技术领域
[0001] 本
发明涉及机械与控制技术领域，尤其涉及一种多功能爬楼轮椅。
背景技术
[0002] 轮椅对于年老体弱者而言是他们必不可少的代步工具。但是，传统的轮椅遇到坎时就无法跨越。其中，上、下
楼梯正是这些行动不便人群的最大障碍。在200年国家为了解决这些住房上下楼梯的问题，考虑为这些住房加装
电梯，但由于各方面原因，致使该计划搁浅。
[0003] 目前，国外为解决乘坐轮椅者跨越楼梯的方式是借助楼宇的紧急疏散的运输设备—爬楼车，即将轮椅临时固定在爬楼车上，藉以上下楼梯。使用完毕后再放回原处，操作程序繁琐。虽然能解决乘坐轮椅者上下楼梯，但在没有配备爬楼车的楼宇就无法上下楼梯。
[0004] 国内外爬楼轮椅通常运用四杆机构或者
行星轮机构来实现上下楼梯。对于行星轮型爬楼轮椅，结构简单，并利用自
锁机构保证上下楼梯时不倾倒。但该爬楼轮椅对楼梯的适应性较差，不能满足使用者对舒适性和可靠性的需求。
[0005] 对于外加
履带轮型爬楼轮椅，在上下楼梯时采用外加履带轮的方式，保证了上下楼梯过程的连续性。但是，所述外加履带轮型爬楼轮椅在每次安装履带轮时，需在他人帮助下完成，且操作繁琐，结构笨重，携带不便，很大程度的限制了轮椅上下楼梯的地点。
[0006] 对于履带轮与轮子组合型爬楼轮椅，该轮椅运用四杆结构，通过升降轮子以实现轮子与履带轮的转换。但是，所述爬楼轮椅采用四杆结构，仅有一个
自由度，故不能实现高
精度的运行输出或完成更复杂的运动规律。
[0007] 故针对
现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了发明一种多功能爬楼轮椅。
发明内容
[0008] 本发明是针对现有技术中，采用传统的爬楼轮椅对楼梯的适应性较差，不能满足使用者对舒适性和可靠性的需求，以及不能实现高精度的运行输出或完成更复杂的运动规律等
缺陷提供一种多功能爬楼轮椅。
[0009] 本发明的另一目的是针对现有技术中，传统的爬楼轮椅对楼梯的适应性较差，不能满足使用者对舒适性和可靠性的需求，使用者久坐不适等缺陷提供一种多功能爬楼轮椅的辅助站立机构的步骤。
[0010] 为了解决上述问题，本发明提供一种多功能爬楼轮椅辅助，包括：一种多功能爬楼轮椅，包括：椅部，所述椅部用于使用者乘坐：切换机构，所述切换机构设置在所述椅部下，并用于在所述多功能爬楼轮椅的滚轮传输与履带轮传输之间的切换：以及辅助站立机构，所述辅助站立机构设置在所述椅部下侧，并用于辅助使用者站立：其中，所述多功能爬楼轮椅的切换机构为五杆机构，由2个直线
电机控制，具有8个活动机构和11个低副，其自由度为2：所述多功能爬楼轮椅的履带轮进一步包括
支架：
支撑轮，所述支撑轮设置在所述支架上：设置在所述支撑轮一侧，并两两相互
啮合的第一
齿轮、第二齿轮，以及第三齿轮：与所述第二齿轮形成一体并相互啮合的第四齿轮：与所述第三齿轮形成一体并相互啮合的第五齿轮，以及与所述第四齿轮和所述第五齿轮
外齿相互啮合并位于所述支撑轮外侧的履带齿轮，所述履带轮的最大
角速度为 式中，ω为角速度，m为多功能爬楼轮椅
质量，h为多功能爬楼轮椅的
重心高度，L为履带轮与地面
接触长度，J为多功能爬楼轮椅的
转动惯量，α为履带轮底线与地面之间的夹角，r为多功能爬楼轮椅重心与前接地点的连线与履带轮的夹角。
[0011] 可选的，所述切换机构之一端与设置在所述多功能爬楼轮椅上的第一固定点活动连接，所述切换结构之另一端与所述多功能爬楼轮椅上的第二固定点固定连接。
[0012] 可选的，所述切换机构的第一杆的一端与所述第一固定点活动连接：所述第一杆的另一端与所述切换机构的第二杆的一端活动连接：所述切换机构第二杆的另一端与所述第四杆上的第一直线电机一端活动连接：所述第二杆的第一弯折部在所述第三杆的端点处轴型连接：所述第四杆的另一端与所述第五杆活动连接：所述第五杆的另一端与所述第三杆固定连接：所述第六杆的一端固定设置在所述第三杆上：所述第六杆的另一端与所述第七杆上的第二直线电机的一端活动连接：所述第七杆的另一端与所述第八杆的一端活动连接：所述第八杆的另一端与固定设置在第二固定点的杆的一端活动连接：所述第八杆的第二弯折部在所述第三杆的端点轴型连接。
[0013] 可选的，所述辅助站立机构包括呈平行四边形设置的第一支杆、第二支杆、第三支杆，以及第四支杆：所述第一支杆与所述第三支杆平行设置：所述第二支杆与所述第四支杆平行设置：所述第二支杆的一端与所述第一支杆上的点活动连接：所述第二支杆的另一端与所述第三支杆的端点活动连接：所述第四支杆的一端与第一支杆上的端点活动连接：所述第四支杆的另一端与所述第三支杆上的点活动连接：在所述第三支杆之临近所述第四固定点一端与所述第二支杆之间设置第五支杆，并在所述第五支杆上设置第三直线电机：
在所述第三固定点与临近所述第四固定点的支撑点之间的第六支杆上设置第四直线电机。
[0014] 可选的，所述第三支杆呈“L”形。
[0015] 为实现本发明之又一目的，本发明提供一种所述多功能爬楼轮椅的辅助站立机构在实现辅助站立功能时的方法，所述方法包括以下步骤：
[0016] 执行步骤S1：由所述第三直线电机驱动，所述第三直线电机伸长，则所述第二支杆与所述第一支杆的连接点以第二支杆的另一端点为圆心，并以所述第二支杆的长度为半径运动：
[0017] 执行步骤S2：由于所述第一支杆、第二支杆、第三支杆、第四支杆构成平行四边形，所以所述第二支杆与所述第四支杆具有相同的运动规律：所述第一支杆绕所述第一支杆与所述第四支杆的连接点F点转动，所述第一支杆并始终与所述第三支杆平行，使椅部始终支撑使用者的后背：
[0018] 执行步骤S3：通过所述第三直线电机的驱动并伸长，从而实现多功能爬楼轮椅的辅助站立功能。
[0019] 可选的，所述多功能爬楼轮椅的辅助站立机构在实现辅助站立功能时进一步包括：
[0020] 执行步骤S4：所述所述第四直线电机驱动，所述第三直线电机无伸长运动，所述第三支杆绕着所述第四固定点顺
时针转动一定的角度，进而实现爬楼及越障时椅部能保持
水平状态以及调节座椅重心的功能。
[0021] 可选的，所述角度的大小由楼梯及障碍物的角度来决定。
[0022] 综上所述，本发明所述多功能爬楼轮椅之切换机构运用五杆机构补偿四杆机构的结构误差，实现高精度的运动输出或完成更复杂的运动规律，并以此实现滚轮传输与履带轮传输的切换，同时利用具有平行四边形结构的辅助站立机构辅助使用者站立，并可实现爬楼及越障时座椅能保持水平状态以及调节座椅重心的功能。
附图说明
[0023] 图1所示为本发明多功能爬楼轮椅的立体结构示意图：
[0024] 图2所示为本发明多功能爬楼轮椅的切换机构的原理结构示意图：
[0025] 图3所示为本发明多功能爬楼轮椅的辅助站立机构的结构原理示意图：
[0026] 图4所示为本发明多功能爬楼轮椅调节水平与重心的示意图：
[0027] 图5所示为本发明多功能爬楼轮椅第二履带轮上楼初期的示意图：
[0028] 图6所示为本发明所述多功能爬楼轮椅第一履带轮和第二履带轮上楼期间的示意图：
[0029] 图7所示为本发明多功能爬楼轮椅第二履带轮完成上楼后的示意图：
[0030] 图8所示为本发明多功能爬楼轮椅的履带轮结构示意图：
[0031] 图9所示为本发明所述多功能爬楼轮椅遇障准备翻越的结构示意图：
[0032] 图10所示为本发明所述多功能爬楼轮椅遇障翻越过程的结构示意图：
[0033] 图11所示为本发明所述多功能爬楼轮椅遇障即将完成翻越过程的结构示意图。
具体实施方式
[0034] 为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合
实施例并配合附图予以详细说明。
[0035] 请参阅图1，图1所示为本发明多功能爬楼轮椅的立体结构示意图。所述多功能爬楼轮椅1，包括椅部10，所述椅部10用于使用者乘坐；滚轮传输与履带轮传输之间的切换机构11，所述切换机构11设置在所述椅部10下，并用于在所述助立爬楼机构1的滚轮传输与履带轮传输之间的切换，以及辅助站立机构12，所述辅助站立机构12设置在所述椅部10下侧，并用于辅助使用者站立。
[0036] 请继续参阅图1，并结合参阅图2，图2所示为本发明多功能爬楼轮椅的切换机构的原理结构示意图。在本发明中，当所述多功能爬楼轮椅1在平地运动的时候采用滚轮传输方式：当所述多功能爬楼轮椅11在上下楼梯的时候采用履带轮传输的方式。其中，所述滚轮传输方式与履带轮传输方式之间的切换通过所述切换机构11对所述履带轮的升降控制来实现。所述切换机构11之一端与设置在所述多功能爬楼轮椅1上的第一固定点13活动连接：所述切换结构11之另一端与所述多功能爬楼轮椅1上的第二固定点14固定连接。
[0037] 请继续参阅图2，本发明所述多功能爬楼轮椅1的切换机构11为五杆机构，由2个直线电机控制，具有8个活动机构和11个低副，其自由度为2。具体地，所述切换机构11的第一杆110的一端A点与所述第一固定点13活动连接：所述第一杆110的另一端B点与所述切换机构11的第二杆111的一端活动连接：所述切换机构11第二杆111的另一端D点与所述第四杆112上的第一直线电机113a一端活动连接：所述第二杆111的第一弯折部1111在所述第三杆114的端点处C点轴型连接：所述第四杆112的另一端E点与所述第五杆115活动连接：所述第五杆115的另一端与所述第三杆114固定连接：所述第六杆116的一端固定设置在所述第三杆114上；所述第六杆116的另一端与所述第七杆117上的第二直线电机113b的一端活动连接；所述第七杆117的另一端与所述第八杆118的一端活动连接：所述第八杆118的另一端与固定设置在第二固定点14的杆119的一端活动连接：所述第八杆118的第二弯折部1181在所述第三杆114的端点J点轴型连接。
[0038] 请继续参阅图2，并详述本发明所述多功能爬楼轮椅1的切换机构11的工作原理。当本发明所述多功能爬楼轮椅1的切换机构11在滚轮传动与履带轮传动之间切换时，包括以下步骤：
[0039] 执行步骤S11：所述第一直线电机113a驱动，并侧向延伸增长。此时，与所述第一直线电机113a活动连接的第二杆111之异于所述连接点的一端B点以第一固定点13的A点为圆心，AB的长为半径顺时针运动：即，第一杆110绕A点顺时针转动。所述第二杆111在所述第一直线电机113a的推动下，随着第一杆111转动，并推动第三杆114的端点C点上下运动。
[0040] 执行步骤S12：所述第八杆118在第二直流电机113b的驱动下绕所述杆119之异于第二固定点14的一端K点转动，并在所述第八杆118的推动下使得所述第三杆114的端点J点上下运动。
[0041] 执行步骤S13：在所述第三杆114的端点C点、J点上下运动过程中，实现履带轮的升降，进而实现滚轮传输与履带轮传输之间的切换。
[0042] 请继续参阅图1，并结合参阅图3，图3所示为本发明多功能爬楼轮椅的辅助站立机构的结构原理示意图。所述多功能爬楼轮椅1的辅助站立机构12通过第三固定点15和第四固定点16固定设置在所述多功能爬楼轮椅1的轮椅架(未图示)上。所述辅助站立机构12包括呈平行四边形设置的第一支杆121、第二支杆122、第三支杆123，以及第四支杆124。其中，所述第一支杆121与所述第三支杆123平行设置：所述第二支杆122与所述第四支杆124平行设置。所述第三支杆123呈“L”形。所述第二支杆122的一端与所述第一支杆121上的点E活动连接：所述第二支杆122的另一端与所述第三支杆123的端点C活动连接。所述第四支杆124的一端与第一支杆121上的端点F活动连接：所述第四支杆124的另一端与所述第三支杆123上的点B活动连接。在所述第三支杆123之临近所述第四固定点16一端与所述第二支杆122之间设置第五支杆125，并在所述第五支杆125上设置第三直线电机126a。在所述第三固定点15与临近所述第四固定点16的支撑点17之间的第六支杆127上设置第四直线电机126b。
[0043] 请继续参阅图3，并详述本发明所述多功能爬楼轮椅的辅助站立机构的工作原理。本发明所述多功能爬楼轮椅1的辅助站立机构12在实现辅助站立功能时包括以下步骤：
[0044] 执行步骤S21：由所述第三直线电机126a驱动，所述第三直线电机126a伸长，则所述第二支杆122与所述第一支杆121的连接点E以第二支杆122的另一端点C为圆心，并以所述第二支杆122的长度为半径运动。即，所述第二支杆122与所述第一支杆121的连接点E绕所述第二支杆122的另一端点逆时针转动。
[0045] 执行步骤S22：由于所述第一支杆121、第二支杆122、第三支杆123、第四支杆124构成平行四边形，所以所述第二支杆122与所述第四支杆124具有相同的运动规律。所述第一支杆121绕所述第一支杆121与所述第四支杆124的连接点F点转动，所述第一支杆121并始终与所述第三支杆123平行，使椅部10始终支撑使用者的后背。
[0046] 执行步骤S23：通过所述第三直线电机126a的驱动并伸长，从而实现多功能爬楼轮椅1的辅助站立功能。
[0047] 请继续参阅图1，并结合参阅图4，本发明为了实现在爬楼及越障时座椅能保持水平状态以及调节座椅重心的功能，进一步包括以下步骤：
[0048] 执行步骤S24：所述第四直线电机126b驱动，此时，所述第三直线电机126a无伸长运动，所述第三支杆123绕着所述第四固定点16顺时针转动一定的角度，所述角度的大小由楼梯及障碍物的角度来决定，进而实现爬楼及越障时椅部10能保持水平状态以及调节座椅重心的功能。
[0049] 请继续参阅图1，并结合参阅图5、图6，以及图7，图5所示为本发明多功能爬楼轮椅第二履带轮上楼初期的示意图。图6所示为本发明所述多功能爬楼轮椅第一履带轮和第二履带轮上楼期间的示意图。图7所示为本发明多功能爬楼轮椅第二履带轮完成上楼后的示意图。当所述多功能爬楼轮椅1遇到楼梯时，通过所述切换机构11调整所述第二履带轮18b倾斜，直至所述第二履带轮18b与楼梯面完全贴合。随后，所述第二履带轮18b与所述第一履带轮18a继续转动。当所述第一履带轮18a由所述切换机构11平稳调整至与楼梯面贴合后，所述第二履带轮18b与所述第一履带轮18a同时上楼。当所述多功能爬楼轮椅
1的水平载人椅(未图示)通过
传感器检测到上楼梯过程结束的时候，所述第二履带轮18b又通过所述切换机构11平稳调整至水平，继续向前运动，直至所述第一履带轮18a也调整至水平。即，完成所述上楼梯过程。
[0050] 显然地，所述下楼梯的过程，与上楼梯的过程类似，此处不再详细解释。
[0051] 请参阅图8，图8所示为本发明多功能爬楼轮椅的履带轮结构示意图。所述多功能爬楼轮椅1的履带轮18a、18b均包括支架180；支撑轮181，所述支撑轮181设置在所述支架180上：设置在所述支撑轮181一侧，并两两相互啮合的第一齿轮182、第二齿轮183，以及第三齿轮184；与所述第二齿轮183形成一体并相互啮合的第四齿轮185；与所述第三齿轮184形成一体并相互啮合的第五齿轮186，以及与所述第四齿轮185和所述第五齿轮186外齿相互啮合并位于所述支撑轮181外侧的履带齿轮187。其中，所述履带轮18a与所述履带轮18b通过支架188连接。在所述履带轮18a、18b的运动过程中，所述外部电机(未图示)带动介于所述第二齿轮183与所述第三齿轮184之间的第一齿轮181转动：所述第一齿轮181并带动所述第二齿轮183与所述第三齿轮184转动：所述第二齿轮183与所述第三齿轮184进而带动所述第四齿轮185与所述第五齿轮186转动，以此带动所述履带齿轮187的转动。
[0052] 请继续参阅图8，并结合参阅图9、图10、图11，图9所示为本发明所述多功能爬楼轮椅遇障准备翻越的结构示意图。图10所示为本发明所述多功能爬楼轮椅遇障翻越过程的结构示意图。图11所示为本发明所述多功能爬楼轮椅遇障即将完成翻越过程的结构示意图。
[0053] 当本发明所述多功能爬楼轮椅1遇到凸出障碍物2并准备翻越时，所述履带轮18b调整状态，列举地，所述多功能爬楼轮椅1以速度v越上障碍物2，L为所述履带轮18b与地面的接触长度，当重心位于障碍物2
支点O的左边时,此时所述履带轮18b底线与地面之间的夹角α随时间t而逐渐增大
[0054]
[0055] 式中：h0为障碍物2的高度，由于h0<
加速度a分别为[0056]
[0057]
[0058] 当本发明所述多功能爬楼轮椅1翻越障碍物2的过程中，所述功能爬楼轮椅1继续以速度v爬上障碍物2，重心超过支点O,在重
力及运动速度的作用下，所述功能爬楼轮椅1作平面运动，一边绕所述支点O转动，一边向前移动，此时重心
位置逐渐远离障碍物2的支点O，重心对支点O取矩逐渐增大。
[0059] 设h为所述功能爬楼轮椅1的重心高度，L1为所述功能爬楼轮椅1重心到履带轮18b前接地点的距离。据动力学微分方程，可得所述功能爬楼轮椅1绕点的
角加速度a随α的变化规律。
[0060] J×a＝mg×cosα×(vt-L1+h×tanα)
[0061] 式中：J为功能爬楼轮椅1的转动惯量。
[0062] 当所述功能爬楼轮椅1继续向前运动时，此时所述功能爬楼轮椅1的前端首先着地，所述功能爬楼轮椅1具有较大的惯性，便以较大的冲击力冲击地面,造成功能爬楼轮椅1与地面的强烈碰撞。列举地，假设所述履带轮18a前着地点为A点，其速度为UA，设碰撞后的速度为VA，根据冲量定理可建立所述功能爬楼轮椅1前接地面点与地面碰撞时的冲击惯量I。
[0063]
[0064] 当所述功能爬楼轮椅1与地面发生碰撞时，由于加速度及惯性的原因，所述功能爬楼轮椅1由绕支点O转动突然转为绕前接地点A翻转，从而产生一个附加的惯性角c。
[0065] 列举地，设所述功能爬楼轮椅1爬下一个倾角为g的障碍物2时的动力学分析，已知所述功能爬楼轮椅1重心高度为h，重心k与前接地点A的连线kA与履带轮18a的夹角为r角。依据
能量守恒定理，可建立附加惯性角c与碰撞时角速度的关系：
[0066]
[0067] 从所述分析可知，当所述功能爬楼轮椅1下楼梯时，每爬下一级台阶就相当于所述功能爬楼轮椅1跨越一个障碍，同时产生一个附加的惯性角。当a+c+r<90°时，所述功能爬楼轮椅1向前倾斜后由于重力作用又落回障碍物2，使障碍物2对所述功能爬楼轮椅1产生振动和冲击。即，所述功能爬楼轮椅1每跨下一级台阶时便出现两次冲击。当a+c+r>90°时，此时重心超过
临界状态，所述功能爬楼轮椅1就会绕前接地点A向前顷翻，滚下楼梯。显然地，要防止所述功能爬楼轮椅1滚下楼梯，则需要控制所述功能爬楼轮椅1的运动速度。明显地，所述功能爬楼轮椅1的角速度越大，惯性角也越大。当所述功能爬楼轮椅1处于临界状态时，其最大角速度为 式中，ω为角速度，m为多功能爬楼轮椅质
量，h为多功能爬楼轮椅的重心高度，L为履带轮与地面接触长度，J为多功能爬楼轮椅的转动惯量，α为履带轮底线与地面之间的夹角，r为多功能爬楼轮椅重心与前接地点的连线与履带轮的夹角。
[0068] 综上所述，本发明所述多功能爬楼轮椅之切换机构运用五杆机构补偿四杆机构的结构误差，实现高精度的运动输出或完成更复杂的运动规律，并以此实现滚轮传输与履带轮传输的切换，同时利用具有平行四边形结构的辅助站立机构辅助使用者站立，并在上下楼梯、越障的过程中，通过控制椅部角度，保证了所述多功能爬楼轮椅在上下楼梯的过程中水平，增加多功能爬楼轮椅的安全性和舒适性。
[0069] 本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种
修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附
权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。
