停车机器人设计--泊车系统结构设计.doc

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1、停车机器人设计-泊车系统结构设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械工程王园园 学 号：职 称：160406107370 秦雪梅 副教授 中国珠海二一四年五月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计 诚信承诺书本人承诺：我所提交的毕业论文停车机器人设计-泊车系统设计，是在指导教师的指导下，经独立开展研究取得的成果，本文中有引用他人的观点和材料，均可在文后按顺序列出其参考文献，此论文使用的数据真可靠。承诺人签名： 日期： 年 月 日停车机器人设计-泊车系统设计通过对国内外需求的未来方向的了解和发展进程的了解，本次设计对一个机器人应该具备的功能需求做出确定，并就此在对机器人的车

2、身结构，驱动方式，导航方式，充电方式做出了相关整理和计算，并对相关关键零件做出选型。基于CAD完成了对机器人的二维图结构设计，基于proe完成了对机器人的三维结构设计，并计算各种极端条件下机器人的承受极限，即在满载情况下的最大爬坡角度时所需要的驱动力，计算机器人行进过程中受到的摩擦阻力，和机器人需要克服的最大阻力需求，同时对包括电池的承受能力和续航问题做出说明。基于以上各种基本车架的确定，选择包括各种传感器如位置检测传感器，摄像头，边灯，防触变传感器等附加功能，加装LCD操作面板，自动充电功能等智能化需求的模块。关键词：结构设计 驱动系统 导航选择 智能化 Structure design o

3、f parking systemThrough the understanding of the future direction and development process of domestic and foreign demands, this design determines the functional requirements that an AGV should have, and makes relevant sorting and calculation on the body structure, driving structure, navigation mode

4、and charging mode of AGV, and makes selection of relevant key parts.Based on CAD, the two-dimensional structure design of AGV is completed, based on PROE, the three-dimensional structure design of AGV is completed, and the bearing limit of AGV under various extreme conditions is calculated, that is,

5、 the driving force required for the maximum climbing angle under full load, the friction resistance encountered in the process of AGV travel, and the maximum resistance demand that AGV needs to overcome are calculated.At the same time, the bearing capacity and endurance of the battery are explained.

6、Based on the determination of the above various basic frame, the selection includes various sensors such as position detection sensor, camera, side lamp, anti thixotropic sensor and other additional functions, adding LCD operation panel, automatic charging function and other intelligent modules.Key

7、words: structural design , driving system , Navigation selection , Intelligence.目录1. 绪论51.1. 研究的意义51.2. 国内外的发展概况61.2.1. 国内发展现状：61.2.2. 国外发展现状：71.2.3. 机器人停车机器人发展趋势：81.2.4. 研究目的102. 停车机器人设计方案112.1. 泊车机器人设计113. 泊车机器人的布局123.1. 设计要求123.2. 日常工作和布局说明：133.2.1. 布局说明133.2.2. 日常工作说明154. 车架模块设计154.1. 功能要求：154.1

8、.1. 机器人各面板设计：174.1.2. 车身上板部分：174.1.3. 车身侧板设计：184.1.4. 车后板设计：185. 关键零部件设计195.1. 驱动部分的选择与设计195.2. 蓄电池的选型：215.3. 驱动轮胎的选择：216. 驱动模块设计226.1. 三轮结构226.2. 四轮结构236.3. 六轮结构236.4. 驱动电机的选型和计算246.4.1. 对摩擦阻力的计算：256.4.2. 空气的阻力计算：266.4.3. 爬坡阻力计算：266.4.4. 驱动电机参数计算276.4.5. 转向及减震机构的设计：287. 自动充电设计30参考文献311. 绪论1.1. 研究的意

9、义这篇文章引用智云大数据平台的数据，大数据平台上的汽车保有量显示，一直到2018年的年末为止来说，在中国的汽车保有量的数据是167349763台。得益于经济的发展人民生活水平也在提高，譬如在交通方式上私家车数量近年也在一直增加，外出时的停车位问题开始影响人们出行的便捷。用深圳市交通运输局的数据，数据显示了深圳的停车位和车辆的关系，在2017年4月的时候，深圳在道路外的停车位有191.6万个。可是就现在深圳的汽车保有量就超过了335万辆，目前市内可供停车的位子和居民的汽车比值是0.571。停车困难和难以管控也算是政府工作的大难题，市民对于停车的需求大，但是车位数量不足，效率也不高，以前的停车效率

10、和车位利用率已经解决不了问题了。前几年深圳的人大代表秦钢说：“在深圳高昂的土地成本里，应该问空中要空间，立体才是解决停车麻烦的未来。” 在将来深圳大力支持机械立体车库的建设，用最大程度发挥深圳的空间资源。有一样想法的有深圳市的人大代表谢呼，他的想法是希望深圳快速的将市内停车场，然后接入统一大数据平台，这个平台可以向社会开放，政府可以运用大数据的手段，在解决城市停车这样的问题上更加方便。做到改善和促进停车场的智能化建设的进程，更快的改善停车环境。在以前的方法不能满足要求后，比较智能的泊车机器人开始出现，这几年来慢慢为人所知。在5G时代的慢慢接近生活的时候，物联网这个名词已经进入了大家的生活，譬如

11、2017年无人公交上路，试行工作开始推进，智能泊车机器人被人们重视，怎么样把网络和智能机器人更好一点配合使用，也成为了人们开始想的事情。1.2. 国内外的发展概况1.2.1. 国内发展现状：机器人（Automated Guided Vehicle），名字的意思就是自动导引运输车，一般来看他的叫法和名字一般是机器人机器人或移动机器人。它最早的诞生在50年代，是美国一家物料搬运的研究所。设计的一种无人驾驶卡车的方向，在当时只是一个设计概念。发展的过程一直到了现在，才慢慢因为发展的原因才进入生产生活领域。至于我国内的汽车工业起步本来就晚，在国内的机器人相关的领域发展迅速。到现在已有近20家企业开始做

12、这个智能机器人的实物。有以前做立体车库的企业，也有做工业/物流机器人的企业。比较有代表性的有深圳怡丰，具体它的方案是采用激光导航+梳齿交换技术，是第一个在国内成功研发梳齿型停车机器人和车台板停车机器人。使用梳齿型结合传统梳齿型交换技术的方案，就不在使用车台板，这样做有利于提高运行效率。国内的首个项目当属南京夫子庙地铁P+R停车库，它是国内第一家，真正用机器人停车的项目。一直到现在来讲，我国的很多企业已经开始布局机器人停车机器人领域，名气大的有：海康机器人、昆船智能、深圳怡丰、西子智能、松灵机器人这些。在海康威视的方案里，采用的是仓储机器人上很成熟的方案，使用视觉+惯性双导航技术，来做的海康威视

13、的泊车机器人。海康威视打算，智能泊车机器人和自己的其它项目合作，譬如覆盖停车场管理、出入口、辅助设备、诱导停车这些方案，形成一个完整停车生态闭环系统操作。今日海康威视的停车机器人，已经可以在第三届互联网大会期间落地乌镇投入应用。对西子&极木科技来讲，曾制造过一款基于麦克纳姆轮的机器人停车机器人。这种机器人的方案是采用2台激光+视觉导航的技术，能够实现分体式的机器人小车，这个小车配备4个机械臂来夹持汽车的轮胎；设计上它的底盘是采用小型全向移动功能的麦克纳姆轮，用于机器人实现全向移动，旁边设置了多个万向脚轮帮助承载；从整个机器人来看高度较低，能够胜任从直接进入车底的要求，还可以对汽车做夹持举升和运

14、输的工作。转到传统做工业/物流机器人的企业，这些企业包括云南昆船、沈阳机器人、上海汇聚等，他们占据原始的机器人技术的优势，可以对原有机器人进行结构和功能的改变，这些产品的初代多采用车台板交换方式。在多年前就做立体车库的企业，主要企业譬如航天汇信、青岛茂源等，在这个领域已经有多年的车库应用的经验，到现在他们已经着手开发车台板+机械手结构的机器人。大体来讲，我国国内的机器人研发，主要在这两三年才开始有很多企业去做，做车库的建设周期大都很长，以前人们的市场需求较少等原因，所以很多国内机器人停车机器人，都停留在样机和模型这样的阶段，他们之中大都是车台板方案，基本上没有商业化的应用案例。现在竣工的工程应

15、用案例也很少，报道可以见的的，仅南京夫子庙、乌镇、北京五棵松3处，所有的机器人泊位数量一般没有100个。在宏观的国家政策来看，这些年来，智能化这个话题，一直被政府关注着，提出的包括建设智慧城市的方向，落实到着重于智能制造产业，开始鼓励从事制造业的公司引进智能机器人，慢慢的提升产业的自动化水平，同时看到国内服务机器人利好政策也开始增加，各项原因下技术开始迅猛进步。每一件事都说白了政府对于智慧型城市和智慧化产业的一个重视程度。早在2016年4月的那时，就有国家工信部和发改委还有财政部，一起联合发布过机器人产业发展规划（2016-2020），大体来讲是国家将大力推动工业机器人产业，要慢慢的朝中高端领

16、域发展。在2014年2018年这段时间，国内市场的机器人机器人销量4.7万台，每年的增长速度是55.68%。1.2.2. 国外发展现状：看一些发达国家来讲，本来立车车库和机器人两个专业的起步就很早， 不过对于在机器人和车库的结合的概念，可是最近几年才刚开始兴起的。已经有不少相关的公司开发了不同技术路线的机器人，有不少的停车机器人和自动泊车管理系统配合的方式，在一些特殊地方比如机场、商业区等，慢慢开始了实际的应用。乘客会在出行的时候，在停车网站或APP发出指令，开始约车位和取车的步骤，更加方便和快捷的出行。德国的公司Serva Transport Systems GmbH，以前开发过自动泊车机器

17、人和自动泊车系统，并逐步应用在杜塞尔多夫机场的停车场。数据显示杜塞尔多夫机场的停车场有大约260个停车位，合计有设置6个中转站，包括3个泊车服务机器人。遇到乘客有存放汽车的想法时，只需把汽车停放在中转站就可以了，中转站会用激光扫描器，开始扫描汽车的外形尺寸和轴距这些数据，数据传输给机器人判断；而后机器人根据传回的数据，不断调整叉臂所在的位置，开始把汽车抬起后运送到指定的车位停放。机器人整体的形状是U形，行走舵轮和激光扫描仪等组件安装U形外侧，它的内侧是运载汽车的空间，这个机器人体积很大。这个机器采用夹持轮胎的交换方式，和过往的夹持形式都不一样，机器人采用了4个外形酷似货叉的叉臂，车的前后各1组

18、；每组都能同时夹持汽车的前后轴的2个轮胎，而后通过调整2组叉臂的距离，做到适应不同大小的车辆。法国的初创公司Stanley Robotics研发过Stan停车机器人，搭配的有全自动代客泊车方案。Stan停车机器人具备有将控制系统、行走驱动、电池等体积较大的结构整合的能力，并且会放置在车头，这个车的主体仍采用传统的超薄轮胎夹持臂结构，机器人依然可像传统立体车库，用夹持轮胎式搬运的方法来完成工作，机器人会直接钻入车底检查汽车大小之后抬起车辆。每个Stan停车机器人都可独自管理400个停车位，每年都可以做到运送2000030000辆汽车，应用它的场景可以在室内或室外。到现在已经在法国戴高乐机场投入使

19、用。美国的公司Boomerang，以前开发了一种基于车台板交换技术的机器人停车机器人，附加有自动代客泊车系统。具体方法是乘客将汽车停放到出入口处的车台板上，之后机器人停车机器人进入车台板的底部，开始用顶升机构，把汽车和车台板同时举升，再通过升降机，最后到不同的停车楼层。Crystal Springs Resort，是Boomerang第一个商业运营自动代客泊车系统，所拥有的车位数量是40个。Miami的BrickellHouse项目，合计的车位数多达480个。1.2.3. 机器人停车机器人发展趋势：车辆交换技术传统仓储式立体车库，主要包括车台板、夹持臂、固定梳齿、活动梳齿等，这些车辆交换形式各

20、有好坏。目前的一些机器人停车机器人，还是车台板的形式为主的，类似于这种交换的方式的优点，主要因为技术门槛低非常容易做到，还在实际的使用中效果很好，这些效果在前期快速推广企业品牌，还包括抢占先发市场之中很重要。另外一种在传统机器人的技术积累上，在普通的停车机器人的结构上进行修改，在譬如车体大小、驱动轮组和增加顶升机构这些方面进行整理，还可以增加双剪叉、四剪叉或者齿轮齿条这些部件。车台板交换技术也有缺点，主要是效率低、占用空间大和层高要求高等缺点，现在已经开始了仓储式立体车库种被替换，新的停车机器人登场的趋势，在市场的占有利率较低。和车台板交换技术一样，在立体车库中开始被逐渐代替，今后有很大可能会

21、出现新的更符合时代的产品来继续停车。现在看其他产品的交换方式，依然有很多不如人意的地方：突出的是体积过大、不用于纵向停放车辆；车头的长度不满足，转弯的半径也长，原地转向非常受限于空间，转向的过道空间也大，在场地的适应性就比较差；像怡丰的梳齿型机器人，也需要做到土建配合，在地面上安装悬臂的梳齿架，这就对地面承载能力要求很高；对极木科技的停车机器人来讲，它没有采用常规舵轮驱动，体积就可以做到小一点，在使用能实现全向移动采用小直径的麦克纳姆轮来看，机器人对地面的适应能力也很差，在它的续航能力、轮组寿命和产品可靠性这些参数上，依然有没有实际表现能参照。机器人停车机器人主要面向的工作地点，在城区老旧的停

22、车场改造和新建的停车场中。使用其能做到大幅降低层高的同时基本不需土建改动量，去掉或减少了土建成本，对于拥有的交换高效率的夹持轮胎，还有活动梳齿交换方式是未来的机器人的结构方向。机器人调度及导引技术以前的立体车库使用中，每个巷道内在一个轨道上的搬运器都是较少的，存和取车的规划调度也很简单，这种调度一般是为了做到最小存取车时间而设计的。对于大型的机器人停车场一般有存在多个机器人同时工作的要求，这个时候一般就需要计算最短的存取路线，与此同时避免多个机器人出现行进路线的混乱，还要顾及及时处理充电和故障报警等，警惕到由于其他的临时任务和意外可能造成的判断问题。根源来说机器人控制的算法，决定了系统可调度机

23、器人的数量上限和机器人整体性能的优劣。换个角度来讲的话，在包括了自动循迹、自主导航和定位这些方面，他们是实现机器人 停车机器人的基础功能，作为一种必不可少的重要组成部分。今天的工业机器人 ，已拥有了多种成熟的导航方式，早就形成标准化的导航模块，主要可以概括为磁条导航、磁钉导航、色带导航、二维码导航、惯性导航、激光导航等板块。类似的企业已经在 机器人 调度和引导技术上有了很多的积累，以前的立体车库厂家与之相比后发优势或许多一点。在针对不同项目的车位数量、场地环境和实际使用的场景里，各不相同的解决方案，才能够形成适应多种复杂环境使用和面向高中低不同层次需求的多种工程化应用方案。这样类型的车库在使用

24、搬运器和机器人 停车机器人时，对设备高度的要求也比较多一点，过高的高度会直接影响到车库的建设，在车库的使用便利性，或者土建建设成本上会得不偿失的。同时也有对譬如suv这种大车型的考量，所以机器人 停车机器人的载重和续航能力能适应汽车车型的变化。停车机器人主要受到驱动轮组、车体结构、电池、车辆交换方式的影响，现在国内机器人 的缺点通常都是高度过高的问题，尤其是车台板 机器人。单独在驱动轮组设计的方面来说，它需要满足全向行驶的功能之外，还有满足承载、行驶速度、驱动扭矩与功率各个方面的要求，以前机器人 中经常使用的驱动舵轮，普遍因为高度等因素通常无法直接使用。到现在的不少的机器人停车机器人企业需要自

25、行设计驱动轮组，并保证这些设计能满足低高度、高速度、大功率和全向驱动的实际需求。在满足了机器人的性能和使用需求之后，还有要实现超薄化的车体底盘和车辆交换技术的设计需求，这些都是未来的停车机器人需要改进的步骤。在工业机器人的发展已经经过多年的发展的前提下，对于机器人的市场规模和产业配套设施变的特别广阔了，相关的市场在成熟度和部件设计上已经很成熟了，优胜劣汰的马太效应开始体现。拉出机器人 停车机器人这个市场分支来看，这个市场目前在萌芽状态，还没有整个行业的成熟度高。新的入局到该领域的企业，基本都携带着工业机器人的技术、市场、资源等某些方面的基础优势，来抢占这个新型市场的先机，或许因为这个竞争的大环

26、境会更快的促进行业的发展新的机器人 停车场和以前平面的停车场还有已经发展的立体车库相比，自身便带有更多的天然优势地位，它对现有停车场的建设和运营模式是一种非常好的替代产品。这几年机器人 停车机器人的相关话题每年都在上升，城市发展的需要刺激了市场需求。有更加多的企业放眼在机器人 停车场市场的场景上，先后开始加入机器人 停车机器人的更替当中。1.2.4. 研究目的 和智能机器人相关的产业不断的前行，让更多人们解决问题的眼界变的更具有前瞻性，譬如在解决停车难的问题上，会更加多的考虑到智能化的停车机器人。停车机器人能够更快更准的将汽车运送到汽车停放处，一整个工作环境里不再需要人工的干预，停车机器人也不

27、需为驾驶员，停车位不需预留出入门时所需的空间。全部流程中，全部的工作留给机器人完成停车驱车，可以在狭小的空间，完成对汽车的姿态调整。比汽车转向需要的空间更加小，同一面积停车场的密度也大幅提高，在一样面积的停车场，智能停车场的停车容量可增幅40%。自动泊车机器人，正是通过智能化解决方案的典型，任何一个通过系统调度的单体机器人，都是高效率配置停车位的优良载体。本次目标在于解决智能停车机器人的结构问题，意在解决停车机器人这个载体如何实现的问题。通过计算相关部件的数据，对停车机器人的各项参数的设计，以及对传动方式的选择，譬如在电机和齿轮方面。在进行合理的工业设计下，设计出最合理的停车机器人。2. 停车

28、机器人设计方案2.1. 泊车机器人设计泊车机器人的机械结构设计总共包含3个模块，分别为基础车架模块，驱动模块和充电模块。如图2-1所示：图2-1 泊车机器人机械结构设计方案1. 车架部分的主要功能是承重和承载，因而主要结构由车体承重骨架和轮系结构组成，是机器人运动和工作的基本，因而车架设计尤为重要。2. 驱动部分的主要功能是前进和转向，为机器人提供动力支撑，主要结构包括驱动电机，转向电机，驱动轮和从动轮组成。3. 充电部分是能量储存和电池稳定的机构，主要内容包含充电方式的优化，提高蓄电池的充放电次数。3. 泊车机器人的布局3.1. 设计要求泊车机器人的设计需要考虑到各个部件的所在位置和整体布局

29、，设计之前必须保证每个零部件的使用合理性，以及所需空间的大小，具体的设计布局如图3-1所示：图3-1 泊车机器人的整体布局设计1- 激光检测传感器2-舵轮3-夹持结构预留区域4-主控制箱5-防撞边传感器6-减震轮2- 7-电池箱8-充电装置9-减震舵轮10-平衡装置11-锂电池12-扫描传感器13- LCD显示器14-摄像头15-警示灯16-前灯3.2. 日常工作和布局说明：3.2.1. 布局说明1号位置预留的是激光检测传感器区域，激光检测器的主要存在作用是检测前方障碍，做出及时的回避处理，它预留的位置偏向于侧边，因而主要的任务是在转向的时候检测侧边可能存在的障碍。2号位置是舵轮的区域，由于本

30、次设计是6舵轮全驱动的设计，在设计开始考虑的承重较大，它的作用主要是提供机器人的动力支持和转向需求，同时也作为支撑作用而存在。3号位置是为夹持结构预留的区域，本次设计是采用夹持的方式来进行举升汽车的操作，位置3是为夹持机械臂控制预留的区域，机械臂的臂长部分可直接放置在机器人的上车板。4号位置是主控制箱的区域，芯片和其它控制部件的所在地，图像识别的模块也在此位置，和控制中心连接的区域，内存，控制传感器的区域也在其中。5号位置是防撞边传感器的区域，这个区域遍布了机器人的侧身，防撞边传感器的放置主要基于安全考虑的想法，假想情况是机器人正常工作，有物体撞击了机器人或者机器人承载的车辆，打断了机器人的正

31、常行驶，防撞边传感器存在的作用是在撞击发生后，立即发出指令锁死轮胎，并在一定范围内吸收冲击，规避由于其它传感器的微小失误造成的刮擦。6号是减震轮所在的区域，由于6轮系的设计机器人在爬坡时会出现中间轮胎受力变小或有打滑现象的产生，所以在中间的舵轮上增添了减震装置，主要作用是上坡时依然保证驱动轮的受力均衡，保证车体的稳定。7号是电池组的位置，电池组为全车提供电力保障，它的设计位置靠后是因为后车体传感器较少，前车头的位置更接近传感器，控制箱在前车头可以节省材料和布局难度。8号是自动充电装置的区域，在机器人自检测到电量不足时，机器人主控制箱发出指令向充电桩接近，而充电桩和机器人的距离判断较远时由图像识

32、别和激光检测辨别充电桩，较近时精准测量位置则由自动充电区域的传感器和充电桩完成配对，位置检测无误后自动伸出充电头，完成接触充电。9号也是减震舵轮的区域，和6号减震舵轮的区别在于9号减震轮的作用不是为了上坡时的受力，它的作用主要体现在下坡，机器人在下坡时后轮受到的冲击较大时易产生颠簸，此减震轮的作用是防止下坡的颠簸而设计的。10号是平衡装置设计的区域，主要作用是为检测车体平衡来设计的，此区域包括水平仪等部件，主要用来让机器人自检测自身所处的位置以及所处坡度的大小，当倾斜角度明显超出爬坡角度时，则系统认为机器人突然经受颠覆或其它非正常情况，同样发出指令锁死轮胎。11号是锂电池，单个锂电池的作用主要

33、是提供所需的电力。12号是扫描传感器所在位置，扫描传感器的具体作用是检测即将夹持的车辆的轴距大小，传回检测数据，判断夹持装置所要夹持的位置。13号是LCD屏幕的区域，此区域是可视化界面，用于更改机器人的相关设置，调试机器人的状态，提取机器人的行车日志，以及在机器人锁死的情况下变更指令的区域，是用于人工检测和控制机器人的主要途径。14号是CMOS摄像头区域，此区域的主要作用是拍摄正前方的路面情况，将拍摄的画面传输回视觉处理的主控制箱，用于判断前方情况。15号是警示灯所在区域，此区域的主要作用是发出警示提醒，机器人内部故障，或者机器人检测到自身倾斜时通知控制台并亮起警示灯。16号位置是前灯区域，前

34、灯的作用是在夜晚或者其它照明条件恶劣的条件下，发出灯光照亮前方，从而保证摄像头的正常工作。3.2.2. 日常工作说明机器人的日常工作，接到指令离开无停车工作的停留区域开始停车指令，此时唤醒休眠的内部控制区域，检测自身各项传感器和位置是否正确，摄像头传回正前方路面情况，接受控制台的指令，依照最优路线接近目标车辆，接近车辆之后做减速运动，两侧激光检测传感器分别检测与车辆两侧轮胎的距离，而后慢速行驶至车辆正下方，当激光检测传感器第二次检测到与车轮距离最近时停车，12号扫描传感器开始工作，开始检测车辆的轴距大小，同时夹持装置接收到12号传感器关于轴距大小的信息，接收到1号传感器关于轮胎位置的信息，3号

35、夹持机构开始工作，使用机械臂夹持车辆到机器人车板上并夹紧车辆以固定，此时机器人开始起步加速到最大速度，驶向目标停车区域，同样使用1号激光检测传感器确定目标停车区域，之后3号夹持机构开始卸载车辆，并收回机械臂，返回机器人停放区域。4. 车架模块设计4.1. 功能要求：当前机器人种类众多，适用于社会的各个方向，尤其在电商带动下的物流行业，机器人的应用尤为重要，同时也加快了机器人的技术进步。本文主要方向是探究机器人在停车方面的用途，主要场景是城市智能停车场内，实现对车辆的高效快速准确的搬运。由于作业对象是家用车，所以具体参数需要参考家用车的参数，比如轴距，轮距，车身长度和重量，这些指标确定了机器人的

36、基本参数和性能指标。如下表4.1为德系乘用车分类标准，根据表4.1可设计停车机器人的相关参数，见表4.2.表4.1 德系乘用车的分类标准等级类别轴距/m车长/m排量/L质量/KG轮距/mA00微型2.02.23.33.71.02.84.83.013801.561.62表4.2 停车机器人设计技术参数序号项目指标1名称智能泊车机器人2外形尺寸L4500*W1800*H300(mm)3工作电压48V4额定负载3t5最高时速45m/min6自重8h8蓄电池放电次数500次9爬坡能力5除以上参数外，停车机器人还有其他要求，如前后端设置保险杠，通过位置传感器的位置精确判断，以及接近目标车辆时由匀速转变为

37、减速运动，以及对行进过程中的障碍物检测能力，要求的障碍物探测半径不小于3m，探测范围不小于180，反应时间不大于50ms。并且配备车载显示屏，显示诸如机器人的行驶记录，自检测故障备份，恢复出厂设置，以及电量显示，急停，复位等功能，并配备提示灯。泊车机器人的整体车身如图4-1所示：图4-1 泊车机器人车身4.1.1. 机器人各面板设计：按照机器人的实际操作的需求出发，依次选取不同的位置，加装相应元器件，包括各类传感器和操作面板在内，以下对各元器件的位置布局做出解释，车头位置：车头位置属于机器人的最前方，因而在放置感应传感器和各类传感器有着天然的位置优势，具体的细节布局如下图4-2所示，从左到右依

38、次排布的是：安全触边，激光检测避障传感器，警示灯，摄像头，机器人配置有前灯，起到转向的时候的提示作用，底部边缘也是类似于保险杠的触边，是机器人设计时考虑到的最后一道保障。图4-2 机器人前脸设计4.1.2. 车身上板部分：车身上板部分是承载和工作的主要位置，也是人眼最能直接观测的地方，在靠近前脸的一侧放置可供触碰操作的屏幕，通过触摸屏可以实现对车辆实时信息的检测，以及提取机器人的行车日志，也可以实现对机器人的工作参数的调节，在机器人发生故障时连通前脸的警示灯发光，同时内置扬声器，发出警报。中间放置二维码检测器，用来实时检测停放车辆的停放状态，来达到实时检测车辆的功能。详细的布局如图4-3所示：

39、图4-3 机器人车身上板4.1.3. 车身侧板设计：车身侧面板在靠近电池组的位置设计了充电口便于充电，并且在侧面板加装了防撞面板，用来保护机器人在行进过程中偶然受到的刮擦等伤害，侧面板的详细如图4-4所示：图4-4 车身侧板设计4.1.4. 车后板设计：车后板部分属于检测器和摄像头盲区，此区域承担的功能相对较少，参考汽车尾部的设计，尾部主要排布提示灯等提示后车的元器件，由于机器人整体偏低，加之考虑到节能的因素，所以后板用反光条代替后灯。车后板如下图4-5所示：图4-5 车后板设计5. 关键零部件设计5.1. 驱动部分的选择与设计由于在立体式车库中为了最大化利用空间，停车机器人的活动范围受限，因

40、而机器人必须在有限的空间做灵活的运动的能力。在实现全方位运动的移动机构的场景中，代表主要是差速轮和舵轮。差速驱动轮：它主要包括了两个同位置对应的驱动力，这个设计中驱动轮拥有特有的驱动电机，通过不同电机输出的不同来控制两轮的速度之间的差别来实现转向，驱动部分和车体之间通过可以旋转的承重连接，由于两轮的速度不同让整体偏移，但因为此套模式需求的电机和精度较高，控制也较为复杂，控制过程对操作人员的要求很高。差速轮见图5-1。图5-1 差速驱动轮舵轮驱动：舵轮，是一种同时可以提供动力前进还可以自由转向的轮，依照驱动电机实现前进或后退指令的移动，结构上在车轮上装有转向电机，这让车轮具备回转的能力。运动过程

41、中通过齿轮来传递动力，实现舵轮的全方位运动。在这套配置中，由于驱动电机和转向电机的职责不同，从而极大降低了运动过程中电机配合的控制难度，且使用齿轮的装置适配性强，控制精度也有足够的保障，车体可按照任意方向转动，极大提高了机器人的灵活性。舵轮实物见图5-2。图5-2舵轮综合以上结构，可以发现它们均可以实现机器人全方位移动的功能要求，但由于差速轮控制难度较高，并且这种机构在承载过重时会出现磨损严重的弊端，在重载场景中使用寿命较短，而舵轮在满足机器人的全方位移动的功能要求下，因为不同于差速的电机搭配方案，驱动电机和转向电机分离的模式使得控制变的简单，同时没有明显的短板，所以本课题选择舵轮为此次停车机

42、器人的驱动部件。舵轮三维模型如图5-2。1. 摄像头选型：本次设计选择的机器人小车在行车日志和正常行驶的过程中发挥重要作用的摄像头，摄像头置于机器人前脸，在机器人行驶过程中自动采集地面的标识线做机器人视觉处理后进行下一步的行动，和位置检测传感器搭配使用，可以更好的感知外界的信息。现在市场上常用的摄像头主要是CMOS和CCD摄像头，这两个都可满足机器视觉对于采集图像质量的要求，下文将对两种摄像头的优缺点做比较：CMOS：CMOS摄像头在摄像和成像角度偏差，但因其低廉的价格和广泛的使用致使其在技术方向上不断进步，在低照度和宽动态效果上更是优于CCD，并且所需电压小，有利于机器的散热。CCD：CCD

43、的优点在于成像的质量好，不过因为复杂的工艺，导致了掌握其技术手段的厂商较少，因而价格高昂，还有其在工作的时候需要一定的电压，相比较CMOS体积较大。比较CMOS和CCD之后，结合机器人小车的实际需求出发，在满足机器人的图像采集的基础上，因机器人前脸的摄像头放置区域相对较小，且在考虑尽量节省电力的角度出发，选择小尺寸，价格低廉的CMOS摄像头。CMOS的实物图如图5-3所示：图5-3 CMOS实物图5.2. 蓄电池的选型：本文设计的机器人的工作电压是48V，在蓄电池的选择上采用串联电池的方式来达到机器人工作电压的需求，驱动电机直接连接串联电池组的方式来工作，其它电子元器件要求不同电压工作时，通过

44、相应的电阻或其它电压转换装置来完成供电，基于机器视觉的机器人结构设计和导航算法研究有数据，在泊车机器人正常的工作状态中，其产生的电流大约在10A上下浮动，除此之外，车载显示器和摄像头及其它传感器的使用也会增加用电量，所以正常行驶的机器人总电流在11A左右，一般要求机器人至少工作4个小时，考虑到电池组的有效用电量在80%，则理论计算量要求电池组的容量不小于55Ah，同时电池仓的仓位大小受限，因而在便捷和经济性的基础上，可选择搭配60Ah的蓄电池组来提供电源，实际搭配可如图5-4所示：图5-4蓄电池搭配方式5.3. 驱动轮胎的选择：对于驱动轮的轮胎选择直径为160mm，且厚度在50mm的包胶轮，驱

45、动轮的轮轴心选择碳素钢作为材料，这种实心的轮胎承重能力也较大，并且免于各种繁杂的人工后期维护，在防滑和防水上也有优异的表现。6. 驱动模块设计机器人采用舵轮的驱动部件时，有独立转向和直线前进后退能力。而好的灵活的全方位运动除了合理的驱动部件之外，还必须配套合理的轮系地盘的布局，现在常见的轮系地盘的布局，一般包括了三轮结构，四轮结构以及六轮结构。下文主要针对各种轮系布局的优点和不足的对比，来选择一种更加适合这次设计的轮系地盘结构。6.1. 三轮结构三轮结构在机器人的设计中并不常见，三轮轮系结构的组成优势在于其设计和结构简单，但其缺点过于明显，由于只有三轮，导致其在承重方面有天然的劣势，并且三轮结

46、构的稳定性堪忧，因此经常用在负载较小的场景中。其结构布局如图6-1。图6-1三轮轮系结构布局由上可见在在以舵轮为前轮的布局中，前轮承担了转向和驱动的功能，则前轮需要安装提供转向和前进的电机，前轮的结构必然复杂，结构定然复杂，后轮承担则主要担任承重和稳定的功能。在驱动轮后置，前轮为自由轮的结构中，此种搭配完成转向的手段是调节后轮的速度差，通过差速轮的方式进行转向。而最后一种前轮采用转向的布局，前轮需要一个转向电机连接，后轮是两个驱动轮，是机器人的动力提供源，但会由于差速器的存在提高设计要求。6.2. 四轮结构四轮是常见的轮系结构，在机器人中应用也比较多。其特点是相对于三轮结构，在稳定性和承载能力上都有显著提高，四轮常见的结构布局有全舵轮布局，即