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可爬梯及越障式手推车
可爬梯及越障式手推车

机械设计制造及其自动化03班
西南大学工程技术学院
重庆.北碚.400715

摘要
日常生活中，当我们去超市购买很多东西时，一般会需要用到超市里提供的手推车。很多超市为了节省空间并不会建造类似于正规医院里的那种绿色通道，所以当我们推着手推车在超市的一楼里买了一些东西后想要到二楼去购物，这时就没有办法把手推车推上二楼去辅助购物了。为了解决这一问题，方便广大市民在超市里购物，同时提升超市对顾客的吸引力。我提出了爬楼梯式手推车的初步设计。论文首先手推车的设计背景、结构及工作流程，然后对其结构进行运动分析，最后谈到了该设计的创新点及应用前景。可爬楼梯式手推车不仅可以帮助市民方便快捷的在在超市、商场购物，同时也可以用在学校的图书馆来辅助的搬运书籍等场合。
关键词: 可爬楼式；十字轮；平地-爬楼转换、越障；初步设计

Abstract
In daily life, when we go to the supermarket to buy a lot of things , we usually need to use the cart provided by supermarket. In order to save space ,many supermarkets will not build a special road similar to the green channels in normal hospitals. So when we push a cart to buy some things from the ground floor to the second floor in the supermaket，it will be so difficult for us to push the cart to the second floor to assist shopping that we may not be satisfied with our shopping. In order to solve this problem and facilitate the majority of citizens in the supermarket shopping, at the same time to increase supermarkets on the customer's appeal, I put forward a preliminary design of the cart which can climb the step . The paper first cart design background, structure and working process, and then the structure motion analysis was carried out. Finally talked about the design of the innovation points and the application prospect . Carts able to climb stepwise can not only make people convenient in supermarkets and shopping mall, they can also be used in the school library to assist the handling books and so on.
Keywords: Being able to climb stepwise cart; The wheel; The ground - climbing up conversion, the barrier; Preliminary design

I

目 录
摘 要
1 概述 - 1 -
1.1设计背景 - 1 -
1.2方案设计说明 - 1 -
1.3性能指标 - 3 -
2设计 - 3 -
2.1爬楼梯基本结构设计 - 3 -
2.2爬楼及平地-爬楼转换 - 5 -
2.3平地-爬楼转换机构 - 5 -
2.4越障原理说明 - 6 -
2.5动力设计 - 7 -
2.6主要创新点 - 7 -
2.7小车整体模型图 - 8 -
3应用及前景 - 8 -
3.1应用领域 - 8 -
3.2应用前景 - 8 -
参考文献 - 8 -

1概述
1.1设计背景
目前我国很多手推车系列的产品功能都比较单一，大多都无法实现上下楼梯的功能，因此要在室内的楼层之间搬运很多货物时就会显得很不方便。虽然我们可以通过电梯或是吊机等工具来搬运东西，但是电梯价格昂贵，很多地方都用不起，而像类似于吊机的这种工具安装和操作都比较复杂，因此设计一种能在上下楼梯之间高效、快捷的搬运东西且易于操作、存放的运输工具就有其实用的价值了。爬楼梯，尤其是在有负荷的情况下爬楼梯是人们在日常生活中面临的很大的问题，当人们搬着重物爬楼梯的时候时常会感到力不从心，这时候人们便希望有一种产品能够帮助他们在载物爬楼梯的过程中“如履平地”。该可爬梯及越障式手推车功率大、性能出众、功能完备、适用性强、性价比高，可以在各种场合使用并推广。
1.2方案设计说明
总结目前国内外现有的爬楼梯小车装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置。早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。 
轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。轮组式爬楼梯轮椅的爬楼梯机构由均匀分布在“Y”形或“+”字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。在平地行走时，各小轮自转，而爬楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。 
我国在上世纪八十年代对轮组式爬楼梯装置已有研究，1987年专利号为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星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。这两种机构的设计都是针对轮椅的。 
那么能否将这种轮椅的设计运用到我们的产品呢？答案是肯定的。但我们首先需要比较一下以上几种爬楼机构的优劣。 
步进式爬楼机构对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。而履带式重量大、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，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。轮组式设计很好的弥补了以上两种方式的缺陷，活动范围广，运动灵活。能很好地于我们的爬楼小车设计。但是轮组式机构容易倒转，需要人力的始终控制。 
综上所述，目前相对比较成熟的爬楼机构为履带式和轮组式。针对我们的产品，履带式是不适用的。而当前的轮组式爬楼机构又具有其自身的局限性。由此可见，为了解决爬楼机构使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置可爬楼梯式手推车分为手推平地行走和电动爬楼梯两大模块，主体为爬楼梯机构。设计中在满足使用条件的前提下尽量选用结构相对简单、性价比高的机构方案。
本作品是一款全新设计的可爬楼的手推车，它采用电力驱动，实现了自动爬楼以及平地行走的功能。整车采用模块化设计，由前驱动轮、后从动轮、电动机、棘轮机构、蜗轮蜗杆传动机构、齿轮传动机构、带传动机构。整机主要结构为四个十字形的轮架。其中两个前驱动轮通过蜗轮蜗杆传动机构与电动机连接，实现动力传递，并可经过齿轮、带传动将动力传给滚轮进行平地行走。两驱动轮经过差速转换可以实现转弯等动作。通过棘轮机构可进行平地行走与爬楼两种状态的切换。从动轮在驱动轮的带动下可以自动翻越楼梯台阶，实现爬楼功能。另外，由于十字轮的特殊结构，机器人可以轻松跨越160mm的障碍物。其结构见如图1.1。

图 1.1

如图1所示，整车子分为爬楼机构与平地行走机构。平地行走时有两种状态，开启电机与不开启，不开启时与普通手推车一样，靠人力推动；开启电机时把电机1一调成反转，通过联轴器1带动蜗杆2转动，继而带动主轴9上的蜗轮4使得主轴逆时针旋转。此时由于十字轮架中心处的棘轮5的作用，此时主轴不带动整个十字轮架转动。由于主轴与主轴端的大齿轮6（太阳轮）固定，主轴可以带动其转动。通过齿轮传动使得小齿轮17行星轮）转动，继而通过同一根小轴上的带轮8的带传动使得滚轮9逆时针转动，此时整车前进。当要爬楼梯时把电机调到正转从而使得主轴顺时针旋转，此时棘轮锁死，主轴带动整个十字轮逆时针转动，进入爬楼状态。

1.3性能指标
机器人设计用于高效爬上尺寸为280160mm左右的普通居民楼楼梯。
可以轻松翻越160mm以内高度的障碍物。

2 设计
2.1爬楼梯基本结构设计
考虑到机构体积和爬楼效率问题，爬楼结构基本单元选用了十字形的轮架式结构（如右图所示）。十字轮的基本尺寸依靠280160mm左右的普通居民楼楼梯尺寸确定。确定过程详见附录。

方案——前后双十字轮机构

图2.3 双十字轮机构
如图2.4,采用两个十字轮结构，前轮为主动力源，后轮从动。运动的过程为A、B、C、D点形成的可变平行四边形的运动。实现平地行走的部件是滚轮，滚轮安装在十字轮每根支脚的顶端，如图2.4所示：

图2.4 平地行走方案
要实现平地行走，必须要将主轴动力传递至每个滚轮。同时平地行走必须不影响十字轮的正常爬楼梯。为此决定使用这种方案。
最终方案——齿轮与带传动
如图2.7太阳轮（中心大齿轮）和主轴固连，行星轮（四周小齿轮）和带轮2固连，滚轮与带轮1固连，这样一来，当主轴旋转时带动太阳轮旋转，通过齿轮传动以及带传动使得滚轮转动。该方案简单易行，实现容易，而且还可以方便地由齿轮传动确定传动比，使得平地行走速度快于爬楼速度。固我们将其定为最终方案。我们选定的齿轮传动比为55:27，带传动为1:1。该方案不仅能够简单实现动力源从主轴传递到十字轮架四端的滚轮从而进行平地行走，更可以在爬楼的状态下进行滚轮的自锁（制动）。

图2.7 齿轮与带传动

图2.9 十字轮结构
2.2爬楼及平地-爬楼转换

图2.10

爬楼状态的制动问题
以我们选定的基本结构方案,要实现爬楼功能，必须使得主轴的动力传给整个十字轮使得十字轮翻转从而一级一级爬上楼梯。此时，如果四周的滚轮无法和十字轮架保持相对静止，则可能在翻楼时出现“打滑”现象（见图2.10）。
因此，必须保证在爬楼状态中滚轮和十字轮架杆保持锁定即相对静止，使得滚轮和十字轮架成为一个整体进行爬楼。为此我决定用以下这种方案,如图2.11所示：

图2.11同步转动式自锁制动
当进入爬楼状态时，主轴带动中心太阳轮转动，但同时主轴和十字轮架也是同步转动的，因此在十字轮架上的行星轮和太阳轮之间是相对静止的，因此也就不存在齿轮啮合传动，这样一来行星轮也就不会带动带轮从而不会使滚轮相对十字轮架转动，这样一来便实现了滚轮在爬楼状态中的自锁效果，爬楼时滚轮与十字轮架形成一体，爬楼时不会出现“打滑”。
2.3平地-爬楼转换机构

通过棘轮机构可以实现想要的效果，棘轮具有单向驱动的作用。棘轮是该产品设计中的创新点。在爬楼梯的过程中，面临的一大问题就是容易倒转。但安装棘轮可以有效避免倒转现象的发生。棘轮安装在中心轴上，棘爪安装在拉杆上。购物车只能向上运动，当下滑时棘轮会产生自锁。
零件-棘轮
故在此我们将棘轮用于状态切换。当主轴反转（从图2.12的左视图看主轴顺时针转动）时，棘轮出于自由转动状态，不会驱动十字轮中心环，即动力不会传到十字轮上，而只是将动力从主轴传至太阳轮，这时由太阳轮驱动行星轮进行平地行走状态；当主轴正转，棘轮内外圈锁定，驱动十字轮中心环，使整个十字轮翻转，同时中心齿轮也在以同十字轮同样的转速转动，这就是爬楼状态。
我们采用的棘轮是取自于自行车的飞轮。为了更好地将飞轮安装在十字轮中心环上，我们设置了棘轮安装套与棘轮安装环（图2.17）。棘轮中心套上螺套并固定，螺套与主轴间使用键连接。两个飞轮分别安装在大铝环两端，使用M8的螺栓进行固定。再将这一整体用M5的螺钉固定在十字轮中心环上，从而与十字轮架成为一体。
按照该方案，主轴与所有的轴上零件都是固定连接，零件个数大为减少，大大简化了结构，同时机构可靠性也得到了保证。而进行切换只需通过电机正反转改变主轴转向即可。

图2.12 棘轮式状态转换机构
2.4越障原理说明
对于我们采用的十字轮结构车架而言，越障的实现很方便。只要在平地行进时切换到爬楼状态，使用十字轮整体进行翻越，就可以越过障碍物。原理和爬楼基本一致。

图2.13 越障过程

2.5动力设计
手推车使用了一个电机，采用蜗轮蜗杆传动的方式将动力从电机轴传递给主轴。
采用蜗轮蜗杆的目的是在保证功率足够的情况下，减小主轴转速，同时提高爬楼时的转矩。而平地行走时则靠行星轮系中太阳轮到行星轮的加速效果，这使得平地行走速度快于爬楼的速度。
行动动力机构见下图2.14：

图2.14 行动动力机构图

2.6主要创新点
（1） 高效集成：将爬楼功能与平地行走功能能合二为一，方便实用。
（2） 机构创新：巧妙地利用棘轮正反转两种状态进行平地行走和爬楼两种状态的切换。在保持电机转速不变的情况下，利用蜗轮蜗杆进行减速从而增大爬楼转矩，继而通过齿轮增速传动使得平地行走速度加快.
（3） 与其它可以上楼梯的车子相比有以下优点: a.设计原理直观; b.小车结构简单,容易制造; c.可爬变高度的楼梯; d.整个爬升过程能保持车身安全平稳运动; e.依照上升原理，同样可以进行下台阶运动。
2.7小车整体模型图

3应用及前景
3.1应用领域
该可爬楼式手推车操作容易、结构相对简单。可适用于各种场合的多层建筑，如超市、政府机关，机场、火车站、汽车站、公寓、医工厂，学校等来辅助搬运东西，方便人们的生活。
3.2应用前景
（1）本作品大部分由简单部件组成，易于生产。车身主体由五根角钢和三根轴通过孔或轴承连接而成，且车身不大，一旦成产业，可大批量生产。
（2）通过对现有国内外爬楼梯装置资料的查阅，我们对爬楼梯装置有了一个全面的了解，在对比各个不同机构的优劣之后，我们优先选用了传统的行星轮机构来实现小车的爬楼梯过程，其中不仅考虑了材料价格，消费偏向，性价比等问题，而且考虑到了最广大人们的需求，我们用尽可能低的成本来实现最多的功能。实现低成本制造，经济合理，适合普及推广。若能批量生产，成本会更低。

参 考 文 献
[1] 高志，黄纯颖．机械创新设计[M]. 2版．北京：高等教育出版社，2009：351~354
[2] 刘鸿文．简明材料力学[M]. 2版．北京：高等教育出版社，2008：107~112
[3] 孙桓，陈作模．机械原理[M]. 7版．北京：高等教育出版社，2006：116~119
[4] 濮良贵，纪名刚．机械设计[M]. 8版．北京：高等教育出版社，2006：238~241
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