      F1：可以将履带分级处理，提高履带的工作效率。

      F2：可以在履带处装上水平仪来感知斜坡。

4.3 物理矛盾

4.3.1 物理矛盾：履带的厚度

采用空间分离：发明原理 3 局部质量改善法、 1 分割法 、 2 提取法

提出技术解决方案：

      F1：通过发明原理 3 分析得，两级履带采用不同种履带。

      F2：通过发明原理 1 分割法分析可知，可以将履带设置为可拆卸，当使用时装上即可。

      F3：通过分析发明原理 7 提取法可得，减少履带片的个数来降低履带的重量。

4.3.2 技术矛盾：采用履带片的光滑程度

      确定要解决的技术矛盾为表一，它发生在（履带）与（履带）之间，发生在（爬坡）的时候。

问题模型--对应的 39 个通用工程参数

      改善的参数：可靠性

      恶化的参数：摩擦力

解决方案模型

      对应查看矛盾矩阵表所得的参考创新原理为：

      3 局部质量原理 8 质量补偿原理 40 复合材料原理

提出技术解决方案：

      F1：3局部质量原理：降低光滑程度，让其在最有利的条件下运行。

      F2：8 质量补偿原理：可以结合气体进行减少履带的质量。

4.4 物-场分析

      F1：将原来的电机控制履带变为电机和舵机控制履带，可有效提高爬坡效率。

      F2：引入一个新的场:太阳能，通过太阳能发电减少损耗。

5. 技术方案整理与评价

5.1 全部技术方案及评价

      方案1：在车尾部装载可伸缩支架，当车子需要上坡时做支撑。

      方案2：将车身与轮子的间距增大。

      方案3：在车头增加支架，当上坡时，支架将车身抬起，后面能够继续前行，当车头到达坡顶时，支架收起，后面继续前行达到上坡。

      方案4：将履带分为两个部分，可以在爬坡时借助履带的力量，将车身托起，并且抬高车身高度，使车子爬坡更加容易。

      方案5：在车子后方放两个铁块，当车子需要爬坡时，将铁块拿出放在斜坡上，使得车子较容易爬上。

      方案6：在履带下方装有铁钉，增大工程车的抓地能力。

      方案7：增大电机的功率，使得上坡的时候更加有力。

      方案8：在车子后方加入两个功率较大的电机，上坡时给车子增加推力。

      方案9：在中控处添加语音功能，通过语音操作来控制爬坡。

      方案10：在中控处添加led显示器，通过显示器向操作人员显示当前的坡度以及多级角度。

      方案11：在履带处装有摄像头，实时传输上坡情况，共操作人员了解。

5.2 方案评价

5.3 最终确定方案

      通过方案评价，最终本项目确定为方案4，达到效果最优，设计一款舵机控制的多级履带爬坡车，通过舵机控制履带的升降来控制履带爬坡。