電動載物爬樓機的開發設計與優化研究

陳泓巖 田力 沈詩祎 陳松 李超凡

【摘 要】隨著社會城市化建設的加快，高樓的普及在一定程度上緩解了城市生活空間小的問題，然而，一些老式住宅尚無條件配備電梯，異常窄小的樓梯給居民上下樓搬運貨物帶來很多困難與不便，并且存在安全隱患。本文所探討的鋼瓶搬運小車以普通的電動載物爬樓機為藍本，將之優化改進，使其應用于SF6鋼瓶的自動爬樓和智能化搬運。

【關鍵詞】電動載物爬樓機；開發設計；優化

一、電動載物爬樓機的開發設計

電動載物爬樓機是一種實用型省力機械，它可以搬運、抬升、攜帶重物上下樓梯，不僅可提高產品運輸的速度與速率，而且對保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、提高勞動生產率、節約原材料消耗以及降低生產成本等有著十分重要的意義。該裝置包括扶把、鋰電池、爬樓輪，抱箍、滾輪，扶把聯接在上部兩端，不同部位配裝有數個活扣抱箍，下部與支撐架聯接，支撐架的一端兩側分別固定有滾輪。機器人高度方向軸線與支撐架的水平面垂直，有效防止側翻。鋼瓶通過不銹鋼框架固定在主體上。機器人利用電機驅動行心輪機構完成爬樓的動作，僅需一人輔助操作控制器控制攀爬的速度和方向。該裝置可應用于SF6鋼瓶的自動爬樓和智能化搬運，對于位于二樓及以上配電室的組合電器新建、擴建、技術改造、大修、故障處理等工作，可有效降低SF6鋼瓶搬運帶來的安全風險，大幅提高工作效率。

1、總體設計

本設計組成部分如圖 1 所示，主要由主車體機架、運動機構、驅動機構構成，在平地運動時由使用者提供動力，依靠輪子和機架實現普通手推車的功能。做爬樓運動時采用 48 V 鋰電池提供動力，配合爬樓裝置實現載物上樓的功能。爬樓裝置由電機、減速器、曲柄、滑塊、支撐連桿等組成，其關鍵部位為曲柄滑塊機構。

2、主體機架

爬樓車的主體機架采用鋁合金，由于鋁合金的強度比較高，具有硬度大、質量輕的特點，可達到相同性能裝置輕量化的目的，使爬樓車在搬運過程中更便捷。

結構主要由電池、載物架、電機承載、連桿、接觸桿、滾子組成。電機承載機構用于盛放鋰離子電池，與車架采用焊接方式連接。曲柄與連桿、連桿與接觸桿通過螺栓連接。

3、運動機構

運動機構如圖 2所示，由減速電機、輪胎、曲柄、滑塊、支撐連桿、接觸桿構成，其關鍵為曲柄滑塊機構。曲柄滑塊機構由連桿、曲柄、機架構成，如圖4所示。曲柄一端通過普通平鍵與減速機相連，以24 r /min相對機架做勻速定軸轉動，另一端與支撐連桿連接組成轉動副，使支撐連桿在曲柄組的帶動下完成平面運動，接觸桿與支撐連桿連接，其兩端各有一個滾子用來與樓梯臺階面接觸，提高結構的穩定性。為了美觀設計，將運動機構用塑料進行封裝。

4、傳動系統

為滿足電助力爬樓車的使用要求，采用48V鋰離子電池作為車載電源，400W-1000W直流無刷電機作為動力源，由直流無刷電機驅動器實現其正反轉及調速功能，進而實現平穩的載物上下樓梯功能。

利用四桿機構來實現動力傳輸，如圖3所示，在電機通電時，通過減速箱帶動四桿機構裝置，利用曲柄搖桿機構運動特性實現往復升降動作，從而使電動載物爬樓機實現上樓或者下樓的功能。電動載物爬樓車的運動大輪采用高強度充氣橡膠車輪，支撐臂所需小輪則采用固定式高強度橡膠小輪，在保證小輪與臺階接觸不損壞臺階的同時，利用橡膠的緩沖作用降低運動時產生的噪音。

二、優化研究

由于主要利用電動載物爬樓機搬運SF6鋼瓶（如圖4），因此對此方面相較于市面上的電動載物爬樓機做了一些方面的優化。

圖4 鋼瓶

1、固定主體使用不銹鋼框架，表層添加塑料壓條固定鋼瓶，并且使用鉸鏈機構快速打開和固定，固定使用鎖扣（如圖5）。

圖5 鉸鏈

2、1）該電動載物爬樓機采用48V6.6AH鋰電池，快速插拔，使爬樓機運行穩定可靠，使用安全，不易損壞失效，且運動方便；2）爬樓機占地面積更小，功能多，對樓道轉角空間要求相對于其他助力機械設備要求較小，在狹小樓梯口相對靈活，自主研發控制板，全面掌控設備運行，保證安全穩定；3）在主體支架上添加支桿與滑輪，使在平路上使用更省力，且新增適應邊緣剎車系統，防止下滑，確保下樓準確；4）該爬樓機使用方便，操作簡單，普適性較高，且多軸傳動，在使用過程中不會產生較大阻力，操作起來更加順手。

三、結語

此爬樓機用于SF6鋼瓶的搬運，采用鋁合金做主體，48 V 鋰離子電池提供動力，大大減輕了搬運工人的勞動量，漏電防護電路保證了使用者的安全操作，為生產與筑造提供了極大便利。

參考文獻：

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（作者單位：國網銀川供電公司）