一種自動爬樓運輸車

王宇， 李勝， 陳文仁， 朱滿， 郝偉， 王玉琳， 董玉革

（合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009）

一種自動爬樓運輸車

王宇， 李勝， 陳文仁， 朱滿， 郝偉， 王玉琳， 董玉革

（合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009）

設計了一種自動爬樓運輸車，其特征是將水平行走運動與升降運動分開，水平行走由伺服電動機通過滾珠絲杠帶動載物臺實現，升降運動由電動推桿的伸縮實現，行走運動與升降運動交替進行。其中，水平行走與升降運動均由3條腿支撐完成，利用三角形的穩定性保持整個機構在水平面內穩定牢固。在爬樓過程中，載物臺始終呈水平狀態，運送的物品不會因傾斜而滑落。整個裝置由單片機控制伺服電動機與電動推桿協調運動，從而完成爬樓動作。

爬樓；機器人；運輸車；自動化

0 引言

在電梯空間不足或無電梯的樓層里，依靠人力搬運貨物上下樓十分辛苦，而且人工搬運物品的大小及重量均有限，易受體力限制，成本高、效率低。對此情況，應用機械設備代替人力會達到高效、省力的效果。爬樓車就是用于搬運重型、大件物品上下樓梯的簡易機械裝置[1-4]。現有文獻公開的爬樓設備多為三輪滾動式爬樓車[5]，該類產品的3個滾輪繞著一根主軸均布，靠主軸的轉動驅動3個滾輪依次與樓梯的上下兩個臺階面接觸，加上人力牽拉，實現爬樓的動作[6-9]。雖然它一定程度上解決了人力搬運重量方面的限制，但仍然存在以下缺點：1）裝置工作時仍需人力的輔助，未能完全解放雙手；2）爬樓時裝置與臺面的接觸點只有2個，穩定性差，具有一定的危險性；3）為了適應爬樓，該類產品的載物臺全為傾斜放置，對所載物品的類型有一定限制[10-15]。

為了彌補現有技術的不足，本文設計了一種自動爬樓運輸車，可以實現大件物品的自動搬運，確保物品安全穩定載送。

1 自動爬樓運輸車的結構組成

圖1為自動爬樓運輸車的整體結構。整車由載物臺、進給機構、升降機構、平地支承機構以及控制系統5個部分組成：1）載物臺。承載運輸的貨物。2）進給機構。完成爬樓車的水平進給，包括2根滾珠絲杠15、16與3根電動推桿5、7、9。2根滾珠絲杠的兩端分別通過吊耳固定在載物臺兩側的下方，其中一端聯接伺服電動機。滾珠絲杠15具有兩個螺母，分別固結電動推桿5和7，當伺服電動機13控制滾珠絲杠15轉動時，電動推桿5和7在載物臺下方的滑道內同步移動。滾珠絲杠16只有一個螺母，其上固結電動推桿9，當伺服電動機14控制滾珠絲杠16轉動時，電動推桿9在載物臺下方的滑道內移動。3）升降機構。由6根電動推桿5、6、7、8、9、10組成，這6根推桿可以根據需要自動進行伸縮組合，從而完成爬樓車的垂直升降運動。4）平地支承機構。由前后4條輪腿1、2、3、4構成。5）控制系統。基于AT89S52單片機，內部含有伺服電動機驅動器以及電動推桿驅動器，運輸車的爬樓動作是在單片機的控制下協調進行的。

圖1 自動爬樓運輸車的整體結構

2 自動爬樓運輸車的工作原理

2.1 平地行駛階段

如圖2所示，爬樓車在平地行駛時，由前后4條輪腿1、2、3、4支撐車身，4條輪腿的長度略大于后端兩根電動推桿7、10完全收縮時的長度。4條輪腿下方均裝有萬向滾輪，保證車身能夠360°旋轉，實現掉頭轉彎等動作。此階段可由人力推行。

圖2 平地行駛階段

2.2 由平地向樓梯過渡階段

爬樓車由人工推行至樓梯前，開始由平地向樓梯過渡，可分為兩個階段：

1）如圖3（a）所示。伺服電動機13正轉，滾珠絲杠15轉動，其上2只螺母分別帶動電動推桿5、7同步前進；當電動推桿5到達樓梯第一級踏面的中間時，伺服電動機13停止，電動推桿5伸長直至抵上樓梯第一級踏面，作為下一時刻的支承腿。之后，伺服電動機13反轉，電動推桿5、7相對車身向后移動，因電動推桿5伸出的腳已經抵在樓梯踏面，所以拖動車身向前移動；同時，電動推桿5、8之間兩條輪腿上面的關節電動機動作，兩條前輪腿向后彎曲收起，為下一步的爬樓作準備。

2）如圖3（b）所示。電動推桿8伸長至樓梯第一級踏面，作為下一時刻的支承腿，電動推桿5收縮至最短；伺服電動機13正轉，電動推桿5進給至第二級踏面中間位置并伸長抵緊踏面，電動推桿8收縮（此時有電動推桿5作為支承）；伺服電動機13反轉，拖動車身向前移動。此時，爬樓車3組腿分別落在3個平面上，長度與樓梯互補，載物臺保持水平。至此，由平地向樓梯過渡階段結束。

2.3 爬樓梯階段

如圖4所示，從平面向樓梯過渡階段完成后，根據樓梯的臺階數，循環以下過程：

1）電動推桿6、8、10同時伸長略大于一個臺階的高度，載物臺被頂起，此時爬樓車由電動推桿6、8、10支承，3根推桿呈三角形分布，爬樓車不會失穩。

圖3 由平地向樓梯過渡階段

2）2條后輪腿向前彎曲收起，正向同時啟動2臺伺服電動機，使得電動推桿5、7、9同步向前進給，直至3根電動推桿分別到達3個臺階的中間位置。

3）電動推桿6、8、10同時收縮至最短，此時爬樓車由電動推桿5、7、9支承，3根推桿也呈三角形分布，保證了爬樓車的穩定性。

4）反向同時啟動2臺伺服電動機，使得車身向前運動。至此，爬樓車成功爬升一級臺階。

循環上述爬樓過程直至最后一階樓梯，即可完成爬樓梯階段。

2.4 由樓梯向平地過渡階段

當爬樓車爬升至圖5（a）所示位置時，開始由樓梯向平地過渡。此階段可以分解為以下幾個過程：

1）電動推桿6、8、10同時伸長略大于一個臺階的高度，正向啟動2臺伺服電動機，電動推桿5、7、9前進，電動推桿7、9運動至上一個臺階表面，此時電動推桿5距平地尚有一個臺階的高度。

2）電動推桿5伸長至地面，作為下一時刻的支承點。

3）電動推桿6、10收縮至最短，反向啟動2臺伺服電動機，車身前進，電動推桿6、10運動至上一個臺階表面，此時，電動推桿8距地面尚有一個臺階的高度，如圖5（b）所示。

圖4 爬樓梯階段

圖5 由樓梯向平地過渡階段

4）電動推桿8伸長至地面，作為下一時刻的支承點。

5）電動推桿6、8、10同時伸長略大于一個臺階的高度，兩伺服電動機同時正轉，電動機14轉速降為先前一半（使得電動推桿9進給距離縮短，三支承點分布適宜，加強穩定性），拖動電動推桿5、7、9前進，電動推桿7、9運動至上一個臺階表面，此時，電動推桿5距地面尚有一個臺階高度。

6）電動推桿5、9同時伸長至地面，關節電動機動作，2條前輪腿放下。

7）電動推桿6、8、10同時收縮至最短，關節電動機動作，2條后輪腿放下。

8）兩電動機同時反轉，拖動車身向前進給，電動推桿5、9收縮至最短，車身由4個輪腿支承，電動機14半速正轉，使得電動推桿9回到初始位置。

此時，爬樓車完成從樓梯向平地的過渡，在平地上可由人力推行前進。

3 結語

本文所設計的自動爬樓運輸車，在平地行駛時依靠4條輪腿著地，運行平穩；在平地向樓梯過渡、攀爬樓梯以及由樓梯向平地過渡階段，均有至少3條腿著地，所以爬樓過程穩定、可靠。采用3條腿上下運動和3條腿前后運動，模仿動物爬樓，將水平進給運動和垂直升降運動分離開來，使得載物臺始終處于水平狀態，實現了物品的安全、平穩傳送。

[1] 張軍林.對機械傳動中的慣性力分析與計算的探討[J].機械工程師,2012(9):76-77.

[2] 徐進.絲桿升降機構傳動的可靠性設計研究[J].煤礦機械,2003(10):15-18.

[3] 宋現春,艾興.伺服電機智能控制接口電路設計[J].機械工程師,2002(1):58-59.

[4] 蘇萌.電器附件測試臺運動系統的實現與分析[J].電子產品可靠性與環境試驗2013(5):40-43.

[5] 祝欣波,江征風.伺服電機伺服系統設計[J].機械工程師,2007(11):88-90.

[6] 王虎,彭如恕,尹泉.基于STM32嵌入式模糊PID伺服電機控制系統的設計[J].機械工程師,2014(11):139-141.

[7] 徐明字,趙勇,包士維,等.電動載物爬樓機的開發設計[J].機械工程師,2015(7):198.

[8] 王佳佳,唐雪梅,何小龍.四連桿爬樓梯機器人的改進和優化[J].機械工程師,2014(7):150-152.

[9] 陸江艷.關于無障礙設計標準實施的調研及啟示[J].包裝工程,2010(10):65-69.

[10]吳宗澤.機械結構設計準則與實例[M].北京:機械工業出版社,2006.

[11] 王澤娟.產品的人性化設計[J].科技信息(學術研究),2007(31):47.

[12]李冠群,宋其江,楊焱強.一種新型電動自平衡爬樓車的設計與研究[J].自動化技術與應用,2016(7):44-48.

[13] 王玉爍,陳光軍,徐銳,等.阿基米德螺線輪樓梯搬運機的設計[J].佳木斯大學學報(自然科學版),2014(3):405-407.

[14]祝漢營,王志坤.多功能拉椅車的設計與實現[J].硅谷,2015(1):42-43.

[15] 劉柄辰,宋其江,凌志成,等.一種新型全控式自平衡爬樓車的設計與研究[J].機電產品開發與創新,2015(4):34-36.

A Kind of Automatic Transport Vehicle for Climbing Stairs

WANG Yu,LI Sheng,CHEN Wenren,ZHU Man,HAO Wei,WANG Yulin,DONG Yuge
（School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China）

This paper designs a kind of automatic transport vehicle for climbing stairs which can separate the horizontal walking motion from the lifting movement.The horizontal walking is driven by the servo motors through the ball screws,the lifting movement is realized by the electric push rods,the walking motion and the ascending/descending motion can be alternated.And the horizontal walking and lifting movements are all supported by three legs,the stability of the whole vehicle in the horizontal plane is maintained by the stability of the triangle.In the process of climbing stairs,the platform is always in a horizontal state and the goods will not be transported due to tilt and slide.The whole device is monitored by a single chip microcomputer to control the servo motors and the electric push rods to coordinate the movements,and thus the climbing action is completed.

climbing stairs;robot;transport vehicle;automation

TP 271.4

A

1002－2333（2018）01－0120－03

基金支持：合肥工業大學2016年校級大學生創新創業訓練計劃項目（2016CXCY015）

（編輯 昊 天）

王宇（1995—），男，本科生，機械設計制造及其自動化專業；

王玉琳（1966—），男，副教授，工學博士，碩士生導師，主要從事數控技術與機電傳動控制技術的研究。

王玉琳，KL32T@vip.sina.com。

2017-04-08