一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车的制作方法

本发明设计了一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车。方便了下肢残疾人驾驶员短途的出行需求及远程驾驶的需求，解决了从家至汽车之间最后一公里的出行问题。本发明属于车辆及交通技术领域。

背景技术：

随着车辆技术的不断发展，制造成本的不断降低，下肢残疾人的驾驶需求开始有更多的机会得以满足。以往残疾人的短途出行主要依靠轮椅，而远距离出行主要靠其他人的照料，或者使用辅助驾驶装置。由于小区、人行道、步行街等处的路面多为砖石路，同时存在路肩等障碍物，行驶工况复杂，因此一般的电动轮椅很难适应行驶路况。同时电动轮椅的舒适性及灵活性也较差，对于残疾人驾驶员来说同样存在较大的危险性。为替代轮椅，一些专利设计了残疾人车及四轮轮椅车。专利cn101589979b设计了一款轮椅车，其实现了原地转向等工况，提高灵活性，但是其仅有两个轮驱动而前轮随动，同时由于不存在悬架系统导致其行驶平顺性降低，同时不具有越障能力。

同时，近年来，一种称为福祉车的车辆逐渐发展起来。这种车辆一般由大型轿车改装而成。福祉车有照护式和自驾式两种。前者拆除座椅，设计斜坡结构方便轮椅进入，乘车时残疾人乘坐在轮椅上。一些福祉车则采用可自动升降的座椅，当残疾人到达车门口时座椅可探出车门外，方便其乘坐。后者驾驶员则可以通过辅助驾驶装置进行驾驶，即通过手来实现油门踏板及制动踏板的控制。专利201510804308.6提供了一种福祉车，该车可进行斜坡的伸出，轮椅的牵引及固定。专利201010507711.x提供了一种用于辅助残疾人驾驶的装置。可以看到，对于照护式福祉车，需要其他人的帮助下才能乘车，给他人造成负担，而自驾式的福祉车需要对车辆进行改装，使正常人无法进行驾驶而仅能残疾人驾驶，这造成了资源的一定浪费。

对于替代轮椅的残疾人车，其也属于交通车辆的范畴内。随着汽车行业技术的不断发展，线控技术的应用和研究越来越多。从实现功能的角度分析，由于线控技术取消了输入装置与执行机构之间的机械连接，可以实现对执行机构的精确控制，同时机械结构的取消可以大大的减少空间上的使用，提高车辆结构紧凑性，因此得到了广泛应用，并很适用于本发明的残疾人车。采用操纵杆作为控制机构具有较大的优越性。通过设置操纵杆，可以将转向、制动、驱动等系统输入集中到一起，对于残疾人驾驶员来说更为方便，同时也更有利于集成控制。

因此，本发明设计了一种基于平台稳定系统的残疾人车及配套福祉车。前者采用操纵杆作为输入，以方便肢体障碍驾驶员对车辆运动状态的控制。为了应对步行街及人行道上复杂而颠簸的路况，通过设计平台稳定系统对车身姿态进行调整，以提高车辆的平顺性，并具有一定的越障能力。采用线控转向、线控驱动、线控制动等技术，在可以实现对车辆执行机构直接精确控制的同时，减少了机械结构的使用，使结构更紧凑，在实现功能的同时大大减小了车辆的体积和质量。与已有的发明不同，后者设计的配套福祉车为解决正常人和残疾人只能一人驾驶、产生资源浪费的问题，设计该车可前后两个方向行驶，设计两套操纵结构。，在一种情况下残疾人车可直接进入福祉车中，通过有线结构与福祉车连接，直接通过残疾人车中的操纵杆对福祉车进行控制进行驾驶。在另一种情况下，残疾人车进入福祉车中乘坐，正常人对福祉车进行驾驶。

技术实现要素：

本发明设计了一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车。该残疾人车及配套福祉车不仅可以实现残疾人从家到福祉车这段距离的无障碍通行，同时所设计的福祉车集合了照护式福祉车与自驾式福祉车的优点，解决了已有自驾式福祉车正常人无法驾驶而造成的资源浪费的问题。

残疾人车由车身1、手动驾驶装置2、平台控制系统3、独立转向系统5、电机驱动系统4、轴传动系统7、集中式制动系统8、车轮总成6、车轮主动驱动系统17、电池9、双向加速度传感器10组成。该车具有三个车轮，考虑到行驶稳定性及结构干涉，设计其分布形式为底角65°的等腰三角形。前轮有两个，后轮有一个。残疾人驾驶员通过手动驾驶装置2对车辆进行操纵。车身1安装于平台控制系统3之上，通过对该系统的控制可以实现对车身1姿态的调整，以提升车辆的该舒适性，并具有一定的越障能力。驱动电机安装于平台控制系统3下端，将动力输入进轴传动系统7中。通过轴传动系统7对动力的大小及方向进行改变，最终输入车轮总成6中。三个车轮24均为驱动轮，在后轮处同时设置有车轮主动驱动系统17，以保证行驶动力性。集中式制动系统8安装于驱动电机与轴传动系统7之间，制动时在动力分开前施加制动力。独立转向系统5通过转向电机31对三个车轮的转角进行独立控制，在可以实现原地转向运动的同时，可以提高其操纵稳定性。

技术方案中所述的平台控制系统3由上平台11、多自由度连杆12、位移输入装置13、下平台14、连接弹簧15、位移传感器16组成。多自由度连杆12上端分别与上平台11通过铰链连接，下端与三个位移输入装置13相连接。位移输入装置13与下平台14相固连，为垂向布置。通过对位移输入装置13的位移进行控制，可以带动多自由度连杆12进而带动上平台11进行运动，使平台具有六个方向的自由度。由于残疾人车在行驶的过程中上平台11与下平台14在垂直方向始终有相对位移，为了减少位移输入装置13的能量损耗，通过连接弹簧15连接二者，以提供上平台11及下平台14之间的力传递。将位移传感器16与连接弹簧15并联连接，通过位移传感器16测量位移量，通过计算推算得到上平台11的状态，以便于对位移输入装置13进行控制。连接弹簧15与位移传感器16共有三组。当残疾人准备上下车时，控制车身下降，以方便残疾人上车。当车辆行驶至不平的颠簸路面时，通过控制平台控制系统3，保持车身水平防止颠簸。当车辆需要越障时，通过对车身姿态的调节使整车的重心向前或向后，以提高该过程的稳定性。当车辆上、下坡时，同样通过对整车重心的调节，改变座椅对残疾人驾驶员的作用力大小和方向，以提高驾驶员舒适性。

技术方案中所述的平台控制系统3的下平台14形状为，前半部分为圆心角85°的扇形，当残疾人车发生碰撞时，前半部分的扇形结构可以缓冲部分的冲击力，提高车辆的被动安全性。同时适当使残疾人车的重心前移，当残疾人车进行越障时可提高其稳定性。后半部分设计、为长600mm，宽300mm的长方形，主要考虑车身的安装及位置，并为电池9及双向加速度传感器10预留出空间。

技术方案中所述的独立转向系统5共有三套，分别独立控制三个车轮的转角，由转轴30及转向电机31组成。转向电机31固定于平台控制系统3的下平台14处，转轴30一端与下平台14连接，另一端与车轮总成6相连接。.当转向电机31旋转时，带动车轮总成6转动，以实现转向。在考虑轴传动系统7的约束限制下，三个车轮的设计转角范围可达到±60°，因此通过对转角的控制可实现车辆的原地转向运动，使车辆具有很高的灵活性，以应对小区或人行道上的复杂工况。

技术方案中所述的集中式制动系统8由电磁制动器组成；电磁制动器安装于驱动电机与轴传动系统7之间，通过对其进行控制，可以在动力分配前提供制动力，实现车辆的制动。

技术方案中所述的独立转向系统5及集中式制动系统8，当车辆处于上坡位置并需要停车时，为了节约能源，充分利用坡面的阻力，首先控制集中式制动系统8发挥作用，提供驻车制动力；而后，独立控制三个车轮的转角由0°分别到-58.5°、57.6°和55°；车轮转角变化结束后逐渐减少制动力，直到双向加速度传感器10测量得到极小的沿坡面向下的加速度时，反过来增加一部分制动力作为冗余。独立控制车轮转角的大小确定方法为，首先定义三个车轮24转角分别为θ1,θ2,θ3，前轮总成质量为m，后轮总成质量为m，车轮总成6沿斜面向下受力为f′，总的纵向力为fd，时间为t。由力学推导得到，fd＝f′(cosθ1+cosθ2+cosθ3)。为满足残疾人停在上坡位置不易下滑，确定优化目标：j＝minfd。确定约束条件为三个车轮横向位移和为0，即：

通过遗传算法进行优化，得到优化值θ1＝-1.0214，θ2＝1.0191，θ3＝0.9588。

技术方案中所述的驱动电机安装于平台控制系统3的下平台14处中间位置，驱动电机的动力输出端垂直向下布置，与下平台14下端的轴传动系统7相连接。

技术方案中所述的轴传动系统7共有三套，由主壳体18、主锥齿轮19，上锥齿轮20、上万向节21、传动轴22、下万向节23、下锥齿轮29、组成。主锥齿轮19与上锥齿轮20相啮合，安装于主壳体18中。驱动电机转动带动主锥齿轮19及三个上锥齿轮20转动，将动力分为三处；传动轴22两端连接有上万向节21及下万向节23，上万向节21与上锥齿轮20同轴连接，下万向节23与下锥齿轮29同轴连接；动力经上锥齿轮20依次传递至上万向节21、传动轴22、、下万向节23、下锥齿轮29，下锥齿轮29与车轮总成6相连接，将动力输入至车轮总成6处。通过万向节及传动轴22的设置使车辆在转向的过程中轴传动系统7不发生运动干涉。

技术方案中所述的车轮总成6共有三套，前轮处有两个，后轮处有一个，由从动锥齿轮28、下传动轴27、车轮主动锥齿轮26、车轮从动锥齿轮25、车轮主动驱动系统17，车轮24组成。三套车轮总成6均有的结构如下：其中的下锥齿轮29与从动锥齿轮28相啮合，将动力从轴传动系统7处传至车轮总成6处。从动锥齿轮28被下锥齿轮29带动旋转，带动下传动轴27和车轮主动锥齿轮26旋转。车轮主动锥齿轮26与车轮从动锥齿轮25相啮合且夹角为90°，车轮从动锥齿轮25与车轮24同轴安装，最终带动车轮24转动，使车辆行驶。与前轮相比较，特别的是，后轮车轮总成6处设计有车轮主动驱动系统17，与原有动力系统并联连接，采用双动力形式。当车辆直线行驶时，车轮主动驱动系统17不产生动力，仅靠驱动电机传来动力前进；当车辆上坡时，车轮主动驱动系统17产生驱动力以补充；当车辆越障如爬上路肩时，车轮主动驱动系统17产生驱动力；当车辆需要制动时，车轮主动驱动系统17提供反向力，以辅助制动。考虑到车轮主动驱动系统17的附加质量，设计车轮总成6的后轮部分与前轮部分的质量比值为2:1。

附图说明

附图给出了一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车示意图

图1是本发明一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车的残疾人车三维轴测图

图2是本发明一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车的残疾人车平台控制系统轴测图

图3是本发明一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车的残疾人车底盘系统轴测图

图4是本发明一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车的残疾人车底盘系统(除平台控制系统)的正视图

图5是本发明一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车的残疾人车直线运动时车轮模式示意图

图6是本发明一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车的残疾人车原地转向运动时车轮模式示意图

图7是本发明一种基于平台控制系统的残疾人车及配套福祉车的福祉车示意图

具体实施方式

参照附图1所示发明，所述基于平台控制系统3的残疾人车由车身1、手动驾驶装置2、平台控制系统3、独立转向系统5、电机驱动系统4、轴传动系统7、集中式制动系统8、车轮总成6、电池9、双向加速度传感器10组成。

参照附图1所示，车身1安装在平台控制系统3上，独立转向系统5位于平台控制系统3的三个顶点处，驱动电机位于平台控制系统3的中间位置。驱动电机垂直向下布置，与集中式制动系统8相连接。轴传动系统7位于集中式制动系统8下端，将动力分配至三个车轮总成6处。电池9位于平台控制系统3下端，用以提供电力。双向加速度传感器10安装于电池9上端，以采集车辆运动的加速度信号；

参照附图2所示，为残疾人车平台控制系统3的轴测图。平台控制系统3由上平台11、多自由度连杆12、位移输入装置13、连接弹簧15、位移传感器16、下平台14组成。上平台11的形状为等边三角形，下平台14的形状为前半部分为圆心角85°的扇形，后半部分为长600mm，宽300mm的长方形。下平台14处钻有孔，以通过驱动电机的输出端。多自由度连杆12共有三组，每组连杆由两个杆件通过铰链连接。多自由度连杆12的上端通过铰链与上平台11连接，下端与垂向布置的三个位移输入装置13相连接。位移输入装置13布置在下平台14的三个顶点处，与下平台14固连。通过控制位移输入装置13，可以使上平台11具有六个自由度的运动。连接弹簧15与位移传感器16并联共有三套，分别连接上平台11与下平台14。

参照附图3所示，为残疾人车底盘系统的轴测图。平台控制系统3位于最上方，轴传动系统7、独立转向系统5及车轮总成6均有三套，其布置形式为中心对称。电机驱动系统4与集中式制动系统8串联连接，而后输入到轴传动系统7中。后轮处安装有车轮主动驱动系统17。

参照附图4所示，为残疾人车底盘系统(除平台控制系统)的正视图。所示车轮总成为前轮部分。车轮总成的主锥齿轮19、上锥齿轮20及上万向节21安装于主壳体18之中。上锥齿轮20共有三个，与主锥齿轮19进行啮合，三个上锥齿轮20轴线在水平方向的投影夹角为60°。上万向节21连接传动轴22与上锥齿轮20。传动轴22的另一端连接下万向节23，下万向节23安装于车轮总成处，同时与下锥齿轮29相连接。下锥齿轮29与从动锥齿轮28相啮合，转轴30夹角为90°。通过万向传动装置的设计，使得当车辆进行转向时轴传动系统不发生干涉。从动锥齿轮28与下传动轴27、车轮主动锥齿轮26同轴安装，车轮主动锥齿轮26与车轮从动锥齿轮25啮合，且轴线夹角为90°。车轮从动锥齿轮25与车轮24同轴安装，即带动车轮24转动，实现车辆的运动。独立转向系统的转轴30连接车轮总成与平台控制系统，转向电机31安装在转轴30处，可带动转轴30旋转，进而带动车轮总成转动，实现转向过程。

参照附图5所示，为残疾人车车轮运动模式示意图。如图为车辆正常直线行驶时的车轮运动状态。

参照附图6所示，为残疾人车车轮运动模式示意图。如图为车辆原地转向时的车轮运动状态。

参照附图7所示，为残疾人车配套福祉车的车辆示意图。福祉车可前后双向行驶，具有两套驾驶系统，分别位于福祉车的两端，一套为可供正常人驾驶的系统，另一套为适用于本发明所设计的残疾人车的驾驶系统；供正常人驾驶系统的一端座位可180度旋转。