CN102125488A - 行星轮式爬楼梯电动轮椅 - Google Patents
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Abstract
本发明是行星轮式爬楼梯电动轮椅，其中包括轮椅框架、座椅靠背、电动轮椅控制器、电池、小脚轮、前轮组件、爬楼梯控制器、调心滚子轴承与轴承座、导电滑环、连接盘、轮轴固定件、两个传动轴、直流翻转电机、RV减速器、压力传感器、控制盒、倾角传感器，还包括由电动推杆驱动的防前倾支架，以及由直流翻转电机通过RV减速器驱动对称分布的两个行星轮组，以实现电动轮椅上下楼梯的功能。该行星轮组采用了一个轮毂电机和两个自由轮的特殊配置，可工作于手动模式、电动轮椅模式和爬楼梯模式。此外，本发明还采用了压力传感器和倾角传感器以反馈电动轮椅上下楼梯操作时的轮椅运行状态。
Description
技术领域
本发明电动轮椅技术领域，是涉及一种通过直流电机驱动行星轮组来实现上下楼梯功能的智能轮椅。
背景技术
近年来，国内外的许多公司、大学和研究机构都对攀爬楼梯的助行系统进行了深入的研究，也提出了各自的产品或解决方案。大体上说，辅助老年人或残障者上下楼梯的助行系统可以分为可自由移动和固定轨道式两大类。其中，可自由移动的助行系统的种类较多，其特点是单台成本较低，一般不需要对楼梯环境进行特殊改造，对室内和室外不同楼梯的适应能力较强，但技术尚需进一步成熟，大多需要有人员辅助。根据其实现上下楼梯的运动方式不同，可自由移动式助行系统又可分为腿足式、履带式、行星轮式、腿轮复合式、履带-轮复合式、曲柄式等等。
典型的腿足式是由8个能够升降和平移的2自由度腿足构成，4个腿足为一组，两组交替升降和平移，推动轮椅整体完成上下楼梯的动作。由于这种多足式的方案结构复杂，运动缓慢，体积笨重，所以已经基本上被淘汰。例如东京早稻田大学设计的WL-16RII和丰田公司的iFoot。
采用履带式行走机构的方案分为两种。一种是直接用履带代替轮椅的前后轮，履带与轮椅一体，例如布拉德·索顿发明的坦克轮椅，使用两条类似坦克的履带，具有全地形行走能力；另一种是独立的履带驱动装置，带有方便轮椅进入固定的框架，使用时先将普通轮椅固定于框架中，由辅助人员操作完成轮椅的上下楼。这两种结构的原理基本相同，后者已经有欧洲、日本、台湾和意大利的厂家生产出了轮椅爬楼车的产品。例如德国PERFEKTA公司的上下楼梯电动轮椅车，采用履带式传动，自重42kg，可爬楼梯的最大坡度为35度。这种轮椅车除了可以单独使用外，还可以作为普通轮椅的搬运工具，直接把轮椅放在上面上下楼梯。履带式的优点在于操作简单，传动效率比较高，足够长的履带可以避免轮椅发生倾翻。在上下楼梯过程中，助行系统的重心沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动，运动平稳，舒适性好。但由于履带与楼梯的边缘的线接触要承受所有垂直方向的力，橡胶履带要提供极高的摩擦系数以保持平衡，这对履带材料的摩擦系数、耐疲劳和耐磨能力均提出了较高要求。此外，履带式结构往往重量尺寸较大，而且对于木质楼梯或其他强度不高的楼梯，履带在攀爬时的摩擦力会对楼梯本身造成严重的破坏。
国内外提出过各种改进机构，其中一种是轮-履带混合机构的助行系统，它在平地行走时利用轮式机构，上下楼梯时轮子抬起，放下履带机构进行工作。这种机构虽然改善了平地行走的效率问题，但是仍然无法解决履带结构上述体型较为笨重、损坏楼梯等问题，而由于多加了一套驱动和抬起机构，反而使结构变得复杂。此外还有一种XEVIUS(Xero-ViscousUpstair Service)可变形履带，可以增大履带与台阶边缘的接触面积，从而在理论上避免滑动。但这种履带对材料的要求更高，尚未得到推广应用。
行星轮式结构通过每个行星轮组(一般为3个或4个)绕公共轴的翻转来实现上下楼梯，可分为单行星轮和双行星轮两种。所谓单行星轮，指的是水平面上配置有一对完全相同的行星轮组，双行星轮则是指前后共有两对相同的行星轮组。其中单行星轮形式需要另外设计维持平衡的结构，或者由其他人员来辅助操作。
行星轮式的优点是可以适应不同宽度和高度的楼梯，在无障碍模式下可以作为普通轮椅应用，结构简洁，重量轻(与履带式相比)。英国的BARONMEAD上下楼梯电动轮椅车采用单行星轮结构，可在平地自由运行，还可拆卸为两部分，便于装运。这种单行星轮式结构的缺点在于上下楼梯时必须有人辅助，没有很好地解决安全性问题。日本的“Freedom”轮椅是双行星轮式的一个典型例子。“Freedom”的驱动系统由前后两组共4个行星轮组组成，每个行星轮组有4个轮子，其前面的轮组可以通过铰链连杆机构向前向下伸出，很好地解决了上下楼梯时的姿态平衡问题。但由于总共需要16个轮子，结构复杂，体积较大，宽度达820mm，重量超过100kg。
美国著名发明家迪恩·卡门发明的“独立机动系统”(iBOT)是目前星型轮机构助行系统中较独特、性能指标最高的产品，目前最新的型号为iBOT4000，已经在欧美上市。iBOT通过复杂的陀螺仪系统来保持平衡。在上下楼梯时，乘坐者背对楼梯，在有人辅助或者可以通过扶手借力的情况下，通过行星轮组的翻转实现攀爬功能。iBOT的一个独特之处在于可以仅以两轮着地的“站立”模式(standing mode)，方便乘坐者与其他人目光交流或取放高处架子的物品。此时，系统进入倒立摆控制模式，根据重心变化及时做出调整，所以又称为COG modification系统。iBOT具有结构紧凑、操作方便等诸多优点，但也存在突发情况下的瞬时稳定性问题。而最主要的问题是成本较高，售价昂贵(近30,000美元)，对于普通的残疾人家庭来说只能望而却步。
Parris Wellman等提出了一种腿轮复合式结构，其主要特征是在轮椅的两侧各安装了一个三自由度的活动支腿。在攀爬楼梯时，乘坐者面向楼梯，由活动支腿提供向上的支撑力抬起前轮，后轮向前滚动完成攀爬动作。而在平地行走时，这两个支腿可以折叠收起。这种方案比较新颖，也可以完成攀爬的动作，但大大增加了轮椅倾翻的危险，对乘坐者的人身安全没有提供很好的保障。
此外，Jianjun Yuan等设计的Zero Carrier I型轮椅对传统的腿足式进行改进，采用8个可以在垂直方向伸缩滑动的腿，每个腿的下面安装一个脚轮。这种结构由于脚轮尺寸太小，并不适于作为普通轮椅使用。西班牙的R.Morales等提出了一种新型的腿轮复合式结构：前后轮通过四连杆机构与轮椅本体连接，借助轮椅后部的一根架杆撑住楼梯，四连杆机构可以带动轮子完成攀爬动作。作者称该装置结构紧凑，制作成本低，可负重100kg，并且在无障碍情况下作为普通轮椅使用。但该系统的安全性未经过验证，目前仅是实验室样机，市场上并无相关产品。日本ToshihikoMabuchi等人提出的Scarab结构(双轮+2自由度伸缩腿)，以及奥地利G.Wiesspeiner等人提出的GS2/3系列结构(4个轮子+3个腿)也都属于腿轮复合式结构，其共有的缺点是结构过于复杂，技术不成熟，难于形成市场化产品。因此，现有行星轮爬楼梯方案往往结构复杂，或不能很好解决安全性问题。
曲柄式的结构特点是在两个驱动轮之间增加一个曲柄，利用曲柄的翻转实现轮椅上下楼梯的动作。由于这种机构实现简单，运动部件少，所以得到了较广泛的应用。曲柄机构既可以集成到普通电动轮椅上，也可以独立作为辅助爬楼机构，用以载运大部分的手动轮椅。比较典型的有Garaventa Super-Trac轮椅爬楼车、奥地利sano生产的Liftkar PT系列和英国C-max/S-max系列产品。Frank mobility system公司的scalamobile虽然采用驱动轮代替普通曲柄完成攀爬，但也属于这种结构的一种改型。
这种方案的主要优点是体积小，便于运输，结构简单，成本低，但是在保证系统的安全性上并无优势，上下楼梯需要有经过专业培训的人进行辅助。此外，这种结构通常使用机械结构的制动轮来感知楼梯边缘，并进行制动。这种制动方法在表面凹凸不平的楼梯表面容易发生锁死，难于操作。
通过比较上述各种方案可知，安全性是解决轮椅上下楼梯助行系统的关键所在，同时要兼顾制作成本和轮椅的体积重量。
发明内容
为了解决现有技术结构方案复杂、尺寸及重量过大、损坏楼梯结构、成本高、安全性不好等问题，本发明的目的是选用结构简洁、容易操作的系统结构方式，在保证攀爬动作的安全性的基础上，有效控制成本和体积。此外，在实现爬楼梯功能的前提下，还能够作为普通电动轮椅和手动轮椅使用。为此，本发明提供一种基于行星轮的具有上下楼梯功能的电动轮椅。
为达到上述目的，本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅解决技术问题所采用的方案包括：轮椅框架、座椅靠背、电动轮椅控制器、电池、小脚轮、前轮组件，所述轮椅框架含有纵向弯管、前部横杆、横杆、下部横杆、后下部立管、后部立管、前部短立管、固定支架和侧面连接板和轮椅扶手；还包括电动推杆、防前倾支架、爬楼梯控制器、调心滚子轴承与轴承座、导电滑环、连接盘、轮轴固定件、两个传动轴、直流翻转电机、RV减速器、两个压力传感器、控制盒、倾角传感器及两个对称分布的行星轮组；其中两个行星轮组中的每个行星轮组由法兰盘、一个轮毂电机和两个自由轮构成，每个轮毂电机和两个自由轮通过螺母以及轮轴固定件分别与法兰盘的三个星形分支的末端连接，连接盘与法兰盘通过圆周分布的螺钉连接；轮毂电机的电源线通过套装于传动轴上的导电滑环引出并与电动轮椅控制器电气连接；直流翻转电机与RV减速器连接并通过螺钉固定于轮椅框架上，RV减速器的输出孔分别与两个对称分布的传动轴通过键相连，传动轴的末端部通过键连接与法兰盘相连，传动轴的另一端由调心滚子轴承与轴承座支撑，轴承座固定于轮椅框架的侧面连接板上；直流翻转电机的线缆与控制盒相连，直流翻转电机输出的扭矩通过RV减速器放大后，驱动两个行星轮组翻转，用以实现行星轮式爬楼梯电动轮椅上下楼梯的功能；轮椅框架的前部有防前倾支架，防前倾支架的一端与轮椅框架的底部纵向弯管铰接，防前倾支架的中部与电动推杆的活动端铰接，并由电动推杆的伸缩来控制防前倾支架的张开或收起；电动推杆的固定端与轮椅框架前部的横杆铰接，电动推杆的线缆与控制盒相连；在横杆上安装有爬楼梯控制器，爬楼梯控制器通过线缆与控制盒相连，用于在爬楼梯模式下行星轮组的翻转和电动推杆的动作；轮椅靠背上安装有两个压力传感器，RV减速器上端面安装有倾角传感器，两组压力传感器和倾角传感器(21)都与控制盒通过线缆相连，用于检测行星轮式爬楼梯电动轮椅上下楼梯时的工作状态；控制盒安装于轮椅框架后下部的立管上。
本发明的有益效果：
本发明通过直流电机驱动行星轮组来实现上下楼梯功能的智能轮椅，轮毂电机的电源线通过电滑环与控制器相连，可以避免行星轮组翻转造成线缆缠绕。行星轮式爬楼梯电动轮椅可以有手动模式、电动轮椅模式和爬楼梯模式三种工作状态，兼有平路行走和攀爬楼梯两种功能。其中在爬楼梯模式下，通过控制直流翻转电机驱动法兰盘和行星轮组，可以在有人辅助的情况下实现楼梯攀爬的功能。同时，安装于行星轮式爬楼梯电动轮椅前部的电动推杆驱动防前倾支架张开，可以防止行星轮式爬楼梯电动轮椅发生意外倾倒。压力传感器和倾角传感器的采用，使得操作者可以更好地了解行星轮式爬楼梯电动轮椅工作状态，并使控制方案最优，更好地保证乘员安全。行星轮式爬楼梯电动轮椅具有很好的环境适应能力，能够在进行上下楼梯操作时有效保证乘员的安全。行星轮式爬楼梯电动轮椅的结构简洁紧凑，可有多种工作模式，其尺寸和重量与普通电动轮椅相近，其生产成本也相对较低，且对楼梯环境无破坏，可广泛应用于残障人士的日常家庭生活、养老院等公共场合或普通家庭。
附图说明
图1是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的正视图。
图2是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的侧视图。
图3是图2本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅传动轴轴线位置A-A向剖面图。
图4是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的框架图。
图5是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅控制系统框图。
图6a是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的电动轮椅控制器的控制流程图。
图6b是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的爬楼梯控制器的控制流程图。
图7是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅在攀爬楼梯时的使用示例图片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明是一种行星轮式爬楼梯电动轮椅，涉及助老助残机械技术。
在附图1至图3中示出本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅，包括轮椅框架1、座椅靠背2、电动轮椅控制器3、电池5、小脚轮7、前轮组件8，其特征在于：还包括电动推杆4、防前倾支架6、爬楼梯控制器11、调心滚子轴承与轴承座12、导电滑环13、连接盘15、轮轴固定件16、两个传动轴17、直流翻转电机18a、RV减速器18b、压力传感器19a和19b、控制盒20、倾角传感器21及对称分布的两个行星轮组；图4示出的轮椅框架1包括：纵向弯管1a、前部横杆1b、横杆1c、下部横杆1d、后下部立管1e、后部立管1f、前部短立管1g、固定支架1h和侧面连接板1i和轮椅扶手1j；两个行星轮组中的每个行星轮组由法兰盘14、一个轮毂电机9和两个自由轮10构成，每个轮毂电机9和两个自由轮10通过螺母以及轮轴固定件16分别与法兰盘14的三个星形分支的末端14a连接，连接盘15与法兰盘14通过圆周分布的螺钉连接；轮毂电机9的电源线通过套装于传动轴17上的导电滑环13引出并与电动轮椅控制器3电气连接；直流翻转电机18a与RV减速器18b连接并通过螺钉固定于轮椅框架1上，RV减速器18b的输出孔分别与两个对称分布的传动轴17通过键相连，传动轴17的末端部通过键连接与法兰盘14相连，传动轴17的另一端由调心滚子轴承与轴承座12支撑，轴承座12固定于轮椅框架1的侧面连接板1i上；直流翻转电机18a的线缆与控制盒20相连，直流翻转电机18a输出的扭矩通过RV减速器18b放大后，驱动两个行星轮组翻转，用以实现行星轮式爬楼梯电动轮椅上下楼梯的功能；轮椅框架1的前部有防前倾支架6，防前倾支架6的一端与轮椅框架1的底部纵向弯管1a铰接，防前倾支架6的中部与电动推杆4的活动端铰接，并由电动推杆4的伸缩来控制防前倾支架6的张开或收起；电动推杆4的固定端与轮椅框架1前部的横杆1b铰接，电动推杆4的线缆与控制盒20相连；在横杆1c上安装有爬楼梯控制器11，爬楼梯控制器11通过线缆与控制盒20相连，用于在爬楼梯模式下行星轮组的翻转和电动推杆4的动作；轮椅靠背2上安装有压力传感器19a、19b，RV减速器18b上端面安装有倾角传感器21，压力传感器19a、19b和倾角传感器21都与控制盒20通过线缆相连，用于检测行星轮式爬楼梯电动轮椅上下楼梯时的工作状态；控制盒20安装于轮椅框架1后下部的立管1e上。
实施例，轮椅框架1由空心钢管焊接而成，前部宽度495mm，后部宽度200mm，为两侧缩进式结构。座椅靠背2固定于轮椅框架1的后部立管1f上，前轮组件8固定于轮椅框架1的前部短立管1g，此处与普通轮椅相同。电池5通过固定支架1h(在电池下)固定于轮椅框架1的前部。直流翻转电机18a及RV减速器18b用螺钉固定于轮椅框架1后下部横杆1d上，RV减速器18b的输出孔分别与左右两侧对称分布的传动轴17通过键连接。以下行星轮部分仅示出一侧结构，对侧相同不再赘述。传动轴17的另一端由调心滚子轴承与轴承座12提供支撑，轴承座12固定于轮椅框架1的侧面连接板1i上。在传动轴17上安装有一个导电滑环13，导电滑环13连接轮毂电机9和电动轮椅控制器3的导线，避免在爬楼梯时由于行星轮组的翻转而发生缠绕。传动轴17的末端与连接盘15通过键连接，连接盘15与法兰盘14通过圆周分布的螺钉连接。法兰盘14的三个分支顶端分别与一个轮毂电机9和两个自由轮10通过螺母与轮轴固定件16连接。防前倾支架6与轮椅框架1铰接于直流翻转电机18下部的纵向弯管1a上，其中间约1/3长度位置与电动推杆4的活动端铰接，电动推杆4的固定端铰接于轮椅框架1的横杆1b上，小脚轮7通过螺钉安装于防前倾支架6的末端。电动轮椅控制器3用螺钉安装于轮椅框架1的右侧扶手的前端，并通过线缆与轮毂电机9和电池5电气连接。爬楼梯控制器11用螺钉安装与座椅靠背2上方的横杆1c中部，并通过线缆与控制盒20电气连接，控制盒20通过线缆分别与直流翻转电机18、电动推杆4、压力传感器19a、19b、倾角传感器21以及电池5电气连接。
如图5所示行星轮式爬楼梯电动轮椅控制系统的结构框图，其中包括电动轮椅控制器3和爬楼梯控制器11结构框图，整个电动轮椅控制器3和爬楼梯控制器11由电池5提供能量，电池5可以采用蓄电池，根据所处环境不同选择电动轮椅模式或爬楼梯模式，并由电动轮椅工作模式和爬楼梯电动轮椅模式具有的两套独立控制器分别完成。
行星轮组的工作模式为爬楼梯模式、电动轮椅模式和手动轮椅模式，根据所处环境不同选择电动轮椅模式或爬楼梯模式。
传动轴17以调心滚子轴承12作为支撑，用于适应轮椅框架1结构的加工误差。
在轮椅扶手1j安装有电动轮椅控制器3，用于在电动轮椅模式下的驱动控制功能。
由电动轮椅控制器3和爬楼梯控制器11由电池5提供能量，电动轮椅控制器3控制每个轮毂电机9，根据所处环境不同选择电动轮椅模式或爬楼梯模式如下所述：
电动轮椅控制器3实现电动轮椅模式，电动轮椅控制器3的结构包括：摇杆31、按键32、速度显示器33、电量显示器34、人机交互接口35、第一电源模块36，第一中控模块DSP1、故障诊断37、第一驱动模块38；第一中控模块DSP1由软件实现人机交互操作，对第一电源模块36进行管理、对人机交互接口35的输入信号进行计算得到平滑控制曲线、向第一驱动模块38发送控制指令；第一电源模块36对电池5的电量管理；人机交互接口模块35接收摇杆31、按键32的输入信号，并由速度显示器33、电量显示器34显示行星轮式爬楼梯电动轮椅设定速度和当前电量；第一驱动模块38通过脉宽调制式(PWM)驱动每个轮毂电机9；故障诊断模块37对摇杆31的控制信号、驱动每个轮毂电机9的电流、电动轮椅控制器3的温度状态进行实时故障检测；
由爬楼梯控制器11实现爬楼梯轮椅模式，爬楼梯控制器11的结构包括：运行状态显示灯111、推杆伸缩控制按键112、电机翻转控制按键113、第二电源模块114，第二中控模块DSP2、第二驱动模块115；第二中控模块通过A/D接口电路接收推杆伸缩控制按键112、电机翻转控制按键113的输入信号，运行状态显示灯111显示行星轮式爬楼梯电动轮椅当前运行状态并根据行星轮式爬楼梯电动轮椅运行状态和操作者输入的控制指令，由控制算法生成控制指令向第二驱动模块115发送相应控制信号，第二驱动模块115内部的功率放大电路对控制信号进行放大，并输出放大的控制信号，驱动电动推杆4伸出或缩回，或者直流翻转电机18a的正、反向的翻转；第二电源模块114为爬楼梯控制器11的各控制电路提供5v、3.3v及各档电压；压力传感器19a和19b将压力信号传送至控制盒20内的第二中控模块DSP2，经第二中控模块DSP2对压力信号做A/D转换后，通过算法判断乘员的姿态是否安全；倾角传感器21直接输出角度值，并通过RS232串口与控制盒20相连，实时反馈行星轮式爬楼梯电动轮椅相对水平面的倾角。
在电动轮椅模式下，电动轮椅控制器3的结构包括：摇杆31、按键32、速度显示器33、电量显示器34、人机交互接口35、第一电源模块36，第一中控模块DSP、故障诊断37、第一驱动模块38；电动轮椅控制器3控制左侧的轮毂电机及右侧的轮毂电机9。第一中控模块DSP1的主控芯片采用TI公司的面向数字控制的高性能数字信号处理器TMS320LF2406为核心，并由相应软件实现人机交互操作，对第一电源模块36进行管理、对人机交互接口模块35的信号进行计算得到平滑控制曲线、向第一驱动模块发送控制指令功能。第一电源模块36完成电池5的电量管理。人机交互接口模块35接收摇杆31、按键32的输入信号，并由速度显示器33、电量显示器34显示当前电量和行星轮式爬楼梯电动轮椅设定速度。第一驱动模块通过脉宽调制(PWM)方式驱动左侧的、右侧的轮毂电机9。故障诊断模块37对控制摇杆31控制信号、驱动左侧、右侧的轮毂电机9的电流、电动轮椅控制器3的温度状态进行实时故障检测。
在爬楼梯轮椅模式下，爬楼梯控制器11的结构包括：运行状态显示灯111、推杆伸缩控制按键112、电机翻转控制按键113、第二电源模块114，第二中控模块DSP、第二驱动模块115、压力传感器、倾角传感器、电动推杆及直流翻转电机。第二中控模块DSP由DSP TMS320LF2407A和相应软件实现，通过A/D接口电路接受爬楼梯控制器11控制收推杆伸缩控制按键112、电机翻转控制按键113的输入信号，运行状态显示灯111显示行星轮式爬楼梯电动轮椅当前运行状态并根据行星轮式爬楼梯电动轮椅运行状态和操作者输入的控制指令，由控制算法生成控制指令，并向第二驱动模块发送相应控制信号，第二驱动模块115内部的功率放大电路将对控制信号进行放大，并输出放大的控制信号，驱动电动推杆4伸出或缩回，或者直流翻转电机18a的正、反向的翻转。第二电源模块114为爬楼梯控制器11的各控制电路提供5v、3.3v等各档电压。压力传感器19a和19b将压力信号传送至控制盒20内的第二中控模块DSP2，经第二中控模块DSP2对压力信号做A/D转换后，通过算法判断乘员的姿态是否安全。倾角传感器21直接输出角度值，并通过RS232串口与控制盒20相连，实时反馈行星轮式爬楼梯电动轮椅相对水平面的倾角。
图5所示本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅控制系统框图及图7所示行星轮式爬楼梯电动轮椅在攀爬楼梯时的一个应用实例图片。在遇到楼梯障碍时，首先由辅助人员通过爬楼梯控制器11控制电动推杆4伸出，使得防前倾支架6张开；防前倾支架6将行星轮式爬楼梯电动轮椅前端抬起，使乘坐者后仰至特定角度停止并固定。辅助人员站在后方扶住行星轮式爬楼梯电动轮椅，直流翻转电机18a通过传动轴17、连接盘15驱动法兰盘14，带动行星轮组交替翻转，实现行星轮式爬楼梯电动轮椅的上下楼梯功能。在上下楼梯过程中，防前倾支架6始终保持张开状态，从而在行星轮式爬楼梯电动轮椅发生突然前倾危险时起到支撑和保护功能。
在爬楼梯模式下，行星轮式爬楼梯电动轮椅以直流翻转电机18a、作为驱动力，经RV减速器18b输出后驱动两个行星轮组绕传动轴翻转，使得安装上述机构的行星轮式爬楼梯电动轮椅可以在有人辅助时实现上下楼梯的功能。同时，防前倾支架6可以避免发生意外跌落。在电动轮椅模式下，行星轮轮组中的轮毂电机9接触地面，行星轮式爬楼梯电动轮椅可以在电动轮椅控制器3控制下作为普通电动轮椅使用，实现在较平整路面的启动、停止和加减速驱动。在手动模式下，行星轮式爬楼梯电动轮椅可以自由推动。本发明的行星轮式爬楼梯电动轮椅控制系统实现了日常行走和楼梯攀爬两种功能。
图6a是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的电动轮椅控制器的控制流程图，第一中控模块DSP1采用面向数字控制的数字信号处理器作为主控芯片，并通过软件控制算法，实现电动轮椅的功能。
具体步骤如下：
步骤S1：电动轮椅控制器3进入电动轮椅模式；
步骤S2：行星轮式爬楼梯电动轮椅控制系统初始化；
步骤S3：定时器/中断初始化；
步骤S4：由故障诊断模块37检测按键、摇杆31状态是否正常？如果按键、摇杆31状态正常，执行步骤S5，如果按键、摇杆31状态不正常，执行步骤步骤S6；
步骤S5：由速度显示33和电量显示34显示电池5的电量及初始速度档位；
步骤S6：行星轮式爬楼梯电动轮椅系统挂起并报警；
步骤S7：判断是否有按键32输入信号。如果有按键32输入信号，则执行步骤S8，如果没有按键输入信号，则执行步骤S9；
步骤S8：设定速度档位并更新显示；
步骤S9：判断是否有摇杆31输入。如果有摇杆31输入信号，则执行步骤S10，如果没有按键输入信号，则执行步骤S7；
步骤S10：发出前进、后退或转弯控制指令并执行步骤S7。
图6b是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的爬楼梯控制器的控制流程图。第二中控模块DSP2采用面向数字控制的数字信号处理器作为主控芯片，以倾角、压力等传感器作为系统状态反馈，通过软件安全控制算法，实现爬楼梯轮椅的功能。
具体步骤如下：
步骤T1：电动轮椅控制器3进入爬楼梯轮椅模式；
步骤T2：行星轮式爬楼梯轮椅控制系统初始化；
步骤T3：定时器/中断初始化；
步骤T4：由第二中控模块DSP检测各传感器状态是否正常。如各传感器状态正常，则执行步骤T6；如果各传感器状态有异常，则执行步骤T5；
步骤T5：行星轮式爬楼梯电动轮椅系统挂起并报警；
步骤T6：置运行状态显示灯111为绿色；
步骤T7：判断推杆伸缩控制按键112是否按下。如已按下，则执行步骤T8；如尚未按下，则重复步骤T7；
步骤T8：由第二中控模块DSP发出控制指令，经由第二驱动模块115功率放大后，驱动电动推杆4伸出；
步骤T9：判断电机翻转控制按键113是否按下。如已按下，则执行步骤T10；如尚未按下，则执行步骤T11；
步骤T10：检测各传感器状态是否正常。如各传感器状态正常，则执行步骤T12，否则执行步骤T11；
步骤T11：由第二中控模块DSP发出控制指令，使直流翻转电机18a处于制动状态；
步骤T12：由第二中控模块DSP发出控制指令，经由第二驱动模块115功率放大后，驱动直流翻转电机18a正向或反向旋转。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种行星轮式爬楼梯电动轮椅，其特征在于包括：轮椅框架(1)、座椅靠背(2)、电动轮椅控制器(3)、电池(5)、小脚轮(7)、前轮组件(8)，所述轮椅框架(1)含有纵向弯管(1a)、前部横杆(1b)、横杆(1c)、下部横杆(1d)、后下部立管(1e)、后部立管(1f)、前部短立管(1g)、固定支架(1h)和侧面连接板(1i)和轮椅扶手(1j)；其特征在于：还包括电动推杆(4)、防前倾支架(6)、爬楼梯控制器(11)、调心滚子轴承与轴承座(12)、导电滑环(13)、连接盘(15)、轮轴固定件(16)、两个传动轴(17)、直流翻转电机(18a)、RV减速器(18b)、压力传感器(19a、19b)、控制盒(20)、倾角传感器(21)及对称分布的两个行星轮组；两个行星轮组中的每个行星轮组由法兰盘(14)、一个轮毂电机(9)和两个自由轮(10)构成，每个轮毂电机(9)和两个自由轮(10)通过螺母以及轮轴固定件(16)分别与法兰盘(14)的三个星形分支的末端(14a)连接，连接盘(15)与法兰盘(14)通过圆周分布的螺钉连接；轮毂电机(9)的电源线通过套装于传动轴(17)上的导电滑环(13)引出并与电动轮椅控制器(3)电气连接；直流翻转电机(18a)与RV减速器(18b)连接并通过螺钉固定于轮椅框架(1)上，RV减速器(18b)的输出孔分别与两个对称分布的传动轴(17)通过键相连，传动轴(17)的末端部通过键连接与法兰盘(14)相连，传动轴(17)的另一端由调心滚子轴承与轴承座(12)支撑，轴承座(12)固定于轮椅框架(1)的侧面连接板(1i)上；直流翻转电机(18a)的线缆与控制盒(20)相连，直流翻转电机(18a)输出的扭矩通过RV减速器(18b)放大后，驱动两个行星轮组翻转，用以实现行星轮式爬楼梯电动轮椅上下楼梯的功能；轮椅框架(1)的前部有防前倾支架(6)，防前倾支架(6)的一端与轮椅框架(1)的底部纵向弯管(1a)铰接，防前倾支架(6)的中部与电动推杆(4)的活动端铰接，并由电动推杆(4)的伸缩来控制防前倾支架(6)的张开或收起；电动推杆(4)的固定端与轮椅框架(1)前部的横杆(1b)铰接，电动推杆(4)的线缆与控制盒(20)相连；在横杆(1c)上安装有爬楼梯控制器(11)，爬楼梯控制器(11)通过线缆与控制盒(20)相连，用于在爬楼梯模式下行星轮组的翻转和电动推杆(4)的动作；轮椅靠背(2)上安装有压力传感器(19a、19b)，RV减速器(18b)上端面安装有倾角传感器(21)，压力传感器(19a、19b)和倾角传感器(21)都与控制盒(20)通过线缆相连，用于检测行星轮式爬楼梯电动轮椅上下楼梯时的工作状态；控制盒(20)安装于轮椅框架(1)后下部的立管(1e)上。
2.如权利要求1所述的行星轮式爬楼梯电动轮椅，其特征在于，行星轮组的工作模式为爬楼梯模式、电动轮椅模式和手动轮椅模式，根据所处环境不同选择电动轮椅模式或爬楼梯模式。
3.如权利要求1所述的行星轮式爬楼梯电动轮椅，其特征在于，传动轴(17)以调心滚子轴承(12)作为支撑，用于适应轮椅框架(1)结构的加工误差。
4.如权利要求1所述的行星轮式爬楼梯电动轮椅，其特征在于，在轮椅扶手(1j)安装有电动轮椅控制器(3)，用于在电动轮椅模式下轮毂电机(9)的驱动控制功能。
5.如权利要求1所述的行星轮式爬楼梯电动轮椅，其特征在于，电动轮椅控制器(3)和爬楼梯控制器(11)由电池(5)提供能量；
由电动轮椅控制器(3)实现电动轮椅模式，电动轮椅控制器(3)的结构包括：摇杆(31)、按键(32)、速度显示器(33)、电量显示器(34)、人机交互接口(35)、第一电源模块(36)，第一中控模块(DSP1)、故障诊断(37)、第一驱动模块(38)；第一中控模块(DSP1)由软件实现人机交互操作，对第一电源模块(36)进行管理、对人机交互接口(35)的输入信号进行计算得到平滑控制曲线、向第一驱动模块(38)发送控制指令；第一电源模块(36)对电池(5)的电量管理；人机交互接口模块(35)接收摇杆(31)、按键(32)的输入信号，并由速度显示器(33)、电量显示器(34)显示行星轮式爬楼梯电动轮椅设定速度和当前电量；第一驱动模块(38)通过脉宽调制方式(PWM)驱动每个轮毂电机(9)；故障诊断模块(37)对摇杆(31)的控制信号、驱动每个轮毂电机(9)的电流、电动轮椅控制器(3)的温度状态进行实时故障检测；
由爬楼梯控制器(11)实现爬楼梯轮椅模式，爬楼梯控制器(11)的结构包括：运行状态显示灯(111)、推杆伸缩控制按键(112)、电机翻转控制按键(113)、第二电源模块(114)，第二中控模块(DSP2)、第二驱动模块(115)；第二中控模块(DSP2)通过A/D接口电路接收推杆伸缩控制按键(112)、电机翻转控制按键(113)的输入信号，通过运行状态显示灯(111)显示行星轮式爬楼梯电动轮椅当前运行状态，并根据行星轮式爬楼梯电动轮椅运行状态和操作者输入的控制指令，由控制算法生成控制指令向第二驱动模块(115)发送相应控制信号，第二驱动模块(115)内部的功率放大电路对控制信号进行放大，并输出放大的控制信号，驱动电动推杆(4)伸出或缩回，或者直流翻转电机(18a)的正、反向的翻转；第二电源模块(114)为爬楼梯控制器(11)的各控制电路提供5v、3.3v及各档电压；压力传感器(19a、19b)将压力信号传送至控制盒(20)内的第二中控模块(DSP2)，经第二中控模块(DSP2)对压力信号做A/D转换后，根据两处的压力计算乘员重心位置，并结合倾角传感器(21)的反馈结果以判断乘员的姿态是否安全；倾角传感器(21)直接输出角度值，并通过RS232串口与控制盒(20)相连，实时反馈行星轮式爬楼梯电动轮椅相对水平面的倾角。
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