专利名称：行星轮式爬楼梯电动轮椅的制作方法近年来，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BAR0NMEAD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。美国著名发明家迪恩·卡门发明的“独立机动系统”(iBOT)是目前星型轮机构 助行系统中较独特、性能指标最高的产品，目前最新的型号为iB0T4000，已经在欧美上市。 iBOT通过复杂的陀螺仪系统来保持平衡。在上下楼梯时，乘坐者背对楼梯，在有人辅助或者 可以通过扶手借力的情况下，通过行星轮组的翻转实现攀爬功能。iBOT的一个独特之处在 于可以仅以两轮着地的“站立”模式(standing mode)，方便乘坐者与其他人目光交流或取 放高处架子的物品。此时，系统进入倒立摆控制模式，根据重心变化及时做出调整，所以又 称为COG modification系统。iBOT具有结构紧凑、操作方便等诸多优点，但也存在突发情 况下的瞬时稳定性问题。而最主要的问题是成本较高，售价昂贵(近30，000美元)，对于普 通的残疾人家庭来说只能望而却步。Parris Wellman等提出了一种腿轮复合式结构，其主要特征是在轮椅的两侧各安 装了一个三自由度的活动支腿。在攀爬楼梯时，乘坐者面向楼梯，由活动支腿提供向上的支 撑力抬起前轮，后轮向前滚动完成攀爬动作。而在平地行走时，这两个支腿可以折叠收起。 这种方案比较新颖，也可以完成攀爬的动作，但大大增加了轮椅倾翻的危险，对乘坐者的人 身安全没有提供很好的保障。此外，Jianjun Yuan等设计的kro Carrier I型轮椅对传统的腿足式进行改进， 采用8个可以在垂直方向伸缩滑动的腿，每个腿的下面安装一个脚轮。这种结构由于脚轮 尺寸太小，并不适于作为普通轮椅使用。西班牙的R. Morales等提出了一种新型的腿轮复 合式结构前后轮通过四连杆机构与轮椅本体连接，借助轮椅后部的一根架杆撑住楼梯，四 连杆机构可以带动轮子完成攀爬动作。作者称该装置结构紧凑，制作成本低，可负重100kg， 并且在无障碍情况下作为普通轮椅使用。但该系统的安全性未经过验证，目前仅是实验室 样机，市场上并无相关产品。日本ToshihikoMabuchi等人提出的karab结构(双轮+2自 由度伸缩腿)，以及奥地利G. Wiesspeiner等人提出的GS2/3系列结构G个轮子+3个腿) 也都属于腿轮复合式结构，其共有的缺点是结构过于复杂，技术不成熟，难于形成市场化产 品。因此，现有行星轮爬楼梯方案往往结构复杂，或不能很好解决安全性问题。曲柄式的结构特点是在两个驱动轮之间增加一个曲柄，利用曲柄的翻转实现轮椅 上下楼梯的动作。由于这种机构实现简单，运动部件少，所以得到了较广泛的应用。曲柄机 构既可以集成到普通电动轮椅上，也可以独立作为辅助爬楼机构，用以载运大部分的手动 轮椅。比较典型的有Garaventa Super-Trac轮椅爬楼车、奥地利sano生产的Liftkar PT系列和英国C-max/S-max系列产品。Frank mobility system公司的scalamobile虽然采 用驱动轮代替普通曲柄完成攀爬，但也属于这种结构的一种改型。这种方案的主要优点是体积小，便于运输，结构简单，成本低，但是在保证系统的 安全性上并无优势，上下楼梯需要有经过专业培训的人进行辅助。此外，这种结构通常使用 机械结构的制动轮来感知楼梯边缘，并进行制动。这种制动方法在表面凹凸不平的楼梯表 面容易发生锁死，难于操作。通过比较上述各种方案可知，安全性是解决轮椅上下楼梯助行系统的关键所在， 同时要兼顾制作成本和轮椅的体积重量。
为了解决现有技术结构方案复杂、尺寸及重量过大、损坏楼梯结构、成本高、安全 性不好等问题，本发明的目的是选用结构简洁、容易操作的系统结构方式，在保证攀爬动作 的安全性的基础上，有效控制成本和体积。此外，在实现爬楼梯功能的前提下，还能够作为 普通电动轮椅和手动轮椅使用。为此，本发明提供一种基于行星轮的具有上下楼梯功能的 电动轮椅。为达到上述目的，本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅解决技术问题所采用的方案包 括轮椅框架、座椅靠背、电动轮椅控制器、电池、小脚轮、前轮组件，所述轮椅框架含有纵向 弯管、前部横杆、横杆、下部横杆、后下部立管、后部立管、前部短立管、固定支架和侧面连接 板和轮椅扶手；还包括电动推杆、防前倾支架、爬楼梯控制器、调心滚子轴承与轴承座、导电 滑环、连接盘、轮轴固定件、两个传动轴、直流翻转电机、RV减速器、两个压力传感器、控制 盒、倾角传感器及两个对称分布的行星轮组；其中两个行星轮组中的每个行星轮组由法兰 盘、一个轮毂电机和两个自由轮构成，每个轮毂电机和两个自由轮通过螺母以及轮轴固定 件分别与法兰盘的三个星形分支的末端连接，连接盘与法兰盘通过圆周分布的螺钉连接； 轮毂电机的电源线通过套装于传动轴上的导电滑环引出并与电动轮椅控制器电气连接；直 流翻转电机与RV减速器连接并通过螺钉固定于轮椅框架上，RV减速器的输出孔分别与两 个对称分布的传动轴通过键相连，传动轴的末端部通过键连接与法兰盘相连，传动轴的另 一端由调心滚子轴承与轴承座支撑，轴承座固定于轮椅框架的侧面连接板上；直流翻转电 机的线缆与控制盒相连，直流翻转电机输出的扭矩通过RV减速器放大后，驱动两个行星轮 组翻转，用以实现行星轮式爬楼梯电动轮椅上下楼梯的功能；轮椅框架的前部有防前倾支 架，防前倾支架的一端与轮椅框架的底部纵向弯管铰接，防前倾支架的中部与电动推杆的 活动端铰接，并由电动推杆的伸缩来控制防前倾支架的张开或收起；电动推杆的固定端与 轮椅框架前部的横杆铰接，电动推杆的线缆与控制盒相连；在横杆上安装有爬楼梯控制器， 爬楼梯控制器通过线缆与控制盒相连，用于在爬楼梯模式下行星轮组的翻转和电动推杆的 动作；轮椅靠背上安装有两个压力传感器，RV减速器上端面安装有倾角传感器，两组压力 传感器和倾角传感器都与控制盒通过线缆相连，用于检测行星轮式爬楼梯电动轮椅 上下楼梯时的工作状态；控制盒安装于轮椅框架后下部的立管上。本发明的有益效果本发明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，轮毂电机的 电源线通过电滑环与控制器相连，可以避免行星轮组翻转造成线缆缠绕。行星轮式爬楼梯电动轮椅可以有手动模式、电动轮椅模式和爬楼梯模式三种工作状态，兼有平路行走和攀 爬楼梯两种功能。其中在爬楼梯模式下，通过控制直流翻转电机驱动法兰盘和行星轮组，可 以在有人辅助的情况下实现楼梯攀爬的功能。同时，安装于行星轮式爬楼梯电动轮椅前部 的电动推杆驱动防前倾支架张开，可以防止行星轮式爬楼梯电动轮椅发生意外倾倒。压力 传感器和倾角传感器的采用，使得操作者可以更好地了解行星轮式爬楼梯电动轮椅工作状 态，并使控制方案最优，更好地保证乘员安全。行星轮式爬楼梯电动轮椅具有很好的环境适 应能力，能够在进行上下楼梯操作时有效保证乘员的安全。行星轮式爬楼梯电动轮椅的结 构简洁紧凑，可有多种工作模式，其尺寸和重量与普通电动轮椅相近，其生产成本也相对较 低，且对楼梯环境无破坏，可广泛应用于残障人士的日常家庭生活、养老院等公共场合或普 通家庭。图1是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的正视图。图2是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的侧视图。图3是图2本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅传动轴轴线位置A-A向剖面图。图4是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的框架图。图5是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅控制系统框图。图6a是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的电动轮椅控制器的控制流程图。图6b是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅的爬楼梯控制器的控制流程图。图7是本发明行星轮式爬楼梯电动轮椅在攀爬楼梯时的使用示例图片。具体步骤如下步骤Tl 电动轮椅控制器3进入爬楼梯轮椅模式；步骤T2 行星轮式爬楼梯轮椅控制系统初始化；步骤T3 定时器/中断初始化；步骤T4 由第二中控模块DSP检测各传感器状态是否正常。如各传感器状态正常， 则执行步骤T6 ；如果各传感器状态有异常，则执行步骤T5 ；步骤T5 行星轮式爬楼梯电动轮椅系统挂起并报警；步骤T6 置运行状态显示灯111为绿色；步骤T7 判断推杆伸缩控制按键112是否按下。如已按下，则执行步骤T8 ；如尚未 按下，则重复步骤T7;步骤T8:由第二中控模块DSP发出控制指令，经由第二驱动模块115功率放大后， 驱动电动推杆4伸出；步骤T9 判断电机翻转控制按键113是否按下。如已按下，则执行步骤TlO ；如尚 未按下，则执行步骤Tll ；步骤TlO 检测各传感器状态是否正常。如各传感器状态正常，则执行步骤T12，否 则执行步骤Tll ；步骤Tll 由第二中控模块DSP发出控制指令，使直流翻转电机18a处于制动状 态；步骤T12 由第二中控模块DSP发出控制指令，经由第二驱动模块115功率放大 后，驱动直流翻转电机18a正向或反向旋转。以上所述，仅为本发明中的
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。


本发明是行星轮式爬楼梯电动轮椅，其中包括轮椅框架、座椅靠背、电动轮椅控制器、电池、小脚轮、前轮组件、爬楼梯控制器、调心滚子轴承与轴承座、导电滑环、连接盘、轮轴固定件、两个传动轴、直流翻转电机、RV减速器、压力传感器、控制盒、倾角传感器，还包括由电动推杆驱动的防前倾支架，以及由直流翻转电机通过RV减速器驱动对称分布的两个行星轮组，以实现电动轮椅上下楼梯的功能。该行星轮组采用了一个轮毂电机和两个自由轮的特殊配置，可工作于手动模式、电动轮椅模式和爬楼梯模式。此外，本发明还采用了压力传感器和倾角传感器以反馈电动轮椅上下楼梯操作时的轮椅运行状态。