CN110179604A - 一种智能轮椅用全方位转向驱动轮及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能轮椅用全方位转向驱动轮及控制系统，智能轮椅用全方位转向驱动轮包括转向机构、车轮和连接座板，转向机构包括转向机构主体、驱动组件、主动齿轮、固定齿轮、上端交叉滚子轴承、下端交叉滚子轴承和夹壳压板，上端交叉滚子轴承和下端交叉滚子轴承外环同轴固定于转向机构主体上，车轮固定在转向机构主体上，连接座板通过螺栓连接固定齿轮和下端交叉滚子轴承内环以形成回转轴，驱动组件置于转向机构主体内部，驱动组件输出轴与主动齿轮连接，主动齿轮与固定齿轮形成啮合齿轮副，固定齿轮与上端交叉滚子轴承内环固定连接。本发明能够实现轮椅的转向及全向行走，且结构设计合理，连接可靠。本发明适合在轮椅中广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及轮椅技术领域，具体地说是一种智能轮椅用全方位转向驱动轮及控制系统。
背景技术
为了使行动不便的人们，在一定的范围内实现自由移动，人们发明了轮椅。现有轮椅的机构多种多样，一般包括车体、设置于所述车体上的两个车轮，以及设置于所述车体一侧的把手。所述车轮包括旋转轮以及凸设于所述旋转轮外侧的推动轮，乘坐者仅需要用双手推动所述两个推动轮旋转，从而驱动所述两个旋转轮旋转，即可行走。现有轮椅车轮的固定安装方式，无法实现转向、全向行走功能，大都需要依靠护理人员实现转向。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是提供一种智能轮椅用全方位转向驱动轮及控制系统，能够解决现有技术中所存在的上述问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种智能轮椅用全方位转向驱动轮，包括转向机构、车轮和连接座板，所述转向机构包括转向机构主体、驱动组件、主动齿轮、固定齿轮、上端交叉滚子轴承、下端交叉滚子轴承和夹壳压板，所述上端交叉滚子轴承和所述下端交叉滚子轴承外环同轴固定于所述转向机构主体上，所述车轮通过所述夹壳压板固定在所述转向机构主体上，所述连接座板通过螺栓连接所述固定齿轮和所述下端交叉滚子轴承内环以形成回转轴，所述驱动组件置于所述转向机构主体内部，所述驱动组件输出轴与所述主动齿轮连接，所述主动齿轮与所述固定齿轮形成啮合齿轮副，所述固定齿轮与所述上端交叉滚子轴承内环固定连接。
作为限定，还包括轮椅支腿、直线导轨、车体连接支架和支撑杆，所述连接座板与所述轮椅支腿连接，所述轮椅支腿分别通过所述直线导轨和所述支撑杆与所述车体连接支架连接。
作为另一种限定，所述车轮包括车轮轴和压盖螺栓组，所述车轮轴插入所述转向机构主体内并用所述夹壳压板压紧，所述压盖螺栓组紧固所述夹壳压板以实现所述车轮轴的固定。
作为另一种限定，所述转向机构还包括护罩，所述护罩安装于所述转向机构主体下部起到防护作用。
作为更进一步的限定，所述驱动组件由电机减速机构成。
作为另一种限定，所述夹壳压板通过螺栓将所述车轮固定在所述转向机构主体上。
作为另一种限定，所述车轮采用轮毂电机车轮，轮毂电机驱动所述车轮以带动轮椅行走。
作为更进一步的限定，所述上端交叉滚子轴承和所述下端交叉滚子轴承外环通过螺栓同轴固定于所述转向机构主体上。
一种智能轮椅用全方位转向控制系统，包括至少4个智能轮椅用全方位转向驱动轮、转向执行机构、万向手柄、模式选择开关、编码器和控制模块，所述转向执行机构分别安装于所述驱动轮上，所述转向执行机构包括转向步进电机，所述万向手柄可以输出前、后、左、右四个电气信号，通过所述电气信号可以设定转向角度和行进速度的目标值，所述控制模块接收所述万向手柄的操作信号以及所述模式选择开关的选择信号后，进行全轮转向功能的控制，
作为限定，所述控制模块的控制过程包括：
S1、目标转向角度获取：目标转向角度值来自所述万向手柄，包含目标转向角度和方向，为所述转向执行机构需要完成的目标角度；
S2、转向模式获取：转向模式来自于所述模式选择开关，包含八字、斜行、蟹行、原地回转、摆头和摆尾等6种转向模式选择，所述转向执行机构按照所述转向模式完成转向；
S3、反馈信号获取：反馈信号来自所述编码器，为当前所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的实际角度；
S4、坐标变换：将转向角度的世界坐标系变换为所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的局部坐标系；
S5、转向角度计算：根据所述万向手柄目标转向角度分别计算4个所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的目标转向角度；
S6、PID调节：根据每个所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的目标转向角度和当前角度进行PID动态调节，确保所述智能轮椅用全方位转向驱动轮达到目标转向角度；
S7、驱动信号输出：所述控制器输出控制信号用于控制4个所述转向步进电机完成转向。
作为另一种限定，所述全轮转向功能包含6种转向模式，分别为八字、斜行、蟹行、原地回转、摆头和摆尾。
本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
（1）本发明的智能轮椅用全方位转向驱动轮通过转向机构与车轮结合，能够轻松实现轮椅的转向、侧方行走以及全向行走功能，从而使使用者使用更加灵活，提高使用舒适性；
（2）本发明的智能轮椅用全方位转向驱动轮中采用电机减速机作为驱动组件，采用齿轮副作为传动部件，其上下端交叉滚子轴承构成回转轴，轮毂电机作为轮驱动，转向时辅助形成滚动摩擦，可减小转向驱动组件的驱动扭矩；
（3）本发明的智能轮椅用全方位转向驱动轮的车轮轴插入转向机构主体内并用夹壳压板压紧，压盖螺栓组紧固夹壳压板以实现车轮轴的固定，可使车轮轴固定牢靠，提高结构稳定性；
（4）本发明的智能轮椅用全方位转向控制系统是针对现有转向系统转向模式单一、转向半径较大，不够灵活，且在家中或者医院等空间狭小、人流密集的应用场景中进行操控或者自主行进、停靠时往往需要大量的转向操作才能达到理想状态，给使用者带来了很大负担的问题，能够大大提升轮椅在室内复杂场景内的灵活性，减少使用者的操作难度和强度，并且能够为大大提升轮椅在室内的避碰、自主行走和导航的可行性。
综上，本发明能够实现轮椅的转向及全向行走，且结构设计合理，连接可靠。本发明适合在轮椅中广泛应用。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例1中所述的智能轮椅用全方位转向驱动轮的一个角度的立体结构示意图；
图2为本发明实施例1中所述的智能轮椅用全方位转向驱动轮的另一个角度的立体结构示意图；
图3为本发明实施例1中所述的智能轮椅用全方位转向驱动轮的主视结构示意图；
图4为图3中A-A处的剖面结构示意图；
图5为本发明实施例1中所述的智能轮椅用全方位转向驱动轮使用状态下的结构示意图；
图6为本发明实施例1中所述的智能轮椅用全方位转向驱动轮的车轮的结构示意图；
图7为本发明实施例2中所述的智能轮椅用全方位转向控制系统的系统框图；
图8为本发明实施例2中所述的智能轮椅用全方位转向控制系统的控制流程图；
图9为本发明实施例2中所述的智能轮椅用全方位转向控制系统的转向模式示意图。
图中：1、转向机构；11、驱动组件；12、主动齿轮；13、固定齿轮；14、上端交叉滚子轴承；15、转向机构主体；16、下端交叉滚子轴承；17、护罩；18、夹壳压板；2、车轮；21、车轮轴；22、压盖螺栓组；3、连接座板；4、轮椅支腿；5、直线导轨；6、车体连接支架；7、支撑杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
实施例1
如图1至图6所示，根据本实施例1的智能轮椅用全方位转向驱动轮，包括转向机构1、车轮2和连接座板3，所述转向机构1包括转向机构主体15、驱动组件11、主动齿轮12、固定齿轮13、上端交叉滚子轴承14、下端交叉滚子轴承16和夹壳压板18，所述上端交叉滚子轴承14和所述下端交叉滚子轴承16外环同轴固定于所述转向机构主体15上，所述车轮2通过所述夹壳压板18固定在所述转向机构主体15上，所述连接座板3通过螺栓连接所述固定齿轮13和所述下端交叉滚子轴承16内环以形成回转轴，所述驱动组件11置于所述转向机构主体15内部，所述驱动组件11输出轴与所述主动齿轮12连接，所述主动齿轮12与所述固定齿轮13形成啮合齿轮副，所述固定齿轮13与所述上端交叉滚子轴承14内环固定连接。其中，所述车轮2采用轮毂电机车轮2，轮毂电机驱动所述车轮2以带动轮椅行走。
本实施例1的智能轮椅用全方位转向驱动轮在使用时，车轮2通过轮毂电机驱动实现轮椅行走，转向时驱动组件11运行带动主动齿轮12与固定齿轮13啮合转动，主动齿轮12带动转向轮绕固定齿轮13旋转，实现转向、及轮椅全向行走。此时，轴承轮毂电机作为轮驱动，转向时辅助形成滚动摩擦，可减小转向驱动组件11的驱动扭矩。
优选地，所述上端交叉滚子轴承14和所述下端交叉滚子轴承16外环通过螺栓同轴固定于所述转向机构主体15上。
优选地，所述夹壳压板18通过螺栓将所述车轮2固定在所述转向机构主体15上。
本实施例1中，还包括轮椅支腿4、直线导轨5、车体连接支架6和支撑杆7，所述连接座板3与所述轮椅支腿4连接，所述轮椅支腿4分别通过所述直线导轨5和所述支撑杆7与所述车体连接支架6连接。
在本实施例1中，所述车轮2包括车轮轴21和压盖螺栓组22，所述车轮轴21插入所述转向机构主体15内并用所述夹壳压板18压紧，所述压盖螺栓组22紧固所述夹壳压板18以实现所述车轮轴21的固定。
其中，车轮轴21插入转向机构主体15内并用夹壳压板18压紧，压盖螺栓组22紧固夹壳压板18以实现车轮轴21的固定，可使车轮轴21固定牢靠，提高结构稳定性。
在本实施例1中，所述转向机构1还包括护罩17，所述护罩17安装于所述转向机构主体15下部起到防护作用。
在本实施例1中，所述驱动组件11由电机减速机构成。
实施例2
如图7至图9所示，根据本实施例2的一种智能轮椅用全方位转向控制系统，包括至少4个实施例1中所述的智能轮椅用全方位转向驱动轮、转向执行机构、万向手柄、模式选择开关、编码器和控制模块，所述转向执行机构分别安装于所述驱动轮上，所述转向执行机构包括转向步进电机，所述万向手柄可以输出前、后、左、右四个电气信号，通过所述电气信号可以设定转向角度和行进速度的目标值，所述控制模块接收所述万向手柄的操作信号以及所述模式选择开关的选择信号后，进行全轮转向功能的控制。
其中，所述控制模块的控制过程包括：
S1、目标转向角度获取：目标转向角度值来自所述万向手柄，包含目标转向角度和方向，为所述转向执行机构需要完成的目标角度；
S2、转向模式获取：转向模式来自于所述模式选择开关，包含八字、斜行、蟹行、原地回转、摆头和摆尾等6种转向模式选择，所述转向执行机构按照所述转向模式完成转向；
S3、反馈信号获取：反馈信号来自所述编码器，为当前所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的实际角度；
S4、坐标变换：将转向角度的世界坐标系变换为所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的局部坐标系；
S5、转向角度计算：根据所述万向手柄目标转向角度分别计算4个所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的目标转向角度；
S6、PID调节：根据每个所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的目标转向角度和当前角度进行PID动态调节，确保所述智能轮椅用全方位转向驱动轮达到目标转向角度；
S7、驱动信号输出：所述控制器输出控制信号用于控制4个所述转向步进电机完成转向。
并且，所述全轮转向功能包含6种转向模式，分别为八字、斜行、蟹行、原地回转、摆头和摆尾。
因此，本发明能够实现轮椅的转向及全向行走，且结构设计合理，连接可靠。本发明适合在轮椅中广泛应用。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (11)
1.一种智能轮椅用全方位转向驱动轮，其特征在于：包括转向机构、车轮和连接座板，所述转向机构包括转向机构主体、驱动组件、主动齿轮、固定齿轮、上端交叉滚子轴承、下端交叉滚子轴承和夹壳压板，所述上端交叉滚子轴承和所述下端交叉滚子轴承外环同轴固定于所述转向机构主体上，所述车轮通过所述夹壳压板固定在所述转向机构主体上，所述连接座板通过螺栓连接所述固定齿轮和所述下端交叉滚子轴承内环以形成回转轴，所述驱动组件置于所述转向机构主体内部，所述驱动组件输出轴与所述主动齿轮连接，所述主动齿轮与所述固定齿轮形成啮合齿轮副，所述固定齿轮与所述上端交叉滚子轴承内环固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能轮椅用全方位转向驱动轮，其特征在于：还包括轮椅支腿、直线导轨、车体连接支架和支撑杆，所述连接座板与所述轮椅支腿连接，所述轮椅支腿分别通过所述直线导轨和所述支撑杆与所述车体连接支架连接。
3.根据权利要求1所述的一种智能轮椅用全方位转向驱动轮，其特征在于：所述车轮包括车轮轴和压盖螺栓组，所述车轮轴插入所述转向机构主体内并用所述夹壳压板压紧，所述压盖螺栓组紧固所述夹壳压板以实现所述车轮轴的固定。
4.根据权利要求1所述的一种智能轮椅用全方位转向驱动轮，其特征在于：所述转向机构还包括护罩，所述护罩安装于所述转向机构主体下部起到防护作用。
5.根据权利要求1所述的一种智能轮椅用全方位转向驱动轮，其特征在于：所述驱动组件由电机减速机构成。
6.根据权利要求1所述的一种智能轮椅用全方位转向驱动轮，其特征在于：所述夹壳压板通过螺栓将所述车轮固定在所述转向机构主体上。
7.根据权利要求1所述的一种智能轮椅用全方位转向驱动轮，其特征在于：所述车轮采用轮毂电机车轮，轮毂电机驱动所述车轮以带动轮椅行走。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种智能轮椅用全方位转向驱动轮，其特征在于：所述上端交叉滚子轴承和所述下端交叉滚子轴承外环通过螺栓同轴固定于所述转向机构主体上。
9.一种智能轮椅用全方位转向控制系统，其特征在于：包括至少4个权利要求1-8中任一项所述的智能轮椅用全方位转向驱动轮、转向执行机构、万向手柄、模式选择开关、编码器和控制模块，所述转向执行机构分别安装于所述驱动轮上，所述转向执行机构包括转向步进电机，所述万向手柄可以输出前、后、左、右四个电气信号，通过所述电气信号可以设定转向角度和行进速度的目标值，所述控制模块接收所述万向手柄的操作信号以及所述模式选择开关的选择信号后，进行全轮转向功能的控制。
10.根据权利要求9所述的一种智能轮椅用全方位转向控制系统，其特征在于：所述控制模块的控制过程包括：
S1、目标转向角度获取：目标转向角度值来自所述万向手柄，包含目标转向角度和方向，为所述转向执行机构需要完成的目标角度；
S2、转向模式获取：转向模式来自于所述模式选择开关，包含八字、斜行、蟹行、原地回转、摆头和摆尾等6种转向模式选择，所述转向执行机构按照所述转向模式完成转向；
S3、反馈信号获取：反馈信号来自所述编码器，为当前所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的实际角度；
S4、坐标变换：将转向角度的世界坐标系变换为所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的局部坐标系；
S5、转向角度计算：根据所述万向手柄目标转向角度分别计算4个所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的目标转向角度；
S6、PID调节：根据每个所述智能轮椅用全方位转向驱动轮的目标转向角度和当前角度进行PID动态调节，确保所述智能轮椅用全方位转向驱动轮达到目标转向角度；
S7、驱动信号输出：所述控制器输出控制信号用于控制4个所述转向步进电机完成转向。
11.根据权利要求9所述的一种智能轮椅用全方位转向控制系统，其特征在于：所述全轮转向功能包含6种转向模式，分别为八字、斜行、蟹行、原地回转、摆头和摆尾。
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