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申请/专利权人：吉林大学

摘要：本发明公开了一种具备自主爬楼功能的电动轮椅，包括：轮椅架；多个驱动电机，其分别对称固定安装在轮椅架的两侧；多个驱动轴，其一端分别与驱动电机的输出轴固定连接；多个行进机构，其包括：行进机构安装架，其可旋转的支撑在驱动轴的另一端；多个行进轮，行进轮可旋转的安装在行进机构安装架上；多个第一链轮，其可旋转的安装在行进机构安装架上；其中，第一链轮的中心轴与行进轮的中心固定连接；链条，其围绕设置在多个第一链轮的外侧；多个第二链轮，其设置在链条外侧；其中，第一链轮和第二链轮分别于链条啮合传动；太阳轮，其固定安装在驱动轴上；多个行星轮，其与太阳轮啮合传动；其中，行星轮的中心轴与第二链轮的中心固定连接。

主权项：1.一种具备自主爬楼功能的电动轮椅，其特征在于，包括：轮椅架；多个驱动电机，其分别对称固定安装在所述轮椅架的两侧；多个驱动轴，其一端分别与所述驱动电机的输出轴固定连接；多个行进机构，其分别安装在所述驱动轴的另一端；电源，其固定安装在所述轮椅架上，用于为所述驱动电机供电；其中，所述行进机构包括：行进机构安装架，其可旋转的支撑在所述驱动轴上；多个行进轮，所述行进轮可旋转的安装在所述行进机构安装架上，并且所述行进轮围绕所述驱动轴均匀分布；多个第一链轮，其可旋转的安装在所述行进机构安装架上；其中，所述第一链轮的中心轴与所述行进轮的中心固定连接；链条，其围绕设置在所述多个第一链轮的外侧；多个第二链轮，其设置在所述链条外侧，并位于相邻的两个第一链轮之间；其中，所述第一链轮和所述第二链轮分别于所述链条啮合传动；太阳轮，其固定安装在所述驱动轴上；多个行星轮，其与所述太阳轮啮合传动；其中，所述行星轮的中心轴与所述第二链轮的中心固定连接；所述行进机构为四个；其中，所述轮椅架的两侧分别安装有两个行进机构；并且位于轮椅架两侧的行进机构分别对称设置；所述具备自主爬楼功能的电动轮椅的控制方法，包括：在爬坡时，控制轮椅前部的驱动电机与轮椅后部的驱动电机的输出扭矩之比为： 其中，为轮椅相对于水平方向的倾斜角度，H为轮椅水平放置时的质心高度；L为轮椅前部驱动轴和轮椅后部驱动轴之间的距离；b为轮椅水平放置时质心在水平方向上与轮椅后部驱动轴轴线之间的距离。

全文数据：一种具备自主爬楼功能的电动轮椅及其控制方法技术领域本发明属于电动轮椅技术领域，特别涉及一种具备自主爬楼功能的电动轮椅及其控制方法。背景技术随着人民生活水平的提高和社会老龄化现象的加剧，以及由于人们生活节奏的加快，助老、便老类产品逐渐成为市场宠儿。但是如今许多老人上了年纪之后，由于疾病或身体器官功能退化，导致出行不便，而无法出行可能导致老人的精神和身体状态进一步变差。这个现象对于居住在无电梯楼房的老人来说更为严重，上下楼过程对于体弱的老人绝对是使他们与外界隔绝的鸿沟。即便有人辅助老人上下楼，整个过程也是费时费力，并不能获得较好的体验。目前市场上存在较多的电动轮椅，其主要是为普通轮椅增加了电动轮驱动力，可以满足使用者可自行操作轮椅在平坦的较好的路面上移动。但是面对楼梯台阶等复杂环境时，此种轮椅便无能为力。市场上还存在一种背部带有履带式行进机构的轮椅，这种轮椅可以满足将使用者在楼梯环境运输的功能，但是需要由别人控制操作，使用者本身无法自主的控制操作，本质上还是一种货物运输机械，且对操作者的身体素质要求较高，劳动强度较大。发明内容本发明提供了一种具备自主爬楼功能的电动轮椅，其目的是通过链轮及行星轮系的配合传动，在无需他人辅助的情况下实现轮椅的自动行走和爬楼的功能。本发明提供了一种具备自主爬楼功能的电动轮椅的控制方法，根据轮椅的倾斜角度，控制轮椅前轴驱动电机和后轴驱动电机的输出扭矩比，以保证轮椅在行星架不发生公转的情况下进行爬坡，能够最大程度保证轮椅的舒适性。本发明提供的技术方案为：一种具备自主爬楼功能的电动轮椅，包括：轮椅架；多个驱动电机，其分别对称固定安装在所述轮椅架的两侧；多个驱动轴，其一端分别与所述驱动电机的输出轴固定连接；多个行进机构，其分别安装在所述驱动轴的另一端；电源，其固定安装在所述轮椅架上，用于为所述驱动电机供电；其中，所述行进机构包括：行进机构安装架，其可旋转的支撑在所述驱动轴上；多个行进轮，所述行进轮可旋转的安装在所述行进机构安装架上，并且所述行进轮围绕所述驱动轴均匀分布；多个第一链轮，其可旋转的安装在所述行进机构安装架上；其中，所述第一链轮的中心轴与所述行进轮的中心固定连接；链条，其围绕设置在所述多个第一链轮的外侧；多个第二链轮，其设置在所述链条外侧，并位于相邻的两个第一链轮之间；其中，所述第一链轮和所述第二链轮分别于所述链条啮合传动；太阳轮，其固定安装在所述驱动轴上；多个行星轮，其与所述太阳轮啮合传动；其中，所述行星轮的中心轴与所述第二链轮的中心固定连接。优选的是，所述行进机构安装架的中心处固定连接有空心轴，所述空心轴通过轴承套设在所述驱动轴上。优选的是，所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅还包括：多个固定挡板，其安装在所述轮椅架上，所述固定挡板上分别固定安装有轴套；其中，所述固定挡板与所述行进机构一一对应设置，所述空心轴匹配设置在所述轴套中。优选的是，所述驱动电机上集成有减速箱。优选的是，所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅还包括：驱动电机控制器，其安装在所述轮椅架上，用于控制所述驱动电机。优选的是，所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅还包括：控制手柄，其安装在轮椅的扶手上，所述控制手柄通过电路与所述驱动电机控制器连接；安全开关，其安装在所述扶手下侧，并通过电路与所述驱动电机控制器连接；以及角度传感器，其固定安装在所述轮椅架上，并与所述驱动电机控制器电联。优选的是，所述行进机构为四个；其中，所述轮椅架的两侧分别安装有两个行进机构；并且位于轮椅架两侧的行进机构分别对称设置。一种具备自主爬楼功能的电动轮椅的控制方法，用于控制所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅，在爬坡时，控制轮椅前部的驱动电机与轮椅后部的驱动电机的输出扭矩之比为：其中，为轮椅相对于水平方向的倾斜角度，H为轮椅水平放置时的质心高度；L为轮椅前部驱动轴和轮椅后部驱动轴之间的距离；b为轮椅水平放置时质心在水平方向上与轮椅后部驱动轴轴线之间的距离。优选的是，在爬楼时，控制轮椅前部的驱动电机与轮椅后部的驱动电机的输出扭矩之比为：其中，式中，为规定时间内轮椅相对于水平方向的倾角的最大值，为规定时间内轮椅相对于水平方向的倾角的最小值。优选的是，在平地行起步时，控制轮椅前部的驱动电机与轮椅后部的驱动电机的输出扭矩之比为：其中，d为行进轮直径，L为轮椅前部驱动轴和轮椅后部驱动轴之间的距离；H为轮椅水平放置时的质心高度；rc为行进轮的中心与驱动轴的中心之间的距离，ig为太阳轮与行星轮之间的传动比；is为第二链轮与第一链轮之间的传动比。本发明的有益效果是：1本发明提供的具备自主爬楼功能的电动轮椅，通过链轮及行星轮系的配合传动，在无需他人辅助的情况下实现轮椅的自动行走和爬楼的功能。2本发明提供的具备自主爬楼功能的电动轮椅的控制方法，根据轮椅的倾斜角度，控制轮椅前轴驱动电机和后轴驱动电机的输出扭矩比，以保证轮椅在行星架不发生公转的情况下进行爬坡，能够最大程度保证轮椅的舒适性。3本发明提供的具备自主爬楼功能的电动轮椅的控制方法，在平地起步时，控制轮椅前轴驱动电机和后轴驱动电机的输出扭矩比，以保证轮椅在行星架不发生公转的情况下以最大加速度起步前进，能够充分利用电机扭矩，提升轮椅的动力性能。附图说明图1为本发明所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅总体结构示意图。图2为本发明所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅的后部示意图。图3为本发明所述的行进机构结构示意图。图4为本发明所述的链轮组与行进轮连接关系示意图。图5为本发明所述的行星轮系结构示意图。图6为本发明所述的行星架公转时行进轮轴线绕行星轮系中心回转半径示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。如图1-2所示，本发明提供了一种具备自主爬楼功能的电动轮椅，主要包括：轮椅架110，两个扶手120，坐垫130，四个驱动电机140、四个驱动轴150、四个行进机构160以及电源170。两个扶手120对称固定设置在轮椅架110的左右两侧。坐垫130固定安装在轮椅架110上方，并设置在两个扶手120之间。四个驱动电机140呈两两对称安装在轮椅架110下部的两侧，驱动电机140上集成有减速箱，经减速箱减速后进行动力输出。在本实施例中，轮椅架110的前部和后部分别固定设置有电机安装板111，电机安装板111竖直设置，驱动电机140分别通过电机架141固定安装在在电机安装板111上。四个驱动轴150与驱动电机140一一对应设置；其中，驱动轴150的一端与驱动电机140的输出轴固定连接，另一端安装有行进机构160。电源170固定安装在轮椅架110的前部，用于为四个驱动电机140供电。如图3所示，行进机构160包括：行进机构安装架161、多个行进轮162、链轮组163和行星轮系164。为配合安装行进机构，轮椅架110上设置有四个固定挡板112，固定挡板112竖直设置在每个驱动轴150与行进机构160之间；每个固定挡板112上固定安装有轴套113。行进机构安装架161的内侧朝向轮椅架110的一侧中心处固定连接有空心轴161a，空心轴161a匹配设置在轴套113中，空心轴161a能够在轴套113中自由转动。同时，空心轴161a内部设置有轴承，并通过所述轴承匹配套设在驱动轴150上，驱动轴能够相对空心轴161a自由转动。多个行进轮162可旋转的安装在行进机构安装架161的外侧远离轮椅架110的一侧，并且多个行进轮162围绕所述驱动轴150均匀分布。在本实施例中，行进轮162的数量为3个。如图4所示，链轮组163设置在行进轮162的内侧朝向轮椅架110的一侧，链轮组163包括多个第一链轮163a，第一链轮163a的数量与行进轮162的数量相同。第一链轮163a可旋转的安装在行进机构安装架161上；并且第一链轮163a的中心轴与行进轮162的中心固定连接，使行进轮162能够随第一链轮163a同步转动。链条163b，其围绕设置在多个第一链轮163a的外侧；多个第二链轮163c，其设置在链条163b的外侧，并位于相邻的两个第一链轮163a之间的链条163b的中心位置处。第一链轮163a和第二链轮163c分别与链条163b的内侧和外侧啮合传动。在本实施例中，第二链轮163c的数量为3个。如图5所示，行星轮系164设置在链轮组163的内侧朝向轮椅架110的一侧，行星轮系164包括太阳轮164a和多个行星轮164b。太阳轮164a同轴固定安装在驱动轴150上；多个行星轮164b围绕太阳轮设置并且与太阳轮164a啮合传动；其中，行星轮164b的中心轴与第二链轮163c的中心固定连接，第二链轮163c与行星轮164b同步转动。行进机构工作时动力由驱动轴150传递至两侧的行星系中的太阳轮164a。平地行进时，太阳轮164a将动力传递给行星轮164b，进而带动第二链轮163c转动，从而驱动链条163b运动，链条163b带动第一链轮163a转动；第一链轮163a转动带动行进轮162转动前进。在爬楼或路面坡度较大时，位于轮椅架110前部的行进轮162被障碍物抱死，进而导致链轮组163以及行星轮系164的中行星轮164b无法自转，行星轮164b与太阳轮164a近似为刚性连接，太阳轮164a将直接驱动行星轮系公转，翻越障碍物。在本实施例中，电源170采用锂电池；并且本实施例中所采用的锂电池为常规电池，在此不做进一步说明。在本实施例中，所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅还包括手推把手180，手推把手180固定连接在轮椅架110上。在另一个实施例中，所述具备自主爬楼功能的电动轮椅还包括：驱动电机控制器图中未示出、控制手柄190、安全开关图中未示出以及角度传感器图中未示出。驱动电机控制器安装在轮椅架110上，用于控制四个驱动电机140；通过驱动电机控制器可实现驱动电机140的正转、反转、停转、缓启动和调速等功能。控制手柄190安装在轮椅的右侧扶手上，并且通过电路与所述驱动电机控制器连接。所述安全开关安装在所述扶手下侧，并通过电路与所述驱动电机控制器连接，当扶手上方压力小于设定值时输出信号，令驱动电机140缓慢停转。所述角度传感器固定安装在轮椅架110上，并与所述驱动电机控制器电联，用于测量轮椅的倾斜角度轮椅行进方向与水平面之间的倾斜角度。所述驱动电机控制器同时接收来自安全开关、操作手柄190和角度传感器的信号，分别控制四个驱动电机140的转速转向等参数，达到不同的行驶意图。通过控制驱动电机的转速可以控制轮椅的行进速度，通过控制轮椅左右两侧驱动电机转速差可以控制轮椅转向。通过控制轮椅前后轴的出力特性，可以辅助轮椅在有坡度的路面上更好的工作。驱动电机控制器还具有缓启动功能，防止在起步过程电机转矩过大。所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅的工作原理为：在工作时，动力由驱动电机140的输出轴经驱动轴150传递至行星轮系中行星齿轮组中的太阳齿轮164a，此时行星轮系164具有行星轮164b自转和行星架相当于行进轮行进机构安装架161公转两个自由度，而行星架公转扭矩仅取决于驱动电机140的输出扭矩。行星轮系164有两种工作状态，分别为平地行进状态和爬楼状态。在平地行进时，驱动电机140输出扭矩较小，通过轮椅本身重力可约束行星架转动公转，故仅剩余行星轮164b自转一个自由度。行星轮164b自转带动同轴连接的第二链轮163c，通过链条163b将动力传动第一链轮163a，从而带动行进轮162旋转，驱动轮椅行进。爬楼或坡度较大时，当轮椅前部的行进轮162碰到障碍物时，行进轮无法自转，通过链条163b导致行星轮164b无法自转；电机输出扭矩增大，使得行星轮系164中的行星架的公转扭矩增大，当公转扭矩大于轮椅自重带来的约束时，行星架开始公转，从而带动行进轮164绕驱动轴150轴线公转，翻越台阶，开始爬楼。本发明还提供了一种具备自主爬楼功能的电动轮椅的控制方法，用于控制所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅，在轮椅爬坡时，根据轮椅的倾斜角度，控制轮椅前轴驱动电机和后轴驱动电机的输出扭矩比，以保证轮椅在行星架不发生公转的情况下进行爬坡，能够最大程度保证轮椅的舒适性。当轮椅在平整路面上匀速行驶时，行星架公转转矩较小无法克服轮椅重力公转，行星轮系中的行星轮自转，通过链条带动行进轮旋转，驱动轮椅前进。此时，轮椅的前进速度v为：其中，n为驱动电机输出轴转速；ig为行星轮系传动比；is为链轮组传动比；d为行进轮直径。由于行星架产生公转的趋势随行进轮阻力电机输出转矩增大而增大。行星架公转会导致轮椅不停起伏，影响使用体验。为提高轮椅的舒适度，需尽量控制轮椅以平地行进状态行进轮自转状态进行爬坡，直到轮椅倾斜角度相当于路面倾斜角超过轮椅以平地行进状态行进轮自转状态能通过的最大坡度角时，再切换为爬楼状态行星架公转状态。在坡路上，路面倾斜角度对轮椅前后轴驱动轴处的路面压力的影响为：其中，为轮椅在水平方向上的倾角，FA为地面对前轴的法向压力；FB为地面对后轴的法向压力；H为轮椅水平放置时质心高度；L为轮椅前后轴间距；b为水平放置时质心在水平方向上与后轴轴线之间的距离；G为轮椅工作时的总重力。经整理可得：前后轴行星架发生公转前的极限状态时，电动机转矩与对应轴的法向压力之间的关系为：其中，MA1、MA2分别为前轴左右侧的驱动电机转矩；MB1、MB2分别为后轴左右侧的驱动电机转矩；rc为行星架公转时行进轮轴线绕行星轮系中心回转半径，即行进轮中心轴线与驱动轴中心轴线之间的距离如图6所示。如果已知轮椅在水平方向上的倾角即可计算出当前角度前后轴电机在行星架不公转情况下的极限转矩。当驱动力Ft与延坡路的下滑力平衡时，达到最大值经整理可得：综上，在轮椅爬坡工况下，经传感器测量轮椅有较大倾角后，协同控制前后轴电机，使轮椅前轴的驱动电机与轮椅后轴的驱动电机的输出扭矩之比为：即可充分利用电机扭矩，使轮椅在地面倾角不超过时以平地行进状态行进。爬楼梯工况与爬坡工况控制方法类似，在爬楼梯工况时，为保证行星轮系高效运行，前后轴行星轮系不发生干涉，需要对爬梯时前后轴驱动电机的输出扭矩之比sf进行控制。sf值应同爬坡工况下的s的计算方法相同，为地面对前后轴法相压力之比，即：其中，为一段时间内轮椅相对于水平方向的最大倾角和最小倾角的平均值；即其中，为一段时间内传感器记录的轮椅相对于水平方向的倾角的最大值，一段时间内传感器记录的轮椅相对于水平方向的倾角的最小值。由于爬梯时轮椅在水平方向上的倾角实时随楼梯起伏波动，故实时测得的值无法用于计算，故取一段时间内轮椅与水平方向上的倾角的平均值进行计算，得到爬梯时前后轴扭矩分配系数sf，从而控制前后轴驱动电机。在另一个实施例中，在平地起步时，控制轮椅前轴驱动电机和后轴驱动电机的输出扭矩比，以保证轮椅在行星架不发生公转的情况下以最大加速度起步前进，能够充分利用电机扭矩，提升轮椅的动力性能。当路面倾斜角为0时，为满足行星架不公转，仅靠行进轮自转驱动，也需要限制驱动电机输出转矩；为能达到较大的加速度，需要对前后轴电机转矩进行合理分配。当轮椅以加速度a向前方加速行驶时，其前后轴与地面间的法向压力关系为：其中，m0为轮椅工作时的总质量。加速度a与驱动电机的驱动转矩之间的关系为：前后轴行星架发生公转前的极限状态时，电动机转矩与对应轴的法向压力之间的关系为：经整理带入可得在临界情况下：综上，在平地行进状态起步工况下，协同控制控制轮椅前轴驱动电机和后轴驱动电机的输出扭矩比为：即可充分利用电机扭矩，在行星架不公转的情况下，满足轮椅可以最大加速度amax起步前进。其中，amax为：此外，为保证使用安全，在下楼时，前轴电机驱动，后轴电机轻微制动，为轮椅提供向后翻转的力矩，避免轮椅前翻下楼。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

权利要求：1.一种具备自主爬楼功能的电动轮椅，其特征在于，包括：轮椅架；多个驱动电机，其分别对称固定安装在所述轮椅架的两侧；多个驱动轴，其一端分别与所述驱动电机的输出轴固定连接；多个行进机构，其分别安装在所述驱动轴的另一端；电源，其固定安装在所述轮椅架上，用于为所述驱动电机供电；其中，所述行进机构包括：行进机构安装架，其可旋转的支撑在所述驱动轴上；多个行进轮，所述行进轮可旋转的安装在所述行进机构安装架上，并且所述行进轮围绕所述驱动轴均匀分布；多个第一链轮，其可旋转的安装在所述行进机构安装架上；其中，所述第一链轮的中心轴与所述行进轮的中心固定连接；链条，其围绕设置在所述多个第一链轮的外侧；多个第二链轮，其设置在所述链条外侧，并位于相邻的两个第一链轮之间；其中，所述第一链轮和所述第二链轮分别于所述链条啮合传动；太阳轮，其固定安装在所述驱动轴上；多个行星轮，其与所述太阳轮啮合传动；其中，所述行星轮的中心轴与所述第二链轮的中心固定连接。2.根据权利要求1所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅，其特征在于，所述行进机构安装架的中心处固定连接有空心轴，所述空心轴通过轴承套设在所述驱动轴上。3.根据权利要求2所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅，其特征在于，还包括：多个固定挡板，其安装在所述轮椅架上，所述固定挡板上分别固定安装有轴套；其中，所述固定挡板与所述行进机构一一对应设置，所述空心轴匹配设置在所述轴套中。4.根据权利要求1-3任意一项所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅，其特征在于，所述驱动电机上集成有减速箱。5.根据权利要求4所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅，其特征在于，还包括：驱动电机控制器，其安装在所述轮椅架上，用于控制所述驱动电机。6.根据权利要求5所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅，其特征在于，还包括：控制手柄，其安装在轮椅的扶手上，所述控制手柄通过电路与所述驱动电机控制器连接；安全开关，其安装在所述扶手下侧，并通过电路与所述驱动电机控制器连接；以及角度传感器，其固定安装在所述轮椅架上，并与所述驱动电机控制器电联。7.根据权利要求6所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅，其特征在于，所述行进机构为四个；其中，所述轮椅架的两侧分别安装有两个行进机构；并且位于轮椅架两侧的行进机构分别对称设置。8.一种具备自主爬楼功能的电动轮椅的控制方法，用于控制如权利要求7所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅，其特征在于，在爬坡时，控制轮椅前部的驱动电机与轮椅后部的驱动电机的输出扭矩之比为：其中，为轮椅相对于水平方向的倾斜角度，H为轮椅水平放置时的质心高度；L为轮椅前部驱动轴和轮椅后部驱动轴之间的距离；b为轮椅水平放置时质心在水平方向上与轮椅后部驱动轴轴线之间的距离。9.根据权利要求8所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅的控制方法，其特征在于，在爬楼时，控制轮椅前部的驱动电机与轮椅后部的驱动电机的输出扭矩之比为：其中，式中，为规定时间内轮椅相对于水平方向的倾角的最大值，为规定时间内轮椅相对于水平方向的倾角的最小值。10.根据权利要求9所述的具备自主爬楼功能的电动轮椅的控制方法，其特征在于，在平地行起步时，控制轮椅前部的驱动电机与轮椅后部的驱动电机的输出扭矩之比为：其中，d为行进轮直径，L为轮椅前部驱动轴和轮椅后部驱动轴之间的距离；H为轮椅水平放置时的质心高度；rc为行进轮的中心与驱动轴的中心之间的距离，ig为太阳轮与行星轮之间的传动比；is为第二链轮与第一链轮之间的传动比。

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