韩宇弦
（南华大学，湖南 衡阳421001）
1 研制原由
减少搬运过程中被物品压伤造成的意外伤害，减少设备自身的受损几率（如图1），减少人员成本支出；用机器代替人工，响应国家关于行业创新的要求，研发的关键核心达到行业首创，填补行业空白。
图1
需求主要来自四个方面：
需求一：需要提质增效，解决人工搬运时间长（上下楼梯首趟为5-10分钟，随着体能消耗时间逐渐增加），效率低的问题（一般3-4人搬运一台设备）。
需求二：需要解决搬运工人在工作过程中受到的伤害（2年11起），设备在搬运过程中的狭小空间受到的损伤（2年8起），实现智能化搬运。
需求三：需要解决出现的特需情况（如新冠疫情期间无人化运输、各种环境气候路况情况下的紧急搬运、为各个行业进行服务等）。
需求四：需要满足专业要求和规定，既为绿色服务添砖加瓦，也为高质量检修运行奠定发展基础。
根据需求结合实际情况，形成了以下工作目标：（1）研制一种可以装载100kg物品的智能载重工具，解决人工搬重小于20kg，或者由于表面光滑只能单块搬运的问题，即保证在载重100kg的情况下，平均爬楼时间小于5分钟/趟。（2）研制一种可以适应50度以上楼梯坡度，并在1200×700×450空间自由行使，进行180度转弯的智能载重工具，实现全过程机器操作，避免人员设备受到伤害。（3）研制一种可以远距离操控行驶的智能搬运工具，并能在各种环境行驶，为各种行业进行服务。（4）研制一种无污染、无干扰、无损伤，全过程机器操作的智能运输工具。
经过一系列实施方案：（1）实现了载重物（35kV电流互感器：80kg，导线：90kg）平稳行走，平稳上下楼，节约时间80%，提高效益超过200%。（2）实现了全过程机器搬运，人工受伤害为0，设备受伤害为0。（3）实现了变电工作节能、增效以及绿色能源的企业要求。
2 项目创新点
对智能载重工具的需求：（1）外部需求，需要解决电力生产工作搬运设备时间长、效率低的问题；（2）内部需求，以供电可靠性为导向，结合标准化作业流程，需要解决智能载重工具在狭小空间的前进和转弯，最大限度提高生产效率；（3）环境需求，需要解决智能载重工具符合发展需要，适应环保要求，不破坏环境，符合绿色发展的要求。
创新水平：根据查新，国内楼梯搬运工具主要是使用三个360度转向轮子完成爬楼动作（如图2），前进时需要人用力或用身体重量把握平衡方向，且承重较轻。国内目前还没有关于载重自动爬楼梯搬运小车专门应用于设备搬运的记录，本装置的研制填补了国内技术研究空白。
图2
（1）本装置首创了履带式行走；（2）发明了防止车辆倒滑的倒车锁紧装置；（3）解决了楼道平台以及其他有限空间小角度转不过弯的问题，同时解决了装置抗干扰的行业难题。
工具创新点：（1）首创采用全橡胶履带，履带内置添加高强度复合纤维添置层和高分子材料，保证零下30℃和零上40℃使用，无明显冷硬和热软现象保证抗拉断力，使底盘行走平稳对地抓力大且不对地面造成破坏。爬楼梯过程中大支撑轮和小支撑轮交替与楼梯台阶接触，保证运行过程中不会太大抖动或翻倒，可在0-35度的楼梯坡度、0-20cm的台阶高度实现上述目标；（2）为了防止上下坡下滑，工具将马达驱动设计为后轮驱动，马达有带防下滑夹紧装置，以防止意外情况或者电量不足时后滑；（3）转弯半径小，内含陀螺仪平衡机构。设置了左右电机，可同时运动，也可不同时运动，其转动方向可相同，也可不同。当速度不同时就实现转弯，回转半径≧1m，楼梯转角宽度≧1.5m，楼梯转接平台≧1.5m。若一个电机工作而另一电机不工作则可以实现原地转弯；平地行驶时后摆支撑向上收起，减少转向空间；（4）减震系统采用载人减震级别设计；（5）满足整车载重避重结构设计。低重心，双电机电子控制器，正反转控制和差速控制，实现中心转向和原地制动转向。
3 技术实施性
技术方面：装置包括储物箱、配电箱和行驶履带，配电箱包括驱动机构、支撑机构以及平衡辅助机构，运输机器人依靠驱动机构的驱动力对行驶履带施加牵引力，当运输机器人爬楼梯时依靠支撑机构的作用力使行驶履带与楼梯台阶接触，当运输机器人下楼梯时依靠平衡辅助机构的作用力使行驶履带始终与楼梯成倾斜接触。本发明的优点：通过配电箱上的驱动机构对行驶履带施加牵引力来控制行驶履带的运动，在爬楼梯过程中通过支撑机构的作用力来确保行驶履带与楼梯台阶接触，从而确保运输机器人在爬楼梯过程中的稳定性，能减少运输机器人的翻倒，提高爬楼梯的效率，减少了人工的搬运强度，提高了重物搬运时的安全性能（见图3）。
图3
3.1 装置总装
小组对各个部件的设计完成以后，交相关代工厂进行加工并进行组装。装置包括：1储物箱、2配电箱、3履带、4驱动轮、5大支撑轮、6履带侧钢板、7平衡辅助钢件（见图4）。
图4 装置介绍
3.2 可推广性
该装置不仅可用于变电所的设备搬运，也可在不同行业、不同环境、不同领域使用。因方便、安全、环保、可靠，已推广到行业以外使用：（1）5G基站的建设、通讯塔基建的搬运；（2）库房的物资搬运；（3）水务、天然气等行业的有限空间搬运作业；（4）新冠疫情期间，来往于应急隔离点各类用品的传递。
4 工具创意来源
搬运工具的创意借鉴了：（1）变电所巡检机器人，根据特定的路线巡视和记录；（2）坦克技术的履带功能，可以在不同状况的路面行走。
风险及控制：（1）装置突然失电带来的风险：设计了防下滑夹紧装置；（2）装载重物在不同路面的避震、减震：设计了全履带前进结构；（3）下楼梯时的平衡：设计了平衡辅助件，在电动液压杆的驱动下放下，始终与楼梯成斜角度接触，当其离开楼梯与地面接触时，履带滚动，保证下楼梯时的稳定。
5 开发的可信性
对于关键技术，本装置借鉴了变电所巡检机器人，以及坦克在不同状况路面行走的特点，载重机器人更侧重于载重、行走环境（见表1）。
表1
（1）平地行驶时后摆支撑向上收起，减少转向空间。爬梯时后摆支撑向后放平，增加接地长度，增加稳定性（如图5）。
图5
（2）采用全橡胶履带，履带内置添加高强度复合纤维添置层和高分子材料，不会损伤路面，适合各种地形行驶（如图6）。
图6
（3）左右电机可同时运动，也可不同时运动，其转动方向可相同，也可不同。当速度不同时可实现转弯，若一个电机工作而另一电机不工作则实现原地转弯；驱动轮上的固定轮与履带内侧的履带齿啮合，对履带施加牵引力，完成驱动；爬楼梯过程时，履带外侧的特制花纹会先与台阶接触，可实现稳定抓取，保证行驶过程中不会向下滑落；爬楼梯过程中，大支撑轮和小支撑轮交替与楼梯台阶接触，保证运行过程中不会太大抖动或翻倒；下楼梯时，平衡辅助件在电动液压杆的驱动下放下，始终与楼梯成斜角度接触，当其离开楼梯与地面接触时，履带滚动，保证下楼梯时的稳定（如图7）。
图7
以上开发过程均列入专利调查说明。
6 项目经济和社会责任绩效成果
（1）经济方面：减少人工成本，将伤害控制在零。
（2）工作方面：保证了施工工作的顺利进行，消除不确定因素，为安全的全过程管控提供了有力支撑，从而平稳开展施工安装工作，按计划进行有序供电。
（3）环境方面：智能载重机器人为蓄电池充电，无废气产生，噪声控制在100分贝之内，不干扰其他设备的运行状态，符合企业和国家绿色能源创新的要求。
（4）安全方面：纯手工搬运时，人员和设备受到的伤害几率较大，更需要考虑搬运人员的身体状况和环境影响。该项目完成以后再进行作业，人员和设备安全完全可控。
