多功能爬楼梯装置的研究及控制系统的设计

多功能爬楼梯装置的研究及控制系统的设计

姚力,冯柳华,朱顺明,庞文

广西新电力投资集团有限责任公司博白供电局 广西博白 537600

摘要：本文首先提出了一种轮式爬楼梯装置的机械结构设计方案。前轮采用电动轮毂驱动，在平地使用时作为主动轮;后轮为爬楼辅助轮，由轮缘和轮毂构成。装置的爬楼功能通过与后轮轮毂相连的离心驱动轴而实现，驱动电机选用无刷直流电机。其次，根据无刷直流电机的工作原理，结合速度、电流双闭环调速的控制方案，完成了电机驱动器的软、硬件设计。硬件设计以智能功率模块(IPM)为功率驱动器件，以数字信号处理器(DSP)为控制器，并使系统具有过压、欠压和过流保护功能;软件设计采用模块化设计方法，按功能划分各子模块，实现了电机的全数字化调速。最后，搭建了爬楼结构的实物模型，并对系统进行了模拟调试与分析。实验结果证实了本文所设计的机械爬楼结构的可行性,与星形轮结构相比,其运动轨迹得到了优化;同时，电机的调速性能也满足装置驱动控制的要求。

关键词:多功能爬楼梯装置；爬楼结构；无刷直流电机；驱动器；IPM

一、需要研究的问题

总结国内外各类爬楼梯装置的特点可以看出，发展至今除了轨道式爬楼梯装置外，大多数爬楼梯装置的自主性不高，仍需在旁人协助的条件下实现上下楼运动，而且存在很多问题值得深入研究。

首先，爬楼梯装置在爬楼梯过程中的稳定性是影响其实用安全性的重要指标，无论对于使用者还是设计者而言，都非常重要。其稳定性不仅取决于机械结构的设计，而且取决于控制系统和控制策略。装置通常需要一个或多个电机控制其平地电动运行和爬楼运动，电机驱动控制系统的性能对整个装置起着重要的作用。

其次，为提高使用安全性，需要对由人和装置组成的系统的重心作适时调节，应尽量降低重心使其运行平稳。由于楼梯具有一定的倾斜度，前后着地点之间水平方向的距离减小了，在下楼时系统易前倾，重心靠近前支点;相反，上楼时系统易后仰，重心靠近后支点，这都使整个系统的稳定性降低。随着楼梯倾斜度的增加，这种问题更加明显，因此必须采取一定的措施适时地调节系统的重心。人的重量在整个系统中占很大的比例，因此通过调节座椅相对于装置的位置便能改变系统的重心;同时通过调整机构自动调节座椅的倾斜度，使之大体保持水平。

第三，多数装置在爬楼时均采用“面向楼下的方式”，即上楼时采用后退方式，这与人们日常运动逻辑相反，降低了使用者的舒适度，一定程度上影响了用户的心理。为使这类装置能尽快推向市场使用，舒适度必然是设计时要考虑的重点之一。

此外，对于多功能爬楼梯装置，如何实现平地模式与爬楼模式之间的平滑切换也是重要的问题。通过在轮椅上安装传感器，检测楼梯边缘，将传感器获得的信息送到主控制器，实现运行模式的切换。同时配置可靠的刹车装置，从而避免系统突然从水平状态倾斜至楼梯坡度，克服由于惯性力引起系统向下倾翻的趋势，维护使用者的安全。

为解决以上这些问题，传感器技术、计算机控制技术必将越来越多地应用到爬楼梯装置中，从而提高装置的自动化程度以及使用安全性、舒适性。同时，伴随机器人控制技术的发展，移动机器人的大量技术如计算机视觉、机器人导航和定位、模式识别等也将被运用到爬楼梯装置中，使其朝着智能化的方向发展。多功能爬楼梯装置将融合机械、控制、传感器、人工智能等技术于一体，逐渐跨入服务机器人的行列。

二、多功能爬楼梯装置总体设计

总结目前已有的各种爬楼梯装置，综合分析其各自优缺点，并考虑我国的基本国情以及使用与开发条件的限制，本文提出了一种结构简单，造价经济，能适用于室内外楼梯、台阶的多功能爬楼梯装置。

多功能爬楼梯装置主要由以下四部分组成:车身、机械传动机构、执行电机及其驱动控制系统。车身包括座椅和支撑座椅的两侧框架。机械传动机构主要由车轮和链条组成，装置底部安装两组车轮，前后各-一组。前面一-组是主驱动轮，在平地无障碍的情况下，用主驱动轮可实现装置的平地运动功能，类似于普通的电动轮椅;后面一组是爬楼辅助轮，在遇到楼梯、台阶等障碍时，可通过这组车轮的交替运动来跨越障碍。前后两组车轮具有独立的电机执行机构和驱动控制系统。

爬楼运动时，人工辅助将装置倾斜，使前轮离开地面,仅由四个后轮支撑着地。电磁制动装置动作，将轮缘锁住固定在轮毂上，使其不能绕轮毂自由旋转。这样做的目的是防止在爬楼过程中，由于轮缘的转动，对爬楼过程造成影响。以上楼梯方向为例，装置在台阶上运动时，在驱动轴的作用下，两对车轮的轮毂离心旋转，每对车轮的内轮先向上翻转放到台阶上，然后外轮紧接着向上翻转。车身首先支撑在两个外轮上，向前移动至内轮到达下一个台阶,然后在两个内轮的支撑下，随着外轮的翻转到达下一个台阶。至此，装置完成了向上一个台阶的运动，如此重复便可实现上楼梯的功能。下楼过程与上楼类似，区别在于下楼时外轮先动作，然后内轮动作。在爬楼过程中，每个时刻都至少有两个车轮着地,且受力点对称。

装置在平地无障碍情况下运动时类似于普通的电动轮椅。传统的电动轮椅普遍采用后轮驱动的方式，即前轮采用万向轮，后轮作为驱动轮，前万向轮根据后驱动轮的行进方向及时自动调整以使其与后驱动轮保持一致。这种设计方法存在一个不足之处:由于此时前轮肩负转向的功能，驱动力作用于后轮，在改变车体的运动状态时，如由静止到启动，或者行进方向发生变化的情况下，前万向轮不能立即切换方向，必须有一段自我调节的时间，这样会造成车头摇摆、晃动，影响使用的安全性。本装置采用前轮驱动的设计方法，'即驱动力作用于前轮，后轮为从动轮，在前轮的作用下被动前进。由此，前轮既是驱动轮又是转向轮，转向时的行进方向便容易控制，转向性能得到改善，不容易出现过度转向的现象，使用安全性得到了提高。

三、多功能爬楼梯装置的研究及控制系统设计的意义

在进行设备检修中，有很多检测需要专用的检测设备，有的检测设备需要进行两个以上的人员抬到二楼以上，由于有的工况没有电梯，进行此类检测的时候需要两以上的人员才能进行搬运，而且由于检测设备重量比较重，人员上楼过程中容易跌落造成人员受伤和设备的损坏，给变电检修运维带来了非常的不便。所以开发出一套可以对此类设备进行搬运和爬楼的装置是非常有必要的。

四、研究内容及预期成果

本项目将研究开发一套多功能检测设备搬运及爬楼装置，研究内容如下：

搬运爬楼机装置由一个电动马达驱动，其电子控制器始终监控设备的功能，确保了最佳的性能体现。动力来源是一个可充电电池，电池可取出更换。充电显示在控制面板上。卸下操作杆可减少整体尺寸和重量，方便运输。搬运及爬楼机的承重支架材料为高品质阳极电镀铝。

五、搬运爬楼机装置设计特点包括

设计出折叠的手柄，节省空间，并且设计安全指示，便捷提醒。设计出三级爬楼梯模式可调，可以每分钟爬3层楼梯，速度快捷。设计人腿爬楼机构，稳固安全，同时设计缓冲装置，保障安全下楼。设计紧急停止装置，保障以外情况的人身和设备安全。根据(检测设备)的特点，设计载重200KG的爬楼装置。

结束语

随着社会生产力的发展，工业生产水平的不断提高，研制多功能爬楼梯装置能为电力检修过程中设备的搬运带来非常大的方便，不仅节约体力、降低劳动强度，而且还可以避免作业过程中因跌落造成人员受伤和设备的损坏，具有重要的实现意义和推广价值。

参考文献

[1]侯伟龙. 一种爬楼助行装置控制系统的设计与实现[D]. 南京理工大学, 2017.

[2]潘角, 石忠磊, 傅天珠,等. 一种仿人爬楼梯机器人及其控制方法:, CN111113439A[P]. 2020.

[3]仲兆准, 刘鑫培, 朱越,等. 爬楼机自动控制系统:, CN108357518A[P]. 2018.