電動助力載物爬樓小車設計

王彥磊，武建新，朱吉魁，方海旺，陳 濤

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 機械學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古伯邦科技開發(fā)有限公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引 言

在現(xiàn)代生活環(huán)境下，樓房是大多數(shù)人的主要居住場所，隨之而來的是在負重的情況上下爬樓不便。樓梯是人類自我創(chuàng)造環(huán)境中最常見的阻礙行動不利場所。尤其是在一些低層樓房中，又沒有電梯，就一些大件或重件的物品往樓上搬運造成了極大的困擾。

爬樓機器人或爬樓小車是目前自主或輔助爬樓的的主要工具，載物爬樓小車的課題研究主要是解決當前靠人力無法搬運或難以搬運的貨物運送上樓，載物爬樓小車可應用于很多環(huán)境中，有深遠實際應用意義[1]。

1 載物爬樓小車的工作原理

電動助力載物爬樓小車工作結構簡圖如圖1，基于導桿機構的優(yōu)缺點，在研究的過程中，主要采用減速器與四桿機構復合的結構，所研究產(chǎn)品時主要由四桿機構來完成爬升樓梯，以及減速器的調(diào)節(jié)速度和機身本身架構的零活性來滿足使用者的需求。助力小車的擺桿擺動在一定工作空間內(nèi)可以越障，具有較強的上下臺階能力和翻過障礙的優(yōu)良性能[2]。

主要功能是輔助人力運載貨物爬樓，實現(xiàn)在不費力的情況下使重物快速上下樓，其中關鍵技術機構就是一個四桿機構，可以在小車每上一個臺階后由該機構旋轉一周與臺階接觸一次以抬起重物上一臺階。小車平穩(wěn)運行，以保證貨物和人員的安全。

電動助力爬樓小車可分為三種狀態(tài)：爬升樓梯、平地直線人力推行、平地推行轉彎。

圖1 小車結構簡圖

2 載物爬樓小車總體設計方案

2.1 載物爬樓小車的發(fā)展現(xiàn)狀

到目前為止，我國國內(nèi)對助力爬樓小車課題的研究相對國外就要落后了許多。雖然到現(xiàn)在為止有了較多的專利申請和研究成品，但是因為各方面的原因，環(huán)境的不同，質量，重量，樓梯攀升角度的的性能的限制，至今還沒有豐富的產(chǎn)品可供國人購買應用。

2.2 載物爬樓小車的結構設計方案

電動助力載物爬樓小車適用于需要上下樓梯搬運大件貨物，使其可以在沒有在樓梯方便的的樓上爬升搬運貨物。電動助力爬樓機需要一個循環(huán)的支撐系統(tǒng)，可在樓梯上爬升的車架，和可以在平地上推行的一對車輪，電源控制按鈕和手持推行操作握桿上的安裝高度要符合人體工程學[3]。如圖2為載物爬樓小車的裝配圖。

圖2 四桿機構爬樓小車3維裝配圖

電動助力爬樓小車由一個直流電機驅動，由離合器和減速器傳動，保證小車在爬升樓梯時可以平穩(wěn)運行。動力來源是一個可充式等的蓄電電池，電池可取出更換或充電。充電狀態(tài)可以在車架上的指示燈顯示。

主要是通過輔助人力實現(xiàn)樓梯攀爬動作要求，以減輕人力，減少勞動強度，提高上下樓梯搬運貨物的效率以及安全性，需要設計一個安全可靠輔助人力搬運貨物的電動助力爬樓小車。

由直流電機驅動，驅動電機通過離合器，再由減速箱進行減速，減速箱將較低的轉速專遞到給機構傳動系統(tǒng)，由機構傳動系統(tǒng)將輸出轉速傳到執(zhí)行元件，從而實現(xiàn)助力爬樓小車的上下爬樓[4]。如圖3就是爬樓小車設計時的所需要考慮到的幾個部件，圖示的依據(jù)動力傳遞方向來分析設計的，其主要功能是在其執(zhí)行元件部分完成。

圖3 主要功能實現(xiàn)動力路線圖

3 載物爬樓小車的控制傳動系統(tǒng)設計

傳動機構是本次設計過程中的難點也是重點，選用直流電動機，通過離合器空中四桿機構的運作，每轉一周將貨物抬高一個臺階，由于電機轉速抬高，又通過一級減速器降速，使上升速度在2～3 s一個臺階，達到運作平穩(wěn)，操作省力的目的。

如圖4所示為滑塊四桿機構結構簡圖，從電動機出來跟一離合器相連，離合器由操作人手動控制，實現(xiàn)人按下按鈕離合器吸合，通過一級齒輪減速器降速帶動滑塊機構運動，在曲柄旋轉一周將帶動搖桿擺動一次，也就是可是實現(xiàn)搖桿接觸臺階將貨物抬起上升一個臺階，以此循環(huán)，即可完成將貨物運送上樓。

采用導桿機構做為行駛系統(tǒng)的爬樓車輛。該車輛在行駛過程中，可通過導桿支撐地面實現(xiàn)爬樓越障功能。

圖4 小車動力傳動原理簡圖1.直流電機 2.轉離合器 3.減速器 4.擺桿 5.搖桿 6.支撐桿 7.活塞桿

4 結 語

為了考慮到機器的可靠性和經(jīng)濟性，避免在規(guī)定的使用時限內(nèi)失效，要做到定期檢查與維修，保證完成工作任務的前提下正常運行[5]。

因為電動助力載物爬樓小車的負載不是很重、工作轉速低、設計的四桿機構爬樓小車采用的潤滑方式是脂潤滑，其具有好的密封性功能，大大可以避免或減少外部環(huán)境的污染，如灰塵、潮濕的空氣等惡略環(huán)境對軸承以及齒輪嚙合的影響。

參考文獻:

[1] 董愛華,楊富超.輪式機器人爬升性能影響因素的分析研究[J].河南機電高等?？茖W校學報,2009,17(2):15-17.

[2] 喬鳳斌,楊汝清.六輪移動機器人爬樓梯能力分析[J].機器人,2004(4):301-305.

[3] 孫婧民.機械優(yōu)化設計[M].北京，機械工業(yè)出版社,1990.

[4] 金 龍.新型移動機器人的結構設計及性能分析[D].武漢：武漢理工大學,2009.

[5] 馮清秀，鄧星鐘.機電傳動控制[M].第五版.武漢：華中科技大學出版社,2011.