CN104275984B - 脚轮和轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脚轮和轮椅，提高了脚轮在斜着进入台阶的情况下的跨越能力。本发明的脚轮的特征在于，其具备：框架；第1车轮；以及比所述第1车轮小的两个第2车轮，它们安装于所述框架，并分别配置在所述第1车轮的两侧，设所述第1车轮和所述第2车轮之间的间隔为d，设所述第1车轮的回转半径为，则满足

Description

脚轮和轮椅

技术领域

本发明涉及脚轮的结构。

背景技术

在手推车和轮椅等载置人或物而进行搬运的结构体(无论有没有动力机构)大多设置有脚轮，以便进行移动和方向转换。这时，在移动路径中存在台阶的情况下，若台阶的高度相对于车轮的大小在一定程度以上，则跨越台阶变得困难，这是公知的。在专利文献1中，为了提高台阶的跨越能力，公开了在主轮的两侧设置有辅助轮的脚轮。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2004-237970号公报

在专利文献1记载的发明中，作为前提，只设想了从正面进入台阶的情况。但是，在实际使用手推车或轮椅等时，由于移动空间的制约等，未必能够从正面进入台阶。或者，还存在因操作失误而无意识地斜着进入台阶的情况。本发明人得到这样的见解：当斜着进入台阶时，即便是相同高度的台阶，脚轮的跨越也比从正面进入时困难。并且，当欲在这样的状况下强行跨越台阶时，还有可能手推车或轮椅等的姿态变得不稳定。

使用图17具体说明上述的状况。图17是从上方观察以往的单轮脚轮斜着进入预定以上的高度的台阶时的动作的示意图。图17的(a)是从上方(铅直方向)观察安装有脚轮600的结构体以脚轮600的行进方向K和台阶的边缘台阶S所成的角度为θ的方式进入台阶的样子的图。另外，脚轮600的除车轮以外的要素被舍去。脚轮的车轮的旋转轴线为Oz，脚轮600的回转轴线为Cz。

首先，在图17的(b)中，脚轮600与台阶S接触。在台阶的高度相对于脚轮600在预定以上的情况下，脚轮600无法跨越台阶S。具体来说，在从正面进入的情况下，能够跨越的高度为车轮的半径的60％左右，但随着进入角度成为锐角，能够跨越的高度变低，当进入角为30度时能够跨越的高度为车轮的半径的40％左右。因此，即使是从正面进入时能够跨越的台阶，也存在斜着进入则无法跨越的情况。

由于从台阶S受到的力，以回转轴线C为中心对脚轮600产生以与行走面(地面)垂直的方向为中心的旋转力(回转力)，如图17的(c)所示，脚轮600开始在这种场合下的旋转(回转)。对于回转运动的从地面受到的摩擦阻力比欲跨越台阶的摩擦阻力小，因此，回转运动不会停止而如图17的(d)～(h)那样，脚轮600旋转直到脚轮600的朝向与台阶S平行。当成为该状态时，脚轮600欲跨越台阶S的力不起作用，确定了跨越的失败。

发明内容

本发明的目的在于，提高脚轮在斜着进入台阶的情况下的跨越能力。

本发明提供一种脚轮，在一个方式中，所述脚轮的特征在于，其具备：安装部，其设置于所述框架，并与结构体连接，使得所述框架能够以安装轴为中心回转；第1车轮，其安装于所述框架；以及比所述第1车轮小的两个第2车轮，它们安装于所述框架，并分别配置在所述第1车轮的两侧，设所述第1车轮与所述第2车轮之间的间隔为d，设所述第1车轮的回转半径为则满足

发明效果

具有本发明的结构的脚轮对于斜着进入的情况，具有高的台阶跨越能力。

附图说明

图1是安装有脚轮100的轮椅10的外观图。

图2是脚轮100的立体图。

图3是脚轮100的侧视图。

图4是脚轮100的主视图。

图5是脚轮100的俯视图。

图6是表示框架110和连接部120的结构的图。

图7中，(a)是从上方观察脚轮100的示意图，(b)是从横向观察脚轮100的示意图。

图8是从上方观察脚轮100进入台阶的样子的示意图(其1)。

图9是从上方观察脚轮100进入台阶的样子的示意图(其2)。

图10是从上方观察脚轮100进入台阶的样子的示意图(其3)。

图11是从上方观察脚轮100进入台阶的样子的示意图(其4)。

图12是从侧面观察脚轮100跨越台阶的样子的示意图(其1)。

图13是从侧面观察脚轮100跨越台阶的样子的示意图(其2)。

图14是从侧面观察脚轮100跨越台阶的样子的示意图(其3)。

图15是从侧面观察脚轮100跨越台阶的样子的示意图(其4)。

图16是从侧面观察脚轮100跨越台阶的样子的示意图(其5)。

图17中，(a)～(h)是从上方观察以往的脚轮斜着进入台阶时的动作的示意图。

标号说明

10：轮椅；11：座面；13：搁脚板；12：靠背；14：扶手；15：操作部；100：脚轮；200：后轮；190：支柱；110：框架；111：孔；112：安装用孔；113：安装用孔；190：支柱；140：主轮；130：辅助轮；C1、C2：旋转轴线；123：减震器；120：安装部；124：安装部件；122：螺母；115：螺母；144：螺栓；141：螺母；C3：回转轴线；C4：旋转轴线；S：台阶；α：进入角；回转半径；H：台阶高度；T0：接触点；R；r：旋转半径；P：回转中心；Q1、Q2、Q3：中心轴线。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。

图1为安装有脚轮100的轮椅10的外观图。轮椅10为具有座面11、靠背12、搁脚板13、扶手14、操作部15、脚轮100和后轮200的电动轮椅。轮椅10还具有驱动机构(未图示)，该驱动机构包括驱动的马达、电池、轴等，该驱动机构用于根据操作部15的操作内容来进行后轮200的旋转和后轮200的朝向(即轮椅10的朝向)的变更。脚轮100作为前轮发挥功能。脚轮100安装于支柱190。

使用图2～6对脚轮100的详细的结构进行说明。

图2表示脚轮100的外观。Z为铅直方向，XY面为与Z垂直的面(地面)。通常，当轮椅10在没有障碍物的理想的平坦面向+X方向行走的情况下，脚轮100的朝向为+X方向。

脚轮100大致由框架110、连接部120、主轮130和辅助轮140构成。连接部120具有安装部件124、减震器123和螺母122，并经由螺母122安装于框架110。减震器123为包括橡胶等弹性材料和弹簧的弹性体，通过变形来吸收由于行走面的凹凸等而相对于脚轮100从铅直方向受到的来自Z方向的力(冲击或负荷)。螺母122是将连接部120和框架110以能够转动的方式连接起来的铰链机构(未图示)的结构部件。框架110随着减震器123的变形而以旋转轴线C4为中心相对于连接部120转动。另外，也可以省略减震器123和铰链机构。这种情况下，连接部120和框架110在彼此的相对位置被固定的状态下连接在一起。

在连接部120安装有安装部件124。安装部件124为圆杆状，在安装部件124的表面加工有用于嵌入支柱190的螺纹。另外，作为将安装部件124固定于支柱190的方法，也可以采用除螺纹以外的公知的连接机构。安装部件124的中心为回转轴线C3，脚轮100在被安装于轮椅10的状态下，能够以回转轴线C3为中心旋转(回转)360°。

框架110为由一对金属部件等构成的板状的部件。框架110固定主轮130和两个辅助轮140。在框架110开设有孔111以便实现轻量化。并且，在框架110设置有用于安装主轮130的三个安装用孔112。通过选择使用的孔的位置，能够改变主轮130和辅助轮140相对于框架110的位置。另外，也可以设置供螺栓的轴通过的缝来代替设置多个孔，使得能够调节固定位置。在图2中表示了使用螺母115将主轮130固定在最低位置的例子。

主轮130具有平板等或辐条等中心结构、和在该中心结构的外侧设置的橡胶等柔性材料，主轮130经螺母115以能够以旋转轴线C1为中心旋转的方式固定于框架110。另外，主轮130的结构不限于此，只要具有作为以旋转轴线C1为中心旋转的车轮的功能即可。

辅助轮140在主轮130的两侧各设置有一个，辅助轮140经螺栓144以能够以旋转轴线C2为中心旋转的方式固定于框架110。在该例子中，关于车轮的直径，主轮130比辅助轮140大。辅助轮140在结构和材料方面无需与主轮130相同。总之，辅助轮140只要具有作为以旋转轴线C2为中心旋转的车轮的功能即可。

另外，在主轮130和辅助轮140的粗细方面，图2～5所示的例子只不过是一例。

使用图3～5对主轮130和辅助轮140的位置关系(旋转轴线、中心轴线、回转轴线之间的关系)进行说明。图3是脚轮100的侧视图。如图3所示，回转轴线C3不需要与旋转轴线C2一致，但也可以一致。辅助轮140位于比主轮130靠铅直方向上方侧的位置。也就是说，在轮椅10的通常的行走时(在平地行走时)，主轮130与地面接触，辅助轮140不与行走面接触。由此，能够降低脚轮100的滚动阻力。

图4是脚轮100的主视图，图5是脚轮100的俯视图。在ZY面内，中心轴线Q1与回转轴线C3一致。中心轴线Q1与中心轴线Q2、中心轴线Q3平行。从回转轴线C3到中心轴线Q1、中心轴线Q2的距离相等。旋转轴线C1与旋转轴线C2平行。旋转轴线C1和旋转轴线C2不是必须一致，但也可以一致。中心轴线Q1与旋转轴线C1正交。

图6表示卸下主轮130和辅助轮140后的状态的框架110和连接部120的结构。在框架110设置有用于安装辅助轮140的三个安装用孔113。由此，能够调节辅助轮140相对于框架110的位置。另外，孔的数量不限于图中表示的例子。总之，在优选的方式中，在框架110，用于确定所述第1车轮的安装位置的孔、和用于确定所述第2车轮的安装位置的孔中的至少一方设置有多个。

使用图7进一步详细说明主轮130和辅助轮140的位置关系。在图7中，描绘了与主轮130和辅助轮140的配置有关的主要的点和轴线，并适当舍去除此以外的要素。

图7的(a)是从上方观察脚轮100的示意图，用以说明在与回转轴线C3垂直的平面(XY面)内的、主轮130和辅助轮140的配置关系。回转中心P和以半径描绘的圆是主轮130的回转的轨迹(称为回转圆)。设主轮130与各辅助轮140之间的间隔为d，设从回转中心P到辅助轮140的前端的距离为L1，设线段E1E2与线段EP所成的角为β。并且，设脚轮100相对于台阶S的进入角为进入角α。这时，至少满足以下的条件。

这等同于，至少辅助轮140的一部分位于回转圆内。本实施例的特征在于，使d依赖于若将d设定得大，使得辅助轮140出到回转圆内的外部，则在斜着进入时，一个辅助轮140与台阶S接触而脚轮100开始回转运动，由此，在另一辅助轮140与台阶S接触时，不会由两个辅助轮140高效地产生用于跨越台阶S的力。

在优选的方式中，在上述条件的基础上，满足以下的条件。

以及

这等同于下述条件：在进入角α＝β的情况下，当脚轮100进入台阶S时，最开始一个辅助轮140(在图7的(a)中为左侧的辅助轮140)与台阶S接触，在脚轮100以该接触为契机而开始回转运动的情况下，另一辅助轮140与台阶接触，而这期间主轮130不与台阶S接触。

在优选的方式中，在上述条件的基础上，满足以下的条件。

20°≤β≤30°…(4)

发明人在试验后发现：台阶跨越能力依赖于β(换言之为间隔d)，在β(d)处于上述范围的情况下跨越能力最高。

在β在上述(4)以外的范围但满足以下的条件的情况下，也会获得相当程度的跨越能力的提高。

15°≤β≤45°…(5)

而且，在β在上述(5)以外的范围但满足以下的条件的情况下，也会获得一定程度的跨越能力的提高。

10°≤β≤60°…(6)

另外，通过上述试验发现：若使β过大(即、使d过小)，则脚轮100无法从回转运动顺利地过渡到用于跨越台阶S的运动。另外，使β减小意味着脚轮100整体的尺寸变大，因此，作为使紧凑性和台阶跨越性能同时得到兼顾的条件，例如以β＝30°为宜。

图7的(b)是从横向观察脚轮100的示意图。下面，对与旋转轴线垂直的面(ZX面)内的、主轮130和辅助轮140的位置关系进行说明。设主轮130的半径(旋转半径)为R，设辅助轮140的旋转半径为r，设主轮130的旋转中心与辅助轮140的旋转中心的距离为L2。并且，在ZX面内，设两个圆相交的点的下方侧的点为Tx。

这时，满足以下的条件。

r＞R/3…(7)

L2＞R－r…(8)

式子(8)为用于使辅助轮140的至少一部分位于回转圆的外侧(即、存在辅助轮140先于主轮130与台阶S接触的可能性)的条件。

式子(7)是根据下述条件(0.4R+0.6r＞0.6R)导出的：若从地面G到Tx的高度为R的40％，则自Tx高出0.6r的位置比自G高出0.6R的位置靠上方。这里，0.4、0.6这些数字是考虑下述方面而得到的：通常，在从正面进入的情况(进入角为90°)下能够跨越的台阶的高度为车轮的半径的60％左右，在进入角为30°的情况下能够跨越的台阶的高度为车轮的半径的40％左右。

也就是说，如图7的(b)所示，在具有高度H的台阶S的情况下，当从正面进入时，首先两个辅助轮140与台阶S接触，这时辅助轮140跨越的实际的台阶的高度比0.6r小，因此，辅助轮140能够跨越台阶S。当辅助轮140跨越台阶S后，接着主轮130与台阶S接触。这时，主轮130应跨越的台阶的实际高度为0.4R(＜0.6R)，因此，主轮130能够跨越台阶S。其结果是，脚轮100整体跨越过台阶S。

另一方面，在从正面进入的情况下，当台阶S比0.4R低时，只有主轮130与台阶S接触。由于0.4R＜0.6R，毫无疑问地辅助轮140能够跨越台阶S。并且，在相同高度的台阶的情况下，即便以30°左右斜着进入，如上述那样，辅助轮140也能够跨越台阶S。

下面，使用图8～16对在台阶高度H为0.4R以上的情况下，脚轮100以进入角α进入台阶S的情况下的脚轮100的动作进行说明。如上述那样，在该条件下，以往的脚轮(例如图7所示的脚轮100没有安装辅助轮140的状态下的脚轮)开始了回转运动，无论进入角度如何都无法跨越。与此相对，若是脚轮100，则即便是斜着进入也能够跨越。下面，进行详细说明。

图8～11以时间序列的方式表示在上述台阶高度的条件的情况下，图7所示的脚轮100斜着进入而无法直接跨越台阶，从开始回转运动到开始跨越运动为止的情况。在下面的例子中，为了方便，设进入角α＝β＝30°。

首先，如图8所示，一个辅助轮140的前端与台阶S的点W1接触。于是，辅助轮140由于从台阶S的边缘受到的力而产生旋转力，欲跨越台阶S的力起作用。同时，辅助轮140由于从台阶S的边缘受到的力而开始回转运动。这里，台阶S没有低到能够直接跨越，因此，如图9和图10所示，脚轮100以W1为支点开始回转运动。

然后，如图11所示，另一辅助轮140与W2接触。这时，脚轮100与台阶S正对。这时，作用于辅助轮140的旋转力(跨越台阶的力)变得高于回转力。其结果是，脚轮100的回转运动结束，两个辅助轮140借助与台阶S的摩擦力而旋转，开始攀爬台阶S的边缘。这样，脚轮100从回转运动过渡到台阶S的跨越运动。

另外，假设，回转轴线到与两辅助轮140的接触点W1、W2的距离过小(辅助轮140和主轮之间的间隔过小；β过大)，则当脚轮100与台阶S正对时无法充分抵消回转力，这次开始了以W2为支点的回转运动，跨越失败的概率高。

图12～16是以时间序列的方式表示从脚轮100正面朝向台阶S、到完成跨越高度H的台阶S的图。主轮130与G在外周上的点Tg接触，用接触点T0表示辅助轮140的外周上的与台阶S的边缘接触的点。辅助轮140由于接触点T0处的摩擦力而产生旋转力，辅助轮140旋转，从而开始跨越台阶S。于是，主轮130(即脚轮100整体)从G浮起，辅助轮140的外周上的接触点如图13所示那样转移到T1。随着辅助轮140的进一步的旋转，辅助轮140的外周上的接触点如图14所示那样转移到Tx。在该状态下，对于辅助轮140，台阶S的跨越完成。

之后，与台阶S的边缘接触的是主轮130。即，主轮130借助从台阶S的边缘受到的摩擦力而旋转，从而主轮130的跨越开始。具体来说，主轮130的外周上的与台阶S的接触点如图15所示那样从Tx转移到T1。而且，如图16所示，主轮130的外周上的接触点随着主轮130的旋转而转移到T3。其结果是，对于主轮130的台阶S的跨越完成，脚轮100整体的台阶S的跨越完成。

这样，根据本实施例，在与主轮130的回转半径和回转中心对应的位置设置辅助轮140，由此，即便是比以往高的台阶且斜着进入的情况下，也能够跨越。

另外，之所以例示30°作为进入角是因为：考虑到实际上以比30度小的锐角进入台阶是难以想到的。当然，在以其它的进入角进入的情况下，上述的脚轮100的结构也能够发挥比以往高的台阶的跨越能力。此外，“台阶”并非只意味着具有与行走面垂直的面的障碍物。总之，“台阶”是指在两个平滑的行走面之间存在的高度的差距。

＜变形例＞

能够对上述实施例进行适当变形。下面，例示进行变形时的观点。

轮椅10不必为四轮。例如，也可以是三轮的轮椅，其中，脚轮100只将一个辅助轮140作为前轮来使用。或者，也可以是六轮的轮椅，其中，设置两个后轮200和四个辅助轮140，辅助轮140在后轮200的前后各设置两个。并且，轮椅10不必为电动式。

关于安装脚轮100的对象，除轮椅以外，也可以是例如用于搬运货物的普通的手推车。总之，是能够载置物体并改变方向地移动的对象，其用途不被限定。

Claims (6)

1.一种脚轮，其特征在于，所述脚轮具备：

框架；

安装部，其设置于所述框架，并与结构体连接，使得所述框架能够以安装轴线为中心回转；

第1车轮，其安装于所述框架；以及

比所述第1车轮小的两个第2车轮，它们安装于所述框架，并分别配置在所述第1车轮的两侧，

设所述第1车轮与所述第2车轮之间的间隔为d，设所述第1车轮的回转半径为则满足下面的式子：

设所述第1车轮的半径为R，设α为常数，其中0＜α＜90°，

则满足下面的式子：

和

其中0°＜α＜90°。

2.根据权利要求1所述的脚轮，其特征在于，

设在与所述安装轴线垂直的平面内，从回转中心到各第2车轮的行进方向侧的前端的距離为L1，则满足下面的式子：

d/L1＝cosβ，其中20°≤β≤30°。

3.根据权利要求2所述的脚轮，其特征在于，

设在所述安装轴线的平面内，从回转中心到各第2车轮的行进方向侧的前端的距離为L1，则满足下面的式子：

d/L1＝cosβ，其中15°≤β≤45°。

4.根据权利要求1所述的脚轮，其特征在于，

设所述第2车轮的半径为r，设与所述第1车轮的旋转轴线垂直的平面内的、所述第1车轮的旋转中心和所述第2车轮的旋转中心之间的距离为L2，则满足下面的式子：

r＞R/3；和

L2＞R－r。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的脚轮，其特征在于，

在所述框架，用于确定所述第1车轮的安装位置的孔、和用于确定所述第2车轮的安装位置的孔中的至少一方设置有多个。

6.一种轮椅，所述轮椅将权利要求1至5中的任一项所述的脚轮作为前轮来使用。