图 2 爬楼车工作状况简图 Fig。2 Sketch in working conditions of stairs- climbing vehicle

即为两行星轮轮心距离：

Hmax= D +2Rsin60 （9）

“ 全控式” 爬楼车的由于完全依靠电机驱动行星架 

假设忽略摩擦力 F  =F  =0， 由力矩关系可得：

完成翻转运动具有操控简单的优点。 但同时， 爬楼瞬间 产生了较大的冲击力， 噪音较大， 且对车体强度有较高 

2    全控式自平衡爬楼车的设计

2。1   爬楼车结构尺寸的设计

本设计采用 “全控式” 爬楼车的结构方式， 增加了 缓冲轮。 我国 《建筑楼梯模数协调标准》 规定： 普通楼 梯（a-踏步高，b-踏步宽）的高度 a 不能大于 210mm，同时 不能低于 140mm； 楼梯宽度 b 不 能 超 过 320mm,， 同 时 不能低于 220mm； 而且， 楼梯的宽度和高度应该满足关 系： 2a+b 小于等于 600mm[9]。 本设计爬楼车要能适应标 准规定的楼梯尺寸范围。

假定楼梯高度为 140mm, 楼 梯 宽 度为 220mm。 设 爬 楼车缓冲轮半径为 R， 支撑轮半径为 r， 行星架臂长为 t。 通过对楼梯尺寸和爬楼车实际工作情况的分 析 ， 如

令 F2=F3=F， 则 F1=1。6F， 解得： N1=1。38F N2=N3=0。41GL+1。03F≈1。03F （18）

通过受力分析可知， 缓冲轮的引入分担了大部分支 撑轮工作中的冲击力。 因此， 这种改善是有效的。

2。3   爬楼车重心平衡的设计

爬 楼车的平衡保持是实 现 爬楼自动化的一个关键 点。 现有的爬楼车中心调节主要依靠机械结构实现。 爬 楼车重心是否平稳， 将影响其在上楼过程中的稳定性 ， 而其车体本身 的不稳定也将造成 运 送 货 物过 程 中 的 震 动， 影响运输质量同时， 对爬楼车的结构寿命也有重要 影响。 故本设计的另一大部分主要是针对爬楼车平衡自 动化的设计， 一方面要实现爬楼车在上楼过程中本身受 力的平衡， 另一方面， 结合相关自动化技术， 利用相关 软件控制， 也加大了车体本身平衡的可靠性。 现通过对单摆平衡原理的分析， 给出一种通过程序控制实现平衡 的方案。 整车简化模型如图 3 所示。文献综述

要 达 到 使 物 体 保 持 平衡这一目的，可以通过增加 额外的受力的方法，使得恢 复力与位移方向相反。 控制 爬楼车底部车轮，使得它作 加速运动。 这样站在小车上

（非惯性系， 以车轮作为坐

标原点） 分析倒立摆受力， 它就会受到额外的惯性力，

图 3  爬楼车自平衡受力模型 该 力 与 车 轮 的 加 速 度 方 向

Fig。3  Self-balancing

相反，大小成正比。 这样倒

图 4 两个系数对爬楼车平衡 的作用模型

Fig。4 Balance functional model about two coefficients of stairs-climbing vehicleL  d θ（t）

图 5 爬楼车运动模型

Fig。5 Self-balancing mechanical analysis model of stairs-climbing vehicle

mechanical analysis model of stairs-climbing vehicle

立摆所受到的回复力为：

dt2        =gsin[θ（t）]-a（t）cos[θ（t）]+Lx（t） （22）

在角度很小时， 运动方程简化为：

F=mgsinθ-macosθ≈mgθ-mk1θ （19）

式中，由于 θ 很小，所以进行了线性化。 假设负反馈 控制是车轮加速度 a 与偏角 θ 成正比，比例为 k1。 如果比