基于輪履式爬樓裝置切換機構(gòu)的設(shè)計研究

摘 要：本文針對于目前存在的履帶式和輪組式的爬樓裝置進行了分析研究，并通過對爬樓裝置的市場需求分析以及對樓梯的形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)一般化處理，優(yōu)化設(shè)計出模塊化輪履式爬樓裝置，并對于爬樓裝置的轉(zhuǎn)換機構(gòu)進行設(shè)計分析，并最終選用輔助支撐式輪履切換機構(gòu)，很好地實現(xiàn)了樓梯運行和平地運行之間的切換，保證了運行的穩(wěn)定性，該機構(gòu)還可以進一步推廣應(yīng)用到其他的爬樓或者上坡設(shè)備，實現(xiàn)了通用化以及模塊化。

關(guān)鍵詞：輪履式；輔助支撐機構(gòu)；爬樓裝置；切換機構(gòu)

目前隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人民生活水平的提高，人們的居住環(huán)境逐漸從平房向居民樓轉(zhuǎn)變，然而生活方便的同時卻也帶來一系列的不方便之處，對于舊式的和低層的居民樓并沒有配備電梯，因此一些生活物品或家具的搬運成為居民生活的難題，從當(dāng)前發(fā)展來看還沒有較為通用的爬樓的輔助搬運設(shè)備，來解決無電梯居民樓的搬家、裝修等重物的搬運問題。

1 針對于當(dāng)前存在的爬樓裝置，按照爬樓功能實現(xiàn)的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式三類爬樓梯裝置

1.1 履帶式

履帶式爬樓裝置的底部是履帶式的傳動結(jié)構(gòu)，運用履帶與樓梯之間的摩擦力達到爬樓和爬行的目的，運用履帶進行爬樓的優(yōu)點主要是運行平穩(wěn)，可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境，能滿足大多數(shù)工作條件的要求，并且承載能力比較強，適應(yīng)性比較好，一般履帶式爬樓裝置的上下樓梯速度為每分鐘15-20個臺階；缺點是工作時噪音太大，能量損失太高，在平地狀況下運行時速度較慢，形成時間上的浪費。

1.2 輪組式

輪組式爬樓梯裝置運用輪或輪組實現(xiàn)爬樓的目的，在輪組式爬樓裝置中，當(dāng)平地行走時，各小輪自轉(zhuǎn)；而爬樓梯時，各小輪一起公轉(zhuǎn)。輪組式爬樓裝置優(yōu)點是活動范圍廣，運動靈活，平地運行時穩(wěn)定性較高，速度相對履帶式可以達到很高的要求，缺點是自動化程度不高，上下樓梯時平穩(wěn)性不高，重心起伏較大，在爬樓過程中需要借助外力才能保證重心的穩(wěn)定，而且輪組式爬樓梯裝置體積較大，很難在普通住宅樓梯上使用。

1.3 步行式

步行式爬樓裝置通過模仿人腿的動作來實現(xiàn)爬樓的目的，其爬樓梯執(zhí)行機構(gòu)主要由鉸鏈桿件機構(gòu)組成。步行式爬樓梯裝置外觀可視為足式機器人，采用多條機械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。步行式爬樓梯裝置優(yōu)點是爬樓時運動平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯；缺點是對控制系統(tǒng)的要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時運動幅度不大，動作緩慢。

本文設(shè)計的輪履式爬樓裝置，綜合了履帶式和輪組式的優(yōu)點，爬樓時可以平穩(wěn)勻速運行，承載能力比較強，適應(yīng)性比較好；平地運行時活動范圍廣，運動靈活，穩(wěn)定性較高，速度相對履帶式可以達到很高的要求，并可以根據(jù)人員需要進行調(diào)節(jié)；與此同時，通過設(shè)計平地運行模塊和爬樓運行模塊的平滑切換機構(gòu)，避免了重心的過度起伏，保證了裝置整體的穩(wěn)定性。

2 平地運行和爬樓運行切換的機構(gòu)主要有以下三種

2.1 棘輪機構(gòu)切換

利用雙向棘輪的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)履帶和車輪的切換，棘輪可以防止爬樓過程中履帶的倒退，進而保證人員安全。這種方案的優(yōu)點是在一個運行狀態(tài)下能平滑的切換到另一種模式，但是需要的控制力較大，需增加液壓或機械增力機構(gòu)，進而會增加整體體積，使爬樓裝置整體偏大；同時棘輪機構(gòu)在運轉(zhuǎn)過程中容易磨損，會造成運動以及停止的不穩(wěn)定性，進而增加爬樓裝置重心的震蕩。

2.2 平行四邊形機構(gòu)切換

采用平行四邊形機構(gòu)實現(xiàn)裝置底盤上履帶的升降，從而將平地運行模塊切換到爬樓運行模塊，這種轉(zhuǎn)換的優(yōu)點是易于控制，借助于電動推桿能很好地控制履帶升降的高度，但是在爬樓過程中不能保證爬樓裝置的穩(wěn)定性，并且在輪履模塊切換時自動化程度低，同時由于平行四邊形機構(gòu)的剛度要求，使得運載貨物的承載能力有一定的限制。

2.3 輔助支撐機構(gòu)切換

通過對輪履模塊切換機構(gòu)進行需求分析，設(shè)計了輔助支撐機構(gòu)來進行平滑切換，該機構(gòu)集成了雙向棘輪式和平行四邊形機構(gòu)的優(yōu)點，能平滑穩(wěn)定的切換平地與爬樓運行兩種模塊；在輔助機構(gòu)末端安裝支撐輪，當(dāng)下放該機構(gòu)時釋放支撐輪，同時履帶會抬起，保持一定的互鎖性，避免履帶和車輪同時作用的重復(fù)支撐；借助支撐輪使得爬樓裝置保持一定的穩(wěn)定性，通過控制電動推桿伸縮的長度適應(yīng)不同坡度的樓梯，使得爬樓時整體裝置的重心靠近履帶前段三分之二處，消除了因安置貨物不當(dāng)造成的裝置整體重心偏后而導(dǎo)致的附加阻力。

3 結(jié)束語

通過對輪履式爬樓裝置的詳細(xì)設(shè)計分析，該輔助支撐機構(gòu)能使該裝置實現(xiàn)平地搬運，樓梯搬運兩種工作模式的平順、快速、穩(wěn)定的自動切換，而且利用履帶的差動可以實現(xiàn)裝置在狹窄的樓梯上攀爬、轉(zhuǎn)彎等動作，無需操作人員的過多干預(yù)，并借助電動推桿的伸縮，形成一個良好人機交互手段，使操作更方便、靈活；該裝置控制系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的嵌入式系統(tǒng)，在保證爬樓裝置運行過程的可靠性和經(jīng)濟性前提下，提高整個系統(tǒng)的可維護性和操作性。

參考文獻

[1]王麗娟.行星滾輪轉(zhuǎn)換步行式驅(qū)動爬樓梯輪椅設(shè)計[D].蘇州大學(xué)，2010

[2]孟曉東.輪履組合式電動爬樓輪椅的研究[D]. 長春理工大學(xué).2013

[3]呂龍飛. 輪腿式輪椅傳動系統(tǒng)設(shè)計與爬樓過程仿真[D].河北工業(yè)大學(xué)，2013

[4]李睿. 一種平地、樓梯兩用助行裝置的建模與設(shè)計[D].南京理工大學(xué)，2009

[5]童俊華.行星輪式爬樓梯機器人小車的研究[D].江西理工大學(xué)，2010

[6]武可艷.爬樓越障機器人機構(gòu)分析與綜合研究[D].河南工業(yè)大學(xué)，2013

[7]王淑坤， 孟曉東，等.一種輪履組合式爬樓輪椅的設(shè)計長春理工大學(xué) [J]2013.1004-2539

[8] 黑沫.可變形履帶機器人設(shè)計與運動分析國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)[D]. 2010

[9]孫振杰，劉俊峰，等.微型農(nóng)用履帶式行走裝置的設(shè)計方法[J].農(nóng)機化研究，2011，33（10）：55-58

作者簡介

張潤鋒（1993- ），男，研究方向為機械設(shè)計制造及其自動化。