医用全地形自平衡轮椅及其运行方法与流程

本发明涉及医疗机械领域，具体的说是医用全地形自平衡轮椅及其运行方法。

背景技术：

机器人技术因其涵盖了机械学、计算机科学、人工智能、生物学等领域，成为了当今世界最前沿的科技热点之一。移动机器人是机器人技术领域的一个重要分支，移动机器人通常是作为人类身体与感知的延伸，代替人类进入危险环境开展工作。由于其具有其他机器人所不具有的“移动性”，正越来越多的被应用于各种领域，而目前医疗方面的应用也越来越多。目前的轮椅在使用时，常常要面对攀爬楼梯的问题，目前的轮椅很难实现平稳攀爬，而且在攀爬到最后一个阶梯时很容易发生后仰倾倒，由于楼梯结构的特殊性和攀爬楼梯过程的复杂性使得移动机器人攀爬楼梯问题一直是移动机器人领域的一个难点和热点。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供了医用全地形自平衡轮椅及其运行方法，在遇到阶梯时，能利用撬杆将设备前部抬起并落至阶梯上，到达阶梯顶部时设备前部又能自动落下，使部分重量转移到平地上，以达到平稳攀爬阶梯的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：医用全地形自平衡轮椅，包括抬升机构、行走底座、平衡机构、轮椅座和控制装置；所述的抬升机构设置在行走底座前方；所述的控制装置设置在行走底座中部；所述的平衡机构设置在行走底座上方；所述的轮椅座设置在平衡机构上方。

所述的行走底座包括行走轮、履带、前车轴、后车轴和机架；所述的机架包括竖板、滑套和活动架；所述的竖板位于机架的前部，竖板为两块竖直且平行对称的直板，且竖板上还设置有一前一后两个连接孔；所述的滑套固定在竖板的前部，滑套中部设置有通孔，且该通孔的截面为方形；所述的活动架后端与前车轴铰接，该活动架可围绕前车轴向上转动十五度并向下转动九十度，且活动架上安装有机架上大部分的机械配件,例如电动机，使本设备底座的重心向活动架转移；所述的行走轮包括位于最前方的一号轮、连接在前车轴上的二号轮、与二号轮共轴的三号轮和位于最后方的四号轮，所述的一号轮设置在活动架的前端；所述的履带包括安装在一号轮和二号轮上的第一履带，还包括安装在三号轮和四号轮上的第二履带。

所述的抬升机构包括缓降装置、限位装置、触碰抬升装置和前轮升降控制杆；所述的缓降装置包括固定在机架前端的驱动电机、设置在驱动电机输出轴上的驱动齿轮、从两个竖板上后部连接孔中穿过的第一旋转轴、设置在第一旋转轴两侧的主动齿轮、从两个竖板上前部连接孔中穿过的第二旋转轴，以及设置在第二旋转轴两侧的半齿轮；所述的第一旋转轴中部设置有与驱动齿轮啮合的轴齿轮；所述半齿轮的有齿部分与主动齿轮啮合。

所述的限位装置设置在缓降装置前方，限位装置包括固定在机架前端的限位电机、设置在限位电机输出轴上的限位主齿轮，还包括套筒和插杆；所述的套筒中部设置有与限位主齿轮啮合的限位从齿轮，套筒两端设置有螺纹孔，且套筒两端螺纹孔的螺纹旋向相反；所述的插杆设置在套筒两侧，插杆包括滑动段、螺纹段和限位段，所述的滑动段设置在滑套内并与其滑动配合，滑动段的纵截面与滑套上通孔的截面形状相同；所述的螺纹段固定在滑动段的一端，且螺纹段设置在套筒的螺纹孔内并与其配合；所述的限位段固定在滑动段的另一端。

所述的触碰抬升装置包括凹面凸轮和触碰杆；所述的触碰杆呈直杆形，触碰杆的后端固定在半齿轮的外侧面；所述的凹面凸轮固定在触碰杆后端的外侧面，凹面凸轮前部为凸面，其后部为凹面，当本发明在水平面上运行时，该凹面凸轮后部凹面所在圆弧面的轴心线与前车轴的轴心线重合；所述的前轮升降控制杆下端固定在活动架的前端，其顶端设置有滚轮，当本发明在水平面上运行时，该滚轮位于凹面凸轮后上方，且该滚轮前部的轮面与凹面凸轮后部凹面所在的圆弧面相切，使得位于活动架上的滚轮围绕前车轴转动时不会被凹面凸轮阻挡。

所述的平衡机构包括调节控制杆、旋转轴、平衡器、支撑柱和辅助支撑杆；所述的旋转轴设置在机架中部；所述的支撑柱底端固定在旋转轴中部，支撑柱底部的前后面上均设置有接触开关，且支撑柱中部的前后面上设置有铰链座；所述的平衡器包括套环、连接环、信号触发片和压块，所述的压块设置在支撑柱的正下方，所述的套环对称套在支撑柱两侧的旋转轴上，所述的信号触发片呈半环形，信号触发片对称设置在支撑柱底部的前后两侧并分别与支撑柱之间设置有间隙，所述的连接环两端分别与信号触发片和压块连接；所述的调节控制杆包括一号液压杆和二号液压杆，所述的一号液压杆两端分别与前车轴和支撑柱前侧的铰接座连接，所述的二号液压杆两端分别与后车轴和支撑柱后侧的铰接座连接；所述的辅助支撑杆铰接在平衡器的左右两侧。

所述的轮椅座固定在支撑柱顶端，且轮椅座还与辅助支撑杆的顶部固定，轮椅座上设置有操作按钮。

作为本发明的优选技术方案，当本发明在水平面上运行时，滚轮前部的轮面还与凹面凸轮前部凸面所在的圆弧面相切，使得滚轮可以在凹面凸轮的凸面上滚动。

作为本发明的优选技术方案，所述触碰杆的后半段中部设置有弧形的缺口，且该缺口搭在限位段上。

所述的医用全地形自平衡轮椅的运行方法，包括以下步骤：

步骤s1：本设备在触碰到楼梯之前，触碰杆搭在限位段上，一号轮、二号轮、三号轮和四号轮在同一水平面上行驶，轮椅座保持水平状态；

步骤s2：本设备开始上楼梯时，限位电机运转使套筒旋转，进而使插杆向中间收缩，使得限位段与触碰杆分离；触碰杆前端抵住阶梯后，本设备继续前进，触碰杆开始围绕第二旋转轴逆时针转动，且凹面凸轮后部凹面所在圆弧面的轴心线向上偏移，与此同时铰接在前车轴上的活动架开始下垂，随后滚轮搭在凹面凸轮的凹面上并阻止了活动架的继续下垂，使活动架和本设备前部一同被触碰杆抬起；本设备继续前进，在触碰杆与地面垂直之前，半齿轮上的带齿部分开始与主动齿轮啮合转动，使本设备的前部得以缓慢落在阶梯上；触碰杆继续转动，套筒旋转带动插杆向两侧伸长，在触碰杆接触限位段时半齿轮的带齿部分不再与主动齿轮啮合；

在此过程中，与轮椅座相连的支撑柱开始向后倾斜，平衡机构中的压块由于重力作用保持下垂，使后侧的信号触发片与支撑柱上同侧的接触开关相接触，接触开关连接控制装置，使该接触开关同一侧的液压杆伸长来对支撑柱的角度进行校正，使支撑柱维持竖直状态，使轮椅座保持水平，使得重心前移，使本设备运行平稳；

步骤s3：在本设备即将离开向上的阶梯时，铰接在前车轴上的活动架开始下垂，使得本设备的前部搭在阶梯上方的水平地面上，随后整体再行驶到平地上；

此过程中，与轮椅座相连的支撑柱开始向前倾斜，平衡机构中的压块由于重力作用保持下垂，使前侧的信号触发片与支撑柱上同侧的接触开关相接触，接触开关连接控制装置，使该接触开关同一侧的液压杆伸长来对支撑柱的角度进行校正，使支撑柱维持竖直状态，使轮椅座保持水平；

步骤s4：在本设备开始下楼时，铰接在前车轴上的活动架开始下垂，使得本设备的前部首先搭在阶梯上，随后整体再完全行驶到阶梯上；

此过程中，与轮椅座相连的支撑柱开始向前倾斜，平衡机构中的压块由于重力作用保持下垂，使前侧的信号触发片与支撑柱上同侧的接触开关相接触，接触开关连接控制装置，使该接触开关同一侧的液压杆伸长来对支撑柱的角度进行校正，使支撑柱维持竖直状态，使轮椅座保持水平，使得重心后移，使本设备运行平稳；

步骤s5：在本设备下楼完成后，与轮椅座相连的支撑柱、向后倾斜，平衡机构中的压块由于重力保持下垂，使后侧的信号触发片与支撑柱上同侧的接触开关相接触，接触开关连接控制装置，使该接触开关同一侧的液压杆伸长来对支撑柱的角度进行校正，使支撑柱维持竖直状态，使轮椅座保持水平。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的医用全地形自平衡轮椅及其运行方法，在遇到向上的阶梯时，能利用撬杆将设备前部抬起并落至阶梯上，到达阶梯顶部时设备前部又能自动落下，使部分重量转移到平地上，以达到平稳攀爬阶梯的目的；

(2)本发明的医用全地形自平衡轮椅及其运行方法，在遇到向下的阶梯时，设备的前部能自动落下，使一部分重量先转移到阶梯上，避免整体突然倾斜导致设备失控；

(3)本发明的医用全地形自平衡轮椅及其运行方法，在上阶梯时，轮椅座前移使整体重心前移，而在下阶梯时，轮椅座后移使整体重心后移，以此使设备运行更平稳。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明正面视角的立体结构示意图；

图2是本发明背面视角的立体结构示意图；

图3是抬升机构的立体结构示意图；

图4是触碰抬升装置的结构示意图；

图5是抬升机构的俯视图；

图6是本发明在平地上行驶时的示意图；

图7是本发明开始爬阶梯时的示意图；

图8是本发明爬上阶梯顶部后的示意图；

图9是平衡机构的立体结构示意图；

图10是平衡器的立体结构示意图；

图中：抬升机构(1)、行走底座(2)、平衡机构(3)、轮椅座(4)、控制装置(5)、缓降装置(11)、限位装置(12)、触碰抬升装置(13)、前轮升降控制杆(14)、行走轮(21)、履带(22)、前车轴(23)、后车轴(24)、机架(25)、调节控制杆(31)、旋转轴(32)、平衡器(33)、支撑柱(34)、辅助支撑杆(35)、驱动电机(111)、驱动齿轮(112)、第一旋转轴(113)、主动齿轮(114)、第二旋转轴(115)、半齿轮(116)、限位电机(121)、限位主齿轮(122)、套筒(123)、插杆(124)、凹面凸轮(131)、触碰杆(132)、滚轮(141)、一号轮(211)、二号轮(212)、三号轮(213)、四号轮(214)、第一履带(221)、第二履带(222)、竖板(251)、滑套(252)、活动架(253)、一号液压杆(311)、二号液压杆(312)、套环(331)、连接环(332)、信号触发片(333)、压块(334)、轴齿轮(1131)、滑动段(1241)、螺纹段(1242)、限位段(1243)、缺口(1321)。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1、图2，本实施例的医用全地形自平衡轮椅，包括抬升机构1、行走底座2、平衡机构3、轮椅座4和控制装置5；所述的抬升机构1设置在行走底座2前方；所述的控制装置5设置在行走底座2中部；所述的平衡机构3设置在行走底座2上方；所述的轮椅座4设置在平衡机构3上方。

如图1、图3，所述的行走底座2包括行走轮21、履带22、前车轴23、后车轴24和机架25；所述的机架25包括竖板251、滑套252和活动架253；所述的竖板251位于机架25的前部，竖板251为两块竖直且平行对称的直板，且竖板251上还设置有一前一后两个连接孔；所述的滑套252固定在竖板251的前部，滑套252中部设置有通孔，且该通孔的截面为方形；所述的活动架253后端与前车轴23铰接，该活动架253可围绕前车轴23向上转动十五度并向下转动九十度，且活动架253上安装有机架25上大部分的机械配件,例如电动机，使本设备底座的重心向活动架253转移；所述的行走轮21包括位于最前方的一号轮211、连接在前车轴23上的二号轮212、与二号轮212共轴的三号轮213和位于最后方的四号轮214，所述的一号轮211设置在活动架253的前端；所述的履带22包括安装在一号轮211和二号轮212上的第一履带221，还包括安装在三号轮213和四号轮214上的第二履带222。

如图3、图5，所述的抬升机构1包括缓降装置11、限位装置12、触碰抬升装置13和前轮升降控制杆14；所述的缓降装置11包括固定在机架25前端的驱动电机111、设置在驱动电机111输出轴上的驱动齿轮112、从两个竖板251上后部连接孔中穿过的第一旋转轴113、设置在第一旋转轴113两侧的主动齿轮114、从两个竖板251上前部连接孔中穿过的第二旋转轴115，以及设置在第二旋转轴115两侧的半齿轮116；所述的第一旋转轴113中部设置有与驱动齿轮112啮合的轴齿轮1131；所述半齿轮116的有齿部分与主动齿轮114啮合。

如图3、图5，所述的限位装置12设置在缓降装置11前方，限位装置12包括固定在机架25前端的限位电机121、设置在限位电机121输出轴上的限位主齿轮122，还包括套筒123和插杆124；所述的套筒123中部设置有与限位主齿轮122啮合的限位从齿轮1231，套筒123两端设置有螺纹孔，且套筒123两端螺纹孔的螺纹旋向相反；所述的插杆124设置在套筒123两侧，插杆124包括滑动段1241、螺纹段1242和限位段1243，所述的滑动段1241设置在滑套252内并与其滑动配合，滑动段1241的纵截面与滑套252上通孔的截面形状相同；所述的螺纹段1242固定在滑动段1241的一端，且螺纹段1242设置在套筒123的螺纹孔内并与其配合；所述的限位段1243固定在滑动段1241的另一端。

如图3、图4，所述的触碰抬升装置13包括凹面凸轮131和触碰杆132；所述的触碰杆132呈直杆形，触碰杆132的后端固定在半齿轮116的外侧面，触碰杆132的后半段中部设置有弧形的缺口1321，且该缺口1321搭在限位段1243上；所述的凹面凸轮131固定在触碰杆132后端的外侧面，凹面凸轮131前部为凸面，其后部为凹面，当本发明在水平面上运行时，该凹面凸轮131后部凹面所在圆弧面的轴心线与前车轴23的轴心线重合；所述的前轮升降控制杆14下端固定在活动架253的前端，其顶端设置有滚轮141，当本发明在水平面上运行时，该滚轮141位于凹面凸轮131后上方，且该滚轮141前部的轮面与凹面凸轮131后部凹面所在的圆弧面相切，使得位于活动架上的滚轮141围绕前车轴转动时不会被凹面凸轮131阻挡；当本发明在水平面上运行时，滚轮141前部的轮面还与凹面凸轮131前部凸面所在的圆弧面相切，使得滚轮141可以在凹面凸轮131的凸面上滚动。

如图9、图10，所述的平衡机构3包括调节控制杆31、旋转轴32、平衡器33、支撑柱34和辅助支撑杆35；所述的旋转轴32设置在机架25中部；所述的支撑柱34底端固定在旋转轴32中部，支撑柱34底部的前后面上均设置有接触开关，且支撑柱34中部的前后面上设置有铰链座；所述的平衡器33包括套环331、连接环332、信号触发片333和压块334，所述的压块334设置在支撑柱34的正下方，所述的套环331对称套在支撑柱34两侧的旋转轴32上，所述的信号触发片333呈半环形，信号触发片333对称设置在支撑柱34底部的前后两侧并分别与支撑柱34之间设置有间隙，所述的连接环332两端分别与信号触发片333和压块334连接；所述的调节控制杆31包括一号液压杆311和二号液压杆312，所述的一号液压杆311两端分别与前车轴23和支撑柱34前侧的铰接座连接，所述的二号液压杆312两端分别与后车轴24和支撑柱34后侧的铰接座连接；所述的辅助支撑杆35铰接在平衡器33的左右两侧。

如图1、图9，所述的轮椅座4固定在支撑柱34顶端，且轮椅座4还与辅助支撑杆35的顶部固定，轮椅座4上设置有操作按钮。

如图6、图7、图8，所述的医用全地形自平衡轮椅的运行方法，包括以下步骤：

步骤s1：本设备在触碰到楼梯之前，触碰杆132搭在限位段1243上，一号轮211、二号轮212、三号轮213和四号轮214在同一水平面上行驶，轮椅座4保持水平状态；

步骤s2：本设备开始上楼梯时，限位电机121运转使套筒123旋转，进而使插杆124向中间收缩，使得限位段1243与触碰杆132分离；触碰杆132前端抵住阶梯后，本设备继续前进，触碰杆132开始围绕第二旋转轴115逆时针转动，且凹面凸轮131后部凹面所在圆弧面的轴心线向上偏移，与此同时铰接在前车轴23上的活动架253开始下垂，随后滚轮141搭在凹面凸轮131的凹面上并阻止了活动架253的继续下垂，使活动架253和本设备前部一同被触碰杆132抬起；本设备继续前进，在触碰杆132与地面垂直之前，半齿轮116上的带齿部分开始与主动齿轮114啮合转动，使本设备的前部得以缓慢落在阶梯上；触碰杆132继续转动，套筒123旋转带动插杆124向两侧伸长，在触碰杆132接触限位段1243时半齿轮116的带齿部分不再与主动齿轮114啮合；

在此过程中，与轮椅座4相连的支撑柱34开始向后倾斜，平衡机构3中的压块334由于重力作用保持下垂，使后侧的信号触发片333与支撑柱34上同侧的接触开关相接触，接触开关连接控制装置5，使该接触开关同一侧的液压杆伸长来对支撑柱34的角度进行校正，使支撑柱34维持竖直状态，使轮椅座4保持水平，使得重心前移，使本设备运行平稳；

步骤s3：在本设备即将离开向上的阶梯时，铰接在前车轴23上的活动架253开始下垂，使得本设备的前部搭在阶梯上方的水平地面上，随后整体再行驶到平地上；

此过程中，与轮椅座4相连的支撑柱34开始向前倾斜，平衡机构3中的压块334由于重力作用保持下垂，使前侧的信号触发片333与支撑柱34上同侧的接触开关相接触，接触开关连接控制装置5，使该接触开关同一侧的液压杆伸长来对支撑柱34的角度进行校正，使支撑柱34维持竖直状态，使轮椅座4保持水平；

步骤s4：在本设备开始下楼时，铰接在前车轴23上的活动架253开始下垂，使得本设备的前部首先搭在阶梯上，随后整体再完全行驶到阶梯上；

此过程中，与轮椅座4相连的支撑柱34开始向前倾斜，平衡机构3中的压块334由于重力作用保持下垂，使前侧的信号触发片333与支撑柱34上同侧的接触开关相接触，接触开关连接控制装置5，使该接触开关同一侧的液压杆伸长来对支撑柱34的角度进行校正，使支撑柱34维持竖直状态，使轮椅座4保持水平，使得重心后移，使本设备运行平稳；

步骤s5：在本设备下楼完成后，与轮椅座4相连的支撑柱34、向后倾斜，平衡机构3中的压块334由于重力保持下垂，使后侧的信号触发片333与支撑柱34上同侧的接触开关相接触，接触开关连接控制装置5，使该接触开关同一侧的液压杆伸长来对支撑柱34的角度进行校正，使支撑柱34维持竖直状态，使轮椅座4保持水平。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。