爬樓小車結構設計

石佳明+項佳磊+田爽+侯永濤

摘 要：文章簡述爬樓小車的結構設計，從爬樓車輪組結構設計開始介紹，具體介紹了行星輪的減震功能；然后介紹了防倒退結構設計；再介紹了載貨面結構設計，對其中上下車架調節裝置的作用作具體說明，最后得出結論，說明這款小車的可行性和合理性。

關鍵詞：爬樓小車 行星輪 結構設計

中圖分類號：F416.47 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（b）-0090-02

Abstract： Briefly introduct to the structure design of climbing car，This paper introduces the design of the structure of the cargo plane， and introduces the design of the cargo plane structure. The function of the upper and lower frame adjustment devices is described in detail. Finally concluded. Describe the feasibility and rationality of our car.

Key Words： Climbing car； Planetary wheel； Structure design

隨著國家樓房高度的提高，人們對貨物的搬運需求也在日漸提高，然而電梯高昂的成本并不能讓電梯普及。所以迫切的需要設計出一款合理的爬樓小車來滿足人們的需求。接下來筆者會從爬樓車的目前現狀和發展前景兩個角度來介紹一下爬樓車的魅力。

1 爬樓車的結構原理

首先從爬樓車的目前現狀來了解一下爬樓車。其實在國內外這個課題發展得已經很不錯了。國外第一架爬樓輪椅早在1892年就已經被一個叫做Bray的美國人申請專利[1]。此后許多國家對這個爬樓項目紛紛投入研究。其中以美國、英國、德國、日本等國家的設計結果最突出。在那些設計師的智慧下，大體出現了4種主流爬樓機構。

1.1 步行式爬樓車

這個結構的原理就是用腿爬樓。通過模仿人類或者動物的爬樓過程來設計出的成果。不只是類似于人類的雙足左右配合爬樓，先將輪椅抬高，再平移一段距離來爬樓[2]。也可以模仿貓的四足配合爬樓過程。這按成果說應該是爬樓最穩、震動最小、結構最合理的結構，但是這種機構有一個通病，那就是控制太復雜。就拿人型爬樓機構來說，它的兩條腿中每一條腿至少都有3個關節，也就是3個自由度，說明在這些關節的地方都是需要電機來提供動力的。這些外部結構的設計不難，但是對于它們的控制就難了。因為它是一個平穩爬樓的過程，所以需要涉及PID算法控制。在這個過程中需要反復地計算出3個電機之間的合適旋轉角度來使抬腿和伸腿不會使整個機構傾倒。日本長崎大學機械工程系研究了一種高階爬樓梯裝置[3]，它由一系列液壓操作桿和前后兩組星型輪構成，集步行式與輪組式設計理念于一體。裝置通過星型輪的翻轉上下樓梯，座椅底部的傳感器檢測裝置的平衡情況，控制操作桿自動調節使裝置在爬樓過程中始終位于穩定狀態。不得不說在這一種步行式結構領域我國的發展現狀令人堪憂。

1.2 履帶式爬樓車

顧名思義這種車的結構模仿的是坦克履帶結構。這種結構的優勢很明顯，它運行平穩，震動極小，可以在各種不規則地形上如履平地。還有就是它的傳動效率極高。這個說明它在相同容量電池下的續航能力很強。畢竟電池這一領域的研究全世界都是一個大問題。當然它的缺點同樣明顯，它太笨重了，這是履帶式結構的通病，在狹小的樓道里，轉彎會是一個大問題。而且履帶式的爬樓受力點是樓梯的邊緣部分。這對樓梯必定是有損傷的。所以這種結構在民用這一領域很難推廣。

1.3 行星輪結構爬樓車

這應該算是比較簡單的一種機構，它相當于把圓形輪子分割了，平均分成二到四部分。就拿三行星結構作為例子，它是把一個三角形（三角形的邊往內部成一個弧度，角部分向外突出）作為小輪支架，3個角的地方安裝輪子，通過輪子交替作為支撐點來爬樓[4]。這種結構很普遍，成果也很多。而國外的設計師在這種結構設計中的著重點在于平衡感的控制。在一種叫陀螺儀感應器件的幫助下，達到自動調節爬樓車的重心平衡。經過許多年的研究，美國設計師Dean Kamen率先發明了這種能夠自動調整重心的兩輪組式輪椅iBOT。但是這種主要用于病人之類的行動不便之人。所以它的設計理念核心在于加強人。所以成本在設計時不是主要因素，因此這一類車的價格十分昂貴，難以被普通人接受。而作為普通人，一般也不需要自動調節重心這一功能。因為人類本身小腦的平衡感是很棒的。所以只需要設計出一款合適的行星輪結構就行。至于控制方面要求就沒有很高。所以說這種爬樓結構是市面上最普遍的一種結構。但是這種結構卻有一個缺陷，就是重心在每爬一層都會有一個重大的變化，通俗地說就是摔上去的，這個很影響結構的安全性和壽命。所以說在這一類型的設計中減震是很重要的。減震功能不能只靠橡膠輪的緩沖來實現。

1.4 復合類爬樓機

這一類就是集合了上述3種結構的優點來設計的一種爬樓機，是設計師們的追求方向。而現在就已經開發出了腿-履復合和輪-腿-履復合等結構。設計主要是依靠腿式機構完成越障，以及履帶平穩性和輪組的靈活性來達到功能的完整。但是也有弊端，結構變復雜以后，控制就變得要求很高，而且考慮的不穩定因素也變得很多。

總之大體結構有上述4種，每一種的優缺點都很明顯。至于發展現狀，國外早在100多年前就已經開始了對該項目的研究，開發出來的成品也琳瑯滿目。至于國內，現在的成品樣式有，但是不多，主要還是因為成本過于高昂，人們對其興趣不大。

2 爬樓車在國內的發展前景

這個項目的發展前景還是很不錯的。畢竟我國在建筑方面的成就越來越突出。高樓搬運始終是一個需要解決的問題，當今人們很需要有一種方便簡單的裝置來實現爬樓搬運的功能。而且我國人口眾多，需求量巨大，存在六樓以下樓層極少有電梯存在的現狀，為人們提供了設計出一款合理爬樓機的先天條件，所以說發展前景很可觀，潛力無限。

3 結語

本論文簡單的介紹了實現爬樓小車的4種主要原理和優缺點，讓人們對這一工具有一個充分了解。知道了有步行式爬樓車、履帶式爬樓車、行星輪結構爬樓車、復合類爬樓機這4種主要結構，也知道了它們在機械結構和控制兩方面上的優缺點。之后就是介紹這一類設計在我國的巨大發展前景，讓設計者能夠更加放心大膽地去設計這一款實用的爬樓結構。

參考文獻

[1] 蘇和平，王人成.爬樓梯輪椅的研究進展[J].中國康復醫學雜志，2005，20（5）：366-368.

[2] 項海籌，烏蘭木齊，張濟川.手動爬樓梯輪椅[J].中國康復醫學雜志，1994 9（2）：62-66.

[3] Murray John LAWN.Study of stair-climbing assistive mechanisms for the disabled[D].Japan：Nagasaki University，2002.

[4] 蘇和平，土人成.一種雙聯行星輪機構電動爬樓梯輪椅的設計[J].中國臨床康復雜志，2005，9（26）：144-145.endprint