CN108403318A - 一种可爬楼梯的变形车轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可爬楼梯的变形车轮，包括同轴设置且可相对转动的外轮毂和内轮毂，外轮毂的外缘上均匀固定有若干固定式轮辐，每个固定式轮辐顶端两侧各铰接有一个轮缘；相邻两个轮缘通过滑槽滑销结构连接在一起；内轮毂上铰接有与外轮毂上的固定式轮辐数量相等的可动式轮辐，每一个可动式轮辐的另一端都通过所述滑槽滑销结构与两个轮缘连接在一起。控制内轮毂相对于外轮毂旋转，可动式轮辐带动两个轮缘的活动端收拢或展开，所有轮缘就会变为尖齿轮状或圆形，实现平地行走和上下楼梯的自动转换问题。本发明结构紧凑，强度有保障，平稳性较好，功能上容易实现，自动化程度和随动性好，适用范围广。

Description

一种可爬楼梯的变形车轮

技术领域

本发明属于车轮技术领域，具体涉及一种可爬楼梯的变形车轮。

背景技术

随着社会老龄化的发展，轮椅的需求量日益增大。但是轮椅需求者不仅需要在平地上代步，也要求轮椅能够行走上下楼梯，甚至行走至自己居住的楼层。变形车轮是针对轮椅而设计的，随着老龄化的到来，平地行走是一种需求，更主要是自动上下楼梯回到家中，行动不便的老年人，往往居住在旧式楼房内，安装电梯存在一定的难处。若能坐着轮椅下楼买菜，又可以再坐着轮椅上楼回到家中，中间自然会有平地的行走，但整个过程是连续的，这对轮椅需求者来讲，是很方便的，尤其是有些地铁入口处，有向上的扶梯，但下去仅是楼梯，这对行动不便的人来讲，几乎就无法去乘坐地铁(个别的地铁口可能会有直梯)，即便是平地行走，也会有些台阶。对于下肢残障的人士来讲，这些需求同样重要。

此前也曾出现过既可在平地上行走、又可以部分上台阶的轮椅，按照爬楼执行机构的类型，主要可归结为轮组式、履带式和多足式三类。但都因存在缺陷而未得到推广，如推杆式轮椅在楼梯转弯处无法回转等，使其使用受到限制。随着科技的进步，有人研究出了能够在不同地况上行走的变形车轮，如申请号201020268767.X、申请名称《多路况行走变形轮》的中国专利公开了一种能够在各种复杂路面上行走的变形轮。其结构由轮轴、内轮盘、外轮盘、通过定辐条和动辐条与轮盘铰接的多个相同的等分轮缘，以及套接在轮轴上能带动内轮盘转动使各轮辐错位、变形的动力机构组成。外轮盘的一个象限内的同一圆周上有2-5个等距离的定位孔，定位销穿过内轮盘的销钉滑动孔定位于外轮盘的定位孔中。变形时，通过动力机构中的拨叉先将定位销从定位孔中拉出，随即带动内轮盘转动，使动辐条发生扭转，并使各轮缘发生变形，当选定的定位孔与定位销对齐时，将定位销插入该定位孔中即可使变形后的轮辐重新定位。该车轮虽然可以爬楼梯，但缺点有三，一是轮缘3由圆形变为非圆形后，轮缘的伸出端太长，在使用过程中从强度方面考虑存在欠缺，二是在由圆变非圆的过程中，插、拔定位销的动作似乎是由人来完成，自动化程度不高，三是从总体结构看，该轮子上楼梯可行的话，反向下楼梯时存在可能失稳的问题，而且上楼梯时运动不会平稳。

发明内容

本发明的目的是提供一种可爬楼梯的变形车轮，解决了现有变形车轮自动化程度低、且结构复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种可爬楼梯的变形车轮，包括同轴设置且可相对转动的外轮毂和内轮毂，外轮毂的外缘上均匀固定有若干固定式轮辐，每个固定式轮辐顶端两侧各铰接有一个具有弧度的轮缘，所有轮缘可围绕成圆形；相邻两个位于不同固定式轮辐的轮缘通过滑槽滑销结构连接在一起；内轮毂上铰接有与外轮毂数量相等的可动式轮辐，每一个可动式轮辐的另一端都通过所述滑槽滑销结构与两个轮缘连接在一起；外轮毂和内轮毂各自连接一个独立的电机。

本发明的原理是：控制内轮毂相对于外轮毂旋转，可动式轮辐绕连接销转动，通过滑槽滑销结构带动两个轮缘的活动端向内收拢，所有轮缘由圆形变为尖齿轮状，可上下楼梯。控制内轮毂相对于外轮毂逆向旋转，可动式轮辐绕连接销逆向转动，通过滑槽滑销结构带动两个轮缘的活动端向外展开，所有轮缘由尖齿轮状变为圆形，可在平地上行走。

本发明的特点还在于：

进一步地，固定式轮辐和可动式轮辐的数量均为六个，轮缘为十二个。变形后的尖齿轮状车轮具有六个尖角。该结构简单、紧凑，而且无论是上下一般楼梯，还是扶梯，轮缘变形后与楼梯台面接触的滑顺、平稳性较好，功能上容易实现。

进一步地，可动式轮辐为具有弧度的弯杆，所有可动式轮辐的弧度朝向一个方向，变形后可最大程度上节省空间。

进一步地，可动式轮辐边缘设有缺口，防止其变形时的相对干涉。

进一步地，滑槽滑销结构为，每一个所述轮缘的一端都开设有滑槽，相邻两个轮缘的滑槽和一个可动式轮辐通过一个滑销连接在一起，该滑销可在两个滑槽内位移。

进一步地，与所述内轮毂连接的电机为带刹车功能的数控步进电机，与所述外轮毂连接的电机为无刷直流电机。

进一步地，变形车轮变形时，使内轮毂相对于外轮毂进行旋转，这样便于后续安装上的结构设计。

进一步地，内轮毂相对于外轮毂转动110°，即可达到所需变形形状。如此，既无轮上零件间的干涉，也达到了上下楼梯的形状要求。

进一步地，车轮采用铝合金材料制成，也可采用其他质轻的符合强度要求的材料制作，以减轻轮椅的总体重量。

本发明的有益效果是，本发明的变形车轮实现了在平地行走和上下楼梯的自动转换问题，结构紧凑，强度有保障，平稳性较好，功能上容易实现，在空间狭小的地方(如楼梯间)容易回转，变形过程可通过数字控制电动机来执行，自动化程度和随动性好。本发明变形车轮可用在多种移动工具上，如轮椅、购物车、小型推车等，尤其适用于轮椅。

附图说明

图1是本发明变形车轮圆形的结构示意图；

图2是图1中A向的剖视图；

图3是本发明变形车轮尖齿轮状的结构示意图；

图4是图3中B向的剖视图；

图5是本发明变形车轮圆形的局部示意图；

图6是本发明变形车轮尖齿轮状的局部示意图；

图7是本发明变形车轮变形前后的结构示意图；

图8是本发明变形车轮攀爬楼梯的示意图。

图中，1.轮缘，2.固定式轮辐，3.滑销，4.可动式轮辐，5.外轮毂，6.内轮毂，7.连接销，8.安装结构，9.蜗杆，10.蜗轮，11.法兰盘，12.端部，13.固定销。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

参照图1、3，本发明的变形车轮包括外轮毂5和内轮毂6，外轮毂5和内轮毂6同轴设置，均可绕轴线转动。参照图2、4，外轮毂内侧具有环形凹面，内轮毂嵌于该环形凹面内，各自可以独立转动。内轮毂6中心伸出轴的端部12由联轴器将该端部与电机的输出轴相连接，固定法兰盘11上的电机转动，可带动内轮毂6相对于外轮毂5转动，该电机采用具有刹车功能的由数字控制的步进电机，该刹车功能可以使电动机不会自行转动，除非解除刹车功能。外轮毂5的延伸轴上安装有相互配合的蜗轮10和蜗杆9，蜗杆9连接另外的无刷直流电机，无刷直流电机可驱动外轮毂5转动，从而使得整个轮子转动(无论轮子变形与否)，蜗轮蜗杆机构在此起到减速作用，也可以增加转动扭矩。变形车轮通过如图所示的安装结构8安装在车体上。

参照图5、6及7，外轮毂5外缘均匀固定有六个固定式轮辐2，固定式轮辐2为放射状直杆状，每个固定式轮辐2顶端通过固定销13共同连接有左右两个轮缘1，共计十二个轮缘，轮缘与固定式轮辐连接的一端为转动端，每个轮缘1与固定式轮辐2为铰接的结构，每个轮缘1可绕固定式轮辐2顶端旋转。每个轮缘1的另一端(活动端)开设有与轮缘弧度相同的滑槽，相邻两个轮缘活动端的滑槽通过滑销3连接在一起，该滑销3可在两个滑槽内位移，当内轮毂6相对于外轮毂顺时针转动时，活动轮辐4和其上的滑销3便产生相对位移，该位移迫使两个轮缘的活动端绕固定销13转动，以改变轮缘的位置并形成所需的形状。轮缘1具有弧度，所有轮缘绕固定式轮辐顶端旋转打开后，形成一个圆形外轮。

内轮毂6上沿圆周均匀开设有六个通孔。每个通孔通过连接销7与一个弧形弯杆状的可动式轮辐4的一端(转动端)连接，可动式轮辐与内轮毂为铰接的结构，可动式轮辐可在内轮毂圆面上绕连接销旋转，六个可动式轮辐的弧度朝向一个方向。可动式轮辐4的另一端(活动端)也通过滑销3与轮缘上的滑槽连接在一起，即相邻两个轮缘活动端和一个可动式轮辐4的活动端共同连接在一起，且可相对活动。可动式轮辐4向内收拢时，拉动两个轮缘活动端向圆心运动，可动式轮辐4做成弧度形式，意在其随内轮毂转动并做收拢状时，避免干涉以保证内轮毂转动够110°角度，使得轮子能变形到所需要的形状。可动式轮辐4收拢时与其他可动式轮辐及轮缘接触的边缘位置设有缺口，进一步防止其变形时的相互干涉。

为了适应普通楼梯和自动扶梯，本发明通过大量仿真实验，确定可变形车轮最优的旋转角度为110°，该角度对于轮缘在楼梯台面的顺利接触和过渡是较佳的角度。其他旋转角度虽然也可以实现变形，但也具有相应的缺点，如为了加大转动角度，若为防止更多干涉，则需要减小可动轮辐的宽度，而宽度减小，可动轮辐的强度也随之降低。

本发明变形车轮的变形过程为：车轮由圆形开始变形时，外轮毂不动，步进电机转动，使得内轮毂相对于外轮毂顺时针旋转110°，拉动所有可动式轮辐顺时针运动，可动式轮辐绕连接销转动，并逐渐收拢，盘旋在内轮毂一面。可动式轮辐的活动端收拢的同时，通过销钉、滑槽结构带动两个轮缘的活动端向内收拢，所有轮缘由圆形变为尖齿轮状，启动刹车功能，该尖齿轮状即被固定下来。此时，无刷直流电机驱动外轮毂旋转，内轮毂与外轮毂整体转动，整个车轮就会以尖齿轮状的形状运动，就可以实现上下攀爬的功能。上下楼梯动作完成后，车轮需要由尖齿轮状变形为圆形时，外轮毂不动，步进电机上的刹车松开，再带动内轮毂相对于外轮毂逆时针旋转110°，带动所有可动式轮辐逆时针运动，可动式轮辐逐渐打开的同时，通过销钉、滑槽结构推动两个轮缘的活动端向外伸展，所有轮缘变为圆形，步进电机的刹车此时再次启动，保持圆形不变。无刷直流电机驱动外轮毂旋转，内轮毂与外轮毂整体转动，整个车轮就会以圆形的形状运动，实现平地的行走。可见，外轮毂5和内轮毂6相对转动时，即可改变轮子的形状，如图7。

除了上述实施方式中的变形方式，还有另一种变形方式，即内轮毂不动，外轮毂相对于内轮毂逆时针旋转110°，拉动可动式轮辐盘旋，进而带动轮缘的活动端向内收拢，形成尖齿轮状车轮；再次变形为圆轮时同理。若由外轮毂相对于内轮毂转动110°，从而由圆轮变为非圆轮，则可动式轮辐的弧度大小及弯曲方向会有所不同。本发明选择让内轮毂相对于外轮毂旋转110°的方案，使得圆轮变为非圆轮，是考虑到方便结构上的设计。

本发明的可变形圆轮，除过滑销和销钉材料为碳钢外，其余零件均可用铝合金材料(或其他质轻强度足够的材料)，以减轻轮椅的自重。

按照建筑规范，普通楼梯的台阶高度约15cm，台阶宽约30cm。图8的左图表示该车轮变为尖齿轮状时，在普通楼梯上时所处的位置情况，图8的右图示出了在自动扶梯的楼梯上的接触状态，自动扶梯的楼梯高度为20㎝，宽度约40㎝。采用本发明车轮的轮椅只需要较小的尺寸即可实现攀爬楼梯，不会由于轮椅的尺寸太大而出现拐弯困难的情况。

Claims (10)

1.一种可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，包括同轴设置且可相对转动的外轮毂和内轮毂，外轮毂的外缘上均匀固定有若干固定式轮辐，每个固定式轮辐顶端两侧各铰接有一个具有弧度的轮缘，所有轮缘可围绕成圆形；相邻两个位于不同固定式轮辐的轮缘通过滑槽滑销结构连接在一起；内轮毂上铰接有与外轮毂数量相等的可动式轮辐，每一个可动式轮辐的另一端都通过所述滑槽滑销结构与两个轮缘连接在一起；外轮毂和内轮毂各自连接一个独立的电机。

2.根据权利要求1所述的可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，所述固定式轮辐和可动式轮辐的数量均为六个，轮缘为十二个。

3.根据权利要求1所述的可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，所述可动式轮辐为具有弧度的弯杆，所有可动式轮辐的弧度朝向一个方向。

4.根据权利要求1所述的可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，所述可动式轮辐边缘设有缺口。

5.根据权利要求1所述的可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，所述滑槽滑销结构为，每一个所述轮缘的一端都开设有滑槽，相邻两个轮缘的滑槽和一个可动式轮辐通过一个滑销连接在一起，该滑销可在两个滑槽内位移。

6.根据权利要求1所述的可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，与所述内轮毂连接的电机为带刹车的数控步进电机，与所述外轮毂连接的电机为无刷直流电机。

7.根据权利要求1所述的可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，所述变形车轮变形时，控制外轮毂不动，使内轮毂相对于外轮毂进行旋转。

8.根据权利要求1所述的可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，所述外轮毂和内轮毂相对转动时，转动角度为110°。

9.根据权利要求8所述的可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，所述变形车轮变形时，控制外轮毂不动，使内轮毂相对于外轮毂旋转110°。

10.根据权利要求1所述的可爬楼梯的变形车轮，其特征在于，所述车轮采用轻质材料制成。