王宇， 李勝， 陳文仁， 朱滿， 郝偉， 王玉琳， 董玉革

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

一種自動(dòng)爬樓運(yùn)輸車

王宇， 李勝， 陳文仁， 朱滿， 郝偉， 王玉琳， 董玉革

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)爬樓運(yùn)輸車，其特征是將水平行走運(yùn)動(dòng)與升降運(yùn)動(dòng)分開，水平行走由伺服電動(dòng)機(jī)通過滾珠絲杠帶動(dòng)載物臺(tái)實(shí)現(xiàn)，升降運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)推桿的伸縮實(shí)現(xiàn)，行走運(yùn)動(dòng)與升降運(yùn)動(dòng)交替進(jìn)行。其中，水平行走與升降運(yùn)動(dòng)均由3條腿支撐完成，利用三角形的穩(wěn)定性保持整個(gè)機(jī)構(gòu)在水平面內(nèi)穩(wěn)定牢固。在爬樓過程中，載物臺(tái)始終呈水平狀態(tài)，運(yùn)送的物品不會(huì)因傾斜而滑落。整個(gè)裝置由單片機(jī)控制伺服電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)推桿協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而完成爬樓動(dòng)作。

爬樓；機(jī)器人；運(yùn)輸車；自動(dòng)化

0 引言

在電梯空間不足或無電梯的樓層里，依靠人力搬運(yùn)貨物上下樓十分辛苦，而且人工搬運(yùn)物品的大小及重量均有限，易受體力限制，成本高、效率低。對(duì)此情況，應(yīng)用機(jī)械設(shè)備代替人力會(huì)達(dá)到高效、省力的效果。爬樓車就是用于搬運(yùn)重型、大件物品上下樓梯的簡易機(jī)械裝置[1-4]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)公開的爬樓設(shè)備多為三輪滾動(dòng)式爬樓車[5]，該類產(chǎn)品的3個(gè)滾輪繞著一根主軸均布，靠主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)3個(gè)滾輪依次與樓梯的上下兩個(gè)臺(tái)階面接觸，加上人力牽拉，實(shí)現(xiàn)爬樓的動(dòng)作[6-9]。雖然它一定程度上解決了人力搬運(yùn)重量方面的限制，但仍然存在以下缺點(diǎn)：1）裝置工作時(shí)仍需人力的輔助，未能完全解放雙手；2）爬樓時(shí)裝置與臺(tái)面的接觸點(diǎn)只有2個(gè)，穩(wěn)定性差，具有一定的危險(xiǎn)性；3）為了適應(yīng)爬樓，該類產(chǎn)品的載物臺(tái)全為傾斜放置，對(duì)所載物品的類型有一定限制[10-15]。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)爬樓運(yùn)輸車，可以實(shí)現(xiàn)大件物品的自動(dòng)搬運(yùn)，確保物品安全穩(wěn)定載送。

1 自動(dòng)爬樓運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)組成

圖1為自動(dòng)爬樓運(yùn)輸車的整體結(jié)構(gòu)。整車由載物臺(tái)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、平地支承機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)5個(gè)部分組成：1）載物臺(tái)。承載運(yùn)輸?shù)呢浳铩?）進(jìn)給機(jī)構(gòu)。完成爬樓車的水平進(jìn)給，包括2根滾珠絲杠15、16與3根電動(dòng)推桿5、7、9。2根滾珠絲杠的兩端分別通過吊耳固定在載物臺(tái)兩側(cè)的下方，其中一端聯(lián)接伺服電動(dòng)機(jī)。滾珠絲杠15具有兩個(gè)螺母，分別固結(jié)電動(dòng)推桿5和7，當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)13控制滾珠絲杠15轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)推桿5和7在載物臺(tái)下方的滑道內(nèi)同步移動(dòng)。滾珠絲杠16只有一個(gè)螺母，其上固結(jié)電動(dòng)推桿9，當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)14控制滾珠絲杠16轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)推桿9在載物臺(tái)下方的滑道內(nèi)移動(dòng)。3）升降機(jī)構(gòu)。由6根電動(dòng)推桿5、6、7、8、9、10組成，這6根推桿可以根據(jù)需要自動(dòng)進(jìn)行伸縮組合，從而完成爬樓車的垂直升降運(yùn)動(dòng)。4）平地支承機(jī)構(gòu)。由前后4條輪腿1、2、3、4構(gòu)成。5）控制系統(tǒng)。基于AT89S52單片機(jī)，內(nèi)部含有伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)輸車的爬樓動(dòng)作是在單片機(jī)的控制下協(xié)調(diào)進(jìn)行的。

圖1 自動(dòng)爬樓運(yùn)輸車的整體結(jié)構(gòu)

2 自動(dòng)爬樓運(yùn)輸車的工作原理

2.1 平地行駛階段

如圖2所示，爬樓車在平地行駛時(shí)，由前后4條輪腿1、2、3、4支撐車身，4條輪腿的長度略大于后端兩根電動(dòng)推桿7、10完全收縮時(shí)的長度。4條輪腿下方均裝有萬向滾輪，保證車身能夠360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)掉頭轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。此階段可由人力推行。

圖2 平地行駛階段

2.2 由平地向樓梯過渡階段

爬樓車由人工推行至樓梯前，開始由平地向樓梯過渡，可分為兩個(gè)階段：

1）如圖3（a）所示。伺服電動(dòng)機(jī)13正轉(zhuǎn)，滾珠絲杠15轉(zhuǎn)動(dòng)，其上2只螺母分別帶動(dòng)電動(dòng)推桿5、7同步前進(jìn)；當(dāng)電動(dòng)推桿5到達(dá)樓梯第一級(jí)踏面的中間時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)13停止，電動(dòng)推桿5伸長直至抵上樓梯第一級(jí)踏面，作為下一時(shí)刻的支承腿。之后，伺服電動(dòng)機(jī)13反轉(zhuǎn)，電動(dòng)推桿5、7相對(duì)車身向后移動(dòng)，因電動(dòng)推桿5伸出的腳已經(jīng)抵在樓梯踏面，所以拖動(dòng)車身向前移動(dòng)；同時(shí)，電動(dòng)推桿5、8之間兩條輪腿上面的關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，兩條前輪腿向后彎曲收起，為下一步的爬樓作準(zhǔn)備。

2）如圖3（b）所示。電動(dòng)推桿8伸長至樓梯第一級(jí)踏面，作為下一時(shí)刻的支承腿，電動(dòng)推桿5收縮至最短；伺服電動(dòng)機(jī)13正轉(zhuǎn)，電動(dòng)推桿5進(jìn)給至第二級(jí)踏面中間位置并伸長抵緊踏面，電動(dòng)推桿8收縮（此時(shí)有電動(dòng)推桿5作為支承）；伺服電動(dòng)機(jī)13反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)車身向前移動(dòng)。此時(shí)，爬樓車3組腿分別落在3個(gè)平面上，長度與樓梯互補(bǔ)，載物臺(tái)保持水平。至此，由平地向樓梯過渡階段結(jié)束。

2.3 爬樓梯階段

如圖4所示，從平面向樓梯過渡階段完成后，根據(jù)樓梯的臺(tái)階數(shù)，循環(huán)以下過程：

1）電動(dòng)推桿6、8、10同時(shí)伸長略大于一個(gè)臺(tái)階的高度，載物臺(tái)被頂起，此時(shí)爬樓車由電動(dòng)推桿6、8、10支承，3根推桿呈三角形分布，爬樓車不會(huì)失穩(wěn)。

圖3 由平地向樓梯過渡階段

2）2條后輪腿向前彎曲收起，正向同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)，使得電動(dòng)推桿5、7、9同步向前進(jìn)給，直至3根電動(dòng)推桿分別到達(dá)3個(gè)臺(tái)階的中間位置。

3）電動(dòng)推桿6、8、10同時(shí)收縮至最短，此時(shí)爬樓車由電動(dòng)推桿5、7、9支承，3根推桿也呈三角形分布，保證了爬樓車的穩(wěn)定性。

4）反向同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)，使得車身向前運(yùn)動(dòng)。至此，爬樓車成功爬升一級(jí)臺(tái)階。

循環(huán)上述爬樓過程直至最后一階樓梯，即可完成爬樓梯階段。

2.4 由樓梯向平地過渡階段

當(dāng)爬樓車爬升至圖5（a）所示位置時(shí)，開始由樓梯向平地過渡。此階段可以分解為以下幾個(gè)過程：

1）電動(dòng)推桿6、8、10同時(shí)伸長略大于一個(gè)臺(tái)階的高度，正向啟動(dòng)2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)推桿5、7、9前進(jìn)，電動(dòng)推桿7、9運(yùn)動(dòng)至上一個(gè)臺(tái)階表面，此時(shí)電動(dòng)推桿5距平地尚有一個(gè)臺(tái)階的高度。

2）電動(dòng)推桿5伸長至地面，作為下一時(shí)刻的支承點(diǎn)。

3）電動(dòng)推桿6、10收縮至最短，反向啟動(dòng)2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)，車身前進(jìn)，電動(dòng)推桿6、10運(yùn)動(dòng)至上一個(gè)臺(tái)階表面，此時(shí)，電動(dòng)推桿8距地面尚有一個(gè)臺(tái)階的高度，如圖5（b）所示。

圖4 爬樓梯階段

圖5 由樓梯向平地過渡階段

4）電動(dòng)推桿8伸長至地面，作為下一時(shí)刻的支承點(diǎn)。

5）電動(dòng)推桿6、8、10同時(shí)伸長略大于一個(gè)臺(tái)階的高度，兩伺服電動(dòng)機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)14轉(zhuǎn)速降為先前一半（使得電動(dòng)推桿9進(jìn)給距離縮短，三支承點(diǎn)分布適宜，加強(qiáng)穩(wěn)定性），拖動(dòng)電動(dòng)推桿5、7、9前進(jìn)，電動(dòng)推桿7、9運(yùn)動(dòng)至上一個(gè)臺(tái)階表面，此時(shí)，電動(dòng)推桿5距地面尚有一個(gè)臺(tái)階高度。

6）電動(dòng)推桿5、9同時(shí)伸長至地面，關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，2條前輪腿放下。

7）電動(dòng)推桿6、8、10同時(shí)收縮至最短，關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，2條后輪腿放下。

8）兩電動(dòng)機(jī)同時(shí)反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)車身向前進(jìn)給，電動(dòng)推桿5、9收縮至最短，車身由4個(gè)輪腿支承，電動(dòng)機(jī)14半速正轉(zhuǎn)，使得電動(dòng)推桿9回到初始位置。

此時(shí)，爬樓車完成從樓梯向平地的過渡，在平地上可由人力推行前進(jìn)。

3 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)爬樓運(yùn)輸車，在平地行駛時(shí)依靠4條輪腿著地，運(yùn)行平穩(wěn)；在平地向樓梯過渡、攀爬樓梯以及由樓梯向平地過渡階段，均有至少3條腿著地，所以爬樓過程穩(wěn)定、可靠。采用3條腿上下運(yùn)動(dòng)和3條腿前后運(yùn)動(dòng)，模仿動(dòng)物爬樓，將水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和垂直升降運(yùn)動(dòng)分離開來，使得載物臺(tái)始終處于水平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了物品的安全、平穩(wěn)傳送。

[1] 張軍林.對(duì)機(jī)械傳動(dòng)中的慣性力分析與計(jì)算的探討[J].機(jī)械工程師,2012(9):76-77.

[2] 徐進(jìn).絲桿升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的可靠性設(shè)計(jì)研究[J].煤礦機(jī)械,2003(10):15-18.

[3] 宋現(xiàn)春,艾興.伺服電機(jī)智能控制接口電路設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2002(1):58-59.

[4] 蘇萌.電器附件測(cè)試臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)2013(5):40-43.

[5] 祝欣波,江征風(fēng).伺服電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2007(11):88-90.

[6] 王虎,彭如恕,尹泉.基于STM32嵌入式模糊PID伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2014(11):139-141.

[7] 徐明字,趙勇,包士維,等.電動(dòng)載物爬樓機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2015(7):198.

[8] 王佳佳,唐雪梅,何小龍.四連桿爬樓梯機(jī)器人的改進(jìn)和優(yōu)化[J].機(jī)械工程師,2014(7):150-152.

[9] 陸江艷.關(guān)于無障礙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的調(diào)研及啟示[J].包裝工程,2010(10):65-69.

[10]吳宗澤.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[11] 王澤娟.產(chǎn)品的人性化設(shè)計(jì)[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究),2007(31):47.

[12]李冠群,宋其江,楊焱強(qiáng).一種新型電動(dòng)自平衡爬樓車的設(shè)計(jì)與研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2016(7):44-48.

[13] 王玉爍,陳光軍,徐銳,等.阿基米德螺線輪樓梯搬運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(3):405-407.

[14]祝漢營,王志坤.多功能拉椅車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].硅谷,2015(1):42-43.

[15] 劉柄辰,宋其江,凌志成,等.一種新型全控式自平衡爬樓車的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2015(4):34-36.

A Kind of Automatic Transport Vehicle for Climbing Stairs

WANG Yu,LI Sheng,CHEN Wenren,ZHU Man,HAO Wei,WANG Yulin,DONG Yuge
（School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China）

This paper designs a kind of automatic transport vehicle for climbing stairs which can separate the horizontal walking motion from the lifting movement.The horizontal walking is driven by the servo motors through the ball screws,the lifting movement is realized by the electric push rods,the walking motion and the ascending/descending motion can be alternated.And the horizontal walking and lifting movements are all supported by three legs,the stability of the whole vehicle in the horizontal plane is maintained by the stability of the triangle.In the process of climbing stairs,the platform is always in a horizontal state and the goods will not be transported due to tilt and slide.The whole device is monitored by a single chip microcomputer to control the servo motors and the electric push rods to coordinate the movements,and thus the climbing action is completed.

climbing stairs;robot;transport vehicle;automation

TP 271.4

A

1002－2333（2018）01－0120－03

基金支持：合肥工業(yè)大學(xué)2016年校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2016CXCY015）

（編輯 昊 天）

王宇（1995—），男，本科生，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)；

王玉琳（1966—），男，副教授，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事數(shù)控技術(shù)與機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)的研究。

王玉琳，KL32T@vip.sina.com。

2017-04-08