新型樓梯平地兩用電助力輪式載物車設計

劉成

【摘 要】在已經公開的爬樓梯電助力手推貨物車助力結構復雜、傳動系零部件數量多、價格高的基礎上，提出了一種樓梯平地兩用的電助力運載重物手推車方案。車的爬樓梯助力裝置是通過雙電動缸支腿左右對稱安裝在車架背面，保證了車架受負載后運行平穩，同時由于電動缸支腿的前限位擋板的干涉使得小車可在平地正常行走；設計了控制單元，通過電機正反轉控制器控制電動缸支腿伸縮實現舉升車架；設計左右側電動缸支腿的前、后擺限位處的限位檔塊和觸發開關實現自動攀爬樓梯。結果驗證了機構設計可靠性，為樣車生產提供理論依據。

【關鍵詞】爬樓梯；電動缸支腿；控制單元；限位檔塊

0 引言

手推車發展到現在已經有幾千年的歷史了，普通手推車功能各不相同，現在手推車的發展開始趨向于電動、智能方向。但是他們一般只適合在平地上搬運重物使用。而現實中，將家用電器等較重物品運送到只有步行樓梯的住宅樓客戶家中是每個快遞員或售后服務上門安裝人員面臨的一大難題。目前，具備能運送家用電器等較重物品爬樓梯功能的兩輪手推幾乎沒有，且現在市場上存在的能夠攀爬樓梯的手推車價格極其昂貴。國外可以見到一些公司開發的履帶式爬樓輪椅[1]，但是由于履帶自身的局限性導致行走時轉彎不便、行走速度慢、磨損快、車體質量大。因此，依據我國國情和我國快遞業務或售后服務上門安裝業務的現狀，設計出一款既經濟又實用的爬樓梯車，從快遞員搬運家電上樓的角度出發，在傳統平地手推車的基礎上，設計了這款只需要單人輔助操控就能實現載物上樓或平地使用的小車，在現存爬樓手推車的經濟型和便捷性有所提高。

1 小車的整體結構設計及其功能

傳統的行星輪式爬樓車都是通過車輪旋轉攀爬樓梯臺階[2]，這樣的設計在使用過程中重心起伏大，容易對家電造成損傷，且功率不可調。本文所提出的設計方案中所使用的電動缸支腿剛好克服了車身重心起伏大這一缺點，由支腿的伸縮舉升車架，操作者負責拉動車子，車輪與電動缸支腿交替承載車子，從而實現車子的連續爬樓梯功能。通過控制盒單元來控制支腿伸縮時間和長度，還可以根據負載的大小來調節支腿伸縮速度。

結構原理圖如圖1所示。

圖1

其中，雙電動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。控制單元盒輸入接口與把手上的開關相連接，輸出接口與電動缸支腿的收縮觸發開關相連，從平地上樓時，操作者將小車車輪停靠在樓梯臺階的立面上，當操作者站在臺階上時，車身與地面剛好成28°～32°，左右側電動缸伸縮支腿6的缸桿由于重力處于伸出行程起始位，按下啟動開關，左右側電動缸伸縮支腿6得電，缸桿伸出，通過電機正反轉控制機構的設計實現后續自動爬樓動作。平地行走時，缸筒再次由于重力回擺到垂直位置處的前擺限位處，此時關閉把手電源開關即可。

2 電動缸支腿結構及其功能

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現左右側電動缸支腿的同步擺動，兩缸筒前后分別安裝限位擋塊。當車架1處于爬樓梯狀態即與地面之間呈大約28°～34°的夾角時，兩鉸軸的連線與左右側車輪軸軸線連線構成的平面與地面垂直，以保證電動缸舉升車子時車子重心大體上保持不變，此時的左右側電動缸支腿6與左右側電動缸支腿前擺限位擋板7貼靠在一起。

左右側電動缸支腿前擺限位擋板7通過焊接的方式對稱安裝在車架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開關。該結構實現舉升動作。

左右電動缸支腿后擺限位擋板10上安裝收縮開關，當左右側車輪4被拉向前方而支腿向后擺動約13°角時，缸筒上的擋塊觸碰收縮開關。該結構實現支腿收縮功能。

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

3 自動控制單元結構及其工作原理

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內，它由盒體、左右側電動缸支腿電機驅動電路板、PLC或單片機等、左右側電動缸支腿電機正反轉控制器、繼電器、輸入輸出接口、連接線及連接插頭等組成。其輸入端與左右側電動缸支腿前擺限位處的缸桿縮回、伸出行程的限位觸發開關以及把手開關14相連接。輸出端與左右側電動缸伸縮支腿6的電機連接，兩電動缸采用并聯的一拖二控制電路。

3.1 工作原理

一是，起步→依靠人力將車子的左右側車輪拉靠在樓梯的立面上→左右側電動缸伸縮支腿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開關→按下把手開關14→左右側電動缸伸縮支腿6得電，缸桿伸出→當獲得地面支撐后舉升車子；二是，缸桿伸出行程→在左右側電動缸伸縮支腿6舉升車子的同時，操作者施加給車子一個向前的拉力，則車輪可以始終與樓梯臺階面接觸，并向前滾動的同時，左右側電動缸伸縮支腿6向后擺動→當擺至后擺限位處時，缸筒上的后擺限位擋塊觸碰到縮回行程開關→缸桿伸出行程制動，縮回行程開始，同時左右側電動缸伸縮支腿6依靠重力前擺→當到達前擺限位處時→杠桿縮回行程制動，缸筒觸碰到伸出行程開關；三是，暫停或停止→當爬完1/2層或1層樓梯后，操作者待缸筒依靠重力回擺到垂直位時，左右側電動缸支腿處于前擺限位處，此期間關閉把手電源開關14，完成一個工作循環。

由于車輪在沒有樓梯立面做限位時易發生失控狀況，操作者需把握住觸碰到自動舉升開關的時刻，即待缸筒依靠重力回擺到垂直位并發出磕碰響聲時，關閉把手開關14。

3.2 結構尺寸及運動分析

下面以爬升層高為6層的居民住宅樓樓梯[臺階面寬度×臺階高度×樓梯坡度：250（mm）×170（mm）×34°]為例（見圖2），說明本結構設計原理的實施過程。

本新型手推車主要零部件尺寸可以是：

1）左右側單獨安裝的車輪4選取直徑為250（mm）的充氣輪胎，左右側可前后擺動電動缸伸縮支腿6的結構參數[安裝尺寸×預留間隙×缸桿行程（mm）]為：

355×25×250（mm）

2）設該車在爬樓梯時車架平面傾斜角度與樓梯坡度大致平行，則左右側電動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°

當左右側電動缸伸縮支腿6將左右側車輪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，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，此時左右側電動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），左右側電動缸伸縮支腿6的缸桿伸出長度為：

564-（355+25）=184（mm）。

如此，小車在爬樓過程中的重心運動變化如圖3所示。具有很好的穩定性。

4 結束語

搬運重物爬樓梯是對步行梯居民樓用戶的一個重要工作。此新型手推車的設計成本低，攜帶方便，主要創新點在于，一是，控制單元實現了小車自動攀爬樓梯這一動作，其中的電動缸支腿電機驅動電路板裝設的電流調控裝置適應了不同負載的需求；二是，用雙電動缸支腿舉升重物打破了以往輪式車輛爬樓的方案，同時在小車穩定性上得到優化。爬樓時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。該設計為今后生產使用提供有效依據。

【參考文獻】

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

[2]任泰安.簡易樓梯平地兩用小車輪體設計[J].河南科技學院學報（自然科學版），2007（1）：45-47.

[責任編輯：田吉捷]