新型行星轮爬楼车设计

德州学院机电工程学院 杨超 王志坤

引言

行李箱给人们的出行带来了极大的方便，在生活中人们主要依靠人力拉动使其搬运行李，可若遇到上下楼梯就极其费力，人们的劳动强度相应增加，不仅使其搬运效率降低还易使人们身心俱疲。现有的行李箱仅能够在平坦地面拉动，当人们要拉行李上楼时，在一些不具备电梯的低层楼房中爬楼则极为不便。本文针对现有行李箱的不足，提出一种可与行李箱配合的太阳能充电爬楼车。

1 机构设计

经过调查得知现在市场上流行的主要有两种爬楼机构，分别是履带式机构和行星轮式机构。在分析了其运动灵活性、控制难易度等方面的性能后，结合设计价值对比，最终选定行星轮式机构并对其进行了改良，增加了缓冲轮，通过电机驱动。

2 工作原理

本文爬楼机构采用行星轮式设计方法，运用缓冲轮来减小缓冲力，并通过电机驱动减速器轴转动来带动行星轮的翻转，实现爬楼过程。

3 参数确定

我国楼梯设计标准为：（1）室内楼梯踏步宽度为260mm×300mm，踏步高度为150mm×175mm；（2）室外台阶的踏步宽度为270mm×300mm，踏步高度为150mm×200mm。本设计中的爬楼车架要能适应标准规定的楼梯尺寸范围。假设在实际建筑设计过程中，踏步宽度取270mm，踏步高度取150mm。

图1 行星轮图

设行星轮缓冲轮的半径为R，支撑轮的半径为r，行星架的臂长为L。通过对楼梯尺寸和爬楼车行星轮实际工作情况的分析，可用图1表示，并出如下方程：

解上述方程得到爬楼车行星轮主要尺寸：缓冲轮半径为110mm，支撑轮半径为55mm，行星架臂长175mm。

4 爬楼车的受力分析

设楼梯台阶给缓冲轮的支持力为N1，台阶面提供给两个支撑轮的支持力分别为N2、N3，地面给两个支撑轮的摩擦力为f2、f3，爬楼车设计的重力为G，电机带动减速器给缓冲轮提供的驱动力为F1，电机带动减速器给支撑轮提供的驱动力为F2、F3，爬楼车的重心到行星架中心的距离为P。可以得到改进后的爬楼车行星轮受力平衡方程：

假设忽略摩擦力f2、f3,由力矩关系可得：

5 性能指标

（1）爬楼车质量为10kg，载质量为60kg，货物尺寸为900mm×600mm×400mm。

（2）适用楼梯台阶高度150mm以下，宽度270～300mm。

（3）最大爬楼速度25级/min。

6 太阳能供电原理

爬楼车表面的太阳能薄膜经阳光照射后产生光信号，而后将光信号传递给太阳能转化储存模块，同时太阳能转化储存模块将光信号转化成电信号储存在爬楼车自身携带的蓄电池中，当爬楼车工作时，蓄电池输出稳定的电压给电机，电机通过马达驱动减速器输出轴转动，从而驱动行星轮转动，进而实现爬楼动作，带动整个系统开始运行。

太阳能供电流程图可用图2表示：

图2 太阳能供电流程图

7 结束语

本文提出的爬楼车结构紧凑、操作简便、使用时省事省力。其作为爬楼辅助装置，增加了缓冲轮，减小了缓冲力，增强了稳定性，可帮助操作人们轻松地实现重物安全快捷的上下楼梯，可与行李箱配合，亦可稍加改动与婴儿车、购物车结合，减轻人们劳动强度、提高生活效率，可广泛应用于学校、火车站、居民小区等场合。

[1]刘炳辰，宋其江，凌志成，季鹏.一种新型全控式自平衡爬楼车的设计与研究[J].机电产品开发与创新，2015.

[2]王占礼,孟祥雨,陈延伟.一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计[J].机械设计与制造,2012.

[3]邱红友.人字齿行星传动的均载特性分析[D].重庆大学，2015.