CN103230322B - 一种轮腿复合式轮椅的前腿机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮腿复合式轮椅的前腿机构，其特征在于该前腿机构主要包括后连接板位姿调节机构，前连接板位姿调节机构，动力传动机构，变速传动机构和控制系统；所述后连接板位姿调节机构包括箱体、后连接板、主轴、曲柄、导杆、滑块、导杆座、左丝杠、左齿条螺母、上电磁离合器、左手柄、后导向轮、前导向轮及下轴；前连接板位姿调节机构包括前连接板、右丝杠、右齿条螺母、下电磁离合器、右手柄及上轴；动力传动机构主要有主轴、中小轴及下小轴、前导向轮和后导向轮、底中齿轮和底下齿轮；变速传动机构主要有螺母、弹簧、底中齿轮、摩擦片、后导向轮和上轴；控制系统主要包括传感检测模块、驱动模块和定时模块。

Description

一种轮腿复合式轮椅的前腿机构

技术领域

本发明涉及轮椅技术，特别是一种轮腿复合式轮椅的前腿机构。该机构有利于爬楼梯和越障。

背景技术

目前，关于爬楼梯轮椅的前腿机构主要有以下技术。姜晓东等设计的“电动步行式无障碍轮椅”公开了一种电动步行式无障碍轮椅(参见专利CNlol073526A)，其主要有座架、靠背架、前轮、后轮、机械腿及动力系统等构成，该轮椅上下楼梯时采用机械腿模拟人类步行的仿生技术，使用性能稳定安全，无下滑惯性，然而该轮椅在爬楼梯时需要人力推动，费时费力，控制和操纵都比较复杂，这些问题限制了它在日常生活中的推广使用。在龚道雄等人设计的“一种六足楼梯攀爬轮椅”(参见专利CNl02755229A)中，该轮椅系统主要包括轮椅，三条椅前侧腿，三条椅背侧腿，电源控制器箱等组成，所述的三条椅前侧腿由髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和脚部组成。该轮椅的前腿可以跨越各种障碍以及在坎坷不平的路面上行走，并且在跨越障碍过程中座椅始终保持水平，保证了乘坐的舒适性和安全性。该轮椅不足之处是背靠着楼梯向上运动，前侧腿运动过程复杂，很难控制和操纵，平地运行时效率较低，同时由于其体积较大，很难在普通住宅上使用。马永为在“基于星轮系的爬楼梯轮椅研究"(参见2008年天津大学《硕士学位论文》)一文中介绍了由日本早稻田大学理工学术院高西淳夫教授的研究室以及日本机器人开发企业Tmsuk联合开发的双足行走机器人“WL-16RI Jl"，它由两条机械腿支撑一个座椅构成，每条机械腿有6个自由度，可向前、后、侧面移动，座椅底部装有陀螺仪，每条腿上装有压力传感器，通过传感器采集信息，控制其及时调整姿态保持重心平稳。WL-16RUI两腿前后伸展距离最长为1.02米，左右最长1.36米，每条腿上下运动幅度最大0.34米。但这种轮椅对控制要求很高，操作非常复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢；此外，座椅距地面的高度较大，易给使用者造成心理恐惧，距离实际应用还有很大的距离。在金振林等人给出的“一种四足步行器"(参见专利CNl02556200A)中，介绍了一种含有四条腿的步行装置，其主要有机架和连接其四角上的四条结构相同的机械腿组成，所述机械腿又有长方环型件、第一驱动支链、第二驱动支链，第三驱动支链及半球形弹性足趾等组成。这种步行机构运动灵活、行走速度快、运动空间大、运动惯量小，但在遇到楼梯、台阶等障碍时难以运行，应用范围十分有限。在董尚斌设计的“运行多用轮椅"(参见专利86210653)中，介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼，该轮椅属于轮组式爬楼梯装置，这种爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，且偏重，很难在普通住宅楼梯上使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种轮腿复合式轮椅的前腿机构。该机构可以辅助轮椅平稳的上下楼梯、跨沟和越障等，通过手动或电动控制，可以实现轮椅平稳运行和灵活转弯，使残疾人能够独立的操作轮椅实现上下楼梯、跨沟和越障，同时减轻亲属、护理或服务人员的劳动强度。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种轮腿复合式轮椅的前腿机构，其特征在于该前腿机构主要包括后连接板位姿调节机构，前连接板位姿调节机构，动力传动机构，变速传动机构和控制系统；

所述后连接板位姿调节机构包括箱体、后连接板、主轴、曲柄、导杆、滑块、导杆座、左丝杠、左齿条螺母、上电磁离合器、左手柄、后导向轮、前导向轮以及安装前导向轮的下轴；手动调节后连接板的传动连接是，直接转动左手柄，带动左丝杠转动，进而使左齿条螺母沿着左丝杠移动，左齿条螺母带动曲柄上的局部齿轮进行摆动，接着曲柄又带动滑块沿着固定于后连接板上的导杆移动，且后连接板进行摆动，从而实现位姿的调节；电动调节后连接板的传动连接是，对上电磁离合器通电，电机通过传动机构带动主轴转动，主轴上的后锥齿轮与安装在与主轴垂直上小轴上的前锥齿轮啮合，带动左下齿轮转动，左下齿轮通过与装在上小轴上的上小齿轮啮合，又带动装在上小轴上与上电磁离合器连在一起的上大齿轮转动，上大齿轮又与装在左丝杠末端的左小齿轮啮合，进而又带动左丝杠转动，左丝杠转动的同时又带动其上的左齿条螺母沿着左导轨移动，通过左齿条螺母与曲柄上的局部齿轮啮合带动曲柄摆动，曲柄又带动滑块沿着固定在后连接板上的导杆移动，实现对后连接板位姿的调节；

所述前连接板位姿调节机构包括前连接板、右丝杠、右齿条螺母、下电磁离合器、右手柄以及安装后导向轮的上轴；手动调节前连接板的传动连接是，直接转动右手柄带动右丝杠转动，进而使右齿条螺母沿着右丝杠移动，右齿条螺母带动前连接板上的局部齿轮转动，进而带动前连接板摆动，实现对前连接板位姿的调节；电动调节前连接板的传动连接是，对下电磁离合器通电，电机通过传动机构带动主轴转动，主轴上的后锥齿轮与安装在与主轴垂直上小轴上的前锥齿轮啮合，进而带动同样装在上小轴上的与下电磁离合器连在一起的右下齿轮转动，右下齿轮带动装在上小轴上的右中齿轮啮合，右中齿轮又带动装在右丝杠上的右上齿轮转动，进而带动安装于丝杠上的右齿条螺母沿着右导轨移动，然后通过右齿条螺母与前连接板上的局部齿轮啮合带动前连接板摆动，实现对前连接板位姿的调节；

所述动力传动机构主要有主轴、固定在前连接板上的中小轴以及后连接板上的下小轴、带有摩擦片的前导向轮和后导向轮、带有弹簧安装于导向轮上的底中齿轮和底下齿轮；其传动连接是，电机通过传动机构带动主轴转动，主轴上的底上齿轮与安装在中小轴上的上中介齿轮啮合，进而通过底中齿轮带动后导向轮转动，底中齿轮再通过与下小轴上的下中介齿轮啮合，带动底下齿轮转动，进而带动前导向轮转动，实现前导向轮和后导向轮的动力传动；

所述变速传动机构的变速传动部件主要有螺母、弹簧、底中齿轮、摩擦片、后导向轮和上轴；其传动连接是，后导向轮上安装有后变速传动部件，在轮椅运动过程中，当后导向轮与楼梯接触时，通过调节带有弹簧的底中齿轮上螺母，进而调节后导向轮与摩擦片之间的摩擦力，因而调节底中齿轮通过摩擦片传递到后导向轮上的动力，实现在调节轮椅位姿时，保持后导向轮的运动或静止；前导向轮上同样安装有前变速传动部件，前变速传动部件与后变速传动部件结构相同；

所述控制系统主要包括传感检测模块、驱动模块和定时模块；整个前腿机构的动力由驱动模块的主电机提供，其传动连接是，主电机带动主轴转动并通过传动机构带动下电磁离合器、上电磁离合器、前导向轮以及后导向轮；传感检测模块主要包括前导向轮、后导向轮、位置传感器、角位移传感器、角速度传感器及力传感器，通过对导向轮的位置、角位移、角速度以及所受力的检测，并向主机实时传送数据，使轮椅可靠平稳运行；定时模块通过对离合器的定时接通及分离来实时调节前腿机构的位姿。

与现有技术相比，本发明轮腿复合式轮椅的前腿机构具有以下优点：

1.爬楼越障能力提高；在爬楼梯运动过程中，通过对前腿机构的不断调节，可有效地增强了爬楼的动力，大大增强了轮椅的爬楼能力。

2.控制方便，操作简单；加入本发明前腿机构的轮腿复合式轮椅与步行式轮椅结构相比，在坑洼不平的路面上运动时灵活性高，控制方便，操作简单，且不会出现迟缓现象；与行星轮式轮椅结构相比，运动平稳性较好，乘坐舒适。轮椅安装了本发明前腿机构之后，乘坐者可单独手动与电动操作，可以辅助轮椅实现平稳上下楼梯及越障，提高了乘坐者的行动自由度，减轻了亲属或看护人员的劳动强度。

3.结构紧凑，制造成本低；本发明前腿机构通过单动力源即可实现多运动传递，整体结构紧凑，位姿调节运动灵活，便于实现自动控制，制造成本低，运行精度高，且稳定可靠。

4.正面攀爬，安全舒适；安装本发明前腿机构的轮腿复合式轮椅正面攀爬楼梯或越障，符合人们爬楼习惯，提高了使用者的安全性与舒适度。

5.可以手动调节前腿姿态，通过转动手柄带动丝杠转动，使齿条螺母移动，从而使连接板和曲柄摆动，实现前腿机构的姿态调节。

6.可以电动调节前腿姿态，通过对离合器通断电将主轴上的动力传到齿轮上，进而再通过一系列齿轮啮合传动带动丝杠转动，从而使齿条螺母移动，达到使前连接板和曲柄摆动，实现前腿机构姿态调节。

附图说明

图l是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的总体结构前侧示意图；

图2是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的前腿机构与轮椅连接的结构示意图；

图3是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的前连接板调节结构示意图；

图4是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的后连接板调节结构示意图；

图5是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的导向轮动力调整机构示意图；

图6是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的导向轮变速传动部件结构示意图；

图7是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的总体结构后侧示意图；

图8是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的上下楼梯过程位姿示意图；其中，

图8(1)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的上楼梯过程位姿示意图；其中，

图8(1a)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构靠近台阶，准备爬楼的示意图；

图8(1h)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中的前导向轮翻越台阶的示意图；

图8(1c)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中前导向轮已翻上台阶，后导向轮翻越台阶的示意图；

图8(1d)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构翻到台阶上的位姿示意图。

图8(2)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的下楼梯位姿示意图；其中，

图8(2a)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构靠近台阶，准备下楼的示意图。

图8(2b)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中前导向轮跨越台阶的示意图。

图8(2c)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中前导向轮已越过台阶，后导向轮跨越台阶的示意图。

图8(2d)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构下到平地上(前腿机构中前导向轮已越过台阶，后导向轮越台阶的情形)的示意图。

图9是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的越障过程位姿示意图；其中，

图9(a)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构抬起，准备跨越障碍的示意图。

图9(b)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中前导向轮跨上障碍的示意图。

图9(c)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中后导向轮跨越障碍的位姿示意图。

图9(d)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构跨上障碍的示意图。

图9(e)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构从障碍上向下的示意图。

图9(f)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中前导向轮着地的示意图。

图9(g)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中后导向轮着地的示意图。

图9(h)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构完全着地的示意图。

图10是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的跨沟过程位姿示意图；其中，

图10(a)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中前导向轮跨上沟沿的示意图；

图10(b)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中后导向轮翻越沟沿的示意图；

图10(c)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构中后导向轮跨上沟沿的示意图；

图10(d)是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构完全跨越沟坎的示意图。

图11是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的控制系统结构示意图。

图12是本发明轮腿复合式轮椅前腿机构一种实施例的控制程序框图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步详述：

本发明设计的轮腿复合式轮椅前腿机构(简称前腿机构，参见图l—12)，安装在轮椅机架底部的前端(其连接结构参见图2)，前腿机构顶部箱体通过螺栓与轮椅机架连接在一起，其特征在于该前腿机构主要包括后连接板位姿调节机构l，前连接板位姿调节机构2，动力传动机构3，变速传动机构4和控制系统5。

本发明前腿机构所述的后连接板位姿调节机构1(参见图l、4、7)，它包括箱体119、后连接板110、主轴17、曲柄13、导杆14、滑块19、导杆座15、左丝杠112、左齿条螺母111、上电磁离合器22、左手柄11、后导向轮16及前导向轮18以及安装前导向轮18的下轴38等。当对后连接板110进行调节时(参见图3)，既可以手动调节，也可以电动调节。其手动调节的传动连接是，通过直接转动左手柄11带动左丝杠112转动(参见图6)，进而使左齿条螺母111沿着左丝杠112移动，然后左齿条螺母111带动曲柄13上的局部齿轮进行摆动，接着曲柄13又带动滑块19沿着固定于后连接板110上的导杆14移动，且后连接板110进行摆动，从而实现位姿的调节；电动调节的传动连接是，对上电磁离合器22通电，电机通过传动系统带动主轴17转动，主轴17上的后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，带动左下齿轮113转动，左下齿轮113通过与装在上小轴116上的上小齿轮114啮合，又带动装在上小轴116上与上电磁离合器22连在一起的上大齿轮115转动，上大齿轮115又与装在左丝杠112末端的左小齿轮117啮合，进而又带动左丝杠112转动，左丝杠112转动的同时又带动其上的左齿条螺母111沿着左导轨118移动，然后通过左齿条螺母111与曲柄13上的局部齿轮啮合带动曲柄13摆动，曲柄13又带动滑块19沿着固定在后连接板110上的导杆14移动，实现对后连接板110位姿的调节。所述的传动或调节过程表明了相关零部件的安装连接方法。

所述前连接板位姿调节机构2(参见图l及图7)，它包括前连接板23、右丝杠211、右齿条螺母24、下电磁离合器12、右手柄2l以及安装后导向轮16的上轴38等。当对前连接板23进行调节时(参见图2)，既可以手动调节，也可以电动调节。手动调节的传动连接是，通过直接转动右手柄21带动右丝杠211转动，进而使右齿条螺母24沿着右丝杠211移动，然后右齿条螺母24带动前连接板23上的局部齿轮转动，前连接板23上的局部齿轮带动前连接板23摆动，实现对前连接板23位姿的调节；电动调节的传动连接是，对下电磁离合器12通电，电机通过传动系统带动主轴17转动，主轴17上的后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，进而带动同样装在上小轴116上的与下电磁离合器12连在一起的右下齿轮27转动，右下齿轮27又带动装在上小轴116上的右中齿轮28啮合，右中齿轮28又带动装在右丝杠211上的右上齿轮26转动，进而带动安装于丝杠上的右齿条螺母24沿着右导轨25移动，然后通过右齿条螺母24与前连接板23上的局部齿轮啮合带动前连接板23摆动，实现对前连接板23位姿的调节。所述的传动或调节过程表明了相关零部件的安装连接方法。

所述的动力传动机构3(参见图5)，其主要有主轴17、固定在前连接板23上的中小轴33以及后连接板110上的下小轴36、带有摩擦片的前导向轮18和后导向轮16、带有弹簧安装于导向轮上的底中齿轮34和底下齿轮37等组成。当电机通过传动系统带动主轴17转动时，主轴17上的底上齿轮31与安装在中小轴33上的上中介齿轮32啮合，进而通过底中齿轮34带动后导向轮16转动，底中齿轮34再通过与下小轴36上的下中介齿轮35啮合带动底下齿轮37转动，进而带动前导向轮18转动。从而实现前导向轮18和后导向轮16的动力传动。所述的传动关系也表明了相关零部件的安装连接方法。

所述的变速传动机构4(参见图6)，其主要的变速传动部件有螺母43、弹簧42、底中齿轮34、摩擦片4l及后导向轮16和上轴38等。在前导向轮18及后导向轮16上都安装着相同的变速传动部件，其工作原理相同。下面仅就后导向轮16上变速传动部件作介绍。在轮椅运动过程中，当后导向轮16与楼梯接触时，可以通过调节带有弹簧42的底中齿轮34上螺母43，进而可以调节后导向轮16与摩擦片4l之间的摩擦力，因而可以调节底中齿轮34通过摩擦片41传递到后导向轮16上的动力，最终可以实现在调节位姿时，保持后导向轮16的运动或静止。所述的运动或调节过程也表明了相关零部件的传动安装连接方法。

在轮椅运动过程中，在对前腿机构调节的同时，通过对安装有弹簧42的底中齿轮34的弹力进行调整，可以通过摩擦片4l调节底中齿轮34与后导向轮16之间的摩擦力，致使后导向轮16可以运动，也可以静止，对前导向轮18也可有同样的操作。

本发明前腿机构在上、下楼梯、翻越障碍和跨越沟壑过程中的工作原理、操作和运动过程如下：

上楼梯时：当电动轮椅即将靠近楼梯，准备上楼梯时，通过控制器对下电磁离合器12通电，进而将主轴17上的动力通过后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，带动右下齿轮27转动，右下齿轮27通过与右中齿轮28啮合，又带动右上齿轮26转动，右上齿轮26带动右丝杠211转动，进而带动安装于右丝杠211上的右齿条螺母24沿着右导轨25移动，然后通过右齿条螺母24与前连接板23上的局部齿轮啮合带动前连接板23摆动一定的角度，然后将下电磁离合器12断电，把前连接板23锁定在这一位置，接着通过控制器对上电磁离合器22通电，电机通过传动系统带动主轴17转动，主轴17上的后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，带动左下齿轮113转动，左下齿轮113通过与上小齿轮114啮合，又带动左小齿轮117转动，左小齿轮117带动左丝杠112转动，进而带动安装于左丝杠112上的左齿条螺母11l沿着左导轨118移动，然后通过左齿条螺母111与曲柄13上的局部齿轮啮合带动曲柄13摆动，曲柄13又带动滑块19沿着固定在后连接板110上的导杆14移动，从而将后连接板110调至前导向轮18与楼梯接触的位置，之后随着轮椅不断向前运动，连续重复的进行上述调节过程，直至最终爬上楼梯。当手动调节时只需转动右手柄2l或左手柄11，就可以带动右齿条螺母24或左齿条螺母11l移动，进而可以带动曲柄13和前连接板23摆动，实现其前腿机构上楼位姿的调节，之后伴随着轮椅的运动，重复上述过程，直至轮椅爬上楼梯。其运动过程如下(参见图8(1))：前腿机构靠近台阶，准备爬楼(参见8(1)的(a))；前腿机构中的前导向轮18翻越台阶的情形(参见8(1)的(b))；前腿机构中前导向轮18已翻上台阶，后导向轮16翻越台阶的情形(参见8(1)的(c))；前腿机构翻到台阶上的情形(参见8(1)的(d))。

下楼梯时：当电动轮椅运动到即将下楼梯的位置时，通过控制器对下电磁离合器12通电，进而将主轴17上的动力通过后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，带动右下齿轮27转动，右下齿轮27通过与右中齿轮28啮合，又带动右上齿轮26转动，右上齿轮26带动右丝杠211转动，进而带动安装于右丝杠211上的右齿条螺母24沿着右导轨25移动，然后通过右齿条螺母24与前连接板23上的局部齿轮啮合带动前连接板23摆动，当前连接板23摆到与竖直方向平齐时将其锁定，将下电磁离合器12断电，接着通过控制器对上电磁离合器22通电，电机通过传动系统带动主轴17转动，主轴17上的后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，带动左下齿轮113转动，左下齿轮113通过与上小齿轮114啮合，又带动左小齿轮117转动，左小齿轮117带动左丝杠112转动，进而带动安装于左丝杠112上的左齿条螺母111沿着左导轨118移动，然后通过左齿条螺母111与曲柄13上的局部齿轮啮合带动曲柄13摆动，曲柄13又带动滑块12沿着固定在后连接板110上的导杆14移动，从而将后连接板110调至前导向轮18与楼梯接触的位置，接下来随着轮椅不断向前运动，不断地对前连接板23和后连接板110进行调节，直至轮椅平稳的走出楼梯。当手动调节时只需转动右手柄2l或左手柄11，就可以通过右丝杠211或左丝杠112带动右齿条螺母24或左齿条螺母111移动，进而带动曲柄l3和前连接板23摆动，实现其前腿机构下楼位姿的调节，之后伴随着轮椅的运动，重复上述过程，直至轮椅爬上楼梯。其运动过程如下(参见图8(2))：前腿机构靠近台阶准备下楼(参见图8(2)的(a))；前腿机构中前导向轮18越台阶的情形(参见图8(2)的(b))；前腿机构中前导向轮18已越过台阶，后导向轮16越台阶的情形(参见图8(2)的(c))；前腿机构下到平地上的情形(参见图8(2)的(d))。

跨越障碍时：当电动轮椅运动到即将靠近障碍物时通过控制器对下电磁离合器12通电，进而将主轴17上的动力通过后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，带动右下齿轮27转动，右下齿轮27通过与右中齿轮28啮合，又带动右上齿轮26转动，右上齿轮26带动右丝杠211转动，进而带动安装于右丝杠211上的右齿条螺母24沿着右导轨25移动，然后通过右齿条螺母24与前连接板23上的局部齿轮啮合带动前连接板23摆动，当前连接板23摆到与水平方向平齐时将其锁定，然后将下电磁离合器12断电，接着通过控制器对上电磁离合器22通电，电机通过传动系统带动主轴17转动，主轴17上的后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，带动左下齿轮113转动，左下齿轮113通过与上小齿轮114啮合，又带动左小齿轮117转动，左小齿轮117带动左丝杠112转动，进而带动安装于左丝杠112上的左齿条螺母111沿着左导轨118移动，然后通过左齿条螺母111与曲柄13上的局部齿轮啮合带动曲柄13摆动，曲柄13带动滑块19沿着固定在后连接板110上的导杆14移动，从而将后连接板110调至前导向轮18与障碍物接触的位置，之后随着轮椅不断向前运动，不断地对前连接板23和后连接板110进行调节，直至轮椅平稳的跨越障碍。其运动过程如下(参见图9)：前腿机构抬起，准备跨越障碍(参见图9的(a))；前腿机构中前导向轮18跨上障碍(参见图9的(b))；前腿机构中后导向轮16跨越障碍的过程(参见图9的(c))；前腿机构跨上障碍的示意图(参见图9的(d))；前腿机构从障碍上向下的过程(参见图9的(e))；前腿机构中前导向轮18着地示意图(参见图9的(f))；前腿机构中后导向轮16着地示意图(参见图9的(g))；前腿机构完全着地示意图(参见图9的(h))。

跨越沟壑时：当电动轮椅运动到即将靠近沟壑时通过控制器对下电磁离合器12通电，将主轴17上的动力通过后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，带动右下齿轮27转动，右下齿轮27通过与下电磁离合器12连在一起的右中齿轮28啮合，又带动右上齿轮26转动，右上齿轮26带动右丝杠211转动，进而带动安装于右丝杠211上的右齿条螺母24沿着右导轨25移动，然后通过右齿条螺母24与前连接板23上的局部齿轮啮合带动前连接板23摆动，当前连接板23摆到与水平方向快平齐时将其锁定，然后将下电磁离合器12断电，接着通过控制器对上电磁离合器22通电，电机通过传动系统带动主轴17转动，主轴17上的后锥齿轮210与安装在与主轴垂直上小轴116上的前锥齿轮29啮合，带动左下齿轮113转动，左下齿轮113通过与上小齿轮114啮合，又带动左小齿轮117转动，左小齿轮117带动左丝杠112转动，进而带动安装于左丝杠112上的左齿条螺母111沿着左导轨118移动，然后通过左齿条螺母111与曲柄13上的局部齿轮啮合带动曲柄l3摆动，曲柄13带动滑块19沿着固定在后连接板l3上的导杆14移动，从而将后连接板110调至前导向轮18与障碍物接触的位置，之后随着轮椅不断向前运动，不断地对前连接板23和后连接板3进行调节，直至轮椅平稳的跨越沟壑。其运动过程如下(参见图10)：前腿机构中前导向轮18跨上沟沿的情形(参见图10的(a))；前腿机构中后导向轮16翻越沟沿的情形(参见图10的(b))；前腿机构中后导向轮16跨上沟沿的情形(参见图10的(c))；前腿机构完全跨越沟坎的情形(参见图10的(d))。

本发明前腿机构的控制系统5主要包括传感检测模块A、驱动模块B和定时模块c(参见图11)。整个前腿机构的动力由驱动模块B的主电机提供，主电机带动主轴17转动，并通过传动机构带动下电磁离合器12、上电磁离合器22、前导向轮18以及后导向轮16工作；传感检测模块A主要包括前导向轮18、后导向轮16、位置传感器、角位移传感器、角速度传感器及力传感器，通过对导向轮的位置、角位移、角速度以及所受力的检测，并向主机实时传送数据，使轮椅可靠平稳运行；定时模块c通过对离合器的定时接通及分离来实时调节前腿机构的位姿。

本发明前腿机构运行模式下的控制流程(参见图12)，采用面向数字的信号处理方式，并通过控制软件得以实现。具体步骤如下：

步骤l：系统初始化并执行步骤2；

步骤2：各种参数初始化设置，并执行步骤3；

步骤3：检测按键和手柄是否正常，如果正常则执行步骤4，否则执行步骤5；

步骤4：采用手动还是自动，若采用手动则执行步骤6，否则执行步骤12：

步骤5：系统暂停并报警，进行故障排除；

步骤6：检测是否调整前连接板23，如果是则执行步骤7，否则执行步骤8；

步骤7：手动转动右手柄2l，调整前连接板23，并执行步骤8；

步骤8：检测是否调整前连接板23，如果是则执行步骤9，否则执行步骤10；

步骤9：手动转动左手柄11，调整前连接板110，并执行步骤10；

步骤10：驱动主电机转动，并执行步骤11；

步骤11：检测是否到最后一个台阶，如果是则执行步骤18，否则执行步骤6；

步骤12：用位置传感器检测踢面、踏面及台阶的具体位置，并执行步骤13：

步骤13：检测是否第一个台阶，如果是则执行步骤14，否则执行步骤16：

步骤14：检测导向轮位置、转角、角速度及受力并驱动电机转动，并执行步骤15；

步骤15：检测是否到最后一个台阶，如果是则执行步骤16，否则执行步骤14；

步骤16：检测导向轮位置、转角、角速度及受力并驱动导向轮转动，并执行步骤17；

步骤17：检测是否到最后一个台阶，如果是则执行步骤18，否则执行步骤12；

步骤18：系统停止。

依据说明书及其附图所述，本领域技术人员容易给出控制流程软件的具体内容。

概言之，本发明前腿机构是一个具有两个转动关节、一个足底滚进轮构成的三自由度机构。轮椅平地运行时，前腿机构的位姿锁定不变，沿着地面运动，起导向和支撑作用；在轮椅上下楼梯或跨沟越坎时，对前腿机构位姿的调节可以电动，也可以手动，有利于辅助轮椅平稳可靠的运行。对前腿机构位姿的调节，可以同时调节前连接板23与曲柄13，也可以锁定前连接板23，而单独调节曲柄13，并且在调节过程中，与地面接触的后导向轮16可以运动，也可以静止不动。对前导向轮18也可有同样的操作。在轮椅的运动过程中，前腿机构中的两个轮子依次轮流支撑和跨越台阶，并与其它轮足(例如八足轮腿复合轮椅)作为辅助支撑与轮子交替支撑，实现攀爬楼梯的功能。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种轮腿复合式轮椅的前腿机构，其特征在于该前腿机构主要包括后连接板位姿调节机构，前连接板位姿调节机构，动力传动机构，变速传动机构和控制系统；

所述后连接板位姿调节机构包括箱体、后连接板、主轴、曲柄、导杆、滑块、导杆座、左丝杠、左齿条螺母、上电磁离合器、左手柄、后导向轮、前导向轮以及安装前导向轮的下轴；手动调节后连接板的传动连接是，直接转动左手柄，带动左丝杠转动，进而使左齿条螺母沿着左丝杠移动，左齿条螺母带动曲柄上的局部齿轮进行摆动，接着曲柄又带动滑块沿着固定于后连接板上的导杆移动，且后连接板进行摆动，从而实现位姿的调节；电动调节后连接板的传动连接是，对上电磁离合器通电，电机通过传动机构带动主轴转动，主轴上的后锥齿轮与安装在与主轴垂直上小轴上的前锥齿轮啮合，带动左下齿轮转动，左下齿轮通过与装在上小轴上的上小齿轮啮合，又带动装在上小轴上与上电磁离合器连在一起的上大齿轮转动，上大齿轮又与装在左丝杠末端的左小齿轮啮合，进而又带动左丝杠转动，左丝杠转动的同时又带动其上的左齿条螺母沿着左导轨移动，通过左齿条螺母与曲柄上的局部齿轮啮合带动曲柄摆动，曲柄又带动滑块沿着固定在后连接板上的导杆移动，实现对后连接板位姿的调节；

所述前连接板位姿调节机构包括前连接板、右丝杠、右齿条螺母、下电磁离合器、右手柄以及安装后导向轮的上轴；手动调节前连接板的传动连接是，直接转动右手柄带动右丝杠转动，进而使右齿条螺母沿着右丝杠移动，右齿条螺母带动前连接板上的局部齿轮转动，进而带动前连接板摆动，实现对前连接板位姿的调节；电动调节前连接板的传动连接是，对下电磁离合器通电，电机通过传动机构带动主轴转动，主轴上的后锥齿轮与安装在与主轴垂直上小轴上的前锥齿轮啮合，进而带动同样装在上小轴上的与下电磁离合器连在一起的右下齿轮转动，右下齿轮带动装在上小轴上的右中齿轮啮合，右中齿轮又带动装在右丝杠上的右上齿轮转动，进而带动安装于丝杠上的右齿条螺母沿着右导轨移动，然后通过右齿条螺母与前连接板上的局部齿轮啮合带动前连接板摆动，实现对前连接板位姿的调节；

所述动力传动机构主要有主轴、固定在前连接板上的中小轴以及后连接板上的下小轴、带有摩擦片的前导向轮和后导向轮、带有弹簧安装于导向轮上的底中齿轮和底下齿轮；其传动连接是，电机通过传动机构带动主轴转动，主轴上的底上齿轮与安装在中小轴上的上中介齿轮啮合，进而通过底中齿轮带动后导向轮转动，底中齿轮再通过与下小轴上的下中介齿轮啮合，带动底下齿轮转动，进而带动前导向轮转动，实现前导向轮和后导向轮的动力传动；

所述变速传动机构的变速传动部件主要有螺母、弹簧、底中齿轮、摩擦片、后导向轮和上轴；其传动连接是，后导向轮上安装有后变速传动部件，在轮椅运动过程中，当后导向轮与楼梯接触时，通过调节带有弹簧的底中齿轮上螺母，进而调节后导向轮与摩擦片之间的摩擦力，因而调节底中齿轮通过摩擦片传递到后导向轮上的动力，实现在调节轮椅位姿时，保持后导向轮的运动或静止；前导向轮上同样安装有前变速传动部件，前变速传动部件与后变速传动部件结构相同；

所述控制系统主要包括传感检测模块、驱动模块和定时模块；整个前腿机构的动力由驱动模块的主电机提供，其传动连接是，主电机带动主轴转动并通过传动机构带动下电磁离合器、上电磁离合器、前导向轮以及后导向轮；传感检测模块主要包括前导向轮、后导向轮、位置传感器、角位移传感器、角速度传感器及力传感器，通过对导向轮的位置、角位移、角速度以及所受力的检测，并向主机实时传送数据，使轮椅可靠平稳运行；定时模块通过对离合器的定时接通及分离来实时调节前腿机构的位姿。

2.根据权利要求1所述轮腿复合式轮椅的前腿机构，其特征在于该前腿机构运行模式下的控制流程采用面向数字的信号处理方式，具体步骤如下：

步骤l：系统初始化并执行步骤2；

步骤2：各种参数初始化设置，并执行步骤3；

步骤3：检测按键和手柄是否正常，如果正常则执行步骤4，否则执行步骤5；

步骤4：采用手动还是自动，若采用手动则执行步骤6，否则执行步骤12；

步骤5：系统暂停并报警，进行故障排除；

步骤6：检测是否调整前连接板，如果是则执行步骤7，否则执行步骤8；

步骤7：手动转动右手柄，调整前连接板，并执行步骤8；

步骤8：检测是否调整前连接板，如果是则执行步骤9，否则执行步骤10；

步骤9：手动转动左手柄，调整前连接板，并执行步骤10；

步骤10：驱动主电机转动，并执行步骤11；

步骤11：检测是否到最后一个台阶，如果是则执行步骤18，否则执行步骤6；

步骤12：用位置传感器检测踢面、踏面及台阶的具体位置，并执行步骤l3：

步骤13：检测是否第一个台阶，如果是则执行步骤14，否则执行步骤16；

步骤14：检测导向轮位置、转角、角速度及受力并驱动电机转动，并执行步骤15；

步骤15：检测是否到最后一个台阶，如果是则执行步骤16，否则执行步骤14；

步骤16：检测导向轮位置、转角、角速度及受力并驱动导向轮转动，并执行步骤17；

步骤17：检测是否到最后一个台阶，如果是则执行步骤18，否则执行步骤12；

步骤18：系统停止。