可折疊隱形步梯斜坡滑道機構設計

楊 松，周淑文，艾 瑩

（1.東北大學機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819）

1 前言

步梯在建筑中廣泛存在，火車站、地鐵站、居民樓、碼頭、過街天橋等場所隨處可見。隨著時代的進步，部分場所安裝有電梯或電動扶梯，但難免會碰到設備故障或維修不能使用的情況；還有很大一部分建筑由于受到環境或其他因素影響，沒有安裝電梯或扶梯，所以步梯將會長期應用于建筑設施中。但目前固定設置的步梯也暴露出一些問題：對于自行車或電動車推行、行李拖拽及家用購物車等帶來諸多不便[1]，如圖1所示。

圖1 火車站電梯屢“罷工”旅客無奈當“搬運工”Fig.1 The Elevator of the Railway Station Repeatedly "Strikes" and the Passengers Have no Choice But to Become "Porters"

目前常見的步梯無障礙實際應用解決辦法：直接在步梯上澆筑水泥，做成永久斜坡滑道，如圖2所示。

圖2 斜坡滑道裝置Fig.2 Slope Slide Device

這樣既影響了原有步梯的美觀，且步梯變窄影響部分功用。通過專利檢索，多從理論上解決了問題，但大多機構和操作方式過于復雜，且占用面積大影響了部分原步梯的使用功能。文獻[2]給出了一種樓梯行李搬運滑道設計方案，通過在樓梯上安裝可翻轉的滑道裝置實現坡道與步梯的轉換，裝置體量大，占用樓道空間，操作笨重復雜。

文獻[3]提出一種樓梯與滑道模式互換裝置及控制方法，通過電機驅動曲柄搖桿機構運動，實現臺階與滑道的轉換。此設計需要增設電路和控制系統，穩定性和安全性欠缺。一種通過設置固定坡道形式樓梯坡道實現行李箱的拖拽，占用步梯，沒有實現步梯與坡道的使用轉換[4]。

可見固定、本體笨重、占地面積達，結構復雜需專人操作利用率低，對步梯結構改動較大并破壞樓梯和影響墻體美觀等問題制約了步梯坡道裝置的應用普及。

2 機構與結構設計

2.1 設計原則

可折疊隱形斜坡滑道裝置應具備以下特性：模塊化設計，標準化、規格化，便于裝置重組與安裝，力求以少數模塊組成盡可能多的產品[5]；小型化設計，占用面積小且對原步梯功能影響較小；機械機構設計，不受供電情況影響；無障礙設計，實現步道和坡道的轉換，滿足不同人群的使用需求。

除了滿足以上特性外，還應該滿足以下要求：

安全性原則：隱形坡道應用于人們的日常生活，與人緊密接觸，設計的過程中必須要考慮整個裝置的結構安全、運動方式與參數的合理性、零部件的強度和應力、工藝的安全性等[6]。

通用性原則：零部件的通用性可有效降低產品的庫存成本、開發制造成本和使用回收成本[7]。居民樓、過街天橋等建筑，因為功能性不同，步梯的尺寸會有所差別，加上建筑單位的設計標準上的差別，相同類別的建筑，步梯尺寸也會有所不同，所以在設計的過程中要充分考慮不同類別步梯，做到裝置的通用性，能滿足絕大多數步梯使用要求。

情感化設計原則：以人為本，產品設計除了要滿足物理功能之外，要關注產品的情感表達，強調用戶的情感需求[8]。外觀需求，功能是產品設計的前提，但功能是決定外觀的必要條件而不是充分條件[9]，符合造型的美學原則[10]；語義需求[11]，當使用者看到裝置就能理解其功能和使用方法。

2.2 設計方案

所謂可折疊隱形斜坡滑道裝置，即在步行時折疊成步梯形附著在步梯上，用于坡道時使其沿步梯展成一個平面。使用時通過機械機構運動將隱藏在步梯上的支撐板支起形成斜坡滑道，如圖3所示。

圖3 可折疊隱形步梯斜坡滑道Fig.3 Foldable Hidden Step Ramp

由圖3可知，坡道、步梯平面和步梯垂直面組成一個三角形。由于三角形兩邊之和大于第三邊，作為步梯的兩塊隱形支撐板支起后會出現重疊或相互干涉現象，使整個斜坡滑道不能形成一個斜面。為了解決不在一個平面問題，設計將兩塊支撐板相交部位使用交錯梳齒型交叉，且主動板加橫拖，能拖住從動板運動，即可將從動板抬起，形成平面，這樣就可以讓行李箱或嬰兒車等拖行通過。

隱形坡道，作為一種輔助設施安裝在步梯上，最大限度不破壞步梯結構功能，結構緊湊，節能環保，拆卸方便，同時作為步梯使用時還具有防滑功能。

3 隱形坡道機構設計與建模

3.1 坡道機構設計

初始設計的坡道機構的支撐板是三角形的兩個直角邊，變成斜坡滑道是斜邊，如圖4所示。并且主動板與軸固定在一起，在梳齒型頂端加橫托，當軸旋轉帶動主動支撐板，橫托拖住從動板運動，形成了斜坡滑道。從理論上可行，但是當行李箱等物品拖行通過斜坡滑道時重力全落在軸上，造成扭矩非常大，由于軸是可旋轉的，同時要支起兩塊支撐板，又要控制軸的運動，為了保證機構的穩定，需增加其他輔助裝置，這樣不僅增加機構復雜程度，占用大空間，還破壞樓梯本體。

圖4 梳齒型結構示意圖Fig.4 Diagram of Comb Structure

3.2 改進的坡道機構設計與建模

為解決初始設計方案扭矩大、無法均勻受力、機構復雜等問題，改進的坡道機構將主從動支撐板組成的斜坡滑道進行上下移動，使懸臂受力的梳齒交叉中心部位搭接在步梯棱沿上，實現由步梯棱沿支撐，而支撐板的轉軸由側板支撐，從而在坡道使用過程中無需驅動扭矩提供支撐，而且達到受力均衡。

步梯踏步寬度最佳為（275～289）mm。梯級的高度一般為（127～200）mm，最佳為（165～178）mm[12]。向下運動距離大于向上運動距離，從力學上分析，拉力與支撐板重力夾角小，本身受重力影響，因而省力。相反如果起始向上運動，拉力與支撐板重力夾角大，從而費力，如圖5所示。從支撐板結構上分析，最下與最上兩塊支持板不能與其他支撐板形成一個組合，需要附加裝置控制，增加了復雜程度，因此起始運動向下運動形成斜坡滑道為最佳方案。

圖5 受力分析Fig.5 Force Analysis

垂直主動支撐板與上一步梯上的另一片平行從動支撐板用180°鉸鏈連接形成一個組合，展開后就形成一個平面。當行李箱、自行車等通過時，所有與樓梯接觸部位、鉸鏈軸和兩塊支撐接觸部位都均勻受力，這樣就解決了扭矩大，受力不均勻問題。

為了達到上述的運動過程，按照流程，如圖6所示。人工手動操縱帶滑槽的操縱手柄，如何巧妙通過幾個組合位置機構轉換，操縱手柄帶動所有鉸鏈軸運動，將安放在步梯上的支撐板打開抬起，同時向下移動，使梳齒交叉為了達到上述的運動過程，按照流程圖6，人工手動操縱帶滑槽的操縱手柄，如何巧妙通過幾個組合位置機構轉換，操縱手柄帶動所有鉸鏈軸運動，將安放在步梯上的支撐板打開抬起，同時向下移動，使梳齒交叉中心部位搭在棱沿上組合成斜坡滑道，方便行李箱等物品拖行通過，待通過后操縱手柄，使所有鉸鏈軸向上帶動支撐板運動，同時在重力作用下支撐板由斜坡滑道，恢復成樓梯，是本裝置設計的又一難點。

圖6 可折疊隱形斜坡滑道裝置控制示意圖Fig.6 Diagram of Controlling Device for Foldable Hidden Slope Slide

為解決以上問題，裝置采用一組平行四邊形機構，如圖7所示。將所有鉸鏈軸鏈接在一起進行聯動，完成支撐板組合的上下滑動，從而到達運動要求的位置，使梳齒交叉中心部分搭在棱沿上。圖中：a、b—初始位置；a＇、b＇—動結束后位置。

圖7 平行四邊形機構示意圖Fig.7 Diagram of Parallelogram Mechanism

在平行四邊形機構驅動支撐板組合的上下滑動的同時，主支撐板按設計要求旋轉至坡道位置是由在側板上設計的凸輪機構實現的，而從支撐板的運動是步梯的楞沿作為固定凸輪實現的。側板上的凸輪機構是在步梯一側設計兩塊立板（高100mm），立板之間距離80mm左右（形成箱體，將操縱手柄下端、擺桿和鏈接軸之間的連桿等都隱藏在里面），在兩塊立板上同時設有一個平行重合的凸輪機構與鉸鏈軸垂直，凸輪機構示意圖，如圖8所示。起始點中心在一條線上，讓鉸鏈軸穿過兩個凸輪，在最右邊立板側進行螺母限位，凸輪的槽寬與軸直徑吻合。操縱手柄，軸沿凸輪槽運動，為減少摩擦力并增加卡位功能，運動之初對鉸鏈軸和主從動支撐板有一個整體抬升過程，使支撐板離開樓梯，減少了運動摩擦力，同時運動結束時又有卡位功能，鉸鏈軸被限制在兩個凸輪中間運動，不會發生擺動，不偏離運動軌跡。

圖8 凸輪機構示意圖Fig.8 Diagram of Cam Mechanism

主動支撐板進行向下運動同時還要向上旋轉以便順利搭在步梯棱沿上，如果用不同的力做這樣的動作沒有問題，本設計巧妙處在于，用同一個力解決了兩個運動方向，解決辦法是在主動支撐板上設一個立板，在箱體的左邊立板凸輪槽上方設有一個檔板，如圖9所示。當鉸鏈軸帶動主動支撐板向下運動時，凸輪槽上方擋板擋住立板讓主動支撐板向上發生旋轉，由擋板的設計角度與步梯斜坡滑道角度最后趨于一致，使主動支撐板旋轉到這個角度就不再旋轉，向下運動，運動停止后搭在步梯棱沿上，從而完成整個運動。

圖9 立板擋板示意圖Fig.9 Diagram of Vertical Plate Baffle

平行四邊形機構中，上面斜桿b連接在每一個鉸鏈軸處的擺桿上，當手柄操縱時，拉動所有擺桿，擺桿帶動鉸鏈軸沿凸輪槽運動，但這樣擺桿過多，機構冗余，右側的箱體會受擺桿運動軌跡影響變得尺寸加大，如圖7所示。在設計中將拉桿b向下移動與所有鉸接軸連在一起，形成一個連桿，由于受凸輪槽的限位，取消所有擺桿，形成虛位，這樣大大減少了兩個立板形成的箱體尺寸，同時又能完成所有規定動作，如圖10所示。

圖10 機構模擬示意圖Fig.10 Diagram of Mechanism Simulation

人工手動帶滑槽操縱手柄，通過幾個組合位置轉換機構，將安放在步梯上的支撐板打開抬起，同時向下移動梳齒交叉部分搭在棱沿上組合成斜坡滑道，方便行李箱等物品拖行。整個坡道多個支撐板組合通過連桿進行聯動。能夠做到在不影響步梯原有功能前提下，最大限度地不破壞步梯結構，做到結構緊湊，節能環保，裝拆方便，依靠人力就可以方便操作，提高工作裝置在露天條件下的可靠性。

3.3 機構特點

（1）斜坡滑道裝置可折疊隱形為主要特色。斜坡由若干組支撐板連接而成，每組支撐板通過鉸鏈（合頁）連接，允許最大轉角為180°。（2）主動支撐板和從動支撐板在展開成一個平面后，分別搭在相鄰臺階的棱邊上。此時斜坡可以承重，鉸鏈承受部分載荷。（3）采用交錯梳齒的布局方式，以解決相鄰兩組支撐板在展開后長度上互相干涉的問題（兩邊之和大于第三邊）。（4）鉸接軸的運動軌跡受樓梯側面立板上的滑槽控制，在滑槽初始階段，有一個向上的軌跡，這樣可以先將從動支撐板一端抬起來，在運動中減少阻力。在滑槽末端分別有一個限位，以便固定住支撐板。（5）滑槽上方設有擋板，主動支撐板設有立板，可以在主動支撐板向下運動的過程中，使其繞鉸接軸旋轉抬起一個角度，保障順利下行。（6）采用連桿將各組支撐板的鉸接軸連接在一起，在設有滑槽的操縱手柄的推動下，各組合支撐板實現聯動。（7）受凸輪滑槽和連桿約束，簡化平行四邊形機構，取消擺桿形成虛位，化繁為簡，使結構更為簡單緊湊。（8）側面兩塊立板分別開有滑槽，以保證鉸接軸不會左右搖晃。（9）在鉸接軸和立板接觸的位置設有四氟乙烯套圈，保證鉸接軸位置度的同時降低運動過程中的摩擦阻力。

4 實驗驗證

4.1 機構參數設計

可折疊隱形步梯斜坡滑道裝置，模擬真實場景，比例為1：1，安放在制作的步梯上。隱形坡面尺寸，如圖11所示。

圖11 隱形坡道剖面尺寸Fig.11 Diagram of Mechanism Simulation

驗證坡道參數：

①步梯踏步寬度a=260mm，梯級的高度b=160mm；②三階步梯：總高度16×3=480mm，總寬度26×3=780mm。③支撐板參數：主動支撐板450×160.66mm，從動支撐板450×260.66mm。

4.2 機構制作

安裝在步梯上的可折疊隱形步梯斜坡滑道裝置，如圖12所示。一塊主動支撐板（圖中深色部分）和一塊從動支撐板通過鉸鏈（圖中淺色部分）連接，構成一個組合，展開后為一平面；樓梯側面有兩塊組合立板（箱體），上面開有與鉸鏈軸對應的凸輪滑槽，每個滑槽兩端中心距L2=202.65mm，鉸鏈軸可以在滑槽內移動；主動支撐板緊靠側面，邊上設有立板，凸輪滑槽靠近主動支撐板側，上方設有擋板，在主動支撐板向下運動時擋板頂住立板將其抬起。

圖12 可折疊隱形斜坡滑道裝置Fig.12 Foldable Hidden Slope Slide Device

使用斜坡滑道功能時，向下扳動操縱手柄，帶動連桿向下運動，連桿拖動鉸鏈軸在凸輪滑槽內運動，同時將主動支撐板抬起；從動支撐板在鉸鏈軸的支撐下沿凸輪滑槽被抬升一定高度然后向下運動；鉸鏈軸向下運動到凸輪滑槽終點后卡在卡槽內。主從動支撐板都設計有梳齒開口（L1＝117.7mm），方便與另一組的主從動支撐板同時搭在臺階的棱沿上，實現坡道功能。這樣拉桿箱等物體就可以在坡道上拖行通過。使用完畢后，抬起操縱手柄，帶動主從動支撐板回到初始位置，從而恢復步梯功能，如圖13所示。

圖13 可折疊隱形斜坡滑道裝置Fig.13 Foldable Hidden Slope Slide Device

5 結論

（1）根據不同人群的使用需求，設計開發可折疊隱形步梯斜坡滑道，裝置安裝在已有步梯上，不破壞現有步梯，結構緊湊，節能環保，拆卸方便，能夠很好解決人們的出行問題。

（2）以易用和通用性為設計理念，創新采用梳齒形式，利用連桿、凸輪等簡單機械結構，輕松完成裝置從梯面到坡面的轉變。

（3）裝置通過計算分析，三維模型模擬并通過實物模型制作，斜坡滑道機構運行平穩，滿足工作需求，充分驗證了裝置的可行性。