МОДУЛЬ СТУПЕНЕХОДНЫЙ

Простейший прототип и его промышленное и бытовое развитие

Странная увлечённость колесом в решении проблемы перемещения груза по лестнице играет в технике отрицательную роль. Поэтому до сих пор вопрос удовлетворительно в принципе так и не решён. Ведь лестница предназначена для перешагивания, а не качения. Так что высоко эффективными устройства качения на лестнице не могут быть. Даже если пытаться представлять, например, звездообразные колёса, гусеницы или плозья, как элементы решения проблемы шагания. Скажем, колёса всё-таки вращаются на центральной оси и, следовательно, катятся, а не шагают. Будь они хоть сколь угодно звездообразными. А раз так, то и не удивительны большие усилия для перемещения груза вверх и опасность самопроизвольного скатывания вниз.

С другой стороны, шагоходные системы сложны, дороги и проблематичны в эксплуатации на горизонтальной поверхности, где колесо вне конкуренции. Вот именно такая двойственность проблемы - свобода качения по горизонтали и в то же время беспрепятственное шагание по лестнице как раз и не решена простыми средствами до сегодняшнего дня.

Описываемый модуль - это убедительная и достаточно удачная попытка показать, что простые решения в сложных проблемах могут существовать. В качестве принципиального обстоятельства здесь главную роль играет обязательное и важное, но не совсем очевидное конструктивное и математическое требование, условие, при соблюдении которого проблема решается, если и не идеально, как хотелось бы, но, во всяком случае, вполне удовлетворительно в рамках законов природы.

Вот этот модуль в натуре

Как видим, он казалось бы привычного вида и крайне прост. Четыре колёсика и корыто с ручкой для груза. И даже вся хитрость формы колёсной пары будто бы налицо. Однако существует и некоторый недостаток эксплуатации модуля. При подъёма/спуске по лестнице груз на модуле раскачивается вперёд-назад, меняя центр тяжести. Поэтому некоторые грузы необходимо надёжно закреплять. И действительно на одиночном модуле груз сильно качается, но вот на этой штуке с картинки быстро и без всякого крепления груза поднимали по лестнице по две двадцатилитровые бутыли с водой для кулеров.

Раскачивания груза не происходит, а грузоподъёмность и устойчивость транспортировки возрастают, если вместо одного модуля использовать два и более. В этом случае модули ставятся друг за другом ( а могут ещё дополнительно и рядом друг с другом) и связываются шатунами-синхронизаторами.

Вот сцепка модулей

Здесь кузов с грузом наклоняется лишь при въезде на первую ступень и далее остаётся в одном и том же положении на протяжении всего марша. Следует отметить два обстоятельства. Движение модуля аналогично шаганию по лестнице с приставляемой ногой. И второе. Ручные колёсные машины обычно тянут вверх за собой, а модуль наоборот толкают вверх перед собой. Хотя могут быть модули и тянущиеся.

Поэтому для колёсных машин, полозьев и гусениц усилие для подъёма равно весу груза умноженному на коэффициент наклона лестницы. И ещё плюс усилие на преодоление края ступени и трение. Для модуля же усилие подъёма определяется весом груза и длиной ручки. При нормальной длине ручки до уровня пояса человека среднего роста отношение плеч рычага: длина ручки – расстояние между осями колёс примерно 5:1. То есть прилагаемое усилие в пять раз меньше веса груза. Для колёсных машин это попросту недостижимо. Из такого запаса силы вытекает, что в устройстве может применяться и передаточный механим для уменьшения хода ручки-рычага.

ВИДЕО

Где могут применяться устройства подобного типа, простоты? Ведь не только для перемещения деловых грузов? Разумеется. Для перемещения больных и инвалидов. Но наиболее массовое применение может быть в детских колясках, которые матерям приходится таскать по лестницам не только своего дома, но и всяких учреждений, магазинов. Да и метро тоже...

Не трудно догадаться, что устройство пригодно не только для движения по лестнице. По плоскости оно катится не хуже любого другого колёсного устройства. Проблема поворота? Но дело в том, что, например, для режима плоскости четыре колеса очень просто могут быть оторваны от поверхности и зафиксированы. Повороты же четырёхколёсной схемы простым наклоном вперёд или назад трудностей не представляют даже при отсутствии специальной поворотной пары колёс.

Не трудно догадаться, что устройство пригодно и для преодоления любых или довольно многих попутных препятствий, высота которых не выходит за пределы максимальной высоты ступени, на которую устройство рассчитано. Ну, там бровка тротуара, выемка в дороге, брошенные предметы и т.п.

Не трудно догадаться, что на базе модуля, принципа его работы могут создаваться и не такие уж сложные устройства с электрическим, аккумуляторным приводом. Траектория движения колёсной четвёрки модуля не так уж и сложна для цикличного повторения. Следовательно, и механика, автоматика обеспечения движения и управления вряд ли окажутся умопомрачительными.

Не трудно догадаться, что пользование устройствами на базе модуля потребует определённой сноровки. Впрочем, как и любыми другими системами для подобных целей. Так что для обретения этой сноровки необходимо побегать с таким устройством вверх-вниз по лестницам без всякого груза.

Не трудно догадаться, что и с простотой тут может оказаться не так-то и просто. Конечно же и тут существуют кое-какие не оглашённые ноу-хау.

Ещё одно видео:

ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТЕ НА ЛЮДЯХ ЖЕРТВА ЛИШЬ СЛЕГКА ПОНЕРВНИЧАЛА

Обратите внимание, как легко заталкивается вверх по лестнице довольно тяжёлый парень, сидящий на ещё не окончательно доработанной экспериментальной модели. По ощущениям водителя нагрузка на руки в этом опыте вряд ли была более 10-12 килограмм.

Из этого как раз и понятно, что, используя описанный принцип действия, можно строить простые и дешёвые машины для транспортировки инвалидов по лестницам. Это довольно востребованная область применения, но, к сожалению существующие в этой области техники современные устройства сложны и дороги. Например:

4000 $

8000-9000 $

6000-7000 $

То же самое по назначению механизированное устройство на базе ступенеходного модуля должно бы стоить на порядок меньше.

ВНИМАНИЕ, МЛАДЕНЦЫ НА ЛЕСТНИЦАХ!

Однако самое интересное и распространённое применение модуля было бы в детских колясках. Вот уж где потребность и неизбежность ходить с грузом по самым разным лестницам велика безмерно и, вместе с тем, не удовлетворяется в колясках почти никак. Технические решения для мам и младенцев слишком сложны, тяжелы и дороги до сегодняшнего момента. Во всяком случае так получается, вероятно, из попыток решения проблемы преодоления лестниц для детских колясок при традиционном подходе к вопросу.

Давайте посмотрим, что даёт нам здесь решение на основе модуля. Только нужно понимать, что требуется комплексное решение из обычной возможности легко ехать по горизонтали и хоть как-то шагать, подниматься по вертикали. Это настолько разные действия с точки зрения физики, что совместить их в одном устройстве очень сложно. Законы движения для того и другого разные. Поэтому надеяться на идеальный компромисс не приходится. Условия разного движения противоречат друг другу. Однако вполне приемлемое решение, похоже, может существовать. Вот оно:

Как видим, обычная коляска, но чуть сложнее выглядит ходовая часть. Всё остальное и в самом деле использовалось от первой попавшейся, подходящей коляски. На всякий случай название колясочной фирмы залеплено. Хотя по форме изделия фирма вполне узнаваема. Когда ей предложили совместную разработку, то был получен ответ, что фирма сама занимается разработками и сторонние ей не требуются. На нет и суда нет. Возможно, свой резон у этой фирмы в технической политике и есть. Посмотрим подробнее, какую роль здесь сыграл ступенеходный модуль и чего удалось достичь при отсутствии на лестнице наклонного пандуса.

У конструкции два режима эксплуатации: прогулочный и лестничный. В прогулочном режиме расстояние между парами колёс (колёсная база) максимально. На переднем плане для представления о масштабе лежит полуметровая линейка. Эта база выбрана не случайно. Дело в том, что она хорошо совпадает с часто встречающимся в России стандартом лестничных ступеней в 15 см высотой и 30 см шириной (глубиной). На таких лестницах возможно и не переключаться на лестничный режим. Коляску можно толкать вверх-вниз, качая за ручку как одиночный модуль.

На видео это хорошо видно.

Но ведь существует великое разнообразие ступеней не этого стандарта. Вот как раз для них и предназначен лестничный режим. При помощи его можно преодолевать какие угодно лестницы с высотой ступеней до 25 см и любой ширины более 30 см. Для применения этого режима предназначен шаговый рычаг 1, педаль сдвига колёсной базы 2 и фиксатор лестничного режима 3. Для перехода в лестничный режим переднюю пару колёс упирают в нижнюю ступеньку лестницы, ногой нажимают на педаль 2, уменьшая колёсную базу, фиксатор 3 защёлкивается и получается то, что на картинке ниже.

Что происходит дальше - смотрим вот здесь.

В этом варианте перемещения вверх/вниз раскачивания конструкции туда-сюда не происходит. Угол наклона коляски постоянный и меньше, чем в предыдущем случае. С обретением навыка внимательного управления коляской на лестнице, ребёнка из неё можно и не вынимать при поъёме/спуске по ступеням.

Несмотря на несколько усложнившуюся ходовую часть, обретение новых важных свойств коляска не утратила возможности складываться, как обычная.

Конечно же возникает вопрос прочности новой конструкции и грузоподъёмности. Вообще-то детские коляски, строго говоря, не предназначены для транспортировки дополнительных грузов по лестницам. Но ведь, толкая коляску вверх, например, по пандусу в метро, ребёнка же из неё не вынимают. С шаганием же по ступеням модульная схема конструкции сама по себе обеспечивает максимальную безопасность. Она не может покатиться вниз, как по пандусу, если водитель, упаси Боже, споткнётся, упадёт или упустит ручку. В каждый момент времени модульная ходовая часть стоит всеми четырьмя колёсами на двух соседних ступенях. Причин для скатывания нет. Даже если водитель коляски по невнимательности упустит момент нужного положения шагового рычага, то коляска просто резко упадёт всеми четырьмя колёсами одновременно на следующую - ниже расположенную пару ступеней и на ней остановится, если её не подталкивать вниз. Каркас ходовой части не алюминиевый и пластмассовый, а облегчённый стальной и поэтому резкие толчки безвредны для конструкции. Да и широкие надувные, слабо накачанные шины смягчают любые удары.

При испытаниях этого опытного образца конструкции, в грузовую корзину положили большую, двадцатикилограммовую бутыль с водой.

Вот видео поведения машины при таких условиях.

Видно, что коляска идёт по лестнице несколько труднее, но всё же достаточно шустро. Паузы, задержки, некоторая неуверенность перемещения вполне понятны. Это вызвано пока ещё отсутствием привычки к управлению новым устройством. Для эксплуатации любого нового ручного транспортного средства нужна хоть какая-то предварительная тренировка. Особенно при столь необычном средстве.

На конструкции не видно обычного колёсного тормоза. Дело в том, что как раз он-то проблемой не является. В серийном образце будет и тормоз. Просто при создании, и испытании опытного образца в нем нужды нет.

Конечно же область применения ступенеходного модуля не исчерпывается детскими колясками. Много вещей разного назначения с кряхтением таскается по самым разным лестницам. Можно вспомнить мебель или крупногабаритную бытовую технику. А большие чемоданы на роликах? Так что, сами понимаете, какие тут могут быть перспективы приложения и развития казалось бы внешне пустячной идеи элементарного прототипа.

Само-собой есть разные машины для перемещения больших грузов по лестницам. Например, вот такая за 5000 долларов, похоже, тоже работающая на принципе подтягивания ноги. Но способ подтягивания совсем иной. Нужно взвесить будет ли в данном случае ступенеходный модуль с электроприводом эффективнее и дешевле.

 

БАЛЛОНЫ, РУЛОНЫ, БУТЫЛИ, ЯЩИКИ И ПРОЧАЯ ДРЕБЕДЕНЬ...

Младенцы - это, конечно, хорошо. С инвалидами тоже понятно, но ведь самое распространённое перемещение грузов приходится на предприятия самого разного профиля от крупного завода до последней конторы. Вот как раз для них и предназначена тележка ТС-100. То есть тележка ступенеходная грузоподъёмностью 100 кг.

Ручка у неё телескопическая и на картинке выдвинута полностью. По ней можно судить, какой высоты предмет можно поместить на тележку. Хотя на самом деле такая длинная ручка имеет основную функцию рычага, снижающего нагрузку на руки при подъёме по ступеням ШАГАНИЕМ. Шаги, как уже говорилось ранее осуществляются наклоном-возвратом тележки. Для такого решения характерно изменение центра тяжести при движении по лестнице и, соответственно существенное, но не чрезмерное изменение нагрузки на руки от полного уравновешивания до четверти или одной пятой веса груза.

А вот обычная тележка того же назначения, но со стандартной, трёхлучевой системой дополнительных колёс для КАЧЕНИЯ по лестнице. Она характерна одной и той же нагрузкой на руки при перекатывании со ступеньки на ступеньку.

Интересный результат показали сравнительные замеры нагрузки на руки во время применения обоих устройств на лестнице со стандартными ступенями шириной 30 и высотой 15 сантиметров. Для замеров использовался электронный безмен-динамометр с пределом измерений 50 кг. В качестве груза взят обычный газовый баллон высокого давления из-под углекислоты весом 70 кг. Максимальная (одномоментная) нагрузка на руки для устройства ТС-100 оказалась 24 кг для этого пустого баллона и 30 кг для заполненного углекислотой (110 кг).

Нагрузку на руки катящейся по ступеням тележки замерить не удалось. Динамометр зашкаливал и отключался из-за перегрузки. Следовательно, требуемая для перекатывания сила превышала 50 кг. Кроме того, выяснилось, что катящаюся тележку нельзя "запарковать" на какой-либо ступени. Она норовит покатиться обратно вниз и её нужно удерживать от этого. А вот ТС-100 можно просто "положить" на марше и она будет спокойно себе лежать. То есть при тяжёлом грузе можно и отдохнуть в любой момент.

.

В механике ТС-100 два режима перемещения, определяемые положением пары малых колёс. На левой картинке - режим перемещения по горизонтали и подъёма по лестнице. На правой картинке - режим перемещения по горизонтали и спуска по ступеням соскакиванием. Что это за соскакивание смотрите на видео. Почему именно оно? Соскакивание - более быстрый и простой способ спуститься. Конечно же, он отличается от более медленного, но плавного спуска обратными подъёму манипуляциями качанием тележки. Да и требует он большей внимательности и осторожности. Ибо если при обратных манипуляциях тележка резко соскочит со ступеньки, то удар придётся не на начанные, амортизирующие баллоны, а на пару жёстких малых колёс. Если это часто будет повторяться, то они долго не проживут.

Кстати, на картинках в тележке стоят две бутыли с водой. Однако, если постараться, то можно поместить и четыре. Не столбом, конечно, а 2х2...

Что можно ещё сказать в заключение. Наиболее подходящий груз для такого устройства - плоский. Чем ближе центр тяжести груза к оси основных колёс, тем легче работать с таким грузом. Тележка не предназначена для подъёма по лестнице крупногабаритных грузов, сильно выступающих вперёд. Возить по горизонтали их можно, но на лестнице они могут оказаться опасны из-за сильного смещения центра тяжести и, следовательно, перевеса назад, который водитель не сможет скомпенсировать.

А ВОТ ЗДЕСЬ ВИДЕО ТОГО, КАК ТС-100 ВЕДЁТ СЕБЯ НА СТУПЕНЯХ

Темновато на лестнице. А неравномерность, неуверенность движения происходит от того, что требуется навык эксплуатации, которого нет у водителя тележки впервые взявшегося за эту штуку. В общем не идеал, конечно, которого желалось бы, но вполне доступно и достаточно практично, что позволяют нам законы природы при решении столь противоречивой задачи совмещения в одном устройстве совершенно различных, исключающих друг друга функций перемещения в разных плоскостях.

Знаете, что я иногда отвечаю на сетования, жалобы, что какое-то устройство не создаёт достаточно удобных или даже идеальных условий для эксплуатации? Вот это:

"Я не господь Бог и тягаться с ним мне не под силу. Да и желания биться лбом в стену, идя против законов природы, тоже нет. Если кто-то хочет сравниться с Господом, то и флаг ему в руки. Однако вся история человечества и технического прогресса говорит, что желания людей не совпадают с божественными предначертаниями и мы все обречены всё время барахтаться в болоте противоречий. Если хотим чего-то идеального, то это оказывается сложно достижимо и дорого обходится. Если мы хотим чего-то простого и дешёвого, то это почти всегда легко достижимо, но чаще всего не очень совершенно. Идеально и дёшево одновременно - это преимущественно лишь мечта. Своего рода химера, существующая в веках. Всегда следует разумно поступиться чем-то второстепенным. Особенно в технике."