助老助残床椅一体化机器人

摘要

一种助老助残床椅一体化机器人，内外嵌套式爬楼梯车轮固定在两条底盘弧形齿条上；底盘座模块连接着座椅支架模块并能沿底盘弧形齿条滑动；座椅支架模块上固定有上弧形滑道，可动靠背与可动座位通过铰链与座椅支架模块相连；控制手柄可以插在座椅支架模块以及可动扶手上的插槽中；小腿支撑板通过铰链与可动座位相连，可沿上弧形滑道内侧的小腿支撑板弧形滑道滑动。将上下楼梯、辅助站立、床椅转换和辅助上厕所四项功能相结合，遇台阶时轮胎内负重轮以外胎凹陷处为支点抬升车轮，结合机器人各主要模块的相对运动避免倾倒。上弧形齿条沿上弧形滑道滑出，结合其末端可动扶手转动扶助使用者站立。各部分展平可变成床，采用有线或无线控制手柄操纵。

说明书

技术领域

本发明涉及保健护理器械领域，具体地说，是指一种同时具备上下楼梯、辅助站 立、床椅转换与辅助上厕所功能的助老助残床椅一体化机器人。

技术背景

近年来随着社会发展及人口老龄化加剧，国内外许多大学、公司和研究机构对助 老助残机器人进行深入研究，提出各自的产品或解决方案。助老助残器械分为爬楼梯 轮椅、床椅一体化护理床以及运动辅助或康复机器人三大类。

爬楼梯轮椅种类较多，一般采用行星轮式和履带式爬楼梯机构，上楼梯时使用者 背向楼梯坐在椅子上，而且大多需要人员辅助，其技术尚需进一步成熟。行星轮式爬 楼梯装置一般由一个星型框架和安装在上面的几个小轮组成，由于这种装置结构固定， 缺乏对不标准台阶的适应能力，而且小轮减震性能差，遇到复杂路况会给乘坐者带来 不舒适体验。履带式爬楼梯装置一般作为独立的单元附着在普通轮椅下面，遇到台阶 时让履带卡住台阶边缘实现攀爬，履带爬楼梯机构平地行走时不起作用成为累赘，而 且履带作用于楼梯边缘的力很大，易损坏楼梯。

北京航空航天大学机器人研究所开发过一种床椅一体化护理床，轮椅驶进床外框 内展平后与外框融为一体变成床，可以帮助病人翻身，特别适于医院使用，但不能辅 助病人站立、辅助病人使用座便器以及上下楼梯。

哈尔滨工程大学研制出一种辅助残疾人站立并进行腿部康复训练的机器人，填补 国内空白，但该装置不能作为轮椅使用。日本筑波大学研发的“机器服混合辅助肢体” 可以帮助残疾人行走，但对于瘫痪病人来说这种装置无法发挥作用，而且价格昂贵不 适宜推广。

腿部残疾的残疾人、瘫痪病人和行动不便的老年人需要一种功能实用而且全面的 机器人设备帮助他们能像正常人一样享受有品质的生活。目前尚无将上下楼梯、辅助 站立、床椅转换以及辅助上厕所四项功能相结合的产品出现。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种助老助残床椅一体化机器人，解决传统助老助 残机电一体化设备功能单一、结构复杂等问题，将上下楼梯、辅助站立与床椅转换三 项功能相结合，按照人机工程学要求设计，安全美观舒适，智能化程度高，适于半身 瘫痪病人、腿部残疾行动不便的人以及老年人使用。

本发明助老助残床椅一体化机器人，是采用以下技术手段实现的：

一种助老助残床椅一体化机器人，内外嵌套式爬楼梯车轮1固定在两条底盘弧形 齿条2上；底盘座模块7连接着座椅支架模块3并能沿底盘弧形齿条2滑动；座椅支 架模块3上固定有两个上弧形滑道31，可动靠背5与可动座位57通过铰链与座椅支 架模块3相连；控制手柄6可以插在座椅支架模块3以及可动扶手42上的插槽中；小 腿支撑板56通过铰链与可动座位57相连，可沿上弧形滑道31内侧的小腿支撑板弧形 滑道37滑动；头部挡板51和腰部挡板52由弹性铰链与可动靠背5相连；大腿挡板 54由弹性铰链与可动座位57相连；腰部挡片59一端连接在大腿挡板54上；小腿挡 板55由弹性铰链与小腿支撑板56相连；各挡板都以左右对称形式成对安装在相关单 元两侧；靠背储物箱8由铰链固定在可动靠背5上；上弧形齿条4在上弧形滑道31 内滑动；可动扶手42在扶手驱动电机41的驱动下绕上弧形齿条4末端转动；脚踏板 32固定在两个上弧形滑道31之间。

前述的内外嵌套式爬楼梯车轮1，通过主驱动电机112轴经行星齿轮减速器117 减速后带动车轮驱动盘16而转动；橡胶外胎12固定在车轮驱动盘16和轮胎支撑盘 17上，并随车轮驱动盘16转动；轮胎支撑盘17通过轴承与车轮机壳114相连。

前述的爬楼梯减速电机113经爬楼梯齿轮组116减速后驱动旋转支架15，负重轮 支架13与旋转支架15之间有减震器14，负重轮11通过轴承与负重轮支架13相连。

前述的车轮机壳114上固定有垂直轴减速电机115，垂直轴减速电机115经垂直 轴齿轮111减速后驱动车轮沿垂直轴旋转；车轮连接器19经垂直轴减震器110连接到 垂直轴齿轮111上；测距仪118固定在车轮机壳114上；行星齿轮减速器117放置在 旋转支架15上。

前述的橡胶外胎利用负重轮11承载重量，负重轮固定在旋转支架15上，旋转支 架与橡胶外胎分别由两台电机驱动；旋转支架15上贴有压力应变片，用于检测爬楼梯 时负重轮受到的压力。

前述的垂直轴齿轮111上有角度传感器用于检测垂直轴转动角度；爬楼梯齿轮组 116上有角度传感器用于检测旋转支架15的转动角度；车灯18上有照明灯，以及用 于刹车和转向指示灯。

前述的底盘座模块7内设有底盘弧形滑道317，底盘齿条驱动电机以及底盘齿条 驱动齿轮组39；座椅支架驱动电机311，经座椅支架齿轮312减速后驱动座椅支架模 块3旋转，底盘座模块7通过轴承与座椅支架模块3连接。

前述的底盘弧形滑道317上有光电传感器用于检测底盘弧形齿条2的位置，与底 盘座单片机和底盘齿条驱动电机组成位置控制闭环系统；有角度传感器分布于座椅支 架齿轮312边缘。

前述的座椅支架模块3，其外壳内含电池313，可动靠背旋转电机314，上弧形齿 条驱动电机315及其配套齿轮组；上弧形滑道31固定在座椅支架模块3上，小腿支撑 板弧形滑道37上侧或下侧带有齿；左右两部分依靠脚踏板32、座椅支架连接杆36和 可动靠背转轴35连接。

前述的可动靠背旋转电机314在一侧模块中，模块外壳上侧分布有多个控制手柄 插槽316，充电导线弹性绞盘以及控制手柄导线弹性绞盘固定于模块上侧；模块控制 电路板为主控单元，含有中央控制电路、自动充电电路以及倾角传感器和加速度传感 器。

前述的上弧形齿条4的外形为圆弧形金属板，金属齿条外径一侧分布有齿，与上 弧形齿条驱动齿轮组啮合；齿条顶端有扶手驱动电机41，经齿轮减速后驱动可动扶手 42旋转，可动扶手末端带有控制手柄插槽316；上身安全带43固定于扶手驱动电机 41上。

前述的可动靠背转轴35固定在上弧形滑道31上；可动靠背5通过轴承与可动靠 背转轴35连接，可动座位57通过轴承与可动靠背转轴35连接，可翻转坐垫53通过 轴承与可动靠背转轴35连接；翻转坐垫电机固定在可动座位57上，通过齿轮减速驱 动可翻转坐垫53绕可动靠背转轴35转动。

前述的可动靠背转轴35上，固定有用于检测可动靠背5旋转角度和检测可翻转 坐垫53转动角度的传感器。

前述的靠背储物箱8两侧都有靠背储物箱盖87；支撑轮轴86通过轴承固定在储 物箱上，两个支撑轮84与支撑轮齿轮83相连并固定在支撑轮轴86上，绞盘85固定 在支撑轮轴86上；支撑轮驱动电机82固定在靠背储物箱内壁上，通过齿轮减速驱动 支撑轮84旋转；连接带81中含有导线，一端固定在绞盘85上，另一端固定在可动靠 背5上。

前述的靠背储物箱8与可动靠背5连接的铰链上设有二个限位开关。

前述的小腿挡板55固定有小腿储物箱511，小腿安全带510和小腿安全带插座512 固定在小腿挡板55上，小腿挡板55通过弹性铰链与小腿支撑板56相连。

前述的控制手柄6的摇杆61位于操纵面板62上；操纵面板62上有显示屏66、 键盘67；控制手柄6设有充电电池。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

由于本发明在平地行驶和爬楼梯时使用的是同一内外嵌套式爬楼梯车轮1，爬楼 梯时负重轮11起主要作用，在平地行走时负重轮11起支撑橡胶轮胎作用，同时负重 轮支架13具有减震功能，实现资源充分利用。行星齿轮减速器117、负重轮支架13、 各种轴承都被封闭在橡胶轮胎内，有效防止赃物进入机械结构造成损坏或加速磨损。

本发明采用底盘弧形齿条2在弧形滑道内滑动的方式实现上楼梯时后轮向后下方 伸出，前轮抬起，以及下楼梯时前轮向前下方伸出，后轮抬起，用功能与结构融为一 体的弧形齿条实现上下楼梯时保持机器人重心始终处于安全位置。由于座椅支架模块 3可相对底盘座模块7转动，底盘座模块7可沿底盘弧形齿条2滑动，两者结合可以 调整座椅高度，当使用者想坐到轮椅上时可降低座椅高度，脚踏板32接触地面，给使 用者带来方便。平地行走时可抬升座椅高度，让使用者眼睛的高度接近站立行走时的 高度，给使用者带来舒适感觉。本发明变形座椅模块在座椅模式时，两侧的挡板可以 保护使用者，特别是对于胸部以下瘫痪的病人，腰部挡板52和大腿、小腿挡板可以维 持其坐姿，保护使用者脊柱不受到损伤。并且采用上身安全带43和小腿安全带510 保持使用者的姿势。座椅变成床时两侧挡板放平可增加床的宽度，给使用者带来舒适 感。

本发明采用上弧形齿条4、上弧形滑道31以及可动扶手42帮助使用者站立。上 弧形齿条4从上弧形滑道31中滑出过程中可同时完成抬升和前伸两个动作。可动扶手 42平时作为座椅扶手，站立时托住使用者腋下将其扶起，其V字形结构可防止使用者 手臂向前或后滑脱；使用者可将控制手柄6插在可动扶手42前端的插座中，方便平地 行驶时对机器人进行操控。本发明可动座位57内侧含有可翻转坐垫53，结合辅助站 立功能以及底盘模块的敞开式后部可以让使用者使用家庭座便器。本发明实现了上下 楼梯、辅助站立、床椅转换以及辅助上厕所等功能，机械结构简单紧凑，智能化程度 高，体积小，适合半身瘫痪、重度瘫痪、腿部残疾以及体弱病人、老年人日常使用。

附图说明

图1是本发明的侧视图；

图2是本发明的正视图；

图3是内外嵌套式爬楼梯车轮三维视图；

图4是内外嵌套式爬楼梯车轮的俯视图；

图5是机器人处于床模式时的侧视图；

图6是控制手柄侧视图；

图7是控制手柄俯视图；

图8是座椅支架模块三维视图；

图9是靠背储物箱正视图；

图10是本发明助老助残床椅一体化机器人上楼梯时的使用示例图片。

其中，1为内外嵌套式爬楼梯车轮，2为底盘弧形齿条，3为座椅支架模块，4为 上弧形齿条，5为可动靠背，6为控制手柄，7为底盘座模块，8为靠背储物箱，11 为负重轮，12为橡胶外胎，13为负重轮支架，15为旋转支架，16为车轮驱动盘， 17为轮胎支撑盘，18为车灯，19为车轮连接器，31为上弧形滑道，32为脚踏板，33 为充电座门，34为座椅支架储物盒，35为可动靠背转轴，36为座椅支架连接杆，37 为小腿支撑板弧形滑道，41为可动扶手驱动电机，42为可动扶手，43为上身安全带， 51为头部挡板，52为腰部挡板，53为可翻转坐垫，54为大腿挡板，55为小腿挡板， 56为小腿支撑板，57为可动座位，59为腰部挡片，61为摇杆，62为操纵面板，63 为握柄，64为引线，65为手柄插头，66为显示屏，67为键盘，81为连接带，82为 支撑轮驱动电机，83为支撑轮齿轮，84为支撑轮，85为绞盘，86为支撑轮轴，87为 靠背储物箱盖，110为垂直轴减震器，111为垂直轴齿轮，112为主驱动电机，113为 爬楼梯减速电机，114为车轮机壳，115为垂直轴减速电机，116为爬楼梯齿轮组，117 为行星齿轮减速器，118为测距仪，311为座椅支架驱动电机，312为座椅支架齿轮， 313为电池，314为可动靠背旋转电机，315为上弧形齿条驱动电机，316为控制手柄 插槽，317为底盘弧形滑道，510为小腿安全带，511为小腿储物箱，512为小腿安 全带插座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一种助老助残床椅一体化机器人，包括底盘模块、座椅支架模块3和 变形座椅模块。底盘模块含有四个内外嵌套式爬楼梯车轮1、两条底盘弧形齿条2，以 及底盘座模块7。座椅支架模块3包含两个上弧形滑道31及两个上弧形齿条4，可动 扶手42以及电池313、电机和控制电路板等。变形座椅模块包含可动靠背5、可动座 位57、小腿支撑板56、靠背储物箱8以及附属挡板等。

本发明采用能上下楼梯的底盘模块、能辅助使用者站立及保持座位水平的座椅支 架模块3和进行床椅转换的变形座椅模块。

底盘模块由4个内外嵌套式爬楼梯车轮1、底盘弧形齿条2、底盘座模块7组成。 变形座椅模块包含可动靠背5、可动座位57、可翻转坐垫53、小腿支撑板56四个主 要部件以及连接在主要部件上的附件。变形座椅模块通过可动靠背转轴35和小腿支撑 板弧形滑道37与座椅支架模块3相连接；座椅支架模块3通过轴承与底盘座模块7 相连接；底盘座模块7可沿底盘弧形齿条2滑动，座椅支架模块3可绕其与底盘座模 块7连接轴转动，两者配合运动可让变形座椅模块在上下楼梯时保持在平地时的姿势。

内外嵌套式爬楼梯车轮1由主驱动电机112轴经行星齿轮减速器117减速后带动 车轮驱动盘16转动，橡胶外胎12固定在车轮驱动盘16和轮胎支撑盘17上，并随车 轮驱动盘16转动；轮胎支撑盘17通过轴承与车轮机壳114相连；爬楼梯减速电机113 经爬楼梯齿轮组116减速后驱动旋转支架15，负重轮支架13与旋转支架15之间有减 震器14，负重轮11通过轴承与负重轮支架13相连；垂直轴减速电机115固定在车轮 机壳114上，经垂直轴齿轮111减速后驱动车轮沿垂直轴旋转；车轮连接器19经垂直 轴减震器110连接到垂直轴齿轮111上；测距仪118固定在车轮机壳114上；行星齿 轮减速器117放置在旋转支架15中部。利用负重轮11承载重量，负重轮11固定在旋 转支架15上，旋转支架15与橡胶外胎12分别由两台电机驱动；旋转支架15上贴有 压力应变片，用于检测爬楼梯时负重轮11受到的压力；垂直轴齿轮111上有角度传感 器用于检测垂直轴转动角度；爬楼梯齿轮组116上有角度传感器用于检测旋转支架15 的转动角度；车灯18上有超高亮度白光LED做照明，以及红色和黄色LED用于刹车和 转向指示。

底盘座模块7含底盘弧形滑道317，底盘齿条驱动电机以及底盘齿条驱动齿轮组； 内含座椅支架驱动电机311，经座椅支架齿轮312减速后驱动座椅支架3旋转，座椅 支架3与底盘座模块7之间通过轴承连接。在底盘弧形滑道317上有光电传感器用于 检测底盘弧形齿条2的位置，与底盘座单片机和底盘齿条驱动电机组成位置控制闭环 系统；有角度传感器位于座椅支架齿轮312边缘，通过底盘座单片机与座椅支架驱动 电机311组成位置控制闭环系统。

座椅支架模块3外壳内含电池313、可动靠背旋转电机314、上弧形齿条驱动电机 315及其配套齿轮组和该模块的控制电路板、控制手柄导线弹性绞盘、控制手柄插槽 316、座椅支架储物盒34、充电座门33。上弧形滑道31固定在座椅支架3上，小腿支 撑板弧形滑道37上侧或下侧带有齿。左右两部分依靠脚踏板32、座椅支架连接杆和 可动靠背转轴35连接。

上弧形齿条4外形为圆弧形金属板，金属齿条外径一侧分布有齿，与上弧形齿条 驱动齿轮组啮合。齿条顶端有扶手驱动电机41，经齿轮减速后驱动可动扶手42旋转， 可动扶手42末端带有控制手柄插槽316；上身安全带43固定于扶手驱动电机41上。

可动靠背转轴35固定在上弧形滑道31上，可动靠背5、可动座位57和可翻转坐 垫53分别通过轴承与可动靠背转轴35连接。翻转坐垫电机固定在可动座位57上，通 过齿轮减速驱动可翻转坐垫53绕可动靠背转轴35转动。有角度传感器固定在可动靠 背转轴35上用于检测可动靠背5旋转角度。有位置传感器固定在可动靠背转轴35上 用于检测可翻转坐垫53的位置状态。

靠背储物箱8两侧有靠背储物箱盖87，支撑轮轴86通过轴承固定在储物箱上， 两个支撑轮84与支撑轮齿轮83相连并固定在支撑轮轴86上，绞盘85固定在支撑轮 轴86上。支撑轮驱动电机82固定在靠背储物箱内壁上，通过齿轮减速驱动支撑轮84 旋转。连接带81中含有导线，一端固定在绞盘85上，另一端固定在可动靠背5上。 靠背储物箱8与可动靠背5连接的铰链上有二个限位开关用于检测靠背储物箱8到达 的位置。

小腿储物箱511固定在左右两块小腿挡板55上，小腿安全带510固定在右侧挡板 上，小腿安全带插座固定在左侧挡板上，左右顺序也可以颠倒。小腿挡板55由弹性铰 链与小腿支撑板56相连。

控制手柄摇杆61位于操纵面板62上。操纵面板62上有显示屏66、键盘67。操 纵面板62位于握柄63顶端。手柄插头65位于握柄63下端。采用有线控制时引线64 位于握柄下后方，或者控制手柄6含有充电电池，当手柄插头65插入座椅支架模块3 或可动扶手42上的插座时给充电电池充电，采用无线通信方式控制机器人主体。

参见图10，上楼梯时乘坐者面向台阶，车轮依靠测距仪118探测台阶距离，调整 车轮状态，让前面两个车轮同时接触台阶边缘。轮胎受压凹陷后内部负重轮支架13 旋转，让负重轮11以凹陷处为支点抬升车轮。底盘座模块7向前滑动，让机器人重心 前移并保持座椅水平，提高爬楼梯时的稳定性与舒适性。爬楼梯结束时底盘座模块7 向后滑动，机器人恢复到平地行驶姿态。下楼梯时乘坐者背向台阶，底盘座模块7向 后滑动，让机器人重心后移并保持座椅水平，两个前轮滚过台阶边缘时负重轮支架13 上的压力传感器检测到压力下降，负重轮支架13逆时针旋转让上面的负重轮11以轮 胎后缘凹陷处为支点逐渐放下轮胎。下楼梯结束时底盘座模块7向前滑动，机器人恢 复到平地行驶状态。

参见图5，机器人由行走模式变为床模式时，小腿支撑板56沿上弧形齿条内侧的 小腿支撑板弧形滑道37向上滑动将可动座位57与小腿支撑板56拉平，可动靠背5 旋转到与可动座位57组成平面的位置，同时靠背储物箱8放下以支撑可动靠背5，向 两侧展开头部挡板51、腰部挡板52、大腿挡板54、小腿挡板55，放平腰部挡片59， 变形座椅模块展开成床。结合底盘座模块7沿底盘弧形齿条2滑动、座椅支架模块3 绕底盘座模块7转动可保持床面水平。

在平地行走时变形座椅模块保持座椅模式，使用者坐在座椅上，手握控制手柄6 控制机器人转向、运动速度。机器人前进速度为0并且让4个车轮与地面的接触点切 线在同一圆周上时机器人可实现原地旋转。紧急减速时为保证机器人稳定性以及使用 者舒适性，根据座椅支架模块3内加速度传感器信号自动调整座椅姿态以适应加速度 改变。

参见图8，上弧形齿条4在上弧形齿条驱动电机315驱动下从上弧形滑道31内滑 出，末端的可动扶手42会托住使用者腋下将其扶起，上弧形齿条4能同时完成抬升高 度与前送两个动作，V型可动扶手42逆时针旋转防止使用者滑脱，最终使用者会站立 在脚踏板32上。控制手柄6通过弹性自卷曲导线与座椅支架模块3内的控制电路板相 连，座椅支架模块3上有多个控制手柄插座316，可动扶手42末端也有控制手柄插座 316，使用者可以根据轮椅工作模式和自己的喜好将控制手柄6插在不同的插座中，也 可以用手握住控制手柄6而不将其插在插座中。

本发明可动座位57内侧含有可翻转坐垫53，平时可翻转坐垫53与可动座位57 融合成完整的座位，使用者需要使用座便器时，先将机器人行驶到座便器位置，由辅 助站立装置将使用者扶起，可翻转坐垫翻转并嵌入可动靠背5的凹槽内，使用者解开 裤子后辅助站立装置让其重新坐在座位上，以便使用座便器。

本发明车轮上带有测距仪118，负重轮支架13带有压力传感器，能根据台阶高度、 车轮与台阶相对位置关系自动调整负重轮11和车轮的旋转速度，具有适应各种尺寸台 阶的能力。机器人根据分布在座椅支架模块3内的倾角传感器和加速度传感器信号， 控制底盘座模块7沿底盘弧形齿条2滑动，结合座椅支架模块3的旋转，爬楼梯时能 保持座位水平，防止机器人向前后倾倒，平地行驶时能改变座椅位姿及脚踏板32距地 面高度，给使用者带来舒适安全的感受。

按照以上方案实施就能达到本发明的目的。

以上仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而 理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，或将本发明的一部分内 容用于其他产品上，这些都属于本发明的保护范围。