CN100462272C - 履带式行走装置及采用该装置的爬楼椅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种履带式行走装置及采用该装置的爬楼椅。这种履带式行走装置，包括通过两个相同的行走单元，每个行走单元包括履带、前部机架和后部机架，履带由设在前部机架、后部机架上的辊筒组支撑，其中包括主动辊筒，该主动辊筒上连接有履带驱动机构；前部机架与后部机架铰接，在铰接点处设有下部改向辊筒，下部改向辊筒的下方在前部机架、后部机架之间形成缺口。本发明优点：结构合理、成本低、使用效果好，可以在坡度等小于或等于45度的斜坡上爬行及自行上下同样角度的楼梯。该座椅完全可以在一般居民住宅楼的楼梯间内运行。该座椅在平地运行时，也具有45度的爬坡功能，适用范围广，能够比较充分满足行动不便群体的活动要求。

Description

履带式行走装置及采用该装置的爬楼椅

技术领域

本发明涉及一种行走装置，具体地说是一种履带式行走装置及采用该装置的爬楼椅。

背景技术

现有的行走装置多采用一组主动轮和从动轮配合使用的方式来完成行走功能的，但是，这类结构的行走装置只能在平地上行走，无法进行爬楼。常规的履带式行走装置能够攀爬坡度不大且台阶较小的楼梯。为了适应爬楼的需要，智能机器人公司研制的最新型遥控机器人PackBot以及美国iRobot公司研制的城市作战机器人，在每个主履带式行走装置的基础上增加一个导向用的辅助履带装置，该辅助履带装置与主履带式行走装置配合使用，在控制系统控制下辅助主履带式行走装置完成爬楼功能。这种结构的履带式行走装置在一定程度上解决了这一问题，但是其结构非常复杂，并且需要控制系统实时操控才能完成，给使用带来不便，也增加了产品的成本。

更为重要的是现有的行走装置很难有效地应用于助残轮椅。据中国残疾人联合会最新统计数字显示，我国目前的肢残人数达877万人，这些肢残人群主要包括先天性肢残、意外事故引起的肢残以及瘫痪引发的肢残。而在这些肢残人群中又有很大一部分无法独立行走，须借助于轮椅才能做到生活自理。现有的助残轮椅一般并不具备爬楼功能，也有一些经过特殊设计后的轮椅虽然具有爬楼功能，或者因为造价太高而无法推广，或者由于结构太复杂难以实际应用，或者需借助于其他的辅助装置才能完成爬楼功能，因而都不具有商业前景。

下面对一些典型的具有爬楼功能的轮椅及相关技术作进一步介绍。

1、目前为止，世界上仅有一种可以自行爬楼的轮式座椅，为美国所发明，该发明图片已于1999年发布。浙江省杭州市钱江晚报在1999年7月5日曾发布过此图片及简短说明。“科技新产品”在2003年度杂志在2003年度也曾报导这种座椅的情况，据称已投放市场，较多的用于沙滩休闲。并称其采用了高级的数控技术所以具有爬楼和爬坡的性能。但是这种座椅的售价太高，据报导约需二至二万五千美金，约合人民币十七万至二十一万，相当于一辆中级轿车的价格。由于选用轮式机构实现上楼，其结构及控制系统必然十分复杂，科技含量必然很高，生产成本高了，销售价格也就很高，因而其维修服务和配件供应要求也很高，不是一般人所买得起的，因此很难普遍予以推广应用。

2、据中国科技情报所国外样本资料介绍，欧洲有二种可帮助残疾人轮椅上下楼梯的产品，均由奥地利鲍曼公司(一家生产客货运索道设备的公司)生产，其中一种为履带式辅助装置。该履带式辅助装置是一个独立的行走机构，它在行走过程中整条履带保持腰圆状构造，使用时将轮椅放置在该履带式辅助装置上，由履带式辅助装置将轮椅运送到楼上或楼下，然后再脱下由轮椅自行行走。因而，在上、下楼梯的整个过程必须由护理人员护送使用。这种辅助履带装置国内最近已由浙江大学等单位研制开发并在杭州有关展览会上展出。另一种则是在楼梯的侧壁设置专用的导轨，且在导轨上设置一个轿厢，使用时将轮椅放置于该轿厢上，使轿厢沿着导轨运动，从而完成爬楼功能。该种爬楼方式仅限于安装有上述专用导轨及轿厢的场所，如大型宾馆或高级住宅。由于轮椅自身并不具备爬楼功能，因而其使用也受到局限。

到目前为止，我们还没有发现其他相类似或更先进的可以自行爬楼的机电产品。

发明内容

本发明要解决的是现有技术存在的上述问题，提供一种结构相对简单、成本较低、且操作简便的新型履带式行走装置。

本发明还要提供一种爬楼椅，它的成本相对低廉，而运行非常可靠，同时还无须借助其他装置。

解决上述问题采用的技术方案是：这种履带式行走装置，包括通过一个整合机架联接的两个相同的行走单元，每个行走单元包括履带、前部机架和后部机架，履带由设在前部机架、后部机架上的辊筒组支撑，其中包括主动辊筒，该主动辊筒上连接有履带驱动机构；所述的前部机架与后部机架铰接，在铰接点处设有下部改向辊筒，下部改向辊筒的下方在前部机架、后部机架之间形成缺口。

本发明的履带式行走装置通过铰接的前部机架和后部机架将主动辊筒和从动辊筒轮系组装在一起，在爬楼过程中通过铰接点的转动使履带始终保持与楼梯至少两点接触，也即通过两根履带就可以完成爬楼，即安全可靠，又简单易行。履带装置总成在前后机架铰接处下面设计的缺口，主要有三个作用：一.为了在爬楼时避免承载机件和履带以及履带与楼梯之间发生碰撞，保证履带安全行走。二.在履带行走到达楼梯顶部时，履带总成下部有一个可以曲折的空间。三.优化履带的驱动性能，增加主动辊筒与履带间的啮合包角，保证驱动辊筒对履带有足够大的驱动力。

前部机架在铰接点处上方设有限位销，后部机架在铰接点处上方设计有与限位销相对应的、防止前部机架向后倾倒过大角度的圆孤限位槽。当前部机架顺时针转动(即铰接点向上躬起)时，其限位销与后部机架的斜面分离，可以自由转动；而当前部机架逆时针转动(即铰接点向下凹陷)时，其限位销与后部机架的斜面逐渐靠拢直至相抵触，此时铰接点被限位。这样前部机架绕铰接点逆时针转动时被限定在一个角度内，保证履带式行走装置能适应各种场合及各类承载机件使用，也就是说，该铰接点可以向上躬起，但不能向下凹陷时必须限定在一个相对的对地高度。这是因为当该铰接点可以向上躬起时，由于其上设置的承载机件(如座椅、运输车等)自重或载重足以保证履带的底边保持与地面或楼梯的良好接触；而当该铰接点向下凹陷时，则会造成履带的受力不匀，进而难以保证其平稳运行。

由于本发明的履带式行走装置不仅具有传统行走装置在平地上行走的功能，还具有爬楼功能，为兼顾到两个功能，在对前部机架的部分履带的设计上作了优化处理，包络主动辊筒和张紧辊筒之间部分的履带与水平面的夹角α为30~45度。这样，在进行两面行走时，主动辊筒、下部支承辊筒和尾部从动辊筒形成多点对地面的支承，足以保证履带与地面的良好接触。而当装置作爬楼运动时，该斜面部分与楼梯的斜面形成小角度，只需略为抬起或者下放即可，因而无须特殊的控制下就可以自然而且轻易地完成爬楼运动。为了保证履带与地面的良好接触，并使该部分的履带受力均匀，所述的下部支承辊筒为1-5个，包络多个下部支承辊筒和尾部从动辊筒部分的履带呈直线。所述的后部机架上还设有尾部改向辊筒。这样包络后部机架部分的履带呈平行四边形状，便于承载机件的连接和安装。

所述的张紧辊筒的辊座上还设有履带张紧装置。设置张紧装置可以达到以下的技术效果：一是在安装或更换履带时张紧辊筒可以缩回，以便于装入和取出履带；二是在行走装置进行行走和爬楼时，履带有足够和恒定的张紧度；三是通过精细的调整，使两个行走单的履带保持张紧度完全一致，这样一来可以使履带的分属于两个行走单元的两个张紧辊筒中心连线保持与两个尾部从动辊筒的中心连线保持平行，履带就不会跑偏，保证履带运行平稳，减少履带边缘的磨损。为此，作为张紧轮的张紧辊筒其结构是做成可以进行伸缩调控的。所述的履带张紧装置包括一对调整螺杆和张紧弹簧，所述的一对调整螺杆底端轴接在与所述前部机架固定联接的安装底板上，顶端连接到一个与所述张紧辊座固定的顶板上；并且所述每个调整螺杆的底端设有一个变向伞轮，所述的变向伞轮输出端连接调整扳手；所述的张紧弹簧套装在调整螺杆上，底端固定在一个与所述的调整螺杆螺纹连接的托座上，顶端固定在顶板上。

这种采用上述履带式行走装置的爬楼椅，包括座椅本体，在所述座椅本体上设有操控系统，所述座椅本体的底部设有所述的履带式行走装置，在座椅本体和履带式行走装置之间设有座椅水平调整装置。

所述的座椅水平调整装置包括水平传感器、传感器控制电路及水平调整机构，所述的水平传感器包括弧形的且内置有水银导体的密封玻璃管体，所述水银导体上方的中央设有气泡，自气泡处引出的中央电极以及自水银导体两侧引出的前倾电极和后倾电极分别通过导线连接到传感器控制电路；所述的传感器控制电路设置在所述的操控系统内；所述的水平调整机构包括上铰点轴支架、上铰点轴、上铰点轴座、电动机、减速器、升降螺母、下铰点轴、下铰点轴座和驱动螺杆，所述的上铰点轴支架固定在座椅本体底部并与所述的上铰点轴连接，所述的上铰点轴座套装在所述的上铰点轴支架上并与升降螺母连接，所述的升降螺母套装在驱动螺杆上，所述的电动机输出端通过减速器连接到所述驱动螺杆的底部；所述的电动机、减速器和驱动螺杆固定在所述的下铰点轴上，所述的下铰点轴与前后部机架的铰接点轴心重合且可转动地设置在所述的下铰点轴座上。

所述的驱动螺杆为两根，且由同一电动机带动左右两个齿轮分别驱动。使得座椅在进行水平调整时更为平稳。当电动机旋转时，带动两侧的螺杆作同向旋转，从而使螺杆上的升降螺母同时上行或者下移，进而带动座椅本体绕其与前部机架的铰按点作向上向下转动，使座椅平面保持水平。

为防止座椅在爬楼或爬坡时润滑油泄漏，所述的减速器为全密封结构，并选用二硫化钼润滑剂来润滑驱动螺杆。为防止尘土的污染，所述的升降螺母上部设有上防尘套，下部设有可伸缩防尘套。为保护本机构，在机构的两侧和前部还装有可伸缩的内外护罩，以保护机件并增加其外形的美观。所述的上铰点轴和上铰点轴座组件为一对且同轴横向设置。

水平传感器中的中央电极和两侧电极通过导线与控制信号放大器联通，输出座椅水平度调整电动机正反转的控制信号。水平传感器共四个，对称分布在座椅本体的两侧。所述的四个水平传感器是并联安装在线路上的，全座椅共安装四组传感器的目的是为了保证其工作的可靠性，在其中任何二组传感器发出控制信号时，水平度调整装置就进行座椅角度的调整作业。传感器采用插结式模块结构，维修时可以快速拆装更换。所述的中央电极为一对。水平度传感器是水平地安装于座椅两侧的，当其处于水平状态时，水银导体中的气泡在玻璃管的中间，其间两个电极相距5毫米左右，互相不导通，传感器在向前后方向倾斜一度时，水银就与一侧电极相接触，电路导通，发出操作信号，倾侧方向不同，发出信号的电路也不相同，从而进行不同的操控。

所述的中央电极也可以只有一个公共极，这样控制电路的结构会有所调整，但是同样可以达到控制输出的目的。

所述的座椅本体包括踏脚板、座垫、座椅支架、扶手和靠背，所述的座椅支架底部设有与所述的座椅水平调整装置铰接的上抬铰点和与所述的前部机架铰接的固定铰点。所述的座垫为软垫结构，可使使用者感觉良好。座垫的下方还设有座垫箱，可以安装座椅水平度调整机构及电子电器控制器件。所述的两侧扶手下方还设有扶手箱，可以放置操作按钮和引线、充电器插头和导线、紧急呼救器和急救药品等物件。座椅用固定铰点安装于履带总成前部的座椅铰点上，履带总成以此为支点可以向下转动，最大旋转角度为45度。座椅在履带总成上的安装位置处于座椅的前部，其靠背朝着履带总成的前方，而踏脚朝着履带总成的后方，所以在爬楼过程中乘坐者背部朝着楼梯，倒退着上楼，正面坐着下楼，使乘坐者在爬楼时较为舒适和安全。所述的扶手上还设有自控操作器，便于操作。

所述的水平传感器可以直接固定在所述的座垫两侧，也可以在座椅支架上位于座垫下方的两侧处还开设安装孔用于埋设水平传感器。

所述的操控系统包括可编程中心控制器(PLC)、信息输入部分、信息输出部分和电源。信息输入部分可以接收电源和运行状态数据信息、手柄或按纽操作信息、座椅水平度传感信息、语音控制信息及其它控制输入信息等几种信息作为可编程控制器的操控依据。可编程中心控制器(PLC)输出控制信息给动力控制器，操纵三个驱动电动机(左侧履带行走单元的驱动电动机、右侧履带行走单元的驱动电动机、座椅水平调整装置的驱动电动机)按设计程序运转，使座椅按使用要求进行运行。中心控制器并将有关座椅的运行参数如电压、速度、电源信息(蓄电池残留电量、充电通知等)及其它相关信息反馈显示于操纵控制器的显示屏上，供乘坐者及操纵者使用时的参考。当实施紧急呼救时该显示屏还能够显示简短的急救说明，为供救助者提供帮助。座椅上还可以设置语音输出模块，以进行语音对话、播送MP3音乐、语音报时及定时提示等，当座椅控制器设置有收音机时，可以播放电台新闻和CD等。总之，根据使用者的使用要求，座椅上的中心控制器可具有较大的内置容量，增加更多的附加使用功能。

所述的履带驱动机构以及操控系统的电源采用可充电蓄电池系统，用低压24V的安全电压供电。

本发明有益的效果是：本发明结构合理、成本低、使用效果好，可以在坡度等小于或等于45度的斜坡上爬行及自行上下同样角度的楼梯。由于其平面投影尺寸可控制在0.98X0.60米的范围内，并能在原地转向，因此该座椅完全可以在一般居民住宅楼的楼梯间内运行。该座椅在平地运行时，也具有45度的爬坡功能，适用范围广，能够比较充分满足行动不便群体的活动要求。

附图说明

图1是本发明履带式行走装置的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是履带与轮系的配合示意图。

图4是图3中A处的放大示意图。

图5是图3中B-B向剖视放大图。

图6是本发明履带式行走装置的轴测图。

图7是履带张紧装置的结构示意图。

图8是图7中C-C的剖视图。

图9是履带驱动的结构示意图。

图10是图9的左视图。

图11是图9的俯视图。

图12是本发明履带式行走装置的上楼分步形态的分解图。

图13是本发明履带式行走装置的下楼分步形态的分解图。

图14是本发明履带式行走装置在上楼起始或下楼结束过程中的分步形态叠加图。

图15是本发明履带式行走装置在上楼结束或下楼起始过程中的分步形态叠加图。

图16是发明履带式行走装置在上楼起始及中途或下楼中途及结束时，前后机架在铰接点处的状态图。

图17是发明履带式行走装置在上楼结束时或下楼起始时，前后机架在铰接点处的状态图。

图18是本发明具有爬楼功能的座体的结构示意图。

图19是本发明具有爬楼功能的座体的轴测图。

图20是水平传感器的结构和电路图。

图21是水平传感器前倾状态图。

图22是水平传感器后倾状态图。

图23是座椅水平调整装置的结构示意图。

图24是图23的俯视图。

图25是图23的左视图。

图26是座椅本体的结构示意图。

图27是图26的左视图。

图28是操控系统的电路原理框图。

图29是操控系统的对动力控制部分的电路原理框图。

图30是座椅前进时的状态图。

图31是座椅后退时的状态图。

图32是座椅原地右转时的状态图。

图33是座椅原地左转时的状态图。

图34是座椅绕圆弧右转弯时的状态图。

图35是座椅绕圆弧左转弯时的状态图。

图36是单折楼梯住宅爬楼全过程程序框图。

图37是双折楼梯住宅爬楼全过程程序框图。

图38是爬楼全过程子程序框图。

图39是爬楼椅爬楼过程各工作机构和电动机运行状态表。

图40是爬楼椅爬楼过程可编程控制器流程图符号说明表。

图41是单折楼板间上楼左转弯时的流程图。

图42是单折楼板间上楼右转弯时的流程图。

图43是双折楼板间上楼左转弯时的流程图。

图44是双折楼板间上楼右转弯时的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1、2、3、6，本发明的履带式行走装置，一种履带式行走装置，包括通过一个整合机架联接的两个相同的行走单元，每个行走单元包括履带、前部机架和后部机架，履带由设在前部机架、后部机架上的辊筒组支撑，其中包括主动辊筒，该主动辊筒上连接有履带驱动机构；前部机架与后部机架铰接，在铰接点处设有下部改向辊筒，下部改向辊筒的下方在前部机架、后部机架之间形成缺口。辊筒组包括位于前部机架220上的主动辊筒207、张紧辊筒215、上部第一改向辊筒212以及位于后部机架202上的下部小压辊筒217、三个下部支承辊筒218、尾部从动辊筒201和上部第二改向辊筒213；所述的履带209按以下方式依次经过各辊筒后形成闭环：内侧表面包络上部第一改向辊筒212、张紧辊筒215、主动辊筒207、外侧表面包络下部改向辊筒216、内侧表面包络下部小压辊筒217、下部支承辊筒218、尾部从动辊筒201、外侧表面包络上部第二改向辊筒213；所述的主动辊筒207与履带209内侧表面通过齿啮合传动。

所述的前部机架220和后部机架202均由单片支架通过多个联接螺栓205组装成的。便于组装、调试及维修，并可节省材料。

包络主动辊筒207和张紧辊筒215之间部分的履带228与水平面的夹角α为30~45度。包络多个下部支承辊筒218和尾部从动辊筒部分的履带224呈直线。所述的后部机架上还设有尾部改向辊筒211。

参照图4、5，所述的履带209采用以丁睛橡胶为主要原料的合成橡胶制成，要求具有较高的耐磨及耐油性能。履带的设计宽度为100毫米，设计厚度为10毫米，在生产厂家预先制成圈(0)型连续封闭型式，使其接头的强度和形状做得与本体完全一致，既方便安装和更换，又使其运行更加可靠。履带的结构在厚度上自内向外分为三层：其内结构层为齿型驱动层225，用于与驱动辊筒啮合，以驱动履带运行，驱动齿型采用同步传动带H型齿形(按国家标准GB11616-89制作)，节距为12.7毫米，齿高为2.29毫米，在履带总长度(以履带的中心节线长度计算)为2209.8毫米上其驱动齿数为174只；履带的中部的结构层为抗拉强度层226，内嵌高强度抗拉尼龙芯线，该层厚度为3.71毫米，芯线四边的橡胶保护层厚度不少于1毫米；履带外层为齿型爬行层227，其爬行齿直线节距为25.4毫米，节线处齿厚为12.7毫米，齿高为4毫米，全圈履带有爬行齿87只。行走履带具有很高的工作安全系数，在爬楼过程中，当座椅爬坡角度达到45度时，每条履带的工作张力可达近3千牛，此时行走履带仍具有足够的抗拉和抗扯裕度。行走履带的最大运行速度仅为每秒0.6米，属于低速低惯量运动体系，但其工作状态特别是在转向过程中处于高磨损工况，为增加履带的使用寿命，履带采用丁睛橡胶制作，履带的内外侧齿部橡胶中可采用渗入高抗磨合金颗粒的办法来增强其抗磨性，履带耐磨层的厚度不少于2毫米。

行走履带的设计长度按其中间层的中心节线进行计算，履带在生产过程中要求严格控制这一尺寸，履带成型后长度误差不得大于0.5％，在履带生产中还应严格控制橡胶原料的配方和履带成型后的伸长率，按使用要求，履带在3000N的拉力下，其伸长率不得大于0.5％即全圈绝对伸长不大于11毫米(相当于履带张紧力的约100％)。

参照图7、8，所述的张紧辊筒215的辊座210上还设有履带张紧装置。所述的履带张紧装置包括一对调整螺杆302和张紧弹簧303，所述的一对调整螺杆302底端轴接在与所述前部机架220固定联接的安装底板306上，顶端连接到一个与所述张紧辊座210固定的顶板308上；并且所述每个调整螺杆302的底端设有一个变向伞轮301，所述的变向伞轮301输出端连接调整扳手；所述的张紧弹簧303套装在调整螺杆302上，底端固定在一个与所述的调整螺杆302螺纹连接的托座304上，顶端固定在顶板308上。所述的调整手柄带有用以锁定手柄的保护螺母305，使手柄在履带运转时不会自行松动从而保证履带的张紧度。

转动调节手柄(图中未示出)，带动变向伞轮301及调整螺杆302沿自身心轴旋转，设置在调整螺杆302上的弹簧托座304沿调整螺杆302作上下移动，从而带动张紧辊座210作伸缩运动进而调节履带的松紧度。

所述的张紧辊座210与顶板308固定，并且在前部机架的两内侧设有一对与顶板308及和/或辊座210固定的侧板309，在前部机架220上设置四对导向螺栓307，同时在侧板309开设导槽，将所述的导向螺栓307嵌入导槽内，这样，当张紧装置带动张紧辊座210作伸缩运动时，导向螺栓307沿导槽运动，引导张紧辊座210准确地运行。当然，这种导向方式，所述的导向螺栓和导槽可以对换设置，也能达到同样的导向效果。张紧后的头部辊筒对每条履带的张紧力可达3000N。

参照图9、10、11，所述的每个主动辊筒214各设有一个履带驱动机构，包括电动机402、减速器401、减速底座403和减速顶座404。左右两条履带各由一套独立的驱动机构驱动，可实现以各种速度行走与以不同模式转弯包括原地旋转的运行要求。履带驱动机构还可以是其它常规的任何制式结构，

本机构选用的电动机402为可分级调速或连接调速的直流电动机，操作电压为直流24伏，转速调节范围从1000转/分到3000转/分之间变动，平地行走时选用高转速，爬楼或爬坡时选用低转速。每台电动机的功率约140瓦。

本机构所选用的减速器401为蜗轮蜗杆减速器。生产厂定型号为“FCWDK”，型号定义为：立式、无底脚、上部输入轴、输出入轴均为空心。该减速器在国内为较先进的型号，采用了引进的国外技术，具有高转矩、结构紧凑、安装方便等特点。本机选定的型号其中心距为40毫米，传动比为1：40。减速器401安装于底座403和顶座404间，上下均用螺栓加以固定。减速器401的输出空心轴中插入与主动辊筒214安装在一起的驱动主轴229，而电动机轴则直接插入减速器401的输出轴孔中，电动机402用法兰与减速器401对接。

本机构采用齿形主动辊筒214驱动行走履带209，其齿型为同步带H型齿形(国家标准GB11616-89)，齿型节距为12.5毫米，齿高为2.29毫米，辊筒四周共有啮合齿40个，辊筒同步齿节圆直径为160.33毫米，辊筒外径为163.074毫米，辊筒两侧有轮边，以防止履带的侧向位移，辊筒边内侧宽度为102毫米，采用组合式冲制轮缘。

驱动机构的设计结构紧凑，机架采用簿钢板冲制件，机构尽可能简化轻薄，并保证机构有足够的刚度和运行安全保证。履带209在爬楼和爬坡时，采用较低的爬行速度，其斜向速度为0.2米/秒，对一般三米高的楼层，每层爬楼时间约为20秒至30秒。履带式行走装置在平地行走时的最高行走速度约0.6/秒(相当于一般人们的散步速度)，可采用多级或连续调速。

参照图12，本发明履带式行走装置的上楼过程如下：

图12是由图1y~15y的15个按序排列的分解图构成，其中图1y~10y十幅分解图为上楼开始时的分解动作，图1y为行走装置在平地上后退至履带与第一级楼梯转角相接触时的状态。图2y为履带开始爬上第一级梯级时的状态。图3y为主动辊筒底部爬至第一级梯级转角处的状态。图4y为履带爬至与第二级梯级转角刚接触时的状态，图5y为履带开始爬上第二级梯级时的状态。图6为主动辊筒爬至与第二级梯级转角刚接触时的状态，图7y为主动辊筒爬上第二级梯级转角处，而履带底部刚离开地面时的状态。图8y为履带继续上爬，整个行走装置完全离开地面而处于梯级上时的状态。图9y为履带上爬至与第三级梯级相接触时的状态。图10y为履带向第三梯级上爬时的状态。

图11y~15y五幅分解图为上楼结束时的分解动作示意图，其中图11y为主动辊筒刚爬到梯级上平面转角时的状态。图12y为主动辊筒爬上楼梯上平面而后部履带刚碰到上平面转角时的状态。图13y为履带继续上爬履带总成背部开始拱起时的状态。图14为后部履带开始爬上楼梯上平面时的状态。图15y为整个履带总成全部爬上楼梯上平面时的状态。

参照图13，本发明履带式行走装置的下楼过程如下：

图13是由图1x~15x的15个按序排列的分解图构成。1x~5x五幅小图为下楼开始时的分解动作。其中图1x为履带爬行刚开始、履带总成仍在楼梯上平面时的状态。图2x为履带继续爬行，后部刚开始下垂时的状态。图3x为履带总成向下爬行至后部履带接触到下一级梯级时的状态。图4x为履带总成下爬到总成凹部滑落到楼梯上平面转角处时的状态。图5x为履带总成的驱动轮下爬到离开楼梯上平面后的状态。

图6x~15x十幅小图为下楼结束时的分解动作。其中图6x为下楼过程座椅处于下面第三级时履带总成的状态。图7x为履带驱动轮从下面第三级向第二级下爬时的状态。图8x为履带下爬至驱动轮接触下面第二级平面时的状态。图9x为履带下爬至驱动轮处于下面第二级转角时的状态。图10x为履带下爬至其下部刚接触地面时的状态。图11x为履带下爬至中部悬空时的状态。图12x为履带下爬至驱动轮接触下面第二级时的状态。图13x为履带下爬至驱动轮接触下面第二级转角处时的状态。图14x为履带继续下爬至中部悬空时的状态。图15x为履带总成全部下爬到地面时的状态。

为了更形象的显示履带总成上楼和下楼时的全过程，图14、15将上下楼过程各个分解小图的动作状态叠加在一起予以显示，图14为上楼开始和下楼结束时的重叠图，图15为上楼结束和下楼开始时的重叠图。从该两叠加图中我们可以清楚地看出座椅在上楼及下楼的全过程中履带总成的动作变化。

从上述分解图中可以看出，履带总成下部的凹陷结构在分解图5y、8y~10y和11y~13y以及3x~8x和11x的各状态时都有十风明显的作用，并可见履带总成在上楼的起始及下楼的结束阶段和中间阶段始终保持刚性状态，而在到达梯级上平面和从上平面下爬时总成都会中部拱起，使履带总成可以从梯级上爬状态平缓地过渡到平面行走状态，这样就使设置在行走装置上面的机件在爬楼运行时显得十分平稳。为此，履带总成在结构上采取了一些必要的措施，

参照图16，前后部机架在铰接点206处设计成相向的半圆面，在后部机架202上的半圆面上，设置两个对称的限位圆弧槽231，在前部机架220上设有插入该圆弧限位槽231相对的两根限位销230。在图16所示状态，履带式行走装置处在上楼起始及中途或下楼中途及结束时，此时，履带式行走装置的承载机件其重力为箭头E所指方位，履带同时受到地面或者楼梯表面的支承力处在前部机架220的主动辊筒207对应的履带D处以及后部机架203的支承辊筒203对应的履带G处，三个方向的合力使得前部机构220相对于后部机架202作绕铰接点206逆时针转动。当转动至前部机架的限位销230与后部机架的限位槽231相互顶住，则前部机架被限位而无法继续逆时针转动，该铰接点206便不能再向下凹陷。

参照图17，履带式行走装置2处在上楼结束及下楼起始时，此时，履带式行走装置的承载机件其重力为箭头F所指方位，履带同时受到地面或者楼梯表面的支承力处在前部机架220的主动辊筒207对应的履带D处以及后部机架203的支承辊筒203对应的履带G处，三个方向的合力使得前部机构220相对于后部机架202作绕铰接点206顺时针转动。此时，前部机架的限位销230与后部机架的限位槽231相对绕铰接点206逆向转动，铰接点206处自由拱起，由于在该过程中，要求前部机架220的转动角度较大(达到50度)，而本发明的履带式行走装置便能很好地完成相应的步骤。

参照图18、19，这种采用上述履带式行走装置的爬楼椅，包括座椅本体1，在所述座椅本体1上设有操控系统6，所述座椅本体1的底部设有履带式行走装置2，在座椅本体1和履带式行走装置2之间设有座椅水平调整装置5。所述的履带式行走装置2的结构前面已经描述过了，在此不再赘述。

参照图21，所述的座椅水平调整装置5包括水平传感器504、传感器控制电路及水平调整机构526，所述的水平传感器504包括弧形的且内置有水银导体510的密封玻璃管体506，所述水银导体510上方的中央设有气泡508，自气泡508处引出的一对中央电极507、509以及自水银导体510两侧引出的前倾电极505和后倾电极511分别通过导线连接到传感器控制电路；所述的传感器控制电路设置在所述的操控系统6内。

水平传感器中的中央电极507、509和两侧电极505、511通过导线501与操控系统的控制信号放大器503联通，输出座椅水平度调整电动机正反转的控制信号。水平传感器504共四个，对称分布在座椅本体的两侧。所述的四个水平传感器是并联安装在线路上的，全座椅共安装四组传感器的目的是为了保证其工作的可靠性，在其中任何二组传感器发出控制信号时，水平度调整装置就进行座椅角度的调整作业。水平传感器504采用插结式模块结构，维修时可以快速拆装更换。由于水平度传感器504是水平地安装于座椅1两侧的，当其处于水平状态时，水银导体中的气泡508在玻璃管506的中间，其间两个中央电极507、509相距约5毫米左右，互相不导通，水平传感器504向前方向倾斜一度时，水银510使前倾电极511与左侧中央电极509导通，左侧控制电路即导通，发出相应的操作信号，如图21所示。当水平传感器504向后方向倾斜一度时，水银510使后倾电极505与右侧中央电极507导通，右侧控制电路即导通，发出相应的操作信号，如图22所示，从而进行不同的操控。

参照图23、24，所述的水平调整机构526包括上铰点轴支架513、上铰点轴514、上铰点轴座515、电动机516、减速器517、升降螺母518、下铰点轴519、下铰点轴座520和驱动螺杆521，所述的上铰点轴支架513固定在座椅本体底部并与所述的上铰点轴514连接，所述的上铰点轴座515套装在所述的上铰点轴支架513上并与升降螺母518连接，所述的升降螺母518套装在驱动螺杆521上，所述的电动机516输出端通过减速器517连接到所述驱动螺杆521的底部；所述的电动机516、减速器517和驱动螺杆521固定在所述的下铰点轴519上，所述的下铰点轴519与前后部机架的铰接点206轴心重合且可转动地设置在所述的下铰点轴座520上。所述的驱动螺杆521为两根，且由同一电动机516带动左右两个减速器517分别驱动。所述的上铰点轴514和上铰点轴座515组件为一对且同轴横向设置。

所述的减速器517为全密封结构。所述的升降螺母518上部设有上防尘套525，下部设有可伸缩防尘套523。所述的上铰点轴座515上设有外护罩524，所述的下铰点轴519上设有内护罩522，并且所述的外护罩524套合在所述的内护罩522上。

参照图25，所述的上铰点轴514通过上铰点轴支架513固定在上部导座512上，而上部导座512则固定在座椅支架106的底部。当电动机516接收到操控系统发出的信号旋转时，通过减速器517带动两侧的螺杆512作同向旋转，从而使螺杆512上的升降螺母518同时上行或者下移，进而带动座椅本体绕其与前部机架的铰按点527作向上向下转动，使座椅平面保持水平。

由于座椅的水平调整运动是圆弧型轨迹，因而水平调整装置的运动是一种直线运动与圆弧转动相结合的组合运动。水平调整装置可以分解为由上铰点轴座515、上防尘套525、升降螺母518、可伸缩防尘套523、外护罩524构成的相对运动组件以及由电动机516、减速器517、下铰点轴519、驱动螺杆521构成的相对静止组件。所述的相对运动组件一方面沿着驱动螺杆521作伸缩运动，另一方面绕上铰点轴514作微小的转动。所述的相对静止组件作为相对运动组件的基础，另一方面又可绕下铰点轴座520作微小的转动以保证各部件灵活协调地工作。

参照图26、27，所述的座椅本体1包括踏脚板101、座垫102、座椅支架106、扶手107和靠背109，所述的座椅支架106底部设有与所述的座椅水平调整装置铰接的上抬铰点104和与所述的前部机架220铰接的固定铰点111。所述的座垫102为软垫结构。座垫102的下方还设有座垫箱110，用以安装座椅水平度调整机构及电子电器控制器件。所述的扶手107下方还设有左右扶手箱105、108，可以放置操作按钮和引线、充电器插头和导线、紧急呼救器和急救药品等物件。座椅1用固定铰点111安装于履带总成前部的座椅铰点234上，履带总成以此为支点可以向下转动，最大旋转角度为45度。座椅1在履带总成上的安装位置处干???座椅的前部，其靠背朝着履带总成的前方，而踏脚朝着履带总成的后方，所以在爬楼过程中乘坐者背部朝着楼梯，倒退着上楼，正面坐着下楼，使乘坐者在爬楼时较为舒适和安全。所述的扶手107上还设有自控操作器112，便于操作。所述的座椅支架106位于座垫下方的侧面还开设有水平传感器安装孔103，将四个水平传感器504分别埋设在相应的安装孔103内，即可节约空间，又能保证水平传感器504可靠工作，且不易被损坏。

参照图28、29，所述的操控系统包括可编程中心控制器(PLC)、信息输入部分、信息输出部分和电源。信息输入部分可以接收电源和运行状态数据信息、手柄或按纽操作信息、座椅水平度传感信息、语音控制信息及其它控制输入信息等几种信息作为可编程控制器的操控依据。可编程中心控制器(PLC)输出控制信息给动力控制器，操纵三个驱动电动机(左侧履带行走单元的驱动电动机、右侧履带行走单元的驱动电动机、座椅水平调整装置的骆动电动机)按设计程序运转，使座椅按使用要求进行运行。中心控制器并将有关座椅的运行参数如电压、速度、电源信息(蓄电池残留电量、充电通知等)及其它相关信息反馈显示于操纵控制器的显示屏上，供乘坐者及操纵者使用时的参考。当实施紧急呼救时该显示屏还能够显示简短的急救说明，为供救助者提供帮助。座椅上还可以设置语音输出模块，以进行语音对话、播送MP3音乐、语音报时及定时提示等，当座椅控制器设置有收音机时，可以播放电台新闻和CD等。总之，根据使用者的使用要求，座椅上的中心控制器可具有较大的内置容量，增加更多的附加使用功能。

所述的履带驱动机构以及操控系统的电源采用可充电蓄电池系统，用低压24V的安全电压供电。

本发明的具有爬楼功能的座椅，可以通过操控系统对座椅发出指令来完成爬楼、前进、后退、转弯等各种动作。爬楼过程在前面的履带行走装置部分已作了详细描述。

如前所述，这部座椅的下面有一个行走履带总成，采用橡胶履带作为行走部件。所以选用这一方案是因为橡胶履带具有优良的行走特性，运行平稳，对地粘着系数大，易于操控。行走时，履带相对于地面是静止不动的，主动辊筒旋转时，辊筒带动履带，从而带动整部座椅向前或向后运动。履带在总成上左右各有一个行走单元，在结构上是相互独立的，各自单独驱动，但在座椅行走时，这两条履带则是同步运行的，当座椅需前进时，两条履带组件同步向前运动，如图30所示；座椅需后退时，两条履带则同步向后运动，如图31所示。座椅的行走速度是可以调节的，采用分级调速或连续调速，当驱动电动机转速为1000转/分时其最低行走速度为0.2米/秒，当驱动电动机转速为3000转/分时其最高行走速度不大于0.6米/秒。如采用分级调速时，其速度一般可分为三级，如0.2米/秒、0.4米/秒及0.6米/秒。座椅在最高速度时行走，其每小时行走速度约为2.16千米，相当于一般人平时的散步速度，比较平稳。

由于履带总成的两条履带采用了各自独立的驱动系统，履带座椅可以自由改变方向，并有原地旋转和圆弧旋转等两种转向方式可供选择：

1、原地旋转方式：

参照图32当选择原地旋转方式时，履带总成上两条履带的运动方向相反，以座椅正前方为前方，左侧履带向前运动，右侧履带向后运动，座椅就顺时针原地旋转。参照图33，相反，当左侧履带向后运动，右侧履带向前运动时座椅就逆时针旋转。在原地旋转的工况下座椅的转弯半径为零，履带以这种方式运动时座椅就原地旋转。

由于原地旋转的旋转半径最小，适应上、下楼梯转弯时应用。居民住宅楼房的楼梯间的宽度当双折楼梯时一般约为1~1.2米，长度约2.5米，爬楼时采用原地转向方式，履带式座椅可以很方便的在楼梯间内通行。

2、圆弧旋转方式：

参照图34，当右侧履带慢速前进，同时左侧履带快速前进时，座椅绕圈顺时针右转弯。当右侧履带慢速后退，同时左侧履带快速后退时，座椅绕圈逆时针右转弯。图中V1表示右侧履带的运行速度，V2表示左侧履带的运行速度，R表示转弯半径，0表示转弯环绕中心。

参照图35，当右侧履带快速前进，同时左侧履带慢带前进时，座椅绕圈顺时针左转弯。当右侧履带快速后退，同时左侧履带慢带后退时，座椅绕圈逆时针左转弯。

座椅在平地行走时一般不应采用原地旋转的转向方式，以防止履带的过度磨损。当座椅在平地行走时则采用圆弧转向的方式。座椅转弯的速度取决于各履带的绝对转速及左右履带之间的转速差。

参照图36，该流程图显示了对于每一楼层只有一折楼梯的住宅(或其他建筑物)，从底层到所住楼层的爬楼全部过程。下楼过程则按下图程序反向运行即可。

参照图37，该流程图显示了对于每一楼层只有双折楼梯的住宅(或其他建筑物)，从底层到所住楼层的爬楼全部过程。下楼过程则按下图程序反向运行即可。

参照图38，上面两种爬楼全过程的程序框图中均有一个“爬楼梯的子程序”，该流程图则显示了单个爬楼程序，下楼过程则按下图程序反向运行。

参照图39-44，按照图示方式进行设置和程序，可以完成各种爬楼动作。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种履带式行走装置，包括通过一个整合机架(221)联接的两个相同的行走单元(232、233)，其特征是：每个行走单元(232、233)包括履带(209)、前部机架(220)和后部机架(202)，履带(209)由设在前部机架(220)、后部机架(202)上的辊筒组支撑，其中包括主动辊筒(207)，该主动辊筒(207)上连接有履带驱动机构；所述的前部机架(220)与后部机架(202)铰接，在铰接点(206)处设有下部改向辊筒(216)，下部改向辊筒(216)的下方在前部机架(220)、后部机架(202)之间形成缺口(223)；所述的辊筒组包括位于前部机架(220)上的主动辊筒(207)、张紧辊筒(215)、上部第一改向辊筒(212)以及位于后部机架(202)上的下部小压辊筒(217)、下部支承辊筒(218)、尾部从动辊筒(201)和上部第二改向辊筒(213)；所述的履带(209)按以下方式依次经过各辊筒后形成闭环：内侧表面包络上部第一改向辊筒(212)、张紧辊筒(215)、主动辊筒(207)、外侧表面包络下部改向辊筒(216)、内侧表面包络下部小压辊筒(217)、下部支承辊筒(218)、尾部从动辊筒(201)、外侧表面包络上部第二改向辊筒(213)；所述的主动辊筒(207)与履带(209)内侧表面通过齿啮合传动。

2.根据权利要求1所述的履带式行走装置，其特征是：包络主动辊筒(207)和张紧辊筒(215)之间部分的履带(228)与水平面的夹角(α)为30-45度；所述的下部支承辊筒(218)为1-5个，包络多个下部支承辊筒(218)和尾部从动辊筒部分的履带(224)呈直线；所述后部机架(202)上还设有尾部改向辊筒(211)，包络着尾部从动辊筒(201)和上部第二改向辊筒(213)之间的履带部分的内侧表面，包络有尾部改向辊筒(211)，使包络后部机架(202)部分的履带(209)呈平行四边形状。

3.根据权利要求1所述的履带式行走装置，其特征是：所述的张紧辊筒(215)的辊座(210)上还设有履带张紧装置，该履带张紧装置包括一对调整螺杆(302)和一对张紧弹簧(303)，所述的一对调整螺杆(302)底端轴接在与所述前部机架(220)固定联接的安装底板(306)上，顶端连接到一个与所述辊座(210)固定的顶板(308)上；并且所述每个调整螺杆(302)的底端设有一个变向伞轮(301)，所述的变向伞轮(301)输出端连接调整扳手；所述每个张紧弹簧(303)套装在调整螺杆(302)上，底端固定在一个与所述的调整螺杆(302)螺纹连接的托座(304)上，顶端固定在所述顶板(308)上。

4.根据权利要求1所述的履带式行走装置，其特征是：所述前部机架(220)在铰接点(206)处上方设有限位销(230)，所述后部机架(202)在铰接点(206)处上方设计有与限位销(230)相对应的、防止前部机架(220)向后倾倒过大角度的圆孤限位槽(231)。

5.根据权利要求1所述的履带式行走装置，其特征是：所述的履带(209)包括内侧的齿型驱动层(225)、中间的抗拉强度层(226)和外侧的齿型爬行层(227)。

6.一种采用权利要求1-5中之一的所述履带式行走装置的爬楼椅，包括座椅本体(1)，其特征是：在所述座椅本体(1)上设有操控系统(6)，所述座椅本体(1)的底部设有所述的履带式行走装置(2)，在座椅本体(1)和履带式行走装置(2)之间设有座椅水平调整装置(5)；所述的座椅水平调整装置(5)包括水平传感器(504)、传感器控制电路及水平调整机构(526)，所述的水平传感器(504)包括弧形的且内置有水银导体(510)的密封玻璃管体(506)，所述水银导体(510)上方的中央设有气泡(508)，自气泡(508)处引出的中央电极(507、509)以及自水银导体(510)两侧引出的前倾电极(505)和后倾电极(511)分别通过导线连接到传感器控制电路；所述的传感器控制电路设置在所述的操控系统(6)内；所述的水平调整机构(526)包括上铰点轴支架(513)、上铰点轴(514)、上铰点轴座(515)、电动机(516)、减速器(517)、升降螺母(518)、下铰点轴(519)、下铰点轴座(520)和驱动螺杆(521)，所述的上铰点轴支架(513)固定在座椅本体底部并与所述的上铰点轴(514)连接，所述的上铰点轴座(515)套装在所述的上铰点轴支架(513)上并与升降螺母(518)连接，所述的升降螺母(518)套装在驱动螺杆(521)上，所述的电动机(516)输出端通过减速器(517)连接到所述驱动螺杆(521)的底部；所述的电动机(516)、减速器(517)和驱动螺杆(521)固定在所述的下铰点轴(519)上，所述的下铰点轴(519)与前后部机架的铰接点(206)轴心重合且可转动地设置在所述的下铰点轴座(520)上。

7.根据权利要求6所述的爬楼椅，其特征是：所述的驱动螺杆(521)为两根，且由同一电动机(516)带动左右两个减速器(517)分别驱动。

8.根据权利要求6所述的爬楼椅，其特征是：所述的座椅本体(1)包括踏脚板(101)、座垫(102)、座椅支架(106)、扶手(107)和靠背(109)，所述的座椅支架(106)底部设有与所述的座椅水平调整装置铰接的上抬铰点(104)和与所述的前部机架(220)铰接的固定铰点(111)。

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