爬樓小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石佳明+項(xiàng)佳磊+田爽+侯永濤

摘 要：文章簡述爬樓小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從爬樓車輪組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始介紹，具體介紹了行星輪的減震功能；然后介紹了防倒退結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；再介紹了載貨面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其中上下車架調(diào)節(jié)裝置的作用作具體說明，最后得出結(jié)論，說明這款小車的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：爬樓小車 行星輪 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：F416.47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（b）-0090-02

Abstract： Briefly introduct to the structure design of climbing car，This paper introduces the design of the structure of the cargo plane， and introduces the design of the cargo plane structure. The function of the upper and lower frame adjustment devices is described in detail. Finally concluded. Describe the feasibility and rationality of our car.

Key Words： Climbing car； Planetary wheel； Structure design

隨著國家樓房高度的提高，人們對(duì)貨物的搬運(yùn)需求也在日漸提高，然而電梯高昂的成本并不能讓電梯普及。所以迫切的需要設(shè)計(jì)出一款合理的爬樓小車來滿足人們的需求。接下來筆者會(huì)從爬樓車的目前現(xiàn)狀和發(fā)展前景兩個(gè)角度來介紹一下爬樓車的魅力。

1 爬樓車的結(jié)構(gòu)原理

首先從爬樓車的目前現(xiàn)狀來了解一下爬樓車。其實(shí)在國內(nèi)外這個(gè)課題發(fā)展得已經(jīng)很不錯(cuò)了。國外第一架爬樓輪椅早在1892年就已經(jīng)被一個(gè)叫做Bray的美國人申請專利[1]。此后許多國家對(duì)這個(gè)爬樓項(xiàng)目紛紛投入研究。其中以美國、英國、德國、日本等國家的設(shè)計(jì)結(jié)果最突出。在那些設(shè)計(jì)師的智慧下，大體出現(xiàn)了4種主流爬樓機(jī)構(gòu)。

1.1 步行式爬樓車

這個(gè)結(jié)構(gòu)的原理就是用腿爬樓。通過模仿人類或者動(dòng)物的爬樓過程來設(shè)計(jì)出的成果。不只是類似于人類的雙足左右配合爬樓，先將輪椅抬高，再平移一段距離來爬樓[2]。也可以模仿貓的四足配合爬樓過程。這按成果說應(yīng)該是爬樓最穩(wěn)、震動(dòng)最小、結(jié)構(gòu)最合理的結(jié)構(gòu)，但是這種機(jī)構(gòu)有一個(gè)通病，那就是控制太復(fù)雜。就拿人型爬樓機(jī)構(gòu)來說，它的兩條腿中每一條腿至少都有3個(gè)關(guān)節(jié)，也就是3個(gè)自由度，說明在這些關(guān)節(jié)的地方都是需要電機(jī)來提供動(dòng)力的。這些外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不難，但是對(duì)于它們的控制就難了。因?yàn)樗且粋€(gè)平穩(wěn)爬樓的過程，所以需要涉及PID算法控制。在這個(gè)過程中需要反復(fù)地計(jì)算出3個(gè)電機(jī)之間的合適旋轉(zhuǎn)角度來使抬腿和伸腿不會(huì)使整個(gè)機(jī)構(gòu)傾倒。日本長崎大學(xué)機(jī)械工程系研究了一種高階爬樓梯裝置[3]，它由一系列液壓操作桿和前后兩組星型輪構(gòu)成，集步行式與輪組式設(shè)計(jì)理念于一體。裝置通過星型輪的翻轉(zhuǎn)上下樓梯，座椅底部的傳感器檢測裝置的平衡情況，控制操作桿自動(dòng)調(diào)節(jié)使裝置在爬樓過程中始終位于穩(wěn)定狀態(tài)。不得不說在這一種步行式結(jié)構(gòu)領(lǐng)域我國的發(fā)展現(xiàn)狀令人堪憂。

1.2 履帶式爬樓車

顧名思義這種車的結(jié)構(gòu)模仿的是坦克履帶結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢很明顯，它運(yùn)行平穩(wěn)，震動(dòng)極小，可以在各種不規(guī)則地形上如履平地。還有就是它的傳動(dòng)效率極高。這個(gè)說明它在相同容量電池下的續(xù)航能力很強(qiáng)。畢竟電池這一領(lǐng)域的研究全世界都是一個(gè)大問題。當(dāng)然它的缺點(diǎn)同樣明顯，它太笨重了，這是履帶式結(jié)構(gòu)的通病，在狹小的樓道里，轉(zhuǎn)彎會(huì)是一個(gè)大問題。而且履帶式的爬樓受力點(diǎn)是樓梯的邊緣部分。這對(duì)樓梯必定是有損傷的。所以這種結(jié)構(gòu)在民用這一領(lǐng)域很難推廣。

1.3 行星輪結(jié)構(gòu)爬樓車

這應(yīng)該算是比較簡單的一種機(jī)構(gòu)，它相當(dāng)于把圓形輪子分割了，平均分成二到四部分。就拿三行星結(jié)構(gòu)作為例子，它是把一個(gè)三角形（三角形的邊往內(nèi)部成一個(gè)弧度，角部分向外突出）作為小輪支架，3個(gè)角的地方安裝輪子，通過輪子交替作為支撐點(diǎn)來爬樓[4]。這種結(jié)構(gòu)很普遍，成果也很多。而國外的設(shè)計(jì)師在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的著重點(diǎn)在于平衡感的控制。在一種叫陀螺儀感應(yīng)器件的幫助下，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)爬樓車的重心平衡。經(jīng)過許多年的研究，美國設(shè)計(jì)師Dean Kamen率先發(fā)明了這種能夠自動(dòng)調(diào)整重心的兩輪組式輪椅iBOT。但是這種主要用于病人之類的行動(dòng)不便之人。所以它的設(shè)計(jì)理念核心在于加強(qiáng)人。所以成本在設(shè)計(jì)時(shí)不是主要因素，因此這一類車的價(jià)格十分昂貴，難以被普通人接受。而作為普通人，一般也不需要自動(dòng)調(diào)節(jié)重心這一功能。因?yàn)槿祟惐旧硇∧X的平衡感是很棒的。所以只需要設(shè)計(jì)出一款合適的行星輪結(jié)構(gòu)就行。至于控制方面要求就沒有很高。所以說這種爬樓結(jié)構(gòu)是市面上最普遍的一種結(jié)構(gòu)。但是這種結(jié)構(gòu)卻有一個(gè)缺陷，就是重心在每爬一層都會(huì)有一個(gè)重大的變化，通俗地說就是摔上去的，這個(gè)很影響結(jié)構(gòu)的安全性和壽命。所以說在這一類型的設(shè)計(jì)中減震是很重要的。減震功能不能只靠橡膠輪的緩沖來實(shí)現(xiàn)。

1.4 復(fù)合類爬樓機(jī)

這一類就是集合了上述3種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)來設(shè)計(jì)的一種爬樓機(jī)，是設(shè)計(jì)師們的追求方向。而現(xiàn)在就已經(jīng)開發(fā)出了腿-履復(fù)合和輪-腿-履復(fù)合等結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來達(dá)到功能的完整。但是也有弊端，結(jié)構(gòu)變復(fù)雜以后，控制就變得要求很高，而且考慮的不穩(wěn)定因素也變得很多。

總之大體結(jié)構(gòu)有上述4種，每一種的優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯。至于發(fā)展現(xiàn)狀，國外早在100多年前就已經(jīng)開始了對(duì)該項(xiàng)目的研究，開發(fā)出來的成品也琳瑯滿目。至于國內(nèi)，現(xiàn)在的成品樣式有，但是不多，主要還是因?yàn)槌杀具^于高昂，人們對(duì)其興趣不大。

2 爬樓車在國內(nèi)的發(fā)展前景

這個(gè)項(xiàng)目的發(fā)展前景還是很不錯(cuò)的。畢竟我國在建筑方面的成就越來越突出。高樓搬運(yùn)始終是一個(gè)需要解決的問題，當(dāng)今人們很需要有一種方便簡單的裝置來實(shí)現(xiàn)爬樓搬運(yùn)的功能。而且我國人口眾多，需求量巨大，存在六樓以下樓層極少有電梯存在的現(xiàn)狀，為人們提供了設(shè)計(jì)出一款合理爬樓機(jī)的先天條件，所以說發(fā)展前景很可觀，潛力無限。

3 結(jié)語

本論文簡單的介紹了實(shí)現(xiàn)爬樓小車的4種主要原理和優(yōu)缺點(diǎn)，讓人們對(duì)這一工具有一個(gè)充分了解。知道了有步行式爬樓車、履帶式爬樓車、行星輪結(jié)構(gòu)爬樓車、復(fù)合類爬樓機(jī)這4種主要結(jié)構(gòu)，也知道了它們在機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制兩方面上的優(yōu)缺點(diǎn)。之后就是介紹這一類設(shè)計(jì)在我國的巨大發(fā)展前景，讓設(shè)計(jì)者能夠更加放心大膽地去設(shè)計(jì)這一款實(shí)用的爬樓結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇和平，王人成.爬樓梯輪椅的研究進(jìn)展[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2005，20（5）：366-368.

[2] 項(xiàng)海籌，烏蘭木齊，張濟(jì)川.手動(dòng)爬樓梯輪椅[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，1994 9（2）：62-66.

[3] Murray John LAWN.Study of stair-climbing assistive mechanisms for the disabled[D].Japan：Nagasaki University，2002.

[4] 蘇和平，土人成.一種雙聯(lián)行星輪機(jī)構(gòu)電動(dòng)爬樓梯輪椅的設(shè)計(jì)[J].中國臨床康復(fù)雜志，2005，9（26）：144-145.endprint