CN1344536A - 安全轮椅 - Google Patents

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Abstract

一种电动轮椅,包括车体、两个后轮、至少一个前轮、至少一台电机和控制器,前轮和后轮中至少有一个轮子被电机驱动,它还装有减速器,减速器是用带负载的导体通过减速器开关对驱动电机的线圈作短路连接而构成的装置。这种电动轮椅在前进速度超过或小于预先的设定值时,控制器就会发出信号,使减速器开关开通或关闭,开通时,电动机变成了阻碍轮椅前进的发电机,从而使轮椅在转弯或从斜坡上自然下滑时,能自动减速,确保轮椅不会因转弯速度过快而翻倒。减速器负载可以是对蓄电池充电的装置,因而在减速时,能将载人轮椅多余的动能转化为电能,对蓄电池充电。该轮椅有电动刹车装置,行驶时,关闭轮椅启动开关,轮椅立即自动刹车。

Description

安全轮椅
(一)技术领域：
本发明涉及一种电动轮椅的结构，一种安全轮椅。
(二)背景技术：
有两个后轮的电动轮椅作半径为0.8米的圆周运动时，离圆心远的一侧后轮最大前进速度不能太大，太大时，例如超过2.6米/秒，就有可能翻倒。中国专利93201901.3介绍了一种电动轮椅的结构，设置有电动机驱动系统，制动系统，利用电磁刹车器进行辅助制动，但车速过大时不会自动减速，不能将车速保持在安全值内。还有一种四轮轮椅，每个后轮各用一个电机驱动，每个电机与后轮之间通过一对有自锁功能的蜗轮蜗杆传动。电机能带动后轮，后轮不能带动电机。电机启动后，车速由电机转速决定，不会因下坡而增大，切断电机电源，后轮立即停转。该轮椅造价较高。上述两种电动轮椅，下坡时不能借助重力做功，因而不能将多余的动能转化为电能给电源充电。
(三)发明内容：
本发明的目的是提出一种安全轮椅，转弯或从斜坡上自然下滑速度过大时，能自动减速，且制造成本较低。本发明的另一目的是轮椅在减速时能将多余的动能转化为电能给电源充电，关闭轮椅启动开关，能自动刹车。
这种安全轮椅，包括车体、两个后轮、至少一个前轮、至少一台电机和控制器，两后轮分别安装在车体的后方两侧，前轮安装在车体的前方，前轮和后轮中至少有一个轮子被电机驱动，它还装有减速器，减速器是用带负载的导体通过减速器开关对驱动电机的线圈作短路连接而构成的装置。
这种安全轮椅在前进速度超过或小于预先的设定值时，减速器开关开通或关闭，开通时电机线圈通过负载放电，此时电动机成为发电机，电机中感生电流受到的磁场力阻碍电机旋转，使轮椅的前进速度限制在一个安全值内。
(四)附图说明：
附图1是这种安全轮椅的整体结构示意图；
附图2是减速器的结构示意图；
附图3和附图4是电动刹车装置的示意图；
附图5是两个电机驱动的轮椅所使用的电动刹车装置示意图；
附图6是两个电机串联时的减速器示意图；
附图7是两个电机并联时的减速器以及电子转向机构的示意图；
附图8是固定后轮轴的轴座的示意图；
附图9是这种安全轮椅的另一种整体结构图。
(五)具体实施方式：
如图1和图2所示，这种安全轮椅包括车体9、两个后轮24、至少一个前轮20、至少一台电机1和控制器，两后轮分别安装在车体9的后方两侧，前轮安装在车体的前方，前轮和后轮中至少有一个轮子被电机驱动。它还装有减速器，此减速器的负载，通过减速器开关2与驱动电机的线圈相连。
减速器开关2可以是电子开关，或继电器开关，也可以是几个开关的串、并联组合。它受控制器控制：该开关的电信号或电流输入端与所述的控制器的电信号或电流的输出端相连。这种安全轮椅在前进速度超过或小于预先的设定值时，例如2.5米/秒时，控制器就会发出信号或电流，使减速器开关2开通或关闭。
所述的减速器的负载可以是电阻、电容、电感或其它耗用电能或储存电能的元件。也可以是对蓄电池充电的装置(充电器与蓄电池的组合)。
减速器在车速超过2.5米/秒时启动。启动后，轮椅承受的前进阻力约等于载人轮椅在12.5度斜坡上的下滑力，由此可算出：使用36V电源，一个400瓦驱动的电机(当车速为2.5米/秒，该电动机的反电动势为30～33V)，用这种方法减速时，通过电机的感生电流应控制在20～22安培。所以用于该电机的负载如果是电阻，其电阻值应为1.5欧姆左右。
这种安全轮椅使用直流电机驱动时，控制器可采用脉宽调制来控制电机转速，控制器可包括脉宽发生器(宽度可调的矩形脉冲发生器)，速度传感器、速度检测器、额定速度比较器、调速器、轮椅启动开关，与现有的一些电动自行车或电动轮椅的控制器相同。此外，它还包括极限速度比较器。
其工作过程为：速度传感器将电机转速用信号传感器传给速度检测器，极限速度比较器将速度检测器发出的反馈信号与它设置的极限速度加以比较，当车速超过极限速度时，发出信号至脉宽发生器电路及减速器开关2，使脉宽发生器输出为零，使减速器开关2接通电路。这时电动机变成了发电机，开始减速。当车速小于极限速度时，该比较器发出信号，使减速器开关2切断电路，停止减速。四轮轮椅极限速度可设定为2.5米/秒。额定速度比较器所设定的额定速度小于极限速度0.1～0.5米/秒。额定速度比较器接受速度检测器发出的信号，当车速小于额定速度时，额定速度比较器发出的信号使脉宽发生器重新输出。调速器可采用电门旋钮，它通过信号电平改变脉宽发生器的脉冲宽度，调整电机转速。
本发明的控制器中，极限速度比较器不限于一个，可以有二至三个。因为两后轮间距为0.5米，前后轮相距0.9米的三轮轮椅转弯时，当轮椅质量中心的转弯半径为0.9米(即车把转角为46度)，后轮所允许的最大前进速度不能超过2米/秒。为了避免轮椅转弯时翻倒，对仅用一个电机驱动右侧后轮的三轮轮椅可作如下设计：将车速分为快、中、慢三档，每档各使用一个极限速度比较器，极限速度分别定为3米/秒、2米/秒、1米/秒。轮椅以快档行驶时，当车把向左转的转角大于15度，便触发换档开关，将快档换成中档。当转角回复到小于15度时，再将中档换成快档。当车把向右转的转角大于15度时，则需将快档换成慢档。轮椅处于中档行驶时，仅在车把向右转时将中档换成慢档。而以慢档行驶时，无论怎样转弯都不需换档。
如图3所示，这种安全轮椅还可包括一个电动刹车装置，它是用导体通过刹车开关3对电机的线圈作短路连接而构成的装置。对阻抗较小的电机，可在上述电路中接限流器。限流器的作用是限制电流不要超过允许值，以避免电机出现机械冲撞。在使用双电机驱动时，限流器将每个电机的电流限制在40安培以下，限流器构造与电动机静启动时为防止电流过大而安装的启动保护器相同。对于直流电机，限流器可采用可变电阻，刹车开始后，随着电机线圈内的感生电动势迅速下降，该电阻两端电压迅速降低，限流器将电阻迅速逐段短路，直至电阻为零，以保证在整个刹车过程中有足够的刹车电流。对于交流电机，可采用电抗器，随电抗器两端电压的下降，将电抗器逐段短路。
使用本发明的电动刹车装置，电机不会过热，因为电机发出的电能不会超过外力对电机所做的功，这个功等于载人轮椅刹车前的动能。其大小一般不会超过500焦耳。由此可算出刹车时，电机导线温度升高不超过4摄氏度。使用带可变电阻的限流器后，热能集中释放在限流器上，电机导线温度升高不超过1摄氏度。
与本发明的电动刹车装置相配套的电机为永磁电机，电机的感生电动势与转速成正比。当车速为0.1米/秒时，感生电动势仍大于1伏特，而电机电阻小于0.1欧，使用两个电机时，电流相加仍有20安培以上。所以，上述刹车装置可使轮椅在平地上立即停止，可使轮椅在斜坡上立即将车速降至0.1米/秒以内(要停止，可使用轮椅上安装的机械刹车装置)。安全轮椅是慢速车，万一电动刹车装置出现故障，也来得及使用机械刹车装置制动。
图3中的的刹车开关3可以是机械开关，也可以是受电信号或电流控制的其它开关。
图4中的刹车开关4为电子开关。由轮椅启动开关控制。轮椅启动开关可采用按钮式。轮椅启动开关开通时，发出电信号，该信号直接或间接地送到刹车开关4，刹车开关4切断电路。轮椅启动开关关闭时，再次发出电信号至刹车开关，刹车开关接通电路，从而实现自动刹车。手动开关5是用来作自动一手动切换的，手动开关5断开时，轮椅可由人力推动前进。
如图5所示，这种安全轮椅的两个后轮可以分别各由一个电机1、10驱动，控制器分为两部份，控制左侧电机的称左控制器，控制右侧电机的称右控制器。图中2、12为减速器开关，4和14是受轮椅启动开关控制的刹车开关。限流器也可以使用两个，分别安装在两个电机中，使之发挥静启动时启动保护器的作用。
如图6所示，这种安全轮椅的两个后轮分别各由一个电机驱动，减速器负载是对蓄电池充电的装置时，两电机1和10可以串联后，再与充电器相串联。串联后的闭合电路中的电动势为两电机电动势之和。该电路的充电器可以降压后对电池充电，也可以不加变压装置，仅通过限流的方法将充电器输出电流控制在11安培左右。当充电器检测到蓄电池电源中电能已充足时，便将电信号送至转换开关11，充电器停止工作，电流经电阻15将电能转化为热能。图中左、右控制器中的极限速度比较器只要有一个测出车速超过极限速度，便发出信号至减速器开关2和12，以及左、右控制器中的两个脉宽发生器电路，使脉宽发生器停止工作，使减速器开关2和12接通电路，开始减速。当车速小于极限速度时，该比较器再发出信号，切断减速器电路。为了处理两个极限速度比较器发来的信号，每个减速器开关可以设计成由两个相互并联的开关构成，也可设计成一个能对两种信号作逻辑处理的开关。
图6的电路主要用于使用机械转向机构的两后轮各有一电机驱动的轮椅。机械转向机构是通过控制前轮偏转来转弯的。四轮轮椅采用申请号为01105514.6的机械转向机构，当前轮偏转角度一定时，轮椅的转弯半径便确定。此时只要有一个后轮转速过快，另一后轮也必然过快，所以两电机最好同时减速。由于四轮轮椅质心转弯半径为0.8米时，后轮所允许的最大前进速度为2.6米/秒，因此将四轮轮椅极限速度定为2.5米/秒，只要转向机构保证转弯半径不小于0.8米，轮椅就不会因转弯而翻倒。
使用机械转向机构的三轮轮椅，也可以将两电机并联，用一个控制器控制干路电流(两电机电流之和)。这样的控制器相当于将图6中左、右控制器的脉宽发生器合而为一，而保留左、右控制器各自的速度传感器、速度检测器以及额定速度比较器和极限速度比较器。
当两后轮各用一个电机驱动，前轮为万向轮时，可使用电子转向机构。目前的电子转向机构是通过控制器改变某一侧电机的转速或转动方向来使轮椅转弯的。本发明的轮椅使电子转向机构不仅通过控制器，还可通过减速器来转向，更省电。
如图7所示，这种安全轮椅的两电机也可以并联后再与充电器相连。当电子转向机构的转向手柄向左偏转时，带动左控制器的左调速器18工作，它输出信号的电平随转向手柄转角的增大而降低，信号电平越低，电机转速越低。由于惯性，也由于另一侧电机的带动，或者由于减速器开关2、12、和13已接通电路，电动机已无驱动电流，致使左侧后轮未能按要求减速，这时左转向开关16接通电路。转向负载开始对左侧电机减速，直到符合要求后，左转向开关16才断开电路。当转向手柄向右转时，右调速器19工作，并通过右转向开关17、37控制转向负载。轮椅启动开关(按钮式)可安装在转向手柄的顶端。
至于电子转向机构按上述要求控制左右转向开关的电路可以有多种设计。例如在电机电流较大时(爬坡时)，仅通过左、右控制器的调速器来完成转向；电流为零时(下坡时)，仅通过转向负载来转向；在电流不大时，先通过调速器，再通过转向负载来转向。
电子转向机构在设计上有如下功能：轮椅行驶较快时，可将左侧或右侧电机的转速减少一半(轮椅行驶速度为1.8米/秒时，转弯半径不受限制)；轮椅启动开关处于未启动状态时，转动转向手柄，轮椅将原地旋转。
图7中的充电器需要将直流电转换成交流电再升压，再整流。如果采用交流电机驱动，蓄电池电流完成交直流转换后对电动机供电，这样，在充电器中可将电流直接升压。该充电器装有电流检测器，一旦有一个电机或有一个减速器开关因故障不能导通电流，便将充电器的电流输出减少一半，同时将电信号送至开关33，使开关33断开电路。当两电机中都有感生电流时，开关33重新接通电路。电流检测器的作用也可由继电器取代。
如图8所示，在轮椅两后轮轴上安装外转子电动机(定子固定在后轮轴上，转子与轮毂相固定的电机)时，后轮轴可以安装在轴座6的圆孔7中，轴座6固定在车体9上。轴座上有一个中心线与圆孔7中心线互相成80～90度角的通孔8。这两个孔的中心线之间的最短距离小于这两个孔的半径之和。带斜面的销钉从孔8中插入，与后轮轴上开有的平面互相挤压，将后轮轴紧固。这种结构在刹车时能使外转子电机的定子承受很大的制动力。
图1和图9中，9为车体，20为前轮，21为控制器，22为电源，23为后轮轴，24为后轮，25为前叉，26为前管，27为前叉立管，28为车把，29为控制器面板，30为手动刹车装置，31为靠背椅，32为转向手柄。

Claims (10)

1、一种安全轮椅，它包括车体(9)、两个后轮(24)、至少一个前轮(20)、至少一台电机(1)和控制器，两后轮分别安装在车体(9)的后方两侧，前轮安装在车体的前方，前轮和后轮中至少有一个轮子被电机驱动，其特征是它还装有减速器，减速器是用带负载的导体通过减速器开关(2)对驱动电机的线圈作短路连接而构成的装置。
2、如权利要求1所述的安全轮椅，其特征是所述的减速器开关(2)是电子开关，此电子开关由控制器控制。
3、如权利要求2所述的安全轮椅，其特征是它的减速器的负载是对蓄电池充电的装置。
4、如权利要求1～3所述的安全轮椅，其特征是所述的控制器包括脉宽发生器，速度传感器、速度检测器、额定速度比较器、调速器、轮椅启动开关和极限速度比较器。
5、如权利要求4所述的安全轮椅，其特征是它还包括一个电动刹车装置，此电动刹车装置是用导体通过刹车开关对驱动电机的线圈作短路连接而构成的装置。
6、如权利要求5所述的安全轮椅，其特征是对驱动电机的线圈作短路连接的导体上接有限流器。
7、如权利要求6所述的安全轮椅，其特征是所述的刹车开关(4)是电子开关，由轮椅启动开关控制。
8、如权利要求7所述的安全轮椅，其特征是轮椅的两个后轮分别各由一个电机驱动，两电机串联后，再与充电器相串联。
9、如权利要求8所述的安全轮椅，其特征是两电机并联后再与充电器相连。
10、如权利要求9所述的安全轮椅，其特征是后轮的电机为外转子电动机，后轮轴安装在轴座(6)的圆孔(7)中，轴座(6)固定在车体(9)上，轴座上有一个中心线与圆孔(7)中心线互相成80～90度角的通孔(8)，这两个孔的中心线之间的最短距离小于这两个孔的半径之和，带斜面的销钉从孔(8)中插入，与后轮轴上开有的平面互相挤压，将后轮轴紧固住。
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