技 术 总 结 报 告
学院： 机械工程学院 项目名称： “如履平地”爬楼梯小车
小组成员： 张鹏鹏、武怀宇、邢举学、李小龙
摘
要
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”。我们的项目就是为了帮助人们解决这个难题，满足人们生活中的需求。
“如履平地”爬楼梯小车是采用传统的行星轮装置实现小车在楼梯间平稳地行走，同时采用棘轮机构对小车的逆向及顺向行走实现意外情况下的自锁。本项目主要采用理论分析与仿真分析相结合的研究方法，对设计的爬楼梯小车的性能及应力进行了详细精密的计算，分析。首先小车的设计基于严格的理论基础，并对它进行了理论分析，计算了在设计尺寸下它是否能承受预定的载重，并且对它的受阻情况进行了模拟计算，经理论分析后，“如履平地”爬楼梯小车满足基本的需求，但是在极限情况下，它是否依旧满足条件呢，这就需要我们进行受力的仿真分析，本项目采用Solidworks中cosmos插件的有限元分析软件部分，对在受力情况下小车轴以及棘轮的应力情况进行了分析，经模拟受力情况下，小车的轴以及棘轮在极限情况下均满足力学条件。
通过本项目的研究，我们希望能够帮助人们解决爬楼梯过程中的面临的难题，实现在爬楼梯过程中的平稳行走，同时能够更加省力，尽量减少行走阻力，使人们能感到更加舒适，轻松。希望经过我们的努力，把这种爬楼梯小车推向市场。
目
录
主体部分
1.绪论
爬楼梯是人们日常生活中必须要面对的事情，然而在有些情况下它却远远超出了人们的掌控。例如，很多人在搬某件重物上楼梯时时常会感到力不从心，假使有一种产品能让物体在楼梯上也能“如履平地”那就好了。爬楼梯小车的研究．对解放人们，在人不能直接提升物体的情况下中进行作业，具有重要的意义。针对各种不同的运动环境，一直以来爬楼梯小车所采用的运动方式大体包括轮式、履带式、足式等。
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。
2.正文
2.1“如履平地”爬楼梯小车的各部分介绍
本小车主要由拉杆，托盘，行星轮，轮架及棘轮四部分构成（图 1）
2.1.1 拉杆部分
拉杆部分的材料为
由一固定拉杆和一活动拉杆构成。二者之间通过铰链连接。当小车处于使用状态时，在人的拉力作用下，活动拉杆伸直，两个部分处于同一平面上。当小车处于非使用状态时，可以将活动拉杆折叠，这样就可以大大减小产品所占的空间。
2.1.2 托盘部分
托盘部分的材料
其作用为装载货物。使用的时候托盘处于与拉杆垂直的
图 1 位置；闲置状态下托盘可折叠起来，减小小车的存放空间，如图 2。
2.1.3 轮架部分
小车含有左右共两个轮架，每个轮架由三根互成120°角的臂杆固结而成。轮架中心出有一孔结构，用以安装中心轴。在臂杆的末端各有一孔结构，用以安装与行星轮连接的轴。
2.1.4行星轮
小车总共由左右各三个共六个行星轮构成，每个行星轮都具有两个自由度，即可绕自身的轴自转，也可绕中心轴公转。现在以一侧的行星轮为研究对象对其运动进行分析。当小车在平地上运动时，有两个行星轮与地面紧密接触，绕中心轴公转的自由度受到限制，不能翻转。当任一行星轮碰到楼梯时，楼梯
图 2 给行星轮一水平向后的挤压力，同时由于人的拉力的作用，使得中心轴给轮架一个斜向上的拉力。这两个力的作用将使得与楼梯接触的行星轮对应的臂杆发生翻转，从而带动两外两个行星轮翻上楼梯。
2.1.5棘轮
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。小车只能向上运动，当下滑时棘轮会产生自锁。如图3 所示。
图 3 整体工作流程
图 4 2.2
如图4所示，“如履平地”爬楼梯小车的工作流程：
首先是根据楼梯的高度差与轮架的高度相比较，判断小车是否能顺利的爬过楼梯，如果能够满足要求，那么开始行走；如果不能满足条件，则必须要调节行星轮与轴线的距离，即轮架的长度，轮架长度的调节采用手动，类似与雨伞的自动扣结构，用力一拉轮距便会伸长，而在受力情况下由于它处于稳定状态，因此并不会缩短，要想缩短必须要给一个垂直与杆方向的力。它可以满足楼梯高度差之后，则小车便开始爬楼梯。在上楼梯的过程中，人们可能会由于太累或者不小心而松力，这样普通的小车便会有向下的趋势，而“如履平地”爬楼梯小车则由于中心轴线上的棘轮机构，实现自锁功能，有效的避免了意外的发生。当然了，在下楼的过程中，通过一个手刹可以改变棘爪的方向，这样同样可以避免下楼的过程中意外的发生。
2.3 研究方法
①在机构的设计中采用功能分析的方法，确定机构各尺寸关系间的约束关系。
②运动学分析：建立合理的运动学模型，从而对不同运动阶段进行分析。 ③运动学仿真与分析：在爬楼梯越障的运动学模型基础上，改变机构相关尺寸进行仿真分析，从而得到最优解。
④对机体质心及其稳定性进行分析，选取合适参数做仿真，得到最优解。 ⑤介绍了爬楼梯小车结构实现方法，从传动设计、零件组成及选用，从设计方面对爬楼梯小车的结构进行了详细说明。
⑥机构动力消耗问题的研究。
⑦设计的机构在模态环境和非模态环境下使用情况的对比，验证其适应性。
2.4 理论分析
托盘受力分析
托盘结构相当于悬臂梁，采用合金钢管40Cr，力学特征如下图5：
图 5
实际结构如上图6所示。
图 6 最大载重为50kg，杆长为500mm（实际尺寸为450mm），则作用点位于中心250mm处。外径为50mm，壁厚为4mm，计算杆的受力情况。（弯曲正应力[σ]=250MPa） 计算：
σ=Mmax/Wz
Mmax=50*10*250*10-3=125N.m Wz=П/32*D4（1-α4）=6.13*10-7 σ=Mmax/Wz=125/6.13*10-7=203MPa
2.5 仿真分析
3 结论
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。
在整个设计过程中，我们对爬楼梯小车的设计，从二维图到三维图，从理论分析到仿真分析，辩证地分析了不同的方案，对它的可行性进行了认真的思考和激烈的讨论，采用科学的设计流程，实现了产品的工程化设计。 现在的小车可以解决不同高度的楼梯差的爬行问题，而且运行平稳，可以运载易碎的产品，这是其它的产品所不能的。整个小车质量轻盈，而且可折叠十分便携。并且造价低，适合的各个消费群体使用，增加的棘轮机构可以实现小车在上升过程中的倒转问题，而手刹可以轻易的在上下楼梯间切换。
参考文献
[1] 郑文纬，吴克坚.机械原理机械(第七版) [M].北京:高等教育出版社,1997 [2] 徐灏.机械设计手册.北京:机械工业出版社,1991 [3] 邹家祥.现代机械设计理论与方法.北京:科学出版社,1990
致谢
葛培琪老师对开题报告仔细审阅，指出错误，并提出了修改意见。张勤河老师也对我们的工作提供了重要帮助。在此对葛培琪老师和张勤河老师致以最衷心的感谢！
附录
小车展开图（错误！未找到引用源。），折叠图（图b）
图 c
图 d
