爬樓梯小車的設備結構控制及優點

石小磊 楊慧雯 安鵬悅 劉學帥

摘要：隨著現代科技的發展，許多難以解決的問題都被科學技術所解決。例如：由于空間的限制，地鐵站，學生宿舍，教學樓等公共區域，不能開設?零售超市來滿足人們的日常購物需求，由此自動售賣機誕生了，它的誕生給人們提供了極大的便利，同時也節省了人工和空間;騎車出行是一種環保的出?行方式，同時也可以鍛煉身體，但當我們離開自行車時，停放卻變成了難題，還要時刻上鎖，忘記鎖還要擔著被偷走的風險，由此在 2014 年的時候 ofo 的?小黃車誕生了，也就是我們所熟知的共享單車，它的出現極大方便了人們的出行。爬樓梯在我們日常生活中是不可避免的，并且隨著我國老舊小區的增多，而這些小區大多都是無電梯的，而且在這里生活的大多數都是老人，上樓下樓卻成了難題，但爬樓梯時膝蓋承受的壓力是體重的 3～4 倍，這無疑對膝蓋巨?大的創傷，更何況是負重爬樓梯。由此爬樓梯小車，出現在人們的視野里。

關鍵詞：爬樓梯小車;結構;有點

據統計數據顯示，目前，全國各類殘疾人總數已達 8500 萬 60 歲以上 老年人口已經達到 2.3 億。其中一些殘疾人可能是腿部癱瘓或者截肢，而 讓這些殘疾人獨自爬樓梯幾乎是不可能實現的，但可以在輪椅上加裝一個 類似于爬樓梯的裝置，加以手柄控制方向，這樣就可以輕松的上下樓梯;大多數老人住的一般都是老舊小區，需要爬樓梯來進入自己的住所。而且 這些老人的子女一般都不在身邊，隨著年齡的增長骨骼韌性下降，并且骨 骼萬一受到創傷會用很長的時間去恢復，身體一旦失去平衡使骨骼受到創 傷，后果不堪設想。隨著經濟的發展，科學、社會的進步，百姓生活的改 善，這類人群的行動不便，越來越受到全社會的關注。

一、爬樓梯小車的設備結構

采用輕量化材質鋁合金，結構方面采用框架結構，減輕自身重量，同 時還要做到提升承載能力。在人手拉桿處套入一個橡膠皮套，防止貨物因 手滑而脫落，同時也防止手被磨傷。增加托板，在爬行時可以使物體直立 于上面，還需要增加擋板，防止其在爬樓梯的過程中貨物滾落，使其結構 既可在實現水平路上助力行走，又可實現助力爬樓梯行走。這樣可以方便 人們在平地和樓梯之間自由切換，提高了其工作效率。

1.1 行走機構方面

采用行星輪設計，在不同的環境路段自動實現兩種輸出模式的調節，從而 做到所需不同力矩的輸出，使能量使用率得到提升。減少了其電能的損耗。通 過手柄來控制爬樓梯小車的運動速度和方向，是人們使用起來更加的方便，使 其更好的被人們操控。動力輸出方面：一方面依托人力完成，另一方面依靠電 動機補充動力進行助力行走。這很大程度減小了人上樓膝蓋所承受的壓力。

1.2 控制模塊

爬樓梯小車選用 Arduino 單片機控制，Arduino 是一種開發工具軟件，不是一種芯片，也不是一種電路板。它可以支持很多種處理器芯片的開發，內部有很多庫，軟件和硬件開發方式具有很明顯的搭積木方式，開發應用，簡單、方便、快捷。Arduino 是平臺 Arduino 只是一個用 java 和 gnu 實現的、 開源的開發平臺，其結構源于藝術愛好者做的 Processing 軟件開發工具。它?可以支持多種 MCU，但是當前只是支持有限的 MCU，現在支持的也不少了。

二、編程語言

Arduino 采用匯編、C 和 C++混合編程，采用成熟的開源 gcc 來編譯。

2.1 應用

Arduino 主要用于前端的無操作系統、以實時控制為主的環境，如機器人前端控制，四軸飛行器前端控制，3D 打印機前端控制等。對簡單的控制 系統，只用 Arduino 開發就可以了。在控制策略上，基于電機穩態數學模型 的電壓頻率控制方法和開環磁通軌跡控制方法都難以達到良好的伺服特 性，當前普遍應用的是基于永磁電機動態解耦數學模型的矢量控制方法，這是現代伺服系統的核心控制方法。雖然人們為了進一步提高控制特性和 穩定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結構控制、自適應控制等理論，還有不依賴數學模型的模糊控制和神經元網絡控制方法，但是大多在矢量 控制的基礎上附加應用這些控制方法。

2.2 動力方面

我們選用交流式伺服電機（伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控 制的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自 帶的編碼器反饋信過控制系統設置空擋，前進，后退三個擋位，來實現對 于產品的控制。

結束語：

爬樓梯助力小車主要的受眾人群為老居民樓的老年用戶，既要輕便也 要安全，并且在控制方面要簡單，隨著我國老齡化，受眾人群也越多。雖 然現在大部分小區都裝備了電梯，但一些幾十年前的老舊小區并沒有加裝 電梯，并且這些小區樓梯的高度較高，老年或身體不方便的人群難以攀爬，除此之外居住很多老人的老舊小區加裝電梯實行也非常困難，樓層底的住 戶不需要電梯或者對電梯需求少，不愿意出這份錢去建造電梯，而且有的 住戶認為建造電梯還會影響其屋內的采光，不同樓層的住戶意見不統一，難以全面實行其老舊小區的電梯全面安裝。而且審批復雜、破壞房屋結構 等也成為主要“攔路虎”。在加裝電梯難度大，爬樓梯小車造價又高的情況 下，可以采用”共享”爬樓梯小車的方法去解決這一問題。

參考文獻：

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[3]王琳，劉軍，胡碧波. 具有防翻轉功能爬樓小車的設計與性能研究[J]. 機械制造與自動化，2015，44（4）：4.

本文系：2021 年校級大學生創新創業訓練項目《爬樓梯助力小車》，項目編號：2021193208019