爬樓梯助力小車設計研究

石小磊 楊慧雯 安鵬悅 劉學帥

摘要：樓梯是人造環境中的最常見的障礙，也是移動類小車最難跨越的障礙之一。而且隨著人力成本的加大，運送一次需要較大的成本。自人類發明 工具以來，在各行各業中都進行了創新與拓展解決問題。設計一款有利于生活應用價格便宜的爬樓梯小車。

一、爬樓梯裝置的國內外研究現狀分析

國外對爬樓梯裝置的研究開始相對較早，最早的專利是 1892 年美國人?發明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛投入此項研究，發達國家的技術相對?比較成熟，且有產品已經投入到市場使用。我國對此裝置的研究雖然起步?較晚，但近年來也涌現了很多該方面的專利。主要是履帶式、輪組式、步?行式、復合類爬樓裝置，各個結構均有優缺點。英國 Baronmead 公司開發?的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結構，可爬樓梯的最大坡度是 35?°，上下樓梯速度為每分鐘 15-20 個臺階。但由于重量大、運動不夠靈活、 爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞，且平地使用所?受阻力較大，轉彎不方便等限制了在日常生活中的推廣使用。我國在上世?紀八十年代對輪組式爬樓梯裝置已有研究，1987 年專利號 86210653 的國家?專利中介紹了一種平地、樓梯運行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都用多個行?星輪組成，除自轉外還繞輪軸公轉而實現上下樓。但輪組式爬樓梯裝置體?積較大，需要對結構進行優化。吉林農業大學張楊設計的一種電動載物爬?樓梯小車，是以行星輪機構為關鍵裝置的具備半自動爬樓與路行兩種功能?的載物小車，并對載物小車的爬樓梯機構、動力傳遞及結構鏈進行設計。但在輪子上裝有電機，對獨立運行的輪子需要同步控制。

市場推廣使用中大多數均為手動提拉小車，雖然價格便宜，但承運重 量有限，并對較重物品的運輸需要很大的人力，對于行程較遠的運輸，非 常的費力。同時也有專用的爬樓梯設備，但價格昂貴，體積龐大，不適合 家居使用。并且對多數只使用一次的個人來說，單次購買不夠劃算，除了 進行重物的搬運，在生活中其它方面使用均不方便，增加了使用成本。

二、研究方向

針對目前人力成本的提高，生活節奏的加快，生活中所遇到搬運重物 爬樓梯上樓的問題，方便人們的生活，設計一款爬樓梯助力小車，主要內 容如下：該可爬樓梯的助力小車，采用行星輪系傳動機構，Arduino 單片機 控制傳感器與電動機實現動力的補給，框架式車身結構等。最大承載重量 為 100kg，做好車身結構的設計;解決水平路上助力行走、生活中樓梯高度 的助力爬行，助力速度為 0.5-2m/s 范圍內。

1.小車本體的結構設計，采用框架結構，減輕自身重量，同時要做到 提升承載能力。增加托板，在爬行時可以使物體直立于上面。使結構的設 計既可在實現水平路上助力行走，又可實現助力爬樓梯行走。

2.行走機構采用行星輪設計，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。

3.動力輸出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。

三、爬樓梯助力小車的優點

本專業實驗室具有較全面的加工設備，基本上可完成整體的加工過程。項目負責人在多年的教學與實踐中積累了一定的理論與實踐能力。完成對?實踐環節和競賽的指導，對結構和電控專業知識具有大量的基礎知識儲備。查閱文獻資料對爬樓梯小車的應用環境以及廣泛性進行了解，對產品的外?觀和主要機械結構進行設計，對電控系統進行構建，實現助力控制，組裝?調試。根據項目研究內容，制定項目實施的具體技術路線如下：①整理資?料，收集爬樓梯小車的行業背景，發展現狀。②小車的結構設計，對結構?進行優化改造。③行星輪傳動系統設計，對中心輪、行星機構之間的傳動?比進行計算。④電動系統設計，實現助力運動。⑤開發控制程序，應用?Arduino 單片機對運動系統進行程序設計。⑥采用直立機構，可以在爬樓梯?時使物體直立于車上。行星輪系傳動，傳動軸與車輪一起構成傳動系統，縮短傳動距離。⑦電動助力，可節省人力成本。

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。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.

結束語：

該項目設計出的爬樓梯助力小車可以平時家用，又可以進行重物運輸 的爬樓梯助力小車，在爬行時還可以使物體直立于小車上面。解決了運送 重物時省時省力，設備在居家生活中可多次使用，價格便宜等問題。

參考文獻：

[1]王彥磊，武建新，朱吉魁，等. 電動助力載物爬樓小車設計[J]. 機械 研究與應用，2018，v.31;No.154（02）：100-101.

[2]于蔚然，羅俊，高哲，等. 可折疊爬樓助力小車的創新優化[J]. 機械，2016，043（008）：63-65.

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