第一作者姓名：胡东平

性别：男

民族：汉族

第一作者学校：广州市天河区五一小学

第一作者人所在年级：六年级

第二作者姓名：

性别：男

民族：

第二作者人所在学校：

第二作者人所在年级：

第三作者姓名：无

性别：男

民族：

第三作者人所在学校：

第三作者人所在年级：

辅导教师姓名：陈秋香

*结构组成：

1个CPU,2个55RPM微型减速直流马达(带动重物爬升、下降),1个马达调速PWM控制板，1个调速旋钮(滑动电阻原理控制速度快慢),1个外接电源的拨码开关(拨动开关即可完成通、断电),1个控制方向的按钮(上升、 停止、下降)和1个可充电的12V锂电池(节能环保)。为了保证电路稳定性，我在布线过程中增加了黑胶布捆绑和电烙铁焊接，并定制了一个亚克力外壳(12cm*6cm*3.5cm)，小巧轻盈。

*主要特征：

设计一款小巧、便捷、实用的帮助重物爬楼梯的减重机器人，让书包“自己”爬上楼梯，同时满足大众爬楼时的减重需求，不需加装轨道即可实现机器人携带重物在楼梯扶手上的稳定、匀速运动。轻盈小巧，随带随用，机身尺寸仅为14cm*7cm*7cm，重量为0.72kg。这款减重神器成本低，使用方便，适用于所有楼梯扶手，轻松解决大众爬楼梯时的负重问题。

*主要用途：

帮助学生书包爬楼梯的减重机器人，属于爬楼梯减重技术领域，适合学生在学校背书包爬楼梯时使用，也能便捷满足大众在生活中携带重物爬楼梯(尤其是对老人或力气小的人)，比如携带大米、油、蔬菜等爬楼梯。机器人具有小巧、便捷、实用的特点，能轻松解决爬楼梯时的负重问题，减少人们因负重爬楼梯而带来的劳累或身体伤害(膝盖损伤) ,为广大家庭带去实实在在的帮助。

*创新点：

不需加装轨道即可实现机器人携带重物在楼梯扶手上的稳定、匀速运动。

为了能将机器人快速稳定地安置在楼梯扶手的凹槽处，左侧马达连接处为铰链可折叠结构。

底部以一边侧钩悬挂重物，另一边滑轮作为导轨轮，实现卡槽夹力增大从而实现机身平衡。

调速PWM控制器实现马达正反转(升降)、可调速(滑动电阻原理)及过载保 护，保持机器人同人速度一致且不会重心下滑。

学生款设置载重量7.5kg，可用高扭矩马达调高载重量

*问题提出：

*提出的问题和解决的问题：

学校教学楼的电梯不让学生乘坐，我背十斤的大书包爬五楼好累。如果我发明一个小巧轻便，让书包自己“爬楼梯”的机器人，那不就解决问题了吗? 这款减重神器还可以帮助生活中所有需要爬楼梯的人(尤其是老年人、力气小的人)拎提重物，如果像环保袋一样方便携带，轻松解决爬楼梯的负重问题，那是不是很棒呢！

现有的帮助残疾人坐轮椅上楼梯的辅助装置，或加装轨道辅助残障人士滑行上楼梯的装置，太贵，结构复杂，不适合日常使用

研究问题的原因和意义：

我喜欢用机器人的思维来解决生活中出现的问题。这次我想制造一个可以每天帮助我把很重的书包送上五楼的机器人。不单我有这样的困扰，生活中很多无电梯的楼房，提重物爬楼梯都很费力，尤其是对老年人、力气小的人来说。我希望我的机器人能轻松、通用地帮大家解决爬楼梯时的负重问题。

*解决方案：

解决问题的办法：

设计阶段：因为是辅助重物上楼梯的装置，我希望机器人满足小巧、轻盈的特点，不能额外增加太多的重量去实现运输。所以机身是由一个亚克力罩（12cm*6cm*3.5cm）+两个轮子+底下两边为侧钩承重与辅助爬升的导轨滑轮结构组成。尺寸设计匹配教学楼楼梯扶手，为了能快速稳定地安装在扶手凹槽处，左方马达连接处为铰链可折叠结构。底部以外侧钩为承载重物，内侧以导轨滑轮支撑扶手凹槽处，实现受力分解为两侧夹角力朝内向，上下力抵消，实现左右平衡，并且内向夹角力越大，两轮间摩擦力也越大，这样机器人在升降运动中更平稳。

调试阶段：把出现的问题记录好，多次实验调试。比如“电机扭矩不足以支撑10斤的书包，需要调试更换合适的电机”“如何调整合适距离和重心去支撑重物去爬升，并且不会往下掉”“如何增加爬升过程中的摩檫力，让机器人不打滑等”等问题。

发明研究的重点：

一、爬升装置：

如何解决机器人在楼梯扶手上的爬升、下降且不会因惯性掉下来？如何解决爬升装置顺利通过扶手的转弯位置？

首先我利用四个扭矩3kg的直流减速马达实现四轮驱动装置，轮距匹配凹槽部分。但四轮行走扶手凹槽处，在经过弯道时，因为轮距之间固定不能调整，不能顺利通过弯道。所以我利用PWM板+两个扭矩为12.5kg（爬升过程中涉及到坡度，所以扭矩需求要比水平行走时更大）的直流减速马达实现两轮驱动装置，轮距匹配扶手凹槽部分。扶手弯度没有影响轮距的前提下，两轮能实现顺利转弯。

二、可调节卡扣装置：

卡在楼梯的凹槽处，如何打开和放置爬升装置？

首先我利用底板卡扣固定装置，实现底板固定并可拆卸，能解决打开和放置爬升装置。但衍生出新的问题，底板插扣会影响爬升装置的爬升，增加一定的阻力，并且刮到扶手表面的漆，影响外观。于是我在底板处，两个马达对于底板不做完全固定结构，而是增加一个可折叠铰链做一个单向锁定结构。这样能解决打开和放置爬升装置的问题。操作简单，非常适合我们小学生或老人使用。

发明研究的难点：

1、如何解决爬升装置能承载10斤左右的书包或其他重物？

2、承载重物爬升过程中，如何避免楼梯栏杆的摩擦影响？

第一版，我继续增加马达的扭矩，为了调整承重重心，把承载重物的支撑点放置到两个马达的中心位置，可以解决问题1，但不能解决问题2。行走过程中容易刮到扶手支撑处，影响运动，并且无限制的增加马达扭矩，马达体积也会更大，整个装置更重更大，违背了想要制作一个轻盈、小巧、可随身携带的爬升装置的初心。

第二版，利用三角形的稳定性制作一个承重区，在双马达底下设计一个三角可拆卸卡扣结构。这样能解决1、2。三角可拆卸卡扣结构在货物重力下，有一个向下拉的力，力越大，所形成的夹角缝隙越小，轮子所受的摩檫力越大。三角形部分还可以调整重物重心，是比较稳定的爬升楼梯的装置。但衍生新的问题，扶手和栏杆的支撑杆固定，三角形结构运动中没办法通过支撑点。

第三版，重点考虑马达的扭矩（可承受力）+轮子的摩擦力，马达扭矩12.5kg*2足够，能解决问题1和2，底部以左侧钩承载重物，右侧以导轨滑轮支撑扶手凹槽处，实现受力分解为两侧夹角力朝内向，上下力抵消，实现左右平衡，并且内向夹角力越大，两轮间摩擦力也越大，运动更平稳。

发明研究的难点：

1、如何解决爬升装置能承载10斤左右的书包或其他重物？

2、承载重物爬升过程中，如何避免楼梯栏杆的摩擦影响？

第一版，我继续增加马达的扭矩，为了调整承重重心，把承载重物的支撑点放置到两个马达的中心位置，可以解决问题1，但不能解决问题2。行走过程中容易刮到扶手支撑处，影响运动，并且无限制的增加马达扭矩，马达体积也会更大，整个装置更重更大，违背了想要制作一个轻盈、小巧、可随身携带的爬升装置的初心。

第二版，利用三角形的稳定性制作一个承重区，在双马达底下设计一个三角可拆卸卡扣结构。这样能解决1、2。三角可拆卸卡扣结构在货物重力下，有一个向下拉的力，力越大，所形成的夹角缝隙越小，轮子所受的摩檫力越大。三角形部分还可以调整重物重心，是比较稳定的爬升楼梯的装置。但衍生新的问题，扶手和栏杆的支撑杆固定，三角形结构运动中没办法通过支撑点。

第三版，重点考虑马达的扭矩（可承受力）+轮子的摩擦力，马达扭矩12.5kg*2足够，能解决问题1和2，底部以左侧钩承载重物，右侧以导轨滑轮支撑扶手凹槽处，实现受力分解为两侧夹角力朝内向，上下力抵消，实现左右平衡，并且内向夹角力越大，两轮间摩擦力也越大，运动更平稳。

本发明使用方法、附图说明性文字：

为了能快速稳定地安置在扶手的凹槽处，左侧马达连接处为铰链可折叠结构；底部以一边侧钩悬挂重物，另一边滑轮作为导轨轮，实现卡槽夹力增大从而实现机身平衡；调速PWM控制器实现马达正反转（升降）、可调速（滑动电阻原理）及过载保护，保持与人速度一致且不会重心下滑；升降过程中，人机协作，手轻拉一下书包，即可避免栏杆的影响；学生款设置载重量7.5kg，可用高扭矩马达调高载重量；使用C语言对电子元器件指令进行编程，指令清晰，操作简单，功能完善。

这款减重神器具备生活的实用性和科学创新的智能性，帮助我们轻松解决爬楼梯时的负重问题。

*使用或试用效果：

按“电源”，电路板通电，按“上升”，机器人装置带着10斤左右的书包(或油米等生活用品)能稳定、可调速地爬升，运动过程中可通过“调速”旋钮实现运动速度的快慢调节。运动过程中，需要停止时可按“停止”,机 器人装置能稳定停住，不会有下滑趋势。按“下降”,机器人装置带着重物能稳定地沿着楼梯扶手向下行驶， 一切跟随着马达的带动行驶，不会有重心下滑的危险。运动过程中手轻拉一下书包，即可避免楼梯栏杆影响。

*优点：

市场上目前没有产品满足大众日常爬楼梯时的减重需求。本作品不需额外加装轨道，即可实现机器人携带重物在楼梯扶手上的稳定、匀速运动；小巧美观，像环保袋一样随带随用，适合帮助学生爬楼梯时运送书包，也适合大众爬楼时拎提重物：学生款设置载重量为7.5kg，可用高扭矩马达调高载重量，满足负重需求；可充电的12V锂电池与拨码开关相连，节能环保，拨动开关即可完成通断电；按钮式操作设于机身，不需遥控器(避免遗失)。

*还需进一步研究的问题：

可以对机器人的电子元器件、材料选择、功能实现、 尺寸等方面进一步优化，做得更精良。我希望需要爬楼梯的人们，就像随身携带环保袋一样，携带我的减重神器出门，轻松解决爬楼梯时的负重问题。它好像一个亲密的小伙伴，每天在帮助我们！