爬楼梯小车的设备结构控制及优点

石小磊 杨慧雯 安鹏悦 刘学帅

摘要：随着现代科技的发展，许多难以解决的问题都被科学技术所解决。例如：由于空间的限制，地铁站，学生宿舍，教学楼等公共区域，不能开设 零售超市来满足人们的日常购物需求，由此自动售卖机诞生了，它的诞生给人们提供了极大的便利，同时也节省了人工和空间;骑车出行是一种环保的出 行方式，同时也可以锻炼身体，但当我们离开自行车时，停放却变成了难题，还要时刻上锁，忘记锁还要担着被偷走的风险，由此在 2014 年的时候 ofo 的 小黄车诞生了，也就是我们所熟知的共享单车，它的出现极大方便了人们的出行。爬楼梯在我们日常生活中是不可避免的，并且随着我国老旧小区的增多，而这些小区大多都是无电梯的，而且在这里生活的大多数都是老人，上楼下楼却成了难题，但爬楼梯时膝盖承受的压力是体重的 3～4 倍，这无疑对膝盖巨 大的创伤，更何况是负重爬楼梯。由此爬楼梯小车，出现在人们的视野里。

关键词：爬楼梯小车;结构;有点

据统计数据显示，目前，全国各类残疾人总数已达 8500 万 60 岁以上 老年人口已经达到 2.3 亿。其中一些残疾人可能是腿部瘫痪或者截肢，而 让这些残疾人独自爬楼梯几乎是不可能实现的，但可以在轮椅上加装一个 类似于爬楼梯的装置，加以手柄控制方向，这样就可以轻松的上下楼梯;大多数老人住的一般都是老旧小区，需要爬楼梯来进入自己的住所。而且 这些老人的子女一般都不在身边，随着年龄的增长骨骼韧性下降，并且骨 骼万一受到创伤会用很长的时间去恢复，身体一旦失去平衡使骨骼受到创 伤，后果不堪设想。随着经济的发展，科学、社会的进步，百姓生活的改 善，这类人群的行动不便，越来越受到全社会的关注。

一、爬楼梯小车的设备结构

采用轻量化材质铝合金，结构方面采用框架结构，减轻自身重量，同 时还要做到提升承载能力。在人手拉杆处套入一个橡胶皮套，防止货物因 手滑而脱落，同时也防止手被磨伤。增加托板，在爬行时可以使物体直立 于上面，还需要增加挡板，防止其在爬楼梯的过程中货物滚落，使其结构 既可在实现水平路上助力行走，又可实现助力爬楼梯行走。这样可以方便 人们在平地和楼梯之间自由切换，提高了其工作效率。

1.1 行走机构方面

采用行星轮设计，在不同的环境路段自动实现两种输出模式的调节，从而 做到所需不同力矩的输出，使能量使用率得到提升。减少了其电能的损耗。通 过手柄来控制爬楼梯小车的运动速度和方向，是人们使用起来更加的方便，使 其更好的被人们操控。动力输出方面：一方面依托人力完成，另一方面依靠电 动机补充动力进行助力行走。这很大程度减小了人上楼膝盖所承受的压力。

1.2 控制模块

爬楼梯小车选用 Arduino 单片机控制，Arduino 是一种开发工具软件，不是一种芯片，也不是一种电路板。它可以支持很多种处理器芯片的开发，内部有很多库，软件和硬件开发方式具有很明显的搭积木方式，开发应用，简单、方便、快捷。Arduino 是平台 Arduino 只是一个用 java 和 gnu 实现的、 开源的开发平台，其结构源于艺术爱好者做的 Processing 软件开发工具。它 可以支持多种 MCU，但是当前只是支持有限的 MCU，现在支持的也不少了。

二、编程语言

Arduino 采用汇编、C 和 C++混合编程，采用成熟的开源 gcc 来编译。

2.1 应用

Arduino 主要用于前端的无操作系统、以实时控制为主的环境，如机器人前端控制，四轴飞行器前端控制，3D 打印机前端控制等。对简单的控制 系统，只用 Arduino 开发就可以了。在控制策略上，基于电机稳态数学模型 的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都难以达到良好的伺服特 性，当前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法，这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和 稳定性，提出了反馈線性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法，但是大多在矢量 控制的基础上附加应用这些控制方法。

2.2 动力方面

我们选用交流式伺服电机（伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控 制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自 带的编码器反馈信过控制系统设置空挡，前进，后退三个挡位，来实现对 于产品的控制。

结束语：

爬楼梯助力小车主要的受众人群为老居民楼的老年用户，既要轻便也 要安全，并且在控制方面要简单，随着我国老龄化，受众人群也越多。虽 然现在大部分小区都装备了电梯，但一些几十年前的老旧小区并没有加装 电梯，并且这些小区楼梯的高度较高，老年或身体不方便的人群难以攀爬，除此之外居住很多老人的老旧小区加装电梯实行也非常困难，楼层底的住 户不需要电梯或者对电梯需求少，不愿意出这份钱去建造电梯，而且有的 住户认为建造电梯还会影响其屋内的采光，不同楼层的住户意见不统一，难以全面实行其老旧小区的电梯全面安装。而且审批复杂、破坏房屋结构 等也成为主要“拦路虎”。在加装电梯难度大，爬楼梯小车造价又高的情况 下，可以采用”共享”爬楼梯小车的方法去解决这一问题。

参考文献：

[1]庞涛，尹志强，朱华炳，等. 爬楼梯小车控制系统的研制[J]. 合肥工 业大学学报（自然科学版），2006，29（9）：1147-1150.

[2]杨冬，李铁军，沈永旺，等. 一种可爬楼梯助力搬运小车：，CN205971424U[P].

[3]王琳，刘军，胡碧波. 具有防翻转功能爬楼小车的设计与性能研究[J]. 机械制造与自动化，2015，44（4）：4.

本文系：2021 年校级大学生创新创业训练项目《爬楼梯助力小车》，项目编号：2021193208019