CN105266981A

CN105266981A - 爬楼轮椅

Info

Publication number: CN105266981A
Application number: CN201410336001.3A
Authority: CN
Inventors: 杨宏; 马运东; 杨宇
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-01-27

Abstract

一种爬楼轮椅，其包括框架、座椅、轮子结构组、腿结构组、测量及传感器结构组、电源及控制结构组、掌上电脑。该轮椅在上下楼梯时，其左侧或右侧正对楼梯，轮椅的腿通过向左侧或右侧平移、进而带动框架向左侧或右侧平移；该轮椅的框架的左侧和右侧都安装有测距探头，在轮椅移动的过程中，测距探头不间断的扫描地面，将距离信息上传到掌上电脑，形成了行进路线上的地形图，控制系统以该地形图为基础计算下一步的移动参数。该轮椅在平地上与普通轮椅一样，靠四个轮子行进。

Description

爬楼轮椅

技术领域

本发明涉及一种爬楼轮椅，尤其是能够攀爬楼梯和跨越障碍的轮椅，属于助老助残服务机器人领域。

背景技术

目前，公知的常用轮椅装置采用轮式运动形式，只能在平地上行走，而不能跨越像台阶、门槛这样的障碍，更不能攀爬楼梯，因此乘坐轮椅人员的活动范围受到很大的限制。目前具有楼梯攀爬能力的特殊轮椅装置包括轮组式、履带式、轨道式和有腿式(步行式)四种。轮组式轮椅一般采用星型轮机构，能攀爬楼梯和翻越马路牙子，其缺点是楼梯的宽度和高度必须与轮子的大小相适合，因此对于楼梯的构造和规格有一定的限制；履带式轮椅通过履带在楼梯上行走，其缺点是在爬楼梯时履带容易损坏楼梯且需要有防滑措施，其应用受到限制；轨道式需要在楼梯上安装专门的轨道机构，由于轨道机构不能随轮椅一起随意移动到不同的场合，应用也受到限制；有腿式轮椅一般在轮椅的基础上增加了两条腿，可以爬上台阶和翻越障碍，但是在攀爬台阶和翻越障碍的过程中座椅倾斜严重，给乘员造成很大的不适感。

发明内容

为了克服现有楼梯攀爬轮椅对楼梯结构的限制和对专用设施的依赖，本申请提供一种新的爬楼轮椅，该爬楼轮椅对楼梯的结构不加限制，也不依赖于其他的专用设施，不仅能够保证楼梯攀爬过程中乘员的安全性，而且能够保证乘员在楼梯攀爬过程中的舒适性。

本发明的爬楼轮椅包括框架、座椅、轮子结构组、腿结构组、测量及传感器结构组、电源及控制结构组、掌上电脑。本发明中的轮子结构组和腿结构组是相互独立的，并分别对应于轮式和腿式两种运动模式。

该轮椅的轮子结构组包括4个轮子，每个轮子都通过轮子支撑杆连接到框架上；4个轮子中至少有一个轮子配备了驱动电机，从而可以带动整个轮椅前进或者后退；4个轮子中至少有一个轮子可以自动或者手动调整方向，从而带动整个轮椅转向。该轮椅的腿结构组有数条腿，每条腿的结构相同，都包含有运动连接部、平移电机和齿轮、电动推杆、压力传感器；框架中的一条横杆穿过腿的运动连接部，该横杆的下表面、两个侧面、上表面边沿与腿的运动连接部紧密接触，形成阻力很小的滑动面，腿的运动连接部安装有平移电机和齿轮，横杆的上表面有齿条，齿轮与齿条相互啮合；平移电机驱动齿轮转动，通过齿轮与齿条的啮合，从而可以驱动腿与横杆之间的相对平移运动；平移电机内部安装有位置传感器；电动推杆可以改变腿的长度，实现腿的落脚或者抬脚。

本发明的轮椅的腿式运动模式包括以下具体动作：抬脚、落脚、腿平移、平台平移、平台上升、平台下降。抬脚是指调节腿的长度，使得该腿离开地面；落脚是指调节腿的长度，使得该腿接触地面并分担整个轮椅的重量；腿平移是指腿在抬脚的状态下，通过该腿平移电机的驱动，使得该腿在横杆上左右移动；平台平移是指，在一组腿处于落脚的状态下，该组腿的平移电机同时同方向驱动，使得整个框架相对于该组腿左右移动，此时，由于该组腿处于落脚的状态下，该组腿相对于地面是不移动的；平台上升是指，在一组腿处于落脚的状态下，该组腿的电动推杆同时动作，使得该组腿的长度同等增加，从而使得框架上升；平台下降是指，在一组腿处于落脚的状态下，该组腿的电动推杆同时动作，使得腿的长度同等减小，从而使得框架下降。

轮式和腿式两种运动模式的切换是通过抬脚或者落脚来实现的。在平地上采用轮式运动模式，这种情况下，所有腿都抬脚，使得所有腿都处于最短的状态，所有腿的最低点高于地平面，4个轮子着地，由轮子驱动整个装置运动。在攀爬楼梯和跨越障碍时，采用腿式运动模式，这种情况下，所有腿中至少有4条腿落脚，4个轮子都处于悬空的状态，整个轮椅通过腿的运动，实现攀爬楼梯和跨越障碍的功能。

测量及传感器结构组包括测距探头、倾角传感器、摄像头、压力传感器；倾角传感器用于测量框架的水平程度，在整个运动过程中，框架会尽量保持水平状态；每条腿中都有压力传感器，压力传感器上传压力信息到控制系统，在控制系统的调节下，指示电动推杆调节腿的长度，使得落脚的腿能够比较均匀的分担整个装置的重量；摄像头将得到的图像信息上传到掌上电脑，利用掌上电脑可以显示和分析地形信息；轮椅的顶部安装有测距探头，防止轮椅的顶部碰到障碍物。

电源及控制结构组包括电源、控制电路和控制手柄。

该轮椅在上下楼梯时，其左侧或右侧正对楼梯，轮椅的腿通过向左侧或右侧平移、进而带动框架向左侧或右侧平移；该轮椅的框架的左侧和右侧都安装有测距探头，在轮椅移动的过程中，测距探头不间断的扫描地面，将距离信息上传到掌上电脑，形成了行进路线上的地形图，控制系统以该地形图为基础计算下一步的移动参数。该轮椅的腿分为二组，这二组腿交替落脚和抬脚；在一组腿落脚并得到确认后，在该组腿的作用下实现平台平移，同时实现平台上升或者平台下降，与此同时，另一组腿依次实现抬脚、腿平移、落脚；一组腿落脚并得到确认是指，该组腿的压力传感器得到的压力值明显高于另一组腿的压力传感器得到的压力值，这表明，该组腿承担着轮椅的大部分重量，这时候，另一组腿只需要抬脚，则轮椅的重量就会自然的全部转移到该组腿。腿的平移电机中安装有位置传感器，经过调零后，电机的转子位置对应于腿在横杆的位置；根据行进路线上的地形图产生腿的落脚点的给定位置，并通过控制平移电机，可以使得腿能够落脚于该落脚点。

附图说明

图1是本发明的立体示意图；

图2是本发明的腿与框架的连接的局部放大图；

图3是本发明的腿结构组与框架的连接示意图；

图4是本发明的实施例的足迹示意图；

具体实施方式

在图1所示的本发明的立体示意图中，本发明的轮椅包括框架1、轮子结构组2、控制手柄3、掌上电脑4、测距探头5、摄像头6、倾角传感器7、腿8、控制盒9；电源及控制结构组包括控制手柄和控制盒，控制盒中有电源和控制电路。

在图2所示的本发明的腿与框架的连接的局部放大图中，腿的运动连接部13安装有平移电机11和齿轮12，横杆15的上表面有齿条14，齿轮12与齿条14相互啮合；平移电机11驱动齿轮12转动，通过齿轮12与齿条14的啮合，从而可以驱动腿与横杆15之间的相对平移运动；平移电机11内部安装有位置传感器，控制系统根据该位置传感器的信号以及初始位置信息，可以得到该平移电机所在的腿在横杆上的位置。

在图3所示的本发明的腿结构组与框架的连接示意图中，腿结构组一共有8条腿，分别是21、22、23、24、25、26、27、28；8条腿分为二组，在保证轮椅的重心稳定的前提下，二组的组成可以有多种方案，比如，一组是21、24、25、28而另一组是22、23、26、27，或者，一组是21、24、26、27而另一组是22、23、25、28，本实施例采用前者即，一组是21、24、25、28而另一组是22、23、26、27。

电动推杆可以改变腿的长度，实现腿的落脚或者抬脚，本实施例中可以采用深圳市高博世科技有限公司的型号为TG100的电动推杆。倾角传感器用于测量框架的水平程度，在整个运动过程中，框架会尽量保持水平状态。每条腿中都有压力传感器，本实施例中，压力传感器位于腿的运动连接部与电动推杆之间，压力传感器上传压力信息到控制系统，在控制系统的调节下，指示电动推杆调节腿的长度，使得落脚的腿能够比较均匀的分担整个轮椅的重量。

本发明的爬楼轮椅在上楼或者下楼的时候，是侧向运动的。首先通过轮式运动模式，调整轮椅的方向，使得轮椅侧面正对上楼或者下楼的方向。然后切换到腿式运动模式，在该模式下，二组腿交替落脚和抬脚；在一组腿落脚并得到确认之后，在该组腿的作用下实现平台平移，同时实现平台上升或者平台下降，与此同时，另一组腿依次实现抬脚、腿平移、落脚。一组腿落脚并得到确认是指，该组腿的压力传感器得到的压力值明显高于另一组腿的压力传感器得到的压力值，这表明，该组腿承担着轮椅的大部分重量，这时候，另一组腿只需要抬脚，则轮椅的重量就会自然的全部转移到该组腿。

考虑到轮椅的重心以及轮椅的稳定性，在图3中，8条腿的移动范围是有限制的，8条腿中每2条腿位于一个横杆上，一共4个横杆，任一横杆上的2条腿必须分别位于该横杆中心点的两侧，不能越过中心点，否则可能会导致轮椅的重心位于一组腿的四个落脚点组成的四边形的外面，造成轮椅的倾覆。

腿的平移电机中安装有位置传感器，经过调零后，电机的转子位置对应于腿在横杆的位置；根据行进路线上的地形图产生腿的落脚点的给定位置，并通过控制平移电机，可以使得腿能够落脚于该落脚点。

下面以下楼梯、楼梯在轮椅的左侧为例，说明下楼过程。

图4是本发明的实施例的足迹示意图。

开始的时候，第一组腿为21、24、25、28，分别落脚于IIA、IID、IA、ID，第二组腿为22、23、26、27，分别落脚于IIB、IIC、IB、IC；此时，第二组腿抬脚，向左侧腿平移；同时平台平移向左，平台下降；然后，第二组腿落脚。此时，第二组腿分别落脚于IIIB、IIIC、IIB、IIC。

第二组腿落脚并得到确认后，第一组腿抬脚，向左侧腿平移；同时平台平移向左，平台下降；然后，第一组腿落脚。此时，第一组腿分别落脚于IVA、IVD、IIIA、IIID。

第一组腿落脚并得到确认后，第二组腿抬脚，向左侧腿平移；同时平台平移向左，平台下降；然后，第二组腿落脚。此时，第二组腿分别落脚于VB、VC、IVB、IVC。

第二组腿落脚并得到确认后，第一组腿抬脚，向左侧腿平移；同时平台平移向左，平台下降；然后，第一组腿落脚。此时，第一组腿分别落脚于VIA、VID、VA、VD。

第一组腿和第二组腿交替落脚和抬脚，就可以实现下楼的功能，上楼的情况与下楼类似，区别在于平台下降变成平台上升，不再赘述。

Claims

1.一种爬楼轮椅，其包括框架、座椅、轮子结构组、腿结构组、测量及传感器结构组、电源及控制结构组、掌上电脑，其特征在于：该轮椅在上下楼梯时，其左侧或右侧正对楼梯，轮椅的腿通过向左侧或右侧平移、进而带动框架向左侧或右侧平移；该轮椅的框架的左侧和右侧都安装有测距探头，在轮椅移动的过程中，测距探头不间断的扫描地面，将距离信息上传到掌上电脑，形成了行进路线上的地形图，控制系统以该地形图为基础计算下一步的移动参数。

2.根据权利要求1所述的爬楼轮椅，其特征在于：该轮椅的腿结构组有数条腿，每条腿的结构相同，都包含有运动连接部、平移电机和齿轮、电动推杆、压力传感器；框架中的一条横杆穿过腿的运动连接部，该横杆的下表面、两个侧面、上表面边沿与腿的运动连接部紧密接触，形成阻力很小的滑动面，腿的运动连接部安装有平移电机和齿轮，横杆的上表面有齿条，齿轮与齿条相互啮合；平移电机驱动齿轮转动，通过齿轮与齿条的啮合，从而可以驱动腿与横杆之间的相对平移运动；电动推杆可以改变腿的长度，实现腿的落脚或者抬脚。

3.根据权利要求1、2所述的爬楼轮椅，其特征在于：测量及传感器结构组包括测距探头、倾角传感器、摄像头、压力传感器；倾角传感器用于测量框架的水平程度，在整个运动过程中，框架会尽量保持水平状态；每条腿中都有压力传感器，压力传感器上传压力信息到控制系统，在控制系统的调节下，指示电动推杆调节腿的长度，使得落脚的腿能够比较均匀的分担整个装置的重量；摄像头将得到的图像信息上传到掌上电脑，利用掌上电脑可以显示和分析地形信息；轮椅的顶部安装有测距探头，防止轮椅的顶部碰到障碍物。

4.根据权利要求1、2、3所述的爬楼轮椅，其特征在于：该轮椅的腿分为二组，这二组腿交替落脚和抬脚；在一组腿落脚并得到确认后，在该组腿的作用下实现平台平移，同时实现平台上升或者平台下降，与此同时，另一组腿依次实现抬脚、腿平移、落脚。腿的平移电机中安装有位置传感器，经过调零后，电机的转子位置对应于腿在横杆的位置；根据行进路线上的地形图产生腿的落脚点的给定位置，并通过控制平移电机，可以使得腿能够落脚于该落脚点。