上下楼梯搬运器设计
摘 要：对于国内城市居民大部分都在七层以下的低层楼房内生活、学习和工作，这些低层
楼房几乎都没有安装电梯，而且如果碰上停电电梯也使用不了的情况下，本设计的上下楼梯搬运器就发挥了很大的作用。本设计主要采用四杆机构上下楼梯搬运器的原理，由棘棘轮机构、四杆机构及滑轮等机构组成。该上下楼梯搬运器最大的特点是结构简单、操作方便、成本低。
关键词：棘轮机构；四杆机构；动滑轮；定滑轮；手轮；钢丝绳；
Moving From Top to Bottom Staircase Design
Abstract: Because most of urban residents in china who live ,study and work in the building lower than
7 floors .The low building almost have no elevator , and if account to power cut the elevator can't work, the moving from top to bottom staircase can play an import role .The main theory of this machine is bar linkage, which consisted of ratchet device, bar linkage, pulley institution and so on. The most characteristic of this machine is simple, easy to control and lowest.
Key words: Cam organization; Four organization; Fall block; Crown block; Hand wheel; Steel
wire rope
1 前言
1.1 国内外研究状况
虽然国外上下楼梯搬运器的研究比较成熟，性能优越，应用广泛，但由于它们结构复杂，造价昂贵，也只能运用于比较重要的领域，并不适合在我国大量生产和大面积推广，而且只在某些特殊场合才使用。在国内，我国对楼梯搬运器的研究尚少，几乎一片空白，不但不能运用于人们的日常生活和工业生产需要，同时也不能运用于解决当前国内的需求，因此，对这种造价低廉，结构简单，操作方便，又具有良好性能的上下楼梯搬运器的需求是显而易见的。
1.2 上下楼梯搬运器研究的意义
在中国城市居民大部分都在七层以下的低层楼房内生活、学习和工作，这些低层
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楼房几乎都没有安装电梯,很多人都有搬运重物上下楼梯的亲身体验，尤其在搬运一些体积较大而又易损物品时，常常会给我们带来许多不便，但上下楼梯搬运器解决了在没有电梯的条件下，将重物在楼道里安全，平稳，廉价地搬迁的问题，解决了残疾人的上下楼梯问题，还可作为搬家重物，救护车辆的辅助设备等。在现代化的都市生活中，楼梯成了一栋大楼不可缺少的部分，但能在楼梯上自动爬行的机械设备却很少。虽然有高速运行于楼层之间的电梯，但是楼梯的空间和承载能力实在有限，而且电梯还有一定的安全隐患。
在我国，研制出一种高效实用的上下楼梯搬运器，已成为科技工作者不可推卸的社会责任和社会需求，我们在指导老师的悉心指导下，将空间的上下楼梯运动分解为三个独立运动，对上下楼梯搬运器的创新设计方面进行了大胆的尝试。
1.3 上下楼梯搬运器的研究的目的
设计一种能在楼梯上自动运行的自动化设备无疑能够减轻电梯的压力，更能够帮助人们运送重物。在低层没有电梯的楼里，这种设备将更会方便人们的日常生活，而且随着我们经济改革开放的步步深入，建筑厂房用的土地越来越昂贵，为了节省资源，节省占地面积，现在的厂房，车间一般都不是高楼大厦，许许多多的车间都建成二层，三层乃至四层的厂房。这些生产车间一般均不设备电梯。这就出现了工件上下楼的运输问题，通常用人力扛抬。工人体力劳动强度过大，此时上下楼梯搬运器就派上了很大的用场。本设计的搬运器体积小，重量轻，而且安全、平稳，使用方便，是装潢公司、安装公司、搬运公司以及搬运工人的实用小型机械。它能用于机械厂、加点厂、食品厂的生产装配线，也能用于楼顶防水混泥土线浇工程。即可作为修理部门、仓库房的新型工具，也可进入家庭搬运物品、存放物品等。
2 上下楼梯搬运器设计方案
2.1 设计的思路
上下楼梯搬运器的设计根据设计任务书中的有关要求，通过分析可知，该机构需要通过传递运动和力的机构来达到向前和向上运动，从而达到搬运重物的目的。但楼梯的每个台阶都是有规律的，它只能是向上运动与向前运动分开进行的，而且每个台阶都是一样的，所以机构的运动过程实际就是重复向上和向前运动的过程。通过分析得到上下楼梯搬运器的组成框图，如图所示：
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图1 上下楼梯搬运器的组成框图
Fig 1 The composition of moving from top to bottom staircase
通过分析可知，能实现原动机构的技术很多，能传递运动的方式也很多，但在不同的场合综合起来就各有利弊，具体分析如下：
（1）用电动机驱动 用电动机驱动可以充分利用电力资源，节省人力，操作者只需要控制开关即可控制机构的运行。但增加电动机必然增加机构的总重量，而且使得机构的结构复杂，尺寸较大，电线是移动的，不好安装，不能控制其精确停位，不适合在楼道这种小面积的场合使用。
（2）用人工驱动 用人工驱动，可避免用电驱动时存在的问题，使设计的机构体积小，且操作灵活，且可实现从上下运动转向水平运动的平稳过渡。
（3）用齿轮、带传动 用齿轮或者带来传递运动，可稳定地达到传达的目的，且能够承受的载荷比较大，精度比较高，但采用此传递方式，则需要采用重量较大的机构来实现其传递，所以必然增加整个机构的重量，且体积较大，所以不适合楼梯范围运行。
（4）用四杆机构传动 采用四杆机构可以实现给定运动规律或轨迹，而且载荷也能达到传动的需求，运动方向的改变可采用滑轮，力的传递可采用钢丝绳，这样可减少传递机构的重量和大小，满足设计要求。
人工驱动的形式又可以用手摇动和用手推动两种。该机构的垂直运动可采用手摇来达到运动的目的，手摇机构可采用手轮机构，而机构的水平运动可采用手推运动来实现。
2.2 方案的选择
因此，通过对上述的对比，该机构的设计应选择（2）和（4）构成初步方案。由前
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面的分析可知，人工驱动的上下楼梯搬运器只需设计一项行动形式传递功能的机构，通过手轮的人工驱动旋转达到载物台的向前和向上运动，所以上下楼梯搬运器的组成图框如图1所示。
2.3 上下楼梯搬运器的传动原理
摇动外部棘轮，使外部机构先将载物台托起，同时带动内部机构，使内部机构的重心提高，始终保持与外部机构同步运动，从而使内部机构悬空，并与外部机构保持同步运动，但比外部机构低一个台阶。
整个机构的工作原理如图2所示，先摇动尾部机构；通过手柄带动手轮转动，手轮又带动棘轮机构运动，当棘轮顺时针旋转时，棘轮给绕在其上的钢丝绳向上的拉力，拉力通过定滑轮1和定滑轮2带动动滑轮1向下运动，从而使后腿有向下的趋势。但是此时后腿与地接触，地给后腿一个反向的作用力，从而使固定定滑轮1和定滑轮2 的载物台部分向上运动，同时钢丝绳通过定滑轮3和定滑轮4以及钢丝绳固定端使动滑轮向前，即从图2中的B1运动到B2点。短前腿和长前腿构成一个卡障构，该机构能使安装动滑轮的顶端水平运动到时短前腿上端可绕定滑轮5转动，下端绕长前腿中部的滑轮轴承转动，这样就可以保证前脚端垂直运动，而且间距略大于间距，动滑轮2向前从B到A，同时前脚从C运动到D。由于前脚与地接触，所以固定定滑轮的载物台想对于前脚（即地）向上运动。这样就保持了水平台垂直方向上的平稳运动。此时外部机构已将载物台托起，内部机构悬空。摇动内部机构棘轮，内部机构的四条腿在弹簧的拉动下复位，推动内部机构，带动重物向前运动。这样重物就抬上了一个台阶，但是外部机构还在原始的地方。此时对内部机构重复同样的运动，摇动内部棘轮对内部机构进行驱动，使其四条腿同时向下运动。当接触地面后，通过地的反作用力使其上部（载物台）相对于四条腿向上运动（顶起），从而使外部机构悬空。外部机构与内部机构同步运动，但外部机构比内部机构低一个台阶。此时外部机构悬空，内部机构机构支撑。这时摇动外部棘轮通过弹簧的拉动外部机构的四条腿复位，推动外部机构带动重物向前运动。这样外部机构和内部机构都爬上了楼梯。
在内部机构支撑外部机构悬空的情况下，打开外部机构的棘轮，外部机构的四条腿在弹簧的拉动下复位。因为内部机构与外部机构之间存在转动副，因此对外部机构施加一个转矩，外部机构就会相对内部机构转动。再在外部机构支撑内部机构悬空的情况下转动内部机构，从而循环转动到所需的角度。当其中一个机构开始上下楼梯时另外一个不动，起支撑重物的作用，也相当于在爬行一个台阶的过程中加了一个过渡装置。
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图2 上下楼梯搬运器的工作原理图
Fig 2 Moving from top to bottom staircase principle of work
2.4 总体方案的设计
该机构要达到水平运动和垂直运动的平稳运行，所以可采用两个相同的机构来重复交替运动，上下楼梯的间隔通过棘轮来控制机构上下的运动的高度，为了方便水平方向的运行，脚轮采用万向脚轮。总体方案设计如下：
本方案由分别驱动上下楼梯垂直运动和水平运动的内外两个机构（内外机构各四条腿）组成，每四条腿中分为两条前腿和两条后腿。这两个机构分别由两个棘轮机构、六个定滑轮、两个动滑轮、四个四杆机构、四条后腿、载物台以及两个控制机构等部分组成，是两个自由度机构。
内部机构如3图所示，外部机构如图4所示。其中2个机构的结构和工作原理都
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