CN106420202B - 动平衡电动轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动平衡电动轮椅，包括：轮椅架，包括座椅、位于座椅左右两侧的扶手、位于座椅后侧的靠背和旋转固定到座椅下端处的脚踏板，扶手、靠背和脚踏板分别与座椅转动连接；单轮，通过可伸缩支架与轮椅架连接，在单轮内设置有电机和刹车装置；控制***，包括设置在扶手上的控制手柄、设置在与靠背连接的手推把处的助动命令按钮、设置在单轮内的自平衡电路控制板和设置在控制手柄处的单片机，用于对电动轮椅的行驶模式进行控制，控制***通过控制手柄控制和身体姿势控制方式进行控制，控制手柄控制方式通过控制手柄来实现，身体姿势控制方式通过自平衡电路控制板来实现。本发明体形小巧、携带方便，两种控制方式均可实现意图识别。

Description

动平衡电动轮椅

技术领域

本发明涉及电动轮椅动平衡技术领域，特别是涉及一种可折叠便携式动平衡电动轮椅。

背景技术

目前我国各类残疾人总数达8296万，占全国人口总数的6.34％，其中肢体残疾人数为2412万，约占残疾人口总数的29.07％，是我国各类残疾人中数量最多的群体。肢体残疾人的运动功能障碍使得他们行动不便，影响日常生活和社会参与能力，同时给家人和社会带来巨大的物质和精神负担。同时，我国也逐渐步入“老龄化社会”。截至2014年底，中国60岁以上老年人口已经达到2.12亿，占总人口的15.5％。据预测，本世纪中叶老年人口数量将达到峰值，超过4亿，届时每3人中就会有一个老年人。而老年人往往伴随着腿脚不便或者残疾。

轮椅作为老年人、下肢残障者以及下肢运动功能较弱者的代步工具，有着巨大的社会需求。

目前，日常使用轮椅90％以上是通过双手推动轮辐实现移动的。手推容易造成手动轮椅使用者上肢不同程度损伤，特别是肩膀和手腕区域。而且，大多数老年人和残疾人上肢力量不足，需要增加额外护理人员帮助其行进。针对这一问题，设计出了电动轮椅。但是，电动轮椅多采用四轮轮椅，轮椅转向及携带不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一动平衡电动轮椅，其能够克服上述现有技术的某种或某些问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种动平衡电动轮椅，包括：

轮椅架，其构成电动轮椅的主体部分，轮椅架包括座椅、位于座椅左右两侧的扶手、位于座椅后侧的靠背以及旋转固定到座椅下端处的脚踏板，扶手、靠背以及脚踏板分别与座椅以转动的方式连接；

单轮，该单轮通过可伸缩支架与轮椅架连接，在该单轮内设置有电机和刹车装置；以及

控制***，控制***包括控制手柄、助动命令按钮、自平衡电路控制板和单片机，用于对电动轮椅的行驶模式进行控制，其中，控制手柄设置在扶手上，助动命令按钮设置在与靠背连接的手推把处，自平衡电路控制板设置在单轮内，并且单片机设置在控制手柄处，

其中，控制***通过两种控制方式进行控制，包括控制手柄控制方式和身体姿势控制方式，其中控制手柄控制方式通过控制手柄来实现，身体姿势控制方式通过自平衡电路控制板来实现。

根据本发明，仅由一个动平衡轮子作为动力轮，体形小巧、携带方便，并且两种控制方式均可实现意图识别，如轮椅直行、后退、转弯、制动、自动避障等，因此具有便于智能控制等优点，有广阔的市场应用前景。

根据本发明的一个实施方式，控制手柄包括命令按钮和推杆，命令按钮和推杆分别通过压力传感器和力学传感器向单片机输入命令信息，以实现电动轮椅的前进、转弯、加减速和停车功能。控制手柄还包括高度调节按钮，通过该高度调节按钮处的压力传感器向单片机传递命令信号，来驱动连接轮椅架和单轮的可伸缩支架，通过调整可伸缩支架来改变轮椅的整体高度。通过这些实施方式，能够方便使用者控制该电动轮椅的行进和进行姿态调整。

根据本发明的一个实施方式，可伸缩支架为U型可伸缩支架，该U型可伸缩支架包括倒置的U型连接杆、固定到U型连接杆上部的伸缩杆和以及位于伸缩杆上部的支撑套，其中U型连接杆与单轮转动连接并且支撑套与座椅支架固定连接可伸缩支架为U型可伸缩支架，该U型可伸缩支架包括倒置的U型连接杆、固定到U型连接杆上部的伸缩杆和以及位于伸缩杆上部的支撑套，其中U型连接杆与单轮转动连接并且支撑套与座椅支架固定连接。借助该实施方式，能够方便地调整电动轮椅的高度，并且结构简单。另外，U型可伸缩支架采用整体制造，减少部件缺陷，增加强度，提高使用寿命。

在本发明的另一具体实施方式中，自平衡电路板设置在单轮中，并且包括姿态信号传感器、倒立摆***和驱动模块，姿态信号传感器用于测量电动轮椅的姿态参数，并且将所测量的电动轮椅的姿态参数输入到倒立摆***，倒立摆***通过建立电动轮椅的姿态参数与电机输出转矩之间的关系，计算出车体姿态控制量，并且将控制信息传递给驱动模块，由驱动模块驱动电机转动来实现电动轮椅的自平衡和行驶。通过如此设置的自平衡电路板，能够精确地测量并计算轮椅的姿态并且方便对其进行控制。

根据另一实施方式，姿态信号传感器包括陀螺仪和加速度计，用于测量电动轮椅的姿态参数，姿态参数包括俯仰角和俯仰角速度，即，电动轮椅相对于该电动轮椅的对称轴的前后倾斜角度和倾斜角速度。根据该实施方式，能够在精确测量的基础上降低生产成本。

另外，助动命令按钮设置在连接到靠背的手推把上，助动命令按钮通过压力传感器向单片机传递命令信号，来判断轮椅将选择手推和助动模式前进，并且通过驱动电机实现助动。通过如此设置助动命令按钮，可以由推动轮椅的操作者容易操作该按钮。

根据另一实施方式，靠背借助转动轴能够与座椅靠拢合并，并且在座椅和靠背的中间分别设置有可伸缩杆，通过压缩座椅的左右两端能够将座椅和靠背中间的可伸缩杆压缩到最短距离。轮椅架的通过以上结构可以对轮椅进行折叠，从而便于携带，保证出行方便，行驶距离较远时，轮椅可以通过折叠携带，可以很方便地放在汽车后备箱里。

另外，在单轮的固定轮轴下面连接辅助架，在辅助架上安装有辅助轮组，辅助轮组的下边缘高于单轮的下边缘。通过该实施方式，使辅助轮组在该电动轮椅正常行驶过程中不着地，保证良好的转向特性。该辅助轮组在轮椅停止时可以帮助保持平衡，在轮椅行驶过程中遇到上坡或下坡时可以避免前倾或后仰，以保证轮椅的安全性。

优选地，辅助支架的主体呈弧形，弧形主体的弧度例如在100°至150°之间，弧长主体的长度例如在450mm至600mm之间，如此设计的弧形主体能够具有增强的减震效果。

轮椅架的支撑部分采用钛合金制成。该轮椅架和连接件采用密度低、比强度高的钛合金，其材料的选择与结构的可伸缩折叠特点结合起来保证该轮椅的便携性，为残疾人出行提供便利。总之，本发明提出一种仅由一个动平衡轮子作为动力轮，能在室内外自由移动，体形小巧，转弯方便，可折叠的便携式单轮动平衡电动轮椅，外出携带方便，控制方式灵活，可采用多种方式控制电动轮椅的行驶。

本发明的智能助动的可折叠便携式单轮动平衡电动轮椅。动力行驶模式包括1手推+电动助力和2纯电动行驶模式两种。控制方式包括控制手柄和身体姿势控制两种，具有意图识别功能。轮椅外形设计人性化，符合人体解剖学特点，体压分布合理。行驶距离较远时，轮椅可以通过折叠携带，可以很方便地放在汽车后备箱里。

除非明显抵触，本发明不同实施例所涉及的特征可以相互组合。

附图说明

图1为本发明的可折叠便携式单轮动平衡电动轮椅的结构示意图：

图2为图1中所示的单轮动平衡电动轮椅的单轮的内部结构示意图：

图3为图2中所示的单轮在安装了轮盖之后的剖视图；

图4为图1中所示的单轮动平衡电动轮椅的可伸缩支架的示意图；

图5为图1中所示的单轮动平衡电动轮椅的轮椅架的示意图；

图6为本发明的单轮动平衡电动轮椅的控制***的工作框图；

图7为图1中所示的自平衡电路控制板的信号传递示意图；以及

图8为图1中所示的自平衡电路控制板的电气***结构原理。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的可折叠便携式单轮动平衡电动轮椅。本领域技术人员应当理解，下面描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其做出任何限制。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，单轮动平衡电动轮椅包括：单轮1、可伸缩支架2和轮椅架3。单轮1通过可伸缩支架2与轮椅架3连接。单轮1通过滚动轴承与可伸缩支架2相连，滚动轴承安装在与可伸缩支架的固定轴上，可伸缩支架2与轮椅架3通过焊接固定连接并且可上下伸缩。

轮椅架3包括座椅4、扶手5、靠背6、与靠背6连接的手推把7以及脚踏板8。座椅4包括坐垫和座椅支架20(参见图5)，坐垫覆盖在座椅支架20上。在座椅4的左右两侧安装有扶手5，扶手大致呈“T”字形，其立柱下端与座椅4连接，立柱上端与横梁连接。在右侧扶手5的横梁前端通过螺丝连接安装有智能控制手柄9，扶手5为中空结构，内部用于容纳与智能控制手柄9连接的线缆，线缆的另一端与控制***主板相连。靠背6位于座椅4后侧并且包括靠垫和靠背支架19(参见图5)，靠垫覆盖在靠背支架19上。脚踏板8位于座椅4前侧并且包括踏板和踏板支架21，踏板固定在踏板支架21下端。扶手5、靠背6、手推把7和脚踏板8均通过转动轴与座椅支架20连接。

该电动轮椅还包括辅助轮组10、辅助支架11、电池组12、自平衡电路控制板13、电磁刹车制动器14和驱动电机15。

在轮椅的单轮1的两边安装有辅助轮组10，辅助轮组10通过左右两边的辅助轮支架11与单轮1的固定轮轴连接，辅助轮组10安装于辅助支架11的前后两端上，辅助支架11的主体为弧形金属条，该弧形金属条两端各安装有一个辅助轮，辅助支架11通过主体中部向上延伸的连接杆与可伸缩支架2相连，该弧形主体可以提供较高的支撑强度，并具有一定的减震效果。弧形主体的弧度例如在100°至150°之间，弧长主体的长度例如在450mm至600mm之间，如此设计的弧形主体能够具有增强的减震效果。优选地，辅助轮组10的下边缘高于单轮1的下边缘，这样可以使辅助轮组10在该电动轮椅的正常行驶过程中不着地，从而保证良好的转向特性。辅助轮组10在停车时可以帮助单轮电动轮椅保持平衡，在行驶过程中遇到上坡或下坡时可以避免前倾或后倾，以保证轮椅的安全性。

电池组12分别安装于可伸缩支架2的U型连接杆16的两侧，并设置充电口，本设计中的电池采用具有体积小、容量大优点的锂电池。驱动电机15和电磁刹车制动器14分别与电池组12连接，操纵手柄9处的单片机ECU和单轮中的自平衡电路控制板13均有独立集成电源供电来采集命令信号并控制驱动电机15和电磁刹车制动器14。

如图2、3所示，单轮1内安装有驱动电机15、电磁刹车制动器14和自平衡电路控制板13。其中驱动电机15采用中置式，与电磁刹车制动器14同轴安装，驱动电机15接收到ECU工作命令之后便开始根据命令要求进行不同转速的转动，当ECU发出刹车命令后，电磁刹车制动器14开始工作，使单轮减速或者停止。自平衡电路控制板13包括姿态信号传感器(未示出)、倒立摆***(未示出)和驱动模块(未示出)，其通过螺丝连接固定于单轮1内。

如图4所示，可伸缩支架2包括U型连接杆16、伸缩杆17和支撑套18。U型连接杆16通过螺栓与单轮1的固定轮轴连接，伸缩杆17与支撑套18连接，支撑套18与轮椅架3固定连接。U型连接杆16和伸缩杆17采用整体制造，U形连接杆16和支撑套套18连接，伸缩杆17中安装有电机，通过改变支撑套18和伸缩杆17的相对位置来调整轮椅的整体高度。通过选择智能控制手柄9处轮椅高度调节按钮，单片机ECU接收其按钮下的压力传感器所传递的命令信号，并驱动伸缩杆17处的电机调整伸缩杆17的长度来改变轮椅的整体高度。

如图5所示，扶手5由扶手支架23和扶手板24组成。座椅支架20的前后端分别连接有踏板支架21和靠背支架19。踏板分别安装于左右踏板支架21上。扶手支架23、踏板支架21和靠背支架19与座椅之间均采用转动轴连接而形成一个整体，以便进行折叠。

座椅支架20和靠背支架19均包括多个横向伸缩杆22，该横向伸缩杆22的两端分别与纵向连接杆连接，该伸缩杆22由三段组成，其中座椅支架20的中间横向伸缩杆22固定于可伸缩支架2的支撑套18上，当对轮椅架3进行左右压缩时，其左右两端的杆可以压缩到中间杆中，以实现轮椅的可折叠功能。

轮椅车的尺寸，包括座位宽窄、深浅与靠背的高度以及脚踏板到座面的距离根据人机工程学尺寸设计，同时考虑人体解剖学特点，靠背6造型符合人体脊柱的生理弯曲，体压分布合理。

本发明具有两种动力行驶模式，包括手推和电动助力模式以及纯电动行驶模式。

动力行驶模式由控制***实现。控制***的工作框图如图6所示。控制***包括位于扶手处的智能控制手柄9、手推把7处的助动命令按钮、自平衡电路控制板13和安装在智能控制手柄9处的单片机ECU。其中智能控制手柄9上具有命令按钮和推杆按钮，ECU通过接受命令按钮下的压力传感器和推杆处的力学传感器的信息来判断其选择的具体命令，可实现加减速、刹车、转向、直行、倒车及轮椅高度的调节等。当按下手推把7上的助动命令按钮时，ECU接收到其按钮下的压力传感器所传递的命令信号，判断电动轮椅将选择手推+助动模式前进。并根据手推把7内的力学传感器提供的力学信息驱动电机实现助动，此时驱动电机的电力输出低于额定输出值。

纯电动行驶模式包括通过在单轮内设置的驱动电机、电磁刹车***和自平衡电路控制板并且结合车架扶手上的智能控制手柄来实现轮椅行驶过程中的两种控制方式：操纵手柄控制方式；以及身体姿势控制方式。这两种控制方式均可实现意图识别，如轮椅直行、后退、转弯、制动、自动避障等。

通过操纵右边扶手上的智能控制手柄9的推杆和命令按钮可以实现轮椅的前进、转弯、加减速、停车等正常使用功能。当发出停车命令时，安装于单轮内的电磁刹车制动器开始工作，保证轮椅在一定距离内实现平稳停车。

身体姿态控制方式主要通过自平衡电路控制板13来实现，其固定于单轮1内，由姿态信号传感器、倒立摆***和驱动模块组成。姿态信号传感器包括加速度计和陀螺仪等，主要用于实时监测电动轮椅的俯仰角和俯仰角度，即轮椅相对于对称轴的前后倾斜角度和倾斜角速度。姿态检测传感器实时检测车体的角度和角速度信息。将姿态信息输入倒立摆***中，经过数据解读和滤波之后计算出控制量，并通过驱动模块对实现轮椅的姿态补偿。参考自平衡电路控制板信号传递图7、图8。

倒立摆***的输入为姿态信号传感器所提供的轮椅姿态信息，并通过相应的控制算法计算出车体姿态控制量，将控制信息传递给驱动模块，并驱动轮毂内电机转动实现独轮轮椅的自平衡和载人前进。倒立摆***是控制***的一个重要分支和典型的应用，可以理解成在计算机的控制下，通过对***的各种状态参数实时分析，使***在水平方向或者垂直方向上的位移和角度(角速度)的偏移量控制在允许的范围以内，从而使***保持平衡。当乘用者姿态发生改变时，轮椅上的姿态信号传感器感应车体的倾角θ信息，反馈给倒立摆***，分析之后，驱动电机产生同方向的驱动力，使其产生加速度a，并保证a＝gtanθ(g为重力加速度)。在此基础上，电动独轮轮椅靠电机驱动，采用陀螺仪、加速度计和倒立摆控制电路保持不倒，乘用者把身体向前倾斜就可以启动，速度则是由身体的倾斜程度来控制的，想要加速则向前倾，想要减速则向后倾。

作为一种可折叠的便携式支平衡电动轮椅，本发明设计的支架结构可以进行伸缩和折叠。通过可伸缩支架的长度伸缩来降低轮椅的整体高度，当可伸缩支架缩到最短时，该电动轮椅的高度最小。座椅上面的坐垫和靠背采用模块化设计，轮椅折叠时可以迅速取下来，所述座椅可以实现横向折叠。轮椅架的靠背支架可以通过连接的转动轴与座椅支架靠拢合并，脚踏板支架可以旋转固定到座椅支架的下端，最后通过压缩轮椅左右两端将座椅支架和靠背支架中间的伸缩杆压缩到最短距离。通过以上结构使轮椅便于携带，保证出行方便。

本发明充分考虑轮椅使用者的舒适性。乘坐轮椅车者承受体重的主要部位为臀部坐骨结节周围、腰靠和肩胛骨周围。轮椅车的尺寸，包括座位宽窄、深浅与靠背的高度以及脚踏板到座面的距离根据人机工程学尺寸设计，同时考虑人体解剖学特点，靠背造型符合人体脊柱的生理弯曲，体压分布合理。

本发明的轮椅支撑结构主要采用密度低、比强度高、抗腐蚀性能好的钛合金，以保证结构的轻量化。本发明采用轻量化的设计以更好地满足便携性需求。本发明中所述支架选用材料为钛合金，钛合金的比强度高于铝，且在一般环境下基本不会发生腐蚀，不需要额外的防腐蚀处理。钛制轮椅的主要优点是牢固、轻量、舒适、美观、使用寿命长。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种动平衡电动轮椅，包括：

轮椅架，其构成电动轮椅的主体部分，轮椅架包括座椅、位于座椅左右两侧的扶手、位于座椅后侧的靠背以及旋转固定到座椅下端处的脚踏板，扶手、靠背以及脚踏板分别与座椅以转动的方式连接；

单轮，该单轮通过可伸缩支架与轮椅架连接，在该单轮内设置有电机和刹车装置；以及

控制***，控制***包括控制手柄、助动命令按钮、自平衡电路控制板和单片机，用于对电动轮椅的行驶模式进行控制，其中，控制手柄设置在扶手上，助动命令按钮设置在与靠背连接的手推把处，自平衡电路控制板设置在单轮内，并且单片机设置在控制手柄处，

其中，控制***通过两种控制方式进行控制，包括控制手柄控制方式和身体姿势控制方式，其中控制手柄控制方式通过控制手柄来实现，身体姿势控制方式通过自平衡电路控制板来实现。

2.根据权利要求1所述的动平衡电动轮椅，其中，控制手柄包括命令按钮和推杆，命令按钮和推杆分别通过压力传感器和力学传感器向单片机输入命令信息，以实现电动轮椅的前进、转弯、加减速和停车功能。

3.根据权利要求2所述的动平衡电动轮椅，其中，控制手柄还包括高度调节按钮，通过该高度调节按钮处的压力传感器向单片机传递命令信号，来驱动连接轮椅架和单轮的可伸缩支架，通过调整可伸缩支架来改变轮椅的整体高度。

4.根据权利要求3所述的动平衡电动轮椅，其中，可伸缩支架为U型可伸缩支架，该U型可伸缩支架包括倒置的U型连接杆、固定到U型连接杆上部的伸缩杆以及位于伸缩杆上部的支撑套，其中U型连接杆与单轮转动连接并且支撑套与座椅支架固定连接。

5.根据权利要求1所述的动平衡电动轮椅，其中，自平衡电路板设置在单轮中，并且包括姿态信号传感器、倒立摆***和驱动模块，姿态信号传感器用于测量电动轮椅的姿态参数，并且将所测量的电动轮椅的姿态参数输入到倒立摆***，倒立摆***通过建立电动轮椅的姿态参数与电机输出转矩之间的关系，计算出车体姿态控制量，并且将控制信息传递给驱动模块，由驱动模块驱动电机转动来实现电动轮椅的自平衡和行驶。

6.根据权利要求5所述的动平衡电动轮椅，其中，姿态信号传感器包括陀螺仪和加速度计，用于测量电动轮椅的姿态参数，姿态参数包括俯仰角和俯仰角速度，即，电动轮椅相对于该电动轮椅的对称轴的前后倾斜角度和倾斜角速度。

7.根据权利要求1所述的动平衡电动轮椅，其中，助动命令按钮设置在连接到靠背的手推把上，助动命令按钮通过压力传感器向单片机传递命令信号，来判断轮椅将选择手推和助动模式前进，并且通过驱动电机实现助动。

8.根据权利要求1所述的动平衡电动轮椅，其中，靠背借助转动轴能够与座椅靠拢合并，并且在座椅和靠背的中间分别设置有可伸缩杆，通过压缩座椅的左右两端能够将座椅和靠背中间的可伸缩杆压缩到最短距离。

9.根据权利要求1所述的动平衡电动轮椅，其中，在单轮的固定轮轴下面连接辅助架，在辅助架上安装有辅助轮组，辅助轮组的下边缘高于单轮的下边缘。

10.根据权利要求1所述的动平衡电动轮椅，其中，轮椅架的支撑部分采用钛合金制成。