爬楼小车结构设计

石佳明+项佳磊+田爽+侯永涛

摘 要：文章简述爬楼小车的结构设计，从爬楼车轮组结构设计开始介绍，具体介绍了行星轮的减震功能；然后介绍了防倒退结构设计；再介绍了载货面结构设计，对其中上下车架调节装置的作用作具体说明，最后得出结论，说明这款小车的可行性和合理性。

关键词：爬楼小车 行星轮 结构设计

中图分类号：F416.47 文献标识码：A 文章编号：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

随着国家楼房高度的提高，人们对货物的搬运需求也在日渐提高，然而电梯高昂的成本并不能让电梯普及。所以迫切的需要设计出一款合理的爬楼小车来满足人们的需求。接下来笔者会从爬楼车的目前现状和发展前景两个角度来介绍一下爬楼车的魅力。

1 爬楼车的结构原理

首先从爬楼车的目前现状来了解一下爬楼车。其实在国内外这个课题发展得已经很不错了。国外第一架爬楼轮椅早在1892年就已经被一个叫做Bray的美国人申请专利[1]。此后许多国家对这个爬楼项目纷纷投入研究。其中以美国、英国、德国、日本等国家的设计结果最突出。在那些设计师的智慧下，大体出现了4种主流爬楼机构。

1.1 步行式爬楼车

这个结构的原理就是用腿爬楼。通过模仿人类或者动物的爬楼过程来设计出的成果。不只是类似于人类的双足左右配合爬楼，先将轮椅抬高，再平移一段距离来爬楼[2]。也可以模仿猫的四足配合爬楼过程。这按成果说应该是爬楼最稳、震动最小、结构最合理的结构，但是这种机构有一个通病，那就是控制太复杂。就拿人型爬楼机构来说，它的两条腿中每一条腿至少都有3个关节，也就是3个自由度，说明在这些关节的地方都是需要电机来提供动力的。这些外部结构的设计不难，但是对于它们的控制就难了。因为它是一个平稳爬楼的过程，所以需要涉及PID算法控制。在这个过程中需要反复地计算出3个电机之间的合适旋转角度来使抬腿和伸腿不会使整个机构倾倒。日本长崎大学机械工程系研究了一种高阶爬楼梯装置[3]，它由一系列液压操作杆和前后两组星型轮构成，集步行式与轮组式设计理念于一体。装置通过星型轮的翻转上下楼梯，座椅底部的传感器检测装置的平衡情况，控制操作杆自动调节使装置在爬楼过程中始终位于稳定状态。不得不说在这一种步行式结构领域我国的发展现状令人堪忧。

1.2 履带式爬楼车

顾名思义这种车的结构模仿的是坦克履带结构。这种结构的优势很明显，它运行平稳，震动极小，可以在各种不规则地形上如履平地。还有就是它的传动效率极高。这个说明它在相同容量电池下的续航能力很强。毕竟电池这一领域的研究全世界都是一个大问题。当然它的缺点同样明显，它太笨重了，这是履带式结构的通病，在狭小的楼道里，转弯会是一个大问题。而且履带式的爬楼受力点是楼梯的边缘部分。这对楼梯必定是有损伤的。所以这种结构在民用这一领域很难推广。

1.3 行星轮结构爬楼车

这应该算是比较简单的一种机构，它相当于把圆形轮子分割了，平均分成二到四部分。就拿三行星结构作为例子，它是把一个三角形（三角形的边往内部成一个弧度，角部分向外突出）作为小轮支架，3个角的地方安装轮子，通过轮子交替作为支撑点来爬楼[4]。这种结构很普遍，成果也很多。而国外的设计师在这种结构设计中的着重点在于平衡感的控制。在一种叫陀螺仪感应器件的帮助下，达到自动调节爬楼车的重心平衡。经过许多年的研究，美国设计师Dean Kamen率先发明了这种能够自动调整重心的两轮组式轮椅iBOT。但是这种主要用于病人之類的行动不便之人。所以它的设计理念核心在于加强人。所以成本在设计时不是主要因素，因此这一类车的价格十分昂贵，难以被普通人接受。而作为普通人，一般也不需要自动调节重心这一功能。因为人类本身小脑的平衡感是很棒的。所以只需要设计出一款合适的行星轮结构就行。至于控制方面要求就没有很高。所以说这种爬楼结构是市面上最普遍的一种结构。但是这种结构却有一个缺陷，就是重心在每爬一层都会有一个重大的变化，通俗地说就是摔上去的，这个很影响结构的安全性和寿命。所以说在这一类型的设计中减震是很重要的。减震功能不能只靠橡胶轮的缓冲来实现。

1.4 复合类爬楼机

这一类就是集合了上述3种结构的优点来设计的一种爬楼机，是设计师们的追求方向。而现在就已经开发出了腿-履复合和轮-腿-履复合等结构。设计主要是依靠腿式机构完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。但是也有弊端，结构变复杂以后，控制就变得要求很高，而且考虑的不稳定因素也变得很多。

总之大体结构有上述4种，每一种的优缺点都很明显。至于发展现状，国外早在100多年前就已经开始了对该项目的研究，开发出来的成品也琳琅满目。至于国内，现在的成品样式有，但是不多，主要还是因为成本过于高昂，人们对其兴趣不大。

2 爬楼车在国内的发展前景

这个项目的发展前景还是很不错的。毕竟我国在建筑方面的成就越来越突出。高楼搬运始终是一个需要解决的问题，当今人们很需要有一种方便简单的装置来实现爬楼搬运的功能。而且我国人口众多，需求量巨大，存在六楼以下楼层极少有电梯存在的现状，为人们提供了设计出一款合理爬楼机的先天条件，所以说发展前景很可观，潜力无限。

3 结语

本论文简单的介绍了实现爬楼小车的4种主要原理和优缺点，让人们对这一工具有一个充分了解。知道了有步行式爬楼车、履带式爬楼车、行星轮结构爬楼车、复合类爬楼机这4种主要结构，也知道了它们在机械结构和控制两方面上的优缺点。之后就是介绍这一类设计在我国的巨大发展前景，让设计者能够更加放心大胆地去设计这一款实用的爬楼结构。

参考文献

[1] 苏和平，王人成.爬楼梯轮椅的研究进展[J].中国康复医学杂志，2005，20（5）：366-368.

[2] 项海筹，乌兰木齐，张济川.手动爬楼梯轮椅[J].中国康复医学杂志，1994 9（2）：62-66.

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

[4] 苏和平，土人成.一种双联行星轮机构电动爬楼梯轮椅的设计[J].中国临床康复杂志，2005，9（26）：144-145.endprint