[发明专利]行星轮式爬楼梯电动轮椅

说明书

技术领域

本发明电动轮椅技术领域，是涉及一种通过直流电机驱动行星轮组来实现上下楼梯功能的智能轮椅。

背景技术

近年来，国内外的许多公司、大学和研究机构都对攀爬楼梯的助行系统进行了深入的研究，也提出了各自的产品或解决方案。大体上说，辅助老年人或残障者上下楼梯的助行系统可以分为可自由移动和固定轨道式两大类。其中，可自由移动的助行系统的种类较多，其特点是单台成本较低，一般不需要对楼梯环境进行特殊改造，对室内和室外不同楼梯的适应能力较强，但技术尚需进一步成熟，大多需要有人员辅助。根据其实现上下楼梯的运动方式不同，可自由移动式助行系统又可分为腿足式、履带式、行星轮式、腿轮复合式、履带-轮复合式、曲柄式等等。

典型的腿足式是由8个能够升降和平移的2自由度腿足构成，4个腿足为一组，两组交替升降和平移，推动轮椅整体完成上下楼梯的动作。由于这种多足式的方案结构复杂，运动缓慢，体积笨重，所以已经基本上被淘汰。例如东京早稻田大学设计的WL-16RII和丰田公司的iFoot。

采用履带式行走机构的方案分为两种。一种是直接用履带代替轮椅的前后轮，履带与轮椅一体，例如布拉德·索顿发明的坦克轮椅，使用两条类似坦克的履带，具有全地形行走能力；另一种是独立的履带驱动装置，带有方便轮椅进入固定的框架，使用时先将普通轮椅固定于框架中，由辅助人员操作完成轮椅的上下楼。这两种结构的原理基本相同，后者已经有欧洲、日本、台湾和意大利的厂家生产出了轮椅爬楼车的产品。例如德国PERFEKTA公司的上下楼梯电动轮椅车，采用履带式传动，自重42kg，可爬楼梯的最大坡度为35度。这种轮椅车除了可以单独使用外，还可以作为普通轮椅的搬运工具，直接把轮椅放在上面上下楼梯。履带式的优点在于操作简单，传动效率比较高，足够长的履带可以避免轮椅发生倾翻。在上下楼梯过程中，助行系统的重心沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动，运动平稳，舒适性好。但由于履带与楼梯的边缘的线接触要承受所有垂直方向的力，橡胶履带要提供极高的摩擦系数以保持平衡，这对履带材料的摩擦系数、耐疲劳和耐磨能力均提出了较高要求。此外，履带式结构往往重量尺寸较大，而且对于木质楼梯或其他强度不高的楼梯，履带在攀爬时的摩擦力会对楼梯本身造成严重的破坏。

国内外提出过各种改进机构，其中一种是轮-履带混合机构的助行系统，它在平地行走时利用轮式机构，上下楼梯时轮子抬起，放下履带机构进行工作。这种机构虽然改善了平地行走的效率问题，但是仍然无法解决履带结构上述体型较为笨重、损坏楼梯等问题，而由于多加了一套驱动和抬起机构，反而使结构变得复杂。此外还有一种XEVIUS(Xero-ViscousUpstair Service)可变形履带，可以增大履带与台阶边缘的接触面积，从而在理论上避免滑动。但这种履带对材料的要求更高，尚未得到推广应用。

行星轮式结构通过每个行星轮组(一般为3个或4个)绕公共轴的翻转来实现上下楼梯，可分为单行星轮和双行星轮两种。所谓单行星轮，指的是水平面上配置有一对完全相同的行星轮组，双行星轮则是指前后共有两对相同的行星轮组。其中单行星轮形式需要另外设计维持平衡的结构，或者由其他人员来辅助操作。

行星轮式的优点是可以适应不同宽度和高度的楼梯，在无障碍模式下可以作为普通轮椅应用，结构简洁，重量轻(与履带式相比)。英国的BARONMEAD上下楼梯电动轮椅车采用单行星轮结构，可在平地自由运行，还可拆卸为两部分，便于装运。这种单行星轮式结构的缺点在于上下楼梯时必须有人辅助，没有很好地解决安全性问题。日本的“Freedom”轮椅是双行星轮式的一个典型例子。“Freedom”的驱动系统由前后两组共4个行星轮组组成，每个行星轮组有4个轮子，其前面的轮组可以通过铰链连杆机构向前向下伸出，很好地解决了上下楼梯时的姿态平衡问题。但由于总共需要16个轮子，结构复杂，体积较大，宽度达820mm，重量超过100kg。