CN103230323B - 基于齿轮齿条机构的翻转爬升装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于齿轮齿条机构的翻转爬升装置，属于机械设计与制造技术领域。本发明由车体、可控驱动单元和两个曲臂组成，两个曲臂结构相同，对称安装在车体两侧，驱动单元与车体固定连接。本发明的优点在于：结构新颖，使用过程的安全性和稳定性好，驱动单元的数目少，翻转过程中的驱动力矩小，整体结构紧凑、重量轻，越障适应能力强。

Description

基于齿轮齿条机构的翻转爬升装置

技术领域

本发明专利属于机械设计与制造技术领域，涉及一种翻转越障装置，具体地说是一种应用于爬楼梯轮椅的齿轮齿条翻转爬升机构，也可应用于各种爬楼及越障机器人中。

背景技术

轮椅作为年老体弱者及肢体伤残者常用的代步工具，尤其是随着老龄化社会的到来及近年来自然灾害频发导致残疾人数量的增多，其应用需求越来越大。但是，它们一般仅适合在平地上使用，很少具备爬楼梯和翻越路障的能力，这给轮椅使用者带来诸多不便。随着我国城镇化步伐的加快，轮椅使用者越来越多地需要面对高楼带来出行不便的实际情况。为此目前也有很多人致力于爬楼梯轮椅的研究。

当前爬楼梯轮椅的越障机构主要有轮式、履带式、轮履复合式等形式。但对于行星轮式爬楼梯轮椅，如专利CN102125488A行星轮式爬楼梯电动轮椅，虽然其结构简单，但对操控人员的要求较高，容易发生倾翻；而且越障过程中的翻转力矩很大，对驱动能力要求较高。对于履带轮型爬楼梯轮椅，如专利CN101811524A一种履带式爬楼梯车，在爬楼梯过程中采用履带轮的方式，保证了越障过程的连续性。但是，履带轮型爬楼轮椅结构笨重，同时，在切入、切出楼梯的过程中倾角变化较大，很难实现从斜面到平面的姿态平稳转换，对楼梯边沿的损害程度较大。轮履复合式爬楼梯轮椅在解决上述问题的同时，增加了轮履转换装置，使得整体驱动单元数目增多，机构复杂程度加剧、控制与操作难度加大，重量加大。

发明内容

本发明提供了一种基于齿轮齿条机构的翻转爬升装置，以解决现有爬楼梯装置驱动单元数目增多，机构复杂、控制与操作难度高，重量大的问题。

本发明的技术方案是：一种基于齿轮齿条机构的翻转爬升装置，由车体、可控驱动单元和两个曲臂组成，两个曲臂结构相同，对称安装在车体两侧，驱动单元与车体固定连接；

所述的可控驱动单元包括输入轴系，离合器轴系、惰轮轴系一、惰轮轴系二、底部芯轴以及壳体，其中输入轴系包括电机、减速器、减速器支撑架以及电机输出齿轮、过渡齿轮、过渡齿轮轴，减速器通过减速器支撑架与壳体固定连接成为一体，电机通过法兰连接的接口与减速器的输出端法兰连接，减速器输出轴与电机输出齿轮固定连接，电机输出齿轮轴另一端与减速器支撑架转动连接，过渡齿轮与过渡齿轮轴固定连接，并与输出齿轮啮合连接，过渡齿轮轴与减速器支撑架转动连接，惰轮轴系一由换向齿轮轴一、齿轮一以及齿轮二组成，换向齿轮轴一与壳体转动连接，齿轮一、齿轮二位于换向齿轮轴一的两侧，并与换向齿轮轴一固定连接，惰轮轴系二由换向齿轮轴二以及齿轮三组成，换向齿轮轴二与壳体转动连接，齿轮三与换向齿轮轴二固定连接，惰轮轴系一上的齿轮一、齿轮二以及惰轮轴系二上的齿轮三结构相同；

所述的离合器轴系由离合器主轴、离合器轴输入齿轮、齿轮四、齿轮五以及分布在齿轮四两侧的离合器一、其包括静离合器片一、动离合器片一，离合器二、其包括静离合器片二、动离合器片二组成，离合器主轴与壳体通过滚动轴承转动连接，离合器输入齿轮与离合器主轴键连接，与输入轴系中的过渡齿轮啮合连接，离合器一的静离合器片一、离合器二的静离合器片二与离合器主轴键连接，离合器一的动离合器片一与齿轮四固定连接后与离合器主轴转动连接，离合器二的动离合器片二与齿轮五固定连接后与离合器主轴转动连接；

所述的底部芯轴系包括底部芯轴主轴、齿轮六，与齿轮六两侧对称分布的齿轮七、齿轮八、花键轴齿轮一、花键轴齿轮二、齿轮九、齿轮十、导向滑块一、导向滑块二，导向滑块三、导向滑块四，齿轮六与底部芯轴主轴键连接，与惰轮轴系二上的齿轮三啮合连接，齿轮八与惰轮轴系一上的齿轮二啮合，齿轮八中心孔内的花键与花键轴齿轮二的轴端外花键配合后，与底部芯轴主轴转动连接，齿轮七与惰轮轴系一上的齿轮一啮合连接，齿轮七中心孔内花键与花键轴齿轮一轴端外花键配合后，与底部芯轴主轴固定连接，导向滑块一、导向滑块二、导向滑块三、导向滑块四分别与底部芯轴主轴通过滚动轴承转动连接，并以齿轮六为中心左右分布；

所述的运动执行机构的两个曲臂对称分布于车体两侧，连接方式一致，以左侧曲臂为例说明：由曲臂支撑板一、曲臂支撑板二，外联板、行程开关一、行程开关二、齿条一、齿条二、上滑道一体板、下滑道一体板、行走轮一、行走轮二组成，外联板两端设有轴孔，行走轮一、行走轮一通过轴端螺母与外联板固定连接为一体，上滑道一体板和下滑道一体板的结构一致，并通过螺栓与外联板固定连接，中心设有齿条槽，齿条槽两侧对称分布滑道凸槽，与滑块配合；上滑道一体板、下滑道一体板两端分别设有曲臂支撑板一、曲臂支撑板二，并与上滑道一体板、下滑道一体板共同与外联板固定连接，曲臂支撑板一、曲臂支撑板二中心处开有槽，并分别放置两个行程开关一、行程开关二，齿条一、齿条二上下相错的分布于外联板内侧，分别与花键轴齿轮一、齿轮九啮合，组成齿轮齿条机构，导向滑块一、导向滑块二，分布于齿条一、齿条二同一侧，并分别与上滑道一体板、下滑道一体板上的滑道凸槽配合，同时与底部芯轴主轴通过滚动轴承转动连接，底部芯轴主轴左端通过轴端螺母与导向滑块二固定连接。

本发明的优点在于：结构新颖，使用过程的安全性和稳定性好，驱动单元的数目少，翻转过程中的驱动力矩小，整体结构紧凑、重量轻，越障适应能力强。

1、爬升越障模式新颖。本发明充分考虑齿轮齿条传动中，齿条可在地面与楼梯或障碍物之间“自主构筑”运动路径的特点，实现翻转越障。当在平坦路面上行进时，完成普通轮椅的功能；当遇到障碍物时，将装置切换到爬升运动模式，完成曲臂的翻转越障，车体沿齿条的平移运动，越障模式新颖。

2、机构简单、重量轻，传动关系简单明了。本发明由于引入齿轮齿条机构，可由相应的输出轴系完成对应的运动，在无需改变电机转向的情况下实现越障运动，大大降低了翻转传动机构的复杂程度，仅需一个驱动电机，使得整体结构紧凑、重量轻。

3、能耗低，翻转力矩小。本发明利用齿轮齿条机构实现翻转爬升，翻转过程只需实现曲臂的翻转，大大降低电机的翻转力矩，提高系统的能源利用效率。

4、操控简单，越障过程平稳性能高。可由爬升运动模式下离合器的结合方式实现相应轴的可控输出，通过行程开关实现离合器结合方式的选择，这一过程可由装置自主完成，无需人为干涉；越障过程沿齿条轨迹运动，前、后行走轮同时起到辅助支撑作用，与支撑边界接触充分，整体平稳性高。

5、具有模块化特点，对称性好。本发明两侧翻转爬升执行机构完全一样，与车体左右对称分布，使得装置具有更好的地形适应能力。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2a是本发明可控驱动单元前视图；

图2b是本发明可控驱动单元后视图；

图3是本发明离合器轴结构示意图；

图4是本发明底部芯轴结构示意图；

图5是本发明的轴系传动原理图；

图6是本发明翻转爬升执行机构结构示意图；

图7a爬楼梯过程示意图；

图7b爬楼梯过程示意图；

图7c爬楼梯过程示意图；

图7d爬楼梯过程示意图；

图7e爬楼梯过程示意图；

图7f爬楼梯过程示意图；

图中，车体1、可控驱动单元2、两个曲臂3、输入轴系2a、离合器轴系2b、惰轮轴系一2c、惰轮轴系二2d、底部芯轴2e、壳体2f、电机201、减速器202、减速器支撑架203、电机输出齿轮204、过渡齿轮205、离合器主轴211、离合器轴输入齿轮212、齿轮四213、齿轮五214、离合器一215、静离合器片一215a、动离合器片一215b、离合器二216、静离合器片二216a、动离合器片二216b、换向齿轮轴一206、齿轮一207、齿轮二208、换向齿轮轴二209、齿轮三210、底部芯轴主轴217、齿轮六218、齿轮七219、齿轮八220、花键轴齿轮一221、花键轴齿轮二222、齿轮九223、齿轮十224、导向滑块一225、导向滑块二226、导向滑块三227、导向滑块四228、曲臂支撑板一301a、曲臂支撑板二301b,外联板302、行程开关一303a、行程开关二303b、齿条一304、齿条二305、上滑道一体板306a、下滑道一体板306b、行走轮一307a、行走轮二307b。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明由车体1、可控驱动单元2和两个曲臂3组成，两个曲臂3结构相同，对称安装在车体1两侧，驱动单元2与车体1固定连接；

如图2所示，所述的可控驱动单元2包括输入轴系2a，离合器轴系2b、惰轮轴系一2c、惰轮轴系二2d、底部芯轴2e以及壳体2f，其中输入轴系2a包括电机201、减速器202、减速器支撑架203以及电机输出齿轮204、过渡齿轮205、过渡齿轮轴205a，减速器202通过减速器支撑架203与壳体2f固定连接成为一体，电机201通过法兰连接的接口与减速器202的输出端法兰连接，减速器202输出轴与电机输出齿轮204固定连接，电机输出齿轮204轴另一端与减速器支撑架203转动连接，过渡齿轮205与过渡齿轮轴205a固定连接，并与输出齿轮204啮合连接，过渡齿轮轴205a与减速器支撑架203转动连接，惰轮轴系一2c由换向齿轮轴一206、齿轮一207以及齿轮二208组成，换向齿轮轴一206与壳体2f转动连接，齿轮一207、齿轮二208位于换向齿轮轴一206的两侧，并与换向齿轮轴一206固定连接，惰轮轴系二2d由换向齿轮轴二209以及齿轮三210组成，换向齿轮轴二209与壳体2f转动连接，齿轮三210与换向齿轮轴二209固定连接，惰轮轴系一2c上的齿轮一207、齿轮二208以及惰轮轴系二2d上的齿轮三210结构相同；

如图3所示，所述的离合器轴系2b由离合器主轴211、离合器轴输入齿轮212、齿轮四213、齿轮五214以及分布在齿轮四213两侧的离合器一215、其包括静离合器片一215a、动离合器片一215b，离合器二216、其包括静离合器片二216a、动离合器片二216b组成，离合器主轴211与壳体2f通过滚动轴承转动连接，离合器输入齿轮212与离合器主轴211键连接，与输入轴系2a中的过渡齿轮205啮合连接，离合器一215的静离合器片一215a、离合器二216的静离合器片二216a与离合器主轴211键连接，离合器一215的动离合器片一215b与齿轮四213固定连接后与离合器主轴211转动连接，离合器二216的动离合器片二216b与齿轮五214固定连接后与离合器主轴211转动连接；

如图2、图4所示，所述的底部芯轴系2e包括底部芯轴主轴217、齿轮六218，与齿轮六218两侧对称分布的齿轮七219、齿轮八220、花键轴齿轮一221、花键轴齿轮二222、齿轮九223、齿轮十224、导向滑块一225、导向滑块二226，导向滑块三227、导向滑块四228，齿轮六218与底部芯轴主轴217键连接，与惰轮轴系二2d上的齿轮三210啮合连接，齿轮八220与惰轮轴系一2c上的齿轮二208啮合，齿轮八220中心孔内的花键与花键轴齿轮二222的轴端外花键配合后，与底部芯轴主轴217转动连接，齿轮七219与惰轮轴系一2c上的齿轮一207啮合连接，齿轮七219中心孔内花键与花键轴齿轮一221轴端外花键配合后，与底部芯轴主轴217固定连接，导向滑块一225、导向滑块二226、导向滑块三227、导向滑块四228分别与底部芯轴主轴217通过滚动轴承转动连接，并以齿轮六218为中心左右分布；

轴系传动原理如图5所示，其中包括输入轴系2a、过渡齿轮轴205a、离合器主轴211、换向齿轮轴一206、换向齿轮轴二209、底部芯轴主轴217；

如图6所示，所述的运动执行机构的两个曲臂3对称分布于车体两侧，连接方式一致，以左侧曲臂为例说明：由曲臂支撑板一301a、曲臂支撑板二301b,外联板302、行程开关一303a、行程开关二303b、齿条一304、齿条二305、上滑道一体板306a、下滑道一体板306b、行走轮一307a、行走轮二307b组成，外联板302两端设有轴孔，行走轮一307a、行走轮一307b通过轴端螺母与外联板302固定连接为一体，上滑道一体板306a和下滑道一体板306b的结构一致，并通过螺栓与外联板302固定连接，中心设有齿条槽，齿条槽两侧对称分布滑道凸槽，与滑块配合，起到横向约束作用；上滑道一体板306a、下滑道一体板306b两端分别设有曲臂支撑板一301a、曲臂支撑板二301b，并与上滑道一体板306a、下滑道一体板306b共同与外联板302固定连接，曲臂支撑板一301a、曲臂支撑板二301b中心处开有槽，并分别放置两个行程开关一303a、行程开关二303b，齿条一304、齿条二305上下相错的分布于外联板302内侧，分别与花键轴齿轮一221、齿轮九223啮合，组成齿轮齿条机构，导向滑块一225、导向滑块二226，分布于齿条一304、齿条二305同一侧，并分别与上滑道一体板306a、下滑道一体板306b上的滑道凸槽配合，同时与底部芯轴主轴217通过滚动轴承转动连接，底部芯轴主轴217左端通过轴端螺母与导向滑块二226固定连接。

本发明的工作原理和工作过程如下：

本发明以爬楼梯轮椅为例来说明，其爬楼梯过程示意图参阅图7，轮椅在越障运动模式下，可将翻转越障过程分为前移运动，曲臂翻转运动,和沿齿条平移运动三步。两侧齿轮齿条机构结构完全一致，翻转作用方式相同，以左侧齿轮齿条机构的运动为例说明。电机201输出力矩通过减速器202、过渡齿轮205传递到电机输出齿轮204与离合器轴系2b上离合器轴输入齿轮212啮合，带动离合器主轴211主动旋转，过渡齿轮轴205a大端固定于减速器支撑架203上，以轴套和弹性挡圈的方式实现过渡齿轮205的轴向定位，起过渡连接作用同时保障结构的紧凑性，离合器一215闭合（静离合器片一215a与动离合器片一215b啮合），离合器轴系2b上齿轮四213与离合器主轴211联接，实现同步转动；通过与惰轮轴系二2d上齿轮三210啮合带动换向齿轮轴二209转动，齿轮三210同时与底部芯轴系2e上的齿轮六218啮合，进而实现底部芯轴主轴217随离合器轴系2b的同步转动，带动齿轮九223、齿轮十224转动，实现左侧齿轮齿条机构中齿轮九223沿齿条二305的主动运动，实现车体1与可控驱动单元2的整体前移运动；车体1与可控驱动单元2前移到曲臂3另一端时触发安装在曲臂支撑板二301b上的行程开关二303b，离合器二216闭合（静离合器片二216a与动离合器片二216b闭合），离合器轴系2b上齿轮五214同时随离合器主轴211同步转动，与惰轮轴一2c上的齿轮二208啮合带动惰轮轴系一2c随离合器轴系2b同步转动；齿轮二208、齿轮一207同时与底部芯轴2e上齿轮八220、齿轮七219相啮合，带动通过花键连接的花键轴齿轮一221、花键轴齿轮二222随离合器轴系2b同步转动；由于惰轮轴系一2c上齿轮一207、齿轮二208以及惰轮轴系二2d上齿轮三210结构参数相同，传动比一致，实现花键轴齿轮一221、花键轴齿轮二222与随底部芯轴主轴217转动的齿轮九223、齿轮十224转动情况一致，花键轴齿轮一221与齿条一304主动啮合；这样齿轮九223沿齿条二305主动运动的同时，花键轴齿轮一221与齿条一304也同时同向主动运动，齿轮沿齿条主动运动产生的啮合力分别作用于上下相错的齿条机构上，利用齿轮齿条啮合力产生的弯矩实现曲臂3的翻转，完成翻转运动；安装在曲臂3上的行走轮一307a与上阶楼梯相切后，车体1与可控驱动单元2整体前移，行程开关二303b断开，离合器二216断开（静离合器片二216a与动离合器片二216b断开），离合器轴齿轮八220随离合器主轴211空转，仅底部芯轴2e上齿轮九223沿齿条二305主动运动，完成车体1与可控驱动单元2整体沿齿条二305的平移运动，实现上楼梯功能；循环往复进行可实现爬升楼梯功能，爬楼梯过程示意图参阅图7(a～f)。

Claims (1)

1.一种基于齿轮齿条机构的翻转爬升装置，其特征在于：由车体、可控驱动单元和两个曲臂组成，两个曲臂结构相同，对称安装在车体两侧，驱动单元与车体固定连接；

所述的可控驱动单元包括输入轴系、离合器轴系、惰轮轴系一、惰轮轴系二、底部芯轴以及壳体，其中输入轴系包括电机、减速器、减速器支撑架、电机输出齿轮、过渡齿轮、过渡齿轮轴，减速器通过减速器支撑架与壳体固定连接成为一体，电机通过法兰连接的接口与减速器的输出端法兰连接，减速器输出轴与电机输出齿轮固定连接，电机输出齿轮轴另一端与减速器支撑架转动连接，过渡齿轮与过渡齿轮轴固定连接，并与输出齿轮啮合连接，过渡齿轮轴与减速器支撑架转动连接，惰轮轴系一由换向齿轮轴一、齿轮一以及齿轮二组成，换向齿轮轴一与壳体转动连接，齿轮一、齿轮二位于换向齿轮轴一的两侧，并与换向齿轮轴一固定连接，惰轮轴系二由换向齿轮轴二以及齿轮三组成，换向齿轮轴二与壳体转动连接，齿轮三与换向齿轮轴二固定连接，惰轮轴系一上的齿轮一、齿轮二以及惰轮轴系二上的齿轮三结构相同；

所述的离合器轴系由离合器主轴、离合器轴输入齿轮、齿轮四、齿轮五以及分布在齿轮四两侧的离合器一和离合器二组成，其中该离合器一包括静离合器片一、动离合器片一，该离合器二包括静离合器片二、动离合器片二，离合器主轴与壳体通过滚动轴承转动连接，离合器输入齿轮与离合器主轴键连接，与输入轴系中的过渡齿轮啮合连接，离合器一的静离合器片一、离合器二的静离合器片二与离合器主轴键连接，离合器一的动离合器片一与齿轮四固定连接后与离合器主轴转动连接，离合器二的动离合器片二与齿轮五固定连接后与离合器主轴转动连接；

所述的底部芯轴系包括底部芯轴主轴、齿轮六，与齿轮六两侧对称分布的齿轮七、齿轮八、花键轴齿轮一、花键轴齿轮二、齿轮九、齿轮十、导向滑块一、导向滑块二，导向滑块三、导向滑块四，齿轮六与底部芯轴主轴键连接，与惰轮轴系二上的齿轮三啮合连接，齿轮八与惰轮轴系一上的齿轮二啮合，齿轮八中心孔内的花键与花键轴齿轮二的轴端外花键配合后，与底部芯轴主轴转动连接，齿轮七与惰轮轴系一上的齿轮一啮合连接，齿轮七中心孔内花键与花键轴齿轮一轴端外花键配合后，与底部芯轴主轴固定连接，导向滑块一、导向滑块二、导向滑块三、导向滑块四分别与底部芯轴主轴通过滚动轴承转动连接，并以齿轮六为中心左右分布；

运动执行机构的两个曲臂对称分布于车体两侧，连接方式一致，以左侧曲臂为例说明：由曲臂支撑板一、曲臂支撑板二、外联板、行程开关一、行程开关二、齿条一、齿条二、上滑道一体板、下滑道一体板、行走轮一、行走轮二组成，外联板两端设有轴孔，行走轮一、行走轮二通过轴端螺母与外联板固定连接为一体，上滑道一体板和下滑道一体板的结构一致，并通过螺栓与外联板固定连接，中心设有齿条槽，齿条槽两侧对称分布滑道凸槽，与滑块配合；上滑道一体板、下滑道一体板两端分别设有曲臂支撑板一、曲臂支撑板二，并与上滑道一体板、下滑道一体板共同与外联板固定连接，曲臂支撑板一、曲臂支撑板二中心处开有槽，并分别放置两个行程开关一、行程开关二，齿条一、齿条二上下相错的分布于外联板内侧，分别与花键轴齿轮一、齿轮九啮合，组成齿轮齿条机构，导向滑块一、导向滑块二分布于齿条一、齿条二同一侧，并分别与上滑道一体板、下滑道一体板上的滑道凸槽配合，同时与底部芯轴主轴通过滚动轴承转动连接，底部芯轴主轴左端通过轴端螺母与导向滑块二固定连接。