平行四邊形式快速搬運裝置的設計與研發

楊相煜 徐洪 王挺 徐煥磊

摘 要：為解決在日常生活中載運重物困難以及起重不便等搬運問題，以實現快速安全搬運為設計思路，基于杠桿動平衡條件，研制了本裝置，主要由小車主體、電動推桿、平行四邊形機構和前叉組成。通過電機驅動推桿伸縮，達到貨物穩定裝卸、搬運的目的，該裝置可折疊，使用便捷，既能保障物品安全，又能降低搬運人員的勞動強度，實際使用效果良好。

關鍵詞：載運 機動 助力裝置

中圖分類號：TG 335.11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（a）-0107-05

Abstract：In order to reduce the difficulties and inconvenience of carrying and lifting heavy loads in daily life， a device which is based on the ideas of safely handling and the lever dynamic balance theory is designed. The device mainly includes trolley body， electric push rod， parallelogram truss mechanism and the front fork. And it achieves the stable cargo handling by making the motor push-rod telescopic. The device is also collapsible， convenient and efficient， which ensures the safety of goods and reduces the couriers labor intensity. Furthermore， it can achieve a good effect in practice.

Key Words：Transport；Maneuvering；Power - assist device

貨物的搬運需較多的人力，各種搬運工具、車輛應運而生，如叉車、吊車、航吊車等，這類設備在搬運體積和質量較大的物品時顯示出了實用、高效等特點，是現代物流中重要工具。在實際工件中，常有重量不是太大（如50kg左右），但物品數量較多的場合，如快遞集散地的快遞、企業的小件包裝箱等，這些物品的搬運、裝卸大多依靠人力搬運，為此我們設計開發了一款搬運設備，適用于搬運一個70kg以下物品，裝置具有體積小、操作簡單、快速、便捷等優點。

1 總體設計

該裝置如圖1所示，主要由1小車主體、2電動推桿、3平行四邊形桁架機構和4前叉以及5蓄電池組成。

以電動推桿為動力源，同時內置電源，隨著推桿的伸縮，平行四桿機構產生相對轉動，前叉平穩抬起和落下，實現物品的穩定裝卸。設備展開時外形尺寸1500mm×40mm×700mm，折疊后外形尺寸1360mm× 40mm×250mm，總重量僅為35kg。實物圖如圖2（a）、（b）所示。

展開時的尺寸不僅能夠保證裝置在狹窄環境中作業，還能使水平運輸和垂直升降搬運有效結合，達到工作要求；而折疊之后能夠減小裝置的存放空間。

1.1 平行四邊形機構

在重物起重的過程中，需保持水平狀態，以確保重物不會因傾斜而在上升或下降的過程中滑落而導致損壞，為此在對各類機構分析過后，選擇了一個以平行四桿為主體的機構，平行四桿機構中的一段桿件固定在小車主體上，且與地面垂直，由四桿機構的特性可知，其連桿也必垂直于地面，前叉則始終與地面保持平行。此結構簡圖如圖3所示，此結構可使重物上下移動的過程中始終保持水平狀態，保障重物的安全。

2.2 小車結構

小車主體部分如圖4所示的1機架、2前輪、3后輪和4后輪架，能夠達到對裝置進行平穩支撐的目的。

工作時，將后輪架向后打開，使前輪和后輪與地面接觸，呈穩固的三角形結構，如圖5所示，此時使用者可推行小車來完成重物的前后移動。

不使用時則將后輪架向前旋轉120°，將前叉向后旋轉150°，變為折疊狀態，如圖6所示。

1.3 使用操作方法

以將重物搬運上車為例，操作步驟如下：

開始工作前，先將設備展開為工作狀態。

載運工作時，操作人員通過扶手把設備后端輕輕抬起，機體前傾，向前推進就可以插入貨物底部。將后端放下，貨物被前叉拾取。此時通過水平施力，實現貨物的短距離運輸。與此同時，若想實現原地轉向，只需后輪離地，令裝置前輪為支點旋轉即可。

裝卸工作時，操作人員按住手柄下安裝的按鈕，通過控制電路，使電機正轉推桿推出，從而致使平行四邊形機構發生平穩轉動。當平行四邊形機構轉動時，帶動前叉拾取來的貨物上升。當前叉高度達到要搬運的高度之后，操作人員將設備向前推進，把貨物送入車廂深處。輕抬后端使機體前傾，貨物安全落在車廂內。抽出前叉，退離車廂，按下另一按鈕，使電機反轉推桿收回，平行四邊形機構轉動下降。

2 設計計算

2.1 尺寸設計

在搬運過程中，除了在要求實現對重物的搬運之外，還期望能夠將重物搬運至貨車車廂上，根據標準貨運車輛基本參數可知，貨車車廂底離地高度最高為1m，考慮到四桿機構受重后可能發生少量彎曲所以設計設備的安全抬升高度為?h=1200mm，在考慮人體舒適度以及設備美觀的基礎上，設計裝置在展開時布局如下，扶手距離地面h=700mm，平行四邊形機構安裝在扶手下方100mm處，支撐架與地面的夾角為30°，如圖6所示。

2.2 起重部分受力分析

起重機構主要由電動推桿、平行四邊形桁架機構和前叉組成。電動推桿一端鉸接于小車主體機架上，另外一端鉸接于桁架上。桁架組成的平行四邊形機構通過鉸鏈鏈接。前叉與地面平行，貨物放在前叉上。桁架機構固接于小車主體機架上，且與地面垂直。

以起重70kg的物體為例，構建模型對其進行受力分析，如圖8所示。

重物G的力臂中l1段長度始終不變，而l2段在裝置的抬升過程中，隨著電機推桿的角度γ變化先增大后減小，故而重物G的力臂（l1+l2）先增大后減??；設電機推桿的推力為F，而推力F的力臂l3隨著設備的抬升而減小。因此設備在起始位置時所需要的推力最大。又因為支撐桁架與地面的夾角為30°得：

2.3 電動推桿選型

在電機推桿的上升過程中，電機推桿與機架的角度γ逐漸增加，但由于安裝是有初始距離的，所以單機推桿最

則可推出7000≥F推≥210。

23.1 推桿安裝角度與推力關系

不同的最小安裝行程會使得安裝角度不同，現任取一安裝位置，距桿件最高點420mm，在此處受力為所有受力的較平均值，電機推桿的最小安裝距離從225mm開始逐漸增加，但當γ趨近于60°時，電機推桿底座安裝距離約定于電機推桿最大安裝距，所以舍去225mm，275mm這兩個值進行推斷。當電機推桿的最小安裝距離675mm時，推桿行程可達到400mm，由裝置可知，無需過大尺寸以節約成本，則電機推桿最小安裝距離可確定數值為325mm，375mm，475mm，575mm，下面分別對這4種電機推桿與F推進行函數研究。上固定端與旋轉中心的距離a=420mm； 桿長x=1200mm。

根據上述條件可畫出如圖8所示的結構簡圖。

聯立公式，推桿上升速度取一中間值v=9mm/s

則推桿行程表達式為：

c=L初+9t（t視距離而定）

最小安裝距離為325mm，即安裝角度γ1=15.45°時，0≤t≤40.59s， 下固定端與旋轉中心的距離b=683.25mm，

故2137.916≤F推≤2158.177；

最小安裝距離為375mm，即安裝角度γ1=13.35°時，0≤t≤39.47s， 下固定端與旋轉中心的距離b=734.86mm，

故2059.36≤F推≤2079.163；

最小安裝距離為475mm，即安裝角度γ1=10.5°時，0≤t≤37.57s， 下固定端與旋轉中心的距離b=837.04mm，

故1948.344≤F推≤1966.791；

最小安裝距離為575mm，即安裝角度γ1=8.66°時，0≤t≤36.03s， 下固定端與旋轉中心的距離b=938.44mm，

故1874.093≤F推≤1891.074；

由此可得安裝角度與推力F的關系如圖10所示。

由圖10可知，隨著安裝角度的減小，所需要的推力也逐漸減小，應當盡量選擇安裝角度的推桿。即可舍去前兩種最小安裝尺寸。

以475mm的電機推桿為例，探究上固定端到旋轉中心的距離對F的影響，根據公式：

可得關系圖如圖10所示

由圖可見上固定端與旋轉中心的位置越遠，推力的力臂就越大，所需要的力就越小，因此，在條件符合的基礎上，應當盡量離旋轉中心越遠的地方為上固定端。

3.3.2搬運高度與推桿行程關系

速度與負載力存在一一對應關系如表1所示。

因需要物體穩定抬升，所以18mm/s可舍去，而5mm/s速度過慢，抬升需要較長時間，所以選定速度為9mm/s，負載力為3000N。以此來選定電機推桿的安裝距離。

當升角θ=60°時，抬升高度達到預定值，即?h=1200mm，此時可根據公式b推出推桿最大距離。

去除各種約束之后可得出符合條件的數據如圖12、13所示。

考慮經濟效應，隨著推桿最小安裝距離的增加，費用也隨之升高，所以盡可能選擇小的最小安裝距離，所以選擇最小安裝距離為475mm的電機推桿。

如圖7可知，上固定端到旋轉端的距離越大，F推越小，因此選擇在電機推桿的行程范圍內，并且盡量保證時間較合理的情況下，確定電機推桿參數。

2.3.3 電動推桿的確定

根據上兩者狀態得出最優方案，進而得出數據，選擇最小安裝距離為475的電機推桿，上安裝端距旋轉中心為450mm，下安裝端距旋轉中心為867.04mm，安裝角度γ_初=10.5°，以此參數可確定電機推桿的型號及初始安裝位置。

2.4 搬運時工人的受力情況

在搬運的過程中，若預起重一個重為80kg的重物時，即超越預期設定值時，工人可在扶手處向下施加一個F的力，以此來保持裝置平衡，受力分析圖如圖14所示。

如圖14中所示，在重物抬升過程中，桿件水平時重物的力臂最大，所以在此情況下計算可得出工人需要向下施加的最大力，此時以前輪為支點，后輪不受力時，存在等式

由此可見，該裝置屬于省力裝置。

3 結語

本裝置不僅能實現對于重物的快速安全裝載，同時也能大大降低勞動強度，可適用于狹窄工作環境內，運動靈活的裝卸重物。當更換大功率電機推桿時即可裝卸更重的貨物。該裝置適用性強，具有良好的經濟效應。

利用平行四邊形的結構特點保證物件與初始狀態平行，從而平穩搬運物件，保障物件安全，使貨物不易出現傾倒的現象。達到小裝置可上下搬運與卸載大件重物的目的。并且根據三力匯交和幾何知識把搬運時間和搬運物體重量控制在最佳值。該裝置結構精簡、操作簡單、方便維修、無需專業技能訓練，具有良好的市場前景。本裝置需要的改進之處在于希望達到電機推桿最省力的狀態，但要達到一定的效率，電機推桿需向上安裝，在后期階段將探索電機推桿反裝對該裝置的影響。

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