專利名稱：行星輪式爬樓梯電動輪椅的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明電動輪椅技術(shù)領(lǐng)域，是涉及一種通過直流電機驅(qū)動行星輪組來實現(xiàn)上下樓 梯功能的智能輪椅。
背景技術(shù)：
近年來，國內(nèi)外的許多公司、大學和研究機構(gòu)都對攀爬樓梯的助行系統(tǒng)進行了深 入的研究，也提出了各自的產(chǎn)品或解決方案。大體上說，輔助老年人或殘障者上下樓梯的助 行系統(tǒng)可以分為可自由移動和固定軌道式兩大類。其中，可自由移動的助行系統(tǒng)的種類較 多，其特點是單臺成本較低，一般不需要對樓梯環(huán)境進行特殊改造，對室內(nèi)和室外不同樓梯 的適應(yīng)能力較強，但技術(shù)尚需進一步成熟，大多需要有人員輔助。根據(jù)其實現(xiàn)上下樓梯的 運動方式不同，可自由移動式助行系統(tǒng)又可分為腿足式、履帶式、行星輪式、腿輪復合式、履 帶-輪復合式、曲柄式等等。典型的腿足式是由8個能夠升降和平移的2自由度腿足構(gòu)成，4個腿足為一組，兩 組交替升降和平移，推動輪椅整體完成上下樓梯的動作。由于這種多足式的方案結(jié)構(gòu)復雜， 運動緩慢，體積笨重，所以已經(jīng)基本上被淘汰。例如東京早稻田大學設(shè)計的WL-16RII和豐 田公司的iFoot。采用履帶式行走機構(gòu)的方案分為兩種。一種是直接用履帶代替輪椅的前后輪，履 帶與輪椅一體，例如布拉德·索頓發(fā)明的坦克輪椅，使用兩條類似坦克的履帶，具有全地形 行走能力；另一種是獨立的履帶驅(qū)動裝置，帶有方便輪椅進入固定的框架，使用時先將普通 輪椅固定于框架中，由輔助人員操作完成輪椅的上下樓。這兩種結(jié)構(gòu)的原理基本相同，后者 已經(jīng)有歐洲、日本、臺灣和意大利的廠家生產(chǎn)出了輪椅爬樓車的產(chǎn)品。例如德國PERFEKTA 公司的上下樓梯電動輪椅車，采用履帶式傳動，自重42kg，可爬樓梯的最大坡度為35度。這 種輪椅車除了可以單獨使用外，還可以作為普通輪椅的搬運工具，直接把輪椅放在上面上 下樓梯。履帶式的優(yōu)點在于操作簡單，傳動效率比較高，足夠長的履帶可以避免輪椅發(fā)生傾 翻。在上下樓梯過程中，助行系統(tǒng)的重心沿著與樓梯臺階沿的連線相平行的直線運動，運動 平穩(wěn)，舒適性好。但由于履帶與樓梯的邊緣的線接觸要承受所有垂直方向的力，橡膠履帶要 提供極高的摩擦系數(shù)以保持平衡，這對履帶材料的摩擦系數(shù)、耐疲勞和耐磨能力均提出了 較高要求。此外，履帶式結(jié)構(gòu)往往重量尺寸較大，而且對于木質(zhì)樓梯或其他強度不高的樓 梯，履帶在攀爬時的摩擦力會對樓梯本身造成嚴重的破壞。國內(nèi)外提出過各種改進機構(gòu)，其中一種是輪-履帶混合機構(gòu)的助行系統(tǒng)，它在 平地行走時利用輪式機構(gòu)，上下樓梯時輪子抬起，放下履帶機構(gòu)進行工作。這種機構(gòu)雖 然改善了平地行走的效率問題，但是仍然無法解決履帶結(jié)構(gòu)上述體型較為笨重、損壞樓 梯等問題，而由于多加了一套驅(qū)動和抬起機構(gòu)，反而使結(jié)構(gòu)變得復雜。此外還有一種 XEVIUS(Xero-ViscousUpstair Service)可變形履帶，可以增大履帶與臺階邊緣的接觸面 積，從而在理論上避免滑動。但這種履帶對材料的要求更高，尚未得到推廣應(yīng)用。行星輪式結(jié)構(gòu)通過每個行星輪組(一般為3個或4個)繞公共軸的翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)上下樓梯，可分為單行星輪和雙行星輪兩種。所謂單行星輪，指的是水平面上配置有一對完全 相同的行星輪組，雙行星輪則是指前后共有兩對相同的行星輪組。其中單行星輪形式需要 另外設(shè)計維持平衡的結(jié)構(gòu)，或者由其他人員來輔助操作。行星輪式的優(yōu)點是可以適應(yīng)不同寬度和高度的樓梯，在無障礙模式下可以作為普 通輪椅應(yīng)用，結(jié)構(gòu)簡潔，重量輕(與履帶式相比)。英國的BAR0NMEAD上下樓梯電動輪椅車 采用單行星輪結(jié)構(gòu)，可在平地自由運行，還可拆卸為兩部分，便于裝運。這種單行星輪式結(jié) 構(gòu)的缺點在于上下樓梯時必須有人輔助，沒有很好地解決安全性問題。日本的“Freedom” 輪椅是雙行星輪式的一個典型例子。“Freedom”的驅(qū)動系統(tǒng)由前后兩組共4個行星輪組組 成，每個行星輪組有4個輪子，其前面的輪組可以通過鉸鏈連桿機構(gòu)向前向下伸出，很好地 解決了上下樓梯時的姿態(tài)平衡問題。但由于總共需要16個輪子，結(jié)構(gòu)復雜，體積較大，寬度 達820mm，重量超過100kg。美國著名發(fā)明家迪恩·卡門發(fā)明的“獨立機動系統(tǒng)”(iBOT)是目前星型輪機構(gòu) 助行系統(tǒng)中較獨特、性能指標最高的產(chǎn)品，目前最新的型號為iB0T4000，已經(jīng)在歐美上市。 iBOT通過復雜的陀螺儀系統(tǒng)來保持平衡。在上下樓梯時，乘坐者背對樓梯，在有人輔助或者 可以通過扶手借力的情況下，通過行星輪組的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)攀爬功能。iBOT的一個獨特之處在 于可以僅以兩輪著地的“站立”模式(standing mode)，方便乘坐者與其他人目光交流或取 放高處架子的物品。此時，系統(tǒng)進入倒立擺控制模式，根據(jù)重心變化及時做出調(diào)整，所以又 稱為COG modification系統(tǒng)。iBOT具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便等諸多優(yōu)點，但也存在突發(fā)情 況下的瞬時穩(wěn)定性問題。而最主要的問題是成本較高，售價昂貴(近30，000美元)，對于普 通的殘疾人家庭來說只能望而卻步。Parris Wellman等提出了一種腿輪復合式結(jié)構(gòu)，其主要特征是在輪椅的兩側(cè)各安 裝了一個三自由度的活動支腿。在攀爬樓梯時，乘坐者面向樓梯，由活動支腿提供向上的支 撐力抬起前輪，后輪向前滾動完成攀爬動作。而在平地行走時，這兩個支腿可以折疊收起。 這種方案比較新穎，也可以完成攀爬的動作，但大大增加了輪椅傾翻的危險，對乘坐者的人 身安全沒有提供很好的保障。此外，Jianjun Yuan等設(shè)計的kro Carrier I型輪椅對傳統(tǒng)的腿足式進行改進， 采用8個可以在垂直方向伸縮滑動的腿，每個腿的下面安裝一個腳輪。這種結(jié)構(gòu)由于腳輪 尺寸太小，并不適于作為普通輪椅使用。西班牙的R. Morales等提出了一種新型的腿輪復 合式結(jié)構(gòu)前后輪通過四連桿機構(gòu)與輪椅本體連接，借助輪椅后部的一根架桿撐住樓梯，四 連桿機構(gòu)可以帶動輪子完成攀爬動作。作者稱該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，制作成本低，可負重100kg， 并且在無障礙情況下作為普通輪椅使用。但該系統(tǒng)的安全性未經(jīng)過驗證，目前僅是實驗室 樣機，市場上并無相關(guān)產(chǎn)品。日本ToshihikoMabuchi等人提出的karab結(jié)構(gòu)(雙輪+2自 由度伸縮腿)，以及奧地利G. Wiesspeiner等人提出的GS2/3系列結(jié)構(gòu)G個輪子+3個腿) 也都屬于腿輪復合式結(jié)構(gòu)，其共有的缺點是結(jié)構(gòu)過于復雜，技術(shù)不成熟，難于形成市場化產(chǎn) 品。因此，現(xiàn)有行星輪爬樓梯方案往往結(jié)構(gòu)復雜，或不能很好解決安全性問題。曲柄式的結(jié)構(gòu)特點是在兩個驅(qū)動輪之間增加一個曲柄，利用曲柄的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)輪椅 上下樓梯的動作。由于這種機構(gòu)實現(xiàn)簡單，運動部件少，所以得到了較廣泛的應(yīng)用。曲柄機 構(gòu)既可以集成到普通電動輪椅上，也可以獨立作為輔助爬樓機構(gòu)，用以載運大部分的手動 輪椅。比較典型的有Garaventa Super-Trac輪椅爬樓車、奧地利sano生產(chǎn)的Liftkar PT系列和英國C-max/S-max系列產(chǎn)品。Frank mobility system公司的scalamobile雖然采 用驅(qū)動輪代替普通曲柄完成攀爬，但也屬于這種結(jié)構(gòu)的一種改型。這種方案的主要優(yōu)點是體積小，便于運輸，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是在保證系統(tǒng)的 安全性上并無優(yōu)勢，上下樓梯需要有經(jīng)過專業(yè)培訓的人進行輔助。此外，這種結(jié)構(gòu)通常使用 機械結(jié)構(gòu)的制動輪來感知樓梯邊緣，并進行制動。這種制動方法在表面凹凸不平的樓梯表 面容易發(fā)生鎖死，難于操作。通過比較上述各種方案可知，安全性是解決輪椅上下樓梯助行系統(tǒng)的關(guān)鍵所在， 同時要兼顧制作成本和輪椅的體積重量。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)方案復雜、尺寸及重量過大、損壞樓梯結(jié)構(gòu)、成本高、安全 性不好等問題，本發(fā)明的目的是選用結(jié)構(gòu)簡潔、容易操作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式，在保證攀爬動作 的安全性的基礎(chǔ)上，有效控制成本和體積。此外，在實現(xiàn)爬樓梯功能的前提下，還能夠作為 普通電動輪椅和手動輪椅使用。為此，本發(fā)明提供一種基于行星輪的具有上下樓梯功能的 電動輪椅。為達到上述目的，本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅解決技術(shù)問題所采用的方案包 括輪椅框架、座椅靠背、電動輪椅控制器、電池、小腳輪、前輪組件，所述輪椅框架含有縱向 彎管、前部橫桿、橫桿、下部橫桿、后下部立管、后部立管、前部短立管、固定支架和側(cè)面連接 板和輪椅扶手；還包括電動推桿、防前傾支架、爬樓梯控制器、調(diào)心滾子軸承與軸承座、導電 滑環(huán)、連接盤、輪軸固定件、兩個傳動軸、直流翻轉(zhuǎn)電機、RV減速器、兩個壓力傳感器、控制 盒、傾角傳感器及兩個對稱分布的行星輪組；其中兩個行星輪組中的每個行星輪組由法蘭 盤、一個輪轂電機和兩個自由輪構(gòu)成，每個輪轂電機和兩個自由輪通過螺母以及輪軸固定 件分別與法蘭盤的三個星形分支的末端連接，連接盤與法蘭盤通過圓周分布的螺釘連接； 輪轂電機的電源線通過套裝于傳動軸上的導電滑環(huán)引出并與電動輪椅控制器電氣連接；直 流翻轉(zhuǎn)電機與RV減速器連接并通過螺釘固定于輪椅框架上，RV減速器的輸出孔分別與兩 個對稱分布的傳動軸通過鍵相連，傳動軸的末端部通過鍵連接與法蘭盤相連，傳動軸的另 一端由調(diào)心滾子軸承與軸承座支撐，軸承座固定于輪椅框架的側(cè)面連接板上；直流翻轉(zhuǎn)電 機的線纜與控制盒相連，直流翻轉(zhuǎn)電機輸出的扭矩通過RV減速器放大后，驅(qū)動兩個行星輪 組翻轉(zhuǎn)，用以實現(xiàn)行星輪式爬樓梯電動輪椅上下樓梯的功能；輪椅框架的前部有防前傾支 架，防前傾支架的一端與輪椅框架的底部縱向彎管鉸接，防前傾支架的中部與電動推桿的 活動端鉸接，并由電動推桿的伸縮來控制防前傾支架的張開或收起；電動推桿的固定端與 輪椅框架前部的橫桿鉸接，電動推桿的線纜與控制盒相連；在橫桿上安裝有爬樓梯控制器， 爬樓梯控制器通過線纜與控制盒相連，用于在爬樓梯模式下行星輪組的翻轉(zhuǎn)和電動推桿的 動作；輪椅靠背上安裝有兩個壓力傳感器，RV減速器上端面安裝有傾角傳感器，兩組壓力 傳感器和傾角傳感器都與控制盒通過線纜相連，用于檢測行星輪式爬樓梯電動輪椅 上下樓梯時的工作狀態(tài)；控制盒安裝于輪椅框架后下部的立管上。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明通過直流電機驅(qū)動行星輪組來實現(xiàn)上下樓梯功能的智能輪椅，輪轂電機的 電源線通過電滑環(huán)與控制器相連，可以避免行星輪組翻轉(zhuǎn)造成線纜纏繞。行星輪式爬樓梯電動輪椅可以有手動模式、電動輪椅模式和爬樓梯模式三種工作狀態(tài)，兼有平路行走和攀 爬樓梯兩種功能。其中在爬樓梯模式下，通過控制直流翻轉(zhuǎn)電機驅(qū)動法蘭盤和行星輪組，可 以在有人輔助的情況下實現(xiàn)樓梯攀爬的功能。同時，安裝于行星輪式爬樓梯電動輪椅前部 的電動推桿驅(qū)動防前傾支架張開，可以防止行星輪式爬樓梯電動輪椅發(fā)生意外傾倒。壓力 傳感器和傾角傳感器的采用，使得操作者可以更好地了解行星輪式爬樓梯電動輪椅工作狀 態(tài)，并使控制方案最優(yōu)，更好地保證乘員安全。行星輪式爬樓梯電動輪椅具有很好的環(huán)境適 應(yīng)能力，能夠在進行上下樓梯操作時有效保證乘員的安全。行星輪式爬樓梯電動輪椅的結(jié) 構(gòu)簡潔緊湊，可有多種工作模式，其尺寸和重量與普通電動輪椅相近，其生產(chǎn)成本也相對較 低，且對樓梯環(huán)境無破壞，可廣泛應(yīng)用于殘障人士的日常家庭生活、養(yǎng)老院等公共場合或普 通家庭。


圖1是本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅的正視圖。圖2是本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅的側(cè)視圖。圖3是圖2本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅傳動軸軸線位置A-A向剖面圖。圖4是本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅的框架圖。圖5是本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅控制系統(tǒng)框圖。圖6a是本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅的電動輪椅控制器的控制流程圖。圖6b是本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅的爬樓梯控制器的控制流程圖。圖7是本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅在攀爬樓梯時的使用示例圖片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。本發(fā)明是一種行星輪式爬樓梯電動輪椅，涉及助老助殘機械技術(shù)。在附圖1至圖3中示出本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅，包括輪椅框架1、座椅靠 背2、電動輪椅控制器3、電池5、小腳輪7、前輪組件8，其特征在于還包括電動推桿4、防前 傾支架6、爬樓梯控制器11、調(diào)心滾子軸承與軸承座12、導電滑環(huán)13、連接盤15、輪軸固定件 16、兩個傳動軸17、直流翻轉(zhuǎn)電機18a、RV減速器18b、壓力傳感器19a和19b、控制盒20、傾 角傳感器21及對稱分布的兩個行星輪組；圖4示出的輪椅框架1包括縱向彎管la、前部橫 桿lb、橫桿lc、下部橫桿Id、后下部立管le、后部立管If、前部短立管lg、固定支架Ih和側(cè) 面連接板Ii和輪椅扶手Ij ；兩個行星輪組中的每個行星輪組由法蘭盤14、一個輪轂電機9 和兩個自由輪10構(gòu)成，每個輪轂電機9和兩個自由輪10通過螺母以及輪軸固定件16分別 與法蘭盤14的三個星形分支的末端1 連接，連接盤15與法蘭盤14通過圓周分布的螺釘 連接；輪轂電機9的電源線通過套裝于傳動軸17上的導電滑環(huán)13引出并與電動輪椅控制 器3電氣連接；直流翻轉(zhuǎn)電機18a與RV減速器18b連接并通過螺釘固定于輪椅框架1上， RV減速器18b的輸出孔分別與兩個對稱分布的傳動軸17通過鍵相連，傳動軸17的末端部 通過鍵連接與法蘭盤14相連，傳動軸17的另一端由調(diào)心滾子軸承與軸承座12支撐，軸承 座12固定于輪椅框架1的側(cè)面連接板Ii上；直流翻轉(zhuǎn)電機18a的線纜與控制盒20相連， 直流翻轉(zhuǎn)電機18a輸出的扭矩通過RV減速器18b放大后，驅(qū)動兩個行星輪組翻轉(zhuǎn)，用以實現(xiàn)行星輪式爬樓梯電動輪椅上下樓梯的功能；輪椅框架1的前部有防前傾支架6，防前傾支 架6的一端與輪椅框架1的底部縱向彎管Ia鉸接，防前傾支架6的中部與電動推桿4的活 動端鉸接，并由電動推桿4的伸縮來控制防前傾支架6的張開或收起；電動推桿4的固定端 與輪椅框架1前部的橫桿Ib鉸接，電動推桿4的線纜與控制盒20相連；在橫桿Ic上安裝 有爬樓梯控制器11，爬樓梯控制器11通過線纜與控制盒20相連，用于在爬樓梯模式下行星 輪組的翻轉(zhuǎn)和電動推桿4的動作；輪椅靠背2上安裝有壓力傳感器19a、19b，RV減速器18b 上端面安裝有傾角傳感器21，壓力傳感器19a、19b和傾角傳感器21都與控制盒20通過線 纜相連，用于檢測行星輪式爬樓梯電動輪椅上下樓梯時的工作狀態(tài)；控制盒20安裝于輪椅 框架1后下部的立管Ie上。實施例，輪椅框架1由空心鋼管焊接而成，前部寬度495mm，后部寬度200mm，為兩 側(cè)縮進式結(jié)構(gòu)。座椅靠背2固定于輪椅框架1的后部立管If上，前輪組件8固定于輪椅框 架1的前部短立管lg，此處與普通輪椅相同。電池5通過固定支架Ih(在電池下)固定于 輪椅框架1的前部。直流翻轉(zhuǎn)電機18a及RV減速器18b用螺釘固定于輪椅框架1后下部 橫桿Id上，RV減速器18b的輸出孔分別與左右兩側(cè)對稱分布的傳動軸17通過鍵連接。以 下行星輪部分僅示出一側(cè)結(jié)構(gòu)，對側(cè)相同不再贅述。傳動軸17的另一端由調(diào)心滾子軸承與 軸承座12提供支撐，軸承座12固定于輪椅框架1的側(cè)面連接板Ii上。在傳動軸17上安 裝有一個導電滑環(huán)13，導電滑環(huán)13連接輪轂電機9和電動輪椅控制器3的導線，避免在爬 樓梯時由于行星輪組的翻轉(zhuǎn)而發(fā)生纏繞。傳動軸17的末端與連接盤15通過鍵連接，連接 盤15與法蘭盤14通過圓周分布的螺釘連接。法蘭盤14的三個分支頂端分別與一個輪轂 電機9和兩個自由輪10通過螺母與輪軸固定件16連接。防前傾支架6與輪椅框架1鉸接 于直流翻轉(zhuǎn)電機18下部的縱向彎管Ia上，其中間約1/3長度位置與電動推桿4的活動端 鉸接，電動推桿4的固定端鉸接于輪椅框架1的橫桿Ib上，小腳輪7通過螺釘安裝于防前 傾支架6的末端。電動輪椅控制器3用螺釘安裝于輪椅框架1的右側(cè)扶手的前端，并通過 線纜與輪轂電機9和電池5電氣連接。爬樓梯控制器11用螺釘安裝與座椅靠背2上方的 橫桿Ic中部，并通過線纜與控制盒20電氣連接，控制盒20通過線纜分別與直流翻轉(zhuǎn)電機 18、電動推桿4、壓力傳感器19a、19b、傾角傳感器21以及電池5電氣連接。如圖5所示行星輪式爬樓梯電動輪椅控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中包括電動輪椅控 制器3和爬樓梯控制器11結(jié)構(gòu)框圖，整個電動輪椅控制器3和爬樓梯控制器11由電池5 提供能量，電池5可以采用蓄電池，根據(jù)所處環(huán)境不同選擇電動輪椅模式或爬樓梯模式，并 由電動輪椅工作模式和爬樓梯電動輪椅模式具有的兩套獨立控制器分別完成。行星輪組的工作模式為爬樓梯模式、電動輪椅模式和手動輪椅模式，根據(jù)所處環(huán) 境不同選擇電動輪椅模式或爬樓梯模式。傳動軸17以調(diào)心滾子軸承12作為支撐，用于適應(yīng)輪椅框架1結(jié)構(gòu)的加工誤差。在輪椅扶手Ij安裝有電動輪椅控制器3，用于在電動輪椅模式下的驅(qū)動控制功 能。由電動輪椅控制器3和爬樓梯控制器11由電池5提供能量，電動輪椅控制器3控 制每個輪轂電機9，根據(jù)所處環(huán)境不同選擇電動輪椅模式或爬樓梯模式如下所述電動輪椅控制器3實現(xiàn)電動輪椅模式，電動輪椅控制器3的結(jié)構(gòu)包括搖桿31、 按鍵32、速度顯示器33、電量顯示器34、人機交互接口 35、第一電源模塊36，第一中控模塊DSP1、故障診斷37、第一驅(qū)動模塊38 ；第一中控模塊DSPl由軟件實現(xiàn)人機交互操作，對第一 電源模塊36進行管理、對人機交互接口 35的輸入信號進行計算得到平滑控制曲線、向第一 驅(qū)動模塊38發(fā)送控制指令；第一電源模塊36對電池5的電量管理；人機交互接口模塊35 接收搖桿31、按鍵32的輸入信號，并由速度顯示器33、電量顯示器34顯示行星輪式爬樓梯 電動輪椅設(shè)定速度和當前電量；第一驅(qū)動模塊38通過脈寬調(diào)制式(PWM)驅(qū)動每個輪轂電機 9 ；故障診斷模塊37對搖桿31的控制信號、驅(qū)動每個輪轂電機9的電流、電動輪椅控制器3 的溫度狀態(tài)進行實時故障檢測；由爬樓梯控制器11實現(xiàn)爬樓梯輪椅模式，爬樓梯控制器11的結(jié)構(gòu)包括運行狀態(tài) 顯示燈111、推桿伸縮控制按鍵112、電機翻轉(zhuǎn)控制按鍵113、第二電源模塊114，第二中控模 塊DSP2、第二驅(qū)動模塊115 ；第二中控模塊通過A/D接口電路接收推桿伸縮控制按鍵112、 電機翻轉(zhuǎn)控制按鍵113的輸入信號，運行狀態(tài)顯示燈111顯示行星輪式爬樓梯電動輪椅當 前運行狀態(tài)并根據(jù)行星輪式爬樓梯電動輪椅運行狀態(tài)和操作者輸入的控制指令，由控制算 法生成控制指令向第二驅(qū)動模塊115發(fā)送相應(yīng)控制信號，第二驅(qū)動模塊115內(nèi)部的功率放 大電路對控制信號進行放大，并輸出放大的控制信號，驅(qū)動電動推桿4伸出或縮回，或者直 流翻轉(zhuǎn)電機18a的正、反向的翻轉(zhuǎn)；第二電源模塊114為爬樓梯控制器11的各控制電路提 供5v、3. 3v及各檔電壓；壓力傳感器19a和19b將壓力信號傳送至控制盒20內(nèi)的第二中控 模塊DSP2，經(jīng)第二中控模塊DSP2對壓力信號做A/D轉(zhuǎn)換后，通過算法判斷乘員的姿態(tài)是否 安全；傾角傳感器21直接輸出角度值，并通過RS232串口與控制盒20相連，實時反饋行星 輪式爬樓梯電動輪椅相對水平面的傾角。在電動輪椅模式下，電動輪椅控制器3的結(jié)構(gòu)包括搖桿31、按鍵32、速度顯示器 33、電量顯示器34、人機交互接口 35、第一電源模塊36，第一中控模塊DSP、故障診斷37、第 一驅(qū)動模塊38 ；電動輪椅控制器3控制左側(cè)的輪轂電機及右側(cè)的輪轂電機9。第一中控模 塊DSPl的主控芯片采用TI公司的面向數(shù)字控制的高性能數(shù)字信號處理器TMS320LFM06 為核心，并由相應(yīng)軟件實現(xiàn)人機交互操作，對第一電源模塊36進行管理、對人機交互接口 模塊35的信號進行計算得到平滑控制曲線、向第一驅(qū)動模塊發(fā)送控制指令功能。第一電源 模塊36完成電池5的電量管理。人機交互接口模塊35接收搖桿31、按鍵32的輸入信號， 并由速度顯示器33、電量顯示器34顯示當前電量和行星輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)定速度。第 一驅(qū)動模塊通過脈寬調(diào)制(PWM)方式驅(qū)動左側(cè)的、右側(cè)的輪轂電機9。故障診斷模塊37對 控制搖桿31控制信號、驅(qū)動左側(cè)、右側(cè)的輪轂電機9的電流、電動輪椅控制器3的溫度狀態(tài) 進行實時故障檢測。在爬樓梯輪椅模式下，爬樓梯控制器11的結(jié)構(gòu)包括運行狀態(tài)顯示燈111、推桿伸 縮控制按鍵112、電機翻轉(zhuǎn)控制按鍵113、第二電源模塊114，第二中控模塊DSP、第二驅(qū)動 模塊115、壓力傳感器、傾角傳感器、電動推桿及直流翻轉(zhuǎn)電機。第二中控模塊DSP由DSP TMS320LF2407A和相應(yīng)軟件實現(xiàn)，通過A/D接口電路接受爬樓梯控制器11控制收推桿伸縮 控制按鍵112、電機翻轉(zhuǎn)控制按鍵113的輸入信號，運行狀態(tài)顯示燈111顯示行星輪式爬樓 梯電動輪椅當前運行狀態(tài)并根據(jù)行星輪式爬樓梯電動輪椅運行狀態(tài)和操作者輸入的控制 指令，由控制算法生成控制指令，并向第二驅(qū)動模塊發(fā)送相應(yīng)控制信號，第二驅(qū)動模塊115 內(nèi)部的功率放大電路將對控制信號進行放大，并輸出放大的控制信號，驅(qū)動電動推桿4伸 出或縮回，或者直流翻轉(zhuǎn)電機18a的正、反向的翻轉(zhuǎn)。第二電源模塊114為爬樓梯控制器11的各控制電路提供5v、3. 3v等各檔電壓。壓力傳感器19a和19b將壓力信號傳送至控制盒 20內(nèi)的第二中控模塊DSP2，經(jīng)第二中控模塊DSP2對壓力信號做A/D轉(zhuǎn)換后，通過算法判斷 乘員的姿態(tài)是否安全。傾角傳感器21直接輸出角度值，并通過RS232串口與控制盒20相 連，實時反饋行星輪式爬樓梯電動輪椅相對水平面的傾角。圖5所示本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅控制系統(tǒng)框圖及圖7所示行星輪式爬樓 梯電動輪椅在攀爬樓梯時的一個應(yīng)用實例圖片。在遇到樓梯障礙時，首先由輔助人員通過 爬樓梯控制器11控制電動推桿4伸出，使得防前傾支架6張開；防前傾支架6將行星輪式 爬樓梯電動輪椅前端抬起，使乘坐者后仰至特定角度停止并固定。輔助人員站在后方扶住 行星輪式爬樓梯電動輪椅，直流翻轉(zhuǎn)電機18a通過傳動軸17、連接盤15驅(qū)動法蘭盤14，帶 動行星輪組交替翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)行星輪式爬樓梯電動輪椅的上下樓梯功能。在上下樓梯過程中， 防前傾支架6始終保持張開狀態(tài)，從而在行星輪式爬樓梯電動輪椅發(fā)生突然前傾危險時起 到支撐和保護功能。在爬樓梯模式下，行星輪式爬樓梯電動輪椅以直流翻轉(zhuǎn)電機18a、作為驅(qū)動力，經(jīng) RV減速器18b輸出后驅(qū)動兩個行星輪組繞傳動軸翻轉(zhuǎn)，使得安裝上述機構(gòu)的行星輪式爬樓 梯電動輪椅可以在有人輔助時實現(xiàn)上下樓梯的功能。同時，防前傾支架6可以避免發(fā)生意 外跌落。在電動輪椅模式下，行星輪輪組中的輪轂電機9接觸地面，行星輪式爬樓梯電動輪 椅可以在電動輪椅控制器3控制下作為普通電動輪椅使用，實現(xiàn)在較平整路面的啟動、停 止和加減速驅(qū)動。在手動模式下，行星輪式爬樓梯電動輪椅可以自由推動。本發(fā)明的行星 輪式爬樓梯電動輪椅控制系統(tǒng)實現(xiàn)了日常行走和樓梯攀爬兩種功能。圖6a是本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅的電動輪椅控制器的控制流程圖，第一 中控模塊DSPl采用面向數(shù)字控制的數(shù)字信號處理器作為主控芯片，并通過軟件控制算法， 實現(xiàn)電動輪椅的功能。具體步驟如下步驟Sl 電動輪椅控制器3進入電動輪椅模式；步驟S2 行星輪式爬樓梯電動輪椅控制系統(tǒng)初始化；步驟S3 定時器/中斷初始化；步驟S4 由故障診斷模塊37檢測按鍵、搖桿31狀態(tài)是否正常？如果按鍵、搖桿31 狀態(tài)正常，執(zhí)行步驟S5，如果按鍵、搖桿31狀態(tài)不正常，執(zhí)行步驟步驟S6 ；步驟S5 由速度顯示33和電量顯示34顯示電池5的電量及初始速度檔位；步驟S6 行星輪式爬樓梯電動輪椅系統(tǒng)掛起并報警；步驟S7 判斷是否有按鍵32輸入信號。如果有按鍵32輸入信號，則執(zhí)行步驟S8， 如果沒有按鍵輸入信號，則執(zhí)行步驟S9 ；步驟S8 設(shè)定速度檔位并更新顯示；步驟S9 判斷是否有搖桿31輸入。如果有搖桿31輸入信號，則執(zhí)行步驟S10，如 果沒有按鍵輸入信號，則執(zhí)行步驟S7 ；步驟SlO 發(fā)出前進、后退或轉(zhuǎn)彎控制指令并執(zhí)行步驟S7。圖6b是本發(fā)明行星輪式爬樓梯電動輪椅的爬樓梯控制器的控制流程圖。第二中 控模塊DSP2采用面向數(shù)字控制的數(shù)字信號處理器作為主控芯片，以傾角、壓力等傳感器作 為系統(tǒng)狀態(tài)反饋，通過軟件安全控制算法，實現(xiàn)爬樓梯輪椅的功能。
具體步驟如下步驟Tl 電動輪椅控制器3進入爬樓梯輪椅模式；步驟T2 行星輪式爬樓梯輪椅控制系統(tǒng)初始化；步驟T3 定時器/中斷初始化；步驟T4 由第二中控模塊DSP檢測各傳感器狀態(tài)是否正常。如各傳感器狀態(tài)正常， 則執(zhí)行步驟T6 ；如果各傳感器狀態(tài)有異常，則執(zhí)行步驟T5 ；步驟T5 行星輪式爬樓梯電動輪椅系統(tǒng)掛起并報警；步驟T6 置運行狀態(tài)顯示燈111為綠色；步驟T7 判斷推桿伸縮控制按鍵112是否按下。如已按下，則執(zhí)行步驟T8 ；如尚未 按下，則重復步驟T7;步驟T8:由第二中控模塊DSP發(fā)出控制指令，經(jīng)由第二驅(qū)動模塊115功率放大后， 驅(qū)動電動推桿4伸出；步驟T9 判斷電機翻轉(zhuǎn)控制按鍵113是否按下。如已按下，則執(zhí)行步驟TlO ；如尚 未按下，則執(zhí)行步驟Tll ；步驟TlO 檢測各傳感器狀態(tài)是否正常。如各傳感器狀態(tài)正常，則執(zhí)行步驟T12，否 則執(zhí)行步驟Tll ；步驟Tll 由第二中控模塊DSP發(fā)出控制指令，使直流翻轉(zhuǎn)電機18a處于制動狀 態(tài)；步驟T12 由第二中控模塊DSP發(fā)出控制指令，經(jīng)由第二驅(qū)動模塊115功率放大 后，驅(qū)動直流翻轉(zhuǎn)電機18a正向或反向旋轉(zhuǎn)。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種行星輪式爬樓梯電動輪椅，其特征在于包括輪椅框架(1)、座椅靠背O)、電 動輪椅控制器(3)、電池(5)、小腳輪(7)、前輪組件(8)，所述輪椅框架(1)含有縱向彎管 (Ia)、前部橫桿(Ib)、橫桿(Ic)、下部橫桿(Id)、后下部立管(Ie)、后部立管(If)、前部短立 管(Ig)、固定支架(Ih)和側(cè)面連接板(Ii)和輪椅扶手(Ij)；其特征在于還包括電動推桿 (4)、防前傾支架(6)、爬樓梯控制器(11)、調(diào)心滾子軸承與軸承座(12)、導電滑環(huán)(13)、連 接盤(15)、輪軸固定件(16)、兩個傳動軸(17)、直流翻轉(zhuǎn)電機(18a)、RV減速器(18b)、壓力 傳感器(19a、19b)、控制盒00)、傾角傳感器及對稱分布的兩個行星輪組；兩個行星輪 組中的每個行星輪組由法蘭盤(14)、一個輪轂電機(9)和兩個自由輪(10)構(gòu)成，每個輪轂 電機(9)和兩個自由輪(10)通過螺母以及輪軸固定件(16)分別與法蘭盤(14)的三個星 形分支的末端(14a)連接，連接盤(1 與法蘭盤(14)通過圓周分布的螺釘連接；輪轂電機 (9)的電源線通過套裝于傳動軸(17)上的導電滑環(huán)(13)引出并與電動輪椅控制器(3)電 氣連接；直流翻轉(zhuǎn)電機(18a)與RV減速器(18b)連接并通過螺釘固定于輪椅框架(1)上，RV 減速器(18b)的輸出孔分別與兩個對稱分布的傳動軸(17)通過鍵相連，傳動軸(17)的末 端部通過鍵連接與法蘭盤(14)相連，傳動軸(17)的另一端由調(diào)心滾子軸承與軸承座(12) 支撐，軸承座(1 固定于輪椅框架(1)的側(cè)面連接板(Ii)上；直流翻轉(zhuǎn)電機(18a)的線纜 與控制盒OO)相連，直流翻轉(zhuǎn)電機(18a)輸出的扭矩通過RV減速器(18b)放大后，驅(qū)動兩 個行星輪組翻轉(zhuǎn)，用以實現(xiàn)行星輪式爬樓梯電動輪椅上下樓梯的功能；輪椅框架(1)的前 部有防前傾支架(6)，防前傾支架(6)的一端與輪椅框架(1)的底部縱向彎管(Ia)鉸接，防 前傾支架(6)的中部與電動推桿的活動端鉸接，并由電動推桿的伸縮來控制防前 傾支架(6)的張開或收起；電動推桿的固定端與輪椅框架(1)前部的橫桿(Ib)鉸接， 電動推桿的線纜與控制盒OO)相連；在橫桿(Ic)上安裝有爬樓梯控制器(11)，爬樓 梯控制器(11)通過線纜與控制盒OO)相連，用于在爬樓梯模式下行星輪組的翻轉(zhuǎn)和電動 推桿(4)的動作；輪椅靠背(2)上安裝有壓力傳感器(19a、19b)，RV減速器(18b)上端面安 裝有傾角傳感器(21)，壓力傳感器(19a、19b)和傾角傳感器Ql)都與控制盒QO)通過線 纜相連，用于檢測行星輪式爬樓梯電動輪椅上下樓梯時的工作狀態(tài)；控制盒OO)安裝于輪 椅框架(1)后下部的立管(Ie)上。
2.如權(quán)利要求1所述的行星輪式爬樓梯電動輪椅，其特征在于，行星輪組的工作模式 為爬樓梯模式、電動輪椅模式和手動輪椅模式，根據(jù)所處環(huán)境不同選擇電動輪椅模式或爬 樓梯模式。
3.如權(quán)利要求1所述的行星輪式爬樓梯電動輪椅，其特征在于，傳動軸(17)以調(diào)心滾 子軸承(12)作為支撐，用于適應(yīng)輪椅框架(1)結(jié)構(gòu)的加工誤差。
4.如權(quán)利要求1所述的行星輪式爬樓梯電動輪椅，其特征在于，在輪椅扶手(Ij)安裝 有電動輪椅控制器(3)，用于在電動輪椅模式下輪轂電機(9)的驅(qū)動控制功能。
5.如權(quán)利要求1所述的行星輪式爬樓梯電動輪椅，其特征在于，電動輪椅控制器(3)和 爬樓梯控制器(11)由電池( 提供能量；由電動輪椅控制器(3)實現(xiàn)電動輪椅模式，電動輪椅控制器(3)的結(jié)構(gòu)包括搖桿 (31)、按鍵(32)、速度顯示器(3；3)、電量顯示器(34)、人機交互接口(35)、第一電源模塊 (36)，第一中控模塊(DSPl)、故障診斷(37)、第一驅(qū)動模塊(38)；第一中控模塊(DSPl)由 軟件實現(xiàn)人機交互操作，對第一電源模塊(36)進行管理、對人機交互接口(3 的輸入信號進行計算得到平滑控制曲線、向第一驅(qū)動模塊(38)發(fā)送控制指令；第一電源模塊(36)對電 池(5)的電量管理；人機交互接口模塊(3 接收搖桿(31)、按鍵(3 的輸入信號，并由速 度顯示器(33)、電量顯示器(34)顯示行星輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)定速度和當前電量；第一 驅(qū)動模塊(38)通過脈寬調(diào)制方式(PWM)驅(qū)動每個輪轂電機(9)；故障診斷模塊(37)對搖 桿(31)的控制信號、驅(qū)動每個輪轂電機(9)的電流、電動輪椅控制器(3)的溫度狀態(tài)進行 實時故障檢測；由爬樓梯控制器(11)實現(xiàn)爬樓梯輪椅模式，爬樓梯控制器(11)的結(jié)構(gòu)包括運行狀態(tài) 顯示燈(111)、推桿伸縮控制按鍵(112)、電機翻轉(zhuǎn)控制按鍵(113)、第二電源模塊(114)，第 二中控模塊(DSP2)、第二驅(qū)動模塊(11 ；第二中控模塊(DSP》通過A/D接口電路接收推 桿伸縮控制按鍵(112)、電機翻轉(zhuǎn)控制按鍵(113)的輸入信號，通過運行狀態(tài)顯示燈(111) 顯示行星輪式爬樓梯電動輪椅當前運行狀態(tài)，并根據(jù)行星輪式爬樓梯電動輪椅運行狀態(tài)和 操作者輸入的控制指令，由控制算法生成控制指令向第二驅(qū)動模塊(11 發(fā)送相應(yīng)控制信 號，第二驅(qū)動模塊(115)內(nèi)部的功率放大電路對控制信號進行放大，并輸出放大的控制信 號，驅(qū)動電動推桿⑷伸出或縮回，或者直流翻轉(zhuǎn)電機(18a)的正、反向的翻轉(zhuǎn)；第二電源模 塊(114)為爬樓梯控制器(11)的各控制電路提供5v、3.3v及各檔電壓；壓力傳感器(19a、 19b)將壓力信號傳送至控制盒00)內(nèi)的第二中控模塊(DSP2)，經(jīng)第二中控模塊(DSP2)對 壓力信號做A/D轉(zhuǎn)換后，根據(jù)兩處的壓力計算乘員重心位置，并結(jié)合傾角傳感器的反 饋結(jié)果以判斷乘員的姿態(tài)是否安全；傾角傳感器直接輸出角度值，并通過RS232串口 與控制盒OO)相連，實時反饋行星輪式爬樓梯電動輪椅相對水平面的傾角。
全文摘要
本發(fā)明是行星輪式爬樓梯電動輪椅，其中包括輪椅框架、座椅靠背、電動輪椅控制器、電池、小腳輪、前輪組件、爬樓梯控制器、調(diào)心滾子軸承與軸承座、導電滑環(huán)、連接盤、輪軸固定件、兩個傳動軸、直流翻轉(zhuǎn)電機、RV減速器、壓力傳感器、控制盒、傾角傳感器，還包括由電動推桿驅(qū)動的防前傾支架，以及由直流翻轉(zhuǎn)電機通過RV減速器驅(qū)動對稱分布的兩個行星輪組，以實現(xiàn)電動輪椅上下樓梯的功能。該行星輪組采用了一個輪轂電機和兩個自由輪的特殊配置，可工作于手動模式、電動輪椅模式和爬樓梯模式。此外，本發(fā)明還采用了壓力傳感器和傾角傳感器以反饋電動輪椅上下樓梯操作時的輪椅運行狀態(tài)。
文檔編號A61G5/06GK102125488SQ20111009716
公開日2011年7月20日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者原魁, 房立新, 魯濤 申請人:中國科學院自動化研究所