吳麗華，陳豪鵬，祝銘力

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310018)

基于Solidworks的爬樓送水小車設計與仿真

吳麗華，陳豪鵬，祝銘力

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310018)

設計了一種能自動爬樓送水的小車.根據(jù)機械設計基本知識，確定了小車的總體設計方案及結構，借助Solidworks軟件對小車的關鍵結構進行三維建模，并利用其仿真功能對小車的爬樓運動進行仿真.結果表明: 設計的小車結構簡單、運行平穩(wěn)，可較好地實現(xiàn)爬樓梯送水的功能.后續(xù)還可以繼續(xù)優(yōu)化，采用人工智能實現(xiàn)小車無人駕駛，在復雜的樓道地形中進行自動運水.

爬樓送水小車；Solidworks；三維建模；運動仿真

目前，運送到無電梯的大學寢室樓或居民樓的桶裝礦泉水還是采用人工搬運的方式，該方式不僅效率低，而且還很費時費力.隨著人們生活水平的提高，桶裝礦泉水的需求不斷增加，純體力進行爬樓搬運的方式過于費時費力.國內外根據(jù)不同的設計原理和性能提出了多種形式的爬樓機構，幾種典型的類型是履帶式、輪式、腿式和輪腿式.腿式結構的主要特點是對于凹凸不平的路面具有超強的適應能力，不僅可以比較輕松的跨過障礙物，而且還可以適用于各種大小不一的臺階，但是這種機構的缺點是結構設計比較復雜，而且速度也不快，效率不高；履帶式結構的特點是針對不同的地形適應能力比較強，缺點是耗能比較高，特別是在轉彎時尤其明顯；輪式結構是比較經典的運輸結構，比較靈活并且控制相對簡單，按照輪子的數(shù)目可以分為多種類型；輪腿式結構做到了將腿式結構對地形的強大適應能力以及輪式結構的靈活高效完美結合，但缺點是機械結構比較復雜[1].為解決上述問題，本文設計了一種基于Solidworks的可自動爬樓梯送水的小車[2-3]，該小車省時省力、爬樓梯效果好.

1 小車總體方案設計

爬樓送水小車主要功能是實現(xiàn)小車的爬樓和搬水的動作，其核心是小車底盤爬樓機構和裝卸水機構的設計.本文選用典型的輪式作為爬樓機構[4]，為滿足實際爬樓小車要求，前輪采用V輪式兩輪機構加支撐輪的方式，左右對稱布置；后輪采用三腳輪式三輪機構左右對稱布置，減少重心波動范圍，增加小車爬樓時的穩(wěn)定性，輪組結構形式示意圖(見圖1).小車在平面運動時靠貼地的輪行走，V輪作為驅動輪，開始爬樓時，支撐桿輪抵住樓梯臺階側面，通過杠桿原理，使V輪靠近臺階一側向上抬高，從而繼續(xù)前進，直到V輪前端上到臺階上表面帶動后輪爬樓；同時，支撐桿輪靠不完全齒輪傳動轉回到前端，進行下一次爬樓準備，小車爬樓動作

分解(見圖2).總體傳動方案[5](見圖3).前輪作為驅動輪，采用“兩個電機”驅動，同一側“前輪”和“后輪”用一條“同步帶傳動”，通過帶傳動帶動后輪運動，并且通過改變兩側電機的速度差，即可實現(xiàn)小車的前進和轉彎.

圖1 爬樓輪組結構形式示意圖

圖2 小車爬樓梯動作分解示意圖

圖3 總體傳動方案簡圖

2 小車關鍵結構設計

2.1 前輪結構設計

前輪采用V形輪的結構，既可以實現(xiàn)爬樓，又比較簡單靈活，再配合支撐輪的輔助作用，完成爬樓的動作，前輪結構示意圖(見圖4(a)).支撐桿由單獨的電機帶動，通過不完全齒輪機構驅動，V輪的滾動由主電機帶動齒輪傳動來驅動，前輪齒輪傳動示意(見圖4(b)).在上樓過程中，支撐輪首先與臺階垂直面接觸，并沿支撐桿產生支持力，相當于一個杠

圖4 V輪三維結構示意圖

桿，將V輪靠近臺階一側抬起沿著臺階繼續(xù)向上滾動,直到爬上臺階，當支撐桿到達一定角度時，不完全齒恰與傳動齒輪嚙合，帶動支撐桿轉動復位，使其進入下一臺階，如此往復，實現(xiàn)爬樓.

2.2 后輪結構設計

后輪主要是配合前輪順利實現(xiàn)爬樓的功能，并且結構越簡單越好.因此后輪采用三輪式結構對稱布置，減少爬樓時小車重心波動范圍，增加小車爬樓梯時的穩(wěn)定性.三腳輪結構爆炸示意圖(見圖5).其傳動與V輪相同采用齒輪傳動，共有7個齒輪位于齒輪盤，中間主齒輪與主軸連接，通過齒輪傳動把動力分別傳遞給三個輪子，從而實現(xiàn)后輪的運動.

底盤主要用槽鋼制作，用于固定電機等部件，根據(jù)上述的設計，底盤爬樓機構三維示意圖(見圖6).

圖5 三腳輪結構分解示意圖

圖6 底盤爬樓機構三維示意圖

2.3 裝卸水機構設計

裝卸水機構就像貨車的車斗，用可伸縮的手臂把桶裝水搬到箱體里，箱體相對小車底盤可翻轉，上樓之后用推臂推出桶裝水實現(xiàn)卸貨.該機構一共有3個直流減速電機，箱體上有兩個電機，一個電機作用于推臂，使其完成卸水動作，另一個電機作用于可伸縮的手臂，使其完成搬水動作，第三個電機帶動蝸桿使滑塊螺母前后移動來實現(xiàn)箱體的翻轉.箱體用于固定搬運機構的各個零件與兩個電機，并且對可伸縮的手臂和推臂的動作起約束作用.手臂有前后伸縮、向內外旋轉兩個動作，通過觸發(fā)開關，轉換動作.當手臂上端凸出與框體凹槽保持接觸，手臂前后伸縮；當手臂凸出與框體分離，手臂向內外旋轉.箱體結構(見圖7(a)，翻轉機構(見圖7(b)，伸縮式手臂結構(見圖7(c)).

圖7 裝卸水機構示意圖

3 確定輪子的尺寸

4 小車運動仿真

根據(jù)上述的設計，小車整體結構三維示意圖(見圖8)；用三維軟件Solidworks軟件[6-7]的仿真功能，對小車的爬樓運動進行仿真[8](見圖9).通過仿真可知，小車能平穩(wěn)運動，實現(xiàn)爬樓送水的功能.

圖8 小車整體結構三維示意圖

圖9 小車爬樓梯運動仿真圖

5 結 論

本文提出的可爬樓梯送水小車，具有伸縮式的手臂和可翻轉的框體，通過絲杠傳動較簡單地實現(xiàn)了自動搬卸桶裝礦泉水的動作. 底盤采用三角輪和帶有支撐桿的V輪結構來實現(xiàn)自動爬樓梯的動作，異于普遍應用的履帶式結構，結構簡單，成本低，省時省力，非常適合無電梯的高校宿舍樓或居民樓的桶裝水運輸，可以通過預先設定的時間和數(shù)量，方便可靠地完成送水任務，解決了送水量大、費時費力成本高的問題.后續(xù)還可以繼續(xù)優(yōu)化，采用人工智能實現(xiàn)小車無人駕駛，在復雜的樓道地形中進行自動運水.

[1] 姚 怡.可上樓梯的智能機器人設計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2013.

[2] 趙華成，劉 武，潘聰華，等.重力勢能驅動的自行避障小車設計與制作[J].浙江水利水電學院學報,2016,28(6):73-76.

[3] 屈 伸，李斯瑞，靳 松.一種重力勢能驅動小車的設計與實現(xiàn)[J].湖南工業(yè)大學學報，2015，29(3)：30-34.

[4] 童俊華.行星輪式爬樓梯機器人小車的研究[D].贛州：江西理工大學，2009.

[5] 徐雅蒙,施冬冬,楊瑞偉.爬樓卸載一體化運載小車設計[J].科技廣場,2016(4):182-185.

[6] 曹銀茍，車艷春，王永強.基于SolidWorks的液壓支架Top-Down三維設計方法的研究[J].河南科技,2013(3):116-117.

[7] CAD/CAM/CAE技術聯(lián)盟.SolidWorks 2012中文版從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2012.

[8] 趙書曉,趙 凱,宋樹權.基于Pro/E的爬樓梯小車的設計和仿真[J].機械工程師,2008(7):134-135.

DesignandSimulationofClimbingCarBasedonSolidworks

WU Li-hua, CHEN Hao-peng, ZHU Ming-li

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

An automatic climbing water vehicle is designed. According to the basic knowledge of mechanical design, the overall design scheme and the structure of the vehicle are determined. The main structure of the vehicle is 3D designed based on Solidworks software, and the climbing movement of the vehicle is simulated by using the simulation function of the software. The results show that the car design can realize the function of delivering water to climb the stairs with simple structure and stable operation. The unmanned automatic water is transported in the complex terrain after the vehicle controlled technology being optimized with the artificial intelligence.

climbing vehicle; Solidworks; 3D design; motion simulation

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.04.016

TP32

A

1008-536X(2017)04-0079-05

2017-03-03

2016年浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)項目(2016R434009)

吳麗華(1982-)，女，山東青島人，碩士，講師，主要從事機械設計與制造方面的科研與教學工作.