爬樓梯助力小車設(shè)計(jì)研究

石小磊 楊慧雯 安鵬悅 劉學(xué)帥

摘要：樓梯是人造環(huán)境中的最常見(jiàn)的障礙，也是移動(dòng)類小車最難跨越的障礙之一。而且隨著人力成本的加大，運(yùn)送一次需要較大的成本。自人類發(fā)明 工具以來(lái)，在各行各業(yè)中都進(jìn)行了創(chuàng)新與拓展解決問(wèn)題。設(shè)計(jì)一款有利于生活應(yīng)用價(jià)格便宜的爬樓梯小車。

一、爬樓梯裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

國(guó)外對(duì)爬樓梯裝置的研究開始相對(duì)較早，最早的專利是 1892 年美國(guó)人?發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國(guó)紛紛投入此項(xiàng)研究，發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)相對(duì)?比較成熟，且有產(chǎn)品已經(jīng)投入到市場(chǎng)使用。我國(guó)對(duì)此裝置的研究雖然起步?較晚，但近年來(lái)也涌現(xiàn)了很多該方面的專利。主要是履帶式、輪組式、步?行式、復(fù)合類爬樓裝置，各個(gè)結(jié)構(gòu)均有優(yōu)缺點(diǎn)。英國(guó) Baronmead 公司開發(fā)?的一種電動(dòng)輪椅車，底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度是 35?°，上下樓梯速度為每分鐘 15-20 個(gè)臺(tái)階。但由于重量大、運(yùn)動(dòng)不夠靈活、 爬樓時(shí)在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對(duì)樓梯有一定的損壞，且平地使用所?受阻力較大，轉(zhuǎn)彎不方便等限制了在日常生活中的推廣使用。我國(guó)在上世?紀(jì)八十年代對(duì)輪組式爬樓梯裝置已有研究，1987 年專利號(hào) 86210653 的國(guó)家?專利中介紹了一種平地、樓梯運(yùn)行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都用多個(gè)行?星輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞輪軸公轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)上下樓。但輪組式爬樓梯裝置體?積較大，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)張楊設(shè)計(jì)的一種電動(dòng)載物爬?樓梯小車，是以行星輪機(jī)構(gòu)為關(guān)鍵裝置的具備半自動(dòng)爬樓與路行兩種功能?的載物小車，并對(duì)載物小車的爬樓梯機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳遞及結(jié)構(gòu)鏈進(jìn)行設(shè)計(jì)。但在輪子上裝有電機(jī)，對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的輪子需要同步控制。

市場(chǎng)推廣使用中大多數(shù)均為手動(dòng)提拉小車，雖然價(jià)格便宜，但承運(yùn)重 量有限，并對(duì)較重物品的運(yùn)輸需要很大的人力，對(duì)于行程較遠(yuǎn)的運(yùn)輸，非 常的費(fèi)力。同時(shí)也有專用的爬樓梯設(shè)備，但價(jià)格昂貴，體積龐大，不適合 家居使用。并且對(duì)多數(shù)只使用一次的個(gè)人來(lái)說(shuō)，單次購(gòu)買不夠劃算，除了 進(jìn)行重物的搬運(yùn)，在生活中其它方面使用均不方便，增加了使用成本。

二、研究方向

針對(duì)目前人力成本的提高，生活節(jié)奏的加快，生活中所遇到搬運(yùn)重物 爬樓梯上樓的問(wèn)題，方便人們的生活，設(shè)計(jì)一款爬樓梯助力小車，主要內(nèi) 容如下：該可爬樓梯的助力小車，采用行星輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，Arduino 單片機(jī) 控制傳感器與電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的補(bǔ)給，框架式車身結(jié)構(gòu)等。最大承載重量 為 100kg，做好車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);解決水平路上助力行走、生活中樓梯高度 的助力爬行，助力速度為 0.5-2m/s 范圍內(nèi)。

1.小車本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用框架結(jié)構(gòu)，減輕自身重量，同時(shí)要做到 提升承載能力。增加托板，在爬行時(shí)可以使物體直立于上面。使結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)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。

2.行走機(jī)構(gòu)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。

3.動(dòng)力輸出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。

三、爬樓梯助力小車的優(yōu)點(diǎn)

本專業(yè)實(shí)驗(yàn)室具有較全面的加工設(shè)備，基本上可完成整體的加工過(guò)程。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在多年的教學(xué)與實(shí)踐中積累了一定的理論與實(shí)踐能力。完成對(duì)?實(shí)踐環(huán)節(jié)和競(jìng)賽的指導(dǎo)，對(duì)結(jié)構(gòu)和電控專業(yè)知識(shí)具有大量的基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備。查閱文獻(xiàn)資料對(duì)爬樓梯小車的應(yīng)用環(huán)境以及廣泛性進(jìn)行了解，對(duì)產(chǎn)品的外?觀和主要機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)助力控制，組裝?調(diào)試。根據(jù)項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容，制定項(xiàng)目實(shí)施的具體技術(shù)路線如下：①整理資?料，收集爬樓梯小車的行業(yè)背景，發(fā)展現(xiàn)狀。②小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)?進(jìn)行優(yōu)化改造。③行星輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)中心輪、行星機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)?比進(jìn)行計(jì)算。④電動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)助力運(yùn)動(dòng)。⑤開發(fā)控制程序，應(yīng)用?Arduino 單片機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。⑥采用直立機(jī)構(gòu)，可以在爬樓梯?時(shí)使物體直立于車上。行星輪系傳動(dòng)，傳動(dòng)軸與車輪一起構(gòu)成傳動(dòng)系統(tǒng)，縮短傳動(dòng)距離。⑦電動(dòng)助力，可節(jié)省人力成本。

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。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.

結(jié)束語(yǔ)：

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)出的爬樓梯助力小車可以平時(shí)家用，又可以進(jìn)行重物運(yùn)輸 的爬樓梯助力小車，在爬行時(shí)還可以使物體直立于小車上面。解決了運(yùn)送 重物時(shí)省時(shí)省力，設(shè)備在居家生活中可多次使用，價(jià)格便宜等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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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