爬楼梯助力小车设计研究

石小磊 杨慧雯 安鹏悦 刘学帅

摘要：楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是移动类小车最难跨越的障碍之一。而且随着人力成本的加大，运送一次需要较大的成本。自人类发明 工具以來，在各行各业中都进行了创新与拓展解决问题。设计一款有利于生活应用价格便宜的爬楼梯小车。

一、爬楼梯装置的国内外研究现状分析

国外对爬楼梯装置的研究开始相对较早，最早的专利是 1892 年美国人 发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷投入此项研究，发达国家的技术相对 比较成熟，且有产品已经投入到市场使用。我国对此装置的研究虽然起步 较晚，但近年来也涌现了很多该方面的专利。主要是履带式、轮组式、步 行式、复合类爬楼装置，各个结构均有优缺点。英国 Baronmead 公司开发 的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度是 35 °，上下楼梯速度为每分钟 15-20 个台阶。但由于重量大、运动不够灵活、 爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏，且平地使用所 受阻力较大，转弯不方便等限制了在日常生活中的推广使用。我国在上世 纪八十年代对轮组式爬楼梯装置已有研究，1987 年专利号 86210653 的国家 专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个行 星轮组成，除自转外还绕轮轴公转而实现上下楼。但轮组式爬楼梯装置体 积较大，需要对结构进行优化。吉林农业大学张杨设计的一种电动载物爬 楼梯小车，是以行星轮机构为关键装置的具备半自动爬楼与路行两种功能 的载物小车，并对载物小车的爬楼梯机构、动力传递及结构链进行设计。但在轮子上装有电机，对独立运行的轮子需要同步控制。

市场推广使用中大多数均为手动提拉小车，虽然价格便宜，但承运重 量有限，并对较重物品的运输需要很大的人力，对于行程较远的运输，非 常的费力。同时也有专用的爬楼梯设备，但价格昂贵，体积庞大，不适合 家居使用。并且对多数只使用一次的个人来说，单次购买不够划算，除了 进行重物的搬运，在生活中其它方面使用均不方便，增加了使用成本。

二、研究方向

针对目前人力成本的提高，生活节奏的加快，生活中所遇到搬运重物 爬楼梯上楼的问题，方便人们的生活，设计一款爬楼梯助力小车，主要内 容如下：该可爬楼梯的助力小车，采用行星轮系传动机构，Arduino 单片机 控制传感器与电动机实现动力的补给，框架式车身结构等。最大承载重量 为 100kg，做好车身结构的设计;解决水平路上助力行走、生活中楼梯高度 的助力爬行，助力速度为 0.5-2m/s 范围内。

1.小车本体的结构设计，采用框架结构，减轻自身重量，同时要做到 提升承载能力。增加托板，在爬行时可以使物体直立于上面。使结构的设 计既可在实现水平路上助力行走，又可实现助力爬楼梯行走。

2.行走机构采用行星轮设计，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。

3.动力输出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。

三、爬楼梯助力小车的优点

本专业实验室具有较全面的加工设备，基本上可完成整体的加工过程。项目负责人在多年的教学与实践中积累了一定的理论与实践能力。完成对 实践环节和竞赛的指导，对结构和电控专业知识具有大量的基础知识储备。查阅文献资料对爬楼梯小车的应用环境以及广泛性进行了解，对产品的外 观和主要机械结构进行设计，对电控系统进行构建，实现助力控制，组装 调试。根据项目研究内容，制定项目实施的具体技术路线如下：①整理资 料，收集爬楼梯小车的行业背景，发展现状。②小车的结构设计，对结构 进行优化改造。③行星轮传动系统设计，对中心轮、行星机构之间的传动 比进行计算。④电动系统设计，实现助力运动。⑤开发控制程序，应用 Arduino 单片机对运动系统进行程序设计。⑥采用直立机构，可以在爬楼梯 时使物体直立于车上。行星轮系传动，传动轴与车轮一起构成传动系统，缩短传动距离。⑦电动助力，可节省人力成本。

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。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.

结束语：

该项目设计出的爬楼梯助力小车可以平时家用，又可以进行重物运输 的爬楼梯助力小车，在爬行时还可以使物体直立于小车上面。解决了运送 重物时省时省力，设备在居家生活中可多次使用，价格便宜等问题。

参考文献：

[1]王彦磊，武建新，朱吉魁，等. 电动助力载物爬楼小车设计[J]. 机械 研究与应用，2018，v.31;No.154（02）：100-101.

[2]于蔚然，罗俊，高哲，等. 可折叠爬楼助力小车的创新优化[J]. 机械，2016，043（008）：63-65.

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