多功能爬楼运载机设计＊

焦正军，何东，杨强，李媛，黎昊喆

多功能爬楼运载机设计＊

焦正军，何东，杨强，李媛，黎昊喆

（武汉华夏理工学院 汽车工程学院，湖北 武汉 430223）

设计了一种多功能爬楼运载机，该运载机由动力驱动，通过机电结合实现货物运输装置的功能。通过对现有楼层间运输工具的调查研究，并结合人们运输方面的需求，融入了便捷、安全等的创新设计理念，设计出了适合于楼层间运输货物的高性能产品——多功能爬楼运载机。

楼层攀爬；货物运载；多功能爬楼运载机；救援

1 前言

经调查研究发现，一些城市在七八层以下无电梯或不能使用电梯，小型货物的运输需通过人工或楼道内的小型货物搬运小车运送。然而，即使在有电梯的情况下，受电梯空间限制，一些超重、超宽或超长（比如：冰箱、大板桌或窗帘杆）等特殊货物依然无法搬运，基本靠人力完成。因此，需设计一款运载机来实现特殊货物的爬楼运输。

中国学者对于楼层运输方面有一些研究，也涌现出了一些机械化运输装置。徐明宇等通过电力驱动机构实现运货上楼的目的，在一定程度上提高了搬运效率并节省了人力成本，但是机器结构简单，需要在人力辅助情况下完成货物运载，并且在狭小的楼道，因转弯困难，将无法搬运，而且安全系数较低，由于存在的这些现状，未能完全解决人力搬运、全自动化问题[1]；董淑婧等设计了一种四杆机构式电动载物爬楼机，利用四杆机构的特性进行周期循环运动从而实现爬升越障的功能，这种方式虽然可以在楼梯间爬行运输，但是其运输效率相对较低[2]；胡金祥利用两框架的交替升降达到爬楼梯的目的，虽然此装置可以保持无倾角的移动和制造成本低，但其不可运输大型货物[3]；黄先琪利用平行四边形的变形特点，采用单片机控制整个系统的行走、转向等工作，从而研制出楼道、墙面自动吸尘器的自动运输装置，但是，该装置只限于小型作业，不能实现大货物运输[4]。

鉴于楼内运输空间不足、楼道转角难、大件货物搬运无法实现等问题，设计一款多功能运载机，以实现楼层攀爬和货物运载等功能。此款运载机需具有楼层攀爬、货物运载、火灾救援等功能。设计之初，需根据运载条件选择动力源，完成动力装置的设计；为完成楼层攀爬，需要设计爬升机构及吸附装置[5]，使运载机能爬升并按需停留在指定楼层；为保证货物正常运输，防止货物的晃动引起坠落事故，需设计夹紧机构，以保护机器及货物。

2 多功能爬楼运载机的结构与工作原理

2.1 总体设计实现功能

此款运载机需实现楼层攀爬、货物运载、火灾救援等功能。设计之初，需根据运载条件选择动力源，完成动力装置的设计；为完成楼层攀爬任务，需要设计爬升机构及吸附装置，使运载机能爬升并按需停留在指定楼层；为保证货物正常运输，防止货物的晃动引起坠落事故，需设计夹紧机构，以保护机器及货物，整体结构如图1所示。

图1 整体结构

2.2 工作原理

2.2.1 货物夹紧

使用时，由人将该运载机送到楼层底部，待到达楼层底部时，将所要运送的物品放置货物舱内，拉开弹簧夹紧机构，将货物放进去，使其夹紧，待夹紧完毕时进行伸缩固定，通过两次固定进而将物品牢牢固定在货物舱内。

2.2.2 爬升装置

打开吸尘器，此时吸盘牢牢吸住墙体（前提是楼层表面光滑，并且楼层表面有阳台，吸尘器吸附时间为40 s，将墙体牢牢吸住），吸盘通过中空杆和管道与吸尘器的进气口接通，并与墙体接触，电池为吸尘器供电，吸尘器工作进行抽吸，使吸盘内产生负气压，将墙体吸牢，吸盘主要用于运载机在爬楼过程中保持平衡。待吸附完毕时，伸缩式液压缸开始工作，此时活塞杆上升；待水平横杆到达指定位置时，第二棘爪开始工作；由PLC控制器控制第二棘爪到阳台边缘，待紧抓阳台之后，由伸缩式液压缸控制活塞杆回缩，使爬楼立板向上运动，此时支撑板将货物舱提升到二楼。

2.2.3 悬停装置

待货物舱到达二楼时，由货物舱立板上的第一棘爪紧抓阳台，目的是与第二棘爪共同拉住货物并达到一定的安全性；待稳定时，PLC控制器[6]自动断开吸尘器与电池的电性连接，活塞杆收起完毕。该运载机到达二楼时，再次启动吸尘器使吸盘吸附墙体，然后重复以上操作进行爬楼运货（下楼的工作原理与上楼相同）。

棘爪可有效将阳台抓住，是主要的受力原件。其中在伸缩式液压缸的活塞杆顶部通过连接座连接水平横杆，其前部通过第二连接杆并安装了四个第二棘爪，在货物舱立板的上端两侧通过第一连接杆安装了两个第一棘爪，使货物安全到达目的地，如图2所示。以上楼层机构往复运动，循环交替，实现运送货物上楼的目的。

图2 运货上楼

3 总体设计方案

3.1 楼层承载参数的确定

在运载机设计之初，需确定货物及所爬楼房的承载参数，以保证运载过程中满足强度及刚度要求。

目前居民房屋的结构种类主要有钢结构、钢和钢筋混凝土结构、钢筋混凝土结构、混合结构、砖结构五类。在众多的居民房屋结构中，民用住宅使用最普遍的是钢和钢筋混凝土结构、钢筋混凝土结构。在普通民用住宅混凝土结构楼房中，楼板、阳台边沿所能承受的最大压力如表1所示，为保证运载过程运载机及楼房结构的安全，取阳台额定载荷为400 kg，楼板额定载荷为250 kg。

表1 阳台、窗户等边沿所能承受的最大压力（单位：kg）

普通混凝土楼房楼板承重250～300 阳台承重400～500 窗户承重400～500

3.2 货物参数的确定

特殊货物的参数如表2所示。

表2 特殊货物的参数

质量特征形状特征举例长/m宽/m高/m质量/kg 超重—冰箱、洗衣机等6.2～6.35.5～5.71.6～1.790～100 —超宽大板桌、门窗、书架等1.0～1.33.5～4.51.5～1.840～80 —超长沙发等1.0～1.26.0～8.03.5～4.060～90

考虑到所要设计的运载机的主要功能是楼层攀爬和货物运载，为保证运载机的强度和刚度要求，需确定所运载货物的额定质量和尺寸范围等参数，尤其是超长、超宽、超重等特殊货物的参数，用于后续的动力装置和爬升机构的设计。经调研，特殊货物主要有超重的冰箱（如海尔BCD-206STPA）、洗衣机，超宽的大板桌、门窗，超长的窗帘杆、沙发等。

4 多功能爬楼运载机的设计与计算

4.1 货物舱结构设计

该设计采用的是栅栏式，可以有效地限制货物的移动，还可满足运载机的刚度需求。综合考虑特殊货物的尺寸及阳台和窗户的尺寸，确定了货物舱的形状尺寸，其长、宽、高分别为1.5 m、1.8 m、2.0 m，为保证货物舱的强度，选用材料型号为60Ti。普通民用住宅阳台及窗户尺寸如表3所示。

表3 普通民用住宅阳台及窗户尺寸（单位：m）

普通窗户客厅窗户中等卧室窗户大卧室窗户卫生间窗户 1.5×0.91.5×1.8～1.8×2.11.2×1.5～1.5×1.81.5×1.8～1.8×2.10.6×0.9～0.9×1.4 阳台尺寸阳台尺寸阳台尺寸阳台尺寸阳台尺寸 1.5×1.51.5×1.81.8×1.81.8×2.11.8×2.4

4.2 动力装置设计

该机器自重和货物的质量之和应不超过400 kg。采用电池供电，由电池、电机等构成。在工作的时候启动电源开关，电池供电，电机将电能转化为机械能，从而输出动能，带动运载机工作。根据表1和表2的参数，通过计算选择电池与电机的型号。

已知运载质量为400 kg，电能利用率为80%，容量为97 200 mAh，一次运行爬升高度为3.2 m，则由机械守恒定理可知：电=gΔ×80%=400×9.8×3.2×80%=10 035.2 W=10.035 kW，电动机功率电==，额定电流，有效工作时间，电机扭力常数，电机扭力电=，电机消耗电流值，电机机械输出功率，每分钟转速，电机效率，电机发挥最高效率的电流值。

4.3 爬升机构的设计

在爬楼运输过程中，需依附于楼房墙体及阳台，因此需设计吸附装置。吸附装置主要由吸盘、吸尘器等组成。启动电源时，吸尘器工作，将吸盘内气体抽出从而产生负气压，使其牢牢吸住墙体表面，如图3所示。

图3 吸附装置

为能在楼外上下运输，还需设计爬升机构。爬升机构主要由液压缸、电机、电池、横杆、棘爪等组成。待吸附完毕之后，电机工作，通过吸尘器来推动液压活塞杆，使其上升。此时，活塞杆顶端与横杆相连接，棘爪（第一棘爪）与横杆连接，从而实现爬楼过程，如图4所示。

待第一棘爪抓紧阳台后，此时，与横杆相链接的链传动装置工作，将货物舱提升至第一棘爪所抓的楼层。待提升完成后，由货物舱上的第二棘爪开始抓紧阳台，达到悬停的目的。待悬停稳定后，吸尘机断开，吸盘脱离墙体，此时液压缸收起。待收起完毕之后，吸尘机工作，吸盘继续吸附墙体，液压缸升起，完成下一楼层的爬升。悬停的目的是便于运送员从阳台取下货物。吸尘器、吸盘以及链传动装置为购买件，液压缸与棘爪为自制件。

图4 爬升机构

图5 棘爪

为了达到绝对的安全，棘爪所能承受的力的理论值为实际值的两倍，经计算得到，理=0.5 m2，所以第二棘爪安装两个棘爪，即可达到第一棘爪的效果（本棘爪设计以理论值为主）。

4.4 固定保护装置的设计

在装置运输货物的过程中，考虑到运载货物本身大小、形状等因素，为防止运载机晃动造成货物的损坏或货物坠落造成人员伤亡，在设计过程中需加入固定保护装置。固定保护装置由夹紧装置和二次保护装置组成，其中夹紧装置主要由两根弹簧和一块挡板组成。对超重型货物和超款型货物，通过夹紧装置一次固定；而对于超长型货物则需要在夹紧装置一次保护的前提下，用绳索进行二次保护。

在设计时需确定夹紧装置的规格，已知选取弹簧劲度系数为1 000 N/m，原长为0.2 m两弹簧并联，则并联后的劲

5 结论

该装置将智能化与机械化器材相结合，充分地发挥了智能优势，从开始工作到爬楼过程中实现无人工操作，由传感器自动控制，将货物运送到指定地点，实现了人工智能。并且利用该装置运输货物的方案，其相对传统的运输方法，大大节省了人力，达到高效作业、方便快捷的特点。该运载机也可以实现货物的楼层运输以及电梯失效、楼内失火等情况下的紧急救援工作。

［1］徐明宇，赵勇，包士维，等.电动载物爬楼机的开发设计［J］.机械工程师，2015（7）：198.

［2］董淑婧，程瑞.一种四杆机构式电动载物爬楼机［J］.机械制造与自动化，2017（5）：167-168，173.

［3］胡金祥.自动爬楼梯机：中国，CN201220461345.3［P］.2012-09-11.

［4］黄先琪.一种新型的爬楼梯机器人［J］.机械，2009，36（5）：75-76.

［5］王淑坤，孟晓东，尚鸿鹏.一种轮履组合式爬楼轮椅的设计［J］.机械传动，2013（10）：156-159.

［6］赵宸，陈殿生.双足机器人NAO爬楼步态规划［J］.机器人技术与应用，2013（4）：31-36.

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.013

2095－6835（2019）13－0031－03

焦正军，武汉华夏理工学院汽车工程学院车辆工程2017级学生。何东，武汉华夏理工学院汽车工程学院车辆工程2017级学生。杨强，武汉华夏理工学院汽车工程学院车辆工程2017级学生。李媛，女，硕士，武汉华夏理工学院汽车工程学院副教授，主要研究方向为汽车CAD/CAE。黎昊喆，武汉华夏理工学院汽车工程学院车辆工程2017级学生。

校级质量工程项目“3D设计创新创业团队指导教师团队”（编号：2017103）

〔编辑：严丽琴〕