CN108294870B - 无障碍通行平衡车 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种安全快捷的无障碍通行平衡车。其可以适应平地、楼梯、崎岖道路等各种地形。平衡车主要由四个可控转动复合轮和竖直平衡车体框架组成，复合轮包含行走轮、履带和麦克纳姆轮，普通道路用行走轮，不平道路用行走轮和履带组合，楼梯使用麦克纳姆轮和履带组合；车体框架利用平行四边形内角变化原理，始终保持车体竖直平衡。该车可独立操作，行走前根据道路情况，选择复合轮合适的轮组和相应的倾斜角度；行走过程中能自动保持平衡，并根据道路不平情况进行自动调节，运行平稳舒适，尤其该车在爬楼时，操作简单，能快速改变爬楼方向，可实现连续稳定快速地爬楼。

Description

无障碍通行平衡车

技术领域

本发明专利涉及一种适应平地、楼梯、崎岖道路等各种地形的无障碍通行平衡车，其主要运用于无障碍通行平衡轮椅、越野平衡车、玩具平衡车等运动机器，通过轮组的变换以及控制轮组不同的倾斜角度来适应各种地形自由行走、爬行，尤其是在遇到楼梯，该车能自动控制平衡、减缓抖动和颠簸，在狭窄的楼梯平台空间能够实现360度自由行走和快速变换爬楼方向。

背景技术

目前，公知的无障碍通行车主要有轮式、平板履带式以及两段或三段分段履带式。轮式行走过程抖动较大，楼梯抓地能力不强；平板式履带往往是通过履带与轮子组合使用，在楼梯或不平道路上用平板行走，在平地用轮子行走，在平地与楼梯之间需要来回切换，而且在用平板爬行时，需要借助人力或平衡辅助装置解决车体大幅摆动的问题，在楼梯平台调整座椅爬楼方向时操作繁琐；分段式履带也是通过履带与轮子组合使用，其很好地解决了平板式履带大幅摆动的问题，但同样需要通过履带与轮子来回切换来解决平地行走转向不灵活和行走效率低的问题，在楼梯平台上调整座椅爬楼方向耽搁的时间较长。这几种车，有的需要借助人力或辅助装置，有的运行不够安全舒适，有的需要在履带和轮子之间来回切换，调整座椅爬楼方向，操作繁琐，爬行效率低。

发明内容

为了克服现有的无障碍通行车需要借助于外力、运行不够平稳、操作繁琐、爬行效率低的不足，本发明专利提供一种无障碍通行平衡车，该车不仅在平地上可以自由行走，任意转向，而且在上下楼梯或不平道路行走时，在没有外在人力辅助下，能自动保持平衡，运行平稳舒适，特别在狭窄的道路或楼梯平台上能够简单快速变换爬楼方向，省去楼梯平台上需要调转爬楼方向的繁琐操作。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：该无障碍通行平衡车由车体框架和四个复合轮构成。

车体框架主要由复合轮旋转控制结构和车体平衡控制结构构成。

旋转控制结构主要由主副竖杆与上下横轴采用“罒”型结构构造，内侧为主竖杆，外侧为副竖杆，上横轴为固定横轴，下横轴为中间安装差速器的差速横轴。在主竖杆之间安装旋转控制齿轮与差速器齿接，其轴心与竖杆在同一平面。在旋转控制齿轮上安装锁止模块，锁止模块锁止差速器相对于竖杆的旋转角度。在差速器的外壳上安装角度模块和弹簧卡套，角度模块识别差速器相对于水平面的旋转角度，弹簧卡套开两个对称槽口，在差速器一侧的半轴上固定安装弹簧钢板，弹簧钢板的两端嵌到弹簧卡套的槽口中。

平衡控制结构由上下两根等长连杆和中心竖杆组成“工”型结构，上下连杆与中心竖杆转动连接，两根连杆的两端套接在前后旋转控制结构的横轴上，连杆可以绕横轴转动，连杆、中心竖杆以及前后竖杆形成平行四边形转动连接。以下连杆中心为轴心，在下连杆上方固定安装圆弧外齿条，在圆弧外齿条上方的中心竖杆上安装平衡传动齿轮与之齿接，平衡传动齿轮可绕圆弧外齿条转动。中心竖杆上安装平衡模块，根据平衡模块，控制平衡传动齿轮，调整连杆与中心竖杆之间的角度。根据平行四边形原理，当平衡模块感知竖杆发生倾斜，改变连杆与竖杆之间的角度，可保持竖杆竖直，也就保持车体框架竖直平衡。

复合轮采用双层设计，一层为履带层，另一层为轮组层。履带层呈等腰三角形，顶角部位安装履带主动齿轮，两个底角安装履带从动轮；轮组层由麦克纳姆轮和行走轮组成，麦克纳姆轮安装于复合轮顶部，与履带主动齿轮通过两轴齿接传动，其顶部凸出履带，两侧边与履带基带相切，行走轮安装于复合轮的底部，行走轮底部凸出履带，两侧边与履带基带相切，行走前轮采用无动力全向轮，行走后轮采用普通轮，并作为行走动力轮，每个复合轮采用单独动力驱动，行走后轮和麦克纳姆轮与履带共享动力。差速器半轴穿过行走轮与麦克纳姆之间，与复合轮采用固定方式安装。

该平衡车在实际使用时，先选择运行模式，通过旋转控制齿轮驱动差速器，差速器半轴带动复合轮旋转，根据不同的行走道路，选择合适的轮组和复合轮的倾斜角度，锁止旋转控制齿轮。然后，在行走过程中，平衡车又会自动调整，其会因为道路不平或爬楼时车椅不正，导致左右复合轮受力不平衡，由于差速器被旋转控制齿轮锁止，弹簧钢板形变，左右复合轮会通过差速器产生反向旋转，微调左右复合轮的倾斜角度，这样保持左右复合轮同时着地；当道路趋于平坦，左右复合轮又因为弹簧钢板的弹力回转，使两轮恢复到原来的倾斜角度。由于旋转控制齿轮和差速横轴安装在竖杆上，复合轮的倾斜角度就取决于平衡车竖杆的竖直情况以及旋转控制齿轮旋转角度和差速器左右半轴反向旋转角度。竖直情况由平衡模块动态监测，当平衡车前后发生倾斜，调整平衡传动齿轮，始终使平衡车竖杆保持竖直平衡。这样，只要在平衡车允许的倾斜角度范围内，竖杆始终保持竖直，复合轮倾斜角度主要由旋转控制齿轮控制，差速器只为不平路道路对左右复合轮进行微调，所以，复合轮基本以相同的倾斜角度行走，运行比较平稳舒适。每个复合轮采用独立动力驱动，行走轮、履带驱动平衡车可以前进、后退和任意转向，麦克纳姆轮驱动平衡车可以360度任意行走和转向。

将座椅或车厢与车体框架的中心竖杆固定安装，就组合成无障碍通行平衡轮椅或越野平衡车，下面以无障碍通行平衡轮椅为例加以说明无障碍通行平衡车的运行方式：

普通道路行走，选择行走轮驱动轮椅，复合轮正立向前倾斜较小的角度，行走轮着地，行走后轮驱动轮椅自由行走。

障碍物道路行走，选择行走轮与履带组合驱动轮椅，复合轮正立向前倾斜较大的角度，通过履带爬行，跨过障碍物。

崎岖道路行走，选择履带驱动轮椅，复合轮旋转至水平状态，并保持复合轮自由旋转，履带着地，四轮履带驱动轮椅平稳行走。

楼梯爬行，选择麦克纳姆轮与履带组合驱动轮椅，复合轮倒立状态，麦克纳姆轮着地。

以双跑步楼梯为例，当轮椅面向楼梯上楼时，转动旋转控制齿轮，使复合轮倒立前倾，根据角度模块控制履带前侧面与楼梯倾斜度一致，锁止旋转控制齿轮，履带驱动轮椅正向爬楼。整个轮椅水平到达楼梯平台后，不改变轮椅坐向，转动旋转控制齿轮，使复合轮倒立后倾，在复合轮后倾过程中，当四个麦克纳姆轮着地时，麦克纳姆轮驱动轮椅侧向滑动，使轮椅到达双跑楼梯的另一侧，当履带后侧面与楼梯倾斜度一致，锁止旋转控制齿轮，履带驱动轮椅背向爬楼。整个轮椅水平到达楼梯平台后，不改变轮椅坐向，转动旋转控制齿轮，使复合轮倒立前倾，在复合轮前倾过程中，当四个麦克纳姆轮着地时，麦克纳姆轮驱动轮椅侧向滑动，使轮椅到达双跑楼梯的另一侧，当履带前侧面与楼梯倾斜度一致，锁止旋转控制齿轮，履带驱动轮椅正向爬楼，重复前面的上楼动作。下楼与上楼同理，当轮椅面向楼梯下楼时，复合轮倒立后倾，履带驱动轮椅正向下楼，到达楼梯平台后，不改变轮椅坐向，复合轮倒立前倾，轮椅侧向滑动，履带驱动轮椅背向下楼，到达楼梯平台后，不改变轮椅坐向，复合轮倒立后倾，轮椅侧向滑动，履带驱动轮椅正向下楼，重复前面的下楼动作。

爬楼结束，转动旋转控制齿轮，使复合轮正立竖直，行走轮着地，平地自由行走。

本发明专利的有益效果是，在平地、崎岖道路、楼梯等不同道路之间行走，只要进行一次运行模式选择，无需在每个楼层来回切换，大大减少繁琐操作，提高爬行效率；在楼梯爬行过程中，使用履带爬行，而且控制履带的倾斜角度与楼梯倾斜角度基本保持相同，同时，又会根据道路不平、轮椅不正或旋转楼梯，反向微调左右复合轮的倾斜角度，保持四轮着地，爬行过程稳定舒适；前后采用分段式履带，无需借助外在人力或平衡支撑装置，始终保持车体稳定；平衡车自动保持竖直平衡，确保轮椅或车厢水平平衡；在楼梯平台等狭窄空间，不需要繁琐地调转平衡车方向，只要旋转复合轮和侧向滑动平衡车就可以轻松改变车的爬行方向，大大节省变换爬行方向所需的调整时间，爬楼效率高，操作简便、安全。

附图说明

下面结合附图对本发明作出进一步说明：

图1是本发明无障碍通行平衡车“罒”型结构构造图。

图2是本发明无障碍通行平衡车“工”型结构构造图。

图3是本发明无障碍通行平衡车车体框架示意图。

图4是本发明无障碍通行平衡车平行四边形机构原理图。

图5是本发明无障碍通行平衡车平行四边形机构工作原理示意图。

图6是本发明无障碍通行平衡车平衡结构构造图。

图7是本发明无障碍通行平衡车复合轮构造图。

图8是本发明无障碍通行平衡车旋转控制结构示意图。

图9是本发明无障碍通行平衡车复合轮差速微调构造图。

图10是本发明无障碍通行平衡车复合轮旋转构造图。

图11是本发明无障碍通行平衡车整体构造图。

图12是本发明无障碍通行平衡车轮椅应用示意图。

图13是本发明无障碍通行平衡车普通道路行走示意图。

图14是本发明无障碍通行平衡车障碍物道路行走示意图。

图15是本发明无障碍通行平衡车崎岖道路行走示意图。

图16-25是本发明无障碍通行平衡车楼梯爬行示意图。

1、主竖杆；2、副竖杆；3、固定横轴；4、差速横轴；5、差速器；6、弹簧钢板；7、弹簧卡套；8、旋转控制齿轮；9、旋转传动轴；10、连杆；11、连中心竖杆；12、圆弧外齿条；13、平衡传动齿轮；14、平衡传动轴；15、复合轮；16、行走轮；17、麦克纳姆轮；18、履带；19、行走电机；20、平衡电机；21、旋转电机；22、旋转减速机；23、皮带；24、座椅。

具体实施方式

在图1中，主竖杆(1)、副竖杆(2)、固定横轴(3)、差速横轴(4)连接，组成“罒”型结构。

在图2中，在上下连杆(10)的中心与中心竖杆(11)采用转轴连接，组成”工”型结构，使连杆(10)与中心竖杆(11)可以保持任意角度。在下连杆(10)的上方固定安装圆弧外齿条(12)，圆弧外齿条(12)的轴心与下连杆(10)中心重合，在圆弧外齿条(12)上方的中心竖杆(11)上安装平衡传动齿轮(13)与圆弧外齿条(12)齿接，转动平衡传动齿轮(13)，调节连杆(10)与中心竖杆(11)的角度。

在图3中，”工”型结构上下连杆(10)的两端分别套接在“罒”型结构固定横轴(3)、差速横轴(4)上，连杆(10)可以绕固定横轴(3)、差速横轴(4)转动，主竖杆(1)、中心竖杆(11)和连杆(10)形成平行四边形连接。

在图4、图5中，主竖杆(1)、中心竖杆(11)和连杆(10)形成平行四边形连接，根据平行四边形原理，当主竖杆(1)、和连杆(10)倾斜，改变平行四边形内角α至β，可以保持主竖杆(1)、中心竖杆(11)竖直平衡。

在图6中，结合图3、图4、图5，当车体框架的中心竖杆(11)倾斜，此时平衡电机(20)驱动平衡传动轴(14)转动平衡传动齿轮(13)，使平衡传动齿轮(13)绕圆弧外齿条(12)转动，调节连杆(10)与中心竖杆(11)的角度，可始终保持车体框架的中心竖杆(11)竖直。

在图7中，复合轮(15)采用双层结构，一层为履带层，另一层为轮组层。履带层呈等腰三角形，顶角部位安装履带(18)主动齿轮，两个底角安装履带(18)从动轮；轮组层由麦克纳姆轮(17)和行走轮(16)组成，麦克纳姆轮(17)安装于复合轮(15)顶部，与履带(18)主动齿轮通过两轴齿接传动，其顶部凸出履带(18)，两侧边与履带(18)基带相切，行走轮(16)安装于复合轮(15)的底部，行走轮(16)底部凸出履带(18)，两侧边与履带(18)基带相切，行走前轮采用无动力全向轮，行走后轮采用普通轮，并作为行走动力轮，行走后轮和麦克纳姆轮(17)与履带(18)共享动力，动力由安装于主竖杆(1)上的行走电机(19)提供。

在图8中，结合图1，差速器(5)安装在主竖杆(1)之间的差速横轴(4)上，在主竖杆(1)之间安装旋转控制齿轮(8)与差速器(5)齿接，其轴心与主竖杆(1)在同一平面。在差速器(5)的外壳上安装角度模块和弹簧卡套(7)，角度模块识别差速器(5)相对于主竖杆(1)的旋转角度，弹簧卡套(7)开两个对称槽口，在差速器(5)一侧的半轴上固定安装弹簧钢板(6)，弹簧钢板(6)的两端分别嵌到弹簧卡套(7)的槽口中。旋转控制齿轮(8)控制差速器(5)转动，带动差速横轴(4)转动。

在图9中，结合图8，复合轮(15)安装于差速横轴(4)的两端，差速器(5)转动，带动左右复合轮(15)旋转到一定的角度并锁止。行走时，又会因为道路不平或爬楼时车椅不正，左右复合轮(15)受力不平衡，由于差速器(5)被锁止，弹簧钢板(6)形变，左右复合轮(15)会通过差速器(5)产生反向旋转，微调左右复合轮(15)的倾斜角度，这样保持左右复合轮(15)同时着地。当道路趋于平坦，左右复合轮(15)又因为弹簧钢板(6)的弹力回转，使两轮恢复相同的倾斜角度。

在图10中，结合图8，在前后两个旋转控制结构的主竖杆(1)之间安装旋转控制齿轮(8)，并通过旋转减速机(22)与差速器(5)齿接，两个旋转减速机(22)通过皮带(23)与安装于中心竖杆(11)上的旋转传动轴(9)连接，两个旋转控制齿轮(8)的齿轮轴与旋转传动轴(9)在同一平面上，并与两根上连杆(10)组成的平面平行。旋转电机(21)驱动旋转传动轴(9)，皮带(23)传动旋转控制齿轮(8)，通过差速器(5)带动复合轮(15)的转动。

在图11实施例中，结合图6，“罒”型结构与”工”型结构组成车体框架，平衡电机(20)通过平衡传动齿轮(13)控制连杆(10)和中心竖杆(11)之间的夹角，始终保持车体框架主竖杆(1)和中心竖杆(11)竖直平衡；结合图8、图9、图10，根据道路实际情况，旋转电机(21)通过旋转传动轴(9)、皮带(23)、旋转控制齿轮(8)、差速器(5)带动复合轮(15)的转动；结合图7、图9、图10，四个复合轮(15)安装在车体框架差速横轴(4)的主竖杆(1)和副竖杆(2)之间，由四个行走电机(19)驱动复合轮(15)行走。

在图12中，结合图11，将座椅(24)固定安装于平衡车的中心竖杆(11)上，构造成无障碍通行平衡轮椅。

以无障碍通行平衡轮椅和双跑步楼梯为例说明：当轮椅面向楼梯上楼时，转动旋转控制齿轮(8)，使复合轮(15)倒立前倾，根据角度模块控制履带(18)前侧面与楼梯倾斜度一致，锁止旋转控制齿轮(8)，履带(18)驱动轮椅正向爬楼。整个轮椅水平到达楼梯平台后，不改变轮椅坐向，转动旋转控制齿轮(8)，使复合轮(15)倒立后倾，在复合轮(15)后倾过程中，当四个麦克纳姆轮(17)着地时，麦克纳姆轮(17)驱动轮椅侧向滑动，使轮椅到达双跑楼梯的另一侧，当履带(18)后侧面与楼梯倾斜度一致，锁止旋转控制齿轮(8)，履带(18)驱动轮椅背向爬楼。整个轮椅水平到达楼梯平台后，不改变轮椅坐向，转动旋转控制齿轮(8)，使复合轮(15)倒立前倾，在复合轮(15)前倾过程中，当四个麦克纳姆轮(17)着地时，麦克纳姆轮(17)驱动轮椅侧向滑动，使轮椅到达双跑楼梯的另一侧，当履带(18)前侧面与楼梯倾斜度一致，锁止旋转控制齿轮(8)，履带(18)驱动轮椅正向爬楼，重复前面的上楼动作。下楼与上楼同理，当轮椅面向楼梯下楼时，复合轮(15)倒立后倾，履带(18)驱动轮椅正向下楼，到达楼梯平台后，不改变轮椅坐向，复合轮(15)倒立前倾，轮椅侧向滑动，履带(18)驱动轮椅背向下楼，到达楼梯平台后，不改变轮椅坐向，复合轮(15)倒立后倾，轮椅侧向滑动，履带(18)驱动轮椅正向下楼，重复前面的下楼动作。

爬楼结束，转动旋转控制齿轮(8)，使复合轮(15)正立竖直，行走轮(16)着地，平地自由行走。

Claims (9)

1.一种无障碍通行平衡车，采用电力驱动，适应平地、楼梯、崎岖道路地形行走，其特征是：平衡车由车体框架和四个可旋转转动复合轮组成，车体框架由前后两个“罒”型结构和左右两个“工”型结构构造，“罒”型结构的下横轴分段由差速器连接，差速器与旋转控制齿轮齿接，圆弧外齿条安装在“工”型结构的下连杆上，平衡模块和平衡传动齿轮安装在“工”型结构的中心竖杆上，平衡传动齿轮与圆弧外齿条齿接，由平衡模块控制左右平衡传动齿轮同步转动；复合轮采用双层结构，一层为履带层，另一层为由麦克纳姆轮和行走轮组成的轮组层，麦克纳姆轮和行走轮由履带主动齿轮传动，复合轮固定安装在“罒”型结构的下横轴上，由旋转控制齿轮传动差速器，控制复合轮转动。

2.根据权利要求1所述的无障碍通行平衡车，其特征是：“罒”型结构由竖杆和横轴构造，内侧为主竖杆，外侧为副竖杆，上横轴为固定横轴，下横轴为差速横轴，差速横轴与竖杆为转动连接；“工”型结构由连杆和中心竖杆构造，上下两根连杆等长，在两根连杆的中心用中心竖杆转动连接。

3.根据权利要求2所述的无障碍通行平衡车，其特征是：“工”型结构上下两根连杆两端套接在前后“罒”型结构两根横轴上，连杆可以绕横轴转动，竖杆与连杆以及中心竖杆形成平行四边形转动连接。

4.根据权利要求3所述的无障碍通行平衡车，其特征是：在“工”型结构下连杆上方固定安装圆弧外齿条，圆弧外齿条的轴心与下连杆中心重合，在中心竖杆上安装平衡传动齿轮与圆弧外齿条齿接，平衡传动齿轮可绕固定圆弧外齿条转动，控制连杆与中心竖杆之间的夹角。

5.根据权利要求4所述的无障碍通行平衡车，其特征是：在中心竖杆上安装平衡模块，当中心竖杆发生前后倾斜，动态调整平衡传动齿轮，保持中心竖杆竖直。

6.根据权利要求1所述的无障碍通行平衡车，其特征是：复合轮履带层呈等腰三角形，顶角部位安装履带主动齿轮，两个底角安装履带从动轮；轮组层的麦克纳姆轮安装于复合轮顶部，与履带主动齿轮通过两轴齿接传动，其顶部凸出履带，行走轮安装于复合轮的底部，行走轮底部凸出履带，麦克纳姆轮和行走轮的两侧边与履带基带相切，行走前轮采用全向轮，行走后轮采用普通轮，行走轮和麦克纳姆轮与履带共享动力。

7.根据权利要求6所述的无障碍通行平衡车，其特征是：差速横轴穿过行走轮和麦克纳姆轮之间，复合轮固定安装在主副竖杆之间的差速横轴上，在主竖杆之间安装旋转控制齿轮与差速器齿接，其轴心与竖杆在同一平面，旋转控制齿轮通过差速器带动两边复合轮转动。

8.根据权利要求7所述的无障碍通行平衡车，其特征是：旋转控制齿轮安装锁止模块，锁止模块锁止差速器相对于竖杆的旋转角度，在差速器的外壳上安装角度模块和弹簧卡套，角度模块识别差速器相对于水平面的旋转角度，弹簧卡套开两个对称槽口，在差速器一侧的半轴上固定安装弹簧钢板，弹簧钢板的两端嵌到弹簧卡套的槽口中。

9.根据权利要求7所述的无障碍通行平衡车，其特征是：车体框架安装四个相同姿态的复合轮，四个复合轮同步同向旋转转动，每个复合轮独立驱动，可以以任意转速任意转向通过履带、行走轮或麦克纳姆轮驱动平衡车行走。