[0001] 本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种用于轮椅的轮腿可重构式越障辅助装置。

[0002] 随着出生率的持续走低，中国已正式步入老龄化社会。据不完全统计，中国60岁以上老人已高达2.67亿，如此庞大的老年人群体对康复医疗器械提出了更高的要求。轮椅作为一种常见的医疗器械，广泛被老年人群体使用。市场上的轮椅多为普通的手动轮椅且不具备越障能力，虽然多功能电动轮椅通常具备越障功能，但其体积庞大、其不可拆卸的固有刚性结构，使得便携性极差；同时高昂的价格限制了其普及与推广，无法满足众多普通用户日常生活的实际需求。

[0003] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于轮椅的轮腿可重构式越障辅助装置，基于模块化可重构机构，可用于辅助轮椅进行越障的模块化装置，用以适配所有具备越障需求的轮椅，其具备机构灵活、运动平稳、控制简单等特点，从而提高用户的自主性、安全性、舒适性。

[0058] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

[0059] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

[0060] 如图1所示，本发明实施例提供的一种用于轮椅的轮腿可重构式越障辅助装置，包括接口模块1、轮腿模块2和驱动模块3，该装置本体安装于轮椅的前轮下方，如图16所示，在轮椅的每个前轮中均安装一个，装置的接口模块1安装在轮椅的前轮外侧，通过轮椅前轮和接口模块1进行轴向固定，轮椅本体和装置本体通过接口模块1形成铰接，使轮椅具备更稳定的越障能力，从而能够跨越复杂路面，实现全地形无障碍出行。如图17所示，当跨越障碍物时，驱动模块3中的前进方向上的一个大径轮毂首先接触障碍物，并为装置提供相应的扭矩，此时大径轮毂沿障碍物侧壁进行爬行，前后轮毂与轮腿模块2可看做为闭链三角形，两轮间角度保持不变，越障过程可看做闭链运动；当大径轮毂越过障碍物时，另一个大径轮毂接触障碍物侧壁，而两者均完成爬越时，轮椅后轮将开始爬越障碍，直至完全完成越障。越障装置的特点在于：无论在越障的任何临界，装置内部均有两轮作为支点位于水平面，而仅有一轮处于越障状态，可以稳定而高效的完成越障。

[0061] 本实施例中的接口模块1，用于轮椅的限位定位，接口模块1的结构、尺寸及参数标准化，易于实现模块间的互换，以满足不同尺寸的轮椅配套需求。

[0062] 如图2所示，接口模块2包括阶梯转轴101、阻尼基座103、旋转阻尼元件102和定位销104，阶梯转轴101、阻尼基座103和旋转阻尼元件102同轴心安装，旋转阻尼元件102和阻尼基座103通过对称设置的第一安装孔进行连接，阻尼基座103对称设置有第二安装孔，阻尼基座103通过第二安装孔和轮椅挡板固定连接。

[0063] 在本发明的优选实施方式中，阻尼基座103和旋转阻尼元件102同轴心安装时，通过阻尼基座103中设置的阻尼基座孔II10302和旋转阻尼元件102中的旋转阻尼元件孔I10201来安装，第一安装孔包括旋转阻尼元件102中的旋转阻尼元件孔II10202、阻尼基座103中的阻尼基座孔III10303和阻尼基座孔IV10304，第二安装孔设置为阻尼基座103中的阻尼基座孔I10301，如图5‑6所示。

[0064] 如图1所示，本实施例中的驱动模块3与轮腿模块2相连接，当跨越障碍物时，驱动模块3和障碍物接触，并为装置提供驱动扭矩，使轮椅具备更稳定的越障能力，实现跨越复杂路面和全地形无障碍出行。

[0065] 如图3所示，驱动模块3包括异型电机前叉201、轮毂电机202、U型前叉203和线性阻尼元件204，异型电机前叉201和轮毂电机轴20210固定连接，U型前叉203和异型电机前叉201铰接，线性阻尼元件204同时和U型前叉203、异型电机前叉201连接，线性阻尼元件204设置于异型电机前叉201与U型前叉203之间，组合成三角稳定状态，当驱动模块3接触障碍物产生越障力矩时，线性阻尼元件204产生响应阻尼，缓冲减震并维持轮椅的稳定性，实现缓冲减震作用。

[0066] 如图12所示，异型电机前叉201设置为对称结构，在异型电机前叉201两端均设置有的异型端，该异型端设置有U型开口异型电机前叉孔I20101，异型电机前叉201通过U型开口异型电机前叉孔I20101与轮毂电机的椭圆形轴端轮毂电机轴20210相配合，通过异型垫圈207、弹簧垫圈208、平垫圈209和六角法兰面防松螺母210进行固连。

[0067] 如图13所述，U型前叉203设置为对称结构，U型前叉203的顶部和底部均设置有安装孔，U型前叉203通过底部安装孔和异型电机前叉201铰接，通过顶部的安装孔和轮腿模块2的第一轮腿或第二轮腿的矩形平台上的四孔铰接，实现驱动模块3通过轮腿模块2和接口模块1相连。

[0068] 线性阻尼元件204设置有，第一安装轴与U型前叉203的侧边孔连接，第二安装轴与异型电机前叉201的安装孔连接，线性阻尼元件204设置为两个，对称安装在轮毂电机的左右两侧。

[0069] 如图14所示，在本发明的优选实施例，线性阻尼元件204设置的两个连接轴：第一安装轴为线性阻尼元件轴I20401，第二安装轴为线性阻尼元件轴II20402，分别U型前叉203、异型电机前叉201进行连接。

[0070] 如图1所示，本实施例中的轮腿模块2，呈对称结构，设置于接口模块1的两侧，轮腿模块2与接口模块1同轴配合安装，用于接口模块1与驱动模块3之间的连接。

[0071] 如图4所示，轮腿模块2包括限位挡圈301、限位弹性元件302、限位手柄303、轮臂套壳306、轮臂接口304、第一轮腿305和第二轮腿307；其中，轮臂接口304与第一轮腿305固定连接形成外侧轮腿，轮臂套壳306与第二轮腿307固定连接形成内侧轮腿，限位挡圈301安装在限位弹性元件302之上，由法兰防松进行固接，限位弹性元件302安装在限位手柄303的圆形凹槽内，轮臂套壳306和轮臂接口304安装后形成限位孔，限位手柄303与该限位孔啮合，通过限位手柄303与限位孔的啮合实现对内侧轮腿和外侧轮腿连接角度的固定。

[0072] 如图7所示，在本发明的优选实施例中，内侧轮腿的内侧面702与接口模块1的阻尼基座103的外侧面重合，且内侧轮腿和接口模块1的阶梯转轴101进行平键连接，实现周向定位，内侧轮腿的外侧面701与外侧轮腿的内侧面801重合。

[0073] 如图8所示，在本发明的优选实施例中，外侧轮腿的内侧面801上的齿轮状齿根部与内侧轮腿的外侧面701上的齿轮状齿顶部配合，外侧轮腿的外侧面802与限位手柄303相互接触。

[0074] 如图11所示，限位手柄303呈六爪形，其六个齿爪10610设置于内侧轮腿和外侧轮腿形成的限位孔中，用于调整内侧轮腿和外侧轮腿的角度，具体调整方法如下：当限位手柄303被拉出时，拨动内侧轮腿和外侧轮腿，使轮臂套壳306齿轮状部分与轮臂接口304齿轮状部分啮合，限位手柄303内部与限位挡圈301之间的限位弹性元件302被压缩储能，内侧轮腿和外侧轮腿调节角度，当调整到合适角度时，轮臂套壳306与轮臂接口304齿轮状部分形成限位孔，限位手柄303由于限位弹性元件302作用，限位手柄303的六个齿爪10610恰啮合于限位孔中，实现调节内侧轮腿和外侧轮腿角度，从而达到调整扭矩的作用。

[0075] 本发明实施提供的用于轮椅的轮腿可重构式越障辅助装置，和现有技术相比，具有如下有益的效果：

[0076] 1、针对现有的普通电动轮椅无法满足越障需求且稳定性差，而越障轮椅体积庞大，结构固定，便携性差，价格十分昂贵，得不到普遍推广的问题，本发明可作为普通轮椅的附加机构，仅需在出行时安装到轮椅上，使轮椅具备更稳定的越障能力，从而能够跨越复杂路面，实现全地形无障碍出行。本发明在跨越障碍物时，驱动模块中的前进方向上的一个大径轮毂首先接触障碍物，并为装置提供相应的扭矩，此时大径轮毂沿障碍物侧壁进行爬行，前后轮毂与轮腿模块可看做闭链三角形，两轮间角度保持不变，越障过程可看做闭链运动；当大径轮毂越过障碍物时，另一个大径轮毂接触障碍物侧壁，而两者均完成爬越时，轮椅后轮将开始爬越障碍，直至完全完成越障。因此，无论在越障的任何临界，装置内部均有两轮作为支点位于水平面，而仅有一轮处于越障状态，可以稳定而高效的完成越障。由于本发明所设计的轮椅越障模块和轮椅的机构几乎相同，其运动原理也一样，两者机械结构和运动原理的互通性，一定程度上使轮椅越障模块和轮椅进行组装配合，形成较为合理、有效的整体；另外，本发明提供的装置其模块结构简单，且多采用标准件，生产成本相对低廉，可以作为扩展件由用户选购，使轻型轮椅用户既享有越障轮椅稳定的越障性能，又能保证在平坦的室内环境下轻便的体验感，满足残障人士自主出行需求。因此，本发明不仅对推动开发具有我国自主知识产权的智能助行助老设备具有重要意义，而且将为创新研制更安全、人机交融性更好的移动机器人提供重要的理论基础。

[0077] 2、针对现有应用于轮椅领域的附加机构，安装过程繁琐冗杂，不易拆卸问题，本发明的安装与拆卸过程全部实现自动化，可由残障人士独立安装使用，以实现自主出行。在安装本装置时，将装置本体置于轮椅前轮下方，通过前轮的阶梯转轴和定位销进行轴向固定，随后在前轮外侧安装接口模块，当阻尼基座、旋转阻尼元件、轮臂套壳、轮臂接口、限位手柄、限位弹性元件以及限位弹性元件挡圈均同轴配合，且轮臂套壳通过定位销定位后，此时接口模块已成功安装，而轮腿模块的安装穿插在接口模块的安装过程中，两侧的轮腿完美与轮臂套壳和轮臂接口铰接；驱动模块的U型前叉与轮腿模块的两侧轮腿矩形平台上的四孔铰接，至此整个装置完整的安装在了轮椅的前部；轮椅本体和装置本体通过阶梯转轴和定位销形成铰接，且转轴和定位销的结构、尺寸及参数标准化，易于实现模块间的互换，以满足所配合的不同尺寸轮椅需求。本发明通过更为简洁的安装方式，使残障人士可以自己动手安装与使用，不再依赖他人，极大减少了出行不便，增强了自主意识和自信心，从而体会到独立行动的尊严感。

[0078] 3、现有应用于轮椅领域的附加机构通用性较差，仅适用于特定类型轮椅，本发明采用模块化设计，接口模块结构、尺寸及参数标准化，易于实现模块间互换，以满足所配合的不同尺寸轮椅需求。本发明提供的接口模块包括阻尼基座、旋转阻尼元件、阶梯转轴定位销，该模块内嵌于轮腿模块内部，使轮腿模块通过接口模块与轮椅本体相连，轮腿模块皆与接口模块同轴配合，且通过固定转轴的阶梯样式实现轴向定位，通过其平键连接实现周向定位，通过连接轮椅前轮实现与轮椅主体的铰接。另外，接口模块适应性强，通用性高，适合批量化生产，提升工作效率，控制产品成本；在确保模块接口统一的前提下，能够设计生产出满足用户的多样性需求，易于组织设计生产的多功能配置与变型产品，满足企业批量化生产的需求，实现并行研发，同时有利于促进产品升级更新换代。

[0079] 4、现有应用于轮椅领域的越障减震机构过于简单，减震效果差，用户体验感差。本发明设置多处可提供缓冲减震功能的部件：其一为接口模块中的旋转阻尼元件，可以使轮椅前轮部分具有极为稳定高效的缓冲减震效果；其二为驱动模块中的异型前叉、U型前叉及前叉阻尼元件，上述三个零件的啮合使越障轮部分拥有稳定的减震效果。本发明提供的旋转阻尼元件内嵌于阻尼基座中，两侧有定位孔，使旋转阻尼元件与阻尼基座固接，当轮椅进行越障时，轮椅本体会由于障碍的高度差产生一定的倾斜，此时的旋转阻尼元件会产生一个抵抗轮椅下滑的阻尼，用于平衡越障时产生的旋转力矩和对上下坡道场景下提供缓冲保护。另外，由异型电机前叉、U型前叉和前叉阻尼元件组成缓冲减震功能部件，其中异型电机前叉的异型端U型开口与越障轮的椭圆形轴端相配合，通过异型垫圈、弹簧垫圈、平垫圈和六角法兰面防松螺母进行固连；前叉阻尼元件设置于异型电机前叉与U型前叉之间，当越障轮接触障碍物产生越障力矩时，该组合成三角稳定状态，且阻尼元件会产生响应阻尼，作为缓冲减震支撑的作用维持越障轮的稳定。上述技术不仅有利于提升用户出行的舒适感，同时还可以应用于其他移动机器人领域，进一步优化移动机器人的稳定性与执行效率。本发明研发的关键技术还可以对移动机器人的研发，提供设计基础理论及工程实践基础，推动机器人设备向智能、共创、共融方向全面发展，推动机器人产业高质量、可持续发展，为经济社会发展作出更大贡献。

[0080] 5、现有轮椅对于多场景的越障使用效果差，切换场景后轮椅的越障会出现困难。本发明采用可调式轮腿模块，通过限位手柄的伸缩调整轮腿角度，从而增大或减小越障力矩，以适配不同的越障场景。本发明提供的轮腿模块与接口模块通过阶梯转轴同轴配合，通过限位手柄的伸缩来调整内外侧轮腿的角度，用以切换平地/越障形态，使其在越障过程中实现更大的力矩，其中限位手柄呈六爪形设置于内外侧轮腿形成的限位孔中，用于调整内外侧轮腿的角度，当限位手柄被拉出，拨动内外侧轮腿使轮臂套壳齿轮状部分与轮臂接口齿轮状部分啮合，限位手柄内部与限位挡圈之间的限位弹性元件被压缩储能，此时两侧轮腿可调节角度，当调整到合适角度时，轮臂套壳与轮臂接口齿轮状部分又会形成限位孔，此时限位手柄由于限位弹性元件作用，其六爪恰啮合于限位孔中，由此调节两轮腿角度，从而达到调整扭矩的作用。本发明灵活的越障力矩调整装置可以帮助用户适应不同的越障场景，提升用户出行的体验感。

[0081] 下面结合本发明的优选实施例，对本发明进行详细说明。

[0082] 如图1所示，本发明优选实施例提供的一种用于轮椅的轮腿可重构式越障辅助装置，包括接口模块1、轮腿模块2、驱动模块3；其中，接口模块1用于轮椅的限位定位，轮腿模块2设置于接口模块1的两侧呈对称结构，用于接口模块1与驱动模块3之间的连接，驱动模块3与轮腿模块2连接。

[0083] 如图2所示，接口模块1包括阶梯转轴101、阻尼基座103、旋转阻尼元件102、定位销104。

[0084] 如图3所示，驱动模块3包括异型电机前叉201、轮毂电机202、U型前叉203、线性阻尼元件204。

[0085] 如图4所示，轮腿模块2包括限位挡圈301、限位弹性元件302、限位手柄303、轮臂套壳306、轮臂接口304、第一轮腿305和第二轮腿307。

[0086] 如图5所示，为本实施例的接口模块1中的阻尼基座103的正面和后面，其中阻尼基座孔II10302设置与阶梯转轴101同轴心；阻尼基座孔I10301与轮椅本身挡板固连。

[0087] 如图6所示，为本实施例的接口模块1中的旋转阻尼元件102，其旋转阻尼元件孔I10201设置与阻尼基座孔II10302、阶梯转轴101同轴心，旋转阻尼元件102两侧边对称设置有安装孔旋转阻尼元件孔II10202，分别与阻尼基座中阻尼基座孔III10303和阻尼基座孔IV10304连接。

[0088] 如图7所示，为本实施例的轮腿模块2中的轮臂套壳306与轮腿307固接形成的内侧轮腿，其中内侧轮腿的内侧面702与固接有旋转阻尼元件102的阻尼基座103外侧面重合，且有阶梯转轴101进行平键连接，实现周向定位，其外侧面701与图8所示外侧轮腿中的内侧面801重合。

[0089] 如图8所示，为本实施例的轮腿模块2中的轮臂接口304与轮腿305固接形成的外侧轮腿，其内侧面801上的齿轮状齿根部与图7所示内侧轮腿的外侧面701上的齿轮状齿顶部配合形成限位孔，其外侧面802与图11所示限位手柄接触。

[0090] 如图9所示，为本实施例的轮腿模块2中的轮臂套壳306，其中轮腿307在轮廓10420上，两零件经过轮臂套壳孔I1041、轮臂套壳孔II1042、轮臂套壳孔III1043、轮臂套壳孔IV1044、轮臂套壳孔V1045、轮臂套壳孔VI1046、轮臂套壳孔VII1047、轮臂套壳孔VIII1048与轮腿307固连，轮臂套壳孔10401与阶梯转轴101同轴配合，通过平键实现周向定位。

[0091] 如图10所示，为本实施例的轮腿模块2中的轮臂接口304，其中轮腿305在轮廓10520上，两零件经过轮臂接口I1051、轮臂接口II1052、轮臂接口III1053、轮臂接口IV1054、轮臂接口V1055、轮臂接口VI1056、轮臂接口VII1057、轮臂接口VIII1058与轮腿305固连，齿轮状轮廓10510与图9所示轮臂套壳306中齿轮状轮廓10410形成限位孔。

[0092] 如图11所示，为本实施例的轮腿模块2中的限位手柄303，其六个齿爪10610与轮臂套壳306和轮臂接口304形成的限位孔啮合，啮合时内外侧轮腿角度固定，圆形凹槽10620内放置图3所示限位弹性元件302，其上放置限位挡圈301，由法兰防松进行固接。

[0093] 如图12所示，为本实施例的驱动模块3中的异型电机前叉201，其中异型电机前叉孔I 20101与图15所示的轮毂电机轴20210平面相互重合形成轴向定位，两部分通过图4所示异型垫圈207、弹簧垫圈208、平垫圈209、六角法兰面防松螺母210固接。

[0094] 如图13所示，为本实施例的驱动模块3中的U型前叉203，其中两侧的U型前叉孔I 20301和异型电机前叉201中的异型电机前叉孔III20103铰接，U型前叉孔II20302、U型前叉孔III 20303、U型前叉孔IV 20304和U型前叉孔V 20305分别与图7、图8中孔轮腿模块孔I 
311、轮腿模块孔II 312、轮腿模块孔III 313、轮腿模块孔IV 314铰接，以实现驱动模块3通过轮腿模块2和接口模块1相连，实现了三个模块的相互连接。

[0095] 如图14所示，为本实施例的驱动模块3两侧的线性阻尼元件204，其中轴线性阻尼元件轴I 20401与U型前叉203中侧边孔20310连接，线性阻尼元件轴II 20402与异型电机前叉201中异型电机前叉孔II 20102连接。

[0096] 如图15所示，为本实施例的驱动模块3的轮毂电机，包括轮毂和轮毂电机轴20210，其中轮毂电机轴20210设置在轮毂的两侧，轮毂电机轴20210和异型电机前叉孔I 20101进行轴向安装定位。

[0097] 如图16所示，本发明优选实施例提供的模块化越障装置装配到轮椅本体后的工作状态示意图，其中图a为平地形态的示意图，图b越障形态的示意图，可明显观察到平地/越障状态下越障装置的轮腿模块2角度是不同的，平地切换为越障状态时，内外侧轮腿角度的变化是为了适应不同的越障环境，产生适合越障环境的越障力矩，使轮椅本体能够顺利越障。

[0098] 如图17所示，当跨越障碍物时，驱动模块3中的前进方向上的大径轮毂一首先接触障碍物，并为装置提供相应的扭矩，此时大径轮毂一沿障碍物侧壁进行爬行，前后轮毂与轮腿模块2可看做闭链三角形，两轮间角度保持不变，越障过程可看做闭链运动；当大径轮毂一越过障碍物时，大径轮毂二接触障碍物侧壁，而两者均完成爬越时，轮椅后轮将开始爬越障碍，直至完全完成越障。越障装置的特点在于：无论在越障的任何临界，装置内部均有两轮作为支点位于水平面，而仅有一轮处于越障状态，可以稳定而高效的完成越障。

[0099] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。