可越障助立輪椅及其輔助站立方法
2023-09-23 11:57:20
專利名稱：可越障助立輪椅及其輔助站立方法
技術領域：
本發明涉及機械與控制技術領域，尤其涉及一種可越障助立輪椅及其輔助站立方法。
背景技術：
輪椅對於年老體弱者而言是他們必不可少的代步工具。但是，傳統的輪椅遇到坎時就無法跨越。其中，上、下樓梯正是這些行動不便人群的最大障礙。在200年國家為了解決這些住房上下樓梯的問題，考慮為這些住房加裝電梯，但由於各方面原因，致使該計劃擱
淺。 目前，國外為解決乘坐輪椅者跨越樓梯的方式是藉助樓宇的緊急疏散的運輸設備一爬樓車，即將輪椅臨時固定在爬樓車上，藉以上下樓梯。使用完畢後再放回原處，操作程序繁瑣。雖然能解決乘坐輪椅者上下樓梯，但在沒有配備爬樓車的樓宇就無法上下樓梯。國內外爬樓輪椅通常運用四桿機構或者行星輪機構來實現上下樓梯。對於行星輪型爬樓輪椅，結構簡單，並利用自鎖機構保證上下樓梯時不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應性較差，不能滿足使用者對舒適性和可靠性的需求。對於外加履帶輪型爬樓輪椅，在上下樓梯時採用外加履帶輪的方式，保證了上下樓梯過程的連續性。但是，所述外加履帶輪型爬樓輪椅在每次安裝履帶輪時，需在他人幫助下完成，且操作繁瑣，結構笨重，攜帶不便，很大程度地限制了輪椅上下樓梯的地點。對於履帶輪與輪子組合型爬樓輪椅，該輪椅運用四桿結構，通過升降輪子以實現輪子與履帶輪的轉換。但是，所述爬樓輪椅採用四桿結構，僅有一個自由度，故不能實現高精度的運行輸出或完成更複雜的運動規律。故針對現有技術存在的問題，本案設計人憑藉從事此行業多年的經驗，積極研究改良，於是有了發明一種可越障助立輪椅及其輔助站立方法。
發明內容
本發明是針對現有技術中，採用傳統的爬樓輪椅對樓梯的適應性較差，不能滿足使用者對舒適性和可靠性的需求，以及不能實現高精度的運行輸出或完成更複雜的運動規律等缺陷提供一種可越障助立輪椅。本發明的另一目的是針對現有技術中，傳統的爬樓輪椅對樓梯的適應性較差，不能滿足使用者對舒適性和可靠性的需求，提供一種可越障助立輪椅的輔助站立方法。為了解決上述問題，本發明提供一種可越障助立輪椅，包括椅部，所述椅部用於使用者乘坐；切換機構，所述切換機構設置在所述椅部下，並用於在所述可越障助立輪椅的滾輪傳輸與履帶輪傳輸之間的切換，所述履帶輪傳輸具有通過連接支架連接的第一履帶輪和第二履帶輪，所述第一履帶輪和所述第二履帶輪進一步包括支架；支撐輪，所述支撐輪設置在所述支架上；設置在所述支撐輪一側，並兩兩相互嚙合的第一齒輪、第二齒輪，以及第三齒輪；與所述第二齒輪形成一體並相互嚙合的第四齒輪；與所述第三齒輪形成一體並相互嚙合的第五齒輪，以及與所述第四齒輪和所述第五齒輪外齒相互嚙合並位於所述支撐輪外側的履帶齒輪；以及輔助站立機構，所述輔助站立機構設置在所述椅部下側，並用於輔助使用者站立，所述輔助站立機構包括呈平行四邊形設置的第一支杆、第二支杆、第三支杆，以及第四支杆；所述第一支杆與所述第三支杆平行設置；所述第二支杆與所述第四支杆平行設置；所述第二支杆的一端與所述第一支杆上的點活動連接；所述第二支杆的另一端與所述第三支杆的端點活動連接；所述第四支杆的一端與第一支杆上的端點活動連接；所述第四支杆的另一端與所述第三支杆上的點活動連接；在所述第三支杆之臨近所述第四固定點一端與所述第二支杆之間設置第五支杆，並在所述第五支杆上設置第三直線電機；在所述第三固定點與臨近所述第四固定點的支撐點之間的第六支杆上設置第四直線電機。其中，所述可越障助立輪椅在上、下樓梯和越障的時候採用雙履帶輪傳輸的方式。可選的，所述切換機構之一端與設置在所述可越障助立輪椅上的第一固定點活動連接，所述切換結構之另一端與所述可越障助立輪椅上的第二固定點固定連接。
可選的，所述第三支杆呈「 L」形。可選的，所述切換機構的第一桿的一端與所述第一固定點活動連接；所述第一桿的另一端與所述切換機構的第二桿的一端活動連接；所述切換機構第二桿的另一端與所述第四桿上的第一直線電機一端活動連接；所述第二桿的第一彎折部在所述第三桿的端點處軸型連接；所述第四桿的另一端與所述第五桿活動連接；所述第五桿的另一端與所述第三桿固定連接；所述第六桿的一端固定設置在所述第三桿上；所述第六桿的另一端與所述第七桿上的第二直線電機的一端活動連接；所述第七桿的另一端與所述第八桿的一端活動連接；所述第八桿的另一端與固定設置在第二固定點的杆的一端活動連接；所述第八桿的第二彎折部在所述第三桿的端點軸型連接。為實現本發明之又一目的，本發明提供一種可越障助立輪椅的輔助站立方法，所述輔助站立方法包括以下步驟執行步驟SI :由所述第三直線電機驅動，所述第三直線電機伸長，則所述第二支杆與所述第一支杆的連接點以第二支杆的另一端點為圓心，並以所述第二支杆的長度為半徑運動；執行步驟S2 :由於所述第一支杆、第二支杆、第三支杆、第四支杆構成平行四邊形，所以所述第二支杆與所述第四支杆具有相同的運動規律；所述第一支杆繞所述第一支杆與所述第四支杆的連接點F點轉動，所述第一支杆並始終與所述第三支杆平行，使椅部始終支撐使用者的後背；執行步驟S3 :通過所述第三直線電機的驅動並伸長，從而實現可越障助立輪椅的輔助站立功能。可選的，所述可越障助立輪椅的輔助站立機構在實現輔助站立功能時進一步包括執行步驟S4 :所述所述第四直線電機驅動，所述第三直線電機無伸長運動，所述第三支杆繞著所述第四固定點順時針轉動一定的角度，進而實現爬樓及越障時椅部能保持水平狀態以及調節座椅重心的功能。可選的，所述角度的大小由樓梯及障礙物的角度來決定。綜上所述，本發明所述可越障助立輪椅之切換機構運用五桿機構補償四桿機構的結構誤差，實現高精度的運動輸出或完成更複雜的運動規律，並以此實現滾輪傳輸與履帶輪傳輸的切換，同時利用具有平行四邊形結構的輔助站立機構輔助使用者站立，並保證平穩的上、下樓和越障。
圖I所示為本發明可越障助立輪椅的立體結構示意圖；圖2所示為本發明可越障助立輪椅的切換機構的原理結構示意圖；圖3所示為本發明可越障助立輪椅的切換機構的運動過程原理示意圖；圖4所示為本發明可越障助立輪椅的切換機構的運動過程初期示意圖；圖5所示為本發明可越障助立輪椅的切換機構的運動過程中的示意圖； 圖6所示為本發明可越障助立輪椅的輔助站立機構的結構原理示意圖；圖7所示為本發明可越障助立輪椅調節水平與重心的示意8所示為本發明可越障助立輪椅的履帶輪結構示意圖；圖9所示為本發明所述可越障助立輪椅遇障準備翻越的示意圖；圖10所示為本發明所述可越障助立輪椅遇障翻越過程的示意圖；圖11所示為本發明所述可越障助立輪椅遇障即將完成翻越過程示意圖。
具體實施例方式為詳細說明本發明創造的技術內容、構造特徵、所達成目的及功效，下面將結合實施例並配合附圖予以詳細說明。請參閱圖1，圖I所示為本發明可越障助立輪椅的立體結構示意圖。所述可越障助立輪椅1，包括椅部10，所述椅部10用於使用者乘坐；滾輪傳輸與履帶輪傳輸之間的切換機構11，所述切換機構11設置在所述椅部10下，並用於在所述助立爬樓機構I的滾輪傳輸與履帶輪傳輸之間的切換，以及輔助站立機構12，所述輔助站立機構12設置在所述椅部10下側，並用於輔助使用者站立。請繼續參閱圖1，並結合參閱圖2、圖3、圖4、圖5，圖2所示為本發明可越障助立輪椅的切換機構的原理結構示意圖。圖3所示為本發明可越障助立輪椅的切換機構的運動過程原理結構示意圖。圖4所示為本發明可越障助立輪椅的切換機構的運動過程初期示意圖。圖5所示為本發明可越障助立輪椅的切換機構的運動過程中的示意圖。在本發明中，所述可越障助立輪椅I在上、下樓梯和越障的時候採用雙履帶輪傳輸的方式。其中，所述滾輪傳輸方式與履帶輪傳輸方式之間的切換通過所述切換機構11對所述履帶輪的升降控制來實現。所述切換機構11之一端與設置在所述可越障助立輪椅I上的第一固定點13活動連接；所述切換結構11之另一端與所述可越障助立輪椅I上的第二固定點14固定連接。請繼續參閱圖2、圖3、圖4、圖5，本發明所述可越障助立輪椅I的切換機構11為五桿機構，由2個直線電機控制，具有8個活動機構和11個低副，其自由度為2。具體地，所述切換機構11的第一桿110的一端A點與所述第一固定點13活動連接；所述第一桿110的另一端B點與所述切換機構11的第二桿111的一端活動連接；所述切換機構11第二桿111的另一端D點與所述第四桿112上的第一直線電機113a —端活動連接；所述第二桿111的第一彎折部1111在所述第三桿114的端點處C點軸型連接；所述第四桿112的另一端E點與所述第五桿115活動連接；所述第五桿115的另一端與所述第三桿114固定連接；所述第六桿116的一端固定設置在所述第三桿114上；所述第六桿116的另一端與所述第七桿117上的第二直線電機113b的一端活動連接；所述第七桿117的另一端與所述第八桿118的一端活動連接；所述第八桿118的另一端與固定設置在第二固定點14的杆119的一端活動連接；所述第八桿118的第二彎折部1181在所述第三桿114的端點J點軸型連接。請繼續參閱圖2、圖3、圖4、圖5，並詳述本發明所述可越障助立輪椅I的切換機構11的工作原理。當本發明所述可越障助立輪椅I的切換機構11在滾輪傳動與履帶輪傳動之間切換時，包括以下步驟執行步驟Sll :所述第一直線電機113a驅動，並側向延伸增長。此時，與所述第一直線電機113a活動連接的第二桿111之異於所述連接點的一端B點以第一固定點13的A點為圓心，AB的長為半徑順時針運動；即，第一桿110繞A點順時針轉動。所述第二桿111 在所述第一直線電機113a的推動下，隨著第一桿111轉動，並推動第三桿114的端點C點上下運動。執行步驟S12 :所述第八桿118在第二直流電機113b的驅動下繞所述杆119之異於第二固定點14的一端K點轉動，並在所述第八桿118的推動下使得所述第三桿114的端點J點上下運動。執行步驟S13 :在所述第三桿114的端點C點、J點上下運動過程中，實現履帶輪的升降，進而實現滾輪傳輸與履帶輪傳輸之間的切換。請繼續參閱圖1，並結合參閱圖6，圖6所示為本發明可越障助立輪椅的輔助站立機構的結構原理示意圖。所述可越障助立輪椅I的輔助站立機構12通過第三固定點15和第四固定點16固定設置在所述可越障助立輪椅I的輪椅架(未圖示)上。所述輔助站立機構12包括呈平行四邊形設置的第一支杆121、第二支杆122、第三支杆123，以及第四支杆124。其中，所述第一支杆121與所述第三支杆123平行設置；所述第二支杆122與所述第四支杆124平行設置。所述第三支杆123呈「L」形。所述第二支杆122的一端與所述第一支杆121上的點E活動連接；所述第二支杆122的另一端與所述第三支杆123的端點C活動連接。所述第四支杆124的一端與第一支杆121上的端點F活動連接；所述第四支杆124的另一端與所述第三支杆123上的點B活動連接。在所述第三支杆123之臨近所述第四固定點16 —端與所述第二支杆122之間設置第五支杆125,並在所述第五支杆125上設置第三直線電機126a。在所述第三固定點15與臨近所述第四固定點16的支撐點17之間的第六支杆127上設置第四直線電機126b。請繼續參閱圖6，並詳述本發明所述可越障助立輪椅的輔助站立機構的工作原理。本發明所述可越障助立輪椅I的輔助站立機構12在實現輔助站立功能時包括以下步驟執行步驟S21 :由所述第三直線電機126a驅動，所述第三直線電機126a伸長，則所述第二支杆122與所述第一支杆121的連接點E以第二支杆122的另一端點C為圓心，並以所述第二支杆122的長度為半徑運動。即，所述第二支杆122與所述第一支杆121的連接點E繞所述第二支杆122的另一端點逆時針轉動。執行步驟S22 :由於所述第一支杆121、第二支杆122、第三支杆123、第四支杆124構成平行四邊形，所以所述第二支杆122與所述第四支杆124具有相同的運動規律。所述第一支杆121繞所述第一支杆121與所述第四支杆124的連接點F點轉動，所述第一支杆121並始終與所述第三支杆123平行，使椅部10始終支撐使用者的後背。
執行步驟S23 :通過所述第三直線電機126a的驅動並伸長，從而實現可越障助立輪椅I的輔助站立功能。請繼續參閱圖1，並結合參閱圖7，本發明為了實現在爬樓及越障時座椅能保持水平狀態以及調節座椅重心的功能，進一步包括以下步驟執行步驟S24 :所述第四直線電機126b驅動，此時，所述第三直線電機126a無伸長運動，所述第三支杆123繞著所述第四固定點16順時針轉動一定的角度，所述角度的大小由樓梯及障礙物的角度來決定，進而實現爬樓及越障時椅部10能保持水平狀態以及調節座椅重心的功能。請參閱圖8，圖8所示為本發明可越障助立輪椅的履帶輪結構示意圖。所述可越障助立輪椅I的履帶輪18a、18b均包括支架180 ;支撐輪181，所述支 撐輪181設置在所述支架180上；設置在所述支撐輪181 —側，並兩兩相互嚙合的第一齒輪182、第二齒輪183，以及第三齒輪184 ;與所述第二齒輪183形成一體並相互嚙合的第四齒輪185 ;與所述第三齒輪184形成一體並相互嚙合的第五齒輪186，以及與所述第四齒輪185和所述第五齒輪186外齒相互嚙合並位於所述支撐輪181外側的履帶齒輪187。其中，所述履帶輪18a與所述履帶輪18b通過連接支架188連接。在所述履帶輪18a、18b的運動過程中，所述外部電機(未圖示)帶動介於所述第二齒輪183與所述第三齒輪184之間的第一齒輪181轉動；所述第一齒輪181並帶動所述第二齒輪183與所述第三齒輪184轉動；所述第二齒輪183與所述第三齒輪184進而帶動所述第四齒輪185與所述第五齒輪186轉動，以此帶動所述履帶齒輪187的轉動。請繼續參閱圖8,並結合參閱圖9、圖10、圖11,圖9所示為本發明所述可越障助立輪椅遇障準備翻越的示意圖。圖10所示為本發明所述可越障助立輪椅遇障翻越過程的示意圖。圖11所示為本發明所述可越障助立輪椅遇障即將完成翻越過程的示意圖。當本發明所述可越障助立輪椅I遇到凸出障礙物2並準備翻越時，所述履帶輪18b調整狀態，列舉地，所述可越障助立輪椅I以速度V越上障礙物2，L為所述履帶輪18b與地面的接觸長度，當重心位於障礙物2支點O的左邊時，此時所述履帶輪18b底線與地面之間的夾角α隨時間t而逐漸增大
hsin a = ~—
L-vt式中1 為障礙物2的高度，由於h/a，故α值較小，sina =α，此時可越障助立輪椅I的角速度ω和角加速度a分別為
da vhω = — = ~~^-τ
dt (I-v/)"
「 da1 2vzhaa = ~- =-2Tr
dt (i-v/y當本發明所述可越障助立輪椅I翻越障礙物2的過程中，所述功能爬樓輪椅I繼續以速度V爬上障礙物2，重心超過支點0，在重力及運動速度的作用下，所述功能爬樓輪椅I作平面運動，一邊繞所述支點O轉動，一邊向前移動，此時重心位置逐漸遠離障礙物2的支點0，重心對支點O取矩逐漸增大。設h為所述功能爬樓輪椅I的重心高度，L1為所述功能爬樓輪椅I重心到履帶輪18b前接地點的距離。據動力學微分方程，可得所述功能爬樓輪椅I繞點的角加速度a隨α的變化規律。JXa = mgX cos α X (vt-I^+hX tan α )式中J為功能爬樓輪椅I的轉動慣量。當所述功能爬樓輪椅I繼續向前運動時，此時所述功能爬樓輪椅I的前端首先著地，所述功能爬樓輪椅I具有較大的慣性，便以較大的衝擊力衝擊地面，造成功能爬樓輪椅I與地面的強烈碰撞。列舉地，假設所述履帶輪18a前著地點為A點，其速度為UA，設碰撞後的速度為Va，根據衝量定理可建立所述功能爬樓輪椅I前接地面點與地面碰撞時的衝擊
慣量I。
權利要求
1.一種可越障助立輪椅，其特徵在於，所述可越障助立輪椅包括 椅部，所述椅部用於使用者乘坐； 切換機構，所述切換機構設置在所述椅部下，並用於在所述可越障助立輪椅的滾輪傳輸與履帶輪傳輸之間的切換，所述履帶輪傳輸具有通過連接支架連接的第一履帶輪和第二履帶輪，所述第一履帶輪和所述第二履帶輪進一步包括支架；支撐輪，所述支撐輪設置在所述支架上；設置在所述支撐輪一側，並兩兩相互嚙合的第一齒輪、第二齒輪，以及第三齒輪；與所述第二齒輪形成一體並相互嚙合的第四齒輪；與所述第三齒輪形成一體並相互嚙合的第五齒輪，以及與所述第四齒輪和所述第五齒輪外齒相互嚙合並位於所述支撐輪外側的履帶齒輪；以及， 輔助站立機構，所述輔助站立機構設置在所述椅部下側，並用於輔助使用者站立，所述輔助站立機構包括呈平行四邊形設置的第一支杆、第二支杆、第三支杆，以及第四支杆；所述第一支杆與所述第三支杆平行設置；所述第二支杆與所述第四支杆平行設置；所述第二支杆的一端與所述第一支杆上的點活動連接；所述第二支杆的另一端與所述第三支杆的端點活動連接；所述第四支杆的一端與第一支杆上的端點活動連接；所述第四支杆的另一端與所述第三支杆上的點活動連接；在所述第三支杆之臨近所述第四固定點一端與所述第二支杆之間設置第五支杆，並在所述第五支杆上設置第三直線電機；在所述第三固定點與臨近所述第四固定點的支撐點之間的第六支杆上設置第四直線電機； 其中，所述可越障助立輪椅在上、下樓梯和越障的時候採用雙履帶輪傳輸的方式。
2.如權利要求I所述的可越障助立輪椅，其特徵在於，所述切換機構之一端與設置在所述可越障助立輪椅上的第一固定點活動連接，所述切換結構之另一端與所述可越障助立輪椅上的第二固定點固定連接。
3.如權利要求I 2任一權利要求所述的可越障助立輪椅，其特徵在於，所述第三支杆呈「L」形。
4.如權利要求I所述的可越障助立輪椅，其特徵在於，所述切換機構的第一桿的一端與所述第一固定點活動連接；所述第一桿的另一端與所述切換機構的第二桿的一端活動連接；所述切換機構第二桿的另一端與所述第四桿上的第一直線電機一端活動連接；所述第二桿的第一彎折部在所述第三桿的端點處軸型連接；所述第四桿的另一端與所述第五桿活動連接；所述第五桿的另一端與所述第三桿固定連接；所述第六桿的一端固定設置在所述第三桿上；所述第六桿的另一端與所述第七桿上的第二直線電機的一端活動連接；所述第七桿的另一端與所述第八桿的一端活動連接；所述第八桿的另一端與固定設置在第二固定點的杆的一端活動連接；所述第八桿的第二彎折部在所述第三桿的端點軸型連接。
5.如權利要求I所述的可越障助立輪椅的輔助站立方法，其特徵在於，所述可越障助立輪椅的輔助站立機構在實現輔助站立功能時包括以下步驟 執行步驟Si 由所述第三直線電機驅動，所述第三直線電機伸長，則所述第二支杆與所述第一支杆的連接點以第二支杆的另一端點為圓心，並以所述第二支杆的長度為半徑運動； 執行步驟S2:由於所述第一支杆、第二支杆、第三支杆、第四支杆構成平行四邊形，所以所述第二支杆與所述第四支杆具有相同的運動規律；所述第一支杆繞所述第一支杆與所述第四支杆的連接點F點轉動，所述第一支杆並始終與所述第三支杆平行，使椅部始終支撐使用者的後背； 執行步驟S3 :通過所述第三直線電機的驅動並伸長，從而實現可越障助立輪椅的輔助站立功能。
6.如權利要求5所述的可越障助立輪椅的輔助站立方法，其特徵在於，所述可越障助立輪椅的輔助站立機構在實現輔助站立功能時進一步包括 執行步驟S4 :所述所述第四直線電機驅動，所述第三直線電機無伸長運動，所述第三支杆繞著所述第四固定點順時針轉動一定的角度，進而實現爬樓及越障時椅部能保持水平狀態以及調節座椅重心的功能。
7.如權利要求6所述的可越障助立輪椅，其特徵在於，所述角度的大小由樓梯及障礙物的角度來決定。
全文摘要
一種可越障助立輪椅，包括椅部；切換機構，用於在所述可越障助立輪椅的滾輪傳輸與履帶輪傳輸之間的切換，所述履帶輪傳輸具有通過連接支架連接的第一履帶輪和第二履帶輪；以及輔助站立機構，用於輔助使用者站立。所述可越障助立輪椅在上、下樓梯和越障的時候採用雙履帶輪傳輸的方式。本發明所述可越障助立輪椅之切換機構運用五桿機構補償四桿機構的結構誤差，實現高精度的運動輸出或完成更複雜的運動規律，並以此實現滾輪傳輸與履帶輪傳輸的切換，同時利用具有平行四邊形結構的輔助站立機構輔助使用者站立，在越障過程中採用雙履帶傳輸方式保證平穩的越障。
文檔編號A61G5/06GK102715991SQ20121023695
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月9日 優先權日2012年7月9日
發明者傅曉錦, 尤煒濤, 張喆, 朱世奇, 袁融, 馬西沛 申請人:上海電機學院