CN103932849B - 一种欠驱动自适应式爬楼梯轮椅 - Google Patents

Abstract

一种能够自动平稳爬楼梯的欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，属于医疗器械技术领域，其设备包括椅架主体、电池、平衡机构、驱动系统和控制系统，其驱动系统采用星形欠驱动轮系，通过其特有的机械智能可以实现轮椅平稳的越过道路上的障碍以及顺利的上下楼梯，平衡机构可以调节本轮椅在上下楼梯过程中的重心平衡，防止因为重心不稳而倾倒，同时加入了单向旋转支撑架和距离传感器等安全防护措施，有效避免了身体不便的人在乘用轮椅时遇到的危险。

Description

一种欠驱动自适应式爬楼梯轮椅

技术领域：

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种能够自动平稳爬楼梯的欠驱动自适应式爬楼梯轮椅。

背景技术：

目前市场上的轮椅种类很多，均配有大的行走轮，有折叠式、电动式、爬楼式等，为身体行动不便的人提供了方便，但不论哪一种形式的轮椅，都无法跨过道路上比较高的障碍，或者在有坡度的道路上保持平衡，尤其是在爬楼梯、登公交车等复杂情况下，传统轮椅都难以给身体行动不便的人带来足够的帮助。有些公共场所和住宅有垂直电梯，行动不便的人可以乘坐垂直电梯上下楼，但是仍然有很大一部分住宅和公共场所只有步梯或手扶电梯，乘坐传统轮椅的行动不便的人在这种情况下无法独立完成上下楼行动。除此之外，有时身体行动不便的人在乘坐传统轮椅行走在有坡度的道路上时，也可能因为重心不稳而遇到轮椅倾翻的危险。

发明内容：

为解决以上现有技术存在的问题,本发明提出了一种可以自动爬楼梯，且在爬楼梯或行走在不平整的道路上时也能维持椅身平衡的欠驱动自适应式爬楼梯轮椅。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，包括椅架主体、电池、平衡机构、驱动系统和控制系统；

所述驱动系统包括变速箱、主电动机和欠驱动轮系，所述变速箱的壳体和主电动机的壳体分别连接在椅架主体下部，主电动机动力输出端与变速箱的动力输入端固定连接，所述欠驱动轮系为多臂星形轮系，包括齿轮箱、轮架轴、中轴、小轴和车轮，所述轮架轴与变速箱的动力输出端固定连接，轮架轴通过轴承设置在齿轮箱上，在轮架轴上固定套装有大齿轮；所述中轴和小轴固定在齿轮箱内，在中轴上活动套装有中齿轮，在小轴上活动套装有小齿轮，所述小齿轮、中齿轮和大齿轮均设置在齿轮箱内；所述车轮与小齿轮数量相同，且与小齿轮固定连接，所述大齿轮与中齿轮相啮合，中齿轮与小齿轮相啮合；

所述平衡机构包括丝杠支架、上框架、下框架和尾框架，丝杠支架固定在椅架主体的椅背后部，在丝杠支架上设置有丝杠，在椅架主体的后部固定有丝杠电机的壳体，丝杠电机的动力输出端与丝杠固定连接；所述上框架上端铰接有带螺纹孔的滑块，滑块与所述丝杠相配合，所述下框架的下端铰接在椅架主体下部，下框架的上端与上框架的下端和尾框架的上端铰接在框架轴上，尾框架的下端设置有万向轮；在上框架上铰接有直线电机的一端，直线电机的另一端与尾框架相铰接；

所述控制系统包括角度传感器、控制器及操作手柄，所述操作手柄设置在椅架主体上，角度传感器位于椅架主体的坐位的下部；控制器的信号输入端分别与角度传感器及操作手柄相连接，控制器的信号输出端分别与主电动机、直线电机及丝杠电机相连接；所述电池分别与角度传感器、操作手柄、主电动机、直线电机及丝杠电机相连接。

在欠驱动轮系上还设置有电磁离合器，电磁离合器的主动端固定套装在欠驱动轮系的轮架轴上，电磁离合器的从动端固定在齿轮箱上，电磁离合器的信号输入端与控制器的信号输出端相连接，电磁离合器与电池相连接。

所述控制系统还包括距离传感器，距离传感器固定于椅架主体的下前部，距离传感器的输出端与控制器的信号输入端相连接，距离传感器与电池相连接。

所述变速箱壳体的后部铰接在椅架主体的下部，变速箱壳体的前部与减震器的一端相铰接，减震器的另一端与椅架主体的下部相铰接；所述主电动机的壳体固定在变速箱壳体上。

所述欠驱动轮系为三臂星形或四臂星形轮系。

所述控制器为PLC。

所述电池和控制器位于椅架主体的坐位下部。

所述平衡机构还包括单向旋转支撑架，所述单向旋转支撑架安装在框架轴上。

本发明的有益效果：

本发明结构紧凑、传动效率高、性能稳定可靠。本发明通过欠驱动轮系的特性可以实现爬楼梯和跨过较高障碍物的功能，同时平衡机构可以在路面不平的情况下维持车身的平衡，提高了安全性能。

附图说明：

图1是本发明的一个实施例的结构示意图；

图2是图1的欠驱动轮系结构示意图；

图3是图1的驱动系统的结构示意图；

图4是图1的欠驱动轮系与电磁离合器连接后的结构示意图；

图5是图1涉及的实施例上楼梯时控制系统的工作流程图；

图6是图1涉及的实施例下楼梯时控制系统的工作流程图；

图7是图1的控制系统的电路原理框图；

其中：1-椅架主体、2-电池、3-减震器、4-车轮、5-丝杠支架、6-丝杠、7-滑块、8-上框架、9-直线电机、10-单向旋转支撑架、11-尾框架、12-丝杠电机、13-下框架、14-框架轴、15-轮架轴、16-中轴、17-小轴、18-齿轮箱、19-大齿轮、20-中齿轮、21-小齿轮、22-主电动机、23-变速箱、24-电磁离合器、25-万向轮、26-控制器、27-角度传感器、28-距离传感器、29-操作手柄、30-欠驱动轮系、31-电磁离合器的主动端、32-电磁离合器的从动端。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细说明：

如图1～图4所示，一种欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，包括椅架主体1、电池2、平衡机构、驱动系统和控制系统，所述电池2固定于椅架主体1的坐位的下部；

所述驱动系统包括变速箱23、主电动机22和欠驱动轮系30，所述驱动系统在椅架主体1上设置左右各一组，可以通过左右两组驱动系统的转动差来实现转弯，所述变速箱23的壳体后部铰接在椅架主体1的下部，变速箱23壳体的前部与减震器3的一端相铰接，减震器3的另一端与椅架主体1的下部相铰接；所述主电动机22的壳体固定在变速箱23壳体上，主电动机22动力输出端与变速箱23的动力输入端固定连接，本实施例中的欠驱动轮系为三臂星形轮系，包括齿轮箱18、轮架轴15、中轴16、小轴17和车轮4，也可以制造为四臂星形轮系，三臂星形轮系的优点在于可以跨过较高的障碍，四臂星形轮系的优点在于跨过障碍时较为平稳，可以在生产时根据不同的客户需求来制造不同的轮系，欠驱动轮系30包括齿轮箱18、轮架轴15、中轴16、小轴17和车轮4，所述轮架轴15与变速箱23的动力输出端相连接，轮架轴15通过轴承设置在齿轮箱18上，在轮架轴15上固定套装有大齿轮19；所述中轴16和小轴17固定在齿轮箱18内，在中轴16上活动套装有中齿轮20，在小轴17上活动套装有小齿轮21，所述小齿轮21、中齿轮20和大齿轮19均设置在齿轮箱18内；所述车轮4与小齿轮21数量相同，且与小齿轮21固定连接，所述大齿轮19与中齿轮20相啮合，中齿轮20与小齿轮21相啮合，在变速箱23与欠驱动轮系30之间还设置有电磁离合器24，电磁离合器的主动端31固定套装在欠驱动轮系30的轮架轴15上，电磁离合器的从动端31固定在齿轮箱18上，当电磁离合器24吸合的时，齿轮箱18会与轮架轴15同时运动。

所述平衡机构包括丝杠支架5、上框架8、下框架13和尾框架11，丝杠支架固定在椅架主体1的椅背后部，在丝杠支架5上设置有丝杠6，在椅架主体的后部固定有丝杠电机9的壳体，丝杠电机9的动力输出端与丝杠6固定连接；所述上框架8上端铰接有带螺纹孔的滑块7，滑块7与所述丝杠6相配合，所述下框架13的下端铰接在椅架主体1下部，下框架13的上端与上框架8的下端和尾框架11的上端铰接在框架轴14上，尾框架14的下端设置有万向轮25在框架轴14上安装有单向旋转支撑架10，在上下楼梯的时候可以为椅架主体1提供一部分支撑力；在上框架8上铰接有直线电机9的一端，直线电机9的另一端与尾框架11相铰接；

所述控制系统包括角度传感器27、控制器26、距离传感器28及操作手柄29，在本实施例中，控制器为PLC,角度传感器，所述操作手柄29设置在椅架主体1上，PLC和角度传感器27均位于椅架主体1的坐位的下部，距离传感器28位于椅架主体1的下前部；PLC的信号输入端分别与角度传感器27、距离传感器28及操作手柄29相连接，PLC的信号输出端分别与主电动机22、直线电机9、电磁传感器24及丝杠电机12相连接；所述电池分别与角度传感器27、距离传感器28、电磁传感器、操作手柄29、主电动机22、直线电机9以及丝杠电机12相连接。

本实施例中，角度传感器型号为MPU6050，距离传感器型号为E18-D80NK，PLC使用的是西门子s7-200，操作手柄型号为XB222。

本实施例中欠驱动轮系的运行过程如下：

在地面平整时，主电动机22提供动力，经过变速箱23变速后，动力传输到轮架轴15，轮架轴15带动大齿轮19运转，大齿轮19带动中齿轮20并进一步带动小齿轮21和车轮4的运转，完成前进动作。如果PLC控制左右两组主电动机22提供相同的转速，两组轮系前进的速度相同，此时轮椅直线前进，如果PLC控制左右两组驱动系统的主电动机22提供不同的转速，由于车轮4转速不同，则可以实现转弯动作。

当车轮4遇到障碍的时候，车轮4会停止转动，因而小齿轮21和中齿轮20也会停止转动，大齿轮19对中齿轮20的力矩会使整个轮系向前翻转，并跨过障碍，当轮椅在楼梯上时，前述步骤会重复多次，因而进一步爬上楼梯。如果电磁离合器24处于吸合状态，车轮4也会停止转动，轮架轴15会与齿轮箱18同时向前旋转，并跨过障碍。

本实施例中的平衡机构的运行过程如下：

当椅架主体1向前倾斜时，角度传感器27会向PLC发出信号，PLC对丝杠电机12和直线电机9发出控制信号，使滑块7向上运动、直线电机9收缩，因而尾框架11抬起，使椅架主体1恢复平衡。

当椅架主体1后倾时，角度传感器27会向PLC发出信号，使PLC对丝杠电机12和直线电机9发出控制信号，使滑块7向下运动、直线电机9伸长，因而尾框架11下降，最终使椅架主体1恢复平衡。

结合控制系统的控制功能、欠驱动轮系和平衡机构的工作原理，如图5～图6所示，本实施例上下楼梯的工作步骤如下：

上楼梯时，选择上楼梯模式，并控制操作手柄29前进，此时角度传感器27会向PLC发出信号，如果角度传感器27为水平状态，PLC会控制主电动机22运行，轮系向前运动，当开始上楼梯时，椅架主体1会后倾，角度传感器27会向PLC发出信号，PLC会控制直线电机9伸长，丝杠电机12反转使滑块7下移，从而使椅架主体1向前倾，并不断调整姿势，使椅架主体1保持平衡。

下楼梯时，选择下楼梯模式，并控制操作手柄29前进，此时PLC会控制电磁离合器24，使电磁离合器的主动端31和从动端32吸合，以轮架轴15与齿轮箱18同时运动，有助于轮系在楼梯上的平稳运行，角度传感器27会向PLC发出信号，如果角度传感器27为水平状态，PLC会控制主电动机22运行，轮系向前运动，当开始下楼梯时，椅架主体1会前倾，角度传感器27会向PLC发出信号，PLC会控制直线电机9收缩，丝杠电机12正转使滑块7上移，从而使椅架主体1向后倾，并不断调整姿势，使椅架主体1保持平衡运行。

在上楼梯或者下楼梯动作完成后，进入了平地状态，PLC也会自动根据角度传感器27发出的信号来判断椅架主体1姿势，并调整水平度，继续前进。

如果前方出现较高的落差，如悬崖或者深沟、没有盖井盖的下水道口等危险位置，距离传感器28检测到前下方有较远距离，将会向PLC发出信号，PLC会停止主电动机22的运行并发出警告。

Claims (7)

1.一种欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，其特征在于：包括椅架主体、电池、平衡机构、驱动系统和控制系统；

所述驱动系统包括变速箱、主电动机和欠驱动轮系，所述变速箱的壳体和主电动机的壳体分别连接在椅架主体下部，主电动机动力输出端与变速箱的动力输入端固定连接，所述欠驱动轮系为多臂星形轮系，包括齿轮箱、轮架轴、中轴、小轴和车轮，所述轮架轴与变速箱的动力输出端固定连接，轮架轴通过轴承设置在齿轮箱上，在轮架轴上固定套装有大齿轮；所述中轴和小轴固定在齿轮箱内，在中轴上活动套装有中齿轮，在小轴上活动套装有小齿轮，所述小齿轮、中齿轮和大齿轮均设置在齿轮箱内；所述车轮与小齿轮数量相同，且与小齿轮固定连接，所述大齿轮与中齿轮相啮合，中齿轮与小齿轮相啮合；

所述平衡机构包括丝杠支架、上框架、下框架和尾框架，丝杠支架固定在椅架主体的椅背后部，在丝杠支架上设置有丝杠，在椅架主体的后部固定有丝杠电机的壳体，丝杠电机的动力输出端与丝杠固定连接；所述上框架上端铰接有带螺纹孔的滑块，滑块与所述丝杠相配合，所述下框架的下端铰接在椅架主体下部，下框架的上端与上框架的下端和尾框架的上端铰接在框架轴上，尾框架的下端设置有万向轮；在上框架上铰接有直线电机的一端，直线电机的另一端与尾框架相铰接；

所述控制系统包括角度传感器、控制器、距离传感器及操作手柄，所述操作手柄设置在椅架主体上，角度传感器位于椅架主体的坐位的下部，距离传感器位于椅架主体的下前部；控制器的信号输入端分别与角度传感器、距离传感器及操作手柄相连接，控制器的信号输出端分别与主电动机、直线电机及丝杠电机相连接；所述电池分别与角度传感器、距离传感器、操作手柄、主电动机、直线电机及丝杠电机相连接。

2.根据权利要求1所述的欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，其特征在于：在所述欠驱动轮系上还设置有电磁离合器，电磁离合器的主动端固定套装在轮系的轮架轴上，电磁离合器的从动端固定在齿轮箱上，电磁离合器的信号输入端与控制器相连接，电磁离合器与电池相连接。

3.根据权利要求1所述的欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，其特征在于：所述变速箱壳体的后部铰接在椅架主体的下部，变速箱壳体的前部与减震器的一端相铰接，减震器的另一端与椅架主体的下部相铰接；所述主电动机的壳体固定在变速箱壳体上。

4.根据权利要求1所述的欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，其特征在于：所述欠驱动轮系为三臂星形或四臂星形轮系。

5.根据权利要求1所述的欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，其特征在于：所述控制器为PLC。

6.根据权利要求1所述的欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，其特征在于：所述电池和控制器位于椅架主体的坐位下部。

7.根据权利要求1所述的欠驱动自适应式爬楼梯轮椅，其特征在于：所述平衡机构还包括单向旋转支撑架，所述单向旋转支撑架安装在框架轴上。