石小磊 楊慧雯 安鵬悅 劉學(xué)帥
摘要:隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,許多難以解決的問題都被科學(xué)技術(shù)所解決。例如:由于空間的限制,地鐵站,學(xué)生宿舍,教學(xué)樓等公共區(qū)域,不能開設(shè)?零售超市來滿足人們的日常購物需求,由此自動售賣機(jī)誕生了,它的誕生給人們提供了極大的便利,同時(shí)也節(jié)省了人工和空間;騎車出行是一種環(huán)保的出?行方式,同時(shí)也可以鍛煉身體,但當(dāng)我們離開自行車時(shí),停放卻變成了難題,還要時(shí)刻上鎖,忘記鎖還要擔(dān)著被偷走的風(fēng)險(xiǎn),由此在 2014 年的時(shí)候 ofo 的?小黃車誕生了,也就是我們所熟知的共享單車,它的出現(xiàn)極大方便了人們的出行。爬樓梯在我們?nèi)粘I钪惺遣豢杀苊獾?,并且隨著我國老舊小區(qū)的增多,而這些小區(qū)大多都是無電梯的,而且在這里生活的大多數(shù)都是老人,上樓下樓卻成了難題,但爬樓梯時(shí)膝蓋承受的壓力是體重的 3~4 倍,這無疑對膝蓋巨?大的創(chuàng)傷,更何況是負(fù)重爬樓梯。由此爬樓梯小車,出現(xiàn)在人們的視野里。
關(guān)鍵詞:爬樓梯小車;結(jié)構(gòu);有點(diǎn)
據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,目前,全國各類殘疾人總數(shù)已達(dá) 8500 萬 60 歲以上 老年人口已經(jīng)達(dá)到 2.3 億。其中一些殘疾人可能是腿部癱瘓或者截肢,而 讓這些殘疾人獨(dú)自爬樓梯幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的,但可以在輪椅上加裝一個(gè) 類似于爬樓梯的裝置,加以手柄控制方向,這樣就可以輕松的上下樓梯;大多數(shù)老人住的一般都是老舊小區(qū),需要爬樓梯來進(jìn)入自己的住所。而且 這些老人的子女一般都不在身邊,隨著年齡的增長骨骼韌性下降,并且骨 骼萬一受到創(chuàng)傷會用很長的時(shí)間去恢復(fù),身體一旦失去平衡使骨骼受到創(chuàng) 傷,后果不堪設(shè)想。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,科學(xué)、社會的進(jìn)步,百姓生活的改 善,這類人群的行動不便,越來越受到全社會的關(guān)注。
一、爬樓梯小車的設(shè)備結(jié)構(gòu)
采用輕量化材質(zhì)鋁合金,結(jié)構(gòu)方面采用框架結(jié)構(gòu),減輕自身重量,同 時(shí)還要做到提升承載能力。在人手拉桿處套入一個(gè)橡膠皮套,防止貨物因 手滑而脫落,同時(shí)也防止手被磨傷。增加托板,在爬行時(shí)可以使物體直立 于上面,還需要增加擋板,防止其在爬樓梯的過程中貨物滾落,使其結(jié)構(gòu) 既可在實(shí)現(xiàn)水平路上助力行走,又可實(shí)現(xiàn)助力爬樓梯行走。這樣可以方便 人們在平地和樓梯之間自由切換,提高了其工作效率。
1.1 行走機(jī)構(gòu)方面
采用行星輪設(shè)計(jì),在不同的環(huán)境路段自動實(shí)現(xiàn)兩種輸出模式的調(diào)節(jié),從而 做到所需不同力矩的輸出,使能量使用率得到提升。減少了其電能的損耗。通 過手柄來控制爬樓梯小車的運(yùn)動速度和方向,是人們使用起來更加的方便,使 其更好的被人們操控。動力輸出方面:一方面依托人力完成,另一方面依靠電 動機(jī)補(bǔ)充動力進(jìn)行助力行走。這很大程度減小了人上樓膝蓋所承受的壓力。
1.2 控制模塊
爬樓梯小車選用 Arduino 單片機(jī)控制,Arduino 是一種開發(fā)工具軟件,不是一種芯片,也不是一種電路板。它可以支持很多種處理器芯片的開發(fā),內(nèi)部有很多庫,軟件和硬件開發(fā)方式具有很明顯的搭積木方式,開發(fā)應(yīng)用,簡單、方便、快捷。Arduino 是平臺 Arduino 只是一個(gè)用 java 和 gnu 實(shí)現(xiàn)的、 開源的開發(fā)平臺,其結(jié)構(gòu)源于藝術(shù)愛好者做的 Processing 軟件開發(fā)工具。它?可以支持多種 MCU,但是當(dāng)前只是支持有限的 MCU,現(xiàn)在支持的也不少了。
二、編程語言
Arduino 采用匯編、C 和 C++混合編程,采用成熟的開源 gcc 來編譯。
2.1 應(yīng)用
Arduino 主要用于前端的無操作系統(tǒng)、以實(shí)時(shí)控制為主的環(huán)境,如機(jī)器人前端控制,四軸飛行器前端控制,3D 打印機(jī)前端控制等。對簡單的控制 系統(tǒng),只用 Arduino 開發(fā)就可以了。在控制策略上,基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型 的電壓頻率控制方法和開環(huán)磁通軌跡控制方法都難以達(dá)到良好的伺服特 性,當(dāng)前普遍應(yīng)用的是基于永磁電機(jī)動態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量控制方法,這是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的核心控制方法。雖然人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高控制特性和 穩(wěn)定性,提出了反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等理論,還有不依賴數(shù)學(xué)模型的模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制方法,但是大多在矢量 控制的基礎(chǔ)上附加應(yīng)用這些控制方法。
2.2 動力方面
我們選用交流式伺服電機(jī)(伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動器控 制的 U/V/W 三相電形成電磁場,轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動,同時(shí)電機(jī)自 帶的編碼器反饋信過控制系統(tǒng)設(shè)置空擋,前進(jìn),后退三個(gè)擋位,來實(shí)現(xiàn)對 于產(chǎn)品的控制。
結(jié)束語:
爬樓梯助力小車主要的受眾人群為老居民樓的老年用戶,既要輕便也 要安全,并且在控制方面要簡單,隨著我國老齡化,受眾人群也越多。雖 然現(xiàn)在大部分小區(qū)都裝備了電梯,但一些幾十年前的老舊小區(qū)并沒有加裝 電梯,并且這些小區(qū)樓梯的高度較高,老年或身體不方便的人群難以攀爬,除此之外居住很多老人的老舊小區(qū)加裝電梯實(shí)行也非常困難,樓層底的住 戶不需要電梯或者對電梯需求少,不愿意出這份錢去建造電梯,而且有的 住戶認(rèn)為建造電梯還會影響其屋內(nèi)的采光,不同樓層的住戶意見不統(tǒng)一,難以全面實(shí)行其老舊小區(qū)的電梯全面安裝。而且審批復(fù)雜、破壞房屋結(jié)構(gòu) 等也成為主要“攔路虎”。在加裝電梯難度大,爬樓梯小車造價(jià)又高的情況 下,可以采用”共享”爬樓梯小車的方法去解決這一問題。
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本文系:2021 年校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《爬樓梯助力小車》,項(xiàng)目編號:2021193208019