本发明公开了一种适应爬楼的自平衡轮椅，包括椅座，椅座悬架梁，轮毂和轮毂悬挂梁，椅座通过支撑柱与椅座悬架梁卡接，椅座悬架梁通过悬架梁轴将两根轮毂悬挂梁连接，轮毂悬挂梁通过轮轴与轮毂连接；轮毂悬挂梁的侧面设旋转底座及电机，电机的螺杆套接在支撑柱上的固定套内；轮毂悬挂梁的两端均设碳刷架，碳刷架设两个电性相反的碳刷，轮毂内侧设与碳刷对应的碳刷圈，轮毂外侧设导线接线头，气门嘴，气泵和气泵总成，轮毂包接橡胶轮胎。本发明采用椅座倾斜调节系统和轮胎气压调节系统，分别调节椅座的水平状态以及轮胎的负压状态，实现了轮椅的自平衡控制功能，提高了轮椅的舒适度及安全性，能够适应上楼或下楼及越障等各种地形，适合大范围推广。
1.一种适应爬楼的自平衡轮椅，包括椅座（1）、椅座悬架梁（2）、轮毂（3）和轮毂悬挂梁（4），其特征在于，所述椅座（1）底部固定设置有两个对称的支撑柱（5），所述椅座悬架梁（2）的上表面设有与支撑柱（5）对应的卡槽，所述支撑柱（5）卡接在椅座悬架梁（2）的卡槽内且通过螺钉紧固，所述椅座悬架梁（2）沿长度方向穿接有悬架梁轴（6），所述轮毂悬挂梁（4）设有与悬挂梁轴（6）对应的轴承孔，所述悬挂梁轴（6）的两端分别穿接在两个轮毂悬挂梁（4）的轴承孔中，每个所述轮毂悬挂梁（4）的两端均通过轮轴（7）与轮毂（3）连接；
所述轮毂悬挂梁（4）一端的侧面穿接有转轴（8），所述转轴（8）与轮轴（7）平行设置，所述转轴（8）远离轮毂（3）方向的一端固定连接有旋转底座（9），所述旋转底座（9）远离转轴（8）的一侧固定连接有电机（10），所述电机（10）的输出端套接有螺杆（11），所述支撑柱（5）的侧壁设有固定套（12），所述固定套（12）设有与螺杆（11）对应的螺孔，所述螺杆（11）远离电机（10）的一端穿过固定套（12）的螺孔；
所述轮毂悬挂梁（4）的两端均设有碳刷架（13），所述碳刷架（13）设有两个电性相反的碳刷（14），所述碳刷（14）由弹簧段和导电硬块组成，所述碳刷（14）的弹簧分别接有电导引线，所述轮毂（3）靠近轮毂悬挂梁（4）方向的一侧设有与碳刷（14）对应的碳刷圈（15），所述碳刷圈（15）具体为两个环形的卡槽形状，所述碳刷（14）的导电硬块活动卡接在碳刷圈（15）；
所述轮毂（3）远离轮毂悬挂梁（4）方向的一侧设有与碳刷圈（15）电性连接的两个导线接线头（16），所述轮毂（3）远离轮毂悬挂梁（4）方向的一侧还设有气门嘴（17），气泵（18）和气泵总成（19），所述气泵总成（19）包括气压继电器、压力表及气压调节阀，所述轮毂（3）的外侧包接有橡胶轮胎（20），所述气门嘴（17）与橡胶轮胎（20）相连通，所述气门嘴（17）伸出橡胶轮胎（20）外的一端与气泵总成（19）相连通，所述气泵总成（19）与气泵（18）相连通；
所述椅座悬架梁（2）的上表面设有固定板（21），所述固定板（21）上设有驱动系统（22）和平衡调节系统（23），所述平衡调节系统（23）由固态精密陀螺仪、加速度传感器和伺服控制系统组成，所述驱动系统（22）包括传动杆、马达和电源，所述气泵（18）和气泵总成（19）分别与平衡调节系统（23）电性连接；
两个所述碳刷（14）的电导引线分别与电源的正、负极电性连接，所述气泵（18）的正、负极分别与两个导线接线头（16）电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种适应爬楼的自平衡轮椅，其特征在于，所述椅座（1）上设有扶手（24），所述扶手（24）上设有摇杆控制器（25）。
3.根据权利要求2所述的一种适应爬楼的自平衡轮椅，其特征在于，所述驱动系统（22）、平衡调节系统（23）及电机（10）均与摇杆控制器（25）电性连接。
4.根据权利要求1所述的一种适应爬楼的自平衡轮椅，其特征在于，所述伺服控制系统与电机（10）电性连接，所述传动杆与轮轴（7）连接。
5.根据权利要求1所述的一种适应爬楼的自平衡轮椅，其特征在于，所述橡胶轮胎（20）具体是特软质橡胶轮胎，其肖氏硬度低于10。
6.根据权利要求1所述的一种适应爬楼的自平衡轮椅，其特征在于，所述碳刷（14）的导电硬块和碳刷圈（15）均涂布导电耐磨石墨层。
7.根据权利要求1所述的一种适应爬楼的自平衡轮椅，其特征在于，所述固定套（12）和螺杆（11）均采用高强度硬质合金钢。
一种适应爬楼的自平衡轮椅
技术领域
[0001] 本发明涉及轮椅技术领域，尤其涉及一种适应爬楼的自平衡轮椅。
背景技术
[0002] 轮椅是年老弱者和下肢伤残者必不可少的代步工具，也是伤病患者康复的重要工具，更重要的是使他们能够借助于轮椅进行身体锻炼及参与社会活动。轮椅一般分为普通轮椅和特殊轮椅，普通轮椅一般由轮椅架、车轮、刹车装置及座靠四部分组成，普通轮椅不具备攀爬阶梯和越野越障功能，大大限制了其使用范围。
[0003] 因而，国内外的技术人员提出了很多爬楼越障的特殊轮椅，相关装置及专利的种类很多，主要包括履带式、轮组式及多足式等三大类，其功能及应用特点也是各有利弊。如履带式轮椅在转弯时，钢圈履带对地面损害很大；多足式轮椅在行走时，各个车轮（或支撑脚）对地面压力比较均匀，但椅座随车轮（或支撑脚）起伏颠簸，乘坐者的重心不断改变，舒适度较差；轮组式轮椅在平整路面无障碍环境下行驶性能很好，但上下楼梯或越障时，重心变化起伏较大，会使乘坐者感到不适。
[0004] 以上特殊轮椅在爬楼或越障时，需要切换模式，轮椅的结构较为复杂，价格也较为昂贵。同时椅座悬架与车轮悬架一般为一体化设计，这就意味着，车轮颠簸时，椅座也随之颠簸，重心容易发生偏移，故而舒适度较差，转弯、越障或上下楼时安全性也较差。
[0005] 尽管一些技术将陀螺仪引入到轮椅结构中，以增加轮椅的平衡性。如专利CN 106943248 A提出的“一种多功能轮椅”，通过陀螺仪测定椅座倾斜，通过链条、齿轮、涡轮及蜗杆的传动结构使椅座在悬架上升或下降，从而一定程度下保证椅座的水平方向；但由于其车轮与椅座在同一悬架结构上，只能两个前轮或后轮同时越障，单个前轮或后轮在越障时，陀螺仪的运行模式会发生混乱，导致另一个前轮产生悬空，造成翻车的风险，同时其结构复杂，零配件非常多，操作不易，容易损坏。
[0006] 总言之，要保证越障类的特殊轮椅对各种地形的适应性，首要的就是将车轮悬架和椅座悬架分开，使车轮的倾斜模式和椅座的倾斜模式独立运行，即车轮颠簸时，椅座基本保持水平方向，从而保证轮椅的舒适度及安全性，这一点也是轮椅领域的重要攻关课题之一。
发明内容
[0007] 本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种适应爬楼的自平衡轮椅。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
[0009] 一种适应爬楼的自平衡轮椅，包括椅座、椅座悬架梁、轮毂和轮毂悬挂梁，椅座底部固定设置有两个对称的支撑柱，椅座悬架梁的上表面设有与支撑柱对应的卡槽，支撑柱卡接在椅座悬架梁的卡槽内且通过螺钉紧固，椅座悬架梁沿长度方向穿接有悬架梁轴，轮毂悬挂梁设有与悬挂梁轴对应的轴承孔，悬挂梁轴的两端分别穿接在两个轮毂悬挂梁的轴承孔中，每个轮毂悬挂梁的两端均通过轮轴与轮毂连接；
[0010] 轮毂悬挂梁一端的侧面穿接有转轴，转轴与轮轴平行设置，转轴远离轮毂方向的一端固定连接有旋转底座，旋转底座远离转轴的一侧固定连接有电机，电机的输出端套接有螺杆，支撑柱的侧壁设有固定套，固定套设有与螺杆对应的螺孔，螺杆远离电机的一端穿过固定套的螺孔；
[0011] 轮毂悬挂梁的两端均设有碳刷架，碳刷架设有两个电性相反的碳刷，碳刷由弹簧段和导电硬块组成，碳刷的弹簧分别接有电导引线，轮毂靠近轮毂悬挂梁方向的一侧设有与碳刷对应的碳刷圈，碳刷圈具体为两个环形的卡槽形状，碳刷的导电硬块活动卡接在碳刷圈；
[0012] 轮毂远离轮毂悬挂梁方向的一侧设有与碳刷圈电性连接的两个导线接线头，轮毂远离轮毂悬挂梁方向的一侧还设有气门嘴，气泵和气泵总成，气泵总成包括气压继电器、压力表及气压调节阀，轮毂的外侧包接有橡胶轮胎，气门嘴与橡胶轮胎相连通，气门嘴伸出橡胶轮胎外的一端与气泵总成相连通，气泵总成与气泵相连通；
[0013] 椅座悬架梁的上表面设有固定板，固定板上设有驱动系统和平衡调节系统，平衡调节系统由固态精密陀螺仪、加速度传感器和伺服控制系统组成，驱动系统包括传动杆、马达和电源。
[0014] 两个碳刷的电导引线分别与电源的正、负极电性连接，气泵的正、负极分别与两个导线接线头电性连接。
[0015] 优选地，椅座上设有扶手，扶手上设有摇杆控制器。
[0016] 优选地，驱动系统，平衡调节系统及电机均与摇杆控制器电性连接。
[0017] 优选地，伺服控制系统与电机电性连接、传动杆与轮轴连接，气泵和气泵总成分别与平衡调节系统电性连接。
[0018] 优选地，橡胶轮胎具体是特软质橡胶轮胎，其肖氏硬度低于10。
[0019] 优选地，碳刷的导电硬块和碳刷圈均涂布导电耐磨石墨层。
[0020] 优选地，固定套和螺杆均采用高强度硬质合金钢。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0022] 本发明采用两套调节系统来实现轮椅的自平衡控制功能，即椅座倾斜调节系统和轮胎气压调节系统；椅座倾斜调节系统包括相互独立椅座悬架梁和轮毂悬挂梁，椅座悬架梁通过支撑柱与椅座相连，轮毂悬挂梁通过轮轴与轮毂相连，二者通过电机的螺杆及支撑柱的固定套螺纹连接，二者的倾斜模式独立运行，车轮颠簸时，椅座基本保持水平，从而保证各个车轮都能安全着地，各个车轮的受力也较均衡，不会出现车轮悬空及其导致的翻车风险；轮胎气压调节系统包括气泵，气泵总成及特软质的橡胶轮胎，车轮颠簸时，气泵对橡胶轮胎抽气，使橡胶轮胎处于易变形的负压状态，使轮胎始终能贴合在地面上，从而适应台阶式的各种颠簸起伏，大大减少颠簸感，提高乘坐舒适度，同时变形的橡胶轮胎摩擦力较大，进一步提高了乘坐的安全性。本发明通过以上两套调节系统，分别调节椅座的水平状态以及轮胎的负压状态，大大提高了轮椅的舒适度及安全性，能够适应上楼或下楼及越障等各种地形，适合大范围推广。
附图说明
[0023] 图1为本发明提出的一种适应爬楼的自平衡轮椅的车架的俯视图；
[0024] 图2为本发明提出的一种适应爬楼的自平衡轮椅的车架的俯视图的局面放大图I；
[0025] 图3为本发明提出的一种适应爬楼的自平衡轮椅的轮毂内侧示意图；
[0026] 图4为本发明提出的一种适应爬楼的自平衡轮椅的轮毂外侧示意图；
[0027] 图5为本发明提出的一种适应爬楼的自平衡轮椅爬楼行走示意图；
[0028] 图中：1椅座、2椅座悬架梁、3轮毂、4轮毂悬挂梁、5支撑柱、6悬架梁轴、7轮轴、8转轴、9旋转底座、10电机、11螺杆、12固定套、13碳刷架、14碳刷、15碳刷圈、16导线接线头、17气门嘴、18气泵、19气泵总成、20橡胶轮胎、21固定板、22驱动系统、23平衡调节系统、24扶手、25摇杆控制器。
具体实施方式
[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0030] 参照图1-4，一种适应爬楼的自平衡轮椅，包括椅座1、椅座悬架梁2、轮毂3和轮毂悬挂梁4，椅座1底部固定设置有两个对称的支撑柱5，椅座悬架梁2的上表面设有与支撑柱5对应的卡槽，支撑柱5卡接在椅座悬架梁2的卡槽内且通过螺钉紧固，椅座悬架梁2沿长度方向穿接有悬架梁轴6，轮毂悬挂梁4设有与悬挂梁轴6对应的轴承孔，悬挂梁轴6的两端分别穿接在两个轮毂悬挂梁4的轴承孔中，每个轮毂悬挂梁4的两端均通过轮轴7与轮毂3连接；轮毂悬挂梁4的侧面穿接有转轴8，转轴8与轮轴7平行设置，转轴8远离轮毂3方向的一端固定连接有旋转底座9，旋转底座9远离转轴8的一侧固定连接有电机10，电机10的输出端套接有螺杆11，支撑柱5的侧壁设有固定套12，固定套12设有与螺杆11对应的螺孔，螺杆11远离电机10的一端穿过固定套12的螺孔；轮毂悬挂梁4的两端均设有碳刷架13，碳刷架13设有两个电性相反的碳刷14，碳刷14由弹簧段和导电硬块组成，碳刷14的弹簧分别接有电导引线，轮毂3靠近轮毂悬挂梁4方向的一侧设有与碳刷14对应的碳刷圈15，碳刷圈15具体为两个环形的卡槽形状，碳刷14的导电硬块活动卡接在碳刷圈15；轮毂3远离轮毂悬挂梁4方向的一侧设有与碳刷圈15电性连接的两个导线接线头16，轮毂3远离轮毂悬挂梁4方向的一侧还设有气门嘴17，气泵18和气泵总成19，气泵总成19包括气压继电器，压力表及气压调节阀，轮毂3的外侧包接有橡胶轮胎20，气门嘴17与橡胶轮胎20相连通，气门嘴17伸出橡胶轮胎20外的一端与气泵总成19相连通，气泵总成19与气泵18相连通；椅座悬架梁2的上表面设有固定板21，固定板21上设有驱动系统22和平衡调节系统23，平衡调节系统23由固态精密陀螺仪，加速度传感器和伺服控制系统组成，驱动系统22包括传动杆，马达和电源，本发明的平衡调节系统为现有常用的FGHGF型号平衡车所用的平衡调节系统，本发明的驱动系统为现有常用的BZ-6401型号电动轮椅所用的驱动系统，在此其连接结构不一一赘述；两个碳刷14的电导引线分别与电源的正、负极电性连接，气泵18的正、负极分别与两个导线接线头16电性连接。
[0031] 参考图1，椅座1上设有扶手24，扶手24上设有摇杆控制器25，驱动系统22，平衡调节系统23及电机10均与摇杆控制器25电性连接,伺服控制系统与电机10电性连接，传动杆与轮轴7连接，所述气泵18和气泵总成19分别与平衡调节系统23电性连接，本发明通过摇杆控制器25控制平衡调节系统23及电机10的开关，通过摇杆控制器25调节驱动系统22的运行模式，通过平衡调节系统23的固态精密陀螺仪来测量倾斜的角度和倾斜的速度，并将信号分别传递到电机10和气泵18中，一是控制螺杆11的转速和转向，从而调整座椅的平衡；二是控制气泵18对橡胶轮胎20进行抽气或放气，从而控制橡胶轮胎20内的气压，以适应上楼或下楼及越障等各种地形。
[0032] 参考图1，橡胶轮胎20具体是特软质橡胶轮胎，其肖氏硬度低于10，采用软质的橡胶轮胎20，利于低压状态下轮胎的变形，从而轻松地滚过障碍，且颠簸的幅度较小，有较大的减震效果。
[0033] 参考图1，碳刷14的导电硬块和碳刷圈15均涂布导电耐磨石墨层，提高碳刷14及碳刷圈15的使用年限。
[0034] 参考图1，固定套12和螺杆11均采用高强度硬质合金钢，保证调整椅座1平衡时的稳定性，提高轮椅的使用年限。
[0035] 本发明的自平衡控制原理：通过摇杆控制器25控制平衡调节系统23及电机10的开关，通过摇杆控制器25调节驱动系统22的运行模式，通过平衡调节系统23的固态精密陀螺仪来测量倾斜的角度和倾斜的速度，并将信号分别传递到电机10和气泵18中，一是控制螺杆11的转速和转向，从而调整座椅的平衡；二是控制气泵18对橡胶轮胎20进行抽气或放气，从而控制橡胶轮胎20内的气压，以适应上楼或下楼及越障等各种地形。
[0036] 本发明的工作过程：上楼时：如图5所示，当前轮轮胎触碰到台阶并往上走时，平衡调节系统23固态精密陀螺仪和加速度传感器自动测定倾斜角度和倾斜的速度，产生的倾斜信号传递到伺服控制系统中，伺服控制系统将倾斜信号分别发送到电机10和气泵18中，一方面根据倾斜信号调整电机10及螺杆11的转向和转速，将螺杆11从固定套12中转出，从而将向后倾斜的支撑柱5扶成竖直状态，保证椅座1维持水平方向，实现了椅座1向前倾的运动模式，乘坐人的重心也向前偏移，提高了上楼的安全性；另一方面倾斜信号能够提醒气泵18和气泵总成19，通过伺服控制系统控制气泵总成19及气泵18对橡胶轮胎20进行抽气，使橡胶轮胎20处于负压状态，负压的橡胶轮胎20容易产生变形，使轮胎始终能贴合在台阶上，从而适应台阶式的各种颠簸起伏，大大减少颠簸感，提高乘坐舒适度，同时变形的橡胶轮胎20摩擦力较大，容易附着在楼梯上，进一步提高轮椅爬楼梯的舒适度。下楼时，如前述原理类似，不同的是，螺杆11向固定套12内转进，从而将向前倾斜的支撑柱5扶成竖直状态，实现了椅座1向后仰的运动模式，乘坐人的重心也向后偏移，提高了下楼的安全性；越障碍时，相当于上楼和下楼的交替组合，即实现了椅座1向前倾斜与向后仰的运动模式的交替运行，始终保证椅座1基本保持水平方向，提高乘坐舒适度及安全性。
[0037] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
