CN101357093A - 电动轮椅 - Google Patents

Abstract

一种电动轮椅，包括座椅部、行走机构及位于该座椅部及行走机构之间的控制部，该行走机构包括若干椅轮以实现该电动轮椅的位移，所述椅轮均为麦克纳姆轮，每一麦克纳姆轮包括一中央圆形的轮体及位于轮体周缘的若干辊子，每一辊子中心的轴线与轮体中心的轴线成锐角，该行走机构还包括分别与该麦克纳姆轮对应的若干驱动马达，控制部与所述驱动马达电连接，控制部接收外部对轮椅的操作信号并转换成控制信号输出至驱动马达，每一麦克纳姆轮由控制部通过驱动马达独立驱动。该电动轮椅利用该麦克纳姆轮在转动过程可自由地改变方向，分别独立驱动该多个麦克纳姆轮，实现全方位移动。

Description

电动轮椅

技术领域

本发明是关于一种电动轮椅，特别是关于一种可以全方位移动的电动轮椅。

背景技术

近年来，由于社会结构的发展和变迁，总生育率不断下降，国内人口结构走向高龄化，部分老年人由于神经肌肉机能衰退与运动功能能力降低，另有肢体障碍者由于肌肉骨骼机能衰退及运动神经损伤，皆需大量仰赖轮椅的代步。

目前常见的轮椅结构，主要可分为手动轮椅和电动轮椅两种，其中电动轮椅可提供年龄偏高的老年人或行动不便者较为舒适及便利的移动辅助，且操作简易，而于上、下坡使用时亦提供更好的爬坡力及制动力，籍以提供使用者较佳的便利性及安全性，为现今市场上的主流产品。现有电动轮椅多为四轮系，主要依靠椅座底部设置的两个后方主动轮和两个前方导向轮实现位移，其中两个主动轮作驱动用，两个导向轮控制方向。然而，该电动轮椅只能沿其导向轮作前后平移及左右转向，不能横向移动及在原地作无半径转向，不方便使用者使用。

发明内容

有鉴于此，在此实有必要提供一种具有灵活操控性能，可以全方位移动的电动轮椅。

一种电动轮椅，包括座椅部、行走机构及位于该座椅部及行走机构之间的控制部，该行走机构包括若干椅轮以实现该电动轮椅的位移，所述椅轮均为麦克纳姆轮，每一麦克纳姆轮包括一中央圆形的轮体及位于轮体周缘的若干辊子，每一辊子中心的轴线与轮体中心的轴线成锐角，该行走机构还包括分别与该麦克纳姆轮对应的若干驱动马达，控制部与所述驱动马达电连接，控制部接收外部对轮椅的操作信号并转换成控制信号输出至驱动马达，每一麦克纳姆轮由控制部通过驱动马达独立驱动。

与现有技术相比，该电动轮椅通过各自轮体周缘的辊子产生相对于该轮体的轴向分力，并通过控制部独立驱动分别控制该多个麦克纳姆轮的转向与转速组合，分别形成与地面成各种不同角度的合力，使电动轮椅在转动过程中可以自由地改变方向，实现全方向运动。

附图说明

图1为本发明电动轮椅一较佳实施例的立体图。

图2为图1的侧视图。

图3为图1中椅轮的放大图。

图4A为本发明电动轮椅向上运动时各椅轮的组合情况及受力分析。

图4B为本发明电动轮椅向左运动时各椅轮的组合情况及受力分析。

图4C为本发明电动轮椅向左上方45度方向运动时各椅轮的组合情况及受力分析。

图4D为本发明电动轮椅原地旋转时各椅轮的组合情况及受力分析。

具体实施方式

请一并参阅图1及图2，为本发明电动轮椅的一较佳实施例，该电动轮椅为一三层式设计，从上往下包括座椅部10、控制部20及行走机构30。

该座椅部10包括一椅架12、安装在该椅架12上的一座椅14及位于该座椅14下方的一避震器15。该座椅14的左右两侧还分别包括一扶手16a、16b及位于扶手16a、16b上的摇杆17a、17b。其中，该右扶手16a上的摇杆17a具有两个平面自由度，即可分别于前后与左右两个方向移动；左扶手16b上的摇杆17b有一个平面自由度，仅可于左右方向移动，该摇杆17a、17b的移动方向分别对应为电动轮椅于左右、前后及旋转方向运动的操作命令。使用者乘坐于该电动轮椅的座椅14上时，双手可分别放置于两扶手16a、16b上，通过改变摇杆17a、17b的位置来控制电动轮椅的行走方向。显然，也可以于左扶手16b上的摇杆17b设置为具有两个自由度，而将右扶手16a上的摇杆17a设置为仅具有一个自由度，而具有该单一的自由度的摇杆17a(17b)可为仅前后移动，也可以为仅左右移动。该避震器15为具有缓冲性能的机构，如弹簧式避震器、板簧式避震器或液压式避震器等，可以屏除及吸收电动轮椅行走与地面接触时产生的振动，增加使用者的舒适度。

该行走机构30包括一机架31、位于机架31底部的四个椅轮、分别与四个椅轮对应的四个减速器及四个驱动马达36。该四个椅轮均为麦克纳姆轮(Mecanum Wheel)34，均可旋转地连接于机架31上，如图3所示，每一麦克纳姆轮34包括一位于中央的圆形的轮体340及分布于该轮体340周缘的若干鼓形的辊子342，这些辊子342的外轮廓线与一和轮体340同心的理论圆周相重合，使得该麦克纳姆轮34的外形像一轮齿为鼓形的辊子342的斜齿轮。各辊子342中心的轴线分别与轮体340中心的轴线成一小于90度的锐角，在本实施例中较佳为45度，每一辊子342可分别绕自身的轴线转动、绕轮体340的轴线转动，及与轮体340共同绕触地的辊子342与地面的接触点转动。因此，每一麦克纳姆轮34具有三个自由度，即绕自身轮体340的轴线转动，沿辊子342轴线的垂线方向平动及绕触地的辊子342与地面的接触点转动。因此，该麦克纳姆轮34在一个方向上具有主动驱动能力的同时，在另一方向上具有自由移动(被动移动)的运动特性。每一麦克纳姆轮34通过减速器由驱动马达36独立驱动，通过各自轮体340周缘的辊子342产生相对于该轮体340的轴向分力，故通过多个麦克纳姆轮34的转向与转速的组合，可分别形成与地面成各种不同角度的合力，使电动轮椅在转动过程中可以自由地改变方向，实现全方向运动。

该控制部20包括一数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)。控制部20分别与座椅部10的摇杆17a、17b及行走机构30的驱动马达36通过电线电连接，接收来自使用者的操作命令(即使用者分别控制左右摇杆17a、17b的移动方向)，通过内部程式计算出每一麦克纳姆轮34执行对应动作的控制信号，并通过各驱动马达36分别输出该相应的控制信号至与之对应的麦克纳姆轮34，通过麦克纳姆轮34共同配合而达成使用者所需的运动目的。其中，该操作命令包括三个运动方向的命令信号，分别表示为左右扶手16a、16b上的摇杆17a、17b的三个移动方向，而控制信号则表示为达成所需运动目的时各个麦克纳姆轮34的转向及转速。当将右扶手16a上的摇杆17a往前推时，电动轮椅向前运动；往后推时，电动轮椅则对应向后运动；往右推时，电动轮椅顺时针方向旋转；往左推时，电动轮椅则逆时针方向旋转。当将左扶手16b上的摇杆17b往右推时，电动轮椅向右运动；往左推时，电动轮椅向左运动；同时推动该两个摇杆17a、17b，则可以控制电动轮椅原地旋转及任意方向运动，详如后述。

本实施例中，四个麦克纳姆轮34的组合情况及受力分析如图4A至图4D所示，该四个麦克纳姆轮34对称分布于矩形的四个顶角上，左右两轮的轮体340之间的轴距为a，前后两轮的轮体340之间的轴距为b。每一麦克纳姆轮34的半径为r，轮中的小斜线表示触地的辊子342的轴线方向，可分为左旋和右旋两种，其中，位于对角线上的两麦克纳姆轮34中触地的辊子342的旋向相同，而相邻的两麦克纳姆轮34中触地的辊子342的旋向相反。F_a为麦克纳姆轮34的轮体340滚动时其辊子342受到的轴向摩擦力，其方向顺沿辊子342各自的轴线向上或者向下，F_r为辊子342作从动滚动时受到的滚动摩擦力，其方向垂直于辊子342各自的轴线，且顺沿该垂直于轴线的方向向上或者向下。假设该电动轮椅的前后运动方向为y方向，左右运动方向为x方向，旋转运动方向为θ方向，控制部30接收的来自摇杆17a、17b的三个移动方向的操作命令分别用V_y、V_x、V_θ表示，ω₁、ω₂、ω₃、ω₄则分别表示四个麦克纳姆轮34的旋转速度，该旋转速度ω₁、ω₂、ω₃、ω₄即表示各麦克纳姆轮34的转速与转向。

当电动轮椅于前后方向(y方向)、左右方向(x方向)、沿各麦克纳姆轮34中辊子342的旋向方向的偏移运动及原地旋转时，此时，四个麦克纳姆轮34的运动形式简单，运动的精度容易控制。如图4A所示，电动轮椅沿y方向向上运动时，该四个麦克纳姆轮34的转向与转速相同，为逆时针方向旋转，该运动过程中，辊子342受到向上的轴向摩擦力F_a和向上的滚动摩擦力F_r。相反的，电动轮椅沿y方向向下运动时，该四个麦克纳姆轮34的转向与转速亦分别相同，且转向均与向上运动时的转向相反，为顺时针方向旋转，因而辊子342受到向下的轴向摩擦力F_a和向下滚动摩擦力F_r。

如图4B所示，电动轮椅沿x方向向左运动时，同一对角线上的两麦克纳姆轮34的转向相同，其中，左上方及右下方的两麦克纳姆轮34为顺时针方向旋转，右上方及左下方的两麦克纳姆轮为逆时针方向旋转，且四个麦克纳姆轮34的转速相同。此时，右上方及左下方的两麦克纳姆轮34中辊子342受到均向上的轴向摩擦力F_a及滚动摩擦力F_r，而左上方及右下方的两麦克纳姆轮34中辊子342受到均向下的轴向摩擦力F_a及滚动摩擦力F_r。相反的，电动轮椅沿x方向向右运动时，则左上方及右下方的两麦克纳姆轮34逆时针方向旋转，且右上方及左下方的两麦克纳姆轮为顺时针方向旋转，此时位于左上方及右下方的麦克纳姆轮34中辊子342受到均向上的轴向摩擦力F_a及滚动摩擦力F_r，而左上方及右下方的麦克纳姆轮34中辊子342受到均向下的轴向摩擦力F_a及滚动摩擦力F_r。

如图4C所示，为电动轮椅于从水平向左上方偏移45度斜向移动时各轮的组合运动及受力分析，此时，同时将右扶手16a上的摇杆17a往前和将左扶手16b上的摇杆17b往左推移，控制器30接受该操作命令后，计算达成所需运动目的时四个麦克纳姆轮各自的旋转速度ω₁、ω₂、ω₃、ω₄，并输出该控制信号至各驱动马达36。其中，ω₁＝ω₄＝0，因而左上方和右下方的两麦克纳姆轮34自身轮体340的转速均为0，而该两麦克纳姆轮34中辊子342沿其各自的轴线自由旋转，此时，辊子342仅受到向下的滚动摩擦力F_r，而轴向摩擦力F_a为0。右上方和左下方的两麦克纳姆轮34逆时针方向旋转，辊子342分别受到向上的轴向摩擦力F_a与向上的滚动摩擦力F_r。

如图4D所示，为电动轮椅原地逆时针旋转时，各轮的组合运动情况及受力分析，该四个麦克纳姆轮34的转速均相同，其中，左上方及左下方的两麦克纳姆轮34均为顺时针方向旋转，且右上方及右下方的两麦克纳姆轮34为逆时针方向旋转，此时，左侧的两麦克纳姆轮34中辊子342受到分别向下的轴向摩擦力F_a及滚动摩擦力F_r，右侧的两麦克纳姆轮34中辊子342受到分别向上的轴向摩擦力F_a及滚动摩擦力F_r。

当电动轮椅进行其它任意方向，如偏移任意角度的斜向运动或旋转同时向其它方向运动时，可通过控制部30计算所得的各麦克纳姆轮34的旋转速度ω₁、ω₂、ω₃、ω₄，调整各个麦克纳姆轮34的转向及转速，并利用各麦克纳姆轮34中辊子342产生相对于其轮体340的轴向分力，共同形成与地面成一定角度的合力，驱使该电动轮椅向使用者的目的方向运动。该各麦克纳姆轮34最后的合成速度即为电动轮椅的运动方向。其中，旋转速度ω₁、ω₂、ω₃、ω₄的计算由控制器30的内部程式完成，具体可通过下面转换矩阵获得。该转换

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_1\\ {\mathrm{\ω}}_2\\ {\mathrm{\ω}}_3\\ {\mathrm{\ω}}_4\end{array}\right]=\frac{1}{r}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& (a+b)\\ -1& 1& -(a+b)\\ 1& 1& -(a+b)\\ -1& 1& (a+b)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\\ V_{\mathrm{\θ}}\end{array}\right]$

矩阵中，以控制信号为元素组成一4维向量矩阵，分别对应于所述4个麦克纳姆轮各自的旋转速度ω₁、ω₂、ω₃、ω₄，该控制信号矩阵为一4×3维矩阵与一3维向量矩阵的克罗内克(Kronecker)积，其中，该3维向量矩阵以外部的操作命令为元素组成，分别对应于来自外部的前后、左右及旋转三个方向的速度指令V_x、V_y、V_θ，该4×3维矩阵的第一列向量的第一、第三个元素为1，第二、第四个元素为-1，第二列向量为全幺向量，第三列向量的第一、第四个元素为相邻两侧的两麦克纳姆轮34之间的轴距a，b之和，第二、第三个元素为相邻两侧的两麦克纳姆轮34之间的轴距a，b之和的相反数。

Claims (9)

1.一种电动轮椅，包括座椅部、行走机构及位于该座椅部及行走机构之间的控制部，该行走机构包括若干椅轮以实现该电动轮椅的位移，其特征在于：所述椅轮均为麦克纳姆轮，每一麦克纳姆轮包括一中央圆形的轮体及位于轮体周缘的若干辊子，每一辊子中心的轴线与轮体中心的轴线成锐角，该行走机构还包括分别与该麦克纳姆轮对应的若干驱动马达，控制部与所述驱动马达电连接，控制部接收外部对轮椅的操作命令并转换成控制信号输出至驱动马达，每一麦克纳姆轮由控制部通过驱动马达独立驱动。

2.如权利要求1所述的电动轮椅，其特征在于：该座椅部包括两摇杆，该两摇杆分别与控制部电连接。

3.如权利要求2所述的电动轮椅，其特征在于：其中一摇杆具有前后方向及左右方向移动的两个自由度，另一摇杆仅具有左右方向或者前后方向移动的一个自由度，所述三个自由度分别对应前后、左右及旋转三个移动方向的操作命令。

4.如权利要求1所述的电动轮椅，其特征在于：该控制部包括一数字信号处理器。

5.如权利要求1所述的电动轮椅，其特征在于：所述麦克纳姆轮的个数为4，且对称分布于一矩形的四个顶角上。

6.如权利要求5所述的电动轮椅，其特征在于：其中一对角线上的两麦克纳姆轮上每一辊子相对于轮体左偏移，另一对角线上的两麦克纳姆轮上每一辊子相对于轮体右偏移。

7.如权利要求1所述的电动轮椅，其特征在于：每一麦克纳姆轮上辊子中心的轴线与相应轮体的中心轴线成45度。

8.如权利要求1所述的电动轮椅，其特征在于：每一麦克纳姆轮上辊子的外轮廓线与一理论圆周相重合。

9.如权利要求1所述的电动轮椅，其特征在于：该座椅部还包括设置于椅座下方的一避震器，该避震器为弹簧式避震器、板簧式避震器或液压式避震器。

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