一种全向移动智能轮椅床的制作方法

本发明基于四轮全方位独立驱动-转向平台，实践应用于养老助残以及医疗护理的智能轮椅床。该智能轮椅床具有灵活、紧凑、行驶稳定以及全方位移动等特点，可适用于不规整地面以及人流密集环境下的移动。

背景技术：

智能轮椅床是养老助残、医疗护理的一个研究方向。在现有的养老助残以及医疗护理产品中，大多数为护理床和电动轮椅，轮椅床并不多见。现有的护理床拥有变形功能以辅助使用者，驱动力分为人力和电机驱动，但采用电机驱动的床体过大，并且在室内移动时需要有护理人协助，极为不便。现有的电动轮椅均采用两轮驱动，在狭小空间或者人流密集地带交互体验感极差，并且从轮椅移动到床上也需要护理人协助。现有的轮椅床大多数采用无悬挂式麦克纳姆轮，进而全方位移动，由于麦克纳姆轮的固有特性，在启动与停止时均会造成滑移，故在床体形态下与普通床体对接将存在缝隙；还有一部分轮椅床采用充气轮两轮驱动，但在对接普通床体时需要多次调整姿态，效率低下，虽然上述两种轮椅床的设计方案可以满足功能基本要求，但会降低用户体验性，不符合服务机器人的设计初衷。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供了一种全向移动智能轮椅床的机械结构设计方案。该轮椅床具有可遥控全方位移动、自动升降扶手、自动形态转换及不平整地面行驶等功能。

设计了紧凑的床椅变形机构，床椅变形机构由背部、臀部、腿部、脚部和侧护栏五部分组成。首先，各个机构均使用电动机驱动，推杆电机进行往复运动，使得床体的形态自动转换，相比人力驱动降低了护理人的工作强度，增强了使用者独立操作性。其次，每组侧护栏均安装了四个线性滑块，约束侧护栏的自由度，防止运动过程中的晃动造成放在扶手上的手臂滑落，增强了用户的体验性。

为加强智能感知、全自动运行的二次开发，预留激光雷达、超声波和红外测距模块安装位置。该轮椅床的整体结构框架均由铝型材搭建，不仅降低制造成本，而且方便针对特殊人群的需求增加功能，利于平台的检修与更新，增强了互换性。

本发明所提供的机械结构解决方案为：独立悬挂-转向-驱动轮组通过两组摇臂和避震器两部分通过螺纹连接到底盘的正下方，同时两组摇臂的中心线平行构成四连杆机构；座椅架通过一根非标铝型材采用螺纹连接安装到底盘正上方，座椅架各部分采用铝型材组装并通过静音合页连接，通过与推杆电机组成三连杆机构，推杆电机的往复运动达到变形效果；侧扶手通过使用线性滑轨连接在底盘两侧，并通过底盘底部的两个推杆电机电动升降。

具体如下：

一种全向移动智能轮椅床，包括座椅架1、两个侧护栏2、四组独立悬挂-转向-驱动轮组3以及底盘4；底盘4用于为整个机构提供支撑；

座椅架1由背部框架11、臀部框架12、腿部框架13、脚部框架14、平行四连杆15、两个腿部推杆电机16、两个臀部推杆电机17、背部推杆电机18组成；背部框架11、臀部框架12、腿部框架13、脚部框架14依次两两连接，平行四连杆15连接臀部框架12与脚部框架14，使被连接的两部分始终保持平行；背部框架11与臀部框架12的连接侧与底盘4相固定，背部推杆电机18安装在底盘4上用于改变背部框架11的倾斜角度；臀部推杆电机17安装在底盘4上用于改变臀部框架12的倾斜角度；腿部推杆电机16固定在臀部框架12上用于调整腿部框架13的角度；

侧护栏2由两组线性轨道21、侧方推杆电机22和侧扶手23组成；线性轨道21平行安装在底盘4的侧面，线性轨道21的另一侧与侧扶手23相固定；安装在底盘4上的侧方推杆电机22与侧扶手23构成三连杆，通过两组线性轨道21的过约束，使得侧护栏2只能在竖直方向的自由度上运动；

独立悬挂-转向-驱动轮组3由悬挂机构31、转向机构32和驱动机构33组成；其中悬挂机构31由避震器固定座311、避震器312和两组摇臂机构313组成；避震器固定座311与上透盖325通过避震器312相连接，一组摇臂313连接了上透盖325与底盘4，第二组摇臂313连接了下透盖327与底盘4，两组摇臂313与上透盖325、下透盖327构成了四连杆机构，通过四连杆机构形变压缩避震器312起到避震效果；避震器固定座311固定在底座4上；

转向机构32外部由上透盖325、轴承座固定座326、下透盖327三部分构成，伺服电机321固定于透盖325并通过梅花联轴器322与置于轴承座固定座326内部的传动轴323连接；同时传动轴323通过两个深沟球轴承324与轴承固定座326相连接；

驱动机构33由轮毂电机驱动器331、轮毂电机332、传动法兰333和两个电机固定板334组成；转向机构32中的传动轴323与驱动结构33中传动法兰333固定连接，传动法兰333的两侧分别与电机固定板334固定连接，轮毂电机332集成了电机与轮胎；伺服电机321依次通过梅花联轴器322、传动轴323、传动法兰333、电机固定板334将驱动力作用于轮毂电机332上，用于改变行进方向；轮毂电机驱动器331控制轮毂电机332，用于控制轮毂电机332获得前进的驱动力。

有益效果

本发明设计了一种具有独立悬挂结构的驱动、转向轮组，同时具有四轮独立驱动、四轮独立转向、隔震效果显著等功能特点。首先，采用了驱动与转向机构的一体化设计，在保留轮组回转半径为零的全向移动性能同时，克服了麦克纳姆轮、福来轮的启停滑移、定位准确性差、轴线跳动等固有特性；其次，采用独立悬挂设计，该设计中的四连杆机构保证了轮胎与底盘相平行，使得轮椅床底盘能够克服不规整路面，同时在运动中保持四个轮组的压力相同，使得轮椅床具有良好的行驶稳定性、更低的期望轨迹偏差；再次，采用带有橡胶轮胎的轮毂电机作为驱动电机，不仅简化机械机构，同时安装方便。在地面行进中，噪声被降低的同时改善平顺性、舒适性和直行性，用户体验感更佳；同时，采用无刷伺服电机作为转向驱动，相比舵机驱动，不仅减小安装空间，而且转向过程更加平稳，在精确定位与高精度轨迹追踪下更加稳定。最后，该轮组结合机械传动、控制技术的同时也兼顾整体的平稳性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明与床体配对时的姿态示意图；

图3本发明变形时在行程范围内任意位置停止的示意图；

图4为本发明与床对接完成后的示意图；

图5为本发明的去除侧护栏2和独立悬挂-转向-驱动轮组3的结构示意图；

图6为本发明的去除座椅架1和单侧的侧扶手的结构示意图；

图7为本发明的独立悬挂-转向-驱动轮组3的主视图；

图8为本发明的独立悬挂-转向-驱动轮组3结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

参见图1、图2、图3，本发明设计应用于养老助残以及医疗护理行业的智能轮椅床,包括有座椅架1、两个侧护栏2、四组独立悬挂-转向-驱动轮组3、底盘4。

智能轮椅床的构成如下。座椅架1由背部框架11、臀部框架12、腿部框架13、脚部框架14、平行四连杆15、两个腿部推杆电机16、两个臀部推杆电机17、背部推杆电机18组成；每组侧护栏2由两组线性轨道21、侧方推杆电机22和侧扶手23组成；每组独立悬挂-转向-驱动轮组3由悬挂机构31、转向机构32和驱动机构33组成；底盘4由铝型材组成。

其中悬挂机构31由避震器固定座311、避震器312和两组摇臂机构313组成；转向机构32由伺服电机321、梅花联轴器322、传动轴323、两个深沟球轴承324、上透盖325、轴承固定座326和下透盖327组成；驱动机构33由轮毂电机驱动器331、轮毂电机332、传动法兰333和两个电机固定板334组成。

智能轮椅床的结构如下所述：以底盘4为基准，座椅架1中的一侧固定在底盘4的正上方，两个侧护栏2分别固定在底盘4的两侧，四组独立悬挂-转向-驱动轮组3与底盘4呈正方形结构相固定。

座椅架1结构如下所述：背部框架11、臀部框架12、腿部框架13、脚部框架14四部分通过静音合页连接。平行四连杆15通过静音合页连接臀部框架12与脚部框架14，使被连接的两部分始终保持平行，便于双脚的踩踏。背部框架11与臀部框架12的相邻侧与底盘4相固定。背部推杆电机18连接了底盘4和背部框架11，进而构成三连杆，背部推杆电机18的往复运动使背部框架11的倾斜角度改变。臀部推杆电机17连接了底盘4与臀部框架12，臀部推杆电机17的往复运动使得臀部框架12的倾斜角度也可改变。腿部推杆电机16的固定与上述两种电机略有不同，在臀部框架12改变倾斜角度时，为保证臀部框架12与腿部框架13不发生相对运动，故将腿部推杆电机16一侧固定在腿部框架13，另一侧固定在臀部框架12上，腿部推杆电机16的往复运动，可以调整腿部放置的角度，增加舒适感。

侧护栏2结构如下所述：两组线性轨道21平行安装在底盘4的侧面，线性轨道21的另一侧与侧扶手23相固定，侧方推杆电机22连接了底盘4与侧扶手23，进而构成三连杆，通过两组线性轨道21的过约束，使得侧护栏2只能在竖直方向的自由度上运动，侧方推杆电机22的往复运动也可使侧护栏2停在竖直任意位置上。

独立悬挂-转向-驱动轮组3中的各结构如下所述：

悬挂机构31结构如下所述：

避震器固定座311与上透盖325通过避震器312相连接，一组摇臂313连接了上透盖325与底盘4，第二组摇臂313连接了下透盖327与底盘4，两组摇臂313与上透盖325、下透盖327构成了四连杆机构，保证独立悬挂-转向-驱动轮组3与地面相垂直，当独立悬挂-转向-驱动轮组3经过不平整地面或者障碍时，四连杆机构产生形变，压缩避震器312，使得底盘具有良好的避震效果。

转向机构32结构如下所述：转向机构外部由上透盖325、轴承座固定座326、下透盖327三部分构成，这三部分通过螺纹连接。伺服电机321与透盖325相固定，梅花联轴器322连接了伺服电机321与传动轴323，梅花联轴器322减缓了伺服电机321输出轴的瞬时反向扭矩，同时调整了伺服电机321输出轴与传动轴323的同心度。轴承固定座326与传动轴323通过两个深沟球轴承324相连接，通过两个深沟球轴承324起到防止伺服电机321输出轴受到弯矩过大，同时还能传输伺服电机321的输出扭矩。

驱动机构33结构如下所述：转向机构32中的传动轴323与驱动结构33中传动法兰333固定连接，并通过传动法兰333的u型槽限定驱动机构32的z轴转动范围。传动法兰333的两侧分别与两个电机固定板334固定连接，两个电机固定板334固定在轮毂电机332两侧，轮毂电机332集成了电机与轮胎，通过轮毂电机驱动器331的控制，可以使独立悬挂-转向-驱动轮组3获得前进的驱动力。

底盘4结构如下所述：底盘4由多根铝型材搭建而成。轮毂电机驱动器331、电池盒41与底盘4固定。电池盒中放置一组大容量24v电池用于轮椅设备供电，并留有接口方便使用者对自身电子设备充电。在底盘上留有大量扩展空间，用于放置控制器、传感器以及其他二次开发元件。

对接过程如下所述：智能轮椅床通过四组独立悬挂-转向-驱动轮组3移动到床的附近，智能轮椅床上有搭载智能感知设备，可以自动监测对接过程，到达指定位置后，座椅架1开始变形，腿部推杆电机16进行伸长，使臀部框架12、腿部框架13、脚部框架14三部分处于同一平面，与此同时背部推杆电机18收缩，使其与地面平行。与此同时靠近床体部分的侧护栏2，通过侧方推杆电机22的收缩进而下降。变形完成后如图2所示，然后通过传感器自动完成智能轮椅床与床体的对接。