CN118453283A - 一种爬楼轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种爬楼装置，属于爬楼轮椅、爬楼机器人领域。所述爬楼装置特征在于，所述爬楼装置为平衡车与摆动履带的组合，摆动履带的摆动轴与平衡车驱动轮转轴同轴。能更快速平稳地切换平地与爬楼状态，并同时具备多项功能，能正背双向爬楼，平地轮式快速，转向灵活，爬楼履带平稳，转换平地与爬楼状态快速平稳，可抬升轮椅方便取物及与站立人群平视交流。

Description

一种爬楼轮椅

技术领域

本发明涉及一种具有轮腿履组合可快速平稳转换平地与爬楼越障状态的平衡车爬楼轮椅，具体涉及摆动履带与平衡车组合的爬楼轮椅，无座椅的装置也可用于爬楼机器人、越障底盘等爬楼越障装置。

背景技术

目前已有较多爬楼越障装置，用于爬楼机器人及爬楼轮椅场景，也有平衡车与履带组合的爬楼平衡车。研究总结现有技术各产品，发现不同程度上存在以下问题：平地与爬楼模式转换不平稳，有冲击，转换较慢；背向爬楼，与平常上下楼方式反向，有诸多不便；尺寸较大，在狭窄梯间平台上难以转弯及调头，虽然多款产品自称可在狭窄梯间转弯，但其较大的尺寸，使其难以实现或需较长转换模式时间而实现很慢；难以通过卵石类坑洼地面越障场景或通过速度太慢；采用非一字形履带爬楼的则存在爬楼越障不平稳，较颠簸的问题；或者结构太复杂，使可靠性降低、价格昂贵。

综上所述，平地与爬楼越障模式转换不平稳或较慢，背向爬楼，尺寸较大，转弯不便，非一字形履带爬楼不平稳较颠簸。虽然爬楼装置发明众多，但还无广泛商业应用的产品，说明各发明各有某些缺陷，综合性能不佳，尚待改进。

平地运行用轮式，快速灵活；爬楼越障用履带，平稳可靠；全地形用腿式，变换快速，适应广泛，自然生物陆地奔跑进化选择都是腿式。以上皆为已知知识，如何进行轮腿履的组合，实现快速平稳转换，适应广泛场景，这是一个待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种具有轮腿履组合的平衡车爬楼轮椅。解决快速平稳转换平地与爬楼越障状态的问题，使轮椅在平地、爬楼越障、卵石地面、平地与爬楼模式转换、梯间平台转弯、抬升轮椅高度等方面获得较佳的综合性能。

本发明的技术方案如下：

一、结构组成：

本发明通过将轮腿履组合，以平衡车为主体，平衡车机架上装有绕车轮轴摆动的前后摆腿，摆腿的摆动轴与车轮转轴同轴，摆腿上装有履带。

轮式部分，以平衡车为主体的轮式部分，车轮目前通常为直流无刷外转子轮毂电机，对两轮平衡车，两轮在最外侧，左右对称，两轮之间安装平衡车机架，对独轮平衡车，则平衡车轮居中，车轮外侧安装机架；

腿式部分，平衡车机架上安装有前后摆腿，前后摆腿的摆动轴与平衡车车轮转轴同轴，前后摆腿关节端铰接于平衡车车轮轴；

履带部分，以摆腿为履带部分的支撑支架，履带部分安装在摆腿上，包括有履带驱动轮、履带、履带从动轮、履带支架；

座椅及座椅自动水平系统，座椅支架摆动轴与平衡车车轮轴同轴，座椅可绕平衡车车轮轴摆动，爬楼越障时座椅及乘客重心线通过平衡车车轮轴，在爬楼越障时根据座椅倾角，由座椅自动水平系统控制座椅绕平衡车车轮轴摆动，维持座椅水平。

传感器及控制部分，包括平衡车传感及控制部分、前后障碍参数传感及控制部分、座椅姿态传感及控制部分。

如图1所示为前后履带下平面(触地触障面)水平时轮椅结构示意图，关键尺寸有：平衡车车轮轮胎外缘半径R、近车轮轴端的履带圆弧外缘半径r1、远车轮轴端的履带圆弧外缘半径r2、平衡车车轮轴到履带下平面(触地触障面)距离e1、平衡车车轮轴到履带下平面的垂足与近端履带下平面边线距离e2、履带下平面(触地触障面)长度L，前后履带下平面共面时，前后摆腿及前后履带相对车轮轴到该面的垂线对称。各关键尺寸不同变化组合，可构成不同需要的具体实施方案。

以下均以正向进行说明，背向运动同理，本装置可正背双向实现各功能。

二、各应用场景下的工作原理：

(一)平地运行、梯间及狭窄场地转弯

前后履带均水平上摆3～5度，抬起不触地，遇到超过平衡车越障高度的沟坎凸缘，启动履带与平衡车车轮组合越障，并起防前后倾的安全防范作用，平衡车车轮触地以平衡车模式由平衡车传感及控制部分运行，快速轮式机动，转向半径小，转向灵活，需要在通常居民楼梯间平台等狭小空间转弯时，前后履带最大程度上摆收起，以最小的前后尺寸转弯。图2所示为平地运行状态运动示意图。

(二)爬楼越障

前后履带按爬楼越障倾角分别上摆下摆相应角度成一字形，使用履带驱动，以一字形履带平稳爬楼越障。图3所示为向上爬楼状态的运动示意图。

(三)平地与爬楼越障状态转换

组合使用轮腿履，通过摆腿摆动调整履带角度，以多种不同的转换模式适应不同的转换场景，实现快速平稳转换状态。

1，平地转上楼越障状态：

前方发现向上台阶，由前后障碍参数传感及控制部分测算楼梯或障碍倾角，调整前摆动履带为水平上抬台阶倾角，履带启动运转，轮椅继续由车轮驱动前行。前摆动履带触障后，后摆动履带向下摆至触地，履带驱动轮椅进行爬楼越障，平衡车车轮被抬起离地停转，座椅自动水平系统通过座椅姿态传感及控制部分保持座椅水平，履带驱动轮椅向上爬升，同时前后摆动履带均向下摆动到前后摆动履带共线为止，转入一字形爬楼越障状态。

图4所示为平地转换爬楼的运动示意图。

2，上楼越障转平地状态：

向上爬楼越障状态末段，前方平地无台阶，轮椅平衡车车轮到达最后地面台阶棱，在后履带的推动下，轮椅重心线(由座椅水平系统调整保持通过车轮轴)越过地面台阶棱，平衡车车轮触地承重，车轮启动，后摆动履带快速向上摆动抬起，同时轮椅转为平地平衡车模式，由平衡车车轮驱动前行，快速平稳地转换为平地模式。

图5所示为爬楼转换平地的整车重心线已越过未台阶棱示意图。

3，平地转下楼

平地状态，前方发现向下台阶，由前后障碍参数传感及控制部分测算楼梯或障碍倾角，前摆动履带调整为水平，前摆动履带前端越过首台阶棱后，调整后摆动履带为水平向上台阶倾角，轮椅前行同时前摆动履带向下摆动触地触棱直到水平向下台阶倾角，车轮越过首台阶棱后，前后摆动履带呈一字形，直接转入下楼越障状态。

图6所示为平地转换下楼状态的整车重心线将到达下楼首台阶棱示意图。

图7所示为轮椅下楼示意图。

4，下楼转平地

下楼状态末段，前摆动履带前端触地，前后摆动履带均水平向上摆动，座椅自动水平系统通过座椅姿态传感及控制部分保持座椅水平，平衡车车轮触地启动，进入轮式驱动行走，调整前后履带角度，转为平地行走状态。

图8所示为下楼转换平地的平衡车车轮将脱离末棱的运动示意图。

5，卵石类坑洼地面越障场景

后履带水平，前履带水平偏上抬起5度，履带部分近似一个大直径履带轮，组合使用履带与平衡车，轮式可越障则用轮式快速通过，轮式不可越则以履带平稳越过，轻松通过该类场景。

6，居家取高物、与站立人群社交场景

前后履带均向下摆，可使轮椅整体抬升高度。

有益效果：

一，平地效果：平地以轮式机动运行，在单纯平地运行以轮式运行为较佳模式。

二，爬楼越障效果：爬楼越障以一字形履带方式运行，可实现正向及背向平稳爬楼越障，在单纯爬楼越障时履带为较佳模式。

三，平地与上楼越障状态的转换效果：

在平地与爬楼越障状态转换时，组合使用轮腿履，通过摆腿摆动调整履带角度，快速平稳转换状态，状态转换简单，快速，平稳，特别是上楼转平地和平地转一字形履带下楼，转换快速直接，平稳一步到位。

本发明主要解决快速平稳转换平地与爬楼越障状态的问题，并组合平地较佳模式轮式机动，爬楼越障较佳模式履带越障，履带下摆抬升轮椅，以获得较好综合效果。

附图说明

图1是作前后履带下平面(触地触障面)水平时的轮椅结构示意图。

图2是平地运行状态运动示意图。

图3是向上爬楼状态的运动示意图。

图4是平地转换爬楼状态的运动示意图。

图5是爬楼转换平地的整车重心线已越过台阶末棱示意图。

图6是平地转换下楼的整车重心线将到达下楼台阶首棱示意图。

图7是轮椅下楼示意图。

图8是下楼转换平地的平衡车车轮将脱离末棱的运动示意图。

图9是实施例一的部件组成示意图。

图10是实施例二的部件组成示意图。

图11是实施例三的部件组成示意图。

图1结构示意图中箭头为尺寸箭头，其他各运动示意图中箭头说明，座椅上的大空心箭头表示整体的合成速度方向，双向虚线圆弧箭头爬楼座椅自动水平系统启用可双向调整座椅保持水平，平衡车车轮上的圆弧箭头表示平衡车车轮启用可驱动整车运动，摆动履带摆臂上的圆点圆弧箭头表示摆臂处于摆动状态，摆动履带履带轮外的圆弧箭头表示履带启用运转。

图1所示为前后履带下平面(触地触障面)水平时轮椅结构示意图，关键尺寸有：平衡车车轮轮胎外缘半径R、近车轮轴端的履带圆弧外缘半径r1、远车轮轴端的履带圆弧外缘半径r2、平衡车车轮轴到履带下平面(触地触障面)距离e1、平衡车车轮轴到履带下平面的垂足与近端履带下平面边线距离e2、履带下平面长度L。各关键尺寸不同变化组合，可构成不同需要的具体实施方案。

图9、图10、图11的部件组成示意图中，各标号表示的部件：

110——座椅 310——外端履带轮(远离车轮端)

120——座椅水平调整电动推杆 320——履带

210——摆腿摆动电动推杆 330——内端履带轮(靠近车轮端)

220——摆腿 340——传动带

410——车轮(轮毂电机外转子部分) 510——电机

420——踏板 520——蜗杆减速器

430——机架(轮毂电机定子部分) 530——履带驱动轮

具体实施方式

实施例一：

如图9所示，爬楼轮椅为平衡车与摆动履带的组合，座椅110、摆腿220的摆动轴与平衡车车轮轮毂电机410转轴同轴，安装在摆腿220上的履带320其下平面与其平衡车轮胎外缘相切，保证运行的平稳，前后履带320以间距2*e2放置在平衡车车轮轮毂电机410的前后，不增大履带段长度而使外端受力点距离加大。

轮式部分，以两轮平衡车为主体的轮式部分，车轮为直流无刷外转子轮毂电机，左右两轮410在最外侧，左右对称，左右两轮410之间安装平衡车机架430；

腿式部分，平衡车机架上安装有前后摆腿220，前后摆腿的摆动轴与平衡车车轮轮毂电机410的转轴同轴铰接，前后摆腿外端左右侧履带轮310同轴安装在其联接轴上，前后摆腿220的摆动由电动推杆210带动，电动推杆210两端分别铰接于平衡车机架430、前后摆腿220外端左右侧履带轮310的轴，电动推杆210伸缩推动前后摆腿220绕平衡车车轮轮毂电机410的转轴摆动；

履带部分，以摆腿220下端为履带支架，包括有履带轮310、履带320、履带轮330、履带支架(摆腿220下端)，各履带轮310、330的转动均由履带驱动电机510经减速器520带动传动轴，经同轴固定的左右侧双联同步带轮530及同步带340、履带320传动履带轮310、330转动，履带320为双面同步齿形带；

座椅110及座椅自动水平系统，座椅支架摆动轴与平衡车车轮410轴同轴，座椅110可绕平衡车车轮轴摆动，踏板420空套在车轮轴线上，可绕车轮410轴摆动并可调整长短距离，爬楼越障时座椅110及乘客重心线通过平衡车车轮410轴，在座椅110下面装有姿态传感器，电动推杆120，电动推杆120两端分别铰接平衡车机架430与座椅110上，在爬楼越障时根据座椅倾角，由座椅自动水平系统控制电动推杆120推拉带动座椅110绕平衡车车轮410轴摆动，维持座椅110水平。

传感器及控制部分，包括平衡车传感及控制部分、前后障碍参数传感及控制部分、座椅姿态传感及控制部分。

其中关键尺寸关系：r1＝r2，e1＝R，e2＝R，L＞2*h/sin(α)，h为楼梯规范中规定的各类楼梯台阶的最大台阶单阶高度，α为该台阶高度对应的台阶倾角，履带320下平面与车轮410轮胎外缘相切。

平地运行时，前后摆腿220的摆动电动推杆210收缩，带动前后摆腿220水平向上3度，由平衡车轮毂电机410驱动前行并保持平衡。

平地与爬楼越障状态的转换，由前后摆腿220摆动电动推杆210伸缩，调整前后履带320相对水平的倾角，以适当的姿态，快速平稳地进行状态转换。详细工作原理前已详述，在此不再复述。

为简便起见，以下实施例以爬楼机器人为例。说明，带有座椅及其自动水平系统可载人的为爬楼轮椅，无则为送货或探测爬楼越障机器人。

实施例二

如图10所示，爬楼装置为平衡车与摆动履带的组合，摆腿220的摆动轴与平衡车车轮轮毂电机410转轴同轴，前后摆腿220摆动中心、前后履带320近车轮410端的履带轮330轴心均与车轮410轴心同心，履带320下平面与车轮410轮胎外缘相交，其交线水平时离地高度小于平衡车最大可越障高度。

轮式部分，以两轮平衡车为主体的轮式部分，车轮410为直流无刷外转子轮毂电机，两轮410在最外侧，左右对称，两轮410之间安装平衡车机架430；

腿式部分，平衡车机架上安装有前后摆腿220，前后摆腿220的摆动轴、履带轮330的转轴均与平衡车车轮410的转轴同轴铰接，e2为0，前后摆腿220的摆动由电机510经蜗杆减速器520的输出端带动；

履带部分，包括有履带轮310、履带320、履带轮330，各履带轮310、330分别安装在摆腿310的两端，履带轮310为直流无刷外转子轮毂电机，其外壳为双联同步带轮，带动履带320，330转动，履带320为双面同步齿形带；

其中关键尺寸关系：e1<R，e2＝0，r1＝r2，L＞2*h/sin(α)，h为楼梯规范中规定的各类楼梯台阶的最大台阶单阶高度，α为该台阶高度对应的台阶倾角，前后摆腿220摆动中心、前后履带320近车轮410端的履带轮330轴心均与车轮410轴心同心，履带320下平面与车轮410轮胎外缘相交，其交线水平时离地高度小于平衡车最大可越障高度。

平地运行时，前后摆腿220由电机510、蜗杆减速器520，带动前后摆腿220水平向上3度，由平衡车410轮毂电机驱动前行并保持平衡。

平地与爬楼越障状态的转换，由前后摆腿220摆动，调整前后履带320相对水平的倾角，以适当的姿态，快速平稳地进行状态转换。详细工作原理前已详述，在此亦不再复述。

实施例三：

如图11所示，爬楼装置为平衡车与摆动履带的组合，摆腿220的摆动轴与平衡车车轮轮毂电机410转轴同轴，安装在摆腿220上的履带320其下平面与其平衡车轮胎外缘相切，保证运行的平稳，前后履带320以间距2*e2放置在平衡车车轮轮毂电机410的前后，不增大履带段长度而使外端受力点距离加大。

轮式部分，以两轮平衡车为主体的轮式部分，车轮410为直流无刷外转子轮毂电机，两轮410在最外侧，左右对称，两轮410之间安装平衡车机架430；

腿式部分，平衡车机架上安装有前后摆腿220，前后摆腿220的摆动轴与平衡车车轮410的转轴同轴铰接，e2>R，前后摆腿220的摆动由电机510经蜗杆减速器520的输出端带动；

履带部分，包括有履带轮310、履带320、履带轮330，各履带轮310、330均安装在摆腿310上，履带轮310为直流无刷外转子轮毂电机，其外壳为同步带轮，带动履带320，330转动，履带320为双面同步齿形带；

其中关键尺寸关系：r1＝r2，e1＝R，e2>R，L＞2*h/sin(α)，h为楼梯规范中规定的各类楼梯台阶的最大台阶单阶高度，α为该台阶高度对应的台阶倾角，履带320下平面与车轮410轮胎外缘相切。

Claims (1)

1.一种爬楼轮椅，其特征在于，所述爬楼轮椅为平衡车与摆动履带的组合，座椅、摆动履带的摆动轴与平衡车驱动轮转轴同轴，包括：

轮式部分，以平衡车为主体的轮式部分，在平衡车车轮(轮毂电机定子部分)上安装机架；

腿式部分，平衡车机架上安装有前后摆腿，前后摆腿的摆动轴与平衡车驱动轮的转轴同轴，前后摆腿绕平衡车驱动轮轴摆动：

履带部分，安装在摆腿上，以摆腿为履带安装支架，包括有履带驱动轮、履带、履带从动轮、履带支架(摆腿)；

座椅及座椅自动水平系统，座椅支架摆动轴与平衡车车轮轴同轴，座椅可绕平衡车车轮轴摆动，爬楼越障时座椅及乘客重心线通过平衡车车轮轴，在爬楼越障时根据座椅倾角，由座椅自动水平系统控制座椅绕平衡车车轮轴摆动，维持座椅水平。

传感器及控制部分，包括平衡车传感及控制部分、前后障碍参数传感及控制部分、座椅姿态传感及控制部分。