CN113440345B - 一种重心可自动调节的全向轮椅 - Google Patents

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Abstract

一种重心可自动调节的全向轮椅包括重心调节装置、全向行走装置、车体装置和控制装置，重心调节装置包括平衡平台支座、上平台、球铰链、连杆、曲柄、步进电机、下平台、法兰盘、减速器；全向行走装置包括弹簧、轴承座、横向摆臂、轴、麦克纳姆轮、直流伺服电机、联轴器、悬挂***；车体装置包括底盘、底板、护栏、座椅、脚蹬；控制装置包括控制面板、传感器、STM32芯片；本发明采用麦克纳姆轮进行全向行走装置的设计，只需控制好4个轮子的转速和转向就可以在不改变车身形态的情况下实现各个方向上的移动，可以实现在狭窄空间内的零半径转弯；采用4个运动链形成并联机构，使轮椅的座椅在上下坡或起伏路面时，始终保持水平，实现重心的自动调节。

Description

一种重心可自动调节的全向轮椅
技术领域
本发明是一种重心可自动调节的全向轮椅，属于自动轮椅技术领域。
背景技术
近年来我国经济快速发展，人民的生活水平不断提高，社会对老年人和残疾人一类的特殊群体给予重视。对于他们的日常生活来说，影响最大的问题是出行问题，他们需要家人和朋友的帮助才能“走”出家门，参加户外运动。随着生活节奏逐渐地加快，很多老年人与残疾人士不能得到来自家人的细心照顾，而另一方面这一类群体又需要仔细的照顾，对社会平稳有序的运行造成影响。因此，为了提升老年人与残疾人的生活体验，减轻社会各方面的无奈感和压力感，各种各样的助老助残设备也逐渐出现在市场上。
轮椅的产生给老年人和残疾人的出行带来了极大的便利，目前市面上的轮椅种类繁多，但是大多数轮椅是普通的大轮电动轮椅，靠电力驱动。但这些轮椅在使用过程会受到限制，会出现以下两方面的问题：1)在狭窄空间内，普通电动轮椅转弯需要大半径，转弯问题成为棘手问题；2)上下坡时，轮椅整体会产生倾斜，坐在轮椅上的人也会随之倾斜，上坡时舒适度很差，下坡时，更容易发生危险。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，所解决的技术问题是提供一种重心可自动调节的全向轮椅。
一种重心可自动调节的全向轮椅，包括重心调节装置、全向行走装置、车体装置和控制装置。
所述重心调节装置包括平衡平台支座、上平台、球铰链、连杆、曲柄、步进电机、下平台、法兰盘、减速器；所述步进电机和减速器共有四组，固定安装在下平台，构成4个运动链；所述减速器经由步进电机驱动输出动力，带动连杆和曲柄运动，从而控制上平台三个自由度的运动，所述曲柄为主动件，曲柄的一端通过法兰盘与减速器连接，另一端通过球铰链与连杆连接，所述连杆为从动件，连杆通过球铰链与上平台下端连接，形成从步进电机到上平台的运动链，所述平衡平台支座上端与下平台连接，下端固定安装在底板上，所述上平台上端通过螺栓与座椅固定连接，当轮椅行进到起伏路面或上下坡时，通过调节步进电机的转角，由连杆和曲柄传递运动，来控制上平台的高低与倾角，无论经过上下坡或者颠簸路面，都可以实现上平台始终保持水平，给使用者带来舒适感和安全感。
所述全向行走装置包括弹簧、轴承座、横向摆臂、轴、麦克纳姆轮、直流伺服电机、联轴器；所述全向行走装置采用四个麦克纳姆轮组成四轮驱动式结构，所述轴一端通过键与麦克纳姆轮固定安装，一端通过联轴器与直流伺服电机连接，所述直流伺服电机为所述全向行走装置提供动力；两根所述弹簧和两个横向摆臂组成双横臂独立悬架，所述弹簧为主要的传力元件，对重力进行缓冲减震，使麦克纳姆轮始终接地，弹簧一端固定连接于轴承座，另一端固定连接于底盘；当轮椅行进到狭窄的楼道内需要换向时，通过控制四个直流伺服电机的转速与转向，能够实现较精准的控制，实现零半径转弯。
所述车体装置包括底盘、底板、护栏、座椅、脚蹬；所述底盘用于安装全向行走装置，所述底板通过螺栓固定安装在底盘上，所述护栏选用非承载式结构，整个护栏使用钢板和空心矩钢焊接而成，通过螺栓安装在底板上；所述座椅的底部与上平台固定安装，背部与护栏固定安装；所述脚蹬通过螺栓与护栏连接。
所述控制装置包括控制面板、传感器、STM32芯片；所述传感器用于检测全向轮椅的偏航角、横滚角、俯仰角，通过IIC通讯协议将上平台实际位姿矩阵以数字的形式输入到STM32芯片；所述控制面板设有触摸屏、行走启动按钮、行走停止按钮、重心调节启动按钮、重心调节停止按钮、自动控制按钮、手动控制按钮，所述触摸屏用于输入轮椅移动速度和座椅的姿态，所述行走启动按钮用于启动全向行走装置，所述行走停止按钮用于停止全向行走装置，所述重心调节启动按钮与自动控制按钮相结合，用于启动重心调节装置的自动调节平衡模式，所述手动控制按钮用于启动重心调节装置的手动调节模式，所述重心调节停止按钮用于停止重心调节装置；所述STM32芯片，用于接收触摸屏输入的速度信号和上平台实际位姿信号，进而控制步进电机和直流伺服电机的运转。
考虑到安全性，轮椅的最大移动速度为1.3mm/s。
考虑到承载能力，轮椅的额定载荷为90kg。
上述重心可自动调节的全向轮椅整体尺寸为1200mm×1100mm×820mm。
本发明与现有技术的相比的有益效果是：采用麦克纳姆轮进行全向行走装置的设计，只需控制好四个轮子的转速和转向就可以在不改变车身形态的情况下实现各个方向上的移动，可以实现在狭窄空间内的零半径转弯；采用四个运动链形成并联机构，使轮椅的座椅在上下坡或起伏路面时，始终保持水平，实现重心的自动调节。
附图说明
图1是本发明重心可自动调节的全向轮椅的整体结构图。
图2是本发明重心调节装置的结构图。
图3是本发明全向行走装置的结构图。
图4是本发明车体装置的结构图。
图5是本发明的控制面板的布局图。
其中：1、底盘，2、底板，3、平衡平台支座，4、护栏，5、座椅，6、上平台，7、球铰链，8、连杆，9、曲柄，10、步进电机，11、下平台，12、法兰盘，13、减速器，14、弹簧，15、轴承座，16、横向摆臂，17、轴，18、麦克纳姆轮，19、直流伺服电机，20、联轴器，21、脚蹬，22、传感器，23、触摸屏，24、控制面板，25、行走启动按钮，26、行走停止按钮，27、重心调节启动按钮，28、重心调节停止按钮，29、自动控制按钮，30、手动控制按钮，31、STM32芯片。
具体实施方式
如图1—图5所示，一种重心可自动调节的全向轮椅，包括重心调节装置、全向行走装置、车体装置和控制装置。
所述重心调节装置包括平衡平台支座3、上平台6、球铰链7、连杆8、曲柄9、步进电机10、下平台11、法兰盘12、减速器13；所述步进电机10和减速器13共有四组，固定安装在下平台11，构成4个运动链；所述减速器13经由步进电机10驱动输出动力，带动连杆8和曲柄9运动，从而控制上平台6三个自由度的运动，所述曲柄9为主动件，曲柄9的一端通过法兰盘12与减速器13连接，另一端通过球铰链7与连杆8连接，所述连杆8为从动件，连杆8通过球铰链7与上平台6下端连接，形成从步进电机10到上平台6的运动链，所述平衡平台支座3上端与下平台11连接，下端固定安装在底板2上，所述上平台6上端通过螺栓与座椅5固定连接，当轮椅行进到起伏路面或上下坡时，通过调节步进电机10的转角，由连杆8和曲柄9传递运动，来控制上平台6的高低与倾角，无论经过上下坡或者颠簸路面，都可以实现上平台6始终保持水平，给使用者带来舒适感和安全感。
所述全向行走装置包括弹簧14、轴承座15、横向摆臂16、轴17、麦克纳姆轮18、直流伺服电机19、联轴器20；所述全向行走装置采用四个麦克纳姆轮18组成四轮驱动式结构，所述轴17一端通过键与麦克纳姆轮18固定安装，一端通过联轴器20与直流伺服电机19连接，所述直流伺服电机19为所述全向行走装置提供动力；两根所述弹簧14和两个横向摆臂16组成双横臂独立悬架，所述弹簧14为主要的传力元件，对重力进行缓冲减震，使麦克纳姆轮18始终接地，弹簧14一端固定连接于轴承座15，另一端固定连接于底盘1；当轮椅行进到狭窄的楼道内需要换向时，通过控制四个直流伺服电机19的转速与转向，能够实现较精准的控制，实现零半径转弯。
所述车体装置包括底盘1、底板2、护栏4、座椅5、脚蹬21；所述底盘1用于安装全向行走装置，所述底板2通过螺栓固定安装在底盘1上，所述护栏4选用非承载式结构，整个护栏4使用钢板和空心矩钢焊接而成，通过螺栓安装在底板2上；所述座椅5的底部与上平台6固定安装，背部与护栏4固定安装；所述脚蹬21通过螺栓与护栏4连接。
所述控制装置包括控制面板24、传感器22、STM32芯片31；所述传感器22用于检测全向轮椅的偏航角、横滚角、俯仰角，将上平台6实际位姿信号输入到STM32芯片31；所述控制面板24设有触摸屏23、行走启动按钮25、行走停止按钮26、重心调节启动按钮27、重心调节停止按钮28、自动控制按钮29、手动控制按钮30，所述触摸屏23用于输入轮椅移动速度和座椅5的姿态，所述行走启动按钮25用于启动全向行走装置，所述行走停止按钮26用于停止全向行走装置，所述重心调节启动按钮27与自动控制按钮29相结合，用于启动重心调节装置的自动调节平衡模式，所述手动控制按钮30用于启动重心调节装置的手动调节模式，所述重心调节停止按钮28用于停止重心调节装置；所述STM32芯片31，用于接收触摸屏23输入的速度信号和上平台6实际位姿信号，进而控制步进电机10和直流伺服电机19的运转。
考虑到安全性，重心可自动调节的全向轮椅的最大移动速度为1.3mm/s。
考虑到承载能力及安全性，重心可自动调节的全向轮椅的额定载荷为90kg。
上述重心可自动调节的全向轮椅整体尺寸为1200mm×1100mm×820mm。
使用本发明时，当启动轮椅时，先在触摸屏23上输入座椅5的姿态，按下重心调节启动按钮27和手动控制按钮30，启动重心调节装置的手动控制模式，STM32芯片31扫描输入的指令信号，输出控制指令，控制自动调节装置完成预设座椅5的姿态调整。完成上述指令后，再在触摸屏23上输入全向行走装置的速度和麦克纳姆轮18的转向，按下行走启动按钮25，STM32芯片31扫描输入的指令信号，输出控制指令，驱动步进电机10转动，使全向行走装置进入运行状态；当行进到狭窄空间时，在触摸板23输入麦克纳姆轮18的转向，STM32芯片31扫描输入的转向指令，输出控制指令，控制四个直流伺服电机19工作，实现麦克纳姆轮18的转向；当行进到坡路或起伏路面时，按下自动控制按钮29，轮椅的重心调节装置进入自动控制模式，通过上平台6上的传感器22，检测全向轮椅的偏航角、横滚角、俯仰角，将上平台6实际位姿信号输入到STM32芯片31，***计算出每一个步进电机10所需转动量和所需位置，输出控制指令，调节步进电机10的转角，由连杆8和曲柄9传递运动，来控制上平台6的高低与倾角，进而实现无论在有坡度或者颠簸路面，都可以实现上平台6始终保持水平。

Claims (4)

1.一种重心可自动调节的全向轮椅，包括重心调节装置、全向行走装置、车体装置和控制装置；
其特征在于，所述重心调节装置包括平衡平台支座(3)、上平台(6)、球铰链(7)、连杆(8)、曲柄(9)、步进电机(10)、下平台(11)、法兰盘(12)、减速器(13)，所述步进电机(10)和减速器(13)共有四组，固定安装在下平台(11)，构成4个运动链，所述减速器(13)经由步进电机(10)驱动输出动力，带动连杆(8)和曲柄(9)运动，从而控制上平台(6)三个自由度的运动，所述曲柄(9)为主动件，曲柄(9)的一端通过法兰盘(12)与减速器(13)连接，另一端通过球铰链(7)与连杆(8)连接，所述连杆(8)为从动件，连杆(8)通过球铰链(7)与上平台(6)连接，形成从步进电机(10)到上平台(6)的运动链，所述平衡平台支座(3)上端与下平台(11)连接，下端固定安装在底板(2)上，所述上平台(6)上端通过螺栓与座椅(5)固定连接，通过调节步进电机(10)的转角，由连杆(8)和曲柄(9)传递运动来控制上平台(6)的高低与倾角，无论经过上下坡或者颠簸路面，上平台(6)始终保持水平；
所述全向行走装置包括弹簧(14)、轴承座(15)、横向摆臂(16)、轴(17)、麦克纳姆轮(18)、直流伺服电机(19)、联轴器(20)；所述全向行走装置采用四个麦克纳姆轮(18)组成四轮驱动式结构，所述轴(17)一端通过键与麦克纳姆轮(18)固定安装，一端通过联轴器(20)与直流伺服电机(19)连接，所述直流伺服电机(19)为所述全向行走装置提供动力，两根所述弹簧(14)和两个横向摆臂(16)组成双横臂独立悬架，所述弹簧(14)为主要的传力元件，对重力进行缓冲减震，使麦克纳姆轮(18)始终接地，弹簧(14)一端固定连接于轴承座(15)，另一端固定连接于底盘(1)，控制四个直流伺服电机(19)的转速和转向，实现在狭窄空间内的零半径转弯；
所述车体装置包括底盘(1)、底板(2)、护栏(4)、座椅(5)、脚蹬(21)；所述底盘(1)用于安装全向行走装置，所述底板(2)通过螺栓固定安装在底盘(1)上，所述护栏(4)选用非承载式结构，整个护栏(4)使用钢板和空心矩钢焊接而成，通过螺栓安装在底板(2)上；所述座椅(5)的底部与上平台(6)固定安装，背部与护栏(4)固定安装；所述脚蹬(21)通过螺栓与护栏(4)连接；
所述控制装置包括控制面板(24)、传感器(22)、STM32芯片(31)；所述传感器(22)用于检测全向轮椅的偏航角、横滚角、俯仰角，将上平台(6)实际位姿信号输入到STM32芯片(31)；所述控制面板(24)设有触摸屏(23)、行走启动按钮(25)、行走停止按钮(26)、重心调节启动按钮(27)、重心调节停止按钮(28)、自动控制按钮(29)、手动控制按钮(30)，所述触摸屏(23)用于输入轮椅移动速度和座椅(5)的姿态，所述行走启动按钮(25)用于启动全向行走装置，所述行走停止按钮(26)用于停止全向行走装置，所述重心调节启动按钮(27)与自动控制按钮(29)相结合，用于启动重心调节装置的自动调节平衡模式，所述手动控制按钮(30)用于启动重心调节装置的手动调节模式，所述重心调节停止按钮(28)用于停止重心调节装置；所述STM32芯片(31)，用于接收触摸屏(23)输入的速度信号和上平台(6)实际位姿信号，控制步进电机(10)和直流伺服电机(19)的运转。
2.如权利要求1所述的一种重心可自动调节的全向轮椅，其特征在于所述重心可自动调节的全向轮椅的最大移动速度为1.3mm/s。
3.如权利要求1所述的一种重心可自动调节的全向轮椅，其特征在于所述重心可自动调节的全向轮椅的额定载荷为90kg。
4.如权利要求1所述的一种重心可自动调节的全向轮椅，其特征在于所述重心可自动调节的全向轮椅整体尺寸为1200mm×1100mm×820mm。
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