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S115】多级履带爬坡车

图文展示3264(1)

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副标题

作品说明

      本项目作品以实际的轮胎为例,对普通的履带进行改进,在原有的基础上加上一个可自由改变角度的舵机对额外履带进行操作,使得小车爬坡更加方便。同时在该车型上方加上一个多自由度的机械手臂,使其可以进行抓取等操作。可谓是集多功能于一体,极大地改变的原有工程车的工作方式,且该系统各个子模块改装简单,易于操作,易于维护。本项目通过最终理想解的理想化最终结果和达到理想障碍从而得出给该系统设置手动开关等技术方案;通过技术矛盾、物场分析、九屏幕分析和新资源分析得到更多的解决方案。本作品是通过手动调节档位,控制履带角度,使得履带处于一个合适的角度,来更清楚的表述系统的作用,以达到爬坡抓取的目的。

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

作品说明

多级履带爬坡车作品实物图

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

      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:

系统总体组成原理图

系统结构图

2.2 存在的主要问题

      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。

      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

      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

      由于履带规格固定,体积方面不能有所缩小。

      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

3.2 系统完备性原则

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

3.4.2 系统机构矩阵

3.4.3 相互作用分析

3.4.4 功能列表

3.4.5 功能模型

通过功能分析以及九屏幕法分析可得缺陷列表:

      多级履带的连接之间常常会因为摩擦而损坏履带。

      舵机的承重能力需要多次测试。

      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。

      履带与履带之间会出现摩擦起热现象。

      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,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 -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

方案

消除矛盾

产生新危害

成本

复杂性

可行性

总分

排名

1

1

2

2

2

1

8
3
2

1

1

2

2

1

7
4
3

1

2

2

2

1

8

2

4

2

2

1

2

2

9
1
5

1

1

1

1

1

5
11
6

1

2

1

1

2

7
5
7

2

2

1

1

17
6
81

2

1

2

1

7
7
9111

2

169
10111

2

2

7
8
11111

2

16
10



5.3 最终确定方案

      通过方案评价,最终本项目确定方案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。

* 本项目未获得作者开源授权,无法提供资料下载

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