TWI406653B - 滾輪模組與應用其之輪椅 - Google Patents

Description

滾輪模組與應用其之輪椅

本發明是與一種滾輪模組有關，且特別是與一種應用於輪椅的滾輪模組有關。

現今，由於人口老化與意外事故等原因，許多行動不便之行動障礙者常使用輪椅來解決其於行動上的需求。惟在現有的家居環境下，常會因空間不足而導致輪椅無法順利地進出，反而造成移動上的不便。

為提高在狹窄空間中的機動性，現有輪椅多採左右二個驅動輪各由一顆馬達獨立驅動的方式。雖然此做法可使輪椅原地旋轉，然而輪椅無法側移。舉例來說，若家中流理台與爐台皆位在廚房的同一側，因而當使用輪椅者欲從流理台往爐台移動時，其必須先後退，然後轉向，前移至爐台，再轉向面對爐台後才能再前進。如此，在移動流程上非常不便，故而具有側移功能的輪椅對使用者來說十分重要。

另外，圖9是一種習知輪椅的底視圖。此輪椅20的四個滾輪模組500皆使用萬向輪(omni-wheel)，且每個滾輪模組500皆有獨立馬達600進行驅動。另外，由於其係採用的是輪框周圍的滾柱510與輪軸520之間呈45°角，不僅使得輪椅20能定點旋轉，更可作出向左右平移之運動。此設計雖大幅提高輪椅於狹窄空間中的機動性，但由於其是藉由透過輪軸520及滾柱510轉動，所分別產生的兩不同方向之速度分量，而以反方向速度間相互抵銷的方式以控制移動方向，因而會造成馬達600的部分輸出動力彼此抵銷，致使移動速度緩慢及消耗不必要的電力等非所欲的結果。

本發明提供一種滾輪模組，其係經由單向軸承的離合效應，以使得滾輪模組得以直進或轉向。

本發明另外提供一種輪椅，其可藉由本發明之滾輪模組而能直進與側向移動。

本發明的一實施例提出一種滾輪模組，其包括一馬達、至少一滾輪以及耦接在滾輪與馬達之間的一傳動單元。傳動單元具有至少一單向軸承。馬達會將方向相反的一第一轉動力矩與一第二轉動力矩輸出至傳動單元，而單向軸承會將第一轉動力矩與第二轉動力矩的其中之一者傳送至滾輪，以驅動滾輪滾動，並使得滾輪模組直進，或沿著第一轉動力矩的方向或第二轉動力矩的方向而轉向，其中第一轉動力矩的轉動軸與第二轉動力矩的轉動軸係垂直於滾輪的滾動軸。

本發明的一實施例提出一種輪椅，其包括一座體以及至少一滾輪模組。滾輪模組係配置在座體的底部，且包括一馬達、至少一滾輪與一傳動單元。傳動單元係具有至少一單向軸承。馬達會將方向相反的一第一轉動力矩與一第二轉動力矩輸出至傳動單元，而單向軸承會將第一轉動力矩與第二轉動力矩的其中之一者傳送至滾輪，以驅動滾輪滾動，並使座體得以藉由滾輪模組直進，或使滾輪模組沿著第一轉動力矩的方向或第二轉動力矩的方向而相對於座體轉向。第一轉動力矩的轉動軸與第二轉動力矩的轉動軸係垂直於滾輪的滾動軸。

基於上述說明，在本發明的上述實施例中，可藉由在滾輪模組中配置單向軸承，以分別控制滾輪的轉動方向，並使得滾輪模組可僅以單一馬達便得以同時具備前進與轉向等二個自由度，藉彼此間轉向角度的協調與搭配，而讓輪椅藉由滾輪模組驅動座體來產生直線移動，或是左、右側向移動等移動模式。此舉讓本發明的滾輪模組能有效地提高滾輪的轉動效率，亦即其不需以多個方向速度分量進行移動，因而對輪椅的電力轉換及移動速度而言具有較佳的實施效率。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明一實施例的一種輪椅之示意圖。圖2A與圖2B分別是圖1的輪椅的底視圖，且其等分別繪示輪椅在直進與側向移動時，座體與滾輪模組之間的相對關係。請同時參考圖1、圖2A與圖2B，在本實施例中，輪椅10包括多個滾輪模組100、多個從動輪200以及一座體300，其中滾輪模組100與從動輪200係配設在座體300的底部，且可藉由滾輪模組100牽引從動輪200轉動，以達到驅動座體300直進或側移的運動模式。在此需先說明的是，本發明並未限定滾輪模組100、從動輪200的數量及其相對於座體300的位置，設計者可依據輪椅10所需的負載及其使用需求而加以適當的變更。據此，下述將以其中一滾輪模組100進行說明。

圖3A與圖3B分別繪示圖1的滾輪模組於不同狀態下的示意圖。圖4A與圖4B分別為滾輪模組於滾輪中心水平剖視之俯視圖。請同時參考圖3A、圖3B、圖4A與圖4B，在本實施例中，滾輪模組100包括一馬達110、一傳動單元120、一第一滾輪130及一第二滾輪140，其中傳動單元120係耦接至馬達110，第一滾輪130與第二滾輪140係分別耦接在傳動單元120的相對兩側。

再者，傳動單元120包括一單向軸承122與一傳動軸124，上述第一滾輪130與第二滾輪140係分別同軸地耦接在傳動軸124的相對兩端，而單向軸承122係耦接在第一滾輪130與傳動軸124之間。據此，藉由單向軸承122而使得第一滾輪130僅能接受從傳動軸124所傳送單一方向的轉動力矩，將可使得滾輪130、140之間產生速度差異，進而造成滾輪模組100能相對於座體300而轉向。在此係以實線箭號來表示滾輪130、140轉動時的切線方向與滾輪模組100的運動方向，並以虛線箭號表示傳動軸124轉動時的切線方向。

舉例而言，當傳動單元120傳送一第一轉動力矩T1時，傳動單元120會驅動第一滾輪130與第二滾輪140彼此同向轉動，因而產生滾輪模組100直進的運動效果(如圖4A所繪示)。接著，請同時對照圖4B與圖3A、3B。在圖3A與圖3B中在第一滾輪130與第二滾輪140上繪示標記M1、M2，以能清楚辨識滾輪130、140間的轉動與牽引關係。當傳動單元120傳送與第一轉動力矩T1相反的一第二轉動力矩T2時，單向軸承122會鬆脫第一滾輪130與傳動軸124之間的連接關係，而使得第一滾輪130處於自由轉動的狀態，進而使得傳動軸124僅能帶動第二滾輪140轉動。如此一來，當第一滾輪130與第二滾輪140之間呈現轉動速度的差異時，便會讓第二滾輪140得以牽引第一滾輪130而轉動，並使得兩者的轉動方向彼此相反，而產生滾輪模組100相對於座體300原地轉向的情形。此舉讓滾輪模組100得以從圖2A所繪示的狀態，轉換到圖2B所繪示的狀態。接著，若再以傳動單元120驅動第一滾輪130與第二滾輪140沿第一轉動力矩的方向轉動時，便能再使滾輪模組100再次回復成直進狀態，而使座椅300產生如圖2B所繪示之側向移動的效果。

圖5是圖3A與圖3B中之傳動單元的局部放大圖。請同時參考圖3A、圖3B與圖5，進一步地說，傳動單元120還包括一齒輪組126，其係耦接在馬達110與傳動軸124之間。在本實施例中，齒輪組126是由一正齒輪組126a與126b(其中較佳為螺旋正齒輪組)、一蝸桿126c以及一蝸齒輪126d所構成，其中蝸齒輪126d係同軸地配置在傳動軸124上，正齒輪組126a與126b係分別配置在馬達110與蝸桿126c的一端，且蝸桿126c的另一端係耦接至蝸齒輪126d。在此由於馬達110本身的減速比並不足以驅動整輛輪椅10，故使用減速比大且尺寸小的蝸齒輪來提高扭矩，不僅可以縮小傳動單元120的體積亦能增加輪椅10之負載能力，並將馬達110的動力傳輸至與之垂直的傳動軸124，並進而驅動滾輪130、140。此外，由於馬達110的轉動軸向會通過蝸齒輪126d的中心，且滾輪模組100相對於座體300轉向的軸向亦與馬達110的轉動軸向同軸，因此亦可藉由正齒輪組126a與126b來達到動力傳輸的目的。此舉讓馬達110與滾輪模組100的轉動軸彼此處於共軸的相對位置，並垂直於滾輪模組100的傳動軸124，因而在維持適當動力輸出的前提下亦能有效地降低傳動單元120的體積。

圖6A是本發明另一實施例的一種輪椅於滾輪模組處的局部示意圖。圖6B與圖6C分別繪示圖6A的滾輪模組於不同狀態的示意圖。請同時參考圖6A至圖6C。與上述實施例不同的是，在本實施例的滾輪模組400中，傳動單元420包括一第一單向軸承421、一第二單向軸承422、一第一齒輪423、一第二齒輪424以及一第三齒輪425，其中第一齒輪423、第二齒輪424與第三齒輪425分別為一傘齒輪，且第三齒輪425耦接在第一齒輪423與第二齒輪424之間，而馬達410係連接至第三齒輪425，因而馬達得以驅動第三齒輪425，而使其驅動第一齒輪423與第二齒輪424以相反方向轉動。在此以較粗輪廓線箭號表示第一齒輪423、第二齒輪424轉動時的切線方向，而以較細輪廓線箭號表示滾輪430、440轉動時的切線方向。

詳細而言，第一單向軸承421與第一齒輪423係同軸地組裝在一起，且第一滾輪430係耦接於第一單向軸承421。第二單向軸承422與第二齒輪424係同軸地組裝在一起，且第一滾輪430亦耦接於第二單向軸承422，而第二滾輪440係同軸地連接至第二齒輪424。在單一運轉狀態下(例如圖6B所繪示之直進狀態，或圖6C所繪示之轉動狀態)，第一單向軸承421與第二單向軸承422的可驅動方向係彼此相反。換句話說，藉由第一單向軸承421與第二單向軸承422的相互搭配，第一齒輪423與第二齒輪424同時僅能以其中之一驅動第一滾輪430轉動，且第一齒輪423用以驅動第一滾輪430轉動的方向，係與第二齒輪424用以驅動第一滾輪430轉動的方向相反。

舉例而言，請先參考圖6B，當馬達410帶動第三齒輪425而使第一齒輪423沿一第一方向D1，第二齒輪424沿一第二方向D2轉動時，此時第一單向軸承421會鬆脫與第一齒輪423的連接狀態，因而僅由第二齒輪424經由第二單向軸承422來驅動第一滾輪430沿第二方向D2轉動。再者，位在傳動單元420另一側的第二滾輪440則會與第二齒輪424同樣以第二方向D2轉動。如此，便能使同樣以第二方向D2轉動的第一滾輪430與第二滾輪440，得以帶動滾輪模組400直進。

請再參考圖6C，當第一齒輪423沿第二方向D2轉動(即第二齒輪424會以第一方向D1轉動)時，此時第二齒輪424會鬆脫與第一滾輪430之間的連接關係，因而僅由第一齒輪423經由第一單向軸承421來帶動第一滾輪430沿第二方向D2轉動。相反地，位在傳動單元420另一側的第二滾輪440，則仍然維持在與第二齒輪424沿著相同之第一方向D1轉動。如此，便能使第一滾輪430與第二滾輪440彼此轉動方向相反，進而造成滾輪模組400轉向的效果。此舉讓滾輪模組400無論在直進或轉向時，皆能有效地從馬達410處獲取動力，進而使得滾輪430、440能確實接觸至地面，而提高滾輪模組400的行進效率。

另外，為達成與上述實施例中之傳動單元120得以輕量化的效果，本實施例同樣係使得馬達410的轉動軸向通過第三齒輪425的中心(即讓馬達410的轉動軸向通過滾輪430、440的傳動軸向)，且滾輪模組400之轉向的軸向與馬達410的轉動軸向亦彼此同軸，因而使本實施例的傳動單元420能與上述實施例一般具有更小的體積。

圖7A與圖7B分別繪示本發明又一實施例的滾輪模組於不同狀態下的示意圖。請同時參考圖7A與圖7B，在本實施例的滾輪模組700，其包括一馬達110、一傳動單元720、一第一滾輪130與一第二滾輪140，其中傳動單元720包括一基座721、一單向軸承122、一傳動軸124與相互耦接的一對傘齒輪723a、723b。馬達110係與傳動軸124分別樞設在基座721上，其中馬達110係與傘齒輪723a連接(且馬達110的轉動軸係與傘齒輪723a的轉動軸同軸)，而傳動軸124係同軸地連接至傘齒輪723b。據此，馬達110的轉動軸會垂直於傳動軸124，以將馬達110的輸出動力經由此對傘齒輪723a、723b而傳送至傳動軸124。第一滾輪130與第二滾輪140係同軸地套設在傳動軸124上，且係位在基座721的相對兩側。單向軸承122係耦接在傳動軸124與基座721之間，且係位在遠離傘齒輪723b處。

基於上述內容，當馬達110輸出第一轉動力矩T3時，其會經由傘齒輪723a與723b而驅動傳動軸124沿著第三方向D3轉動，此時單向軸承122係處於分離(disengaged)狀態，故而傳動軸124能同時帶動第一滾輪130與第二滾輪140沿第三方向D3轉動，進而造成滾輪模組700直進的運動效果。相對地，當馬達110輸出第二轉動力矩T4時，其原本會驅動傳動軸124沿第四方向D4轉動，惟此時單向軸承122處於銜合(engaged)狀態，故而造成傘齒輪723a、723b處於卡緊狀態，亦即傳動軸124並無法沿第四方向D4進行轉動。此時值得注意的是，由於馬達110仍會持續提供第二轉動力矩T4，因而便會造成馬達110以第二轉動力矩T4帶動基座721同以第二轉動力矩T4的方向進行轉動。如此一來，便會造成滾輪模組700轉向的運動效果。

圖8A與圖8B分別繪示本發明另一實施例的滾輪模組於不同狀態的示意圖。請同時參考圖8A與圖8B，與上述圖7A與圖7B實施例不同的是，本實施例的滾輪模組800包括一馬達110、一傳動單元820與一滾輪830，且傳動單元820包括一基座721、一單向軸承122、一第一傳動軸824a、一第二傳動軸824b與相互耦接的一對傘齒輪723a、723b。馬達110與第一傳動軸824a、第二傳動軸824b係分別樞設在基座721上，其中馬達110係與傘齒輪723a(且馬達110的轉動軸與傘齒輪723a的轉動軸同軸)連接，而第一傳動軸824a係同軸地連接至傘齒輪723b。第二傳動軸824b係與第一傳動軸824a彼此平行地設置在基座721上，而滾輪830係同軸地配置在第二傳動軸824b上。單向軸承122係耦接在基座721與第一傳動軸824a之間。

此外，傳動單元820還包括一時規皮帶輪(Timing Pulleys)組826，其包括一對皮帶輪826a、826b與一時規皮帶826c，其中皮帶輪826a係同軸地連接至第一傳動軸824a，而皮帶輪826b係同軸地連接至第二傳動軸824b，時規皮帶826c係耦接在皮帶輪826a、826b上。據此，當馬達110輸出第一轉動力矩T3時，其會驅動傘齒輪723b與第一傳動軸824a沿第三方向D3轉動，此時單向軸承122係處於分離(disengaged)狀態，故而從馬達110輸出的第一轉動力矩T3，便能經由第一傳動軸824a、時規皮帶輪組826與第二傳動軸824b而驅動滾輪830使其滾動，進而造成滾輪模組800直進的運動效果。相對地，當馬達110輸出第二轉動力矩T4時，雖然其原本會驅動傘齒輪723b與第一傳動軸824a沿第四方向D4轉動，惟此時單向軸承122係處於銜合(engaged)狀態，故而傘齒輪723a、723b處於卡緊狀態，亦即第一傳動軸824a並無法沿第四方向D4進行轉動。此時值得注意的是，馬達110仍會持續提供第二轉動力矩T4，因而便會造成馬達110以第二轉動力矩T4帶動基座721同以第二轉動力矩T4的方向進行轉動，進而造成滾輪模組800轉向的運動效果。此舉讓本實施例的滾輪模組得以藉由上述機構配置，而僅以一滾輪830便能完成直進與轉向的運動效果。據此，設計者可將上述結構配置予以適當的搭配，以讓本發明的滾輪模組及應用其之輪椅能達到較佳的運動效果。

綜上所述，在本發明的上述實施例中，藉由在滾輪模組中配置單向軸承以分別控制滾輪的轉動方向，並使得滾輪模組得僅以單一馬達，便得以同時具備前進與轉向等二個自由度，進而藉著彼此間轉向角度的協調與搭配，而讓輪椅藉由滾輪模組驅動座體，並產生直線移動或左、右側向移動。此舉讓滾輪模組能有效地提高滾輪的轉動效率，亦即其不需以多個方向速度分量來進行移動，因而對輪椅的電力轉換及移動速度而言具有較佳的實施效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10、20．．．輪椅

100、400、500、700、800．．．滾輪模組

110、600．．．馬達

120、420、720、820．．．傳動單元

122．．．單向軸承

124．．．傳動軸

126．．．齒輪組

126a、126b．．．正齒輪組

126c．．．蝸桿

126d．．．蝸齒輪

130．．．第一滾輪

140．．．第二滾輪

200．．．從動輪

300．．．座體

421．．．第一單向軸承

422．．．第二單向軸承

423．．．第一齒輪

424．．．第二齒輪

425．．．第三齒輪

510．．．滾柱

520．．．輪軸

721．．．基座

723a、723b．．．傘齒輪

830．．．滾輪

824a．．．第一傳動軸

824b．．．第二傳動軸

826．．．時規皮帶輪

826a、826b．．．皮帶輪

826c．．．時規皮帶

D1．．．第一方向

D2．．．第二方向

D3．．．第三方向

D4．．．第四方向

M1、M2．．．標記

T1、T3．．．第一轉動力矩

T2、T4．．．第二轉動力矩

圖1是依照本發明一實施例的一種輪椅之示意圖。

圖2A與圖2B分別是圖1的輪椅的底視圖。

圖3A與圖3B分別繪示圖1的滾輪模組於不同狀態的示意圖。

圖4A至圖4B分別為滾輪模組滾輪中心水平剖視之俯視圖。

圖5是圖3A與圖3B中之傳動單元的局部放大圖。

圖6A是本發明另一實施例的一種輪椅於滾輪模組處的局部示意圖。

圖6B與圖6C分別繪示圖6A的滾輪模組於不同狀態的示意圖。

圖7A與圖7B分別繪示本發明又一實施例的滾輪模組於不同狀態的示意圖。

圖8A與圖8B分別繪示本發明另一實施例的滾輪模組於不同狀態的示意圖。

圖9是一種習知輪椅的底視圖

100．．．滾輪模組

110．．．馬達

120．．．傳動單元

122．．．單向軸承

124．．．傳動軸

130．．．第一滾輪

140．．．第二滾輪

M1、M2．．．標記

Claims (11)

1. 一種滾輪模組，包括：一馬達；至少一滾輪；以及一傳動單元，其係耦接在該滾輪與該馬達之間，該傳動單元具有至少一單向軸承，該馬達會將方向相反的一第一轉動力矩與一第二轉動力矩輸出至該傳動單元，而該單向軸承會將該第一轉動力矩與該第二轉動力矩的其中之一者，傳送至該滾輪以驅動該滾輪滾動，並使得該滾輪模組得以直進，或是沿著該第一轉動力矩的方向或該第二轉動力矩的方向而進行轉向，其中該第一轉動力矩的轉動軸與該第二轉動力矩的轉動軸，係垂直於該滾輪的滾動軸。
2. 如申請專利範圍第1項所述的滾輪模組，其中該傳動單元包括：至少一傳動軸，該滾輪係耦接至該傳動軸；以及一齒輪組，其係耦接在該馬達與該傳動軸之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述的滾輪模組，其中該滾輪模組包括兩個滾輪，其係同軸地設置在該傳動軸上，以使該馬達得以藉由該齒輪組與該傳動軸而驅動該些滾輪滾動，而該單向軸承係耦接在該傳動軸與該些滾輪的其中之一者之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述的滾輪模組，其中該傳動單元還包括：一基座，該馬達與該傳動軸係分別樞設在該基座上， 該滾輪係同軸地設置在該傳動軸上，該單向軸承係耦接在該基座與該傳動軸之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述的滾輪模組，其中該滾輪模組包括兩個滾輪，其係分別耦接至該傳動軸且係位在該基座的相對兩側。
6. 如申請專利範圍第4項所述的滾輪模組，其中該至少一傳動軸包括相互耦接的兩個傳動軸，其中之一傳動軸係耦接至該齒輪組，另一傳動軸係同軸地耦接至該滾輪。
7. 如申請專利範圍第6項所述的滾輪模組，其中該傳動單元還包括：一皮帶輪組，其係耦接在該些傳動軸之間。
8. 如申請專利範圍第2項所述的滾輪模組，其中該齒輪組包括：一傘齒輪組，該馬達係同軸地連接至該傘齒輪組的其中之一者，該傳動軸係同軸地連接至該傘齒輪組的其中之另一者。
9. 如申請專利範圍第2項所述的滾輪模組，其中該齒輪組包括：一正齒輪組，該馬達係同軸地連接至該正齒輪組的其中之一者；一蝸桿，其係同軸地連接至該正齒輪組的其中之另一者；以及一蝸齒輪，其係配置在該傳動軸上，且耦接至該蝸桿。
10. 如申請專利範圍第1項所述的滾輪模組，其中該 至少一單向軸承包括一對單向軸承，而該滾輪模組包括一第一滾輪與一第二滾輪，該傳動單元包括：一第一齒輪與一第二齒輪，耦接至該馬達，該對單向軸承的其中之一組裝至該第一齒輪並耦接該第一滾輪，該對單向軸承的其中之另一組裝至該第二齒輪並耦接該第一滾輪，且該第一滾輪、該對單向軸承、該第一齒輪與該第二齒輪彼此同軸設置。
11. 如申請專利範圍第10項所述的滾輪模組，其中該傳動單元還包括：一第三齒輪，設置在該馬達上且耦接在該第一齒輪與該第二齒輪之間，該第三齒輪的轉動軸垂直於該第一齒輪的轉動軸與該第二齒輪的轉動軸，且該第三齒輪驅動該第一齒輪與該第二齒輪以相反方向轉動。