一种自平衡电动爬楼轮椅的制作方法

本发明属于电动轮椅技术领域，涉及一种通过行星轮系变化来实现普通行走、站立行走和爬楼的智能轮椅，尤其是一种自平衡电动爬楼轮椅。

背景技术：

随着中国人口老年化的加剧：截止去年年底，中国大陆60周岁以上人口已达到2.2亿，约占人口总数的16.1％。另外，残疾人口也已达到4千万。如何帮助上述群体更好地融入社会、安居乐业，是中国社会迫在眉睫需要解决的重大问题。

轮椅作为特殊人群的代步工具由来已久，但普通的轮椅无法在楼梯、沟壑等复杂路况下使用，需要爬楼轮椅帮助他们解决这种困境。目前，爬楼轮椅按照传动方式主要可分为：履带式、星轮式和步进支撑式三种。

履带式爬楼轮椅的技术已经比较成熟，在行走时重心波动相对较小；也比较平稳，但由于重量和体积都比较大、灵活性较差，对楼梯的磨损也较大，且轮椅后期的维护成本比较高。因此限制了在生活中的应用。

步进支撑式爬楼轮椅运动比较平稳，适合不同尺寸的楼梯；但对控制方案的要求较高，操作比较复杂，在平地行走动作缓慢；此外，座椅距地面的高度较大，给使用者造成心理恐惧且使用不方便。因此通常需与轮系组合使用。

星轮式爬楼轮椅按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及多轮组式，轮组多的优点是轮椅爬楼梯时的稳定性好，重心波动范围小，但随之而来的缺点是体积增大，灵活性变差。

由于星轮的轮距和高度固定，而楼梯的高度和宽度不同，在爬行中容易出现错位打滑现象，现有技术的星轮爬楼机构由于没有防滑制动功能，因此在上下楼时需要人为的协助，并由于结构复杂，限制了其推广。

中国专利申请(申请号：201310082561)介绍了一种无障碍轮椅，该轮椅主要由导向轮、第一行星组件、两个第二行星组件和对应的动力驱动装置组成，且每个第二行星组件安装两个行星轮，该机构使用了三个行星组件，由于行星组件较多，增加了结构的复杂性。且第一行星组件安装在前端两个导向轮中间，用户使用比较不便，也可能会造成安全事故。专利号为201110097167介绍了一种行星轮式爬楼梯电动轮椅，该专利中利用三轮组式行星轮系，即两侧的行星轮系上安装三个行星轮，且每侧轮系的行星轮中使用一个轮毂电机，这样使得轮椅在爬楼过程中由于各轮子质量不同，重心变化比较大。且需要人为的辅助下才能实现爬楼功能。论文《基于行星轮系的爬楼梯轮椅研究》(马永为，天津大学，2008)中采用两轮式行星轮系，采用的翻转机构直接固定在箱体上，这样无疑加大了箱体加工难度。轮椅前端安装有导向轮，在爬楼时行走机构没有锁死装置因此需要人为的协助。现有技术的爬楼梯轮椅大多采用三轮组式，或者两轮组式加上辅助机构，同时轮椅前端还需要安装导向轮且翻转时候行走机构无锁死功能，这样无疑增大了轮椅结构的复杂程度且安全性低。

爬楼轮椅作为特殊人士的代步工具，在保证安全性的前提下，也应兼顾实用性、成本和体积大小。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种自平衡电动爬楼轮椅，基于两组行星轮结构，通过行星轮系的变换可实现普通行走、站立行走和爬楼三种模式，轮椅在爬楼模式下行走机构锁死，且防滑支架放下，可有效防止轮椅爬楼时的打滑现象，结构简单，成本低。

为了解决现有技术的上述问题，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种自平衡电动爬楼轮椅，包括座椅部分、座椅连接部分、行星轮系、充气轮、驱动部分、控制部分、监测部分、防滑装置和脚踏板机构；其特征在于：

包括两组所述的行星轮系，分别通过一个外轴与一个驱动箱体连接，然后通过一个菱形带座轴承座安装在设置于所述轮椅两侧的轮系箱体上；通过所述的行星轮系的变换可实现轮椅的普通行走、站立行走和爬楼三种工作模式；

所述的防滑装置包括一个防滑电机和一个支撑架，通过一个卧式带座轴承安装在驱动箱体的底板上；

所述的驱动部分安装在驱动箱体内，包括一个行走机构和一个翻转机构，可向两侧行星轮系提供行走和爬楼的动力；所述的行走机构包括两套行走电机与行走减速器组件、行走小齿轮、行走大齿轮、外轴、外轴齿轮、过渡轴、过渡齿轮、输出轴、输出齿轮；所述的翻转机构包括两套翻转电机与翻转减速器组件、翻转小齿轮、翻转大齿轮、内轴、内轴连接件、输出轴连接件、过渡轴连接件、爬楼轴；所述的4个电机和减速器采用前后左右平行设置；所述的两个行走电机与行走减速器安装在一个矩形固定架的底端；两个翻转电机与翻转减速器安装在所述的矩形固定架的顶端；所述的行走减速器和翻转减速器均具有自锁功能。

所述的轮椅在普通行走工作模式时，所述的行走电机与行走减速器连接，行走小齿轮与行走大齿轮啮合，行走大齿轮通过外轴与外轴齿轮连接，外轴齿轮与过渡齿轮啮合，过渡齿轮与输出齿轮啮合，此时行星轮系的各齿轮绕各自中心自转，通过输出轴带动充气轮自转。

所述的轮椅在爬楼工作模式时，翻转电机与翻转减速器连接，翻转小齿轮与翻转大齿轮啮合，翻转大齿轮通过内轴与内轴连接件连接，此时行星轮系内各齿轮围绕内轴中心轴公转；此时，所述的行走机构利用自锁装置锁死，所述的防滑电机工作，支撑架放下，从而有效防止轮椅爬楼时的打滑现象。

所述的轮椅在站立工作模式时：翻转电机先工作，通过翻转小齿轮带动翻转大齿轮旋转，再通过内轴带动爬楼轴旋转，此时行星轮系内各齿轮围绕内轴中心轴公转，等轮椅达到站立状态，翻转机构锁死，然后行走电机工作，通过行走小齿轮带动行走大齿轮旋转，再通过外轴带动外轴齿轮旋转，再通过过渡齿轮传递到输出齿轮，此时行星轮系的各齿轮绕各自中心自转，轮椅实现站立行走。

所述的行走电机设置有电磁制动刹车装置。

所述的行星轮系，还包括一个过渡齿轮，设置于所述的输出齿轮和外轴齿轮之间，外轴齿轮与过渡轴承啮合，过渡齿轮与输出齿轮啮合，输出齿轮、过渡齿轮和外轴齿轮通过菱形带座轴承安装在轮系箱体上。

所述的防滑装置包括支撑架、鱼眼轴承、电动推杆、防滑电机、安装支架和卧式带座轴承，在轮椅爬楼前，防滑电机工作，带动电动推杆伸长，支撑架放下，电动推杆自锁，防止轮椅爬楼过程中打滑。

所述的控制部分包括主控制器、陀螺仪系统、控制面板；所述的主控制器采用意法公司的stm32主控芯片，所述的陀螺仪系统包括三轴陀螺仪传感器和三轴加速度计传感器，陀螺仪系统把检测到的轮椅姿态发送给主控制器，可实时地对轮椅进行调控；所述的控制面板包括三轴霍尔操作手柄和按钮开关，所述的三轴霍尔手柄通过控制行走电机完成轮椅的前进后退、左转右转。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.采用本发明可通过简单的行星轮系变化实现轮椅普通行走、站立行走和爬楼三种运动模式。

2.本发明轮椅在翻转时候，其行走机构可锁死，且配有防滑装置，有效地防止了爬楼时充气轮自转而导致的打滑现象，轮椅在站立行走时翻转机构锁死，提高了站立行走的安全性。

3.本发明在行星轮系中采用内外轴传动，有效地减小了轮椅的整体尺寸，同时去除安装在轮椅前端的导向轮。不仅保证了轮椅功能和安全性能，而且使其成本降低、重量和体积减小。

附图说明

图1是本发明一实施例的自平衡电动爬楼轮椅的站立模式下的侧面示意图。

图2是本发明一实施例的自平衡电动爬楼轮椅的左视图。

图3是本发明一实施例的自平衡电动爬楼轮椅的俯视图。

图4是本发明一实施例的自平衡电动爬楼轮椅的等轴仰视图。

图5是本发明一实施例的自平衡电动爬楼轮椅的爬楼模式下的侧面示意图。

图6是本发明一实施例的一组行星轮系的剖面图。

图7是本发明一实施例的在行走模式下的一组行星轮系的侧视图。

图8是本发明一实施例的在翻转过程时的一组行星轮系的侧视图。

其中，100座椅部分：101手推杆，102靠背，103扶手，104调节机构；200座椅连接部分：201座椅连接件，202铰链；300行星轮系，301输出轴，302输出轴连接件，303过渡轴连接件，304过渡轴，305过渡轴滚针轴承，306过渡齿轮，307外轴齿轮，308内轴连接件，309爬楼轴，310轮系箱体，311外轴，312行走小齿轮，313行走减速器，314行走电机，315内轴，316翻转大齿轮，317翻转电机，318翻转减速器，319翻转小齿轮，320外轴滚针轴承，321行走大齿轮，322菱形带座轴承，323输出齿轮，324输出轴滚针轴承；400充气轮，401螺栓；500驱动部分，501驱动箱体；600控制部分：601显示屏，602前侧超声波传感器，603右侧超声波传感器，604摄像头，605后侧超声波传感器，606左侧超声波传感器，607操作面板；700防滑装置，701支撑架，702鱼眼轴承，703电动推杆，704防滑电机，705安装支架，706卧式带座轴承；800脚踏板机构，801脚踏板，802刹车踏板，803伸缩杆。

图9是本发明自平衡电动轮椅爬楼时adams仿真分析图。其中，图9a驱动箱体与两侧轮椅不同安装角度时轮椅质心的振幅，图9b最大负载时转矩变化图，图9c最大负载时左右两侧电机功率变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的详细说明。

如图1-5所示，是本发明一实施例的自平衡电动爬楼轮椅的结构示意图，其中示出了该实施例在行走、站立和爬楼模式下的部件联接情况。本实施例包括座椅部分100、座椅连接部分200、两个行星轮系300、四个充气轮400、驱动部分500、防滑装置700和脚踏板机构800。座椅连接件201通过铰链202分别铰结在座椅部分100与驱动箱体501上，两侧轮系箱体310通过外轴311与驱动箱体501连接。脚踏板801通过伸缩杆803固定在座椅部分100上，充气轮400轴向通过螺栓401固定在输出轴301端面，充气轮400与输出轴301通过键传递扭矩，防滑装置700通过带座轴承706安装在驱动箱体501底板上。

图6是本发明一实施例的一组行星轮系的剖面图。

图7是本发明一实施例的在行走模式下的一组行星轮系的侧视图。

图8是本发明一实施例的在翻转过程时的一组行星轮系的侧视图。

如图6-8所示，行星轮系300包括：输出轴301、过渡轴304、爬楼轴309、外轴311、内轴315，安装在输出轴301上的输出齿轮323、安装在过渡轴304上的过渡齿轮306、安装在外轴311上的外轴齿轮307，各齿轮和轴通过键传递扭矩，轴向通过紧定螺钉和卡簧固定在轴上，输出轴301、过渡轴304和外轴311通过菱形带座轴承322安装在轮系箱体310上。爬楼轴309与内轴315通过内轴连接件308连接，内轴315和内轴连接件308通过键传递扭矩，轴向通过紧定螺钉固定。过渡轴304与爬楼轴309通过过渡轴连接件303连接、输出轴301与爬楼轴309通过输出轴连接件302连接，输出轴连接件302内装有输出轴滚针轴承324，过渡轴连接件303内装有过渡轴滚针轴承305，输出轴连接件302两端通过卡簧固定在输出轴301上，过渡轴连接件303和内轴连接件308两端通过卡簧固定在爬楼轴309上。

翻转和行走末端机构通过齿轮副分别于翻转电机317和行走电机314连接，行走大齿轮321通过键安装在外轴311上，轴向通过紧定螺钉和卡簧固定；翻转大齿轮316通过键安装在内轴315上，轴向通过紧定螺钉和卡簧固定；行走电机314前端安装有行走减速器313，翻转电机317前端安装有翻转减速器318，所述的减速器带自锁，所述的电机为直流电机。

防滑装置700包括：支撑架701、鱼眼轴承702、电动推杆703、防滑电机704、安装支架705和卧式带座轴承706组成，防滑电机704通过螺栓固定在安装支架705上，电动推杆703一端通过鱼眼轴承702安装在支撑架701上，另一端通过螺栓固定在安装支架705上，安装支架705铰结在驱动箱体501底端，支撑架701通过卧式带座轴承706安装在驱动箱体501底端。在轮椅爬楼前，防滑电机704工作，带动电动推杆703伸长，支撑架701放下，电动推杆703自锁，防止轮椅爬楼过程中打滑。爬楼完成后防滑电机704带动电动推杆703收缩，再带动支撑架701收回。

所述的座椅部分100包括手推杆101、靠背102、扶手103、调节机构104。所述的靠背102角度可调节，所述的扶手103高度可调节，所述的脚踏板801是可折叠式。所述的座椅部分100通过座椅连接件201铰结在驱动箱体501上，所述的脚踏板801下端不需要安装万向轮。

所述的控制部分包括主控制器、陀螺仪系统、控制面板607。所述的主控制器的主控芯片采用意法公司的stm32。所述的陀螺仪系统包括三轴陀螺仪传感器和三轴加速度计传感器，陀螺仪系统把检测到轮椅的姿态发送给主控制器，可实时的对轮椅进行调控。所述的控制面板607包括三轴霍尔操作手柄和按钮开关，所述的三轴霍尔手柄通过控制行走电机314完成轮椅的前进后退、左转右转。所述的开关按钮包括电源开关、上下楼开关、站立行走开关、电磁刹车开关，电磁刹车开关控制行走电机314，在爬楼时候行走电机314制动，同时行走机构锁死，为了防止在爬楼时行星轮系自转。

所述的锁死机构为带自锁的行走减速器313和翻转减速器318，轮椅在翻转时行走机构自锁，这样为了防止轮椅轮子自转而出现打滑现象。

轮椅的制动方案有多种，可采用电瓶车的刹车方案，本实施例采用带碟刹装置的充气轮400，通过控制安装在脚踏板801上的刹车踏板802完成轮椅的制动。另外，采用带电磁刹车的行走电机314，轮椅爬楼时行走电机314制动，采用两种刹车增加了制动效果，也提高了爬楼过程的安全性。

其中，所述的监测部分包括显示屏601和摄像头604，摄像头604安装在轮椅后方，用户可以通过显示屏601了解后方环境，另外，显示屏601可以显示锂电池的电量。显示屏601通过固定件安装在轮椅左侧扶手上，且可折叠；所述的监测部分还包括安装在轮椅四周的4个超声波传感器(602、603、605、606)，当轮椅靠近物体时候，会报警且显示屏有红灯闪烁。

当轮椅遇到障碍物时，监测模块监测行走电机314的电流大小，当电流超过一定值，翻转电机317工作，使轮椅充气轮400抬高，从而顺利越过障碍物。

用户可以通过操作面板607对轮椅的工作模式进行切换，在普通行走模式下，可通过操作杆完成轮椅的前进后退、左转右转等功能。当轮椅爬楼时，按下爬楼按钮，此时带电磁刹车的行走电机314制动，且行走机构锁死，同时防滑支架701放下，轮椅开始爬楼，这样有效地防止打滑现象。当用户需要切换站立行走模式，首先按下面板的站立模式按钮，轮椅通过翻转机构达到站立状态后，翻转机构锁死，然后再通过操作杆完成轮椅的站立行走功能。

本发明实施例的三种工作模式说明如下：

(1)普通行走：

行走电机314通过行走减速器313带动行走小齿轮312转动，传递到行走大齿轮321，通过外轴311带动外轴齿轮307转动，再通过过渡齿轮306传递到输出齿轮323，再通过输出轴301带动充气轮400转动。此时各个齿轮绕各自中心自转，完成轮椅普通行走功能，所述的行走机构速比为50，行星齿轮速比为1。

(2)爬楼：

防滑电机704工作，电动推杆703带动支撑架701放下，翻转电机317通过翻转减速器318带动翻转小齿轮319转动，传递到翻转大齿轮316，通过内轴315带动爬楼轴309旋转，此时，行走机构锁死，各个行星轮相对静止，轮系绕内轴315中心公转实现翻转功能，完成爬楼后电动推杆703带动支撑架701收回，所述的翻转机构速比为100。

(3)站立行走：

翻转电机317先工作，通过翻转小齿轮319带动翻转大齿轮316旋转，再通过内轴315带动爬楼轴309旋转，此时行星轮系300内各齿轮围绕内轴315中心轴公转，等轮椅达到站立状态，翻转机构锁死，然后行走电机314工作，通过行走小齿轮312带动行走大齿轮321旋转，再通过外轴311带动外轴齿轮307旋转，再通过过渡齿轮306传递到输出齿轮323，此时行星轮系300的各齿轮绕各自中心自转，轮椅实现站立行走，这样用户可以和正常人高度相当。

在本实施例中，所述的4套直流电机和减速器，分别向两侧轮系提供行走和爬楼的动力。为了是结构更加紧凑化，4个直流电机和减速器采用前后左右平行。两个行走电机314和行走减速器313安装在矩形固定架底端，两个翻转电机317和翻转减速器318安装在矩形固定架顶端。

另外，座椅部分100可以根据轮椅的运动状态自动调节，安装在轮椅上的陀螺仪系统把轮椅的姿态传输到控制器中，可对座椅部分100位置调节，使得座椅部分100保持水平位置。

为了验证本发明的合理性，通过虚拟样机技术验证本发明方案的可实施性。首先通过三维软件solidwork对轮椅进行建模，在将轮椅的三维模型导入admas进行动力学仿真分析。根据我国对楼梯尺寸的要求，考虑机器人在楼梯踏步宽度最小、高度最大的情况下爬楼最难，本方案在楼梯踏步宽度为270mm、高度为160mm环境下验证轮椅爬楼性能，轮系的翻转角速度为0.6rad/s，最大负载80kg。

如图9，t1表示轮椅翻转到站立位置的时间段，t2表示轮椅从第二个台阶翻转到站立位置的时间段，图9a，由于驱动箱体501与行星轮系300安装角度的不同，轮椅的重心会发生变化，通过分析可得当驱动箱体501与行星轮系300安装角度为35度时轮椅爬楼重心变化范围最小；图9b可知轮椅在爬楼的启动阶段(t1)和每个台阶开始阶段(t2)所需力矩较大；图9c是轮椅在最大负载爬楼时两侧电机的功率变化情况，可知两侧的爬楼电机317可选择功率为200w直流电机。