专利名称：一种轮腿复合式轮椅机架的制作方法
技术领域：
本发明涉及轮椅技术，具体为一种轮腿复合式轮椅机架。
背景技术：
轮椅是老年人和残障者的主要代步工具。其在平地上移动具有其明显的优势，且简单易用，且价格便宜。然而，日常道路和建筑中处处可见的台阶及楼梯大大影响和限制了老年人和残障者的生活。针对行动不便的老年人或残障者在家庭和各种公共场所上下楼梯的需求，人们开始研究能够爬楼梯的电动轮椅。而在电动轮椅的各个组成部分中，轮椅的机架作为其执行机构联系的主体构件直接影响着整个轮椅机构的布局分布、传动系统的布局，甚至轮椅的运动及动力特性。
在对爬楼梯轮椅的研究中，美国、法国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟。例如，法国Topchair公司生产的电动爬楼梯轮椅，其机架上有四个车轮平地运行时使用，当遇到楼梯等特殊地形时，将机架内侧的履带放下至地面，把四个车轮收起，依靠履带完成爬楼等功能。履带式结构使其运行平稳，乘坐舒适。但由于履带置于机架下部，其转向灵活性降低，同时履带对于楼梯也会造成一定损害。美国的iBOT采用行星轮爬楼机构，机架上有6个轮子，前面有一对直径10厘米的实心脚轮，后面有两对直径30厘米的充气轮。iBOT几乎能适用所有楼梯，此外它也能在沙滩、斜坡和崎岖的路面上行走，而且后轮能站起来直立行走，可以调节座椅高度以方便使用者取放位于高处的物体(参见《中国康复医学杂志》2005年第20卷第5期P366-P367)。但其行星轮式的结构也使得爬楼梯过程中重心起伏幅度较大，降低了舒适性。上述轮椅售价均较高，难以被普通消费者接受。
目前国内关于爬楼梯轮椅的研究也渐渐增多。例如，房立新等发明的行星轮式爬楼梯电动轮椅(参见专利CN102125488A)中采用由管件拼接的整体式机架。这种机架结构简单，重量较轻，但由于其整体式的结构使得轮椅的座椅及脚踏板的高度等均不能调节，从而使得轮椅的乘坐舒适性降低。侯乐平设计的“一种能上下楼梯的轮椅”(参见专利CN2451090Y)采用上下车体各有4根可上下移动的支腿杆来完成爬楼梯动作。其上下两部分车体通过机架上的导轨装置联接，机架上固接有8根丝杠一螺母结构以完成支腿杆的交替升降。此结构在完 成爬楼梯动作的同时又保持了车体始终处于水平状态，使乘坐者感觉更舒适。但当其爬楼梯时，只有2跟支撑腿着地，平衡安全性减低。为了使轮椅主体机架安装的转向轮的方向可控，盛荣昌发明的“一种中控三档位万向轮”(参见专利CN202518034U)应用于现代轮椅上，可将万向轮变档简化为定向轮运动。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，提供一种轮腿复合式轮椅机架，该机架结合履带式及腿式爬楼梯轮椅机架各自的优势，在良好支撑轮椅重量的条件下，可以协调各机构间的位置关系，使轮椅整体结构紧凑，并能辅助轮椅完成爬楼越障等动作。
本发明解决所述技术问题的技术方案是:设计一种轮腿复合式轮椅机架，其特征在于该机架主要包括脚踏板升降机构、前腿升降机构、主动轮驱动机构、后轮定向锁死机构、主体机架、万向轮、主动轮、无线控制模块和控制机；
所述主体机架主要由一个矩形框架、四个连接臂、两条滑道及电池组成；主体机架的整体形状酷似倒置的四腿动物，矩形框架是主体机架的主体，在其上端面的四个角处焊接有四个连接臂；所述电池为轮椅的动力源，其与无线控制模块均安装在矩形框架内；两条滑道对称安装在矩形框架上端面的两条长边上，滑道结构与座椅机构相配合连接；主体机的前部正中与脚踏板升降机构连接，矩形框架前部两侧的前臂上对称连接有两个前腿升降机构；矩形框架的后部对称连接有两个后轮，后轮带有后轮定向锁死机构；矩形框架的左、右两侧分别连接有一个主动轮驱动机构，其输出端对称安装有主动轮；
所述脚踏板升降机构主要由脚踏板、滑块螺母、踏板手柄、踏板丝杠、踏板手柄齿轮、上齿轮、下齿轮、电机齿轮、升降电机和螺栓组成；其中，上齿轮和下齿轮通过轴连为一体；并通过轴承支座固定在机架上；踏板手柄齿轮通过键安装在踏板丝杠的上端，而踏板丝杠的末端通过销钉连接着踏板手柄；脚踏板通过螺栓固定在滑块螺母上；升降电机带动电机齿轮转动，电机齿轮与下齿轮啮合，上齿轮又与手柄齿轮啮合，将动力传递给了踏板丝杠，带动滑块螺母上下移动；
所述前腿升降机构主要由前腿丝杠、托盘、导柱、导套、支撑套、丝杠螺母、垫块、前腿手柄、支撑板、前腿手柄齿轮和丝杠齿轮组成；前腿手柄通过销与前腿手柄齿轮联接为一体，丝杠齿轮固结于丝杠螺母上，支撑套固定在支撑板上，前腿丝杠及导柱均固定在托盘上，垫块通过螺纹联接固定在导柱上；
所述主动轮驱动机构主要由电机及减速器组成；
所述后轮定向锁死机构主要由托板、支架、衔铁块、衔铁槽、电磁铁、蝶形螺母、定向轴和弹簧组成；所述衔铁槽的截面为梯形结构，一边开口小，一边开口大，通过变换开口的方向，可调节后轮与主动轮中心的距离，衔铁槽与衔铁块相配合；当后轮处于正向时，衔铁块才能嵌入衔铁槽中，锁定转动自由度；衔铁块采用与衔铁槽同样的梯形结构，且中间设有通孔，可装入定向轴；
所述无线控制模块主要由液晶，按键及控制手柄组成；
所述控制机结构主要包括驱动模块，无线通信模块及传感检测模块；安装在主动轮驱动机构中的左右电机，主要由驱 动模块驱动，再带动主动轮实现两驱模式运动，同时驱动模块可以为电磁铁的吸合放开提供能量，实现万向轮的定向功能，并根据使用者的需要驱动升降电机，达到调节脚踏板的目的；无线通信模块主要用于接收无线控制模块发出的各种信号并传送给控制机；传感检测模块主要由安装在主动轮上的位移传感器和角度传感器组成。
与现有技术相比，本发明轮腿复合式轮椅机架结构具有以下优点:
1.设计有前腿升降机构，可以调节前腿机构的上下位置，使轮椅能够更好地适应不同高度的结构性障碍，增强了轮椅的越障能力。
2.机架顶端采用滑道式结构与座椅调节机构相连，既方便轮椅上下(机架与座椅)分离，便于携带，又便于轮椅越障时的整个重心位置的调节。
3.脚踏板可以通过手动和电动两种调节方式实现上下调节，既可以满足越障时调节要求，又可以满足不同身高乘坐者的使用要求，提高轮椅的舒适性。
4.主动轮处安放传感器，可测知障碍物的高度、距离及主动轮转角等参数，并回传给控制系统，用以协调其他机构，实现越障要求，从而提高了越障运动效率。
5.后轮可根据不同的行驶要求，通过手动或电动两种方式实现定向锁死，增强了轮椅在越障时的安全性及稳定性。
6.在普通轮椅机架的基础上增加了踏板调节机构和升降台等，成本增加较少，功能和效率却大大增加。
图1是本发明轮腿复合式轮椅机架一种实施例的整体结构示意图2是本发明轮腿复合式轮椅机架一种实施例的主体机架结构示意图3是本发明轮腿复合式轮椅机架一种实施例的脚踏板升降机构结构示意图4是本发明轮腿复合式轮椅机架一种实施例的前腿升降机构结构示意图5是本发明轮腿复合式轮椅机架一种实施例的后轮定向锁死机构结构示意图6是本发明轮腿复合式轮椅机架一种实施例的后轮定向锁死机构衔铁槽结构示意图7是本发明轮腿复合式轮椅机架一种实施例的后轮定向锁死机构衔铁块结构不意图；其中，
图7(a)为衔铁块俯视结构图7 (b)为衔铁块左视结构图。
图8是本发明轮腿复合式轮椅机架一种实施例的机架控制系统结构图9是本发明轮腿复合式轮椅机架一种实施例的机架控制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明作进一步详述:
本发明设计的轮腿复合式轮椅机架(简称机架，参见图1-9)，其特征在于该机架主要包括脚踏板升降机构1、前腿升降机构2、主动轮驱动机构3、后轮定向锁死机构4、主体机架5、万向轮6、主动轮7、无线控制模块8和控制机9。
所述的主体机架5 (参见图1、2)，主要由一个矩形框架57、四个连接臂、两条滑道52及电池56组成。所述主体机架5的整体形状酷似四腿动物的躯干和四足；矩形框架57是主体机架5的主体(即躯干)， 在其上端面的四个角处焊接有四个连接臂(即四足)，即右前连接臂51、右后连接臂53、左后连接臂54和左前连接臂55 ;所述电池56为轮椅的动力源，其与控制机9均安装在矩形框架57内；所述滑道52安装在矩形框架57上端面的两条长边上，滑道52结构与座椅机构相配合连接。这种设计不仅可实现轮椅上下分离，方便携带，又可以实现越障时轮椅重心的调节，增加轮椅的稳定程度。所述主体机架5的前部正中与可调节踏板(即脚踏板升降机构)I连接，躯干前部两侧的前臂上对称连接有前腿升降机构2 ;躯干后部对称连接有两个后轮6,后轮6为万向轮，因此也称后轮6为万向轮6,并带有后轮定向锁死机构4 ;其左、右两侧分别连接有一个主动轮驱动机构3，其输出端对称安装有主动轮7。当轮椅运动时，两个主动轮7在其驱动机构3的作用下同时配合后轮定向锁死机构4的作用，可实现轮椅的前进、后退、左转、右转及原地转等运动功能。
所述的主体机架5是连接其他机构的中心构件，其上端采用滑道式结构与座椅机构相连，不仅可实现轮椅上下分离，方便携带，又可以实现越障时的轮椅重心调节；其前部正中连接着脚踏板升降机构1，前部两侧躯干前臂上连接有两对称布置的前腿升降机构2 ；其下部可悬挂有爬楼梯机构；躯干后部连接带有定向锁死机构4的后轮6。
本发明的进一步特征是所述的四个连接臂(即右前连接臂51、右后连接臂53、左后连接臂54和左前连接臂55)左右对称安装，且与矩形框架57成45°角或60°角布局。
所述的脚踏板升降机构I (参见图3)，主要由脚踏板11、滑块螺母12、踏板手柄13、踏板丝杠14、踏板手柄齿轮15、上齿轮16、下齿轮17、电机齿轮18、升降电机19、螺栓110及轴承支座111等组成。其中，上齿轮16和下齿轮17通过轴连为一体,并通过轴承支座111固定在机架5上；踏板手柄齿轮15通过键安装在踏板丝杠14的上端,而踏板丝杠14的末端通过销钉连接着踏板手柄13 ;脚踏板11通过螺栓110固定在滑块螺母12上；升降电机安装在机架5上，其顶端固定有电机齿轮18。所述的可调节脚踏板机构I可通过手动和电动两种方式控制。手动调节时，旋转踏板手柄13，带动踏板丝杠14转动，进而带动滑块螺母12即沿踏板丝杠14上下移动，实现脚踏板11的上下调节；电动调节时，通过升降电机19带动电机齿轮18转动，电机齿轮18与下齿轮17啮合，上齿轮16与踏板手柄齿轮15啮合，即将动力传递给踏板丝杠14，并带动滑块螺母12上下移动，从而实现脚踏板11的上下高度调节要求。
所述的前腿升降机构2 (参见图4)主要由前腿丝杠21、托盘22、导柱23、导套24、支撑套25、丝杠螺母26、垫块27、前腿手柄28、支撑板29、前腿手柄齿轮210和丝杠齿轮211等组成。所述前腿手柄28通过销与前腿手柄齿轮210联接为一体,丝杠齿轮211固结于丝杠螺母26上，支撑套25固定在支撑板29上，前腿丝杠21及导柱23均固定在托盘22上，垫块27通过螺纹联接固定在导柱23上。旋动前腿手柄28,前腿手柄齿轮210带动丝杠齿轮211转动，丝杠螺母26随之转动，即带动前腿丝杠21上下移动，从而实现托盘22的升降调节。
所述主动轮驱动机构3 (参见图1)主要由电机及减速器组成,是主动轮7的动力来源。
所述的后轮定向锁死机构4 (参见图5-7)主要由托板41、支架42、衔铁块43、衔铁槽44、电磁铁45、蝶形螺母46、定向轴47和弹簧48等组成。所述衔铁槽44的截面为梯形结构，一边开口小，一边开口大，通过变换开口的方向，不仅可以调节后轮6与主动轮7中心的距离，而且可以与衔铁块43相配合，起定向作用。当万向轮6处于正向时，衔铁块43才能嵌入衔铁槽44中，锁定转动自由度。衔铁块43采用与衔铁槽44同样的梯形结构，并且中间设有通孔，可装入定向轴47。当平地行驶时，衔铁块43与衔铁槽44处于分开状态，万向轮3可绕轴47随意转动；当爬楼梯时，电磁铁45通电吸引衔铁块43嵌入衔铁槽44中，万向轮6即被定向锁死，使其只能沿正向滚动；断电后，衔铁块43在弹簧48的作用下被弹出，恢复与衔铁槽44的分离状态,万向轮6即恢复转动。手动调节时，只需正向转动蝶形螺母46即可带动定向轴47向上运动，从而带动衔铁块43运动，使其嵌入衔铁槽44中，实现定向锁死；而反向旋转蝶形螺母46时，定向轴47即带动衔铁块43向下运动，在弹簧48作用下，衔铁块43即可脱开衔铁槽44，恢复万向轮6的万向转动功能。两种调节方式均使用一套机构即可实现。本发明的万向轮6在平地行驶时，转弯灵活，；而爬楼梯时，被定向锁死，大大增加了机架或轮椅的安全性、灵活性及可靠性。
所述的无线控制模块8 (参见图1)为自主设计，主要由液晶81，按键82及手柄83组成。手柄83用于控制轮椅的运动方向；按键82用于选择轮椅的运行模式及控制脚踏板11的升降和万向轮6的定向；轮椅所处的各种运行状态及其调整均通过液晶81显示。
所述的控制系统结构(参见图8)为自主设计，主要包括驱动模块A，无线通信模块B及传感检测模块C。安装在主动轮驱动机构3中的左右电机，主要由驱动模块A驱动，再带动主动轮7实现两驱模式运动，同时驱动模块A可以为电磁铁45的吸合放开提供能量，实现万向轮6的定向功能，并根据使用者的需要驱动升降电机19，达到调节脚踏板11的目的。无线通信模块B主要用于接收无线控制模块8发出的各种信号并传送给控制机。传感检测模块C主要由安装在主动轮7上的位移传感器和角度传感器组成。其主要是用于检测轮椅相对障碍物的位置及轮椅的运行状态，控制及协调机架上各部位机构的动作，从而实现多种运动要求。乘座者通过无线控制模块8输入轮椅的运行模式，传感检测模块C将获取的位移、角度等数据通过A/D转换不断地发送到控制机，控制机通过对这些数据的分析，及时调整驱动模块A的运行状态，从而使轮椅安全平稳的行进。
本发明轮腿复合式轮椅机架的控制流程(参见图9)采用面向数字的信号处理方式，并通过自主设计的控制软件得以实现。其具体步骤如下:
步骤1:系统初始化并执行步骤2 ；
步骤2:检测控制手柄是否正常，如果正常则执行步骤3，否则执行步骤4 ；
步骤3:判断为平地还是越障，若为平地则执行步骤5，否则执行步骤10 ；
步骤4:系统暂停并报警，进行故障排除；
步骤5:设置档位，调整脚踏板位置，并执行步骤6 ；
步骤6:检测是否前进，并执行步骤7 ；
步骤7:通过手柄调节速度，并执行步骤8 ；
步骤8:判断是否左转或者右转，并执行步骤9 ；
步骤9:程序结束；
步骤10:选择模式，调整脚踏板位置，并执行步骤11 ；
步骤11:检测 位移和转角，并执行步骤12 ；
步骤12:调整前后腿距离，底盘机构及座椅位姿，并执行步骤13 ；
步骤13:判断后轮是否需要锁死，并选择是否手动，若手动则执行步骤14，电动则执行步骤15 ；
步骤14:手动旋转蝶形螺母46，并执行步骤15 ；
步骤15:电磁铁通电吸合，后轮定向锁死，并执行步骤16 ；
步骤16:程序结束。
本发明轮腿复合式轮椅机架的工作原理和过程是:主体机架5的前部正中与脚踏板升降机构I连接，前部两侧对称连接有两个前腿升降机构2 ;后部对称连接有两个万向轮6，并带有后轮定向锁死机构4 ;其左、右两侧分别连接有主动轮驱动机构3，其输出端对称安装有主动轮7。当轮椅在平地行驶时，利用无线控制模块8选择平地运行模式，通过脚踏板升降机构I调节脚踏板高度，主动轮驱动机构3带动主动轮前进；当轮椅遇到障碍时，选择越障运行模式，安装在主动轮7上的传感器通过对障碍物距离、高度及主动轮7转角的检测来调节前腿升降机构2的高度等参数，并根据需要选择后轮是否锁死？以及手动锁死还是电动锁死；电动锁死是通过控制电磁铁的通电与否实现锁死与否的控制。通过所述各个机构的配合，使得本发明轮椅机架`可实现轮椅的前进、后退、左转、右转及越障等运动功能。
权利要求
1.一种轮腿复合式轮椅机架，其特征在于该机架主要包括脚踏板升降机构、前腿升降机构、主动轮驱动机构、后轮定向锁死机构、主体机架、万向轮、主动轮、无线控制模块和控制机； 所述主体机架主要由一个矩形框架、四个连接臂、两条滑道及电池组成；主体机架的整体形状酷似倒置的四腿动物，矩形框架是主体机架的主体，在其上端面的四个角处焊接有四个连接臂；所述电池为轮椅的动力源，其与无线控制模块均安装在矩形框架内；两条滑道对称安装在矩形框架上端面的两条长边上，滑道结构与座椅机构相配合连接；主体机的前部正中与脚踏板升降机构连接，矩形框架前部两侧的前臂上对称连接有两个前腿升降机构；矩形框架的后部对称连接有两个后轮，后轮带有后轮定向锁死机构；矩形框架的左、右两侧分别连接有一个主动轮驱动机构，其输出端对称安装有主动轮； 所述脚踏板升降机构主要由脚踏板、滑块螺母、踏板手柄、踏板丝杠、踏板手柄齿轮、上齿轮、下齿轮、电机齿轮、升降电机和螺栓组成；其中，上齿轮和下齿轮通过轴连为一体；并通过轴承支座固定在机架上；踏板手柄齿轮通过键安装在踏板丝杠的上端，而踏板丝杠的末端通过销钉连接着踏板手柄；脚踏板通过螺栓固定在滑块螺母上；升降电机带动电机齿轮转动，电机齿轮与下齿轮啮合，上齿轮又与手柄齿轮啮合，将动力传递给了踏板丝杠，带动滑块螺母上下移动； 所述前腿升降机构主要由前腿丝杠、托盘、导柱、导套、支撑套、丝杠螺母、垫块、前腿手柄、支撑板、前腿手柄齿轮和丝杠齿轮组成；前腿手柄通过销与前腿手柄齿轮联接为一体，丝杠齿轮固结于丝杠螺母上，支撑套固定在支撑板上，前腿丝杠及导柱均固定在托盘上，垫块通过螺纹联接固定在导柱上； 所述主动轮驱动机构主要由电机及减速器组成； 所述后轮定向锁死机构主要由托板、支架、衔铁块、衔铁槽、电磁铁、蝶形螺母、定向轴和弹簧组成；所述衔铁槽的截面为梯形结构，一边开口小，一边开口大，通过变换开口的方向，可调节后轮与主动轮中心的距离，衔铁槽与衔铁块相配合；当后轮处于正向时，衔铁块才能嵌入衔铁槽中，锁定转动自由度；衔铁块采用与衔铁槽同样的梯形结构，且中间设有通孔，可装入定向轴； 所述无线控制模块主要由液晶，按键及控制手柄组成； 所述控制机主要包括驱动模块，无线通信模块及传感检测模块；安装在主动轮驱动机构中的左右电机，主要由驱动模块驱动，再带动主动轮实现两驱模式运动，同时驱动模块可以为电磁铁的吸合放开提供能量，实现万向轮的定向功能，并根据使用者的需要驱动升降电机，达到调节脚踏板的目的；无`线通信模块主要用于接收无线控制模块发出的各种信号并传送给控制机；传感检测模块主要由安装在主动轮上的位移传感器和角度传感器组成。
2.根据权利要求1所述的轮腿复合式轮椅机架，其特征在于所述的四个连接臂左右对称安装，且与矩形框架成45°角或60°角布局。
3.根据权利要求1所述的轮腿复合式轮椅机架，其特征在于控制流程采用面向数字的信号处理方式，其控制软件具体步骤如下: 步骤1:系统初始化并执行步骤2 ； 步骤2:检测控制手柄是否正常，如果正常则执行步骤3，否则执行步骤4: 步骤3:判断为平地还是越障，若为平地则执行步骤5，否则执行步骤10 ；步骤4:系统暂停并报警，进行故障排除； 步骤5:设置档位，调整脚踏板位置，并执行步骤6 ； 步骤6:检测是否前进，并执行步骤7 ； 步骤7:通过手柄调节速度，并执行步骤8 ； 步骤8:判断是否左转或者右转，并执行步骤9 ； 步骤9:程序结束； 步骤10:选择模式，调整脚踏板位置，并执行步骤11 ； 步骤11:检测位移和转角，并执行步骤12 ； 步骤12:调整前后腿距离，底盘机构及座椅位姿，并执行步骤13 ； 步骤13:判断后轮是否需要锁死，并选择是否手动，若手动则执行步骤14，电动则执行步骤15 ； 步骤14:手动旋转蝶形螺母46，并执行步骤15 ； 步骤15:电磁铁通电吸合，后轮定向锁死，并执行步骤16 ； 步骤16:程 序结束。
全文摘要
本发明公开一种轮腿复合式轮椅机架，其特征在于该机架主要包括脚踏板升降机构、前腿升降机构、主动轮驱动机构、后轮锁死机构、主体机架、万向轮、主动轮、无线控制模块和控制机；主体机架主要由一个矩形框架、四个连接臂、两条滑道及电池组成；脚踏板升降机构主要由脚踏板、滑块螺母、踏板手柄、踏板丝杠、踏板手柄齿轮、上齿轮、下齿轮、电机齿轮、升降电机和螺栓组成；前腿升降机构主要由前腿丝杠、托盘、导柱、导套、支撑套、丝杠螺母、垫块、前腿手柄、支撑板、前腿手柄齿轮和丝杠齿轮组成；后轮锁死机构主要由托板、支架、衔铁块、衔铁槽、电磁铁、蝶形螺母、定向轴和弹簧组成；无线控制模块主要由液晶，按键及控制手柄组成。
文档编号A61G5/10GK103230321SQ20131016545
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, 雷丽竹, 米佳佳, 李战委, 汤俊勇 申请人:河北工业大学