專利名稱：一種輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輪椅技術(shù)，具體是一種輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著老齡化社會的到來和殘疾人數(shù)量的增加，輪椅在老年人及殘疾人的生活中發(fā)揮的作用越來越重要，生活中處處可見的樓梯限制了普通輪椅的使用。因此人們先后研制了各種各樣的上下樓梯機(jī)構(gòu)或爬樓機(jī)構(gòu)(輪椅)。如果按照機(jī)構(gòu)形式分類，主要分為行星輪式、履帶式、腿足式和平行四桿機(jī)構(gòu)等。行星輪式爬樓梯機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動靈活。袁華祥、劉香香在“基于馬斯洛需求層次理論電動輪椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)探析”中介紹了由美國強(qiáng)生公司研制出的爬樓梯輪椅IBOT (參見《包裝工程》2009年第7期P85)，它有6個輪子，前面是一對實(shí)心腳輪，后面有兩對行星結(jié)構(gòu)的充氣輪，通過兩后輪交替翻轉(zhuǎn)可以上下樓梯。它的最大優(yōu)點(diǎn)是能自動調(diào)節(jié)輪椅重心使其能在不同狀態(tài)下保持平衡，但控制復(fù)雜和成本高，對推廣使用來說造成了很大的困難。履帶式爬樓梯機(jī)構(gòu)的原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克，其原理簡單。蘇和平和王人成在“爬樓梯輪椅的研究進(jìn)展”中介紹了法國Topchair公司生產(chǎn)的電動爬樓梯輪椅(參見《中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志》2005年20卷第5期P366-P368)。它的底部有四個車輪供正常情況下平地運(yùn)行使用；當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適當(dāng)按鍵操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動完成爬樓等功能。國內(nèi)許光樹設(shè)計(jì)的“無障代步輪椅”(參見專利01140292.X)中介紹了一種平地、樓梯運(yùn)行無障礙輪椅，主要由前后升降桿、滑動齒輪、主傳動鏈輪、支撐輪等組成，支撐輪上繞有齒形帶用來上下樓梯。段星光、黃強(qiáng)等人在“多運(yùn)動模式的小型地面移動機(jī)器人設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)”(參見《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2007年18卷第I期P8-P12)中介紹了無障礙輪椅的優(yōu)點(diǎn)是行走時重心波動小，運(yùn)動非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣；缺點(diǎn)是重量大、運(yùn)動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞；此外，在開始上下樓梯某一時刻，整個機(jī)構(gòu)會出現(xiàn)傾斜，從而導(dǎo)致側(cè)翻`且平地使用受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。腿足式爬樓梯機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的越障能力，王麗娟在“行星滾輪轉(zhuǎn)換步行式驅(qū)動爬樓梯輪椅設(shè)計(jì)”中介紹了由日本長崎大學(xué)機(jī)械工程系研究了一種高階爬樓梯裝置(參見蘇州大學(xué)《碩士學(xué)位論文》2010年)。它由一系列液壓操作桿和前后兩組星型輪構(gòu)成，它的優(yōu)點(diǎn)是爬樓時運(yùn)動平穩(wěn)且爬樓幅度高，甚至能自行上下貨車；缺點(diǎn)是對控制的要求很高、操作比較復(fù)雜、動作緩慢，距離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。為了解決腿足式爬樓梯機(jī)構(gòu)爬行速度較慢的缺點(diǎn)，有學(xué)者提出了平行四桿式爬樓梯機(jī)構(gòu)。國內(nèi)由蘇和平和項(xiàng)?；I等人提出的手動爬樓梯輪椅機(jī)構(gòu)，就是在普通輪椅的兩側(cè)各加裝一套由平行四邊形機(jī)構(gòu)組成的爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每套機(jī)構(gòu)中的兩等長連架桿各與一個相同齒數(shù)的鏈輪相固接，用鏈條來驅(qū)動。項(xiàng)?；I、烏蘭木其等人在“手動爬樓梯輪椅”中介紹了平行四桿式爬樓梯機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，缺點(diǎn)是由于僅僅由四個點(diǎn)支撐整車，其平穩(wěn)度不高，安全性也不太好(參見《中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志》1999年9卷第2期P62-P66)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)，該底盤機(jī)構(gòu)為輪腿復(fù)合式輪椅爬樓梯底盤機(jī)構(gòu)，使輪椅適于翻越障礙物、跨溝等結(jié)構(gòu)性障礙，上下樓梯平穩(wěn)安全，電動操作手柄控制，操作容易，使殘疾人能夠獨(dú)立的上下樓梯，同時減輕護(hù)理、服務(wù)人員的勞動強(qiáng)度。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是:設(shè)計(jì)一種輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)，其特征在于該底盤機(jī)構(gòu)主要包括排輪傳動機(jī)構(gòu)、前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)；所述的排輪傳動機(jī)構(gòu)主要由排輪架、上齒輪、排輪、傳動輪、下齒輪和主軸組成；下齒輪、上齒輪及排輪分別固定在主軸上，傳動輪固定在排輪架上，上齒輪與傳動輪嚙合，排輪與上齒輪同軸，排輪與傳動輪共有相同的五組，在空間上它們交錯排列，排輪傳動機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿減速器傳動機(jī)構(gòu)的傳動齒輪與下齒輪嚙合傳動，同時帶動上齒輪與排輪運(yùn)動；所述的前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由支座、前絲杠、前直流電機(jī)、前絲杠螺母、底盤機(jī)身、前連桿、前曲柄、主齒輪和從齒輪組成；其中，前直流電機(jī)、前絲杠、支座分別固定在底盤機(jī)身上，前直流電機(jī)與主齒輪連接，從齒輪固定在前絲杠上，前絲杠與前絲杠螺母連接，前絲杠螺母的伸出桿與前連桿連接，前連桿與前曲柄連接，前曲柄分別與支座、排輪架連接；前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由前直流電機(jī)帶動主齒輪，主齒輪與從齒輪嚙合傳動，同時帶動前絲杠轉(zhuǎn)動；前絲杠與前絲杠螺母配合把前絲杠的轉(zhuǎn)動變成前絲杠螺母的直線運(yùn)動，同時前絲杠螺母伸出桿帶動前連桿運(yùn)動，前連桿又帶動前曲柄運(yùn)動，使排輪架的一端繞著支座做圓弧運(yùn)動；所述的后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由后絲杠、后絲杠螺母、后直流電機(jī)、連桿、后曲柄和后連桿組成；后直流電機(jī)固定在 底盤機(jī)身上，后曲柄一端固定在底盤機(jī)身上，另一端和后連桿連接，連桿一端固定在后絲 螺母上，另一端與后曲柄連接，后連桿一端固定在所述排輪架上，另一端與后曲柄連接；后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由后直流電機(jī)驅(qū)動后絲杠轉(zhuǎn)動，后絲杠與后絲杠螺母配合把后絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動；同時后絲杠螺母又帶動連桿運(yùn)動，連桿帶動后曲柄運(yùn)動，后曲柄帶動后連桿運(yùn)動，最終使得后曲柄繞底盤機(jī)身做圓弧運(yùn)動；排輪架一端通過后連桿做相應(yīng)的運(yùn)動；所述的五桿機(jī)構(gòu)由底盤機(jī)身、前曲柄、排輪架、后曲柄和后連桿組成；前曲柄通過支座與底盤機(jī)身鉸接，后曲柄鉸接在底盤機(jī)身上，前曲柄的一端與后曲柄的一端在底盤機(jī)身上的鉸接點(diǎn)連起來構(gòu)成五桿機(jī)構(gòu)；后曲柄的另一端與后連桿相連，是五桿機(jī)構(gòu)中的一個連桿，前曲柄的另一端通過鉸鏈固定在排輪架上，后連桿一端與后曲柄相連，另一端通過鉸鏈固定在排輪架上；前曲柄與后連桿在排輪架上的鉸接點(diǎn)連起來構(gòu)成五桿機(jī)構(gòu)中的一個連桿；五桿機(jī)構(gòu)的前曲柄通過前連桿的運(yùn)動使得前曲柄繞著固定在底盤機(jī)身上的支座轉(zhuǎn)動，即前曲柄為五桿機(jī)構(gòu)的原動件；同理，后曲柄通過連桿的運(yùn)動使其繞著固定在底盤機(jī)身上的鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動，即后曲柄為五桿機(jī)構(gòu)的另一個原動件；排輪架就是五桿機(jī)構(gòu)的輸出件；所述的控制系統(tǒng)主要包括主驅(qū)動模塊、副驅(qū)動模塊、輸入模塊及定時模塊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):
1.爬樓梯時，交錯分布的齒形輪可以卡住樓梯的臺階，有效地增強(qiáng)了爬樓的動力，大大增強(qiáng)了輪椅的爬樓能力。2.與履帶式結(jié)構(gòu)相比，在平地上運(yùn)動時靈活性高，在攀爬樓梯時，齒形輪齒端聯(lián)接膠皮，可以有效地保護(hù)樓梯，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。3.本發(fā)明底盤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對簡單，成本增加較少，功能和效率卻大大增加。4.本發(fā)明底盤機(jī)構(gòu)可使乘坐者通過正確的操作手柄就能獨(dú)立完成上下樓梯、翻越障礙物、跨溝等動作，無需人員協(xié)助，減少人力。5.與輪式機(jī)構(gòu)相比，因排輪直徑小，數(shù)量多，跨越臺階需要的能量小，重心位置低，沖擊小，而且可以適應(yīng)多種不同規(guī)格的臺階；與腿式機(jī)構(gòu)相比，平地移動速度較快，動作靈活；爬樓梯時輪腿的有效配合提高爬樓的效率，安全性及穩(wěn)定性高，機(jī)構(gòu)控制簡單，承載能力強(qiáng)；.與行星輪式相比，攀爬樓梯時重心波動小，通過爬樓梯機(jī)構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整可以輕松攀爬不同高度的臺階，其運(yùn)動的平穩(wěn)性較好，乘坐舒適。


圖1是本發(fā)明輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)一種實(shí)施例的蝸輪蝸桿減速器機(jī)構(gòu)示意圖；圖3 (a)是排輪傳動部分的主視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(b)是排輪傳動部分的府視結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(a)是前位姿調(diào)節(jié)部分局部機(jī)構(gòu)示意`
圖4 (b)是前位姿調(diào)節(jié)部分機(jī)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)一種實(shí)施例的后位姿調(diào)節(jié)部分機(jī)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)一種實(shí)施例的五桿機(jī)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)一種實(shí)施例的上樓梯結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖7(a)是輪椅從平地模式轉(zhuǎn)換到爬樓模式，準(zhǔn)備開始上樓梯，單獨(dú)由后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)；圖7(b)是在輪椅底盤上的排輪傳動部分上第一個臺階時，通過調(diào)節(jié)五桿機(jī)構(gòu)，即前后位姿調(diào)節(jié)部分共同作用來得到較好位姿；圖7(c)是排輪傳動部分上最后一個臺階的位姿，五桿機(jī)構(gòu)無需調(diào)節(jié)；圖7(d)是排輪傳動部分完全爬上樓梯，即整個輪椅爬上樓梯；圖8是本發(fā)明輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)一種實(shí)施例的下樓梯結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖8(a)是輪椅從平地模式轉(zhuǎn)換到爬樓模式，準(zhǔn)備開始下樓梯，單獨(dú)由后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)；圖8(b)是在輪椅底盤上的排輪傳動部分下到第一個臺階后，通過調(diào)節(jié)五桿機(jī)構(gòu)，即前后位姿調(diào)節(jié)部分共同作用來得到較好位姿；圖8(c)是排輪傳動部分要下第二個臺階時通過調(diào)節(jié)五桿機(jī)構(gòu)，即前后位姿調(diào)節(jié)部分共同作用來得到較好位姿；下臺階過程可參考圖8(b)-圖8(c)-圖8(b)的循環(huán)；圖8(d)是在排輪傳動部分下最后一個臺階時的較好位姿，此時輪椅完全下完樓梯；圖9是本發(fā)明輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)一種實(shí)施例的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)一種實(shí)施例的控制程序框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述:本發(fā)明設(shè)計(jì)的輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)(簡稱底盤機(jī)構(gòu)，參見圖1-10)，主要由排輪傳動機(jī)構(gòu)1、前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2、后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3、五桿機(jī)構(gòu)5和控制系統(tǒng)6組成。所述的排輪傳動機(jī)構(gòu)I (參見圖3，包括圖3(a)和圖3(b))主要由排輪架11、上齒輪12、排輪13、傳動輪14、下齒輪15和主軸16組成；下齒輪15、上齒輪12以及排輪13分別固定在主軸16上，傳動輪14固定在排輪架11上。排輪13與上齒輪12同軸，此機(jī)構(gòu)部分含有 五組相同的排輪13與傳動輪14，在空間上它們交錯排列，能更好的接觸樓梯。傳動齒輪的參數(shù)均相同，以保證各排輪13同步運(yùn)動。排輪傳動機(jī)構(gòu)I由蝸輪蝸桿減速器傳動機(jī)構(gòu)4的傳動齒輪41與下齒輪15嚙合傳動，同時帶動上齒輪12與排輪13，上齒輪12與傳動輪14嚙合，這樣的嚙合共有五組。它們可以實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯的動作。所述的前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2 (參見圖4，包括圖4(a)和圖4(b))主要由支座21、前絲杠22、前直流電機(jī)23、前絲杠螺母24、底盤機(jī)身25、前連桿26、前曲柄27、主齒輪28和從齒輪29組成；其中，前直流電機(jī)23、前絲杠22、支座21分別固定在底盤機(jī)身25上，前直流電機(jī)23與主齒輪28連接，從齒輪29固定在前絲杠22上，前絲杠22與前絲杠螺母24連接，前絲杠螺母24的伸出桿與前連桿26連接，前連桿26與前曲柄27連接，前曲柄27分別與支座21、排輪架11連接。前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2由前直流電機(jī)23帶動主齒輪28，主齒輪28與從齒輪29嚙合傳動，同時帶動前絲杠22轉(zhuǎn)動，前絲杠22與前絲杠螺母24配合把前絲杠22的轉(zhuǎn)動變成前絲杠螺母24的直線運(yùn)動，同時前絲杠螺母24伸出桿帶動前連桿26運(yùn)動，前連桿26又帶動前曲柄27運(yùn)動，使排輪架11的一端繞著支座21做圓弧運(yùn)動。前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2的前絲杠螺母24、前連桿26與前曲柄27的組合利用杠桿原理，放大了排輪架11 一端的位移，從而使排輪機(jī)構(gòu)I可以獲得較大的位姿調(diào)整空間。所述的后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3 (參見圖5)主要由后絲杠31、后絲杠螺母32、后直流電機(jī)33、連桿34、后曲柄35和后連桿36組成。其中，后直流電機(jī)33固定在底盤機(jī)身25上，后曲柄35 —端固定在底盤機(jī)身25上,另一端和后連桿36連接,連桿34 —端固定在后絲杠螺母32上，另一端與后曲柄35連接，后連桿36 —端固定在所述排輪架11上，另一端與后曲柄35連接。后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3由后直流電機(jī)33驅(qū)動后絲杠31轉(zhuǎn)動，后絲杠31與后絲杠螺母32配合把后絲杠31的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動；同時后絲杠螺母32又帶動連桿34運(yùn)動，連桿34帶動后曲柄35運(yùn)動，后曲柄35帶動后連桿36運(yùn)動，最終使得后曲柄35繞底盤機(jī)身25做圓弧運(yùn)動；排輪架11 一端通過后連桿36做相應(yīng)的運(yùn)動。在后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3中，后絲杠螺母31、連桿34與后曲柄35的組合利用杠桿原理，放大了排輪架11另一端的位移，從而使排輪機(jī)構(gòu)I可以獲得較大的位姿調(diào)整空間。所述的蝸輪蝸桿減速器機(jī)構(gòu)4 (參見圖2)包括傳動齒輪41、蝸輪和蝸桿以及一系列用于傳動的齒輪和軸。蝸輪蝸桿減速器機(jī)構(gòu)4嚴(yán)格說是底盤機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)位姿的動力機(jī)構(gòu)，它與所述排輪架11連接，具體是通過其上的傳動齒輪41與所述下齒輪15的嚙合來給排輪傳動機(jī)構(gòu)I傳遞動力。當(dāng)輪椅需要進(jìn)行上下樓梯或者翻越障礙物、跨越溝渠時，通過蝸輪蝸桿減速器機(jī)構(gòu)4的傳動齒輪41與下齒輪15的嚙合來給排輪傳動機(jī)構(gòu)I傳遞動力，當(dāng)運(yùn)行的外部環(huán)境需要改變排輪位置時，由后直流電機(jī)33單獨(dú)驅(qū)動后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，或者由前直流電機(jī)23單獨(dú)驅(qū)動前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，或者前直流電機(jī)23和后直流電機(jī)33同時驅(qū)動前位姿和后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，均可以實(shí)現(xiàn)排輪架11的姿態(tài)調(diào)節(jié)。顯然，所述蝸輪蝸桿減速器機(jī)構(gòu)4僅是一種實(shí)施例的動力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)排輪架11的姿態(tài)調(diào)節(jié)還可以采用其他動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動。所述的五桿機(jī)構(gòu)5 (參見圖6)由底盤機(jī)身25、前曲柄27、排輪架11、后曲柄35和后連桿36組成。前曲柄27通過支座21與底盤機(jī)身25鉸鏈連接，后曲柄35鉸接在底盤機(jī)身25上，前曲柄27的一端與后曲柄35的一端在底盤機(jī)身上的鉸接點(diǎn)連起來構(gòu)成五桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架。后曲柄35的另一端與后連桿36相連,是五桿機(jī)構(gòu)中的一個連桿。前曲柄27的另一端通過鉸鏈固定在排輪架11上，后連桿36 —端與后曲柄35相連，另一端通過鉸鏈固定在排輪架11上。前曲柄27與后連桿36在排輪架11上的鉸接點(diǎn)連起來構(gòu)成五桿機(jī)構(gòu)中的一個連桿。五桿機(jī)構(gòu)5的前曲柄27通過前連桿26的運(yùn)動使得前曲柄27繞著固定在底盤機(jī)身上的支座21轉(zhuǎn)動，即前曲柄27為五桿機(jī)構(gòu)的原動件。同理，后曲柄35通過連桿34的運(yùn)動使其繞著固定在底盤機(jī)身25上的鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動，即后曲柄35為五桿機(jī)構(gòu)的另一個原動件。排輪架11就是五桿機(jī)構(gòu)的輸出件。

所述五桿機(jī)構(gòu)實(shí)施例有三種工作模式:第一:僅前曲柄27單獨(dú)驅(qū)動，而后曲柄35靜止不動，構(gòu)成一種四桿機(jī)構(gòu)。第二:僅后曲柄35單獨(dú)驅(qū)動，而前曲柄27靜止不動，構(gòu)成另一種四桿機(jī)構(gòu)。第三:前曲柄27與后曲柄35同時驅(qū)動，構(gòu)成五桿機(jī)構(gòu)。通過以上三種運(yùn)動方式，使得輸出件排輪架11實(shí)現(xiàn)輪椅底盤機(jī)構(gòu)的各種位姿調(diào)整。本發(fā)明輪椅底盤機(jī)構(gòu)上下樓梯的操作過程和運(yùn)動過程如下:上樓梯過程(參見圖7):當(dāng)輪椅即將接觸樓梯時，按下輸入模塊中的按鍵2使得離合器2吸合，位姿電機(jī)2 (后電機(jī)33)開始驅(qū)動后絲杠31轉(zhuǎn)動，后絲杠31與后絲杠螺母32配合把后絲杠31的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，同時后絲杠螺母32帶動連桿34運(yùn)動，連桿34帶動后曲柄35，后曲柄35帶動后連桿36，最終使得后曲柄35繞底盤機(jī)身25做圓弧運(yùn)動，排輪架11 一端通過后連桿36做相應(yīng)的運(yùn)動，使得五組排輪接地，此時走平地用的后小輪脫離地面，輪椅進(jìn)入爬樓梯模式，前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不變。此時排輪架11與底盤機(jī)身25之間有一定的夾角，在爬樓梯時，可以抵消一部分輪椅由于樓梯而產(chǎn)生的傾角。當(dāng)運(yùn)動到一定時刻時，同時按下按鍵I和按鍵2使得離合器I和離合器2都吸合，位姿電機(jī)I驅(qū)動前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，位姿電機(jī)2驅(qū)動后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，即利用五桿機(jī)構(gòu)變換排輪架11的位置，使得排輪緊緊接觸樓梯并形成可攀爬的角度，同時與前面的大輪形成四驅(qū)輪椅，以這種位姿一直到爬完整個樓梯，到達(dá)平地后通過五桿機(jī)構(gòu)把排輪架11收回，使之不接觸地面。前后位姿調(diào)節(jié)的大小根據(jù)樓梯的參數(shù)不同而不同。其運(yùn)動過程如下(參見圖7):輪椅從平地模式轉(zhuǎn)換到爬樓模式，準(zhǔn)備開始上樓梯(參見圖7 (a));輪椅底盤上的排輪傳動部分上第一個臺階時，通過調(diào)節(jié)五桿機(jī)構(gòu)得到較好位姿(參見圖7 (b));排輪傳動部分上最后一個臺階的位姿(參見圖7 (c));排輪傳動部分完全爬上樓梯，即整個輪椅爬上樓梯(參見圖7 (d))。下樓梯過程(參見圖8):當(dāng)輪椅即將接觸樓梯時，按下輸入模塊中的按鍵2使得離合器2吸合，位姿電機(jī)2開始(后電機(jī)33)驅(qū)動后絲杠31轉(zhuǎn)動，后絲杠31與后絲杠螺母32配合把后絲杠31的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，同時后絲杠螺母32帶動連桿34運(yùn)動，連桿34帶動后曲柄35，后曲柄35帶動后連桿36，最終使得后曲柄35繞底盤機(jī)身25做圓弧運(yùn)動，排輪架11 一端通過后連桿36做相應(yīng)的運(yùn)動，使得五組排輪接地，此時走平地用的后小輪脫離地面，輪椅進(jìn)入爬樓梯模式，前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不變。當(dāng)要下一個臺階時，同時按下按鍵I和按鍵2使得離合器I和離合器2都吸合，位姿電機(jī)I驅(qū)動前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，位姿電機(jī)2驅(qū)動后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，即利用五桿機(jī)構(gòu)變換排輪架11的位置，使其至少有一個排輪緊緊接觸樓梯以支撐輪椅，并形成下樓梯的角度，同時與前面的大輪形成四驅(qū)輪椅，當(dāng)下完一個臺階后又通過五桿機(jī)構(gòu)把排輪架11調(diào)回原來的位姿，用這個位姿繼續(xù)行走至下一個臺階時又同之前運(yùn)動一樣通過調(diào)節(jié)五桿機(jī)構(gòu)變換排輪架11的位置，使得至少有一個排輪緊緊接觸樓梯。如此循環(huán)，直至下完全部樓梯，到達(dá)平地后通過五桿機(jī)構(gòu)把排輪架11收回，使排輪脫離 地面。前后位姿調(diào)節(jié)的大小根據(jù)樓梯的參數(shù)不同而不同。其運(yùn)動過程如下(參見圖8):輪椅從平地模式轉(zhuǎn)換到爬樓模式，準(zhǔn)備開始下樓梯(參見圖8 Ca ;排輪傳動部分下到第一個臺階后，通過調(diào)節(jié)五桿機(jī)構(gòu)得到較好位姿(參見圖8 (b));排輪傳動部分要下第二個臺階時通過調(diào)節(jié)五桿機(jī)構(gòu)得到較好位姿(參見圖8 Ce ;排輪傳動部分下最后一個臺階時的較好位姿，此時輪椅完全下完樓梯(參見圖8 (d))。翻越障礙物(參見圖7與圖8):當(dāng)輪椅即將接觸障礙物時，由后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的后電機(jī)33驅(qū)動后絲杠31轉(zhuǎn)動，后絲杠31與后絲杠螺母32配合把后絲杠31的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，同時后絲杠螺母32又帶動連桿34運(yùn)動，連桿34又帶動后曲柄35，后曲柄35又帶動后連桿36，最終使得后曲柄35繞底盤機(jī)身25做圓弧運(yùn)動，排輪架11 一端通過后連桿36做相應(yīng)的運(yùn)動，使得五組排輪接地，此時走平地用的后小輪脫離地面，輪椅進(jìn)入爬樓梯模式，前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不變，此時排輪架11與底盤機(jī)身25之間有一定的夾角，在爬樓梯時，可以抵消一部分輪椅由于樓梯的斜度而產(chǎn)生的傾角。當(dāng)運(yùn)動到一定時刻時，同時調(diào)節(jié)前后位姿機(jī)構(gòu)，即利用五桿機(jī)構(gòu)變換排輪架11的位置，使得至少有一個排輪緊緊接觸樓梯，并形成可攀爬的角度，同時與前面的大輪形成四驅(qū)輪椅，以這種位姿爬上障礙物。當(dāng)要爬下障礙物，同時調(diào)節(jié)前后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，即利用五桿機(jī)構(gòu)變換排輪架11的位置，使得至少有一個排輪緊緊接觸障礙物，直至脫離障礙物。到達(dá)平地后通過五桿機(jī)構(gòu)把排輪架11收回，使排輪脫離地面。前后位姿調(diào)節(jié)的大小根據(jù)障礙物的參數(shù)不同而不同。其運(yùn)動過程如下(參見圖7和圖8):輪椅從平地模式轉(zhuǎn)換到爬樓模式，準(zhǔn)備開始翻越障礙物(參見圖7 Ca ;排輪傳動部分爬障礙物時，通過調(diào)節(jié)五桿機(jī)構(gòu)得到較好位姿(參見圖7 (b));排輪傳動部分完全爬上障礙物，即整個輪椅爬上障礙物(參見圖7 (d));排輪傳動部分要爬下障礙物時，通過調(diào)節(jié)五桿機(jī)構(gòu)得到較好位姿(參見圖8 (c));排輪傳動部分爬下障礙物時的較好位姿，此時輪椅完全爬下障礙物(參見圖8 (d))。在輪椅上下樓梯及越障過程中，本發(fā)明底盤機(jī)構(gòu)可以使輪椅平穩(wěn)、安全、可靠的上下樓梯。本發(fā)明通過單獨(dú)調(diào)節(jié)前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、單獨(dú)調(diào)節(jié)后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及同時調(diào)節(jié)前、后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來變換在輪椅運(yùn)動過程中底盤所需要的位姿，以此來實(shí)現(xiàn)或輔助輪椅上下樓梯的功能。本發(fā)明底盤機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)6主要包括(參見圖9)主驅(qū)動模塊C、副驅(qū)動模塊D、輸入模塊E及定時模塊F,其定時模塊F是由控制機(jī)中的定時器實(shí)現(xiàn)的，通過軟件設(shè)定定時器時間可以實(shí)時調(diào)節(jié)排輪姿態(tài)。由主驅(qū)動模塊C的主電機(jī)提供排輪13的動力，輸入模塊E中的上按鍵I和下按鍵2分別控制上離合器I和下離合器2的吸合來決定前位姿電機(jī)I與后位姿電機(jī)2的輸出狀態(tài)。前位姿電機(jī)I調(diào)節(jié)前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2 ;后位姿電機(jī)2調(diào)節(jié)后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3。定時模塊F是底盤機(jī)構(gòu)在自動模式下通過對離合器I和離合器2的定時來實(shí)時調(diào)節(jié)排輪的位姿。本發(fā)明底盤機(jī)構(gòu)運(yùn)行模式下的控制系統(tǒng)流程(參見圖10)，采用面向數(shù)字的信號處理方式，并通過自主設(shè)計(jì)控制軟件得以實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下:步驟1:系統(tǒng)初始化并執(zhí)行步驟2 ；步驟2:樓梯參數(shù)的初始化設(shè)置，并執(zhí)行步驟3 ；步驟3:檢測按鍵是否正常，如果正常則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟5 ；步驟4:檢測上離合器I是否需要吸合，如果是則執(zhí)行步驟6，否則執(zhí)行步驟7 ；步驟5:系統(tǒng)暫停并報(bào)警，進(jìn)行故障排除；步驟6:手動控制上離合器I的吸合，通過定時器來控制上離合器I的吸合時間，并執(zhí)行步驟7 ；步驟7:檢測下離合器2是否需要吸合，如果是則執(zhí)行步驟8，否則執(zhí)行步驟9 ；步驟8:手動控制下離合器2的吸合，通過定時器來控制下離合器2的吸合時間，并執(zhí)行步驟9;步驟9:驅(qū)動主電機(jī) 轉(zhuǎn)動，并執(zhí)行步驟10 ；步驟10:檢測排輪傾角是否滿意，并執(zhí)行步驟11，否則執(zhí)行步驟4 ；步驟11:系統(tǒng)停止。依據(jù)說明書及其附圖所述，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易給出控制流程的軟件具體內(nèi)容。本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)，其特征在于該底盤機(jī)構(gòu)主要由排輪傳動機(jī)構(gòu)、前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿減速器機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成； 所述的排輪傳動機(jī)構(gòu)主要由排輪架、上齒輪、排輪、傳動輪、下齒輪和主軸組成；下齒輪、上齒輪及排輪分別固定在主軸上，傳動輪固定在排輪架上，上齒輪與傳動輪嚙合，排輪與上齒輪同軸，排輪與傳動輪共有相同的五組，在空間上它們交錯排列，排輪傳動機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿減速器傳動機(jī)構(gòu)的傳動齒輪與下齒輪嚙合傳動，同時帶動上齒輪與排輪運(yùn)動； 所述的前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由支座、前絲杠、前直流電機(jī)、前絲杠螺母、底盤機(jī)身、前連桿、前曲柄、主齒輪和從齒輪組成；其中，前直流電機(jī)、前絲杠、支座分別固定在底盤機(jī)身上，前直流電機(jī)與主齒輪連接，從齒輪固定在前絲杠上，前絲杠與前絲杠螺母連接，前絲杠螺母的伸出桿與前連桿連接，前連桿與前曲柄連接，前曲柄分別與支座、排輪架連接；前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由前直流電機(jī)帶動主齒輪，主齒輪與從齒輪嚙合傳動，同時帶動前絲杠轉(zhuǎn)動；前絲杠與前絲杠螺母配合把前絲杠的轉(zhuǎn)動變成前絲杠螺母的直線運(yùn)動，同時前絲杠螺母伸出桿帶動前連桿運(yùn)動，前連桿又帶動前曲柄運(yùn)動，使排輪架的一端繞著支座做圓弧運(yùn)動； 所述的后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由后絲杠、后絲杠螺母、后直流電機(jī)、連桿、后曲柄和后連桿組成；后直流電機(jī)固定在底盤機(jī)身上，后曲柄一端固定在底盤機(jī)身上，另一端和后連桿連接，連桿一端固定在后絲杠螺母上，另一端與后曲柄連接，后連桿一端固定在所述排輪架上，另一端與后曲柄連接；后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由后直流電機(jī)驅(qū)動后絲杠轉(zhuǎn)動，后絲杠與后絲杠螺母配合把后絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動；同時后絲杠螺母又帶動連桿運(yùn)動，連桿帶動后曲柄運(yùn)動，后曲柄帶動后連桿運(yùn)動，最終使得后曲柄繞底盤機(jī)身做圓弧運(yùn)動；排輪架一端通過后連桿做相應(yīng)的運(yùn)動； 所述的五桿機(jī)構(gòu)由底盤機(jī)身、前曲柄、排輪架、后曲柄和后連桿組成；前曲柄通過支座與底盤機(jī)身鉸接，后曲柄鉸接在底盤機(jī)身上，前曲柄的一端與后曲柄的一端在底盤機(jī)身上的鉸接點(diǎn)連起來構(gòu)成五桿機(jī)構(gòu)；后曲柄的另一端與后連桿相連，是五桿機(jī)構(gòu)中的一個連桿，前曲柄的另一端通過鉸鏈固定在排輪架上，后連桿一端與后曲柄相連，另一端通過鉸鏈固定在排輪架上；前曲柄與后連桿在排輪架上的鉸接點(diǎn)連起來構(gòu)成五桿機(jī)構(gòu)中的一個連桿；五桿機(jī)構(gòu)的前曲柄通過前連桿的運(yùn)動使得前曲柄繞著固定在底盤機(jī)身上的支座轉(zhuǎn)動，即前曲柄為五桿機(jī)構(gòu)的原動件；同理，后曲柄通過連桿的運(yùn)動使其繞著固定在底盤機(jī)身上的鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動，即后曲柄為五桿機(jī)構(gòu)的另一個原動件；排輪架就是五桿機(jī)構(gòu)的輸出件； 所述的控制系統(tǒng)主要包括主驅(qū)動模塊、副驅(qū)動模塊、輸入模塊及定時模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的排輪架與蝸輪蝸桿減速器機(jī)構(gòu)連接；蝸輪蝸桿減速器機(jī)構(gòu)包括傳動齒輪、蝸輪和蝸桿以及傳動齒輪和軸；蝸輪蝸桿減速器機(jī)構(gòu)的傳動齒輪與所述下齒輪的嚙合來給排輪傳動機(jī)構(gòu)傳遞動力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的五桿機(jī)構(gòu)有三種工作模式:第一:僅前曲柄單獨(dú)驅(qū)動，而后曲柄靜止不動，構(gòu)成一種四桿機(jī)構(gòu)；第二:僅后曲柄單獨(dú)驅(qū)動 ，而前曲柄靜止不動，構(gòu)成另一種四桿機(jī)構(gòu)；第三:前曲柄與后曲柄同時驅(qū)動，構(gòu)成五桿機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種輪腿復(fù)合式輪椅底盤機(jī)構(gòu)，其特征在于該底盤機(jī)構(gòu)主要由排輪傳動機(jī)構(gòu)、前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成；所述排輪傳動機(jī)構(gòu)主要由排輪架、上齒輪、排輪、傳動輪、下齒輪和主軸組成；前位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由支座、前絲杠、前直流電機(jī)、前絲杠螺母、底盤機(jī)身、前連桿、前曲柄、主齒輪和從齒輪組成；后位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由后絲杠、后絲杠螺母、后直流電機(jī)、連桿、后曲柄和后連桿組成；五桿機(jī)構(gòu)由底盤機(jī)身、前曲柄、排輪架、后曲柄和后連桿組成；控制系統(tǒng)包括主驅(qū)動模塊、副驅(qū)動模塊、輸入模塊及定時模塊。
文檔編號A61G5/10GK103230324SQ201310165519
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月8日
發(fā)明者曹東興, 毛建輝, 單亞楠, 曹帥, 常宏 申請人:河北工業(yè)大學(xué)