CN1943531B - 基于仿生学的多功能电动助步轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于仿生学的多功能电动助步轮椅及其控制系统。包括一个腰部支架、左右两个大腿支架、左右两个小腿支架、左右两个踏板和轮子，所述的腰部支架与大腿支架之间和大腿支架与小腿支架之间，分别通过电机驱动的可控关节相铰连；小腿支架与踏板之间通过阻尼器增稳的关节相铰连；腰部支架的两侧分别用固定安装后轮支架，后轮支架下端安装驱动轮子，驱动轮子由电机经传动机构驱动，左右两个小腿支架分别固定安装前轮支架，前轮支架下端安装从动轮子。本轮椅能以两种模式动作，一种是平地移动模式，另一种是行走模式。“平地移动模式”可以代替使用者在平地上移动，当遇到障碍物的或楼梯的时候，可以用“行走模式”来跨越障碍或爬楼梯。这两种模式是通过操作杆来切换的。本轮椅用于老年人和下肢残疾者使用。

Description

基于仿生学的多功能电动助步轮椅

技术领域

本发明涉及基于仿生学的多功能电动助步轮椅及其控制系统，属于机械电子技术领域。

背景技术

据统计，中国老年人口数量已超过1.3亿人，占到总人口数的10％，预计到2015年我国老年人总数将突破2亿人，2027年超过3亿人，2044年将达到4亿人。现在由于各种自然灾难、疾病以及交通事故造成的残障人士也在逐年增加。目前中国下肢残疾的人已近900万。无论是老年人还是下肢残疾人，他们的生活范围都受到了很大的限制，大大降低了他们的生活质量和生活自由度。

随着科学技术的不断进步，人类研究出来了先进的代步工具来改善老年人和残疾人的生活质量，提高老年人和下肢残疾人的行动自由度帮助他们融入社会。现在老年人和下肢残疾人的代步工具主要还是智能轮椅，以及最新研发出来的外骨骼和混合辅助腿(HAL，HybridAssistive Limb)等等。

智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器视觉、机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及用户接口等，涉及机械、控制、传感器、人工智能等技术，也称智能轮椅式移动机器人。目前美国、德国、日本、法国、加拿大、西班牙及中国等国家对智能轮椅进行了研究，使智能轮椅具有记忆地图、避障、自动行走、与用户交互等功能。智能轮椅为老年人和下肢残疾人提供了优越的代步工具，极大地改善了老年人和残疾人的生活质量。但是智能轮椅的一个局限之处就是适宜在平地行走，很难实现跨越障碍和上下楼梯。

外骨骼(exoskeleton)是一种可穿戴的行走助力机构，这种行走助力机构不但有简单的机械助力功能，而且能帮助使用者维持行走平衡。与传统的人机交互设备相比，外骨骼的优点在于不仅能够把人的肢体的运动信号反映到机器人身上，还能够把机器人的执行情况通过力反馈的形式反映给操纵者，从而提高操作的稳定性和真实感。美国伯克利大学机器人和人体工程实验室研究出了“伯克利下肢末端外骨骼”(BerkeleyLower Extremity Exoskeleton，BLEX)，这种装置由背包式外架、金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能。这种外骨骼机器人能保障士兵在平面或斜面上行走，在利用BLEEX(伯克利下肢末端外骨骼)时，可以轻松地背着28千克背包行走2千米。日本筑波大学山海实验室研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人(混合辅助腿，HybridAssistive Limb)，这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走，毫不费力地爬楼梯，HAL机器腿的运动完全由使用者通过自动控制器来控制，不需要任何操纵台或外部控制设备。

智能轮椅、外骨骼为老年人和残疾人提供了优越的代步工具，他们的发展给老年人和残疾人的生活带来了很大的方便.但是他们各自也都有自己的应用局限性.智能轮椅虽然可以轻松的为老年人和残疾人代步，但在跨越障碍和上下楼梯方面却有很大的困难，并且使用者只能坐着，与他人交流不方便，给使用者融入社会造成了一定的障碍.美国和日本现在正在研究的外骨骼和混合辅助腿的主要目的是增强人的肢体力量，帮助人们行走和提高人的负重能力，这种结构可以帮助使用者直立行走跨越障碍等等，但是它却少了轮椅的舒适方便和快速行走能力.

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于仿生学的多功能电动助步轮椅及其控制系统，该轮椅具有两种工作模式，即一种平地移动模式，为使用者在平地移动，另一种行走模式，为使用者跨越障碍或爬楼梯。

为了达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于仿生学的多功能电动助步轮椅，包括一个腰部支架、左右两个大腿支架、左右两个小腿支架、左右两个踏板)、左右两个驱动轮子(14)和左右两个从动轮子，其特征在于所述的腰部支架与大腿支架之间和大腿支架与小腿支架之间，分别通过第二、第三电机驱动的可控关节相铰连；小腿支架与踏板之间通过阻尼器增稳的关相铰连；腰部支架的两侧分别用固定安装后轮支架，后轮支架下端安装所述驱动轮子，所述驱动轮子由第一电机经传动机构驱动，左右两个小腿支架分别固定安装前轮支架，前轮支架下端安装所述从动轮子。

上述的腰部支架为座椅式构架，下部有丰圆形的大腿上把环；所述的大腿支架为大腿铝板条，其上下端部各与一个丰圆形大腿托环固定连接；所述的小腿支架为小腿铝板条，其上下端部各与一个丰圆形的小腿托环固定连接；所述的踏板通过小连杆与小腿托环铰连，而其关节的阻尼器是采用一个扭簧限制其灵活性而提高其站立的稳定性。

上述的腰部支架与大腿支架间的可控关节的结构是：腰部支架固定连接一个L型凸台，L型凸台固定连接第二电机，第二电机的输出轴通过键与一个轴套相联，轴套与大腿支架上部固定的大腿托环固定连接。

上述的大腿支架与小腿支架间的可控关节的结构是：大腿支架下部固定连接的大腿托环固定连接一个L型凸台，L型凸台固定连接第三电机，第三电机的输出轴通过键与一个轴套相联，轴套与小腿支架上部固定的小腿托环固定连接。

上述的驱动轮子由第一电机经传动机构驱动的结构是：所述的后轮支架为一根连接管的上端安装第一电机而下端安装驱动轮子，第一电机的输出轴连接一根安置于连接管内的软管的上端头，而软管的下端头连接驱动轮子的转轴，实现第一电机对驱动轮子的驱动。

上述的连接管上端安装第一电机的结构是：在所述的腰部支架两侧各固定一个三角架，每个三角架上固定一个上L型凸台，第一电机与上L型凸台固定连接，其输出轴经一个联轴器和一个锥形套筒与软管连接，一个下L型凸台与所述的三角架固定连接，所述的连接管上端与一个轴套固定连接，轴套与下L型凸台固定连接，轴套内安装轴承而转动支承联轴器的输出芯轴。

上述的连接管下端安装驱动轮子的结构是：所述的连接管下端固定连接一个带有凸缘的套筒，套筒通过其凸缘固定连接一个半套筒，半套筒内通过两个轴承旋转支承驱动轮子的转轴，该转轴通过锥形套筒连接所述软管的下端头。

上述的小腿支架安装前轮支架的结构是：前轮支架是一根推杆的下端安装从动轮子，而其上部滑动插配在一个L型凸台的插孔中，L型凸台与小腿支架固定连接，L型凸台上装有推杆定位架，其内装有拉动锁销对插杆定位，拉动锁销由压簧支撑，外端配有拉环，推杆上有上下两个弹性挡圈，对推杆上下拉动移位的极限限位。

上述的可控关节上装有限位开关，并设有其操作按钮，所述的左右两个踏板下面分别装有左前压力传感器、左后压力传感器和右前压力传感器、右后压力传感器，所述的四个压力传感器分别经放大器和A/D转换器连接一个单片机，单片机通过输入接口连接所述的限位开关和操作按钮，通过输出接口连接第一、第二、第三电机和指示灯及喇叭。

本发明与现有技术相比较，其化如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的轮椅共有6个电机，四个单电机驱动大腿和小腿的关节转动，两个电机驱动后轮子转动，在控制系统的自动控制下，能以两种模式动作，一种是平地移动模式，另一种是行走模式，实现平地移动和跨越障碍或爬楼梯。适于老年人和下肢残疾者使用。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1中A处局部放大图。

图4是图3的左视图。

图5是图3中B处局部放大图。

图6是图4中C处局部放大图。

图7是图1中E处局部放大图。

图8是图1中D处局部放大图。

图9是图1示例轮椅的控制系统结构框图。

图10是图1示例呈轮椅平移状态的三维示意图。

图11是图1示例呈步行状态的三维示意图。

图12是图1示例在行走与爬楼时的步态变化示意图。

具体实施方式

本发明的实施例结合附图详述如下：

实施例1：

本参见图1和图2，本基于仿生学的多功能电动助步轮椅包含有一个腰部支架2、左右两个大腿支架5、左右两个小腿支架8、左右两个踏板11、左右两个驱动轮子14和左右两个从动轮子10，其特征在于所述的腰部支架2与大腿支架5之间和大腿支架5与小腿支架8之间，分别通过第二电机16、第三电机15驱动的可控关节17、18相铰连；小腿支架8与踏板11之间通过阻尼器增稳的关19相铰连；腰部支架2的两侧分别用固定安装后轮支架20，后轮支架20下端安装所述驱动轮子14，所述驱动轮子14由第一电机1经传动机构驱动，左右两个小腿支架8分别固定安装前轮支架21，前轮支架21下端安装所述从动轮子10。

实施例2：

参见图3、图4、图1和图2，本基于仿生学的多功能电动助步轮椅与实施例1相同，本例给出各支架具体结构：所述的腰部支架2为座椅式构架，下部有半圆形的大腿上托环3；所述的大腿支架5为大腿铝板条，其上下端部各与一个半圆形大腿托环4、6固定连接；所述的小腿支架8为小腿铝板条，其上下端部各与一个半圆形小腿托环7、9固定连接；所述的踏板11通过小连杆12与小腿托环9铰连，而其关节9的阻尼器是采用一个扭簧限制其灵活性而提高其站立的稳定性。

实施例3：

参见图5和图1，本基于仿生学的多功能电动助步轮椅与实施例2相同，本例给出可控关节17、18的具体结构。所述的腰部支架2与大腿支架5间的可控关节17的结构是：腰部支架2固定连接一个L型凸台23，L型凸台23固定连接第二电机16，第二电机16的输出轴通过键与一个轴套24相联，轴套24与大腿支架5上部固定的大腿托环4固定连接。所述的大腿支架5与小腿支架8间的可控关节18的结构是：大腿支架5下部固定连接的大腿托环6固定连接一个L型凸台，L型凸台固定连接第三电机15，第三电机15的输出轴通过键与一个轴套相联，轴套与小腿支架8上部固定过接的小腿托环7固定连接。

实施例4：

参见图6、图7和图8，本基于仿生学的多功能电动助步轮椅与实施例2相同，本例给出驱动轮子14由第一电机1驱动的传动机构的具体结构：所述的后轮支架20为一根连接管22的上端安装第一电机1而下端安装驱动轮子14，第一电机1的输出轴连接一根安置于连接管22内的软管29的上端头，而软管29的下端头连接驱动轮子14的转轴，实现第一电机1对驱动轮子14的驱动。所述的连接管22上端安装第一电机1的结构是：在所述的腰部支架2两侧各固定一个三角架23，每个三角架23上固定一个上L型凸台26，第一电机1与上L型凸台26固定连接，其输出轴经一个联轴器31和一个锥形套筒30与软管29连接，一个下L型凸台27与所述的三角架23固定连接，所述的连接管22上端与一个轴套28固定连接，轴套28与下L型凸台27固定连接，轴套28内安装轴承而转动支承联轴器31的输出芯轴。所述的连接管22下端安装驱动轮子14的结构是：所述的连接管22下端固定连接一个带有凸缘的套筒32，套筒32通过其凸缘固定连接一个半套筒34，半套筒34内通过两个轴承旋转支承驱动轮子14的转轴，该转轴通过锥形套筒33连接所述软管29的下端头。

实施例5：

参见图1、图2和图8，本基于仿生学的多功能电动助步轮椅与实施例2相同，本例给出小腿支架8安装前轮支架21的结构：支架21是一根推杆35的下端安装从动轮子10，而其上部滑动插配在一个L型凸台36的插孔中，L型凸台36与小腿支架8固定连接，L型凸台36上装有推杆定位架37，其内装有拉动锁销39对插杆35定位，拉动锁销39由压簧支撑，外端配有拉环38，推杆35上有上下两个弹性挡圈40，对推杆35上下拉动移位的极限限位。

实施例6：

参见图9和图1，本用于基于仿生学的多功能助动轮椅的控制系统的结构是：在所述的可控关节17上装有限位开关25，并设有其操作按钮54，所述的左右两个踏板11下面分别装有左前压力传感器47、左后压力传感器48和右前压力传感器49、右后压力传感器50，所述的四个压力传感器47、48、49、50分别经放大器43、44、45、46和A/D转换器42连接一个单片机41，单片机41通过输入接口55连接所述的限位开关25和操作按钮54，通过输出接口51连接第一电机1、第二电机16、第三电机15和指示灯及喇叭52.

本发明的轮椅有两种工作模式，一种是平地移动模式，另一种是行走模式。“平地移动模式”可以代替使用者在平地上移动，当遇到障碍物的或楼梯的时候，可以用“行走模式”来跨越障碍或爬楼梯。我们设计了一个操作杆用来切换这两种工作方式。图10是轮椅的立体示意图，这个机构就好比是一条会走路的裤子一样，那些行动不便的人只要穿上它，就能自由的行走，而不需要花太大的精力。同时，机构的运动是需要使用者来参与的。比如：走楼梯时，只要使用者有一个微弱的抬腿的动作，机构会自动的帮助使用者抬腿。图12是行走及爬梯时的步态变化图。机构运作的步骤大致如下：如图12中是站立时的状态，要实现行走的动作，则需要把重心移动一条腿上，然后通过驱动另一条腿上的电机，使得大腿小腿后摆，然后再前摆，如果要实现行走，则只要把腿踩在地面上。如果要实现走楼梯的动作，则使腿踩在台阶上。它是通过放在脚下的压力传感器来检测是否踩到地面，如果踩到了地面，电机会停止转止，脚就不会继续摆动，从而保障了人的安全。

本发明的多工能电动助步轮椅主要技术指标：承受重量≤80kg；平地移动速度≤40m/min；爬梯移动速度≤10m/min；机构重量(不包括电源)≤30kg；操作方式；手动；跨越高度：200～280mm；跨越距离：200～300mm。

Claims (9)

1.一种基于仿生学的多功能电动助步轮椅，包括一个腰部支架(2)、左右两个大腿支架(5)、左右两个小腿支架(8)、左右两个踏板(11)、左右两个驱动轮子(14)和左右两个从动轮子(10)，其特征在于所述的腰部支架(2)与大腿支架(5)之间和大腿支架(5)与小腿支架(8)之间，分别通过第二、第三电机(16、15)驱动的可控关节(17、18)相铰连；小腿支架(8)与踏板(11)之间通过阻尼器增稳的关节(19)相铰连；腰部支架(2)的两侧分别固定安装后轮支架(20)，后轮支架(20)下端安装所述驱动轮子(14)，所述驱动轮子(14)由第一电机(1)经传动机构驱动，左右两个小腿支架(8)分别固定安装前轮支架(21)，前轮支架(21)下端安装所述从动轮子(10)。

2.根据权利要求1所述的基于仿生学的多功能电动助步轮椅，其特征在于所述的腰部支架(2)为座椅式构架，下部有丰圆形的大腿上托环(3)；所述的大腿支架(5)为大腿铝板条，其上下端部各与一个丰圆形大腿托环(4、6)固定连接；所述的小腿支架(8)为小腿铝板条，其上下端部各与一个丰圆形的小腿托环(7、9)固定连接；所述的踏板(11)通过小连杆(12)与小腿托环(9)铰连，而其关节(19)的阻尼器是采用一个扭簧限制其灵活性而提高其站立的稳定性。

3.根据权利要求2所述的基于仿生学的多功能电动助步轮椅，其特征在于所述的腰部支架(2)与大腿支架(5)间的可控关节(17)的结构是：腰部支架(2)固定连接一个L型凸台(23)，L型凸台(23)固定连接第二电机(16)，第二电机(16)的输出轴通过键与一个轴套(24)相联，轴套(24)与大腿支架(5)上部固定的大腿托环(4)固定连接。

4.根据权利要求2所述的基于仿生学的多功能电动助步轮椅，其特征在于所述的大腿支架(5)与小腿支架(8)间的可控关节(18)的结构是：大腿支架(5)下部固定连接的大腿托环(6)固定连接一个L型凸台，L型凸台固定连接第三电机(15)，第三电机(15)的输出轴通过键与一个轴套相联，轴套与小腿支架(8)上部固定的小腿托环(7)固定连接。

5.根据权利要求1所述的基于仿生学的多功能电动助步轮椅，其特征在于所述的驱动轮子(14)由第一电机(1)经传动机构驱动的结构是：所述的后轮支架(20)为一根连接管(22)的上端安装第一电机(1)而下端安装驱动轮子(14)，第一电机(1)的输出轴连接一根安置于连接管(22)内的软管(29)的上端头，而软管(29)的下端头连接驱动轮子(14)的转轴，实现第一电机(1)对驱动轮子(14)的驱动。

6.根据权利要求5所述的基于仿生学的多功能电动助步轮椅，其特征在于所述的连接管(22)上端安装第一电机(1)的结构是：在所述的腰部支架(2)两侧各固定一个三角架(23)，每个三角架(23)上固定一个上L型凸台(26)，第一电机(1)与上L型凸台(26)固定连接，其输出轴经一个联轴器(31)和一个锥形套筒(30)与软管(29)连接，一个下L型凸台(27)与所述的三角架(23)固定连接，所述的连接管(22)上端与一个轴套(28)固定连接，轴套(28)与下L型凸台(27)固定连接，轴套(28)内安装轴承而旋转支承联轴器(31)的输出芯轴。

7.根据权利要求5所述的基于仿生学的多功能电动助步轮椅，其特征在于所述的连接管(22)下端安装驱动轮子(14)的结构是：所述的连接管(22)下端固定连接一个带有凸缘的套筒(32)，套筒(32)通过其凸缘固定连接一个半套筒(34)，半套筒(34)内通过两个轴承旋转支承驱动轮子(14)的转轴，该转轴通过锥形套筒(33)连接所述软管(29)的下端头。

8.根据权利要求1所述的基于仿生学的多功能电动助步轮椅，其特征在于所述的小腿支架(8)安装前轮支架(21)的结构是：前轮支架(21)是一根推杆(35)的下端安装从动轮子(10)，而其上部滑动插配在一个L型凸台(36)的插孔中，L型凸台(36)与小腿支架(8)固定连接，L型凸台(36)上装有推杆定位架(37)，其内装有拉动锁销(39)对插杆(35)定位，拉动锁销(39)由压簧支撑，外端配有拉环(38)，推杆(35)上有上下两个弹性挡圈(40)，对推杆(35)上下拉动移位的极限限位。

9.根据权利要求1所述的基于仿生学的多功能电动助步轮椅，其特征在于所述的可控关节(17)上装有限位开关(25)，并设有其操作按钮(54)，所述的左右两个踏板(11)下面分别装有左前压力传感器(47)、左后压力传感器(48)和右前压力传感器(49)、右后压力传感器(50)，所述的四个压力传感器(47、48、49、50)分别经放大器(43、44、45、46)和A/D转换器(42)连接一个单片机(41)，单片机(41)通过输入接口(55)连接所述的限位开关(25)和操作按钮(54)，通过输出接口(51)连接第一、第二、第三电机(1、16、15)和指示灯及喇叭(52)。

Images