基于轮履式爬楼装置切换机构的设计研究

摘 要：本文针对于目前存在的履带式和轮组式的爬楼装置进行了分析研究，并通过对爬楼装置的市场需求分析以及对楼梯的形状结构参数一般化处理，优化设计出模块化轮履式爬楼装置，并对于爬楼装置的转换机构进行设计分析，并最终选用辅助支撑式轮履切换机构，很好地实现了楼梯运行和平地运行之间的切换，保证了运行的稳定性，该机构还可以进一步推广应用到其他的爬楼或者上坡设备，实现了通用化以及模块化。

关键词：轮履式；辅助支撑机构；爬楼装置；切换机构

目前随着经济的快速发展以及人民生活水平的提高，人们的居住环境逐渐从平房向居民楼转变，然而生活方便的同时却也带来一系列的不方便之处，对于旧式的和低层的居民楼并没有配备电梯，因此一些生活物品或家具的搬运成为居民生活的难题，从当前发展来看还没有较为通用的爬楼的辅助搬运设备，来解决无电梯居民楼的搬家、装修等重物的搬运问题。

1 针对于当前存在的爬楼装置，按照爬楼功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式三类爬楼梯装置

1.1 履带式

履带式爬楼装置的底部是履带式的传动结构，运用履带与楼梯之间的摩擦力达到爬楼和爬行的目的，运用履带进行爬楼的优点主要是运行平稳，可以适应不同的工作环境，能满足大多数工作条件的要求，并且承载能力比较强，适应性比较好，一般履带式爬楼装置的上下楼梯速度为每分钟15-20个台阶；缺点是工作时噪音太大，能量损失太高，在平地状况下运行时速度较慢，形成时间上的浪费。

1.2 轮组式

轮组式爬楼梯装置运用轮或轮组实现爬楼的目的，在轮组式爬楼装置中，当平地行走时，各小轮自转；而爬楼梯时，各小轮一起公转。轮组式爬楼装置优点是活动范围广，运动灵活，平地运行时稳定性较高，速度相对履带式可以达到很高的要求，缺点是自动化程度不高，上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，在爬楼过程中需要借助外力才能保证重心的稳定，而且轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。

1.3 步行式

步行式爬樓装置通过模仿人腿的动作来实现爬楼的目的，其爬楼梯执行机构主要由铰链杆件机构组成。步行式爬楼梯装置外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。步行式爬楼梯装置优点是爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯；缺点是对控制系统的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。

本文设计的轮履式爬楼装置，综合了履带式和轮组式的优点，爬楼时可以平稳匀速运行，承载能力比较强，适应性比较好；平地运行时活动范围广，运动灵活，稳定性较高，速度相对履带式可以达到很高的要求，并可以根据人员需要进行调节；与此同时，通过设计平地运行模块和爬楼运行模块的平滑切换机构，避免了重心的过度起伏，保证了装置整体的稳定性。

2 平地运行和爬楼运行切换的机构主要有以下三种

2.1 棘轮机构切换

利用双向棘轮的转动来实现履带和车轮的切换，棘轮可以防止爬楼过程中履带的倒退，进而保证人员安全。这种方案的优点是在一个运行状态下能平滑的切换到另一种模式，但是需要的控制力较大，需增加液压或机械增力机构，进而会增加整体体积，使爬楼装置整体偏大；同时棘轮机构在运转过程中容易磨损，会造成运动以及停止的不稳定性，进而增加爬楼装置重心的震荡。

2.2 平行四边形机构切换

采用平行四边形机构实现装置底盘上履带的升降，从而将平地运行模块切换到爬楼运行模块，这种转换的优点是易于控制，借助于电动推杆能很好地控制履带升降的高度，但是在爬楼过程中不能保证爬楼装置的稳定性，并且在轮履模块切换时自动化程度低，同时由于平行四边形机构的刚度要求，使得运载货物的承载能力有一定的限制。

2.3 辅助支撑机构切换

通过对轮履模块切换机构进行需求分析，设计了辅助支撑机构来进行平滑切换，该机构集成了双向棘轮式和平行四边形机构的优点，能平滑稳定的切换平地与爬楼运行两种模块；在辅助机构末端安装支撑轮，当下放该机构时释放支撑轮，同时履带会抬起，保持一定的互锁性，避免履带和车轮同时作用的重复支撑；借助支撑轮使得爬楼装置保持一定的稳定性，通过控制电动推杆伸缩的长度适应不同坡度的楼梯，使得爬楼时整体装置的重心靠近履带前段三分之二处，消除了因安置货物不当造成的装置整体重心偏后而导致的附加阻力。

3 结束语

通过对轮履式爬楼装置的详细设计分析，该辅助支撑机构能使该装置实现平地搬运，楼梯搬运两种工作模式的平顺、快速、稳定的自动切换，而且利用履带的差动可以实现装置在狭窄的楼梯上攀爬、转弯等动作，无需操作人员的过多干预，并借助电动推杆的伸缩，形成一个良好人机交互手段，使操作更方便、灵活；该装置控制系统采用稳定可靠的嵌入式系统，在保证爬楼装置运行过程的可靠性和经济性前提下，提高整个系统的可维护性和操作性。

参考文献

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作者简介

张润锋（1993- ），男，研究方向为机械设计制造及其自动化。