劉成

【摘 要】在已經(jīng)公開的爬樓梯電助力手推貨物車助力結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)系零部件數(shù)量多、價(jià)格高的基礎(chǔ)上，提出了一種樓梯平地兩用的電助力運(yùn)載重物手推車方案。車的爬樓梯助力裝置是通過雙電動(dòng)缸支腿左右對(duì)稱安裝在車架背面，保證了車架受負(fù)載后運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)由于電動(dòng)缸支腿的前限位擋板的干涉使得小車可在平地正常行走；設(shè)計(jì)了控制單元，通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器控制電動(dòng)缸支腿伸縮實(shí)現(xiàn)舉升車架；設(shè)計(jì)左右側(cè)電動(dòng)缸支腿的前、后擺限位處的限位檔塊和觸發(fā)開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)攀爬樓梯。結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性，為樣車生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】爬樓梯；電動(dòng)缸支腿；控制單元；限位檔塊

0 引言

手推車發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有幾千年的歷史了，普通手推車功能各不相同，現(xiàn)在手推車的發(fā)展開始趨向于電動(dòng)、智能方向。但是他們一般只適合在平地上搬運(yùn)重物使用。而現(xiàn)實(shí)中，將家用電器等較重物品運(yùn)送到只有步行樓梯的住宅樓客戶家中是每個(gè)快遞員或售后服務(wù)上門安裝人員面臨的一大難題。目前，具備能運(yùn)送家用電器等較重物品爬樓梯功能的兩輪手推幾乎沒有，且現(xiàn)在市場(chǎng)上存在的能夠攀爬樓梯的手推車價(jià)格極其昂貴。國(guó)外可以見到一些公司開發(fā)的履帶式爬樓輪椅[1]，但是由于履帶自身的局限性導(dǎo)致行走時(shí)轉(zhuǎn)彎不便、行走速度慢、磨損快、車體質(zhì)量大。因此，依據(jù)我國(guó)國(guó)情和我國(guó)快遞業(yè)務(wù)或售后服務(wù)上門安裝業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一款既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的爬樓梯車，從快遞員搬運(yùn)家電上樓的角度出發(fā)，在傳統(tǒng)平地手推車的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了這款只需要單人輔助操控就能實(shí)現(xiàn)載物上樓或平地使用的小車，在現(xiàn)存爬樓手推車的經(jīng)濟(jì)型和便捷性有所提高。

1 小車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其功能

傳統(tǒng)的行星輪式爬樓車都是通過車輪旋轉(zhuǎn)攀爬樓梯臺(tái)階[2]，這樣的設(shè)計(jì)在使用過程中重心起伏大，容易對(duì)家電造成損傷，且功率不可調(diào)。本文所提出的設(shè)計(jì)方案中所使用的電動(dòng)缸支腿剛好克服了車身重心起伏大這一缺點(diǎn)，由支腿的伸縮舉升車架，操作者負(fù)責(zé)拉動(dòng)車子，車輪與電動(dòng)缸支腿交替承載車子，從而實(shí)現(xiàn)車子的連續(xù)爬樓梯功能。通過控制盒單元來控制支腿伸縮時(shí)間和長(zhǎng)度，還可以根據(jù)負(fù)載的大小來調(diào)節(jié)支腿伸縮速度。

結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1

其中，雙電動(dòng)缸支腿通過鉸軸以鉸接的方式將其缸筒端安裝在車架1背面上?？刂茊卧休斎虢涌谂c把手上的開關(guān)相連接，輸出接口與電動(dòng)缸支腿的收縮觸發(fā)開關(guān)相連，從平地上樓時(shí)，操作者將小車車輪?？吭跇翘菖_(tái)階的立面上，當(dāng)操作者站在臺(tái)階上時(shí)，車身與地面剛好成28°～32°，左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6的缸桿由于重力處于伸出行程起始位，按下啟動(dòng)開關(guān)，左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6得電，缸桿伸出，通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后續(xù)自動(dòng)爬樓動(dòng)作。平地行走時(shí)，缸筒再次由于重力回?cái)[到垂直位置處的前擺限位處，此時(shí)關(guān)閉把手電源開關(guān)即可。

2 電動(dòng)缸支腿結(jié)構(gòu)及其功能

該功能原理圖如圖2所示。

兩軸線重合且與左右側(cè)車輪軸軸線連線平行的支腿通過鉸軸安裝在車架1上，其缸桿端向下懸垂于空中，通過系桿或系架來固定兩缸筒實(shí)現(xiàn)左右側(cè)電動(dòng)缸支腿的同步擺動(dòng)，兩缸筒前后分別安裝限位擋塊。當(dāng)車架1處于爬樓梯狀態(tài)即與地面之間呈大約28°～34°的夾角時(shí)，兩鉸軸的連線與左右側(cè)車輪軸軸線連線構(gòu)成的平面與地面垂直，以保證電動(dòng)缸舉升車子時(shí)車子重心大體上保持不變，此時(shí)的左右側(cè)電動(dòng)缸支腿6與左右側(cè)電動(dòng)缸支腿前擺限位擋板7貼靠在一起。

左右側(cè)電動(dòng)缸支腿前擺限位擋板7通過焊接的方式對(duì)稱安裝在車架1上，其限位面與車架1的平面所夾鈍角大約為118°～124°（28°+90°～34°+90°），其上通過連接部件安裝伸出行程觸發(fā)開關(guān)。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)舉升動(dòng)作。

左右電動(dòng)缸支腿后擺限位擋板10上安裝收縮開關(guān)，當(dāng)左右側(cè)車輪4被拉向前方而支腿向后擺動(dòng)約13°角時(shí)，缸筒上的擋塊觸碰收縮開關(guān)。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)支腿收縮功能。

托輪12采用單輪或雙輪形式通過桿件安裝于連接左右側(cè)電動(dòng)缸支腿的系桿或系架11上，當(dāng)左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6的缸桿端部接觸樓梯臺(tái)階地面時(shí)，它處于懸空位置，當(dāng)左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6向前擺動(dòng)時(shí)，它最先接觸到樓梯臺(tái)階立面，避免左右側(cè)電動(dòng)缸支腿6的缸桿前擺時(shí)磕碰或磨擦樓梯棱。

3 自動(dòng)控制單元結(jié)構(gòu)及其工作原理

控制盒單元與蓄電池一起安裝在固定于車架后背面的蓄電池倉(cāng)內(nèi)，它由盒體、左右側(cè)電動(dòng)缸支腿電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板、PLC或單片機(jī)等、左右側(cè)電動(dòng)缸支腿電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器、繼電器、輸入輸出接口、連接線及連接插頭等組成。其輸入端與左右側(cè)電動(dòng)缸支腿前擺限位處的缸桿縮回、伸出行程的限位觸發(fā)開關(guān)以及把手開關(guān)14相連接。輸出端與左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6的電機(jī)連接，兩電動(dòng)缸采用并聯(lián)的一拖二控制電路。

3.1 工作原理

一是，起步→依靠人力將車子的左右側(cè)車輪拉靠在樓梯的立面上→左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6的缸桿處于伸出行程起始位，缸筒上的限位擋塊觸碰到伸出行程的觸發(fā)開關(guān)→按下把手開關(guān)14→左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6得電，缸桿伸出→當(dāng)獲得地面支撐后舉升車子；二是，缸桿伸出行程→在左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6舉升車子的同時(shí)，操作者施加給車子一個(gè)向前的拉力，則車輪可以始終與樓梯臺(tái)階面接觸，并向前滾動(dòng)的同時(shí)，左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6向后擺動(dòng)→當(dāng)擺至后擺限位處時(shí)，缸筒上的后擺限位擋塊觸碰到縮回行程開關(guān)→缸桿伸出行程制動(dòng)，縮回行程開始，同時(shí)左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6依靠重力前擺→當(dāng)?shù)竭_(dá)前擺限位處時(shí)→杠桿縮回行程制動(dòng)，缸筒觸碰到伸出行程開關(guān)；三是，暫?；蛲Ｖ埂?dāng)爬完1/2層或1層樓梯后，操作者待缸筒依靠重力回?cái)[到垂直位時(shí)，左右側(cè)電動(dòng)缸支腿處于前擺限位處，此期間關(guān)閉把手電源開關(guān)14，完成一個(gè)工作循環(huán)。

由于車輪在沒有樓梯立面做限位時(shí)易發(fā)生失控狀況，操作者需把握住觸碰到自動(dòng)舉升開關(guān)的時(shí)刻，即待缸筒依靠重力回?cái)[到垂直位并發(fā)出磕碰響聲時(shí)，關(guān)閉把手開關(guān)14。

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動(dòng)分析

下面以爬升層高為6層的居民住宅樓樓梯[臺(tái)階面寬度×臺(tái)階高度×樓梯坡度：250（mm）×170（mm）×34°]為例（見圖2），說明本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的實(shí)施過程。

本新型手推車主要零部件尺寸可以是：

1）左右側(cè)單獨(dú)安裝的車輪4選取直徑為250（mm）的充氣輪胎，左右側(cè)可前后擺動(dòng)電動(dòng)缸伸縮支腿6的結(jié)構(gòu)參數(shù)[安裝尺寸×預(yù)留間隙×缸桿行程（mm）]為：

355×25×250（mm）

2）設(shè)該車在爬樓梯時(shí)車架平面傾斜角度與樓梯坡度大致平行，則左右側(cè)電動(dòng)缸支腿前擺限位擋塊7的限位面與車架1的平面所夾鈍角為：

34°+90°=124°

當(dāng)左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6將左右側(cè)車輪4舉升到高一階樓梯并由操作者將其拉靠至樓梯立面的極限位置時(shí)，圖中OA的尺寸為：

355+25+170（mm）

AB的尺寸為125（mm），角AOB為13°，即tan（13°）=125/355+25+170，此時(shí)左右側(cè)電動(dòng)缸支腿后擺極限位置的限位面與車架1的平面所夾銳角為：

180°-124°-13°=43°

鈍角為：

124°+13°=137°

由勾股定理算得OB的尺寸為564（mm），左右側(cè)電動(dòng)缸伸縮支腿6的缸桿伸出長(zhǎng)度為：

564-（355+25）=184（mm）。

如此，小車在爬樓過程中的重心運(yùn)動(dòng)變化如圖3所示。具有很好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

搬運(yùn)重物爬樓梯是對(duì)步行梯居民樓用戶的一個(gè)重要工作。此新型手推車的設(shè)計(jì)成本低，攜帶方便，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于，一是，控制單元實(shí)現(xiàn)了小車自動(dòng)攀爬樓梯這一動(dòng)作，其中的電動(dòng)缸支腿電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板裝設(shè)的電流調(diào)控裝置適應(yīng)了不同負(fù)載的需求；二是，用雙電動(dòng)缸支腿舉升重物打破了以往輪式車輛爬樓的方案，同時(shí)在小車穩(wěn)定性上得到優(yōu)化。爬樓時(shí)由于操作者身高不同，車身理論上與水平面夾角30°左右均可以。該設(shè)計(jì)為今后生產(chǎn)使用提供有效依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]MORALES R，GONZAIEZ A，F(xiàn)ELIU A，etal.Environment adaption of a new staircase-climbing wheelchair[J].Autonomous Robots，2007，23（4）：275-292.

[2]任泰安.簡(jiǎn)易樓梯平地兩用小車輪體設(shè)計(jì)[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（1）：45-47.

[責(zé)任編輯：田吉捷]