专利名称：一种六足楼梯攀爬轮椅的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种助老助残的轮椅，尤其是能够攀爬楼梯和跨越障碍的轮椅，属于助老助残服务机器人领域。
背景技术：
目前，公知的常用轮椅装置采用轮式运动形式，只能在平地上行走，而不能跨越像台阶、门槛这样的障碍，更不能攀爬楼梯，因此乘坐轮椅人员的活动范围受到很大的限制。目前具有楼梯攀爬能力的特殊轮椅装置包括轮组式、履带式、轨道式和有腿式(步行式)四种。轮组式轮椅(比如美国的IB0T3000)采用星型轮机构，能攀爬楼梯和翻越马路牙子，其缺点是楼梯的宽度和高度必须与轮子的大小相适合，因此对于楼梯的构造和规格有一定的限制；履带式轮椅通过履带在楼梯上行走，其缺点是在爬楼梯时履带容易损坏楼梯且需要有防滑措施，其应用受到限制；轨道式需要在楼梯上安装专门的轨道机构，由于轨道机构不 能随轮椅一起随意移动到不同的场合，应用也受到限制；有腿式轮椅比如美国宾夕法尼亚大学研究的The hybrid all-terrain wheelchair,在轮椅的基础上增加了两条腿,可以爬上台阶和翻越障碍，但是在攀爬台阶和翻越障碍的过程中座椅倾斜严重，给乘员造成很大的不适感。
发明内容
为了克服现有楼梯攀爬轮椅对楼梯结构的限制和对专用设施的依赖，本申请提供一种新的楼梯攀爬轮椅方案，该方案对楼梯的结构不加限制，也不依赖于其他的专用设施，不仅能够保证楼梯攀爬过程中乘员的安全性，而且能够保证乘员在楼梯攀爬过程中的舒适性。本申请解决其技术问题所采用的技术方案是在普通轮椅的座位下面设置有3条椅前侧腿和3条椅背侧腿共6条机械腿，每条机械腿包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和脚部，髋关节向上和轮椅连接并通过推力轴承安装在电源控制器箱内，髋关节向下和大腿连接，大腿和小腿通过膝关节连接，小腿和脚部通过踝关节连接，髋关节和膝关节采用伺服电机驱动，实现大腿绕髋关节的转动和小腿绕膝关节的转动，所述椅前侧腿和椅背侧腿的膝关节中心都在大腿和小腿的交汇点向腿弯方向偏置，使得椅前侧腿和椅背侧腿可以在膝关节处折叠，同时椅背侧腿髋关节纵轴向椅背侧折弯一段距离，从而椅前侧腿和椅背侧腿可以分别折叠收回到电源控制器箱的下方和椅背的后方。所述的六足楼梯攀爬轮椅具有轮式和腿式两种运动模式在平地环境中将3条椅前侧腿和3条椅背侧腿分别折叠收回到电源控制器箱的下方和椅背的后方，系统采用轮式运动模式；在需要攀爬楼梯和跨越障碍的环境中将折叠的6条机械腿伸出，采用步行运动模式。所述3条椅前侧腿分左中右均匀布置在电源控制器箱靠近轮椅的前侧，3条椅背侧腿分左中右均匀布置在电源控制器箱靠近轮椅的背侧；其有慢速的爬行步态和快速的三角步态两种爬行步态，具体如下所述慢速的爬行步态每次只迈出一条腿，这条腿落地后再迈出下一条腿，始终至少有5条腿接触地面；其中上楼梯的迈步次序为中间椅背侧腿一右侧椅背侧腿一左侧椅背侧腿一重心前移一右侧椅前侧腿一左侧椅前侧腿一中间椅前侧腿；所述快速的三角步态椅背侧的左右侧腿和椅前侧的中间腿为一组，椅背侧的中间腿和椅前侧的左右侧腿为一组，同组的3条腿同时迈步，这一组腿落地后再迈出下一组腿，两组腿交替迈步，始终至少有3条腿接触地面；无论是采用慢速的爬行步态，还是快速的三角步态，从六足楼梯攀爬轮椅的重心位置到机械腿的支撑多边形边界的距离至少约等于六足楼梯攀爬轮椅最左侧腿和最右侧腿之间距离的1/4。
椅前侧3条机械腿的大腿和小腿部分包含伸缩关节，伸缩关节由活动部分和固定部分组成，大腿的伸缩关节固定部分通过螺柱螺母和髋关节连接，活动部分通过螺柱螺母和膝关节连接，小腿的伸缩关节固定部分通过螺柱螺母和膝关节连接，活动部分通过螺柱螺母和踝关节连接，在楼梯攀爬过程中，轮椅椅前侧在前，对乘员而言是前进着下楼梯；椅背侧在前，对乘员而言是倒退着上楼梯，这时轮椅椅前侧腿在楼梯上所处位置比椅背侧腿在楼梯上所处位置要低约2-3级台阶，轮椅根据椅前侧腿和椅背侧腿所处位置的楼梯台阶高度差调节椅前侧腿伸缩关节的伸缩长度，使得椅前侧腿比椅背侧腿更长，而且椅前侧腿比椅背侧腿多出的长度等于椅前侧腿和椅背侧腿在楼梯上落脚点的高度差，从而在楼梯攀爬过程中始终保持轮椅的座位处于水平状态，保证乘员乘坐的舒适度和安全性。6条机械腿分左中右均匀配置在椅前侧和椅背侧，这样无论是采用慢速的爬行步态(6条腿依次动作，每次只迈出一条腿)，还是快速的三角步态(相互间隔的3条腿为一组，同组的3条腿同时迈步)，都可以保证轮椅的重心始终处于机械腿的支撑多边形之内，系统具有较好的稳定裕度而不至于倾覆，从而保证乘员的安全性。机械腿的踝关节没有电机驱动，而且安装着关节轴承，其脚部在踝关节处可以绕垂直于前进方向的轴和平行于前进方向的轴分别转动一定的角度，从而使轮椅可以适应不平整的地面，在坑洼路面上方便地采用步行运动模式行走。椅前侧3条机械腿的大腿和小腿部分的伸缩关节通过滚珠丝杠螺母机构实现，滚珠丝杠采用“固定一自由”型安装方式，固定端通过双向被动自锁轴承和伺服电机驱动组件连接，螺母机构和伸缩腿的活动部分连接，伸缩腿活动部分的外形为正四棱柱，在棱柱的四面设置有4列滚动导轨块，伸缩腿的固定部分为一个中空的正四棱柱，在其内表面的4个平面上各有I列导向槽，活动部分套在固定部分里面并通过滚动导轨块在固定部分的导向槽内滑动，这样机械腿的伸缩部分既可以在伺服电机的驱动下自由地伸缩以调节机械腿的长度，又可以防止滚珠丝杠在受力状态下产生逆转动，从而在实现机械腿伸缩功能的同时保证系统的安全性。所述椅前侧腿和椅背侧腿的髋关节向上通过推力轴承安装在电源控制器箱内，并通过伺服电机驱动，使椅前侧腿和椅背侧腿可以绕竖直轴转动，从而实现六足楼梯攀爬轮椅系统的转向操作。所述椅前侧腿和椅背侧腿的踝关节安装有关节轴承，并且采用无电机驱动的欠驱动方案，由于关节轴承的轴线可偏转，6条机械腿的脚部在踝关节处可绕左右方向轴上下俯仰各20°，也可绕前后方向轴左右侧倾各15°，从而使得椅前侧腿和椅背侧腿可以适应不平整的地面，方便地在坑洼的路面上采用步行运动模式行走。本申请的有益效果是，系统在平整路面采用轮式运动模式，保留轮椅原有的运动功能，在台阶和楼梯环境中采用步行运动方式，不受楼梯结构限制，不依赖于特殊的专用设施，在楼梯攀爬过程中始终维持坐椅的水平状态，可以保证乘员乘坐的安全性和舒适性，而且该系统在不平整地面也具有较好的适应性。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步说明。图I是六足楼梯攀爬轮椅采用步行运动状态开始攀爬楼梯。图2是六足楼梯攀爬轮椅采用轮式运动状态在平地行走。
图3是机械腿的结构和折叠示意图，椅背侧腿的大腿和小腿没有伸缩关节。图4是椅前侧腿大腿和小腿伸缩关节的具体构造。图5是六足楼梯攀爬轮椅椅前侧腿和椅背侧腿转动和伸缩关节的运动方向。图6是六足楼梯攀爬轮椅通过伸缩腿在楼梯上保持座位处于水平状态。图7是六足楼梯攀爬轮椅在两层楼梯之间上下楼的运动方向。图8是六足楼梯攀爬轮椅快速行走(三角步态)时的重心位置和支撑多边形。图9是六足楼梯攀爬轮椅慢速行走(爬行步态)时的重心位置和支撑多边形。图中I.椅背，2.椅背侧腿，3.电源控制器箱，4.后轮，5.椅前侧腿，6.前轮，7.踏脚板，8.座位，9.扶手，10.髋关节纵轴，11.髋关节，12.踝关节，13.脚部，14.椅前侧腿小腿伸缩关节，15.膝关节，16.椅前侧腿大腿伸缩关节，19.齿轮箱，20.齿轮组，21.伺服电机，22.双向被动自锁轴承，23.滚珠丝杠固定轴端，24.滚珠丝杠，25.滚珠丝杠螺母，26.伸缩腿固定部分侧板，27.滚动导轨块列，28.伸缩腿活动部分，29.椅背侧腿小腿，30.椅背侧腿大腿，31.椅背侧腿髋关节纵轴，32.推力轴承。
具体实施例方式在图I中，6条机械腿在椅前侧和椅背侧分左中右均布在轮椅的座椅下方。如图3所示，机械腿的结构与人腿相类似，分为髋关节纵轴10，髋关节11，大腿30、膝关节15、小腿29、踝关节12和脚部13，髋关节11向下和大腿30连接，大腿30和小腿29通过膝关节15连接，小腿29和脚部13通过踝关节12连接。髋关节纵轴10向上通过推力轴承32安装在电源控制器箱3内，并通过伺服电机驱动，使椅前侧腿5和椅背侧腿2可以绕竖直轴转动，从而实现六足楼梯攀爬轮椅系统的转向操作。机械腿的朝向和轮椅的朝向相反，所以在上楼梯过程中，轮椅的椅背侧在前，对乘员而言是倒退着上楼梯，在下楼梯过程中，轮椅椅前侧在前，对乘员而言是前进着下楼梯。在座位8的下面设置有电源控制器箱3，机械腿的髋关节纵轴10通过一对推力球轴承固定在电源控制器箱3内并通过伺服电机驱动，从而使整条机械腿绕图5所示的z轴转动，改变轮椅的前进方向，实现转弯运动。在图3中，椅前侧腿5的大小腿还具有伸缩关节，伸缩关节的结构如图4所示，伸缩关节由活动部分和固定部分组成，大腿的伸缩关节固定部分通过螺柱螺母和髋关节11连接，活动部分通过螺柱螺母和膝关节15连接，椅前侧腿小腿伸缩关节14的固定部分通过螺柱螺母和膝关节15连接，活动部分通过螺柱螺母和踝关节12连接。伸缩关节通过滚珠丝杠螺母机构实现，滚珠丝杠24采用“固定一自由”型安装方式，滚珠丝杠固定轴端23通过双向被动自锁轴承22和伺服电机21以及减速齿轮组20等驱动组件连接。滚珠丝杠固定轴端23通过轴承和齿轮箱19以及伸缩腿固定部分安装在一起。伸缩腿固定部分由4块相同的侧板26通过螺钉固定成一个中空的正四棱柱，在其内表面的4个平面上各有I列导向槽。滚珠丝杠螺母25和伸缩腿的活动部分28连接，伸缩腿活动部分28的外形为正四棱柱，在棱柱的四面设置有4列滚动导轨块27，伸缩腿的活动部分28套在固定部分里面并通过滚动导轨块27在固定部分侧板26的导向槽内滑动。机械腿伸缩关节向上通过齿轮箱19和上面的机械部分大腿的伸缩关节和髋关节11连接，椅前侧腿小腿伸缩关节14和膝关节15连接通过螺杆螺母连接固定。机械腿伸缩关节的活动部分28向下和下面的机械部分大腿伸缩关节的活动部分和膝关节15连接，椅前侧腿小腿伸缩关节14的活动部分和踝关节12连接通过螺杆螺母连接固定。这样机械腿的伸缩关节既可以在伺服电机21的驱动下自由地伸缩以调节机械腿的长度，又可以防止滚珠丝杠24在受力状态下产生逆转动，从而在实现机械腿伸缩功能的同时保证系统的安全性。无论是椅前侧腿5还是椅背侧腿2，其踝关节12都安装了关节轴承，而且采用无电 机驱动的欠驱动方案，由于关节轴承的轴线是可以在一定角度范围之内偏转的，因此使得脚部13在踝关节12处可以绕左右方向轴上下俯仰各20°，还可以绕前后方向轴左右侧倾各15°，因此轮椅可以适应不平整的地面，在坑洼路面上也可以方便地采用步行运动模式行走。如图3所示，椅前侧腿5和椅背侧腿2的膝关节15的中心都在大腿和小腿的交汇部分向腿弯方向偏置一段距离，使得椅前侧腿5和椅背侧腿2可以在膝关节15处折叠，同时椅背侧腿髋关节纵轴31向椅背侧折弯一段距离，从而椅前侧腿5和椅背侧腿2可以分别折叠收回到电源控制器箱3的下方和椅背的后方，六足楼梯攀爬轮椅系统因此具有轮式和腿式两种运动模式。在图2所示实施例中，当轮椅处于平地环境中时，如图5所示，椅前侧腿5的大小腿伸缩关节缩回，大腿绕髋关节11逆时针转动，小腿绕膝关节15顺时针转动，将椅前侧腿5折叠在电源控制器箱3的下方；椅背侧腿2的大腿30绕髋关节11逆时针转动，小腿29绕膝关节15顺时针转动，将椅背侧腿2折叠在椅背I的后方。轮椅通过后轮4和前轮6着地，采用轮式运动状态。在图7所示实施例中，考虑到两层楼梯之间空间的平行四边形结构特点，以及轮椅的结构和人的坐姿都呈现出前低后高的特点，因此轮椅在楼梯攀爬过程中采用前进下楼梯和后退上楼梯的方式，即轮椅的乘员面向前进方向下楼梯，而背朝前进方向上楼梯。如图I所示，当轮椅运动到楼梯附近时，与图5所示腿部各转动关节的运动相反，椅前侧腿5的大腿绕髋关节11顺时针转动，小腿绕膝关节15逆时针转动，将折叠在电源控制器箱3下方的椅前侧腿5伸出；椅背侧腿2的大腿30绕髋关节11顺时针转动，小腿29绕膝关节15逆时针转动，将折置在椅背I后方的椅背侧腿2伸出。6条机械腿着地后,后轮4和如轮6尚地，轮椅采用6足步行运动状态，如图I所示开始楼梯攀爬过程。如图I所示，当轮椅准备攀爬楼梯时，椅前侧腿5和椅背侧腿2都站在同一平面上，所以椅前侧腿5的大小腿伸缩关节处于缩回状态。随着楼梯攀爬过程的进行，椅前侧腿5和椅背侧腿2的落脚点处于不同高度的平面，这时椅前侧腿5的大小腿伸缩关节伸出。如图6所示，当轮椅的处在楼梯的中段时，即轮椅的椅前侧腿5和椅背侧腿2的落脚点都在楼梯台阶上时，该落脚点之间的楼梯高度差保持不变，因此椅前侧腿5的大小腿伸缩关节的伸缩长度也基本保持不变，只在轮椅前后移动重心时随着机械腿向前向后的倾斜角度变化而作相应的微调。当轮椅攀爬到楼梯终段时，即轮椅逐渐离开楼梯到达水平地面时，椅前侧腿5和椅背侧腿2的落脚点之间的高度差逐渐变小，椅前侧腿5的大小腿的伸缩关节逐渐缩回。这样，通过调节伸缩关节伸出和缩回的长度，可以保证轮椅座位8始终处于水平状态，从而保证乘员的舒适性和安全性。当轮椅到达水平地面时，又如图2所示实施例将机械腿收回，回到轮式运动状态。
在图8所示实施例中，轮椅采用三角步态行走。这是一种快速行走方式，椅背侧的左右侧腿和椅前侧的中间腿为一组，椅背侧的中间腿和椅前侧的左右侧腿为一组，分别标示为A和B，同组的3条腿同时迈步，这一组腿落地后再迈出下一组腿，始终至少有3条腿接触地面。其操作过程如下A组腿站立，B组腿迈步；AB两组腿同时着地，轮椅重心前移；B组腿站立，A组腿迈步；AB两组腿同时着地，轮椅重心前移；A组腿站立，B组腿迈步……。如此循环往复，使得轮椅以较快的速度步行行走。在图9所示实施例中，轮椅采用爬行步态行走。这是一种慢速行走方式，编号为Γ6的6条机械腿依次动作，每次只迈出一条腿，一条腿落地后再迈出下一条腿，始终至少有5条腿接触地面。其操作过程如下椅背侧中间的2号腿首先迈出，以下依次是椅背侧的I号和3号腿，然后6条腿同时着地，轮椅重心前移，接着再依次迈出椅前侧的4号和6号腿，最后迈出椅前侧中间的5号腿。至此完成一个迈步周期，接着开始下一循环的行走运动。在图8和图9的实施例中，无论是慢速行走的爬行步态，还是快速行走的三角步态，都可以保证轮椅的重心(用G和★表示)始终处于机械腿的支撑多边形之内并具有较大的余裕，系统具有较好的稳定裕度而不至于倾覆，从而保证乘员的安全性。
权利要求
1.一种六足楼梯攀爬轮椅，其特征在于，其在普通轮椅的座位下面设置有3条椅前侧腿和3条椅背侧腿共6条机械腿，每条机械腿包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和脚部，髋关节向上和轮椅连接并通过推力轴承安装在电源控制器箱内，髋关节向下和大腿连接，大腿和小腿通过膝关节连接，小腿和脚部通过踝关节连接，髋关节和膝关节采用伺服电机驱动，实现大腿绕髋关节的转动和小腿绕膝关节的转动，所述椅前侧腿和椅背侧腿的膝关节中心都在大腿和小腿的交汇点向腿弯方向偏置，使得椅前侧腿和椅背侧腿可以在膝关节处折叠，同时椅背侧腿髋关节纵轴向椅背侧折弯一段距离，从而椅前侧腿和椅背侧腿可以分别折叠收回到电源控制器箱的下方和椅背的后方； 所述的六足楼梯攀爬轮椅具有轮式和腿式两种运动模式在平地环境中将3条椅前侧腿和3条椅背侧腿分别折叠收回到电源控制器箱的下方和椅背的后方，系统采用轮式运动模式；在需要攀爬楼梯和跨越障碍的环境中将折叠的6条机械腿伸出，采用步行运动模式。
2.根据权利要求I所述的六足楼梯攀爬轮椅，其特征是所述3条椅前侧腿分左中右均匀布置在电源控制器箱靠近轮椅的前侧，3条椅背侧腿分左中右均匀布置在电源控制器箱靠近轮椅的背侧；其有慢速的爬行步态和快速的三角步态两种行走步态，具体如下 所述慢速的爬行步态每次只迈出一条腿，这条腿落地后再迈出下一条腿，始终至少有5条腿接触地面；其中上楼梯的迈步次序为中间椅背侧腿一右侧椅背侧腿一左侧侧椅背侧腿一重心前移一右侧椅前侧腿一左侧椅前侧腿一中间椅前侧腿； 所述快速的三角步态椅背侧的左右侧腿和椅前侧的中间腿为一组，椅背侧的中间腿和椅前侧的左右侧腿为一组，同组的3条腿同时迈步，这一组腿落地后再迈出下一组腿，两组腿交替迈步，始终至少有3条腿接触地面； 无论是采用慢速的爬行步态，还是快速的三角步态，从六足楼梯攀爬轮椅的重心位置到机械腿的支撑多边形边界的距离至少约等于六足楼梯攀爬轮椅最左侧腿和最右侧腿之间距离的1/4。
3.根据权利要求I所述的六足楼梯攀爬轮椅，其特征是椅前侧3条机械腿的大腿和小腿部分包含伸缩关节，伸缩关节由活动部分和固定部分组成，大腿的伸缩关节固定部分通过螺柱螺母和髋关节连接，活动部分通过螺柱螺母和膝关节连接，小腿的伸缩关节固定部分通过螺柱螺母和膝关节连接，活动部分通过螺柱螺母和踝关节连接，在楼梯攀爬过程中，轮椅椅前侧在前，对乘员而言是前进着下楼梯；椅背侧在前，对乘员而言是倒退着上楼梯，这时轮椅椅前侧腿在楼梯上所处位置比椅背侧腿在楼梯上所处位置要低约2-3级台阶，轮椅根据椅前侧腿和椅背侧腿所处位置的楼梯台阶高度差调节椅前侧腿伸缩关节的伸缩长度，使得椅前侧腿比椅背侧腿更长，而且椅前侧腿比椅背侧腿多出的长度等于椅前侧腿和椅背侧腿在楼梯上落脚点的高度差，从而在楼梯攀爬过程中始终保持轮椅的座位处于水平状态，保证乘员乘坐的舒适度和安全性。
4.根据权利要求I所述的六足楼梯攀爬轮椅，其特征是椅前侧3条机械腿的大腿和小腿部分的伸缩关节通过滚珠丝杠螺母机构实现，滚珠丝杠采用“固定一自由”型安装方式，固定端通过双向被动自锁轴承和伺服电机驱动组件连接，螺母机构和伸缩腿的活动部分连接，伸缩腿活动部分的外形为正四棱柱，在棱柱的四面设置有4列滚动导轨块，伸缩腿的固定部分为一个中空的正四棱柱，在其内表面的4个平面上各有I列导向槽，活动部分套在固定部分里面并通过滚动导轨块在固定部分的导向槽内滑动，机械腿的伸缩部分既可以在伺服电机的驱动下自由地伸缩以调节机械腿的长度，又防止滚珠丝杠在受力状态下产生逆转动，在实现机械腿伸缩功能的同时保证系统的安全性。
5.根据权利要求I所述的六足楼梯攀爬轮椅，其特征是所述椅前侧腿和椅背侧腿的髋关节向上通过推力轴承安装在电源控制器箱内，并通过伺服电机驱动，使椅前侧腿和椅背侧腿可以绕竖直轴转动，从而实现六足楼梯攀爬轮椅系统的转向操作。
6.根据权利要求I所述的六足楼梯攀爬轮椅，其特征是所述椅前侧腿和椅背侧腿的踝关节安装有关节轴承，并且采用无电机驱动的欠驱动方案，由于关节轴承的轴线可偏转，6条机械腿的脚部在踝关节处可绕左右方向轴上下俯仰各20°，也可绕前后方向轴左右侧倾各15°，从而使得椅前侧腿和椅背侧腿可以适应不平整的地面，方便地在坑洼的路面上采用步行运动模式行走。
全文摘要
一种六足楼梯攀爬轮椅系统，属于助老助残服务机器人领域。其包括轮椅、3条椅前侧腿、3条椅背侧腿、电源控制器箱；所述电源控制器箱安装在轮椅的座位下面，内置电源和控制器；所述3条椅前侧腿分左中右均匀布置在电源控制器箱靠近轮椅的前侧，由髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和脚部组成，其大腿和小腿部分还包含由滚珠丝杠螺母机构实现的伸缩关节；所述3条椅背侧腿分左中右均匀布置在电源控制器箱靠近轮椅的背侧，由髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和脚部组成；本发明保证轮椅座位在整个楼梯攀爬过程中始终处于水平状态，保证乘员乘坐的舒适度和安全性，并且还可以方便地在坎坷不平的路面上行走。
文档编号A61G5/06GK102755229SQ20121024151
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者于建均, 左国玉, 龚道雄 申请人:北京工业大学