智能樓梯間貨物載運車的設計與實現

李重陽，赫世敬，米龍閣，劉衛通，白軼華，湯吉浩

（河南理工大學，河南 焦作 454003）

0 引言

隨著經濟的發展和人民生活水平的日益提高，我國城鎮化水平不斷提升，越來越多的群眾入住中高層建筑。但建筑樓層的增加也給群眾的日常生活帶來了一定的困擾。電梯受空間以及結構限制，基本只能實現人員的進出和輕便物品的載運，不能很好地保障重物的載運。若在電梯里放置過重物品，可能就會使電梯出現運行問題，并對人員和貨物的安全造成威脅，因此很多時候只能通過樓梯進行人工搬運。在沒有電梯的建筑中，上下樓梯時住戶往往會因攜帶較多物品而感到不便，尤其是重物的搬運會極大地增加工作強度。

1 智能樓梯間貨物載運車總體設計

1.1 功能設計

本產品采用多元化一體式設計。基于人性化、實用化的原則設計的這款升降式貨物運輸產品，利用剪叉式升降結構確保車身在運輸時始終與地面平行，如圖1所示。為減輕車身重量，車體外殼主要采用ABS塑料，核心承重部件的材料為結構鋼材。車體前后設有扶手，車上安裝有載物箱。車身設有分層式高度調節機構，以調整車體整體高度，如圖2所示。將剪叉式升降結構和控制系統相結合，實現了載運車一次可上升單層、多層樓梯的功能。本產品主要用于運載尺寸中等、重量小于200kg的貨物或用于運輸餐盤等，利用雙控制系統——單片機智能控制系統和閉環直流電機調速控制系統，能顯著提高貨物運輸效率、載運車實用性與自動化程度。既提高了貨物運輸效率，又保證了貨物的安全。

圖1 智能樓梯間貨物載運車內部立體圖

1.2 產品組成部分

主體結構如圖2所示，智能樓梯間貨物載運車的主要組成部分有：立式載物箱、剪叉式升降結構、伸縮式重心輔助腿、獨立轉向輪。

圖2 智能樓梯間貨物載運車外觀設計圖

動力源：蓄電池。

智能識別控制系統：超聲波檢測系統、激光模塊、紅外模塊、STM 32RCT6單片機主控系統、陀螺儀、攝像頭導航系統。

應急處理裝置：雙控制系統設計——單片機智能控制系統和閉環直流電機調速控制系統。

1.3 攀爬樓梯結構設計

利用剪叉式結構升降原理[1]，結合滾珠絲杠、齒輪傳動結構，使攀爬腿實現升降。將載運車上方電機的差速驅動力傳輸到滾珠絲杠上，滾珠絲杠與剪叉式結構合理配合，將剪刀撐側壁間夾角減小，達到提升的目的，下降與上述相反。由于剪叉式升降作業平臺的升降高度可任意調節，所以載運車既能一次攀爬一節樓梯也可一次攀爬多節樓梯。

1.4 重心平衡結構設計

在載運車升降過程中，若沒有輔助裝置因重心必定前傾，造成安全問題。為解決載運車在攀爬樓梯過程中，載運車重心位置發生變化而翻倒，創新性地設計出伸縮式重心輔助腿機構，巧妙利用絲杠光桿結構，使伸縮式重心輔助腿在攀爬腿提升（下降）時，可以下降（提升），保持載運車重心處于安全的位置，從而解決重心前傾的問題。

1.5 獨立轉向輪結構設計

轉向輪與載運車整體是相互獨立的，腿部下方的獨立轉向輪通過齒輪鏈條傳動使轉輪轉動90°而載運車整體車身不動，以實現在狹小樓梯處轉向。

1.6 動力多級利用結構設計

載運車上方的大扭矩電機為載運車提供升降動力，載運車需要升降時，與液壓伸縮桿相連接的錐齒輪在伸縮桿的推動下與電機相連接的錐齒輪接觸，使下方與剪叉式結構配合的絲杠轉動，從而使載運車升降。將鏈條鏈輪固定在剪叉式支撐臂上，解決變距動力傳輸問題，將電機動力傳輸到載運車下方移動輪，為其提供前進后退動力，減少電機數目，達到動力多級利用。

2 智能樓梯間貨物載運車智能工作原理

2.1 智能樓梯間貨物載運車工作流程

載運車采用立體式載物箱存放貨物，利用安裝在獨立轉向輪上的激光測距模塊來實時檢測載運車與樓梯間的距離，將激光測距模塊的數據實時傳輸給控制器（STM 32F103單片機控制板）[2]來判斷載運車是否進行升降操作，激光測距模塊對樓梯間距離測量的準確率達毫米級別。同時利用伸縮式重心輔助腿的降升來穩定載運車重心。此時平衡儀（MPU6050陀螺儀）將載運車的水平度實時傳給單片機控制器，控制器判斷是否進行平衡調整，陀螺儀調整載運車傾斜成功率達99%以上。考慮到樓梯轉彎處比較狹窄，本團隊采用獨立轉向輪設計，在轉彎過程中，轉向輪進行90°轉向，但載運車整體車身保持不動，從而實現載運車在狹窄空間處穩定轉向的功能。為了減少電機的使用，本團隊將鏈輪鏈條附著在剪刀撐側壁，使剪叉式升降結構的動力傳輸給獨立轉向輪，從而實現變距動力傳輸，不僅減輕了載運車的重量，而且降低了控制的難度。工作流程如圖3所示。

圖3 智能樓梯間貨物載運車工作流程圖

2.2 激光測距流程

激光測距模塊使用脈沖法測量距離[3]，測距儀發射出的激光脈沖被測量物體反射后又被測距儀接收，測距儀同時記錄激光往返的時間。通過內部算法D=CT/2n，計算得到距離數據。采用激光脈沖測距法使結果精確到毫米級別，極大提高了測量的準確性。將距離信號傳輸給單片機，當距離小于設定值時，單片機輸出信號，載運車進入攀爬樓梯模式。

2.3 平衡儀流程

MPU 6050陀螺儀的芯片內部集成了數據處理子模塊DMP，可對傳感器得到的加速度及平臺傾斜角度進行數據濾波、整合處理，并將結果直接輸出給單片機，單片機通過數據判斷平臺是否傾斜，并自動控制相應電機進行平衡調整[4]。

2.4 智能樓梯間貨物載運車應急處理系統

采用雙控制系統設計方案（左右腦），單片機智能控制系統以及閉環直流電機調速系統共同協作控制設備，規避某一系統故障造成的風險，也可對意外情況進行更快更好的處理。雙控制系統中任一系統出現故障時，1s內停止該系統，由另一系統控制設備繼續平穩運行[5]。可在2s內啟動中斷服務程序，處理意外情況的準確率可達99%以上。單片機智能控制系統以單片機為主控制核心，內部燒寫程序，根據檢測信號自動輸出控制信號，維持載運車智能化運行；閉環直流電機調速系統由轉速負反饋和電流負反饋組成，實現串級連接，維持自身電機轉速的穩定。

3 結語

建筑樓層的增加標志著我們生活水平的升級，但也在無形中給我們的日常生活帶來困擾。傳統人工搬運重物上下樓梯，效率低，并且長期搬運容易對搬運工人的身體造成傷害。本產品通過改善現有貨物運輸設備所存在的缺陷，有效解決樓梯間貨物運輸問題，實現高效自動化運輸，為運輸人群提供更安全、更高效、更實用的工具。