醫用全地形自平衡輪椅及其運行方法與流程

本發明涉及醫療機械領域，具體的說是醫用全地形自平衡輪椅及其運行方法。

背景技術：

機器人技術因其涵蓋了機械學、計算機科學、人工智能、生物學等領域，成為了當今世界最前沿的科技熱點之一。移動機器人是機器人技術領域的一個重要分支，移動機器人通常是作為人類身體與感知的延伸，代替人類進入危險環境開展工作。由于其具有其他機器人所不具有的“移動性”，正越來越多的被應用于各種領域，而目前醫療方面的應用也越來越多。目前的輪椅在使用時，常常要面對攀爬樓梯的問題，目前的輪椅很難實現平穩攀爬，而且在攀爬到最后一個階梯時很容易發生后仰傾倒，由于樓梯結構的特殊性和攀爬樓梯過程的復雜性使得移動機器人攀爬樓梯問題一直是移動機器人領域的一個難點和熱點。

技術實現要素：

針對現有技術中的問題，本發明提供了醫用全地形自平衡輪椅及其運行方法，在遇到階梯時，能利用撬桿將設備前部抬起并落至階梯上，到達階梯頂部時設備前部又能自動落下，使部分重量轉移到平地上，以達到平穩攀爬階梯的目的。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：醫用全地形自平衡輪椅，包括抬升機構、行走底座、平衡機構、輪椅座和控制裝置；所述的抬升機構設置在行走底座前方；所述的控制裝置設置在行走底座中部；所述的平衡機構設置在行走底座上方；所述的輪椅座設置在平衡機構上方。

所述的行走底座包括行走輪、履帶、前車軸、后車軸和機架；所述的機架包括豎板、滑套和活動架；所述的豎板位于機架的前部，豎板為兩塊豎直且平行對稱的直板，且豎板上還設置有一前一后兩個連接孔；所述的滑套固定在豎板的前部，滑套中部設置有通孔，且該通孔的截面為方形；所述的活動架后端與前車軸鉸接，該活動架可圍繞前車軸向上轉動十五度并向下轉動九十度，且活動架上安裝有機架上大部分的機械配件,例如電動機，使本設備底座的重心向活動架轉移；所述的行走輪包括位于最前方的一號輪、連接在前車軸上的二號輪、與二號輪共軸的三號輪和位于最后方的四號輪，所述的一號輪設置在活動架的前端；所述的履帶包括安裝在一號輪和二號輪上的第一履帶，還包括安裝在三號輪和四號輪上的第二履帶。

所述的抬升機構包括緩降裝置、限位裝置、觸碰抬升裝置和前輪升降控制桿；所述的緩降裝置包括固定在機架前端的驅動電機、設置在驅動電機輸出軸上的驅動齒輪、從兩個豎板上后部連接孔中穿過的第一旋轉軸、設置在第一旋轉軸兩側的主動齒輪、從兩個豎板上前部連接孔中穿過的第二旋轉軸，以及設置在第二旋轉軸兩側的半齒輪；所述的第一旋轉軸中部設置有與驅動齒輪嚙合的軸齒輪；所述半齒輪的有齒部分與主動齒輪嚙合。

所述的限位裝置設置在緩降裝置前方，限位裝置包括固定在機架前端的限位電機、設置在限位電機輸出軸上的限位主齒輪，還包括套筒和插桿；所述的套筒中部設置有與限位主齒輪嚙合的限位從齒輪，套筒兩端設置有螺紋孔，且套筒兩端螺紋孔的螺紋旋向相反；所述的插桿設置在套筒兩側，插桿包括滑動段、螺紋段和限位段，所述的滑動段設置在滑套內并與其滑動配合，滑動段的縱截面與滑套上通孔的截面形狀相同；所述的螺紋段固定在滑動段的一端，且螺紋段設置在套筒的螺紋孔內并與其配合；所述的限位段固定在滑動段的另一端。

所述的觸碰抬升裝置包括凹面凸輪和觸碰桿；所述的觸碰桿呈直桿形，觸碰桿的后端固定在半齒輪的外側面；所述的凹面凸輪固定在觸碰桿后端的外側面，凹面凸輪前部為凸面，其后部為凹面，當本發明在水平面上運行時，該凹面凸輪后部凹面所在圓弧面的軸心線與前車軸的軸心線重合；所述的前輪升降控制桿下端固定在活動架的前端，其頂端設置有滾輪，當本發明在水平面上運行時，該滾輪位于凹面凸輪后上方，且該滾輪前部的輪面與凹面凸輪后部凹面所在的圓弧面相切，使得位于活動架上的滾輪圍繞前車軸轉動時不會被凹面凸輪阻擋。

所述的平衡機構包括調節控制桿、旋轉軸、平衡器、支撐柱和輔助支撐桿；所述的旋轉軸設置在機架中部；所述的支撐柱底端固定在旋轉軸中部，支撐柱底部的前后面上均設置有接觸開關，且支撐柱中部的前后面上設置有鉸鏈座；所述的平衡器包括套環、連接環、信號觸發片和壓塊，所述的壓塊設置在支撐柱的正下方，所述的套環對稱套在支撐柱兩側的旋轉軸上，所述的信號觸發片呈半環形，信號觸發片對稱設置在支撐柱底部的前后兩側并分別與支撐柱之間設置有間隙，所述的連接環兩端分別與信號觸發片和壓塊連接；所述的調節控制桿包括一號液壓桿和二號液壓桿，所述的一號液壓桿兩端分別與前車軸和支撐柱前側的鉸接座連接，所述的二號液壓桿兩端分別與后車軸和支撐柱后側的鉸接座連接；所述的輔助支撐桿鉸接在平衡器的左右兩側。

所述的輪椅座固定在支撐柱頂端，且輪椅座還與輔助支撐桿的頂部固定，輪椅座上設置有操作按鈕。

作為本發明的優選技術方案，當本發明在水平面上運行時，滾輪前部的輪面還與凹面凸輪前部凸面所在的圓弧面相切，使得滾輪可以在凹面凸輪的凸面上滾動。

作為本發明的優選技術方案，所述觸碰桿的后半段中部設置有弧形的缺口，且該缺口搭在限位段上。

所述的醫用全地形自平衡輪椅的運行方法，包括以下步驟：

步驟s1：本設備在觸碰到樓梯之前，觸碰桿搭在限位段上，一號輪、二號輪、三號輪和四號輪在同一水平面上行駛，輪椅座保持水平狀態；

步驟s2：本設備開始上樓梯時，限位電機運轉使套筒旋轉，進而使插桿向中間收縮，使得限位段與觸碰桿分離；觸碰桿前端抵住階梯后，本設備繼續前進，觸碰桿開始圍繞第二旋轉軸逆時針轉動，且凹面凸輪后部凹面所在圓弧面的軸心線向上偏移，與此同時鉸接在前車軸上的活動架開始下垂，隨后滾輪搭在凹面凸輪的凹面上并阻止了活動架的繼續下垂，使活動架和本設備前部一同被觸碰桿抬起；本設備繼續前進，在觸碰桿與地面垂直之前，半齒輪上的帶齒部分開始與主動齒輪嚙合轉動，使本設備的前部得以緩慢落在階梯上；觸碰桿繼續轉動，套筒旋轉帶動插桿向兩側伸長，在觸碰桿接觸限位段時半齒輪的帶齒部分不再與主動齒輪嚙合；

在此過程中，與輪椅座相連的支撐柱開始向后傾斜，平衡機構中的壓塊由于重力作用保持下垂，使后側的信號觸發片與支撐柱上同側的接觸開關相接觸，接觸開關連接控制裝置，使該接觸開關同一側的液壓桿伸長來對支撐柱的角度進行校正，使支撐柱維持豎直狀態，使輪椅座保持水平，使得重心前移，使本設備運行平穩；

步驟s3：在本設備即將離開向上的階梯時，鉸接在前車軸上的活動架開始下垂，使得本設備的前部搭在階梯上方的水平地面上，隨后整體再行駛到平地上；

此過程中，與輪椅座相連的支撐柱開始向前傾斜，平衡機構中的壓塊由于重力作用保持下垂，使前側的信號觸發片與支撐柱上同側的接觸開關相接觸，接觸開關連接控制裝置，使該接觸開關同一側的液壓桿伸長來對支撐柱的角度進行校正，使支撐柱維持豎直狀態，使輪椅座保持水平；

步驟s4：在本設備開始下樓時，鉸接在前車軸上的活動架開始下垂，使得本設備的前部首先搭在階梯上，隨后整體再完全行駛到階梯上；

此過程中，與輪椅座相連的支撐柱開始向前傾斜，平衡機構中的壓塊由于重力作用保持下垂，使前側的信號觸發片與支撐柱上同側的接觸開關相接觸，接觸開關連接控制裝置，使該接觸開關同一側的液壓桿伸長來對支撐柱的角度進行校正，使支撐柱維持豎直狀態，使輪椅座保持水平，使得重心后移，使本設備運行平穩；

步驟s5：在本設備下樓完成后，與輪椅座相連的支撐柱、向后傾斜，平衡機構中的壓塊由于重力保持下垂，使后側的信號觸發片與支撐柱上同側的接觸開關相接觸，接觸開關連接控制裝置，使該接觸開關同一側的液壓桿伸長來對支撐柱的角度進行校正，使支撐柱維持豎直狀態，使輪椅座保持水平。

本發明的有益效果是：

(1)本發明的醫用全地形自平衡輪椅及其運行方法，在遇到向上的階梯時，能利用撬桿將設備前部抬起并落至階梯上，到達階梯頂部時設備前部又能自動落下，使部分重量轉移到平地上，以達到平穩攀爬階梯的目的；

(2)本發明的醫用全地形自平衡輪椅及其運行方法，在遇到向下的階梯時，設備的前部能自動落下，使一部分重量先轉移到階梯上，避免整體突然傾斜導致設備失控；

(3)本發明的醫用全地形自平衡輪椅及其運行方法，在上階梯時，輪椅座前移使整體重心前移，而在下階梯時，輪椅座后移使整體重心后移，以此使設備運行更平穩。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明正面視角的立體結構示意圖；

圖2是本發明背面視角的立體結構示意圖；

圖3是抬升機構的立體結構示意圖；

圖4是觸碰抬升裝置的結構示意圖；

圖5是抬升機構的俯視圖；

圖6是本發明在平地上行駛時的示意圖；

圖7是本發明開始爬階梯時的示意圖；

圖8是本發明爬上階梯頂部后的示意圖；

圖9是平衡機構的立體結構示意圖；

圖10是平衡器的立體結構示意圖；

圖中：抬升機構(1)、行走底座(2)、平衡機構(3)、輪椅座(4)、控制裝置(5)、緩降裝置(11)、限位裝置(12)、觸碰抬升裝置(13)、前輪升降控制桿(14)、行走輪(21)、履帶(22)、前車軸(23)、后車軸(24)、機架(25)、調節控制桿(31)、旋轉軸(32)、平衡器(33)、支撐柱(34)、輔助支撐桿(35)、驅動電機(111)、驅動齒輪(112)、第一旋轉軸(113)、主動齒輪(114)、第二旋轉軸(115)、半齒輪(116)、限位電機(121)、限位主齒輪(122)、套筒(123)、插桿(124)、凹面凸輪(131)、觸碰桿(132)、滾輪(141)、一號輪(211)、二號輪(212)、三號輪(213)、四號輪(214)、第一履帶(221)、第二履帶(222)、豎板(251)、滑套(252)、活動架(253)、一號液壓桿(311)、二號液壓桿(312)、套環(331)、連接環(332)、信號觸發片(333)、壓塊(334)、軸齒輪(1131)、滑動段(1241)、螺紋段(1242)、限位段(1243)、缺口(1321)。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。

如圖1、圖2，本實施例的醫用全地形自平衡輪椅，包括抬升機構1、行走底座2、平衡機構3、輪椅座4和控制裝置5；所述的抬升機構1設置在行走底座2前方；所述的控制裝置5設置在行走底座2中部；所述的平衡機構3設置在行走底座2上方；所述的輪椅座4設置在平衡機構3上方。

如圖1、圖3，所述的行走底座2包括行走輪21、履帶22、前車軸23、后車軸24和機架25；所述的機架25包括豎板251、滑套252和活動架253；所述的豎板251位于機架25的前部，豎板251為兩塊豎直且平行對稱的直板，且豎板251上還設置有一前一后兩個連接孔；所述的滑套252固定在豎板251的前部，滑套252中部設置有通孔，且該通孔的截面為方形；所述的活動架253后端與前車軸23鉸接，該活動架253可圍繞前車軸23向上轉動十五度并向下轉動九十度，且活動架253上安裝有機架25上大部分的機械配件,例如電動機，使本設備底座的重心向活動架253轉移；所述的行走輪21包括位于最前方的一號輪211、連接在前車軸23上的二號輪212、與二號輪212共軸的三號輪213和位于最后方的四號輪214，所述的一號輪211設置在活動架253的前端；所述的履帶22包括安裝在一號輪211和二號輪212上的第一履帶221，還包括安裝在三號輪213和四號輪214上的第二履帶222。

如圖3、圖5，所述的抬升機構1包括緩降裝置11、限位裝置12、觸碰抬升裝置13和前輪升降控制桿14；所述的緩降裝置11包括固定在機架25前端的驅動電機111、設置在驅動電機111輸出軸上的驅動齒輪112、從兩個豎板251上后部連接孔中穿過的第一旋轉軸113、設置在第一旋轉軸113兩側的主動齒輪114、從兩個豎板251上前部連接孔中穿過的第二旋轉軸115，以及設置在第二旋轉軸115兩側的半齒輪116；所述的第一旋轉軸113中部設置有與驅動齒輪112嚙合的軸齒輪1131；所述半齒輪116的有齒部分與主動齒輪114嚙合。

如圖3、圖5，所述的限位裝置12設置在緩降裝置11前方，限位裝置12包括固定在機架25前端的限位電機121、設置在限位電機121輸出軸上的限位主齒輪122，還包括套筒123和插桿124；所述的套筒123中部設置有與限位主齒輪122嚙合的限位從齒輪1231，套筒123兩端設置有螺紋孔，且套筒123兩端螺紋孔的螺紋旋向相反；所述的插桿124設置在套筒123兩側，插桿124包括滑動段1241、螺紋段1242和限位段1243，所述的滑動段1241設置在滑套252內并與其滑動配合，滑動段1241的縱截面與滑套252上通孔的截面形狀相同；所述的螺紋段1242固定在滑動段1241的一端，且螺紋段1242設置在套筒123的螺紋孔內并與其配合；所述的限位段1243固定在滑動段1241的另一端。

如圖3、圖4，所述的觸碰抬升裝置13包括凹面凸輪131和觸碰桿132；所述的觸碰桿132呈直桿形，觸碰桿132的后端固定在半齒輪116的外側面，觸碰桿132的后半段中部設置有弧形的缺口1321，且該缺口1321搭在限位段1243上；所述的凹面凸輪131固定在觸碰桿132后端的外側面，凹面凸輪131前部為凸面，其后部為凹面，當本發明在水平面上運行時，該凹面凸輪131后部凹面所在圓弧面的軸心線與前車軸23的軸心線重合；所述的前輪升降控制桿14下端固定在活動架253的前端，其頂端設置有滾輪141，當本發明在水平面上運行時，該滾輪141位于凹面凸輪131后上方，且該滾輪141前部的輪面與凹面凸輪131后部凹面所在的圓弧面相切，使得位于活動架上的滾輪141圍繞前車軸轉動時不會被凹面凸輪131阻擋；當本發明在水平面上運行時，滾輪141前部的輪面還與凹面凸輪131前部凸面所在的圓弧面相切，使得滾輪141可以在凹面凸輪131的凸面上滾動。

如圖9、圖10，所述的平衡機構3包括調節控制桿31、旋轉軸32、平衡器33、支撐柱34和輔助支撐桿35；所述的旋轉軸32設置在機架25中部；所述的支撐柱34底端固定在旋轉軸32中部，支撐柱34底部的前后面上均設置有接觸開關，且支撐柱34中部的前后面上設置有鉸鏈座；所述的平衡器33包括套環331、連接環332、信號觸發片333和壓塊334，所述的壓塊334設置在支撐柱34的正下方，所述的套環331對稱套在支撐柱34兩側的旋轉軸32上，所述的信號觸發片333呈半環形，信號觸發片333對稱設置在支撐柱34底部的前后兩側并分別與支撐柱34之間設置有間隙，所述的連接環332兩端分別與信號觸發片333和壓塊334連接；所述的調節控制桿31包括一號液壓桿311和二號液壓桿312，所述的一號液壓桿311兩端分別與前車軸23和支撐柱34前側的鉸接座連接，所述的二號液壓桿312兩端分別與后車軸24和支撐柱34后側的鉸接座連接；所述的輔助支撐桿35鉸接在平衡器33的左右兩側。

如圖1、圖9，所述的輪椅座4固定在支撐柱34頂端，且輪椅座4還與輔助支撐桿35的頂部固定，輪椅座4上設置有操作按鈕。

如圖6、圖7、圖8，所述的醫用全地形自平衡輪椅的運行方法，包括以下步驟：

步驟s1：本設備在觸碰到樓梯之前，觸碰桿132搭在限位段1243上，一號輪211、二號輪212、三號輪213和四號輪214在同一水平面上行駛，輪椅座4保持水平狀態；

步驟s2：本設備開始上樓梯時，限位電機121運轉使套筒123旋轉，進而使插桿124向中間收縮，使得限位段1243與觸碰桿132分離；觸碰桿132前端抵住階梯后，本設備繼續前進，觸碰桿132開始圍繞第二旋轉軸115逆時針轉動，且凹面凸輪131后部凹面所在圓弧面的軸心線向上偏移，與此同時鉸接在前車軸23上的活動架253開始下垂，隨后滾輪141搭在凹面凸輪131的凹面上并阻止了活動架253的繼續下垂，使活動架253和本設備前部一同被觸碰桿132抬起；本設備繼續前進，在觸碰桿132與地面垂直之前，半齒輪116上的帶齒部分開始與主動齒輪114嚙合轉動，使本設備的前部得以緩慢落在階梯上；觸碰桿132繼續轉動，套筒123旋轉帶動插桿124向兩側伸長，在觸碰桿132接觸限位段1243時半齒輪116的帶齒部分不再與主動齒輪114嚙合；

在此過程中，與輪椅座4相連的支撐柱34開始向后傾斜，平衡機構3中的壓塊334由于重力作用保持下垂，使后側的信號觸發片333與支撐柱34上同側的接觸開關相接觸，接觸開關連接控制裝置5，使該接觸開關同一側的液壓桿伸長來對支撐柱34的角度進行校正，使支撐柱34維持豎直狀態，使輪椅座4保持水平，使得重心前移，使本設備運行平穩；

步驟s3：在本設備即將離開向上的階梯時，鉸接在前車軸23上的活動架253開始下垂，使得本設備的前部搭在階梯上方的水平地面上，隨后整體再行駛到平地上；

此過程中，與輪椅座4相連的支撐柱34開始向前傾斜，平衡機構3中的壓塊334由于重力作用保持下垂，使前側的信號觸發片333與支撐柱34上同側的接觸開關相接觸，接觸開關連接控制裝置5，使該接觸開關同一側的液壓桿伸長來對支撐柱34的角度進行校正，使支撐柱34維持豎直狀態，使輪椅座4保持水平；

步驟s4：在本設備開始下樓時，鉸接在前車軸23上的活動架253開始下垂，使得本設備的前部首先搭在階梯上，隨后整體再完全行駛到階梯上；

此過程中，與輪椅座4相連的支撐柱34開始向前傾斜，平衡機構3中的壓塊334由于重力作用保持下垂，使前側的信號觸發片333與支撐柱34上同側的接觸開關相接觸，接觸開關連接控制裝置5，使該接觸開關同一側的液壓桿伸長來對支撐柱34的角度進行校正，使支撐柱34維持豎直狀態，使輪椅座4保持水平，使得重心后移，使本設備運行平穩；

步驟s5：在本設備下樓完成后，與輪椅座4相連的支撐柱34、向后傾斜，平衡機構3中的壓塊334由于重力保持下垂，使后側的信號觸發片333與支撐柱34上同側的接觸開關相接觸，接觸開關連接控制裝置5，使該接觸開關同一側的液壓桿伸長來對支撐柱34的角度進行校正，使支撐柱34維持豎直狀態，使輪椅座4保持水平。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施方式和說明書中的描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入本發明要求保護的范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。