新型楼梯平地两用电助力轮式载物车设计

刘成

【摘 要】在已经公开的爬楼梯电助力手推货物车助力结构复杂、传动系零部件数量多、价格高的基础上，提出了一种楼梯平地两用的电助力运载重物手推车方案。车的爬楼梯助力装置是通过双电动缸支腿左右对称安装在车架背面，保证了车架受负载后运行平稳，同时由于电动缸支腿的前限位挡板的干涉使得小车可在平地正常行走；设计了控制单元，通过电机正反转控制器控制电动缸支腿伸缩实现举升车架；设计左右侧电动缸支腿的前、后摆限位处的限位档块和触发开关实现自动攀爬楼梯。结果验证了机构设计可靠性，为样车生产提供理论依据。

【关键词】爬楼梯；电动缸支腿；控制单元；限位档块

0 引言

手推车发展到现在已经有几千年的历史了，普通手推车功能各不相同，现在手推车的发展开始趋向于电动、智能方向。但是他们一般只适合在平地上搬运重物使用。而现实中，将家用电器等较重物品运送到只有步行楼梯的住宅楼客户家中是每个快递员或售后服务上门安装人员面临的一大难题。目前，具备能运送家用电器等较重物品爬楼梯功能的两轮手推几乎没有，且现在市场上存在的能够攀爬楼梯的手推车价格极其昂贵。国外可以见到一些公司开发的履带式爬楼轮椅[1]，但是由于履带自身的局限性导致行走时转弯不便、行走速度慢、磨损快、车体质量大。因此，依据我国国情和我国快递业务或售后服务上门安装业务的现状，设计出一款既经济又实用的爬楼梯车，从快递员搬运家电上楼的角度出发，在传统平地手推车的基础上，设计了这款只需要单人辅助操控就能实现载物上楼或平地使用的小车，在现存爬楼手推车的经济型和便捷性有所提高。

1 小车的整体结构设计及其功能

传统的行星轮式爬楼车都是通过车轮旋转攀爬楼梯台阶[2]，这样的设计在使用过程中重心起伏大，容易对家电造成损伤，且功率不可调。本文所提出的设计方案中所使用的电动缸支腿刚好克服了车身重心起伏大这一缺点，由支腿的伸缩举升车架，操作者负责拉动车子，车轮与电动缸支腿交替承载车子，从而实现车子的连续爬楼梯功能。通过控制盒单元来控制支腿伸缩时间和长度，还可以根据负载的大小来调节支腿伸缩速度。

结构原理图如图1所示。

图1

其中，双电动缸支腿通过铰轴以铰接的方式将其缸筒端安装在车架1背面上。控制单元盒输入接口与把手上的开关相连接，输出接口与电动缸支腿的收缩触发开关相连，从平地上楼时，操作者将小车车轮停靠在楼梯台阶的立面上，当操作者站在台阶上时，车身与地面刚好成28°～32°，左右侧电动缸伸缩支腿6的缸杆由于重力处于伸出行程起始位，按下启动开关，左右侧电动缸伸缩支腿6得电，缸杆伸出，通过电机正反转控制机构的设计实现后续自动爬楼动作。平地行走时，缸筒再次由于重力回摆到垂直位置处的前摆限位处，此时关闭把手电源开关即可。

2 电动缸支腿结构及其功能

该功能原理图如图2所示。

两轴线重合且与左右侧车轮轴轴线连线平行的支腿通过铰轴安装在车架1上，其缸杆端向下悬垂于空中，通过系杆或系架来固定两缸筒实现左右侧电动缸支腿的同步摆动，两缸筒前后分别安装限位挡块。当车架1处于爬楼梯状态即与地面之间呈大约28°～34°的夹角时，两铰轴的连线与左右侧车轮轴轴线连线构成的平面与地面垂直，以保证电动缸举升车子时车子重心大体上保持不变，此时的左右侧电动缸支腿6与左右侧电动缸支腿前摆限位挡板7贴靠在一起。

左右侧电动缸支腿前摆限位挡板7通过焊接的方式对称安装在车架1上，其限位面与车架1的平面所夹钝角大约为118°～124°（28°+90°～34°+90°），其上通过连接部件安装伸出行程触发开关。该结构实现举升动作。

左右电动缸支腿后摆限位挡板10上安装收缩开关，当左右侧车轮4被拉向前方而支腿向后摆动约13°角时，缸筒上的挡块触碰收缩开关。该结构实现支腿收缩功能。

托轮12采用单轮或双轮形式通过杆件安装于连接左右侧电动缸支腿的系杆或系架11上，当左右侧电动缸伸缩支腿6的缸杆端部接触楼梯台阶地面时，它处于悬空位置，当左右侧电动缸伸缩支腿6向前摆动时，它最先接触到楼梯台阶立面，避免左右侧电动缸支腿6的缸杆前摆时磕碰或磨擦楼梯棱。

3 自动控制单元结构及其工作原理

控制盒单元与蓄电池一起安装在固定于车架后背面的蓄电池仓内，它由盒体、左右侧电动缸支腿电机驱动电路板、PLC或单片机等、左右侧电动缸支腿电机正反转控制器、继电器、输入输出接口、连接线及连接插頭等组成。其输入端与左右侧电动缸支腿前摆限位处的缸杆缩回、伸出行程的限位触发开关以及把手开关14相连接。输出端与左右侧电动缸伸缩支腿6的电机连接，两电动缸采用并联的一拖二控制电路。

3.1 工作原理

一是，起步→依靠人力将车子的左右侧车轮拉靠在楼梯的立面上→左右侧电动缸伸缩支腿6的缸杆处于伸出行程起始位，缸筒上的限位挡块触碰到伸出行程的触发开关→按下把手开关14→左右侧电动缸伸缩支腿6得电，缸杆伸出→当获得地面支撑后举升车子；二是，缸杆伸出行程→在左右侧电动缸伸缩支腿6举升车子的同时，操作者施加给车子一个向前的拉力，则车轮可以始终与楼梯台阶面接触，并向前滚动的同时，左右侧电动缸伸缩支腿6向后摆动→当摆至后摆限位处时，缸筒上的后摆限位挡块触碰到缩回行程开关→缸杆伸出行程制动，缩回行程开始，同时左右侧电动缸伸缩支腿6依靠重力前摆→当到达前摆限位处时→杠杆缩回行程制动，缸筒触碰到伸出行程开关；三是，暂停或停止→当爬完1/2层或1层楼梯后，操作者待缸筒依靠重力回摆到垂直位时，左右侧电动缸支腿处于前摆限位处，此期间关闭把手电源开关14，完成一个工作循环。

由于车轮在没有楼梯立面做限位时易发生失控状况，操作者需把握住触碰到自动举升开关的时刻，即待缸筒依靠重力回摆到垂直位并发出磕碰响声时，关闭把手开关14。

3.2 结构尺寸及运动分析

下面以爬升层高为6层的居民住宅楼楼梯[台阶面宽度×台阶高度×楼梯坡度：250（mm）×170（mm）×34°]为例（见图2），说明本结构设计原理的实施过程。

本新型手推车主要零部件尺寸可以是：

1）左右侧单独安装的车轮4选取直径为250（mm）的充气轮胎，左右侧可前后摆动电动缸伸缩支腿6的结构参数[安装尺寸×预留间隙×缸杆行程（mm）]为：

355×25×250（mm）

2）设该车在爬楼梯时车架平面倾斜角度与楼梯坡度大致平行，则左右侧电动缸支腿前摆限位挡块7的限位面与车架1的平面所夹钝角为：

34°+90°=124°

当左右侧电动缸伸缩支腿6将左右侧车轮4举升到高一阶楼梯并由操作者将其拉靠至楼梯立面的极限位置时，图中OA的尺寸为：

355+25+170（mm）

AB的尺寸为125（mm），角AOB为13°，即tan（13°）=125/355+25+170，此时左右侧电动缸支腿后摆极限位置的限位面与车架1的平面所夹锐角为：

180°-124°-13°=43°

钝角为：

124°+13°=137°

由勾股定理算得OB的尺寸为564（mm），左右侧电动缸伸缩支腿6的缸杆伸出长度为：

564-（355+25）=184（mm）。

如此，小车在爬楼过程中的重心运动变化如图3所示。具有很好的稳定性。

4 结束语

搬运重物爬楼梯是对步行梯居民楼用户的一个重要工作。此新型手推车的设计成本低，携带方便，主要创新点在于，一是，控制单元实现了小车自动攀爬楼梯这一动作，其中的电动缸支腿电机驱动电路板装设的电流调控装置适应了不同负载的需求；二是，用双电动缸支腿举升重物打破了以往轮式车辆爬楼的方案，同时在小车稳定性上得到优化。爬楼时由于操作者身高不同，车身理论上与水平面夹角30°左右均可以。該设计为今后生产使用提供有效依据。

【参考文献】

[1]MORALES R，GONZAIEZ A，FELIU A，etal.Environment adaption of a new staircase-climbing wheelchair[J].Autonomous Robots，2007，23（4）：275-292.

[2]任泰安.简易楼梯平地两用小车轮体设计[J].河南科技学院学报（自然科学版），2007（1）：45-47.

[责任编辑：田吉捷]