智能樓梯間貨物載運車的設(shè)計與實現(xiàn)

李重陽，赫世敬，米龍閣，劉衛(wèi)通，白軼華，湯吉浩

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國城鎮(zhèn)化水平不斷提升，越來越多的群眾入住中高層建筑。但建筑樓層的增加也給群眾的日常生活帶來了一定的困擾。電梯受空間以及結(jié)構(gòu)限制，基本只能實現(xiàn)人員的進(jìn)出和輕便物品的載運，不能很好地保障重物的載運。若在電梯里放置過重物品，可能就會使電梯出現(xiàn)運行問題，并對人員和貨物的安全造成威脅，因此很多時候只能通過樓梯進(jìn)行人工搬運。在沒有電梯的建筑中，上下樓梯時住戶往往會因攜帶較多物品而感到不便，尤其是重物的搬運會極大地增加工作強(qiáng)度。

1 智能樓梯間貨物載運車總體設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

本產(chǎn)品采用多元化一體式設(shè)計?；谌诵曰嵱没脑瓌t設(shè)計的這款升降式貨物運輸產(chǎn)品，利用剪叉式升降結(jié)構(gòu)確保車身在運輸時始終與地面平行，如圖1所示。為減輕車身重量，車體外殼主要采用ABS塑料，核心承重部件的材料為結(jié)構(gòu)鋼材。車體前后設(shè)有扶手，車上安裝有載物箱。車身設(shè)有分層式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以調(diào)整車體整體高度，如圖2所示。將剪叉式升降結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了載運車一次可上升單層、多層樓梯的功能。本產(chǎn)品主要用于運載尺寸中等、重量小于200kg的貨物或用于運輸餐盤等，利用雙控制系統(tǒng)——單片機(jī)智能控制系統(tǒng)和閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，能顯著提高貨物運輸效率、載運車實用性與自動化程度。既提高了貨物運輸效率，又保證了貨物的安全。

圖1 智能樓梯間貨物載運車內(nèi)部立體圖

1.2 產(chǎn)品組成部分

主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，智能樓梯間貨物載運車的主要組成部分有：立式載物箱、剪叉式升降結(jié)構(gòu)、伸縮式重心輔助腿、獨立轉(zhuǎn)向輪。

圖2 智能樓梯間貨物載運車外觀設(shè)計圖

動力源：蓄電池。

智能識別控制系統(tǒng)：超聲波檢測系統(tǒng)、激光模塊、紅外模塊、STM 32RCT6單片機(jī)主控系統(tǒng)、陀螺儀、攝像頭導(dǎo)航系統(tǒng)。

應(yīng)急處理裝置：雙控制系統(tǒng)設(shè)計——單片機(jī)智能控制系統(tǒng)和閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。

1.3 攀爬樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用剪叉式結(jié)構(gòu)升降原理[1]，結(jié)合滾珠絲杠、齒輪傳動結(jié)構(gòu)，使攀爬腿實現(xiàn)升降。將載運車上方電機(jī)的差速驅(qū)動力傳輸?shù)綕L珠絲杠上，滾珠絲杠與剪叉式結(jié)構(gòu)合理配合，將剪刀撐側(cè)壁間夾角減小，達(dá)到提升的目的，下降與上述相反。由于剪叉式升降作業(yè)平臺的升降高度可任意調(diào)節(jié)，所以載運車既能一次攀爬一節(jié)樓梯也可一次攀爬多節(jié)樓梯。

1.4 重心平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計

在載運車升降過程中，若沒有輔助裝置因重心必定前傾，造成安全問題。為解決載運車在攀爬樓梯過程中，載運車重心位置發(fā)生變化而翻倒，創(chuàng)新性地設(shè)計出伸縮式重心輔助腿機(jī)構(gòu)，巧妙利用絲杠光桿結(jié)構(gòu)，使伸縮式重心輔助腿在攀爬腿提升（下降）時，可以下降（提升），保持載運車重心處于安全的位置，從而解決重心前傾的問題。

1.5 獨立轉(zhuǎn)向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)向輪與載運車整體是相互獨立的，腿部下方的獨立轉(zhuǎn)向輪通過齒輪鏈條傳動使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動90°而載運車整體車身不動，以實現(xiàn)在狹小樓梯處轉(zhuǎn)向。

1.6 動力多級利用結(jié)構(gòu)設(shè)計

載運車上方的大扭矩電機(jī)為載運車提供升降動力，載運車需要升降時，與液壓伸縮桿相連接的錐齒輪在伸縮桿的推動下與電機(jī)相連接的錐齒輪接觸，使下方與剪叉式結(jié)構(gòu)配合的絲杠轉(zhuǎn)動，從而使載運車升降。將鏈條鏈輪固定在剪叉式支撐臂上，解決變距動力傳輸問題，將電機(jī)動力傳輸?shù)捷d運車下方移動輪，為其提供前進(jìn)后退動力，減少電機(jī)數(shù)目，達(dá)到動力多級利用。

2 智能樓梯間貨物載運車智能工作原理

2.1 智能樓梯間貨物載運車工作流程

載運車采用立體式載物箱存放貨物，利用安裝在獨立轉(zhuǎn)向輪上的激光測距模塊來實時檢測載運車與樓梯間的距離，將激光測距模塊的數(shù)據(jù)實時傳輸給控制器（STM 32F103單片機(jī)控制板）[2]來判斷載運車是否進(jìn)行升降操作，激光測距模塊對樓梯間距離測量的準(zhǔn)確率達(dá)毫米級別。同時利用伸縮式重心輔助腿的降升來穩(wěn)定載運車重心。此時平衡儀（MPU6050陀螺儀）將載運車的水平度實時傳給單片機(jī)控制器，控制器判斷是否進(jìn)行平衡調(diào)整，陀螺儀調(diào)整載運車傾斜成功率達(dá)99%以上?？紤]到樓梯轉(zhuǎn)彎處比較狹窄，本團(tuán)隊采用獨立轉(zhuǎn)向輪設(shè)計，在轉(zhuǎn)彎過程中，轉(zhuǎn)向輪進(jìn)行90°轉(zhuǎn)向，但載運車整體車身保持不動，從而實現(xiàn)載運車在狹窄空間處穩(wěn)定轉(zhuǎn)向的功能。為了減少電機(jī)的使用，本團(tuán)隊將鏈輪鏈條附著在剪刀撐側(cè)壁，使剪叉式升降結(jié)構(gòu)的動力傳輸給獨立轉(zhuǎn)向輪，從而實現(xiàn)變距動力傳輸，不僅減輕了載運車的重量，而且降低了控制的難度。工作流程如圖3所示。

圖3 智能樓梯間貨物載運車工作流程圖

2.2 激光測距流程

激光測距模塊使用脈沖法測量距離[3]，測距儀發(fā)射出的激光脈沖被測量物體反射后又被測距儀接收，測距儀同時記錄激光往返的時間。通過內(nèi)部算法D=CT/2n，計算得到距離數(shù)據(jù)。采用激光脈沖測距法使結(jié)果精確到毫米級別，極大提高了測量的準(zhǔn)確性。將距離信號傳輸給單片機(jī)，當(dāng)距離小于設(shè)定值時，單片機(jī)輸出信號，載運車進(jìn)入攀爬樓梯模式。

2.3 平衡儀流程

MPU 6050陀螺儀的芯片內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)處理子模塊DMP，可對傳感器得到的加速度及平臺傾斜角度進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、整合處理，并將結(jié)果直接輸出給單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)判斷平臺是否傾斜，并自動控制相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行平衡調(diào)整[4]。

2.4 智能樓梯間貨物載運車應(yīng)急處理系統(tǒng)

采用雙控制系統(tǒng)設(shè)計方案（左右腦），單片機(jī)智能控制系統(tǒng)以及閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)共同協(xié)作控制設(shè)備，規(guī)避某一系統(tǒng)故障造成的風(fēng)險，也可對意外情況進(jìn)行更快更好的處理。雙控制系統(tǒng)中任一系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，1s內(nèi)停止該系統(tǒng)，由另一系統(tǒng)控制設(shè)備繼續(xù)平穩(wěn)運行[5]?？稍?s內(nèi)啟動中斷服務(wù)程序，處理意外情況的準(zhǔn)確率可達(dá)99%以上。單片機(jī)智能控制系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制核心，內(nèi)部燒寫程序，根據(jù)檢測信號自動輸出控制信號，維持載運車智能化運行；閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋組成，實現(xiàn)串級連接，維持自身電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。

3 結(jié)語

建筑樓層的增加標(biāo)志著我們生活水平的升級，但也在無形中給我們的日常生活帶來困擾。傳統(tǒng)人工搬運重物上下樓梯，效率低，并且長期搬運容易對搬運工人的身體造成傷害。本產(chǎn)品通過改善現(xiàn)有貨物運輸設(shè)備所存在的缺陷，有效解決樓梯間貨物運輸問題，實現(xiàn)高效自動化運輸，為運輸人群提供更安全、更高效、更實用的工具。