一种能上下楼梯的电动轮椅的制作方法

本发明涉及一种以蓄电池作为能源，在使用者或他人的操控下不仅能在平整路面上行驶，而且能上、下楼梯的电动轮椅，供那些老年人、体力弱者或残疾人群上、下楼梯和出行使用。属于电动轮椅技术领域。

背景技术：

目前，也有一些上、下楼梯的电动轮椅车，但是结构比较复杂，价格高。而有一些即使乘车人智力正常也还必须有正常人辅助，使用不方便。

技术实现要素：

本发明的任务是提供一种不仅能在平整的地面(包括平整的坡道)上前行和后退，而且还可以上、下楼梯的电动轮椅，而且结构简单，成本较低。智力正常的乘车人通过训练掌握本车的性能后可以自己操控上、下楼梯，智力不正常的人可以由其他人操控。

本发明的任务是这样来实现的：在现在已经生产使用的两后轮独立驱动(或者两后轮用一个电动机通过差速器驱动)的电动轮椅车驱动轮的后部内侧附近安装两个履带式行走装置(或者在轮缘附近安装突出轮缘的爬楼杆)，轮椅后退时履带(或伸出的爬楼杆)先接触到楼梯的前沿，在轮椅驱动电机的驱动下轮椅后轮在履带(或伸出的爬楼杆)协助下爬上楼梯。在轮椅车的前部座位下面安装有一套由若干根杆件组成的X形支撑架(就是常见的升降机形式)和与其安装在一块的支撑履带(或轮组)，当轮椅后轮上楼梯造成轮椅后高前低时调节X形的支撑架的长度将轮椅前部抬起，保证在楼梯上乘人的椅子部分保持正常位置不变(该位置是指轮椅座位在平路上行驶时的位置，为了叙述方便简称正常位置，下同)。下楼梯时轮椅前行。轮椅上、下完楼梯后，收回这些支撑履带(轮组)，轮椅车即可在平整的地面行驶。

附图说明

图1、一种能上下楼梯的电动轮椅结构示意图(在楼梯上)

图2、一种能上下楼梯的电动轮椅结构示意图(在平整地面上准备上楼梯)

图3、一种能上下楼梯的电动轮椅结构示意原理图(在平地上，前支撑系统收回)

图4、变速机构原理剖面图

图5、变速机构原理后视图

图6、一种能上下楼梯的电动轮椅爬楼杆布置示意图(在楼梯上)

图7、后轮履带收起位置示意图

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对该发明的结构详细说明。

实施例1：

参照图1、图2、图3、图4、图5给出的结构，图中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)所示为现在已经有生产的能在平整地面上运行的双后轮独立驱动的电动轮椅。人坐在座椅(5)上面，脚放在踏板(7)上，调节控制手柄(8)使电动机转动，电动机输出齿轮(4)通过链条(或者齿轮组)驱动与后轮(2)固定在一起的齿轮(3)从而驱动后轮转动，轮椅可以前行或后退，两个后轮转速有差速时轮椅可以转向，两个万向轮(6)为支撑轮，可以根据两个后轮传来的动力自动转向(蓄电池在图中未画出)。

现在两个后轮(2)的轮圈(一般为钢制或铝合金制品)后部内侧附近各安装一个履带(15)，该履带安装的倾角φ和履带长度根据需要上的楼梯的模数决定。根据我国建筑楼梯模数协调标准GBJ101-87，楼梯梯段的最大坡度不超过38度，楼梯踏步高度不超过210mm。履带长度L应大于或等于两个梯步沿之间的长度M即可(履带倾斜角度φ按照GBJ101-87最大坡度38度，踏步高度210mm，L大于等于341mm)。两履带下平面在主动轮下轮缘处与两个轮椅后轮组成的曲面在A处相切，并使履带运行的线速度与轮椅后轮的线速度相同，位于同一侧的履带主动轮与轮椅后轮用同一个电机驱动。履带主动轮通过链条或齿轮由后轮或电动机输出轴驱动。

在轮椅座椅前面的底部，由(9)、(10)、(11)、(12)、(13)(14)组成的支撑架构成上楼梯时轮椅的前部支撑系统。两根杆件(9)左右对称固定在轮椅座椅下部两侧构架上，作为前部支撑系统的基础杆件。左右两个上滑道(10)固定在杆件(9)上，若干根长度相同的杆(11)组成像升降机一样的可以伸长和缩短(高度方向)的X形支撑架，支撑架由左右对称的两组组成，两组支撑架的距离约为轮椅宽度的2/3～1/3；左右对称的两组支撑架靠内侧的杆件固定连接起来，以增加支撑架的刚度；相邻两层X形支撑架端点绞链在一起(图中给出了两层，可以根据需要增加层数，以满足支撑高度的需要)；最上层X支撑架靠前面一端的两根杆端(17)绞链在滑道上，靠后一端两根杆端(16)限定在滑道中可以沿滑道前后滑动；将左右两侧由杆件(11)组成的支撑架的两个绞链点(17)和左右两个限定在滑道中的点(16)分别用杆件连接，并在这两根杆中部安装一根由电动机驱动的电动推拉杆(18)(该装置图中未画出，它也可安装在上滑道(10)以下支撑架上任何两个处于同一个平面杆件(11)端部铰接点之间)；支撑架下部安装有下滑道(19)(也叫移动滑道)，X形支撑架下部后端与下滑道(19)绞链，下部前端限定在下滑道(19)中可以沿滑道前后滑动。在下滑道下部安装有连杆(13)将支撑履带(14)与下滑道绞链在一块。支撑履带(14)另一端与下滑道在(12)处绞链在一块。由于下滑道是为了安装支撑轮设置的，不需要很长，所以可以适当的减少长度，这时增加杆(20)和(21)，这组杆的长度根据下骨道减短的比列确定。杆(22)也只有杆(11)的一半长。

在支撑履带(14)的前面，左右对称安装两个垂直于地面的小万向轮(23)，轮径与支撑履带的轮径差不多大，并且使得在轮椅向前运行万向轮偏向后方时万向轮与支撑轮带底部在一条直线上；小万向轮(23)着地时，使得支撑履带(14)的最前端轮子以及万向轮(6)离地1～5cm。当支撑履带(14)支撑在 平地面上时，由这两个万向轮(23)支撑轮椅前部的重量。

支撑履带(14)无动力，它只起到支撑的作用，在后轮驱动轮椅运行时，它可以滚动，当轮椅在楼梯上做小范围的转弯动作时，可以做允许横向滑动(就像拖拉机履带转弯时一样)。该履带不需要防滑齿。

支撑履带(14)安装的角度φ与后轮履带一样，长度K大于等于两个楼体沿之间的长度M即可(履带倾斜角度φ按照GBJ101-87最大坡度38度，踏步高度210mm，L大于等于341mm)。

在电动机输出轴(30)与后轮驱动齿轮(3)之间，安装有一个变速机构。参见图4、图5、该变速机构由动力轴(30)、小齿轮(31)，行星轮轴(32)、行星轮(33)、基座(34)和(42)、行星轮外齿轮(35)、行星轮支持座(36)、输出轮(37)、1∶1传动轮(40)、端部挡圈(41)组成。图中(30)、(31)、(32)、(33)、(34)、(35)、(36)组成行星齿轮减速系统，(31)、(40)、(41)安装后与轴(30)刚性连接在一块，随轴(30)同步转动。(34)、(36)、(37)、(42)与轴(30)之间可以滑动，这些地方可以安装滚动轴承。

在行星轮支持座(36)、输出轮(37)、1∶1传动齿轮(40)上开有若干键槽(38)，这三个构件上的键槽数量、分部角度、宽度、深度全部相同，在键槽中安装有键(39)，该键的长度等于1∶1传动齿轮(40)的宽度加输出轮(37)的宽度或输出轮(37)的宽度加行星轮外齿轮(35)的宽度的最小者。所有的键端部与环型圈(44)固定连接在一起，在环形圈(44)与输出轮(37)之间安装有压簧(43)。这样的结构，当键(39)在图示的位置时，输出轮(37)与输入轴(30)转速相同。参见图5，在基座(42)上安装有滚轮(45)，它可以绕轴(46)转动90度并在转到位后被锁死。在环形圈(44)被滚轮(45)压向输出轮(37)并使键(39)脱离1∶1传动齿轮(40)时，输出轮(37)的转速等于输入轴(30)的转速/行星轮传动比。设置该变速机构的目的是，由于轮椅在平路上行驶时，当电动机运行在最大功率时，运行速度较高，一般在3～5km/h，这时可使用1∶1传动。而轮椅上楼梯时为了保证足够的动力，电动机必须运行在最大功率，但是运行速度不能太快，只能保持在0.2～0.6km/h，这时使用行星轮传动。所以设置该变速机构可以将平整地面上运行的轮椅电动机用于轮椅上、下楼时使用。

电路设计上，轮椅主动轮的运行按照现行的轮椅控制电路(以下称为主电路)控制。辅助电路还需要增加电动推拉杆电动机的正转(定义作用于支撑架伸长为正转)开关K1，反转(定义作用于支撑架缩短为反转)开关K2。需要在两个后轮上安装电动刹车装置，该装置在通电时松开刹车，不通电时自动刹车同时切断驱动电机电源。左右刹车由左轮刹车开关K3和右轮刹车开关K4控制。

现在按照以上给出的结构来说明轮椅的工作过程。先说上楼梯的过程：

1、当轮椅后退接近第一级楼梯时，首先将滚轮(45)扳动到图5所示位置并锁住，这时环形圈(44)被压下，变速机构通过行星齿轮传递扭矩；再将支撑履带(14)从图3所示位置安装到图2所示位置；控制K1，将支撑架放下，让支撑履带(14)前部的万向轮(23)着地并将万向支撑轮(6)抬起离地1～5cm高；

2、操控手柄(8)让轮椅车后退，两个履带接触到第一级楼梯沿后使轮椅爬上楼梯，同时轮椅后部抬高，这时应该同时控制K1，让轮椅前部抬高，让轮椅座椅保持正常位置基本不变；

3、轮椅连续上完一层楼梯后轮进入楼梯平台后，随着轮椅运行，后部不再抬高，这时适时控制K2让轮椅前部降低，始终让轮椅座椅保持正常位置基本不变；

4、轮椅进入平台后让轮椅处于图2的位置，这时轮椅可以在平台上转弯，直到轮椅后退到下一层楼梯的第一级台阶前，按照第2步的操作即可继续上后面的楼梯。

再来说下楼梯的过程：

1、下楼梯时，操作让轮椅处于上楼梯步骤中的第1步的状态，轮椅向前行驶到楼梯前与楼梯对齐：

2、操控手柄(8)让轮椅车前进，支撑履带(14)将先下楼梯，这时应该及时的控制K1，让轮椅前部的支撑架伸长从而让轮椅座椅保持正常位置基本不变，两个履带接触到第一级楼梯沿后使轮椅向楼梯下运行；

3、当下完最后一级台阶支撑履带(14)接触到下一层的平台后，这时要及时操作K2，将轮椅前部降低，让轮椅座椅保持正常位置基本不变，直到轮椅的后轮接触到楼梯平台，并使轮椅保持上楼梯时第4步的位置。将轮椅运行到下一层楼梯的第一级前面，重复第一步的过程即可。

上、下完楼梯后，可将支撑履带(14)收回到图3所示的位置。

上、下完楼梯后需要在平面上运行前，将滚轮反向搬动90度并锁住，这样输入轴(30)通过1∶1齿轮(40)、键(39)驱动齿轮(37)与输入轴同转速转动，以增加运行速度。

履带可以用橡胶、高强度塑料等材料制作，接触地面部分设置防滑齿，履带宽度一般不超过20cm。

这种后轮内侧安装履带的方案适合于任何直径的双后轮驱动的轮椅。

将履带(15)安装在一个可以与后轮轴同心可转动支架上，在需要上楼时，履带转到图1、2、3所示位置并锁住。在平整地面上运行时，将履带(15)转到图7所示细线C的位置锁住，履带不一定完全垂直于地面，只要不影响轮椅长度就可以；也可以让履带以履带的驱动轮中心转动，转动到D的位置后锁住，也是不影响轮椅长度就可以了。这种设计可以减少轮椅在楼梯平台上的总长度，在楼梯平台较窄时这样的设计很有实际意义。

一般的轮椅均在两侧车架之间的中部设置X形拉杆利用三角形的稳定性来增加轮椅的整体刚度。为了安装本方案前支撑系统，可以在前支撑系统的前面和后面各安装一个X形拉杆来增加轮椅整体刚度。

支撑履带(14)的功能也可以由若干小滚轮组成轮组代替，要求小滚轮不少于两排，每排的滚轮与相邻一排的滚轮轴线等距离错开，尽量使轮组底面平整。

包括乘车人在内整车重心在图2所示轮椅后轮轴心和B点与地面的垂直线之间的中点偏轮椅后轮轴心一侧，尽量靠近轮椅后轮轴心。

实施例2：

按照实施例1给出的结构，对于后轮轮径大于等于20英时以上时，参照图6，在轮椅后驱动轮的内侧安装一个环形基板(23)，沿基板布置若干个可以在滑道(24)内滑动的爬楼杆(25)，在滑道(24)与爬楼杆(25)之间设置弹簧(26)，爬楼杆(25)顶端靠主动轮中心一侧设置滚轮(27)，在滚轮(27)没有施加外力时，滑动的爬楼杆(25)在弹簧(26)的作用下处于向主动轮中心的极限位置。在两个后轮(2)的第四象限(后退上楼可以接触到楼梯的部分)各设置一个压块(28)，该压块与后轮同心，与轮椅座位固定在一起，不随后轮转动。压块(28)将处于该压块下的数个爬楼杆(25)向后轮的幅向推出10～30mm，这些被推出的爬楼杆中的某一根接触到上级楼梯的前沿，便可卡在楼梯前沿平面上，帮助轮椅爬上楼梯。随着轮子的转动，只有被压块接触的部分的爬楼杆被推出，其他的在弹簧(7)的作用下被弹回原来的位置。

压块(28)可以设置成能向轮椅轴心收回15～35mm的结构，当轮椅不上楼梯时压块(28)收向轴心，与所有滚轮(27)脱离，所有爬楼杆均不被压出。

环形基板(23)，滑道(24)、爬楼杆(25)，可以用金属、合金、坚硬木材、高强度塑料制作，爬楼杆(25)外端可用高强度塑料、橡胶等制作。

轮椅的前支撑系统与实施例1相同

当轮椅需要上下楼梯时可以如下操作：

需要上楼梯时，将轮椅退着运行到第一级楼梯跟前，使两后轮(主动轮)离第一级楼梯的距离相同，这时启动前支撑系统使轮椅前部万向轮(6)离开地面1～5cm。操作操作杆(8)让轮椅后退运行接触到第一级楼梯，轮椅左右主动轮上的伸出的爬楼杆(25)各有一根卡在楼梯前沿的平面上从而使轮椅后部不断地抬高，这时可以及时打开K1电动机正转作用于轮椅前部抬高直到轮椅座椅恢复到正常位置关闭K1。这样两个主动轮不停地转动一级一级的爬上下楼梯，当快上完一层楼梯轮椅主动轮上到平台后，轮椅开始出现前高后低，这时打开K2，支撑电动机反转，直到轮椅回到正常位置关闭K2。将轮椅退到下一层的楼梯前将两后轮与第一级台阶对齐就可以继续上像一层楼梯。

在上楼梯的过程中可以交替操作K1和K2调节轮椅平面位置。

上楼梯时如果轮椅左右方向与正常位置有偏移，侧应该打开K3或K4制动偏高的一侧的主动轮，被制动的主动轮不会转动，另一个轮子继续转动直到轮椅恢复正常位置时解除轮子制动，轮椅两个轮子同时转动上楼梯。出现这种情况是因为左右两个轮子在接触楼梯前沿的爬楼杆(25)不同步，也就是左右轮的爬楼杆(25)没有同时卡在楼梯沿的平面上造成的，这时未制动的轮子继续转动，如果一侧轮子的爬楼杆(25)接触的是上一级楼梯的立面或接触的平面不足以支撑轮椅的重量，也会在楼梯立面平面上滑动，下一个爬楼杆就会卡在楼梯沿平面上使轮椅两侧同步继续向上运行。

下楼时将轮椅向前运行到第一级楼梯跟前，并保持两前轮离第一级楼梯的距离相同，然后操作开关K1，将前支撑系统放下直到万向轮(6)离开地面1～5cm。向前运转轮椅，轮椅出现前面低后面高，这时再打开 K1从而使轮椅前面抬高直到轮椅恢复正常位置。轮椅向前运行一级一级的下楼梯，下完楼梯后，打开开关K2，使轮椅前面抬高直到轮椅恢复正常位置。。

下楼时，如果出现轮椅左右方向与水平位置有偏移，应该打开K3或K4制动偏低的一侧的主动轮(这里刚好与上下楼梯时相反)。被制动的主动轮不会转动，直到轮椅左右方向水平解除被制动的轮子，轮椅两个轮子同时运行。

本实施例适合于所要上的楼梯中最大的梯步高度不大于轮椅主动轮半径的2/3的情况。

实施例3：

由实施例1、2给出的结构，轮椅上楼、下楼时，需要操作者随时操作操作杆(8)以使轮椅运行，同时还要操作开关K1、K2、K3、K4以保持轮椅的座椅始终处于正常位置，这样的操作是很麻烦的，也不容易掌握。现在轮椅上安装角度检测装置(比如陀螺仪等)JDJC，它可以检测出轮椅前后方向与水平线的角度偏移α以及左右方向与水平线的角度偏移β，检测的到的α信号经过电路处理来自动控制K1和K2从而自动调节轮椅前后方向与水平线的偏移，保持座椅前后方向处于正常位置；检测到的到的β信号经过电路处理来自动控制K3和K4以及轮椅两个轮椅电机的驱动电源从而自动调节轮椅左右方向与水平线偏移，保持座椅左右方向处于正常位置。这样可以让轮椅的乘人椅子始终保持在正常位置。

上楼梯时和下楼梯时，K3、K4的控制应该相反。

在电路设计上可以考虑设置一个上楼梯开关SL和下楼梯开关XL，打开上楼梯开关SL后给前支撑系统电动推拉杆(18)和JDJC供电，JDJC设置为将轮椅前部抬起1～5cm为零位，这样只要前支撑系统一有电源，轮椅就会自动将前部抬起。同时如果检测到左面高就断开K3让左轮刹车，反之右面刹车；打开下楼开关XL后，对前支撑系统作用原理和要求同上楼时一样，但是如果检测到左面高，侧需要断开K4让右驱动轮刹车、反之左轮刹车。既上楼和下楼时角度检测器JDJC检测到的左右倾斜角度偏移β信号定义相同，但控制对象刚好互换了。

实施例4：

由实施例1、2、3给出的结构，只适应电动轮椅两个后轮独立驱动的轮椅，对于两个后轮用一个电动机通过差速器驱动两个后轮的轮椅车，也可以按照该方案实施。

两个后轮用一个电动机通过差速器驱动两个后轮的轮椅车，需要操作前轮把握方向实现转向，有的车是前面是一个方向轮，有的是两个。现在按照实施例1、2给出的结构设置后轮履带式或爬楼杆；当轮椅为双前转向轮时，按照实施例1、2给出的结构设置后轮履带或爬楼杆及轮椅的前支撑系统；电动机与差速器之间安装图4、5给出的变速机构；当轮椅为单前转向轮时，在前支撑系统安装两个支撑履带(14)，这两个支撑履带(14)与前转向轮位置上错开安装。辅助电路按照实施例3给出的设置。这样的结构，轮椅上、下楼梯时，平地上转向使用的前轮被悬空，不起作用。只要操作轮椅轮椅后退或前进便可上下楼梯。当左右不平需要调整时，上楼梯时只要投入偏高一侧的刹车。下楼时当左右不平需要调整时，只要投入偏 低一侧的刹车就可以了。