爬樓梯小車的設(shè)備結(jié)構(gòu)控制及優(yōu)點(diǎn)

石小磊 楊慧雯 安鵬悅 劉學(xué)帥

摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，許多難以解決的問(wèn)題都被科學(xué)技術(shù)所解決。例如：由于空間的限制，地鐵站，學(xué)生宿舍，教學(xué)樓等公共區(qū)域，不能開(kāi)設(shè)?零售超市來(lái)滿足人們的日常購(gòu)物需求，由此自動(dòng)售賣機(jī)誕生了，它的誕生給人們提供了極大的便利，同時(shí)也節(jié)省了人工和空間;騎車出行是一種環(huán)保的出?行方式，同時(shí)也可以鍛煉身體，但當(dāng)我們離開(kāi)自行車時(shí)，停放卻變成了難題，還要時(shí)刻上鎖，忘記鎖還要擔(dān)著被偷走的風(fēng)險(xiǎn)，由此在 2014 年的時(shí)候 ofo 的?小黃車誕生了，也就是我們所熟知的共享單車，它的出現(xiàn)極大方便了人們的出行。爬樓梯在我們?nèi)粘Ｉ钪惺遣豢杀苊獾?，并且隨著我國(guó)老舊小區(qū)的增多，而這些小區(qū)大多都是無(wú)電梯的，而且在這里生活的大多數(shù)都是老人，上樓下樓卻成了難題，但爬樓梯時(shí)膝蓋承受的壓力是體重的 3～4 倍，這無(wú)疑對(duì)膝蓋巨?大的創(chuàng)傷，更何況是負(fù)重爬樓梯。由此爬樓梯小車，出現(xiàn)在人們的視野里。

關(guān)鍵詞：爬樓梯小車;結(jié)構(gòu);有點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前，全國(guó)各類殘疾人總數(shù)已達(dá) 8500 萬(wàn) 60 歲以上 老年人口已經(jīng)達(dá)到 2.3 億。其中一些殘疾人可能是腿部癱瘓或者截肢，而 讓這些殘疾人獨(dú)自爬樓梯幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的，但可以在輪椅上加裝一個(gè) 類似于爬樓梯的裝置，加以手柄控制方向，這樣就可以輕松的上下樓梯;大多數(shù)老人住的一般都是老舊小區(qū)，需要爬樓梯來(lái)進(jìn)入自己的住所。而且 這些老人的子女一般都不在身邊，隨著年齡的增長(zhǎng)骨骼韌性下降，并且骨 骼萬(wàn)一受到創(chuàng)傷會(huì)用很長(zhǎng)的時(shí)間去恢復(fù)，身體一旦失去平衡使骨骼受到創(chuàng) 傷，后果不堪設(shè)想。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)、社會(huì)的進(jìn)步，百姓生活的改 善，這類人群的行動(dòng)不便，越來(lái)越受到全社會(huì)的關(guān)注。

一、爬樓梯小車的設(shè)備結(jié)構(gòu)

采用輕量化材質(zhì)鋁合金，結(jié)構(gòu)方面采用框架結(jié)構(gòu)，減輕自身重量，同 時(shí)還要做到提升承載能力。在人手拉桿處套入一個(gè)橡膠皮套，防止貨物因 手滑而脫落，同時(shí)也防止手被磨傷。增加托板，在爬行時(shí)可以使物體直立 于上面，還需要增加擋板，防止其在爬樓梯的過(guò)程中貨物滾落，使其結(jié)構(gòu) 既可在實(shí)現(xiàn)水平路上助力行走，又可實(shí)現(xiàn)助力爬樓梯行走。這樣可以方便 人們?cè)谄降睾蜆翘葜g自由切換，提高了其工作效率。

1.1 行走機(jī)構(gòu)方面

采用行星輪設(shè)計(jì)，在不同的環(huán)境路段自動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩種輸出模式的調(diào)節(jié)，從而 做到所需不同力矩的輸出，使能量使用率得到提升。減少了其電能的損耗。通 過(guò)手柄來(lái)控制爬樓梯小車的運(yùn)動(dòng)速度和方向，是人們使用起來(lái)更加的方便，使 其更好的被人們操控。動(dòng)力輸出方面：一方面依托人力完成，另一方面依靠電 動(dòng)機(jī)補(bǔ)充動(dòng)力進(jìn)行助力行走。這很大程度減小了人上樓膝蓋所承受的壓力。

1.2 控制模塊

爬樓梯小車選用 Arduino 單片機(jī)控制，Arduino 是一種開(kāi)發(fā)工具軟件，不是一種芯片，也不是一種電路板。它可以支持很多種處理器芯片的開(kāi)發(fā)，內(nèi)部有很多庫(kù)，軟件和硬件開(kāi)發(fā)方式具有很明顯的搭積木方式，開(kāi)發(fā)應(yīng)用，簡(jiǎn)單、方便、快捷。Arduino 是平臺(tái) Arduino 只是一個(gè)用 java 和 gnu 實(shí)現(xiàn)的、 開(kāi)源的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)源于藝術(shù)愛(ài)好者做的 Processing 軟件開(kāi)發(fā)工具。它?可以支持多種 MCU，但是當(dāng)前只是支持有限的 MCU，現(xiàn)在支持的也不少了。

二、編程語(yǔ)言

Arduino 采用匯編、C 和 C++混合編程，采用成熟的開(kāi)源 gcc 來(lái)編譯。

2.1 應(yīng)用

Arduino 主要用于前端的無(wú)操作系統(tǒng)、以實(shí)時(shí)控制為主的環(huán)境，如機(jī)器人前端控制，四軸飛行器前端控制，3D 打印機(jī)前端控制等。對(duì)簡(jiǎn)單的控制 系統(tǒng)，只用 Arduino 開(kāi)發(fā)就可以了。在控制策略上，基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型 的電壓頻率控制方法和開(kāi)環(huán)磁通軌跡控制方法都難以達(dá)到良好的伺服特 性，當(dāng)前普遍應(yīng)用的是基于永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量控制方法，這是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的核心控制方法。雖然人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高控制特性和 穩(wěn)定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等理論，還有不依賴數(shù)學(xué)模型的模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制方法，但是大多在矢量 控制的基礎(chǔ)上附加應(yīng)用這些控制方法。

2.2 動(dòng)力方面

我們選用交流式伺服電機(jī)（伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控 制的 U/V/W 三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自 帶的編碼器反饋信過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)置空擋，前進(jìn)，后退三個(gè)擋位，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 于產(chǎn)品的控制。

結(jié)束語(yǔ)：

爬樓梯助力小車主要的受眾人群為老居民樓的老年用戶，既要輕便也 要安全，并且在控制方面要簡(jiǎn)單，隨著我國(guó)老齡化，受眾人群也越多。雖 然現(xiàn)在大部分小區(qū)都裝備了電梯，但一些幾十年前的老舊小區(qū)并沒(méi)有加裝 電梯，并且這些小區(qū)樓梯的高度較高，老年或身體不方便的人群難以攀爬，除此之外居住很多老人的老舊小區(qū)加裝電梯實(shí)行也非常困難，樓層底的住 戶不需要電梯或者對(duì)電梯需求少，不愿意出這份錢去建造電梯，而且有的 住戶認(rèn)為建造電梯還會(huì)影響其屋內(nèi)的采光，不同樓層的住戶意見(jiàn)不統(tǒng)一，難以全面實(shí)行其老舊小區(qū)的電梯全面安裝。而且審批復(fù)雜、破壞房屋結(jié)構(gòu) 等也成為主要“攔路虎”。在加裝電梯難度大，爬樓梯小車造價(jià)又高的情況 下，可以采用”共享”爬樓梯小車的方法去解決這一問(wèn)題。

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本文系：2021 年校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《爬樓梯助力小車》，項(xiàng)目編號(hào)：2021193208019