CN108210189A - 一种可电动助力行走与爬楼驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，采用将行走机构与爬行架相结合，构成创新性的行星齿轮传动原理；平路行走时，驱动部带动太阳轮正向旋转，具有两个行走轮同时与地面接触，太阳轮带动行星轮围绕行星轴反向自转，齿圈的内齿和外齿与行星轮同步反向旋转，以使传动齿轮带动行走轮正向旋转实现行走转动；楼梯爬行时，太阳轮正向旋转，行走轮遇楼梯受阻，传动齿轮、齿圈的内齿与外齿停止转动，太阳轮带动行星轮沿内齿正向公转，以使行星轴带动爬行架正向旋转实现越障爬行；解决了现有星轮结构在行走轮无法运转时造成爬行架动力反向运转，难以完成爬楼功能的技术问题，并具有结构简单与使用安全可靠的特点。

Description

一种可电动助力行走与爬楼驱动装置

技术领域

本发明涉及爬楼器械技术领域，具体是一种可电动助力行走与爬楼驱动装置。

背景技术

对于没有电梯的轮椅爬楼或搬运重物，是一件很困难的事情，需要消耗更多的人力才能完成，因此，采用电动动力的自动载重爬楼机或爬楼轮椅应运而生。爬楼机或爬楼轮椅的执行行走部分基本类同，按照其传动方式可分为：履带式、步进支撑式和星轮式三种。

其中，履带型机构的爬楼装置为连续的行走方式，但当履带每离开上一台阶或行进到下一台阶时会出现因重心偏离而前后倾侧，不适合在楼梯阶沿太光滑及斜度大于30－35度的环境使用，另外履带的质量较重与磨损较大，以造成使用不方便、对楼梯阶沿造成损伤与后期维修成本高的问题，同时在平地行走时其阻力也较大，转角处拐弯不灵活。对此，国内外提出过各种各样的改进机构，但目前仍不是很理想。

步进支撑式爬楼装置已有近百年的历史，由两套支承装置交替支承，以实现上下楼梯的功能，经过多年不断的演变和改进，具有使用广泛及安全性比较高的优点，但步进支撑式爬楼装置存在传动机构复杂、结构高度集成化的特点，加之大量高硬度轻质材料的使用导致造价高昂。

星轮式的爬楼机构由均匀分布在Y形、五星或十字形系杆上的若干个小轮构成，各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转，在平地行走时，各小轮自转，而爬楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼的功能，星轮式爬楼机构具有传动结构简单，平地行走、爬楼梯及转弯转角都比较灵活，且质量轻便和造价低廉的优点，适于推广应用。

公告号为CN103932849B的发明专利公开了一种欠驱动自适应式爬楼轮椅，其欠驱动轮系包括齿轮箱、轮架轴、中轴、小轴、车轮、变速箱、轮架轴上套装的大齿轮、中轴上活动套装的中齿轮、小轴上活动套装的小齿轮，小齿轮、中齿轮和大齿轮均设置在齿轮箱内，车轮与小齿轮数量相同，且与小齿轮固定连接，大齿轮与中齿轮相齿合，中齿轮与小齿轮相齿合，轮架轴与变速箱的动力输出端连接，该欠驱动轮系为三臂星形轮系，三臂星形轮系优点在于可以跨过较高的障碍；

但上述技术方案的爬楼驱动轮系在遇到障碍时，车轮会停止转动，进而使小齿轮和中齿轮也会停止转动，大齿轮对中齿轮的力矩会使整个轮系产生向前翻转转动以实现跨过障碍，但问题在于，大齿轮与中齿轮以及中齿轮与小齿轮均是采用外齿合传动形式，也即大齿轮与中齿轮的旋转方向相反，小齿轮与大齿轮的旋转方向相同，当大齿轮正向转动时，中齿轮起到传动作用使小齿轮也同步正向转动；在大齿轮正向转动为正向前行时，大齿轮对中齿轮的力矩会使整个轮系产生向大齿轮转动方向相反的反向转动，也即使整个轮系产生向后翻转转动而非向前翻转转动，进而造成轮椅向后退，从而无法实现向前跨过障碍的爬楼梯使用功能需要；另外，通过对现有专利技术的检索分析发现，三壁星形轮系均采用上述类同的外齿合传动形式，因此研究设计一种能实现爬楼梯使用功能需要，且轻便可靠的星形轮轮椅驱动装置十分必要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，采用行星齿轮结构的传动工作原理，可有效实现平路行走及楼梯爬行的使用功能需要，解决了现有星轮结构在行走轮无法运转时造成爬行架动力反向运转，难以完成爬楼功能的问题，具有结构简单、轻便可靠以及实用性强的特点。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，包括爬行架、驱动部以及行走机构，所述行走机构包括行走轮组以及行星轮组，所述行走轮组的数量为多个且构成以行星轮组轴心为中心的星形状；

所述行走轮组包括与爬行架转动连接的转轴、安装在转轴上的传动齿轮以及固设在转轴外端的行走轮；

所述行星轮组包括主轴、太阳轮、行星轴、行星轮以及齿圈，所述主轴转动连接在爬行架上且与驱动部的动力输出端连接，所述太阳轮固设在主轴的外端，所述行星轴与爬行架固定连接，所述行星轮转动连接在行星轴的外端，且行星轮的数量为多个，所述齿圈具有与太阳轮同轴心的内齿和外齿；

所述行星轮与太阳轮外齿合，且行星轮与所述齿圈的内齿内齿合，所述外齿与传动齿轮外齿合；

平路行走工作状态，驱动部动力传递到主轴以使太阳轮正向旋转，具有两个行走轮与地面接触，太阳轮带动行星轮围绕行星轴反向自转，齿圈的内齿和外齿与行星轮同步反向旋转，以使传动齿轮带动行走轮正向旋转实现行走转动；

楼梯爬行工作状态，驱动部动力传递到主轴以使太阳轮正向旋转，行走轮遇楼梯受阻，传动齿轮、齿圈的内齿与外齿停止转动，太阳轮带动行星轮沿内齿正向公转，以使行星轴带动爬行架正向旋转实现越障爬行。

进一步地，还包括安装在主轴上且位于齿圈外侧的齿圈固定板，且所述齿圈固定板与齿圈可拆卸连接。

进一步地，还包括单向轴承，所述转轴通过单向轴承实现与爬行架转动连接。

进一步地，所述行走轮组的数量为3-5个。

进一步地，所述驱动部包括旋转电机和变速机构，所述旋转电机通过变速机构与主轴动力连接。

进一步地，还包括与旋转电机电连接的电力控制单元，所述电力控制单元包括蓄电池组、电池监控模块、显示及充电模块、传感器及控制模块、操控开关以及电机驱动模块。

进一步地，所述传感器及控制模块中的传感器包括角度传感器，所述角度传感器用于感测行走及爬行角度以控制电机驱动模块的输出功率大小或主轴的转速大小。

本发明的有益效果：

1、本发明采用将行走机构与爬行架相结合，构成创新性的行星齿轮传动工作原理，行走机构包括行走轮组以及行星轮组，行星轮组包括主轴、太阳轮、行星轴、行星轮以及齿圈；在平路行驶工作状态时，驱动部动力传递到主轴以使太阳轮正向旋转，具有两个行走轮与地面接触，太阳轮带动行星轮围绕行星轴反向自转，齿圈的内齿和外齿与行星轮同步反向旋转，以使传动齿轮带动行走轮正向旋转实现行走转动；楼梯爬行工作状态时，驱动部动力传递到主轴以使太阳轮正向旋转，行走轮遇楼梯受阻，传动齿轮、齿圈的内齿与外齿停止转动，太阳轮带动行星轮沿内齿正向公转，以使行星轴带动爬行架正向旋转实现越障爬行，从而有效实现平路行走及楼梯爬行的使用功能需要；

2、本发明中设置具有内齿与外齿的齿圈，既可起到太阳轮对传动齿轮的同向动力传递作用，还可在传动齿轮及齿圈固定受阻时，保证行星轮带动爬行架沿内齿同向旋转，解决了现有星轮结构在行走轮无法运转时造成爬行架动力反向运转，难以完成爬楼功能的问题，太阳轮的动力输出顺畅，且运转工作灵活无卡滞，使用轻便可靠；

3、本发明中的转轴通过单向轴承实现与爬行架转动连接，应用单向轴承或称超越轴承，可在驱动部失去电力或电机出现故障时，仍可由人力单方向运作行走，使用方便，满足不同的实际使用需要；

4、本发明的可电动助力行走与爬楼驱动装置，行走轮组的数量可根据实际应用需要进行具体设定，爬行架与行走轮组相对应，有效取代了传统人力搬运方式，可适于不同载重运输爬行及轮椅爬行的爬楼应用，并具有其结构简单、布局紧凑、质量轻便、价格低廉与实用性强的特点，适于推广应用。

附图说明

图1为本发明一种可电动助力行走与爬楼驱动装置的结构示意图；

图2为本发明的行星轮组一种实施例结构示意图；

图3为本发明的电力控制单元的流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明作进一步详细说明。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，包括爬行架1、驱动部以及行走机构，爬行架作为与轮椅或载重运输爬楼装置的连接使用，用于安装在车架底部的纵向两侧，起到结构连接与支承作用，同时驱动部也安装车架上，用于给行走机构提供动力，爬行架与驱动部需根据行走机构进行对应设定，具体结构可结合现有机械技术手段，此处不作赘述；所述行走机构包括行走轮组3以及行星轮组4，所述行走轮组的数量为多个且构成以行星轮组轴心为中心的星形状，也即多个行走轮组呈以行星轮组轴心为中心均布设置，爬行架的设置可与行走轮组的数量相对应；优选的，行走轮组的数量为3-5个，以满足不同的载重或使用功能需要，根据实际应用经验，设3个行走轮组时，可有利于使行走轮组跨过较高的障碍，适于楼梯爬行需要；

所述行走轮组包括与爬行架转动连接的转轴31、安装在转轴上的传动齿轮32以及固设在转轴外端的行走轮33，若行走轮组的数量为三个时，三个转轴的轴心之间连线构成等边三角形，相邻行走轮之间需间距设置，以避免产生相互干涉；

所述行星轮组包括主轴41、太阳轮42、行星轴43、行星轮44以及齿圈45，所述主轴转动连接在爬行架上且与驱动部的动力输出端连接，所述太阳轮固设在主轴的外端，所述行星轴与爬行架固定连接，所述行星轮转动连接在行星轴的外端，且行星轮的数量为多个，优选为三个，也可与行走轮组的数量相对应，可根据实际需要进行具体设定；另外，当行走轮与行星轮也同样设为三个时，其爬行架与行走轮及行星轮的数量优选相对应设置，且优选主轴、行星轴及转轴的轴心之间位于同一连线上；所述齿圈具有与太阳轮同轴心的内齿45a和外齿45b；所述行星轮与太阳轮外齿合，且行星轮与所述齿圈的内齿内齿合，所述外齿与传动齿轮外齿合；

所述驱动部优选包括旋转电机和变速机构，所述旋转电机通过变速机构与主轴动力连接，变速机构或称为变速箱，可起到对旋转电机输出转动速度的调配作用，变速机构可采用现有成熟技术手段；

作平路行走工作状态时，驱动部动力传递到主轴以使太阳轮正向旋转，此时具有两个行走轮与地面接触，由于行走轮的阻力小，爬行架被固定，也即构成太阳轮主动、爬行架固定与齿圈被动的运转模式，太阳轮带动行星轮围绕行星轴反向自转，齿圈的内齿和外齿与行星轮同步反向旋转，也即行星轮由于与太阳轮外齿合，使行星轮与太阳轮的转向相反，齿圈的内齿与行星轮内齿合，使齿圈与行星轮转向相同并与太阳轮转向相反，齿圈的外齿与传动齿轮外齿合，使传动齿轮与齿圈的转向相反并与太阳轮转向相同，从而使传动齿轮带动行走轮正向旋转以实现正向转动行走的使用功能需要；

作楼梯爬行工作状态，驱动部动力传递到主轴以使太阳轮正向旋转，此时行走轮遇楼梯受阻，传动齿轮连同齿圈被停止转动，也即构成太阳轮主动、齿圈被固定与爬行架被动的运转模式，行星轮在太阳轮带动下作反向自转，同时行星轮沿齿圈的内齿作正向公转，从而使行星轴带动爬行架作正向旋转以实现带动行走轮组作越障爬行的使用功能需要。

由上述技术方案可知，设置的具有内齿与外齿的齿圈，既可起到太阳轮对传动齿轮的同向动力传递作用，还可在传动齿轮及齿圈固定受阻时，保证了行星轮带动爬行架沿内齿同向旋转，解决了现有星轮结构在行走轮无法运转时造成爬行架动力反向运转，难以完成爬楼功能的问题。

本技术方案的行星轮组可归结为以下运转工作原理：

1)齿圈固定，太阳轮主动，爬行架被动；2)齿圈固定，爬行架主动，太阳轮被动；3)太阳轮固定，齿圈主动，爬行架被动；4)太阳轮固定，爬行架主动，齿圈被动；5)爬行架固定，太阳轮主动，齿圈被动；6)爬行架固定，齿圈主动，太阳轮被动；7)把齿圈、太阳轮与爬行架三个元件中任意两个结合为一体；8)齿圈、太阳轮与爬行架三个元件中任意一元件为主动，其余两元件自由。由上述原理可知，利用齿圈的中间传动作用，可实现多种不同的工作模式原理，在与行走轮的传动齿轮配合过程中，可保证太阳轮的动力输出更加顺畅，且运转工作灵活无卡滞，使用安全可靠；根据上述行星轮组的工作原理可以得出，平路行走状态的行星轮组工作原理为：序号5)爬行架固定，太阳轮主动，齿圈被动，楼梯爬行状态的行星轮组工作原理为：序号1)齿圈固定，太阳轮主动，爬行架被动。

如图2所示，作为优选的一种技术方案，还包括安装在主轴上且位于齿圈外侧的齿圈固定板46，且所述齿圈固定板与齿圈可拆卸连接，设置齿圈固定板可起到对齿圈的固定作用，并与主轴作同轴转动，可保证齿圈的传动可靠与稳定性；齿圈的另外一种实施例，包括具有内齿的齿圈内齿轮451与具有外齿的齿圈外齿轮，也即将内齿与外齿作分开设置，所述齿圈外齿轮具有用于安装齿圈内齿轮的轴孔，通过齿圈固定板以实现齿圈内齿轮与齿圈外齿轮可拆卸固定连接；同时，也可便于生产制造，满足不同的安装与使用需要。

作为优选的一种技术方案，还包括单向轴承5，所述转轴通过单向轴承实现与爬行架转动连接；应用单向轴承或称超越轴承，当在驱动部失去电力或电机出现故障时，仍可由人力单方向运作行走，使用方便，满足不同的实际使用需要。

如图3所示，还包括与旋转电机电连接的电力控制单元，所述电力控制单元包括蓄电池组、电池监控模块、显示及充电模块、传感器及控制模块、操控开关以及电机驱动模块，蓄电池组可为电机提供电力，由电池监控模块监控电池的电量及实时使用状态，由显示及充电模块显示电力状况及电量的补充，传感器及控制模块与操控开关，可用于驱动装置的自动控制与手动控制模式的调节或切换，各控制模块优选采用现有成熟技术手段的PLC集成控制。

进一步的，所述传感器及控制模块中的传感器包括角度传感器，所述角度传感器用于感测行走及爬行角度以控制电机驱动模块的输出功率大小或主轴的转速大小，此处可结合安装本驱动装置的轮椅或载重运输部分的需要设置用于感测位置或距离的距离传感器以及其它应用类传感器，此处不作赘述。

由上述技术方案可知，本发明的一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，可根据载重量及实际需要采用两个或两个以上的旋转电机提供动力，行走机构的安装方式结合现有轮椅及载重爬楼机等的结构进行具体设计以连接固定；另外其驱动方式也不局限于电力推动，也可根据实际应用环境及技术的进步采用其它动力方式实现。

以上的说明和实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，包括爬行架(1)、驱动部以及行走机构，其特征在于：所述行走机构包括行走轮组(3)以及行星轮组(4)，所述行走轮组的数量为多个且构成以行星轮组轴心为中心的星形状；

所述行走轮组包括与爬行架转动连接的转轴(31)、安装在转轴上的传动齿轮(32)以及固设在转轴外端的行走轮(33)；

所述行星轮组包括主轴(41)、太阳轮(42)、行星轴(43)、行星轮(44)以及齿圈(45)，所述主轴转动连接在爬行架上且与驱动部的动力输出端连接，所述太阳轮固设在主轴的外端，所述行星轴与爬行架固定连接，所述行星轮转动连接在行星轴的外端，且行星轮的数量为多个，所述齿圈具有与太阳轮同轴心的内齿(45a)和外齿(45b)；

所述行星轮与太阳轮外齿合，且行星轮与所述齿圈的内齿内齿合，所述外齿与传动齿轮外齿合；

平路行走工作状态，驱动部动力传递到主轴以使太阳轮正向旋转，具有两个行走轮与地面接触，太阳轮带动行星轮围绕行星轴反向自转，齿圈的内齿和外齿与行星轮同步反向旋转，以使传动齿轮带动行走轮正向旋转实现行走转动；

楼梯爬行工作状态，驱动部动力传递到主轴以使太阳轮正向旋转，行走轮遇楼梯受阻，传动齿轮、齿圈的内齿与外齿停止转动，太阳轮带动行星轮沿内齿正向公转，以使行星轴带动爬行架正向旋转实现越障爬行。

2.根据权利要求1所述的一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，其特征在于：还包括安装在主轴上且位于齿圈外侧的齿圈固定板(46)，且所述齿圈固定板与齿圈可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，其特征在于：还包括单向轴承(5)，所述转轴通过单向轴承实现与爬行架转动连接。

4.根据权利要求1所述的一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，其特征在于：所述行走轮组的数量为3-5个。

5.根据权利要求1所述的一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，其特征在于：所述驱动部包括旋转电机和变速机构，所述旋转电机通过变速机构与主轴动力连接。

6.根据权利要求5所述的一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，其特征在于：还包括与旋转电机电连接的电力控制单元，所述电力控制单元包括蓄电池组、电池监控模块、显示及充电模块、传感器及控制模块、操控开关以及电机驱动模块。

7.根据权利要求6所述的一种可电动助力行走与爬楼驱动装置，其特征在于：所述传感器及控制模块中的传感器包括角度传感器，所述角度传感器用于感测行走及爬行角度以控制电机驱动模块的输出功率大小或主轴的转速大小。