基于輪履式爬樓裝置切換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

摘 要：本文針對(duì)于目前存在的履帶式和輪組式的爬樓裝置進(jìn)行了分析研究，并通過(guò)對(duì)爬樓裝置的市場(chǎng)需求分析以及對(duì)樓梯的形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)一般化處理，優(yōu)化設(shè)計(jì)出模塊化輪履式爬樓裝置，并對(duì)于爬樓裝置的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并最終選用輔助支撐式輪履切換機(jī)構(gòu)，很好地實(shí)現(xiàn)了樓梯運(yùn)行和平地運(yùn)行之間的切換，保證了運(yùn)行的穩(wěn)定性，該機(jī)構(gòu)還可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用到其他的爬樓或者上坡設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了通用化以及模塊化。

關(guān)鍵詞：輪履式；輔助支撐機(jī)構(gòu)；爬樓裝置；切換機(jī)構(gòu)

目前隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民生活水平的提高，人們的居住環(huán)境逐漸從平房向居民樓轉(zhuǎn)變，然而生活方便的同時(shí)卻也帶來(lái)一系列的不方便之處，對(duì)于舊式的和低層的居民樓并沒(méi)有配備電梯，因此一些生活物品或家具的搬運(yùn)成為居民生活的難題，從當(dāng)前發(fā)展來(lái)看還沒(méi)有較為通用的爬樓的輔助搬運(yùn)設(shè)備，來(lái)解決無(wú)電梯居民樓的搬家、裝修等重物的搬運(yùn)問(wèn)題。

1 針對(duì)于當(dāng)前存在的爬樓裝置，按照爬樓功能實(shí)現(xiàn)的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式三類(lèi)爬樓梯裝置

1.1 履帶式

履帶式爬樓裝置的底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用履帶與樓梯之間的摩擦力達(dá)到爬樓和爬行的目的，運(yùn)用履帶進(jìn)行爬樓的優(yōu)點(diǎn)主要是運(yùn)行平穩(wěn)，可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境，能滿(mǎn)足大多數(shù)工作條件的要求，并且承載能力比較強(qiáng)，適應(yīng)性比較好，一般履帶式爬樓裝置的上下樓梯速度為每分鐘15-20個(gè)臺(tái)階；缺點(diǎn)是工作時(shí)噪音太大，能量損失太高，在平地狀況下運(yùn)行時(shí)速度較慢，形成時(shí)間上的浪費(fèi)。

1.2 輪組式

輪組式爬樓梯裝置運(yùn)用輪或輪組實(shí)現(xiàn)爬樓的目的，在輪組式爬樓裝置中，當(dāng)平地行走時(shí)，各小輪自轉(zhuǎn)；而爬樓梯時(shí)，各小輪一起公轉(zhuǎn)。輪組式爬樓裝置優(yōu)點(diǎn)是活動(dòng)范圍廣，運(yùn)動(dòng)靈活，平地運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性較高，速度相對(duì)履帶式可以達(dá)到很高的要求，缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度不高，上下樓梯時(shí)平穩(wěn)性不高，重心起伏較大，在爬樓過(guò)程中需要借助外力才能保證重心的穩(wěn)定，而且輪組式爬樓梯裝置體積較大，很難在普通住宅樓梯上使用。

1.3 步行式

步行式爬樓裝置通過(guò)模仿人腿的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)爬樓的目的，其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。步行式爬樓梯裝置外觀可視為足式機(jī)器人，采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。步行式爬樓梯裝置優(yōu)點(diǎn)是爬樓時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯；缺點(diǎn)是對(duì)控制系統(tǒng)的要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度不大，動(dòng)作緩慢。

本文設(shè)計(jì)的輪履式爬樓裝置，綜合了履帶式和輪組式的優(yōu)點(diǎn)，爬樓時(shí)可以平穩(wěn)勻速運(yùn)行，承載能力比較強(qiáng)，適應(yīng)性比較好；平地運(yùn)行時(shí)活動(dòng)范圍廣，運(yùn)動(dòng)靈活，穩(wěn)定性較高，速度相對(duì)履帶式可以達(dá)到很高的要求，并可以根據(jù)人員需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；與此同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)平地運(yùn)行模塊和爬樓運(yùn)行模塊的平滑切換機(jī)構(gòu)，避免了重心的過(guò)度起伏，保證了裝置整體的穩(wěn)定性。

2 平地運(yùn)行和爬樓運(yùn)行切換的機(jī)構(gòu)主要有以下三種

2.1 棘輪機(jī)構(gòu)切換

利用雙向棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)履帶和車(chē)輪的切換，棘輪可以防止爬樓過(guò)程中履帶的倒退，進(jìn)而保證人員安全。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下能平滑的切換到另一種模式，但是需要的控制力較大，需增加液壓或機(jī)械增力機(jī)構(gòu)，進(jìn)而會(huì)增加整體體積，使爬樓裝置整體偏大；同時(shí)棘輪機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中容易磨損，會(huì)造成運(yùn)動(dòng)以及停止的不穩(wěn)定性，進(jìn)而增加爬樓裝置重心的震蕩。

2.2 平行四邊形機(jī)構(gòu)切換

采用平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝置底盤(pán)上履帶的升降，從而將平地運(yùn)行模塊切換到爬樓運(yùn)行模塊，這種轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)是易于控制，借助于電動(dòng)推桿能很好地控制履帶升降的高度，但是在爬樓過(guò)程中不能保證爬樓裝置的穩(wěn)定性，并且在輪履模塊切換時(shí)自動(dòng)化程度低，同時(shí)由于平行四邊形機(jī)構(gòu)的剛度要求，使得運(yùn)載貨物的承載能力有一定的限制。

2.3 輔助支撐機(jī)構(gòu)切換

通過(guò)對(duì)輪履模塊切換機(jī)構(gòu)進(jìn)行需求分析，設(shè)計(jì)了輔助支撐機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行平滑切換，該機(jī)構(gòu)集成了雙向棘輪式和平行四邊形機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能平滑穩(wěn)定的切換平地與爬樓運(yùn)行兩種模塊；在輔助機(jī)構(gòu)末端安裝支撐輪，當(dāng)下放該機(jī)構(gòu)時(shí)釋放支撐輪，同時(shí)履帶會(huì)抬起，保持一定的互鎖性，避免履帶和車(chē)輪同時(shí)作用的重復(fù)支撐；借助支撐輪使得爬樓裝置保持一定的穩(wěn)定性，通過(guò)控制電動(dòng)推桿伸縮的長(zhǎng)度適應(yīng)不同坡度的樓梯，使得爬樓時(shí)整體裝置的重心靠近履帶前段三分之二處，消除了因安置貨物不當(dāng)造成的裝置整體重心偏后而導(dǎo)致的附加阻力。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輪履式爬樓裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)分析，該輔助支撐機(jī)構(gòu)能使該裝置實(shí)現(xiàn)平地搬運(yùn)，樓梯搬運(yùn)兩種工作模式的平順、快速、穩(wěn)定的自動(dòng)切換，而且利用履帶的差動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)裝置在狹窄的樓梯上攀爬、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，無(wú)需操作人員的過(guò)多干預(yù)，并借助電動(dòng)推桿的伸縮，形成一個(gè)良好人機(jī)交互手段，使操作更方便、靈活；該裝置控制系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的嵌入式系統(tǒng)，在保證爬樓裝置運(yùn)行過(guò)程的可靠性和經(jīng)濟(jì)性前提下，提高整個(gè)系統(tǒng)的可維護(hù)性和操作性。

參考文獻(xiàn)

[1]王麗娟.行星滾輪轉(zhuǎn)換步行式驅(qū)動(dòng)爬樓梯輪椅設(shè)計(jì)[D].蘇州大學(xué)，2010

[2]孟曉東.輪履組合式電動(dòng)爬樓輪椅的研究[D]. 長(zhǎng)春理工大學(xué).2013

[3]呂龍飛. 輪腿式輪椅傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與爬樓過(guò)程仿真[D].河北工業(yè)大學(xué)，2013

[4]李睿. 一種平地、樓梯兩用助行裝置的建模與設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2009

[5]童俊華.行星輪式爬樓梯機(jī)器人小車(chē)的研究[D].江西理工大學(xué)，2010

[6]武可艷.爬樓越障機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析與綜合研究[D].河南工業(yè)大學(xué)，2013

[7]王淑坤， 孟曉東，等.一種輪履組合式爬樓輪椅的設(shè)計(jì)長(zhǎng)春理工大學(xué) [J]2013.1004-2539

[8] 黑沫.可變形履帶機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)[D]. 2010

[9]孫振杰，劉俊峰，等.微型農(nóng)用履帶式行走裝置的設(shè)計(jì)方法[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（10）：55-58

作者簡(jiǎn)介

張潤(rùn)鋒（1993- ），男，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。