一种可爬台阶的轮椅

1.一种可爬台阶的轮椅，包括轮椅框架、前支撑轮、后支撑轮、前支撑脚、后支撑脚和轴，其特征在于该轮椅还包括平行四边形机构和棘轮机构；所述平行四边形机构是一个四连杆机构，包括主动曲柄、从动曲柄、传动带、连杆、前驱动脚、后驱动脚和曲柄轴；主动曲柄经棘轮旋转副安装在轴上；从动曲柄经旋转副安装在曲柄轴上；连杆的两端分别与主动曲柄和从动曲柄连接并形成连杆旋转副；连杆处于轮椅最外侧，主动曲柄和从动曲柄之间用传动带连接，与连杆的连接形成对主动曲柄和从动曲柄的过约束；前驱动脚和后驱动脚分别垂直焊接在连杆上，且主动曲柄的长度与从动曲柄的长度相等，存在于轮椅框架上的支撑主动曲柄和从动曲柄的两个铰链间的距离与连杆的长度相等，使该四连杆机构在任意运动状态下的形状呈平行四边形；
所述棘轮机构包括棘轮卡块、棘轮、滑套和后轮毂；棘轮、滑套和后轮毂分别经各自的旋转副安装在轴上，棘轮挨着主动曲柄安装，两者之间安装有棘轮卡块，形成棘轮式运动副；后轮毂安装于棘轮和后支撑轮之间，主动曲柄、棘轮和后轮毂通过棘轮式运动副及三者的花键与滑套配合连接，形成稳固的动连接；滑套可左右移动，控制后支撑轮与主动曲柄及棘轮之间的动力传输方式；
所述后驱动脚包含调控后驱动脚长度的后驱动伸缩脚，前驱动脚也包含调节前驱动脚长度的前驱动伸缩脚；同样，所述前支撑脚和后支撑脚均包括调控其各自支撑脚长度的前、后支撑伸缩脚。
2.根据权利要求1所述的可爬台阶的轮椅，其特征在于所述前驱动伸缩脚和后驱动伸缩脚为螺纹套管结构、液压或气压传动装置。
3.根据权利要求1所述的可爬台阶的轮椅，其特征在于所述前支撑脚、后支撑脚为螺纹套管结构、液压或气压传动装置。

一种可爬台阶的轮椅\n技术领域\n[0001] 本发明涉及轮椅技术，具体为一种可爬台阶的轮椅。\n背景技术\n[0002] 普通轮椅可以方便残疾人行走，但是当遇到台阶时轮椅便会受到限制，使残疾人的活动范围受到约束。\n[0003] 为解决这个问题，目前主要有履带式向前向后爬楼梯的轮椅和利用行星轮来爬台阶的轮椅。申请号为200820191165.1的专利中介绍了一种履带式向前向后爬楼梯的轮椅，该专利的主要内容是在轮椅的底部加装履带或将原来的轮椅车轮换成履带，通过设计履带前后的接近角和离开角以及履带机构的高度来实现轮椅的爬台阶能力。理论上说这种方案可以解决轮椅的爬台阶问题，但是由于履带机构与轮椅是相对静止的，当轮椅爬台阶时由于履带会随着台阶的起伏而与地面形成夹角，轮椅也之与地面形成夹角，由于轮椅和人组成的系统重心较高，所以在重力和该夹角的作用下会对人造成不安全因素，严重的时候还会使轮椅向后翻滚使人受伤。此外，由于履带跟地面接触时摩擦力较大，这样就会导致轮椅转向困难，即在转向时需要更大的力，履带还会损坏台阶的边缘。总之，履带式爬台阶轮椅可以实现台阶的攀爬，但是存在不安全、转向困难、易损坏台阶等缺点。\n[0004] 利用行星轮来实现轮椅的爬台阶性能的技术方案有很多，专利201120066782介绍了一种会爬台阶的轮椅，该专利中将普通轮椅的前轮（导向轮）换成了行星轮，通过行星轮的公转提高了轮椅的越障能力。专利201120141381介绍的一种爬楼轮椅和专利\n201120181617介绍的一种电动爬楼轮椅都是将普通轮椅的后轮换成了行星轮。行星轮的含义：行星轮就是在行星轮的中心存在一个主转动副，主转动副连接轮椅和行星架，使行星架能绕主转动副转动；在行星轮架上存在若干个副转动副，这些副转动副均匀分布在行星架上用来连接行星架和行星轮。这样整个行星轮系既可以绕主转动副公转，行星轮又可以绕付转动副自转。这些专利都是利用行星轮系技能公转又能自转这一特点实现轮椅对台阶的攀爬。但无论是将轮椅前轮换成行星轮系还是将后轮换成行星轮系，都避免不了行星轮系在公转时做大幅度的中心波动，这一波动会使人感到非常不舒适并且带来安全隐患。当行星轮系中有两个行星轮同时接触地面时，轮椅是无法转向的。此外行星轮系式轮椅的爬台阶高度受到行星架尺寸的限制，行星架半径越大，轮椅的爬台阶能力越强，但是运动时中心波动也就越大。行星架半径越小，爬台阶时中心波动也越小，但是轮椅的爬台阶能力也会变得越弱。\n发明内容\n[0005] 针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是:提供一种可爬台阶的轮椅。\n该轮椅在平地行驶时机动性能好，爬台阶时平稳安全，可攀爬台阶的种类多，用途广泛。\n[0006] 本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种可爬台阶的轮椅,该轮椅包括轮椅框架、前支撑轮、后支撑轮、前支撑脚、后支撑脚和轴，其特征在于该轮椅还包括平行四边形机构和棘轮机构；所述平行四边形机构是一个四连杆机构，包括主动曲柄、从动曲柄、传动带、连杆、前驱动脚、后驱动脚和曲柄轴；主动曲柄经棘轮旋转副安装在轴上；从动曲柄经旋转副安装在曲柄轴上；连杆的两端分别与主动曲柄和从动曲柄连接并形成连杆旋转副；连杆处于轮椅最外侧，主动曲柄和从动曲柄之间用传动带连接，与连杆的连接形成对主动曲柄和从动曲柄的过约束；前驱动脚和后驱动脚分别垂直焊接在连杆上，且主动曲柄的长度与从动曲柄的长度相等，存在于轮椅框架上支撑主动曲柄和从动曲柄的两个铰链间的距离与连杆的长度相等，使该四连杆机构在任意运动状态下的形状呈平行四边形；\n[0007] 所述棘轮机构包括棘轮卡块、棘轮、滑套和后轮毂；棘轮、滑套和后轮毂分别经各自的旋转副安装在轴上，棘轮挨着主动曲柄安装，两者之间安装有棘轮卡块，形成棘轮式运动副；后轮毂安装于棘轮和后支撑轮之间，主动曲柄、棘轮和后轮毂通过棘轮式运动副及三者的花键与滑套配合连接，形成稳固的动连接；滑套可左右移动，控制后支撑轮与主动曲柄及棘轮之间的动力传输方式；\n[0008] 所述后驱动脚包含调控后驱动脚长度的后驱动伸缩脚，前驱动脚也包含调节前驱动脚长度的前驱动伸缩脚；同样，所述前支撑脚和后支撑脚均包括调控其各自支撑脚长度的前、后支撑伸缩脚。\n[0009] 与现有技术相比，本发明采用了长度可调的平行四边形机构作为爬台阶的工具，而且在平行四边形机构与后支撑轮之间采用可分离式棘轮机构作为动力连接，因而轮椅具有攀爬多种台阶的能力；而且在爬台阶时能保证轮椅的座椅与地面平行，从而提高了使用者的安全系数。\n附图说明\n[0010] 图1是本发明可爬台阶轮椅一种实施例的整体结构示意图。\n[0011] 图2是本发明可爬台阶轮椅一种实施例的平行四边形机构装配示意图。\n[0012] 图3是本发明可爬台阶轮椅一种实施例的棘轮机构结构示意图。其中，[0013] 图3（A）是本发明可爬台阶轮椅一种实施例的棘轮机构装配示意图；\n[0014] 图3（B）是本发明可爬台阶轮椅一种实施例的棘轮机构剖面结构示意图。\n具体实施方式\n[0015] 下面结合实施例及其附图进一步详细叙述本发明。\n[0016] 本发明设计的可爬台阶的轮椅（简称轮椅，参见图1-3），包括轮椅框架1、前支撑轮2、后支撑轮3、平行四边形机构4、前支撑脚5、后支撑脚6、棘轮机构7和轴8；其中，前、后支撑轮2、3和前、后支撑脚5、6均为两个，对称安装在轮椅的两侧；所述前支撑轮2和后支撑轮3可旋转，能够实现轮椅在平地上自由移动；后支撑轮轴8焊接在轮椅框架1上，后支撑轮3安装在轴8上，前支撑脚5、后支撑脚6固定在轮椅框架1上；所述支撑脚5、6均包含一节伸缩脚，可以通过调节伸缩脚来调整支撑脚5、6的长度。\n[0017] 所述平行四边形机构4是一个四连杆机构，包括主动曲柄41、从动曲柄42、传动带\n43、连杆44、前驱动脚45、后驱动脚46和曲柄轴47；主动曲柄41经棘轮旋转副安装在轴8上；曲柄轴47焊接在轮椅框架1上，从动曲柄42通过旋转副安装在曲柄轴47上；连杆44的两端分别与主动曲柄41和从动曲柄42连接并形成连杆旋转副；连杆44处于轮椅最外侧，主动曲柄41和从动曲柄42之间用传动带43连接，与连杆44的连接形成对主动曲柄41和从动曲柄42的过约束；前驱动脚45和后驱动脚46分别垂直焊接在连杆44上，且主动曲柄41的长度与从动曲柄42的长度相等，存在于轮椅框架1上支撑主动曲柄41和从动曲柄\n42的两个铰链间的距离与连杆44的长度相等，使该四连杆机构在任意运动状态下的形状呈平行四边形。\n[0018] 所述棘轮机构7包括棘轮卡块结构71、棘轮72、滑套73和后轮毂74；棘轮卡块结构71由棘轮卡块711与弹簧712组成，弹簧712的一端与主动曲柄41相接触，另一端与棘轮卡块711连接，而棘轮卡块711远离弹簧712的一端与棘轮72相接触；棘轮72、滑套73和后轮毂74均安装在轴8上，棘轮72挨着主动曲柄41并形成棘轮旋转副，两者之间安装有棘轮卡块结构71，形成棘轮式运动副；后轮毂74安装于棘轮72和后支撑轮3之间，后轮毂74与棘轮72之间可以通过其表面的花键与滑套73内部的花键嵌套连接在一起；后轮毂\n74与后支撑轮3通过辐条连接；滑套73可用手左右移动，控制后支撑轮3与主动曲柄41及棘轮72之间的动力传输方式，当滑套73只位于后轮毂74上时，后支撑轮3与主动曲柄41及棘轮72之间没有动力传输；当滑套73移动到后轮毂74与棘轮72之上时，滑套73的花键与两者的花键嵌套在一起，后支撑轮3的动力通过后轮毂74传递到棘轮72，再通过棘轮\n72与主动曲柄41之间的棘轮旋转副把动力传递到平行四边形机构4，驱动平行四边形机构\n4运作；当滑套73与主动曲柄41、棘轮72、后轮毂74均结合时，后支撑轮3直接把动力传递到主动曲柄41来驱动平行四边形机构4运作。\n[0019] 所述后驱动脚46包含后伸缩脚461，可以通过调节后伸缩脚461来实现调控后驱动脚46的长度。同样,前驱动脚45也包含前伸缩脚451,也可以通过调节前伸缩脚451来调节前驱动脚45的长度。\n[0020] 本发明轮椅的平行四边形机构是该轮椅实现爬台阶能力的驱动机构，其作用是将车轮的转动转换为轮椅的平移和举升运动,其特点是保持轮椅在运动过程中与地面的平行。具体工作原理如下：在连杆44上装有与连杆44垂直的前驱动脚45和后驱动脚46，用户通过调整两驱动脚的长度使连杆44与地面平行，根据上述平行四边形的性质得出轮椅框架1与地面平行，从而实现了轮椅平稳爬台阶的功能，提高了轮椅的安全性。\n[0021] 本发明轮椅所述棘轮机构是一种单向间歇运动机构，上、下台阶时只允许轮椅向前运动，防止轮椅在台阶上发生倒退而产生危险。本发明中的棘轮机构还担负着改变动力连接的作用，即通过滑套73的左右滑动来选择棘轮机构是否运行。当轮椅行驶在正常路面时，滑套73与棘轮74、主动曲柄41上的花键分离，后支撑轮3自由转动，不会把动力传到平行四边形机构4；当轮椅爬台阶时，滑套73与棘轮72、后轮毂74上的花键结合，后支撑轮\n3转动时将动力传递到棘轮72，通过棘轮机构7再将动力传至主动曲柄41，从而驱动平行四边形机构4运动，实现爬阶过程中的稳定性；当轮椅下台阶时，滑套73与棘轮72、后轮毂\n74、主动曲柄41上的花键同时结合，目的是短路掉棘轮机构，并将动力直接由后支撑轮3传递到主动曲柄41，驱动平行四边形机构4运动来实现下台阶过程中的稳定性。另外，所述滑套（机构）73上有限位机构来保证滑套73工作的可靠性。\n[0022] 本发明轮椅的工作原理与过程是：当轮椅在平地上行驶时，该轮椅的两个前支撑脚5、两个后支撑脚6、两个前驱动脚45和两个后驱动脚46都被收缩抬离地面。用手滑动滑套73，使其与棘轮72、主动曲柄41上的花键均分离，从而主动曲柄41与后支撑轮3之间没有动力传输。在重力作用下，平行四边形机构的连杆44会处于下方水平位置。这时轮椅的后支撑轮3变成驱动轮，靠手推动后支撑轮3可以前进，也可以靠人力推动轮椅前进，其具体实施方式与普通轮椅操作相同。\n[0023] 当轮椅爬台阶时，先将前支撑轮2靠近台阶。用手转动主动曲柄41，将平形四边形机构4的连杆44转到通过与曲柄平行且前驱动脚45超前前支撑轮2的死点位置，调节前驱动脚45、前支撑脚5、后驱动脚46和后支撑脚6的长度，直到其均接触地面，固定该长度。再用手滑动滑套73，使滑套73与棘轮72、后轮毂74上的花键结合，用手转动后支撑轮\n3，这时轮椅相对于地面有两个分运动，即水平向前和竖直向上，此时轮椅会有稍微的倾斜。\n当爬完第一个台阶后，轮椅靠四个支撑脚支撑在地面与第一阶台阶上；然后手动调节后支撑脚6的长度使轮椅水平，再将后驱动脚46长度调节与后支撑脚6长度相等，前驱动脚45长度与前支撑脚5长度相等，固定其长度，然后用手转动后支撑轮3，开始攀爬第二阶台阶。\n重复前述过程，直到爬上最后一阶台阶。在攀爬过程中，轮椅可以始终保持水平。爬到最后一阶台阶时，前支撑轮2已经位于台阶上的地面上方，这时缩回前支撑脚5和前驱动脚45，使其抬离地面，再转动后支撑轮3，至后支撑轮3处于台阶上部地面上方，缩回后支撑脚6和后驱动脚46，使其抬离地面，接下来的操作参考或同于轮椅在平地上行驶时的操作。轮椅下台阶时，滑套73与棘轮72、后轮毂74、主动曲柄41上的花键同时结合，其它操作与上台阶时的操作完全一样。\n[0024] 所述各个支撑脚和驱动脚的长度调节机构可以为螺纹套管(丝杠)结构、液压或气压传动装置，以保证伸缩脚调整后的长度维持不变。考虑到复杂程度和成本，实施例的长度调节机构采用螺纹套管(丝杠)结构。\n[0025] 该轮椅在普通轮椅上加装平行四边形机构，从而引入平移和举升运动，实现台阶的攀爬；在平缓路面行驶时，可将平行四边形四杆机构抬离地面，像普通轮椅一样靠车轮驱动前进；在爬台阶时，用手转动轮椅后支撑轮获得动力并通过棘轮机构传递给平行四边形机构实现爬阶时的平移和升举运动，能够实现轮椅平稳爬台阶。\n[0026] 本发明未述及之处适用于现有技术。