CN208864666U - 一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅，可以自动上下楼梯或者跨越一些障碍物，主要包括轮椅架、履带组件、后轮组件、前轮组、控制器、姿态传感器、履带驱动电机、后轮摆臂电机、履带罩、后轮摆臂角度传感器。履带组件和后轮组件与四个轮子的运动组成六自由度，使得爬楼梯轮椅上下楼过程中能够完全平滑过渡，不会产生突然倾转现象；轮椅不需要控制和调节重心位置，使重心能够始终自动在四个轮子中间，确保安全；可以自动完成上下楼和平路工作模式的转换，降低用户操作能力的要求，简化操作步骤；下楼过程开始时，轮椅可以自动对准下楼梯的方向；上下楼过程中一个人通过简单操作可以独立完成，不需要健康人辅助完成上下楼操作。

Description

一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅

技术领域

本发明涉及一种自动爬楼梯的轮椅，属于不需要人干预的自动机械领域。

背景技术

目前中国老年人口日益增加，失能老人和一些残疾人出行受到了极大限制。尽管我国城市无障碍设施日益普及，但是很多老旧居民区低于六层以下的居民楼仍然大量存在。而恰恰是这些老旧的无电梯的楼房中居住了大量的退休老年人。因此他们出行受到了极大的限制。为了方面腿脚不够灵便的老年人和残疾人上下楼，人们设计了很多种爬楼梯的装置。特别是电动轮椅的出现，使得爬楼梯装置和轮椅种类繁多，但是目前很多爬楼梯轮椅的安全性不能满足要求，有些轮椅或者爬楼装置需要一个强壮的健康人辅助老年人或者残疾人乘坐爬楼梯轮椅或者装置上下楼，因此非常不可靠。而且目前所有爬楼梯轮椅或装置几乎都无法使轮椅在平地状态平滑过渡到下楼状态，或者上楼状态平滑过渡到平地状态。目前所有轮椅在两种状态转换时都会有一个角度和重心的快速摆动，这样就降低了爬楼轮椅的安全性，为了解决这个问题，大多需要一个健康强壮的人在轮椅后部把持轮椅，防止轮椅的角度和重心的快速变化，避免轮椅倾覆的危险。

中国专利CN201510344769.X公开了一种多功能电动轮椅车，该多功能电动轮椅车采用三组履带和四个轮子的复合结构，系统过于复杂和庞大。在上下楼的起始楼梯和终止楼梯处，虽然能够解决平滑过渡的问题，但是由于座椅重心较高，因此需要不断调节座椅角度，否则容易出现危险。此外，该轮椅无法做到自动控制，需要乘坐轮椅的人仔细操作，一旦失误，会产生危险。所以，不适合反应不灵敏，且对操作不熟练的老人乘坐。

中国专利CN201210084640.6公开了一种悬挂式重心可移动爬楼梯车，该车很好地保持了上下楼时座椅处于水平状态，但是也不能很好地解决上下楼梯时平稳过渡问题，有可能会因重心变化使爬楼车快速倾转，加之该发明座椅重心很高，一旦控制不好就会产生安全问题。另外，重心的调节要格外小心，而且需要操作者非常熟练才能够保证其正常运行。该发明有两个座椅，因此重心位置不易确定，很难进行自动进行重心控制。

中国专利CN201610070118.0公开了一种基于行走轮摆动的单节双履带爬楼轮椅及上下楼方法，该轮椅结构比较简单，但是人工操作比较复杂。其影响安全的最大问题在于下楼时无法做到平滑过渡，有突然前倾的危险，容易出现安全隐患。

中国专利CN201310027105.1、CN201320016259.6、CN201420482953.1、CN201420624224.5、CN201620102592.2、CN201620157391.2、CN201620717231.9 也公开了几种爬楼梯轮椅结构，具有一定的新颖性。但是它们存在一个共同的问题，就是上下楼状态不能平滑过渡，会发生突然倾转的危险。因此都无法应用的实际生活中。

综上所述，要解决老年人上下楼梯的问题，首先要操作简便，力求能够全部自动完成上下楼过程，不需要健康人在旁边辅助操作。其次，要确保使用者的安全，也就是要在上下楼转换过程中平滑过渡，严禁轮椅突然倾转。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提出了一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅。该一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅采用履带和轮子组合结构，在上下楼的过程中通过后轮摆臂支撑轮椅，实现了平滑过渡，不会产生任何突然倾转现象。同时，本发明可以自动地始终保持轮椅重心在四个支撑点的范围内，确保轮椅的上下楼安全。

本发明采取的技术方案为：

一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅，包括轮椅架、后轮组件、前轮组件、控制器、姿态传感器、刹车装置，轮椅架包括坐垫，其特征在于，还包括履带组件、履带驱动电机、后轮摆臂电机、履带罩、后轮摆臂角度传感器；

所述轮椅架包括前距离传感器，所述后轮组件包括后角度传感器、右后角度传感器，所述前轮组件包括左前角度传感器和右前角度传感器，距离传感器、后角度传感器、右后角度传感器、左前角度传感器和右前角度传感器与控制器通过电信号连接，向控制器传递检测信号；

所述履带组件包括履带、主动轴、后轮轴、前轮轴，轮椅架安装在履带组件上方，后轮组件与履带组件的后轮轴相连接，前轮组件与履带组件的前轮轴相连接，控制器安装在轮椅架的坐垫下方，姿态传感器安装在控制器上，履带驱动电机安装在履带组件的主动轴上驱动履带滚动，后轮摆臂电机安装在履带组件的后轮轴上控制后轮组件的摆动角度，履带罩覆盖在履带组件上，后轮摆臂角度传感器安装在后轮轴上检测后轮组件的摆动角度，刹车装置安装在后轮组件和前轮组件的轮轴上。

所述轮椅架还包括框架、前安装法兰、后安装法兰、左避震支点、右避震支点、靠背、头枕、脚踏板，整个轮椅架通过前安装法兰、后安装法兰和框架支撑起来，左避震支点、右避震支点分别与前轮组件相连，靠背和头枕相对坐垫向后倾斜，前距离传感器置于脚踏板下方用于探测脚踏板距离地面的距离。

所述履带组件还包括大梁、主动轮、从动轮、后支架法兰、前支架法兰；

所述后支架法兰和前支架法兰分别安装在后轮轴和前轮轴上，用于安装轮椅架的前安装法兰和后安装法兰,主动轮、从动轮、后轮轴、前轮轴分别安装在大梁，后轮轴安装在大梁的中间部位，前轮轴安装在大梁的最下端并与最下端的从动轮的轴重合，主动轮和从动轮可以安装在大梁上的任何部位；所述主动轮上的主动轴与安装履带驱动电机相连；所述履带与轮椅架的靠背平行。

所述履带组件的大梁轴线与轮椅架的头枕到脚踏板的连线近似平行。

所述后轮组件还包括左后轮、右后轮、横梁、左后轴套、右后轴套、左摆臂、右摆臂、左后避震、右后避震、左后电机、右后电机、左后轮轴、右后轮轴、左后摇臂、右后摇臂、后距离传感器；

所述左后轮和右后轮分别安装在左后轮轴和右后轮轴，横梁将左后电机和右后电机连接为一个整体，左后轴套和右后轴套在右摆臂和左后避震的顶端并分别安装在履带组件的后轮轴上，左摆臂和右摆臂分别与左后摇臂和右后摇臂以及左后避震和右后避震相连组成后轮减震系统，左后电机和右后电机分别安装在左后摇臂和右后摇臂的前端，左后角度传感器和右后角度传感器分别安装在左后摇臂和右后摇臂的后端，检测左后摇臂和右后摇臂的摆动角度，后距离传感器安装在横梁的中间部位，用于测量距离地面的距离；

所述后轮组件的横梁为U型结构，保证在后轮组件向上抬起时横梁不会碰到靠背和头枕。

所述前轮组件还包括左前轮、右前轮、左前避震、右前避震、左前摇臂、右前摇臂、左前电机、右前电机；

所述左前轮和右前轮分别安装在左前电机和右前电机上，左前电机和右前电机上分别安装在左前摇臂和右前摇臂前端，左前避震和右前避震前端分别安装在左前电机和右前电机上，后端分别安装在轮椅架的左避震支点和右避震支点上，左前摇臂和右前摇臂的后端分别安装在履带组件前轮轴上，共同组成前轮减震系统，左前角度传感器和右前角度传感器分别安装在左前摇臂和右前摇臂的后端，用以检测左前摇臂和右前摇臂的摆动角度。

所述后轮组件、前轮组件上下摆动具有上限位和下限位功能，防止摆动超过幅度影响安全使用；所述前轮组件在下楼过程中下限位功能，还可以保证左前轮和右前轮不与楼梯接触。

所述左前轮和右前轮、左后轮、右后轮均有可控的刹车装置能够将车轮抱死；所述刹车装置为手动和自动并联装置。

一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅的实现方法，根据上下楼的状态不同有多种工作模式，主要包括：下楼模式、上楼模式、楼梯自动对准模式，各种工作模式均可以采用自动控制实现，在自动控制过程中，也可以加入人为的调整，但是控制器可以判断出人为操作的指令是否危险，如果人为操作具有危险因素，控制器将对人为操作加以限制。

所述下楼模式的控制策略实现步骤如下：

步骤D-A：人为调整轮椅对准下楼梯方向，然后给出自动下楼指令；

步骤D-B：控制器收到自动下楼指令后控制左后电机和右后电机以及左前电机和右前电机缓慢向前转动，当左前轮和右前轮滚动到第一个台阶处时，继续缓慢向下滚动，这时左前避震和右前避震缓慢伸长，带动左前摇臂和右前摇臂缓慢平滑下摆，左前角度传感器和右前角度传感器检测摆动角度位置并发送给控制器，如果左前角度传感器和右前角度传感器反馈的角度位置信号不一致，控制器轮椅未正对楼梯边缘执行步骤D-C，如果左前角度传感器和右前角度传感器反馈摆动角度位置信号一致，控制器判断轮椅已对准楼梯边缘，执行步骤D-D；

步骤D-C：楼梯自动对准。

步骤D-D：控制器控制左前轮和右前轮继续向前滚动，到第一个台阶处时，继续缓慢向下滚动，左前避震和右前避震缓慢伸长，使左前摇臂和右前摇臂继续缓慢平滑下摆，控制器通过左前角度传感器和右前角度传感器检测到的角度信号判断履带下端已经接触到第一个台阶，与此同时前距离传感器检测脚踏板到地面距离比正常行驶增加超过阈值并反馈给控制器，控制器亦可通过前距离传感器检测的距离信号判断履带下端已经接触到第一个台阶；

步骤D-E：履带下端接触到第一个台阶后，控制器通过刹车装置控制左后轮和右后轮制动抱死，同时控制后轮摆臂电机将后轮组件向后上方摆动并控制履带驱动电机带动履带向前滚动，此时姿态传感器将坐垫的姿态传递给控制器，控制器协调后轮摆臂电机和履带驱动电机的速度使坐垫始终保持水平姿态，该过程中左后轮和右后轮原地不动；

步骤D-F：当控制器检测到履带下面接触到三个以上台阶时,后轮组件继续向后上方摆动，控制器通过左后角度传感器和右后角度传感器以及后轮摆臂角度传感器控制轮椅下行的同时继续抬高后轮组件至上限位点；

步骤D-G：履带继续向前滚动，左前轮和右前轮接触到地面时由于履带继续向前滚动，使左前避震和右前避震缓慢压缩，左前摇臂和右前摇臂上摆，左前角度传感器和右前角度传感器检测到角度变化，与此同时前距离传感器检测到脚踏板距离地面恢复到常行驶时的数值，控制器通过左前角度传感器和右前角度传感器的反馈信号或前距离传感器的反馈信号判断轮椅下降到楼梯最底层；

步骤D-H：轮椅到达楼梯最底层后，控制器控制履带驱动电机停止转动，并将左前轮和右前轮制动抱死，同时控制后轮摆臂电机将后轮组件向下方摆动；

步骤D-I：当左后轮、右后轮接触到楼梯时，控制器通过左后角度传感器和右后角度传感器的检测信号控制后轮摆臂电机向下转速的同时，控制左前电机、右前电机向前的转速，以保证坐垫始终处于水平姿态；

步骤D-J：后轮摆臂电机驱动后轮组件向下运动，当后轮摆臂角度传感器检测到后轮组件达到了设定角度时，说明四个轮子已经到达一个平面上，完成下楼动作。

所述上楼模式的控制策略实现步骤如下：

步骤U-A：当轮椅到达楼梯下边时，人为调整轮椅方向背部正对上楼梯方向，将轮椅的左后轮和右后轮同时贴紧楼梯，然后给出自动上楼指令；

步骤U-B：控制器自动控制左后电机和右后电机以及左前电机和右前电机缓慢向后转动，保证后轮贴紧楼梯；

步骤U-C：当左后电机和右后电机滚动到第一个台阶处时，继续向后滚动时会使后轮滚上第一个台阶，使轮椅前倾，这时由于坐垫发生轻微倾斜，姿态传感器将信号传递给控制器，控制器从而判断到轮椅后轮接触上了楼梯；

步骤U-D：控制器控制左后轮和右后轮继续向后转动，同时控制后轮摆臂电机将后轮组件向后上方摆动并控制左前电机和右前电机向后转动，此时姿态传感器将坐垫的姿态传递给控制器，控制器协调后轮摆臂电机、左前电机和右前电机、左后电机和右后电机的速度使坐垫始终保持水平姿态；

步骤U-E：后轮摆臂角度传感器检测后轮摆臂电机将后轮组件向后上方摆动到指定角度时，履带完全贴合在楼梯上，这时左后轮和右后轮仍然与楼梯接触，同时左后避震、右后避震处于中间位置，左后角度传感器、右后角度传感器将左摆臂、右摆臂的角度上传给控制器；

步骤U-F：控制器控制后轮摆臂电机、左前电机和右前电机、左后电机和右后电机停止工作，并控制履带驱动电机驱动履带向楼梯上方滚动开始爬楼梯；

步骤U-G：当轮椅爬到楼梯上端时，左后轮和右后轮脱离与楼梯的接触，左后避震、右后避震伸长，左后角度传感器、右后角度传感器将左摆臂、右摆臂的角度上传给控制器，这时后距离传感器检测到其离开地面的距离超过爬楼时的距离，并使控制器做出下一步动作的判断；

步骤U-H：控制器控制后轮摆臂电机将后轮组件向下方摆动，同时控制左后电机和右后电机缓慢向后转动，并继续控制履带驱动电机带动履带向楼梯上方滚动，控制器协调后轮摆臂电机、履带驱动电机、左后电机和右后电机的速度使坐垫始终保持水平姿态；

步骤U-I：当左前轮和右前轮登上最高层楼梯时，会与地面接触，同时使左前避震和右前避震缓慢压缩，左前摇臂和右前摇臂上摆，左前角度传感器和右前角度传感器向控制器发出摆动角度位置，控制器控制左前电机和右前电机向后转动，控制履带驱动电机停止工作，控制左后轮和右后轮制动抱死，继续控制后轮摆臂电机下摆到指定角度，完成爬楼状态。

所述楼梯自动对准模式的控制策略实现步骤如下：

步骤D-C1：当轮椅下楼时，需要正对楼梯下楼方向对齐，假设右前轮先到楼梯边缘，当右前轮滚动到第一个台阶处时，继续向下滚动，同时右前避震缓慢伸长，右前摇臂下摆，右前角度传感器向控制器发出摆动角度位置；

步骤D-C2：控制器控制右前电机减速缓慢向前滚动直到履带右下端与第一个台阶接触上，同时将右前轮和右后轮制动抱死；

步骤D-C3：控制器控制左前电机、左后电机缓慢向前旋转，左前角度传感器向控制器发出角度位置，直到左前轮到达与右前轮相同位置，这时候前距离传感器检测到脚踏板伸出了楼梯第一级，完成对准操作；

步骤D-C4：如果左前轮先到楼梯边缘，操作过程与步骤至步骤类似，控制相对应的电机即可。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，履带的滚动和后轮组件的上下摆动与四个轮子的运动组成六自由度，使得爬楼梯轮椅上下楼过程中能够完全平滑过渡，不会产生突然倾转现象，保证系统安全可靠。

本发明的一个效果在于，轮椅不需要控制和调节重心位置，使重心能够始终自动在四个轮子中间，确保安全。

本发明的一个效果在于，可以自动完成上下楼和平路工作模式的转换，降低用户操作能力的要求，简化操作步骤，不需要专门训练。

本发明的一个效果在于，下楼过程开始时，轮椅可以原地转向，并且自动对准下楼梯的方向。

本发明的一个效果在于，下楼过程开始时，后轮组件起到了支撑作用，因此轮椅不会下滑或者倾倒。

本发明的一个效果在于，上下楼过程中一个人通过简单操作可以独立完成，不需要健康人辅助完成上下楼操作。

附图说明

图1是本发明中一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅示意图；

图2是本发明中轮椅架示意图；

图3是本发明中履带组件示意图；

图4是本发明中后轮组件示意图；

图5是本发明中后轮组件支架示意图；

图6是本发明中后轮组件支架侧视图；

图7是本发明中前轮组件(左)示意；

图8是本发明中前轮组件(右)示意图；

图9是本发明中刹车装置示意图

图10是本发明中轮椅下楼示意图1(上楼示意图12)；

图11是本发明中轮椅下楼示意图2(上楼示意图11)；

图12是本发明中轮椅下楼示意图3(上楼示意图10)。

图13是本发明中轮椅下楼示意图4(上楼示意图9)；

图14是本发明中轮椅下楼示意图5(上楼示意图8)；

图15是本发明中轮椅下楼示意图6(上楼示意图7)；

图16是本发明中轮椅下楼示意图7(上楼示意图6)；

图17是本发明中轮椅下楼示意图8(上楼示意图5)；

图18是本发明中轮椅下楼示意图9(上楼示意图4)；

图19是本发明中轮椅下楼示意图10(上楼示意图3)；

图20是本发明中轮椅下楼示意图11(上楼示意图2)；

图21是本发明中轮椅下楼示意图12(上楼示意图1)；

图22是本发明中轮椅与楼梯对准模式示意图。附图中，各标号所代表的部件：

1、轮椅架，2、履带组件，3、后轮组件，4、前轮组件，5、控制器，6、姿态传感器，7、履带驱动电机，8、后轮摆臂电机，9、履带罩，10、后轮摆臂角度传感器，101、框架，102、坐垫，103、前安装法兰，104、后安装法兰， 105、左避震支点，106、右避震支点，107、靠背，108、头枕，109、脚踏板， 110、前距离传感器，201、履带，202、大梁，203、主动轮，204、从动轮，205、主动轴，206、后轮轴，207、前轮轴，208、后支架法兰，209、前支架法兰，210、齿条，301、左后轮，302、右后轮，303、横梁，304、左后轴套，305、右后轴套，306、左摆臂，307、右摆臂，308、左后避震，309、右后避震，310、左后电机，311、右后电机，312、左后轮轴，313、右后轮轴，314、左后摇臂， 315、右后摇臂，316、左后角度传感器，317、右后角度传感器，318、后距离传感器，401、左前轮，402、右前轮，403、左前避震，404、右前避震，405、左前角度传感器，406、右前角度传感器，407、左前摇臂，408、右前摇臂，409、左前电机，410、右前电机，1101、轴孔，1102、刹车盘，1103、刹车片，1104、自动刹车钢索，1105、手动刹车钢索，1106、电动缸，1107、刹车手柄。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

图1为一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅示意图，下肢瘫痪的失能老人或者残疾人可以利用这个电动轮椅正常行走，也可以自动上下楼梯或者跨越一些障碍物，例如门槛等等。主要包括轮椅架1、履带组件2、后轮组件3、前轮组 4、控制器5、姿态传感器6、履带驱动电机7、后轮摆臂电机8、履带罩9、后轮摆臂角度传感器10。其中，轮椅架1主要是老人或者残疾人乘坐的座椅部分；履带组件2安装在履带罩9内，由履带驱动电机7驱动，为轮椅上下楼或爬坡时的主要功能组件；后轮组件3、前轮组4除了正常行走功能外，通过一系列动作在轮椅上下楼或爬坡时实现辅助功能；后轮摆臂电机8驱动后轮组件3的上下摆动；姿态传感器6在轮椅上下楼或爬坡时实时检测轮椅架1中坐垫102的姿态、后轮摆臂角度传感器10在轮椅上下楼或爬坡时实时检测后轮组件3的摆动监督，两者均将检测信号传递给控制器5；控制器5负责整个轮椅各部件的自动控制和检测。履带组件2和后轮组件3与四个轮子的运动组成六自由度，使得爬楼梯轮椅上下楼过程中能够完全平滑过渡，不会产生突然倾转现象，保证系统安全可靠。

图2是轮椅架1示意图，该部分的通过四个连接法兰：2个前安装法兰103、2个后安装法兰104，和框架101将整个轮椅架1支撑起来。此外轮椅架1还包括坐垫102、左避震支点105、右避震支点106、靠背107、头枕108、脚踏板 109、前距离传感器110。

其中，左避震支点105、右避震支点106分别于前轮组件的左前避震403、右前避震404后端相连，属于轮椅的减震系统。靠背107、头枕108与传统的轮椅垂直坐垫不同，相对坐垫102向后倾斜，一方面可以使乘坐人员比较舒适，另外一方面可以使履带组件2可以较好地与靠背107贴合平行安装，如图1所示，这样在上下楼梯时可以较小地调节轮椅的姿态和角度，还可以减小整个系统的外廓体积。轮椅架1上还可以安装防滚架和安全带，这样就更能够保证乘坐人员的安全。

前距离传感器110安装在脚踏板109下方，主要用于测量不同姿态下脚踏板109到地面的距离，这样可以随时探测到轮椅是否到了楼梯边缘，或者是否到达了水平地面，通过前距离传感器110测量得到距离地面的信息，控制器5 对整个轮椅自动进行姿态控制，使乘坐人员更加舒适，更加安全。为了提高控制的准确性，可以增加多个前距离传感器110，保证任何状态下都能实时监测轮椅到地面的距离。

图3是履带组件2示意图，履带组件2主要包括履带201、大梁202、主动轮203、从动轮204、主动轴205、后轮轴206、前轮轴207、后支架法兰208、前支架法兰209。

所述后支架法兰208和前支架法兰209分别安装在后轮轴206和前轮轴207 上，用于安装轮椅架1的前安装法兰103和后安装法兰104,主动轮203、从动轮204、后轮轴206、前轮轴207分别安装在大梁202，所述主动轮203上的主动轴205与履带驱动电机7相连。

履带组件2一般只有一个主动轮203即可，由履带驱动电机7驱动，根据履带201的长度不同可以有多个从动轮204，使整个轮椅在上下楼梯时更加平稳。由于上下楼时履带201为与楼梯接触的主要部件，因此在履带201的表面布置与履带201长度方向垂直的水平齿条210，见图3，这样可以更好地抓紧楼梯，并能够在上下楼梯时对准方向，不会偏斜。履带201可以使用橡胶制造，根据实际情况，一个履带组件2可以由一条履带201、两条履带201或者多条履带 201组成，多条履带201的控制将更加灵活。大梁202是履带组件2中的承载单元，用于支撑主动轮203、从动轮204以及轮椅架1、后轮组件3、前轮组件4。主动轴205、后轮轴206、前轮轴207也安装在大梁202上，并跟主动轮203或者从动轮204的轴共轴线。

所述履带201与轮椅架1的靠背107平行，大梁202轴线与轮椅架1的头枕108到脚踏板109的连线近似平行。

图4、图5、图6是后轮组件3的示意图。后轮组件3包括左后轮301、右后轮302、横梁303、左后轴套304、右后轴套305、左摆臂306、右摆臂307、左后避震308、右后避震309、左后电机310、右后电机311、左后轮轴312、右后轮轴313、左后摇臂314、右后摇臂315、左后角度传感器316、右后角度传感器317、后距离传感器318；所述左后轮301和右后轮302分别安装在左后轮轴312和右后轮轴313上。左后电机310和右后电机311分别驱动左后轮301 和右后轮302的前后转动，以控制轮椅的速度和方向。

横梁303将左后电机310和右后电机311的外壳连接为一个整体，使左右两个部分强度得到加强。左后轴套304和右后轴套305在右摆臂307和左后避震308的顶端并分别安装在履带组件2的后轮轴206上。通过安装在后轮轴206 上的后轮摆臂电机8控制后轮组件3上下摆动，从而控制整个轮椅在上下楼中的姿态保持平稳，不会失去重心而突然倾转。

左摆臂306和右摆臂307分别与左后摇臂314和右后摇臂315以及左后避震308)和右后避震309相连组成后轮减震系统，不论是在平路还是在上下楼过程中都可以使乘坐人员感到更加舒适。同时，左后角度传感器316和右后角度传感器317分别安装在左后摇臂314和右后摇臂315的后端，检测左后摇臂314 和右后摇臂315的摆动角度，以便判断轮椅的姿态和是否在楼梯的边缘。

驱动左后轮301和右后轮302的左后电机310和右后电机311分别安装在左后摇臂314和右后摇臂315的前端(也可以采用电动轮将后轮和驱动电机合为一体，简化系统的设计)。后距离传感器318安装在横梁303的中间部位，用于测量距离地面的距离。不论在后轮组件3是抬起位置或者放下位置时，后距离传感器318都可以检测到地面的距离，用于对轮椅是否处于楼梯边缘的检测。后距离传感器318也可以安装在头枕108上可以更加固定地检测到达地面的距离。

所述横梁303为U型结构，保证在后轮组件3向上抬起时横梁303不会碰到靠背107和头枕108，这时左后轮301和右后轮302在轮椅的两侧不会对乘坐人员产生影响，如图15所示。

图7和图8是前轮组件4示意图，前轮组件4包括左前轮401、右前轮402、左前避震403、右前避震404、左前角度传感器405、右前角度传感器406、左前摇臂407、右前摇臂408、左前电机409、右前电机410。

所述左前轮401和右前轮402分别安装在左前电机409和右前电机410上，也可以将驱动电机和减速器与前轮结合在一起形成一个电动轮，这样使用起来更加方便。左前避震403和左前摇臂408的前端安装在左前电机409上，右前避震404和右前摇臂408的前端安装在右前电机410上，这样左前避震403和右前避震404的伸缩带动左前摇臂407的右前摇臂408的摆动。左前避震403 和右前避震404的后端分别安装在轮椅架1的左避震支点105和右避震支点106 上，左前摇臂407和右前摇臂408的后端分别安装在履带组件2前轮轴207上，共同组成前轮减震系统，该系统属于独立悬挂系统，可以适合比较复杂的地形和爬楼梯环境。左前角度传感器405和右前角度传感器406分别安装在左前摇臂407和右前摇臂408的后端，用以检测左前摇臂407和右前摇臂408的摆动角度。也可以利用微动开关或者贴近传感器代替左前角度传感器405和右前角度传感器406来检测左前摇臂407和右前摇臂408的位置。通过左前摇臂407 和右前摇臂408的位置可以判断出轮椅的姿态以及需要完成的动作，方便程序控制，减少人的干预，提高系统的自动化控制程度。

图9是刹车装置11示意图，其特征在于，所述左前轮401和右前轮402、左后轮301、右后轮302均有可控的刹车装置11能够进行刹车控制，甚至可以将车轮抱死。

所述刹车装置11，包括轴孔1101、刹车盘1102、刹车片1103、自动刹车钢索1104、手动刹车钢索1105、电动缸1106、刹车手柄1107。刹车装置11安装在每个车轮上面。可以采用鼓式刹车装置，或者碟式刹车装置，也可以采用其他刹车行驶。本发明中，刹车装置11为手动和自动并联装置，可以通过手动控制或者自动控制，不论是乘坐人员需要，还是控制器按照程序进行控制，都可以对轮椅进行刹车。自动刹车钢索1104和手动刹车钢索1105一端分别与刹车片1103相连，另外一端分别连接电动缸1106和刹车手柄1107。其中电动缸1106 也可以利用其它电机驱动或者电磁铁驱动器等实现自动控制。自动刹车时，控制器5控制电动缸1106收缩的速度和距离，从而对刹车力进行控制，可以根据需要对车轮抱死，以增加安全性。

本发明的新型六自由度自动爬楼梯轮椅，通过上述结构在实际应用中根据上下楼的状态不同有多种工作模式，主要包括：下楼模式、上楼模式、楼梯自动对准模式，各种工作模式均可以采用自动控制实现，在自动控制过程中，也可以加入人为的调整，但是自动控制器可以判断出人为操作的指令是否危险，如果人为操作具有危险因素，控制器将对人为操作加以限制。

新型六自由度自动爬楼梯轮椅自动下楼的控制模式分为10个部分，实现步骤如下：

步骤1：当轮椅到达楼梯上边缘时，人为调整轮椅方向正对下楼梯方向，然后给出自动下楼指令。虽然履带201上布置了齿条210，但正对楼梯方向很重要，这样可以使下楼时履带201的齿条210要跟楼梯平行并且完全相嵌在条纹中，第一可以防止侧滑，第二可以使轮椅在下楼时不会跑偏，见图10。因此为了避免人为调整不准确引起的危险，在控制器5在收到自动下楼指令后首先判断轮椅是否已完全正对楼底边缘。

步骤2：控制器5判断轮椅是否已完全正对楼底边缘。控制器5收到自动下楼指令后控制左后电机310和右后电机311以及左前电机409和右前电机410 缓慢向前转动。这个过程需要比平路要慢一些，其速度通过控制器控制，不能手动，防止人为误操作产生危险。当左前轮401和右前轮402滚动到第一个台阶处时，继续缓慢向下滚动，这时左前避震403和右前避震404缓慢伸长，带动左前摇臂407和右前摇臂408缓慢平滑下摆，左前角度传感器405和右前角度传感器406检测摆动角度位置并发送给控制器5。如果轮椅未正对楼梯边缘，则左前角度传感器405和右前角度传感器406反馈摆动角度位置信号不一致，这样控制器5就会自动启动楼梯对准模式，即步骤3，如图22所示。如果轮椅已正对楼梯边缘，则左前角度传感器405和右前角度传感器406反馈摆动角度位置信号一致，此时控制器5直接执行步骤4。

步骤3：楼梯自动对准。

步骤4：控制器5控制左前轮401和右前轮402继续向前滚动，左前避震 403和右前避震404继续缓慢伸长，左前摇臂407和右前摇臂408继续缓慢平滑下摆，左前角度传感器405和右前角度传感器406向控制器5发出摆动角度位置，控制器5通过左前角度传感器405和右前角度传感器406的位置判断直到履带201下端是否已经接触到第一个台阶。此外，当履带201下端与第一个台阶缓慢接触时前距离传感器110会检测到台阶距离比正常行驶增加超过阈值，控制器5同样可以据此判断脚踏板109伸出了楼梯第一个台阶。利用左前角度传感器405和右前角度传感器406以及前距离传感器110分别进行楼梯边沿检测，形成判断履带201下端是否接触到第一个台阶的双保险，可以提高系统的可靠性，只要有一个传感器检测到楼梯的边沿，就采取适当措施，可以大大提高系统的可靠性和安全性，避免人为操作失误带来的危险。见图11。

步骤5：履带201下端接触到第一个台阶后，控制器5通过刹车装置11的自动控制装置控制左后轮301和右后轮302制动抱死，同时控制后轮摆臂电机8 将后轮组件3向后上方摆动并控制履带驱动电机7带动履带201向前滚动，此时姿态传感器6将坐垫102的姿态传递给控制器5，控制器5协调后轮摆臂电机 8和履带驱动电机7的速度使坐垫102始终保持水平姿态。该过程中左后轮301 和右后轮302原地不动，起到支撑作用，保证轮椅不会下滑和倾倒；整个轮椅缓慢平稳伸向楼梯下方，并保持坐垫102始终处于水平姿态。见图12。

步骤6：当控制器5检测到履带201下面接触到三个以上台阶时,或者通过一个传感器检测到楼梯接近后轮轴206的位置时，后轮组件3再向后上方摆动会使左后避震308和右后避震309伸长，左后角度传感器316和右后角度传感器317检测左后摇臂314和右后摇臂315与左摆臂306和右摆臂307的夹角变化，使控制器5控制轮椅下行的同时继续抬高后轮组件3至上限位点。见图 13-15。这里可以通过由后轮摆臂角度传感器10反馈的信号来判断是否达到上限位点，也可以采用机械限位点。

步骤7：履带201继续向前滚动，控制器5通过左前角度传感器405和右前角度传感器406及前距离传感器110的反馈信号判断轮椅是否下降到楼梯最低层。当轮椅下降到楼梯最低层时,左前轮401和右前轮402接触到地面，由于履带201继续向前滚动，使左前避震403和右前避震404缓慢压缩，左前摇臂 407和右前摇臂408上摆，左前角度传感器405和右前角度传感器406向控制器 5发出摆动角度位置，这时候前距离传感器110检测到脚踏板109距离地面恢复到常行驶时的数值从而判断到达了楼梯底部。控制器5就可以将控制策略转入到下一阶段。见图16-17。

步骤8：轮椅到达楼梯最底层后，控制器5控制履带驱动电机7停止转动，并将左前轮401和右前轮402制动抱死，同时控制后轮摆臂电机8将后轮组件3 向下方摆动。这样可以将轮椅整个支起来，使履带脱离楼梯。见图18-19。

步骤9：当左后轮301、右后轮302接触到楼梯时，左后避震308和右后避震309压缩，左后角度传感器316和右后角度传感器317检测左后摇臂314和右后摇臂315与左摆臂306和右摆臂307的夹角变化并传递给控制器5，控制器 5控制后轮摆臂电机8向下转速的同时，控制左前电机409、右前电机410向前的转速，以保证坐垫102始终处于水平姿态。见图20。

步骤10：后轮摆臂电机8驱动后轮组件3向下运动，当后轮摆臂角度传感器10检测到后轮组件3达到了设定角度时，说明四个轮子已经到达一个平面上，完成下楼动作。见图21。

该轮椅自动上楼的控制策略分为9个部分，实现步骤如下：

步骤1：当轮椅到达楼梯下边时，调整轮椅方向背部正对上楼梯方向，然后给出自动上楼指令。这项操作可以利用手动完成，需要乘坐人员将轮椅的左后轮301和右后轮302同时贴紧楼梯即可。见轮椅上楼示意图1，即轮椅下楼示意图21。

步骤2：控制器5自动控制左后电机310和右后电机311以及左前电机409 和右前电机410缓慢向后转动。保证后轮贴紧楼梯。见轮椅上楼示意图1，即轮椅下楼示意图21。

步骤3：当左后电机310和右后电机311滚动到第一个台阶处时，继续向后滚动时会使后轮滚上第一个台阶，使轮椅前倾，这时由于坐垫102发生轻微倾斜，姿态传感器6将信号传递给控制器5，控制器5从而判断到轮椅后轮接触上了楼梯。姿态传感器6在得到上楼指令后才会对姿态传感器6进行不断检测。在平路行驶时不需要对姿态传感器6的检测，只有跨越障碍或者上下楼梯时，需要对姿态传感器6的检测。见轮椅上楼示意图2，即轮椅下楼示意图20(箭头方向反向)。

步骤4：控制器5控制左后轮301和右后轮302继续向后转动，同时控制后轮摆臂电机8将后轮组件3向后上方摆动并控制左前电机409和右前电机410 向后转动，此时姿态传感器6将坐垫102的姿态传递给控制器5，控制器5协调后轮摆臂电机8、左前电机409和右前电机410、左后电机310和右后电机311 的速度使坐垫102始终保持水平姿态。见轮椅上楼示意图2-3，即轮椅下楼示意图20-图19，其中图上的箭头方向反向。

步骤5：后轮摆臂角度传感器10检测后轮摆臂电机8将后轮组件3向后上方摆动到指定角度时，履带201完全贴合在楼梯上，这时左后轮301和右后轮 302仍然与楼梯接触，同时左后避震308、右后避震309处于中间位置，左后角度传感器316、右后角度传感器317将左摆臂306、右摆臂307的角度上传给控制器5。见轮椅上楼示意图4，即轮椅下楼示意图18(图中箭头方向反向，上楼时轮子左后轮301和右后轮302是接触楼梯的)这时左前避震403和右前避震 404仍然处于压缩状态。

步骤6：控制器5控制后轮摆臂电机8、左前电机409和右前电机410、左后电机310和右后电机311停止工作，并控制履带驱动电机7驱动履带201向楼梯上方滚动开始爬楼梯。见轮椅上楼示意图5-6，即轮椅下楼示意图17-图16 (图中箭头反向)，这时可以控制左后电机310和右后电机311向后旋转，作为辅助爬楼动力。

步骤7：当轮椅爬到楼梯上端时，左后轮301和右后轮302脱离与楼梯的接触，见轮椅上楼示意图7，即轮椅下楼示意图15(图中箭头反向)，左后避震308、右后避震309伸长，左后角度传感器316、右后角度传感器317将左摆臂306、右摆臂307的角度上传给控制器5，这时后距离传感器318检测到其离开地面的距离超过爬楼时的距离。也可以通过其他方式自动检测到轮椅爬到楼梯的上端，并使控制器5做出下一步动作的判断。

步骤8：控制器5控制后轮摆臂电机8将后轮组件3向下方摆动，同时控制左后电机310和右后电机311缓慢向后转动，并继续控制履带驱动电机7带动履带201向楼梯上方滚动，控制器5协调后轮摆臂电机8、履带驱动电机7、左后电机310和右后电机311的速度使坐垫102始终保持水平姿态。见轮椅上楼示意图8-10，即轮椅下楼示意图14-图12(图中箭头反向)。

步骤9：当左前轮401和右前轮402登上最高层楼梯时，会与地面接触，同时使左前避震403和右前避震404缓慢压缩，左前摇臂407和右前摇臂408上摆，左前角度传感器405和右前角度传感器406向控制器5发出摆动角度位置，控制器5控制左前电机409和右前电机410向后转动，控制履带驱动电机7停止工作，控制左后轮301和右后轮302制动抱死，继续控制后轮摆臂电机8下摆到指定角度，完成爬楼状态。见轮椅上楼示意图11-12，即轮椅下楼示意图 11-10(图中箭头反向)。

新型六自由度自动爬楼梯轮椅自动楼梯对准模式的控制策略分为4个部分，实现步骤如下：

步骤1：当轮椅下楼时，需要正对楼梯下楼方向对齐，假设右前轮402先到楼梯边缘，当右前轮402滚动到第一个台阶处时，继续向下滚动，同时右前避震404缓慢伸长，右前摇臂408下摆，右前角度传感器406向控制器5发出摆动角度位置。见图22。

步骤2：控制器5控制右前电机410减速缓慢向前滚动直到履带201右下端与第一个台阶接触上(控制器5通过右前角度传感器406的位置判断)，同时将右前轮402和右后轮302制动抱死。

步骤3：控制器5控制左前电机409、左后电机310缓慢向前旋转，左前角度传感器405向控制器5发出角度位置，直到左前轮401到达与右前轮402相同位置，这时候前距离传感器110检测到脚踏板109伸出了楼梯第一级，完成对准操作。

步骤4：如果左前轮401先到楼梯边缘，操作过程与步骤1至步骤3类似，控制相对应的电机即可。

在轮椅过较低的障碍物时，可以按照上楼过程进行控制，首先让轮椅背对障碍物，然后控制轮椅的左后电机310和右后电机311向后滚动爬上障碍物，使轮椅前倾，控制器5控制左后轮301和右后轮302继续向后转动，同时控制后轮摆臂电机8将后轮组件3向后上方摆动并控制左前电机409和右前电机410 向后转动，此时姿态传感器6将坐垫102的姿态传递给控制器5，控制器5协调后轮摆臂电机8、左前电机409和右前电机410、左后电机310和右后电机311 的速度使坐垫102始终保持水平姿态。直到左后轮301和右后轮302跨过障碍物。

然后控制器5控制履带驱动电机7驱动履带201向后运行，并将左前轮401 和右前轮402抬起，跨过障碍物。在此过程中，控制器5控制左后轮301和右后轮302转动，同时控制后轮组件3的角度，使坐垫102始终保持水平姿态。

对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅，包括轮椅架(1)、后轮组件(3)、前轮组件(4)、控制器(5)、姿态传感器(6)、刹车装置(11)，轮椅架(1)包括坐垫(102)，其特征在于，还包括履带组件(2)、履带驱动电机(7)、后轮摆臂电机(8)、履带罩(9)、后轮摆臂角度传感器(10)；

所述轮椅架(1)包括前距离传感器(110)，所述后轮组件(3)包括后角度传感器(316)、右后角度传感器(317)，所述前轮组件(4)包括左前角度传感器(405)和右前角度传感器(406)，距离传感器(110)、后角度传感器(316)、右后角度传感器(317)、左前角度传感器(405)和右前角度传感器(406)与控制器(5)通过电信号连接，向控制器(5)传递检测信号；

所述履带组件(2)包括履带(201)、主动轴(205)、后轮轴(206)、前轮轴(207)，轮椅架(1)安装在履带组件(2)上方，后轮组件(3)与履带组件(2)的后轮轴(206)相连接，前轮组件(4)与履带组件(2)的前轮轴(207)相连接，控制器(5)安装在轮椅架(1)的坐垫(102)下方，姿态传感器(6)安装在控制器(5)上，履带驱动电机(7)安装在履带组件(2)的主动轴(205)上驱动履带(201)滚动，后轮摆臂电机(8)安装在履带组件(2)的后轮轴(206)上控制后轮组件(3)的摆动角度，履带罩(9)覆盖在履带组件(2)上，后轮摆臂角度传感器(10)安装在后轮轴(206)上检测后轮组件(3)的摆动角度，刹车装置(11)安装在后轮组件(3)和前轮组件(4)的轮轴上。

2.如权利要求1所述的一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅，其特征在于，所述轮椅架(1)还包括框架(101)、前安装法兰(103)、后安装法兰(104)、左避震支点(105)、右避震支点(106)、靠背(107)、头枕(108)、脚踏板(109)，整个轮椅架(1)通过前安装法兰(103)、后安装法兰(104)和框架(101)支撑起来，左避震支点(105)、右避震支点(106)分别与前轮组件(4)相连，靠背(107)和头枕(108)相对坐垫(102)向后倾斜，前距离传感器(110)置于脚踏板(109)下方用于探测脚踏板(109)距离地面的距离。

3.如权利要求1所述的一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅，其特征在于，所述履带组件(2)还包括大梁(202)、主动轮(203)、从动轮(204)、后支架法兰(208)、前支架法兰(209)；

所述后支架法兰(208)和前支架法兰(209)分别安装在后轮轴(206)和前轮轴(207)上，用于安装轮椅架(1)的前安装法兰(103)和后安装法兰(104),主动轮(203)、从动轮(204)、后轮轴(206)、前轮轴(207)分别安装在大梁(202)，后轮轴(206)安装在大梁(202)的中间部位，前轮轴(207)安装在大梁(202)的最下端并与最下端的从动轮(204)的轴重合，主动轮(203)和从动轮(204)可以安装在大梁(202)上的任何部位；

所述主动轮(203)上的主动轴(205)与安装履带驱动电机(7)相连；

所述履带(201)与轮椅架(1)的靠背(107)平行。

4.如权利要求1所述的一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅，其特征在于，所述后轮组件(3)还包括左后轮(301)、右后轮(302)、横梁(303)、左后轴套(304)、右后轴套(305)、左摆臂(306)、右摆臂(307)、左后避震(308)、右后避震(309)、左后电机(310)、右后电机(311)、左后轮轴(312)、右后轮轴(313)、左后摇臂(314)、右后摇臂(315)、后距离传感器(318)；

所述左后轮(301)和右后轮(302)分别安装在左后轮轴(312)和右后轮轴(313)，横梁(303)将左后电机(310)和右后电机(311)连接为一个整体，左后轴套(304)和右后轴套(305)在右摆臂(307)和左后避震(308)的顶端并分别安装在履带组件(2)的后轮轴(206)上，左摆臂(306)和右摆臂(307)分别与左后摇臂(314)和右后摇臂(315)以及左后避震(308)和右后避震(309)相连组成后轮减震系统，左后电机(310)和右后电机(311)分别安装在左后摇臂(314)和右后摇臂(315)的前端，左后角度传感器(316)和右后角度传感器(317)分别安装在左后摇臂(314)和右后摇臂(315)的后端，检测左后摇臂(314)和右后摇臂(315)的摆动角度，后距离传感器(318)安装在横梁(303)的中间部位，用于测量距离地面的距离；

所述后轮组件(3)的横梁(303)为U型结构，保证在后轮组件(3)向上抬起时横梁(303)不会碰到靠背(107)和头枕(108)。

5.如权利要求1所述的一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅，其特征在于，所述前轮组件(4)还包括左前轮(401)、右前轮(402)、左前避震(403)、右前避震(404)、左前摇臂(407)、右前摇臂(408)、左前电机(409)、右前电机(410)；

所述左前轮(401)和右前轮(402)分别安装在左前电机(409)和右前电机(410)上，左前电机(409)和右前电机(410)上分别安装在左前摇臂(407)和右前摇臂(408)前端，左前避震(403)和右前避震(404)前端分别安装在左前电机(409)和右前电机(410)上，后端分别安装在轮椅架(1)的左避震支点(105)和右避震支点(106)上，左前摇臂(407)和右前摇臂(408)的后端分别安装在履带组件(2)前轮轴(207)上，共同组成前轮减震系统，左前角度传感器(405)和右前角度传感器(406)分别安装在左前摇臂(407)和右前摇臂(408)的后端，用以检测左前摇臂(407)和右前摇臂(408)的摆动角度。

6.如权利要求1所述的一种新型六自由度自动爬楼梯轮椅，其特征在于，所述后轮组件(3)、前轮组件(4)上下摆动具有上限位和下限位功能，防止摆动超过幅度影响安全使用，所述前轮组件(4)在下楼过程中下限位功能，还可以保证左前轮(401)和右前轮(402)不与楼梯接触；所述后轮组件(3)、前轮组件(4)均具有刹车装置(11)能够将车轮抱死，所述刹车装置(11)为手动和自动并联装置。