专利名称：一种轮椅座椅位姿调节机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及轮椅技术，具体为一种轮椅座椅位姿调节机构。该调节机构适用于可爬楼梯的轮椅上。
背景技术：
轮椅一般仅只适合在平地上行走。楼梯、障碍和沟壑等限制了电动轮椅的使用范围，于是人们开始研究能够爬楼梯和跨越障碍的电动轮椅。在对爬楼梯的电动轮椅进行研究的过程中，对使用者的安全应该是最主要的。因此，爬楼梯电动轮椅的座椅应当是可以调节的。李超等人设计的〃 一种轮组结构的爬楼梯轮椅"(参见《现代机械》2010年第6期P233-P235)中，公开了一种轮椅座椅调节机构，其主要技术内容是设计了一种滚道滑轨式的座椅调节机构，主要由圆弧形轨道及滚轴组成，滑轨焊接在底盘架上，滚轴通过螺纹连接固定在座椅底部的支架上，其轴端安装有轴承可以在滑轨中滚动，利用重心自动调节位姿状态。这种结构的不足之处是滚轴的制动需要专门的机构加以限制，增加了结构复杂性，该机构只可以实现轮椅爬楼梯时座椅的水平调节，却不能实现平地时座椅的竖直升降。在鹿峰华等人发表的"爬楼梯轮椅的研究与分析"一文中，采用了一种双轨道式座椅调节机构，该结构采用四个活动小轮子在四个固定的滑槽内滚动来实现座椅位置的调节。机构可以保证调整过程中波动尽可能小，但它必须有相应的锁紧装置配合才能完成，机构复杂。熊坤等人申请的专利〃 一种轮椅自动水平调节座椅〃(参见专利CN202223455U)中，采用了座椅水平角度调节机构，座椅水平角度调节机构包括固定于座椅主体两侧扶手下面的导轨、卡于导轨中且可在一定范围内滑动的滑块、以及固定于支架上且圆周带凹槽结构的槽轮，滑块的中部与支架铰接，槽轮与饺轴同心，滑块内部装有锁定弹簧和锁定齿，锁定齿下部外露在滑块下端头、并自动卡于槽轮圆周的凹槽中，在水平调节座椅角度的过程中起到锁定和缓冲的作用，该机构具有可自 动调整座椅角度的功能，但该机构的座椅靠背与椅面之间的夹角变化小于10°，对于一些倾角较大的楼梯或沟壑，很难满足要求。刘学明等人申请的专利〃基于重心轮的轮椅水平状态调节机构〃(参见专利CN102488596A)，是由重心轮、两个曲臂推杆、两条连接线、以及支撑轴构成，重心轮与支撑轴交叉连接，重心轮通过连接线与两个曲臂推杆连接。该结构在轮椅上下楼时利用重心轮调节机制始终保持重心垂直向下的伸张力，通过头部的移动拉长曲臂推杆以使座椅前部或后部的抬高来调整其水平状态。该机构采用简单的机械部件实现自动调整，不依靠和利用任何外加动力的驱动，但在上下楼梯座椅调节时，座椅的波动重心比较大，在平地时，也不能实现座椅的升降。这些问题限制了它在日常生活中的推广使用。美国的iBOT型电动轮椅，它配有感知人-轮椅重心位置的陀螺仪和复杂的计算机系统，可以随时调整重心位置以保证轮椅的平衡，但重心波动同样较大，需要使用者借助于楼梯扶手才可以上下楼梯。iBOT座椅调节机构较复杂，价格不菲，很多人会望而却步，不利于推广普及。法国的TopChair型号的轮椅,它的座椅调节机构主要是靠座椅底部连接一液压杆，通过液压杆的伸缩，来保持座椅的水平。该型号轮椅的座椅调节机构运用了液压缸与机构运动相结合，对轮椅的加工制造及装配带来一定的难度，且成本很高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种轮椅座椅位姿调节机构，该机构能够很好的解决轮椅在上下楼梯或越障过程中的座椅倾斜问题，在轮椅的上下爬楼梯过程中，始终保持平稳，对使用者的安全提供了重要的保障，并且具有运动灵活，可实现手动与电动双调节，安全性高，稳定性好，价格便宜，操作方便。本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种轮椅座椅位姿调节机构，该座椅位姿调节机构主要由交叉四杆机构1、座椅升降机构2、手动座椅调平机构3、电动座椅调平机构4、座椅锁紧机构5及控制系统组成。所述交叉四杆机构主要由右交叉杆、左交叉杆、左滑块、右滑块、左丝杆轴和右丝杆轴组成；右交叉杆和左交叉杆的上端分别固结于左滑块和右滑块的下部，左滑块和右滑块分别安装在左丝杆轴和右丝杆轴的一端；左丝杆轴和右丝杆轴安装在大支架上；座椅升降机构包括手动调节座椅升降机构和电动调节座椅升降机构；手动调节座椅升降机构主要由调高手柄、左齿轮、右齿轮、轴、上锥齿轮、左锥齿轮和右锥齿轮组成；左齿轮与右齿轮都是直齿轮，二者相互啮合传递运动和增大转速；右齿轮与上锥齿轮都安装在轴上；上锥齿轮分别与左锥齿轮、右锥齿轮啮合传动，左丝杆轴和右丝杆轴分别带动左滑块和右滑块做相互靠近或相互远离的运动，实现座椅的上升与下降；电动调节座椅升降机构是用调高电机替代手动调节座椅升降机构中的调高手柄、左齿轮和右齿轮，具体结构是把上锥齿轮安装在调高电机的轴上，左锥齿轮安装在左丝杆轴的一端，右锥齿轮安装在右丝杆轴的一端；手动座椅调平机构主要由调平手柄、左上齿轮、右上齿轮、左中齿轮、中轴、上系杆、右中齿轮、上扇形齿轮、小轴、左下齿轮、右下齿轮和长轴组成；左上齿轮与右中齿轮都是直齿轮，二者啮合传递动力和实现减速；左中齿轮、中轴、上系杆、右中齿轮、小轴及上扇形齿轮组成行星齿轮系，左下齿轮和右下齿轮都是直齿轮，行星齿轮系和该两直齿轮之间的传动实现手柄轴与长轴之间的动力传递，且通过有效传动比，实现减速及增加手柄轴的角位移；电动座椅调平机构主要由调平电机、左直齿轮、右直齿轮、短轴、下扇形齿轮、下系杆、左下直齿轮、下轴和右下直齿轮组成；左直齿轮与右直齿轮相互啮合，右直齿轮随着下系杆转动，同时保证与下扇形齿轮相啮合，左直齿轮、右直齿轮、短轴、下扇形齿轮及下系杆组成行星齿轮系，传递动力和通过有效传动比实现减速；左下直齿轮与右下直齿轮相互啮合，实现动力的传递及减速；座椅锁紧机构主要由凸轮、弹簧球、下滑块、左上直齿轮和右上直齿轮组成；凸轮安装在调平手柄轴的一端，弹簧球安装在凸轮内部，下滑快分别与弹簧球和左上直齿轮相接触。凸轮主要实现动力的传递，弹簧球主要是保证下滑块与左上直齿轮的啮合，左上直齿轮与右上直齿轮相连接传递运动；所述控制系统主要包括主控制机、驱动模块、键盘输入模块和传感检测模块，其中驱动模块包括所述的调平电机和调高电机。
与现有技术相比，本发明轮椅座椅位姿调节机构具有以下优点:
1.轮椅座椅高度可调；通过手动或电动调节可以使轮椅座椅的高度上升或下降，从而方便使用者；升降锁死机构简单，性能可靠；2.结构简单，运动灵活；可以实现座椅位姿手动与电动两种方式调节，且切换方便，用户可以根据自己的需要随时随地进行调节；3.轮椅座椅适用安全性好；调节角度为0° ±45°，范围大，且可靠性高、稳定安全性好；可以满足于斜度较大的楼梯或越障时座椅位姿调节要求；在上楼或下楼过程中，都可保证轮椅座椅的水平位姿，且上下波动小，对使用者的安全起到了一定的保障作用，同时舒适性较好。
图1是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的总体结构示意图；图2是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的交叉四杆机构示意图；图3是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的座椅升降机构示意图；图4是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的手动座椅调平机构轴测示意图；图5是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的手动座椅调平机构平面示意图；图6是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的座椅锁紧机构示意图；图7是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的电动座椅调平机构轴测示意·
图8是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的电动座椅调平机构平面结构示意图；图9是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的上下楼梯时座椅位姿调节示意图；其中，图9(1)为上楼梯时座椅位姿调节示意图；包括(a)轮椅在平地上时的座椅位姿示意图；(b)上楼梯过程中座椅位姿调节后的示意图；(C)快要上完楼梯时的座椅位姿调节后的示意图；(d)轮椅上完楼梯时的座椅位姿示意图；图9(2)为下楼梯时座椅位姿调节示意图；包括(a)轮椅在快要下楼梯时的座椅位姿调节后的示意图；(b)下楼梯过程中座椅位姿调节后的示意图；(C)快要下完楼梯时的座椅位姿调节后的示意图；(d)轮椅完全下楼梯后的座椅位姿示意图；图10是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的座椅的高度调节示意图；其中，图10(1)为座椅的低位姿调节示意图；图10(2)为座椅的闻位姿调节不意图；图11是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的控制系统结构框图；图12是本发明轮椅座椅位姿调节机构一种实施例的程序控制框图。
具体实施例方式下面结合实施例及其附图对本发明作进一步详述:
本发明设计的轮椅座椅位姿调节机构(简称调节机构或机构，参见图1-12)，其特征在于该调节机构包括交叉四杆机构1、座椅升降机构2、手动座椅调平机构3、电动座椅调平机构4、座椅锁紧机构5和控制系统。所述的交叉四杆机构I由右交叉杆104、左交叉杆103、左滑块101、右滑块106、左丝杆轴102和右丝杆轴105组成；右交叉杆104和左交叉杆103的上端分别固结于左滑块101和右滑块106的下部，左滑块101和右滑块106分别安装在左丝杆轴102和右丝杆轴105的一端；左丝杆轴102和右丝杆轴105安装在大支架211上。座椅升降机构2包括手动座椅升降机构和电动座椅升降机构。手动座椅升降机构主要由调高手柄201、左齿轮202、右齿轮203、轴204、上锥齿轮206、左锥齿轮207和右锥齿轮208组成。左齿轮202安装在调高手柄201的一端，右齿轮203与上锥齿轮206都安装在轴204上。左锥齿轮207与右锥齿轮208分别安装在左丝杆轴102和右丝杆轴105的一端。左齿轮202与右齿轮203都是直齿轮，二者相互啮合有两个作用:传递运动和增大转速。上锥齿轮206分别与左锥齿轮207、右锥齿轮208啮合，主要实现轴204与左丝杆轴102和右丝杆轴105之间的传动，同时还要保证左丝杆轴102与右丝杆轴105的转动方向相反，左丝杆轴102和右丝杆轴105分别带动左滑块101和右滑块106做相互靠近或相互远离的运动，从而实现的座椅的上升与下降。电动座椅升降机构与手动座椅升降机构的不同之处在于:电动座椅升降结构是用调高电机210替代手动座椅升降结构中的调高手柄201、左齿轮202和右齿轮203。具体结构是把上锥齿轮206安装在调高电机210的轴上，左锥齿轮207安装在左丝杆轴102的一端，右锥齿轮208安装在右丝杆轴105的一端。座椅调平机构包括手动座椅调平机构3和电动座椅调平机构4。手动座椅调平机构3主要由调平手柄302、左上齿轮303、右上齿轮304、左中齿轮313、中轴312、上系杆310、右中齿轮308、上扇形齿轮305、小轴309、左下齿轮306、右下齿轮307、长轴311组成；左上齿轮303安装在调平手柄302的一端，右上齿轮304与左中齿轮313通过螺钉固接在一起且二者都安装在轴312上 。右中齿轮308安装在小轴309上。右中齿轮308分别与左中齿轮313和上扇形齿轮305相啮合。小轴309与系杆310固在一起，系杆310通过螺钉与中轴312连接在一起。左下齿轮306与右下齿轮307分别用键安装在中轴312与长轴311上。左中齿轮313、中轴312、上系杆310、右中齿轮308、小轴309、上扇形齿轮305共同组成了行星齿轮系。左上齿轮303与右中齿轮308都是直齿轮，二者啮合可以传递动力，还可以实现减速。左下齿轮306、右下齿轮307都是直齿轮，行星齿轮系和两直齿轮之间的传动目的是实现手柄轴302与长轴311之间的动力传递，且通过有效传动比实现一定的减速功能及增加手柄轴的角位移。电动座椅调平机构4主要由调平电机409、左直齿轮401、右直齿轮402、短轴407、下扇形齿轮403、下系杆408、左下直齿轮404、下轴406、右下直齿轮405组成；左直齿轮401安装在调平电机409的轴的一端，右直齿轮402安装在短轴407上，右直齿轮402分别与左直齿轮401和下扇形齿轮403相啮合。下系杆408与短轴407相固接，下系杆408通过螺钉安装在下轴406上，左下直齿轮404与右下直齿轮405分别安装在下轴406和长轴311上。左直齿轮401与右直齿轮402相互啮合，右直齿轮402随着下系杆408转动，同时保证与下扇形齿轮403相啮合，左直齿轮401、右直齿轮402、短轴407、下扇形齿轮403、下系杆408共同组成了行星齿轮系，主要目的是传递动力和通过有效传动比实现较大的减速。左下直齿轮404与右下直齿轮405相互啮合，实现动力的传递及减速。所述座椅锁紧机构5主要由凸轮505、弹簧球501、下滑块504、左上直齿轮502、右上直齿轮503组成。凸轮505安装在调平手柄302轴的一端，弹簧球501安装在凸轮505内部，下滑快504分别与弹簧球501和左上直齿轮502相接触。凸轮505主要实现动力的传递，弹簧球501主要是保证下滑块504与左上直齿轮502的啮合。当座椅升降时，左上直齿轮502与右上直齿轮503固接在一起，且转动；当座椅调平时，左上直齿轮502与右上直齿轮503固接在一起，且静止。当轮椅上楼梯时，轮椅底盘出现倾斜角度设为e，座椅就会相应的发生倾斜。手动调节座椅角度时，顺时针转动调平手柄302，带动左上齿轮303转动，同时下滑块504与左上直齿轮502相脱离，凸轮505与下滑块504 —起随调平手柄302转动，左上直齿轮502与右上直齿轮503固接在一起，且静止不动。左上齿轮303转动并带动右上齿轮304转动，右上齿轮304与左中齿轮313固接，所以左中齿轮313也转动，左中齿轮313转动并带动右中齿轮308转动，右中齿轮308绕着上系杆310转动并保证与上扇形齿轮305啮合，上系杆310转动，带动中轴312转动，使之轴上的左下齿轮306转动，左下齿轮306就带动右下齿轮307转动，长轴311随右下齿轮307转过一定角度，同时与长轴311固接的左交叉杆103也转动一定角度设为S，若左交叉杆103长度参数相同情况下，0与S存在如下(I)式关系:
权利要求
1.一种轮椅座椅位姿调节机构，其特征在于该调节机构包括交叉四杆机构、座椅升降机构、手动座椅调平机构、电动座椅调平机构、座椅锁紧机构及控制系统； 所述交叉四杆机构主要由右交叉杆、左交叉杆、左滑块、右滑块、左丝杆轴和右丝杆轴组成；右交叉杆和左交叉杆的上端分别固结于左滑块和右滑块的下部，左滑块和右滑块分别安装在左丝杆轴和右丝杆轴的一端；左丝杆轴和右丝杆轴安装在大支架上； 座椅升降机构包括手动调节座椅升降机构和电动调节座椅升降机构；手动调节座椅升降机构主要由调高手柄、左齿轮、右齿轮、轴、上锥齿轮、左锥齿轮和右锥齿轮组成；左齿轮与右齿轮都是直齿轮，二者相互啮合传递运动和增大转速；右齿轮与上锥齿轮都安装在轴上；上锥齿轮分别与左锥齿轮、右锥齿轮啮合传动，左丝杆轴和右丝杆轴分别带动左滑块和右滑块做相互靠近或相互远离的运动，实现座椅的上升与下降；电动调节座椅升降机构是用调高电机替代手动调节座椅升降机构中的调高手柄、左齿轮和右齿轮，具体结构是把上锥齿轮安装在调高电机的轴上，左锥齿轮安装在左丝杆轴的一端，右锥齿轮安装在右丝杆轴的一端； 手动座椅调平机构主要由调平手柄、左上齿轮、右上齿轮、左中齿轮、中轴、上系杆、右中齿轮、上扇形齿轮、小轴、左下齿轮、右下齿轮和长轴组成；左上齿轮与右中齿轮都是直齿轮，_■者哨合传递动力和实现减速；左中齿轮、中轴、上系杆、右中齿轮、小轴及上扇形齿轮组成行星齿轮系，左下齿轮和右下齿轮都是直齿轮，行星齿轮系和该两直齿轮之间的传动实现手柄轴与长轴之间的动力传递，且通过有效传动比，实现减速及增加手柄轴的角位移； 电动座椅调平机构主要由调平电机、左直齿轮、右直齿轮、短轴、下扇形齿轮、下系杆、左下直齿轮、下轴和右下直齿轮组成；左直齿轮与右直齿轮相互啮合，右直齿轮随着下系杆转动，同时保证与下扇形齿轮相啮合，左直齿轮、右直齿轮、短轴、下扇形齿轮及下系杆组成行星齿轮系，传递动力和通过有效传动比实现减速；左下直齿轮与右下直齿轮相互啮合，实现动力的传递及减速； 座椅锁紧机构主要由凸轮、弹簧球、下滑块、左上直齿轮和右上直齿轮组成；凸轮安装在调平手柄轴的一端，弹 簧球安装在凸轮内部，下滑快分别与弹簧球和左上直齿轮相接触。凸轮主要实现动力的传递，弹簧球主要是保证下滑块与左上直齿轮的啮合，左上直齿轮与右上直齿轮相连接传递运动； 所述控制系统主要包括主控制机、驱动模块、键盘输入模块和传感检测模块，其中驱动模块包括所述的调平电机和调高电机。
2.根据权利要求1所述的轮椅座椅位姿调节机构，其特征在于手动调节座椅角度时，在左交叉杆长度参数相同情况下，轮椅底盘倾角0与座椅调整角度5之间存在如下关系: e.J2(\ + cos 0)、I + cos 6 x o = arcsin( -~;-) - arctan(-；-) (工)。
2- sin 0
3.根据权利要求1所述的轮椅座椅位姿调节机构，其特征在于在电动调节座椅角度时，首先由角度传感器检测座椅的倾角，判断座椅底盘倾角e是否大于绝对值±3° ;如果大于绝对值±3°，则按所述关系式(I)调整座椅调整角度S。
4.根据权利要求1所述的轮椅座椅位姿调节机构，其特征在于调节机构运行模式下的控制程序具体步骤如下: 步骤1:系统初始化并执行步骤2 ； 步骤2:楼梯参数初始化设置，并执行步骤3 ； 步骤3:检测按键是否正常，如果正常则执行步骤4，否则执行步骤5 ； 步骤4:采用手动还是自动，若采用手动则执行步骤6，否则执行步骤12 ； 步骤5:系统暂停并报警，进行故障排除； 步骤6:人工判断是否调整倾角，如果是则执行步骤7，否则执行步骤8 ; 步骤7:手动转动调平手柄302调节座椅角度，并执行步骤8 ； 步骤8:判断是否调整高度，如满意则执行步骤9，否则执行步骤10 ； 步骤9:手动转动调闻手柄201调节座椅闻度,并执行步骤11 ； 步骤10:判断座椅倾角/高度满意否，如满意执行步骤11 ;否则执行步骤6 ； 步骤11:程序结束； 步骤12:传感检测座椅倾角是否>±3°，如果是则执行步骤13，否则执行步骤15 ； 步骤13:驱动调平电机409调整倾角5，并执行步骤14 ； 步骤14:判断倾角是否< ± 3°，如果是则执行步骤15，否则执行步骤13 ； 步骤15:判断是否需要调整高度，如果是，则执行步骤16，否则执行步骤18 ； 步骤16:按键转动调高电机210调整高度，并执行步骤17 ； 步骤17:判断高度满意否，如果满意，则执行步骤18，否则执行步骤16 ； 步骤18:程序结束。
全文摘要
本发明公开一种轮椅座椅位姿调节机构,其特征在于该调节机构包括交叉四杆机构、座椅升降机构、手动座椅调平机构、电动座椅调平机构、座椅锁紧机构及控制系统；所述交叉四杆机构主要由右交叉杆、左交叉杆、左滑块、右滑块、左丝杆轴和右丝杆轴组成；座椅升降机构包括手动和电动调节座椅升降机构；手动座椅调平机构主要由调平手柄、左上齿轮、右上齿轮、左中齿轮、中轴、上系杆、右中齿轮、上扇形齿轮、小轴、左下齿轮、右下齿轮和长轴组成；电动座椅调平机构主要由调平电机、左直齿轮、右直齿轮、短轴、下扇形齿轮、下系杆、左下直齿轮、下轴和右下直齿轮组成；座椅锁紧机构主要由凸轮、弹簧球、下滑块、左上直齿轮和右上直齿轮组成。
文档编号A61G5/06GK103230319SQ201310165220
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月8日 优先权日2013年5月8日
发明者曹东兴, 许世雄, 孙志坤, 李战委, 信召峰 申请人:河北工业大学