王晶 陸逸涵 曹越 張金龍

【摘 要】為了解決市面上現(xiàn)有的輔助爬樓機存在穩(wěn)定性差、自重大、安全性低和操作不便等諸多問題，設(shè)計了一種基于搖桿機構(gòu)電助力爬樓機，該機構(gòu)可以根據(jù)不同工況調(diào)整工作模式，并分析了爬樓機在爬樓和平地兩種工況的作業(yè)過程。最后，對結(jié)構(gòu)進行Croe仿真和實驗，仿真和實驗結(jié)果表明，該爬樓機可以適應(yīng)爬樓和平地兩種工作狀態(tài)，且有良好的性能。

【關(guān)鍵詞】帶載運輸車;帶載爬樓;爬樓機;仿真

中圖分類號： TP391.9;TG386 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.010

【Abstract】The existing auxiliary stair climber on the market has many problems，such as poor stability，self-importance，low safety and inconvenient operation.In order to solve them，an electric power-assisted climbing machine based on rocker mechanism is designed.The mechanism can adjust the working mode according to different working conditions.The operation processes of the climber in the conditions of climbing the stairs and the ground are analyzed. Finally，the Croe simulation and experiment are carried out on the structure.The results show that the climbing machine can adapt to the two working conditions and has good performance.

【Key words】Loaded transport vehicle;Loaded climbing building;Climbing machine;Simulation

0 引言

國外對爬樓裝置的研究開始得相對較早，最早的專利是1892年美國的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國、英國、德國和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。我國對此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來也涌現(xiàn)了很多這方面的專利[1]，然而投入實際使用的還很少，加之當今社會網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)達，網(wǎng)購已經(jīng)成為主流購物途徑，各種生活用品在網(wǎng)上都可以買到，配送行業(yè)隨之發(fā)展迅速，當快遞人員或搬運工送到?jīng)]有電梯的高層住宅時，爬樓往往會消耗很長的時間。運送較重物品時，難免會力不從心。借助一種工具或是裝置助其搬運，不僅可以節(jié)省運貨人員的體力，還可以提高運貨效率。[2]

目前，按爬樓梯功能實現(xiàn)的原理主要分為步行式、履帶式、輪組式、步進支撐式爬樓梯裝置[3]。步行式爬樓裝置存在對控制的要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時運動幅度不大，動作緩慢等問題[4];履帶式爬樓裝置存在重量大、運動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞;且平地使用所受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便等問題[5];輪組式爬樓裝置存在上下樓梯時平穩(wěn)性不高，重心起伏較大，裝置體積較大，等問題;步進支撐式爬樓裝置存在要有人輔助完成爬樓動作。為此設(shè)計了一款以搖桿為主要機構(gòu)的爬樓機，建立了爬樓機的三維模型，通過Croe進行仿真實驗證明可以滿足要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體方案

本設(shè)計組成部分主要由主車體機架、運動機構(gòu)、調(diào)心裝置和平地輔助裝置構(gòu)成，在平地運動時由電機供動力，依靠橡膠輪胎和平地輔助裝置運動。做爬樓運動時采用電機提供動力，爬樓搖臂實現(xiàn)爬樓動作，實現(xiàn)載物上、下樓的功能。

1.2 主體機架

爬樓機的主體機架采用鋁合金，從而達到在相同性能裝置輕量化的目的，使在使用中更加省力、便捷[6]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中主要由手柄、載物架、橡膠輪胎、爬樓搖臂、平地輔助裝置等組成。

1.3 運動機構(gòu)

運動機構(gòu)如圖2所示，由電機、大輪、電機承載、滑移齒輪、爬樓搖臂構(gòu)成，其關(guān)鍵為爬樓搖臂。

在進行爬樓運動時，將滑移齒輪打到左端，通過齒輪傳動，帶動搖臂轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)爬樓動作。在進行平地運動時，將滑移齒輪打到右端，齒輪不嚙合，搖臂不工作，大輪工作，實現(xiàn)平地運動。

電機承載機構(gòu)用于盛放電動機，與車架采用焊接方式連接。

1.4 調(diào)心裝置

為了解決負載較大時，爬樓機整體重心不穩(wěn)，操作不便的問題，設(shè)計了載物架可以上下進行調(diào)節(jié)的功能。通過載物架的調(diào)節(jié)，可以使整個爬樓機的重心得以調(diào)節(jié)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

需要進行調(diào)整重心時，把載物架向上提起，將圓棒放置在更高一級或更低一級的鉤子上，即可完成調(diào)整重心的動作。

1.5 平地輔助裝置

爬樓機往往也需要在平地上拖行貨物，普通爬樓機在平地上運動時不便操作，需要人工扶住爬樓機。為了解決這個問題，設(shè)計了一種可以在需要平地運動時放下，爬樓時收起的平地輔助裝置。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在進行爬樓運動時，圓棒卡扣于卡件內(nèi)，平地輔助裝置處于收起狀態(tài)，不影響爬樓機的爬樓運動;在進行平地拖行時，下壓卡件，讓圓棒脫離，平地輔助裝置展開。

2 爬樓機運動狀態(tài)分析

爬樓機在使用的過程中分為平地運動和爬樓運動，以下對爬樓機平地運動和爬樓運動的過程做分析。

2.1 爬樓運動

爬樓過程是本次設(shè)計爬樓機的重點，現(xiàn)假設(shè)爬樓機相關(guān)參數(shù)、尺寸和樓梯的參數(shù)都合適，則爬樓機進行爬樓運動過程如表1所示。

2.2 平地運動

進行平地運動時，首先將滑移齒輪打到右端，進入平地運動模式。再將固定裝置下壓，使定位棒脫離，桿1與桿2展開，滑塊下移至定位板位置，桿1與桿2達到死點位置，起到穩(wěn)定裝置的作用，此時平地裝置可以支撐爬樓機在平地進行運動。若再要進行爬樓運動時將滑移齒輪打到左端，使搖臂工作，并將定位棒上提，卡入固定裝置即可。

3 仿真及實驗

對爬樓機進行Croe仿真，主要觀察爬樓搖臂是否可以正常運轉(zhuǎn)，整機工作是否良好。通過仿真得出搖臂對于地面的位置如圖像5。根據(jù)圖像可以計算出搖臂的最高位置距地面260mm，滿足一般樓梯的高度。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種新型帶載樓梯運輸車，其綜合了市面上許多爬樓機的優(yōu)點，一定程度上解決了樓梯搬運以及在平地爬樓機如何工作的問題。對爬樓機的整體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，重點分析了爬樓機在工作時的過程;并通過Croe仿真驗證了該爬樓機的可行性。

【參考文獻】

[1]尚小溪.輪組式爬樓輪椅運動裝置參數(shù)設(shè)計[J].黑龍江科技信息，2016（17）：140-141.

[2]尹鑫磊.多功能電動爬樓機設(shè)計[D].天津：天津科技大學，2017.

[3]馬巖，李劍.一種便攜式爬樓裝置[P].北京：CN104434431A，2015-03-25.

[4]程偉，喬鐵良，等.一種爬樓機器人[P].陜西：CN206218050U，2017-06-06.

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

[6]顧艷紅，王晟楠，劉占民.輕載型電動載物爬樓機[J].機械傳動，2018，42（09）：166-169+173.