专利名称：轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅的制作方法
技术领域：
本发明是一种轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，属于一种在平地、楼梯以及凸凹不平的路面上都能安全稳定运行的无障碍轮椅。
背景技术：
自平衡无障碍轮椅是一种集运动机构、动态决策与规划、行为控制等多种技术于一体的综合系统。其中，星型轮式无障碍轮椅和履带式无障碍轮椅最具代表性。无障碍轮椅是老年人和下肢瘫痪病人在日常生活中不可或缺的代步工具，性能优越的轮椅，尤其是智能无障碍轮椅能使他们在完成部分日常活动的同时，重新获得生活能力，增强重新融入社会的信心。
星型轮式无障碍轮椅是目前国际上较为通用，也是研究最多的一种越障轮椅模式，是目前爬楼梯效果较好的轮椅，在一定程度上可以适应多种地形，但是这种星型轮式无障碍轮椅在爬越楼梯时会产生较大的颠簸，对于轮椅使用者来讲感觉很不舒服。而应用普遍使用的轮式轮椅，其越障性能又不强，若使用轮式轮椅爬越楼梯(假如一幢大楼门前并没有轮椅通道)，一般的做法是在整个楼梯铺设平板，这显然是不现实的。另一种做法是在轮式轮椅上安装爬越楼梯的辅助机构等，这样就会造成轮椅的机构相当复杂，而且轮椅也会很重。此外，履带式轮椅能够平稳的进行楼梯攀爬，适合大多数的室内外障碍地形，简单容易操作，相对于其他种类的无障碍轮椅更为安全稳定，无需专人辅助进行楼梯攀爬，但是履带式轮椅在平地上的运动速度缓慢，重量大，使得履带式轮椅在转弯及搬运等方面不方便。
发明内容
为了克服现有的无障碍轮椅在攀爬楼梯或攀越障碍物时不稳定、可靠性不高、速度缓慢等的缺陷，本发明提供一种安全、方便、稳定地攀爬楼梯或攀越障碍物的轮椅，使用者不需要任何的帮助就可以自由地在平地、楼梯台阶、斜坡上“行走”，将给残障人士的日常生活提供极大的方便。本专利解决技术问题所采用的技术方案是轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，是由上机架、下机架、主机架、下肢机架、辅轮架、辅轮、重心平衡机构、轮/履变结构移动平台构成，上机架、下机架同主机架的上端轴动装连接，通过重心平衡机构的调节可以绕主机架上端俯仰一定角度，下肢机架与下机架动装连接，可以绕下机架外侧轴自动旋转。辅轮架动装连接在下机架上，辅轮安装在辅轮架上，重心平衡机构安装在主机架与上、下机架之间，轮/履耦合式移动平台与主机架动装连接，采用轮/履耦合式移动平台，使轮椅在攀越楼梯或障碍物时具有良好的越障能力。上机架由上机架椅垫、上机架轴、头部支撑机架、头部支撑软垫、扶手、把手构成，椅垫固定在上机架轴上，两个扶手安装在上机架轴的前端，当轮椅攀爬楼梯、障碍物或平地行走时上使用者可手握扶手，以提高其稳定性。为了使老年人或肢体瘫痪病人在使用轮椅时更加舒适、放松，在上机架顶端安装一头部支撑机构，头部支撑机构包括头部支撑机架和头部支撑软垫两部分，头部支撑机架同上机架轴动装连接，可以沿着连接体上下移动，从而调节头部支撑软垫的具体位置。上机架同主机架动装连接，可以绕主机架的上端轴旋转一定的角度，主机架起固定作用，上机架、下机架、两电动推杆通过一定的支点动装连接在主机架上，控制箱和轮履变结构移动平台均固定连接在主机架上。下机架包括下机架轴和下机架椅垫两部分，下机架轴一端同主机架动装连接，另一端同下肢机架动装连接，老年人或者肢体瘫痪病人可根据自己的实际需要自行调节下肢机架同下机架之间的角度。下肢机架由下肢机架轴、脚踏板、护膝套构成，脚踏板和护膝套可以通过下肢机架轴上下调节其位置。采用轮/履耦合式移动平台，由轮式与履带式移动相互转换的变换机构、驱动装置、弾性履带构成，其轮式与履带式移动相互转换的变换机构由主动轮、支撑轮、推杆、六点连接体、六点连接体摆杆、支撑轮摆杆、连杆、曲柄构成，六点连接体与六点连接体摆杆、曲柄、连杆构成一曲柄摇杆机构，六点连接体与推杆动装连接，轮椅上、下楼梯时，控制箱中的ARM控制板通过程序控制推杆推动曲柄摇杆结构，使支撑轮展开一定的角度，从而实现移动平台由轮式移动向履带式移动的转换。平地行走时，移动平台的弾性履带不展开，驱动装置通过控制两个主动轮运转来驱动轮椅行走，调节主动轮的转速差，可以实现轮椅的转弯动作；上、下楼梯吋，控制箱中的ARM控制板控制辅轮自动抬起，通过轮式与履带式移动相互转换的变换机构将弹性履带展开，将座椅调高到适当的位置，通过驱动装置控制主动轮带动弹性履带按照一定的转速运行，从而实现轮椅的上、下楼梯运动。弾性履带附在主动轮上，驱动装置安装在两移动平台之间的主机架下端轴上，由电动机、減速器和联轴器构成。重心平衡机构是由两个电动推杆、两个角度传感器和ー个控制箱构成，控制箱内部装有ARM控制板和电机，两电动推杆底端通过ー支点动装连接在主机架上，另一端分别与上机架和下机架的底部轴相连接。两角度传感器分别装在下机架右侧轴的底部中间位置和上机架右侧轴的后部中间位置。重心平衡机构的控制流程为第一歩，向ARM控制板中输入设定的轮椅中心平衡角度值；第二步，轮椅上、下楼梯的过程中，角度传感器实时测得下机架和上机架右侧轴的倾斜角度，角度传感器将倾斜角度数值发送给ARM控制板，ARM控制板通过与初始设定角度值比较，ARM控制板计算出电动推杆的移动量；第三歩，ARM控制板再控制电动推杆的移动量以推动或回拉下机架和上机架，使下机架和上机架绕主机架的上端轴分别旋转一定的角度，使轮椅的重心达到平衡状态。有益效果I.本发明轮/履耦合式移动平台采用六点连接体与六点连接体摆杆、曲柄、连杆构成一曲柄摇杆机构实现了轮式与履带式移动相互转换，使轮式移动与履带式移动的优势有机统一起来；2.重心平衡机构采用角度传感器与控制器实现对电动推杆推力的控制，以达到控制整个轮椅重心的目的，解决了轮椅在进行履带式移动时产生的重心控制难题，保证轮椅 在上下楼梯的安全性；3.本发明移动平台的轮/履变换机构结构简单、使用方便，克服了以往无障碍轮椅轮/履变换机构结构复杂、控制系统繁琐的缺陷。
图I是本发明的整体结构图。图2是本发明的座椅部分机架结构图。图3是本发明的无障碍轮椅移动平台主动轮外观结构图。图4是本发明的无障碍轮椅移动平台轮/履机构相互转换原理图。图5是本发明的无障碍轮椅移动平台轮式转履带式整体结构图。图6是本发明的无障碍轮椅平地行走时外观示意图。图7是本发明的无障碍轮椅上楼梯时外观示意图。图8是本发明的无障碍轮椅下楼梯时外观示意图。图9是本发明的运行模式切换图。图中1、上机架，2、重心平衡机构，3、主机架，4、轮/履变结构移动平台，5、辅轮，
6、下肢机架，7、辅轮架，8、下机架，9、头部支撑软垫，10、头部支撑机架，11、把手，12、上机架轴，13、电动推杆，14、主机架轴，15、控制箱，16、下机架轴，17、脚踏板，18、下肢机架轴，19、护膝套，20、下机架椅垫，21、扶手，22、上机架椅垫，23、轮环，24、轮毂，25、电动机，26、支撑轮，27、支撑轮摆杆，28、垫片，29、连杆，30、曲柄，31、减速器，32、推杆，33、六点连接体，34、弾性履帯。
具体实施例方式结合附图I所示说明本发明的整体结构构成。该轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅由上机架I、重心平衡机构2、主机架3、轮/履变结构移动平台4、辅轮5、下肢机架6、辅轮架7、下机架8构成，上机架I和下机架8均同主机架3动装连接，通过重心平衡机构2的调节可以绕主机架3自动旋转一定的角度，下肢机架6与下机架8动装连接，可以绕下机架8自动旋转一定的角度，轮/履变结构移动平台4同主机架3动装连接，辅轮5通过辅轮架7连接在下机架8上，当轮椅攀爬楼梯或平地行走时起辅助作用。结合附图2所示说明本发明的座椅部分机架结构图及重心调节原理。上机架I由头部支撑软塾9、头部支撑机架10、把手11、上机架轴12、扶手21、上机架椅塾22构成，头部支撑机架10同上机架轴12动装连接，使用者可以根据自己的具体情况上下移动头部支撑支架10，从而调节头部支撑软垫9的具体位置。下机架8由下机架轴16和下机架椅垫20构成，上机架轴12和下机架轴16均通过ー支点同主机架轴14动装连接，当无障碍轮椅上下楼梯时，根据楼梯的坡度，重心平衡机构2中的两个电动推杆13分别推动上机架轴12和下机架轴20绕主机架轴14旋转一定的角度，从而使轮椅保持一定的平衡，起到调节重心的目的。重心平衡机构2由两个电动推杆13和控制箱15构成，两电动推杆13的调节端分别与上机架轴12和下机架轴16连接，另一端通过ー支点动装连接在主机架轴14上，控制箱15固定连接在主机架轴14上。老年人或者肢体瘫痪病人可根据自己的实际需要自行调节下肢机架6同下机架8之间的角度。下肢机架6由脚踏板17、下肢机架轴18、护膝套19构成，下肢机架轴18与下机架轴16动装连接，可以自行调节下肢机架轴18同下机架轴16之间的角度，下肢机架轴18可上下移动，使用者根据自己的具体情况可以自由调节脚踏板17和护膝套19的位置。结合附图3、附图4和附图5说明本发明的移动平台轮/履变换机构工作原理。轮式与履带式移动相互转换的变换机构由轮环23、轮毂24、电动机25、支撑轮26、支撑轮摆杆27、垫片28、连杆29、曲柄30、减速器31、推杆32、六点连接体33构成。六点连接体33共有六个连接点，分别与两推杆32、两曲柄30、两支撑轮摆杆27以六点为支点动装连接，六点连接体33同曲柄30、连杆29、支撑轮摆杆27构成一曲柄摇杆机构。平地行走吋，弹性履带不展开，移动平台按照轮式运动行走，轮式与履带式移动相互转换的变换机构状态如附图4所示。当无障碍轮椅上、下楼梯时，控制推杆32推动曲柄摇杆机构，使支撑轮摆杆26向外展开ー个的角度，带动弹性履带向外展开，从而使移动平台由轮式运动转换为履带式运动，轮式与履带式移动相互转换的变换机构状态如附图5所示。结合附图6、附图7、附图8和附图9说明本发明的五种运动模式。本发明的运动模式可划分为平地行走、上楼梯、下楼梯、预备走楼梯、预备走平地共五种，五种运动模式的切換如附图9所示。平地行走时，移动平台的弾性履带不展开，通过控制两个主动轮运转 来驱动轮椅行走，无障碍轮椅平地行走的运动状态如附图6所示，此外，调节主动轮的转速差，可以实现轮椅的转弯动作；无障碍轮椅上、下楼梯时，首先要抬起辅轮，通过轮式与履带式移动相互转换的变换机构将两支撑轮向外弹开，此时履带展开一定的角度，座椅调高到适当的位置，通过驱动装置控制主动轮带动弹性履带按照一定的转速运行，从而实现轮椅的上、下楼梯运动。无障碍轮椅上、下楼梯的运动状态图如附图7、附图8所示。
权利要求
1.一种轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，其特征在于主要由上机架、下机架、主机架、下肢机架、辅轮架、辅轮、重心平衡机构、轮/履变结构移动平台构成；其中，重心平衡机构是由两个电动推杆、两个角度传感器和一个控制箱构成，控制箱内部装有ARM控制板，两电动推杆底端通过一支点动装连接在主机架上，另一端分别与上机架和下机架的底部轴相连接，上机架、下机架同主机架的上端轴动装连接，并绕主机架上端轴俯仰角度；下肢机架与下机架动装连接，绕下机架外侧轴自动旋转；辅轮架动装连接在下机架上，辅轮安装在辅轮架上；重心平衡机构安装在主机架与上、下机架之间，轮/履耦合式移动平台与主机架动装连接。
2.根据权利要求I所述的轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，其特征在于两角度传感器分别装在下机架右侧轴的底部中间位置和上机架右侧轴的后部中间位置。
3.根据权利要求I所述的轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，其特征在于轮/履变结构移动平台由轮式与履带式移动相互转换的变换机构、驱动装置、弹性履带构成，其轮式与履带式移动相互转换的变换机构由主动轮、支撑轮、推杆、六点连接体、六点连接体摆杆、支撑轮摆杆、连杆、曲柄构成，六点连接体与六点连接体摆杆、曲柄、连杆构成曲柄摇杆机构；驱动装置由电动机、减速器、联轴器和推杆构成，驱动装置安装在两移动平台之间的主机架下端轴上，六点连接体与推杆动装连接，弹性履带附在主动轮上。
4.根据权利要求I所述的轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，其特征在于上机架前端安装两个扶手，上机架顶端安装头部支撑机架，头部支撑机架上设有可移动位置的头部支撑软垫。
5.根据权利要求I所述的轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，其特征在于下肢机架下端安装有一对脚踏板，中间安装一副护膝套。
6.根据权利要求I所述的轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，其特征在于下机架下方安装两个辅轮架，每个辅轮架连接一个辅轮，辅轮架随下机架上的支点旋转。
7.根据权利要求I所述的轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，其特征在于 第一步，向ARM控制板中输入设定的轮椅中心平衡角度值； 第二步，轮椅上、下楼梯的过程中，角度传感器实时测得下机架和上机架右侧轴的倾斜角度，角度传感器将倾斜角度数值发送给ARM控制板，ARM控制板通过与初始设定角度值比较，ARM控制板计算出电动推杆的移动量； 第三步，ARM控制板再控制电动推杆的移动量以推动或回拉下机架和上机架，使下机架和上机架绕主机架的上端轴分别旋转一定的角度，使轮椅的重心达到平衡状态。
全文摘要
本发明涉及一种轮/履耦合式自平衡无障碍轮椅，是由上机架、下机架、主机架、下肢机架、辅轮架、辅轮、重心平衡机构、轮/履变结构移动平台构成，上机架、下机架同主机架的上端轴动装连接，通过重心平衡机构的调节可以绕主机架上端轴自动旋转，下肢机架与下机架动装连接，可以绕下机架外侧轴自动旋转。采用轮/履耦合式移动平台，使轮椅在攀越楼梯或障碍物时具有良好的越障能力。本发明结构合理、操作方便，将给下肢残障人士的出行、日常生活提供极大的方便。
文档编号A61G5/10GK102614055SQ20121011019
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者宗成国, 李敬一, 王冬晓, 白阳, 郭文增, 靳飞, 高学山 申请人:北京理工大学