技术领域 [0001]本发明涉及爬楼轮椅技术领域，具体来说涉及一种轮履复合式爬楼轮椅。 背景技术 [0002]随着国人生活水平的提高，如老人和残障人士等行动不便人群的出行问题得到了越来越多人的重视，许多居民自建宅、老式公寓没有电梯，居住在此的行动不便人士往往会被楼梯阻挡而无法出行，为此人们发明了多种爬楼轮椅： [0003]中国专利CN201821505875.7公开的爬楼轮椅，它的爬楼履带布置在轮椅背部，乘坐人员需要躺着上下楼，在轮椅从平地向下驶入楼梯和从楼梯向上驶离楼梯的过程中需要操作人员看准时机手动调整轮椅姿态，该操作存在一定风险，这需要操作人员有较强的心理素质、较好的操作技巧，故其安全性欠佳，操作门槛较高。 [0004]瑞士一款名为“Scewo”的轮履复合式爬楼轮椅，有着多种传感器，智能化程度高，操控简单，但造价高昂。 [0005]美国一款名为“iBot”的星型轮式爬楼轮椅，虽有着优秀的平衡算法，能凭借星型轮跨越台阶，但其爬楼梯时重心很高，轮椅仍有较大的倾覆风险，安全性不足。 [0006]除此之外还有很多种类的爬楼轮椅，但都无法在较低成本的前提下满足安全性高、操作门槛低，同时乘坐舒适安心这些需求，故而一直难以大规模推广。 发明内容 [0007]为了克服背景技术中的不足，本发明提供了一种自平衡爬楼轮椅。 [0008]本发明的目的是通过以下技术方案实现的： [0009]一种自平衡爬楼轮椅，它包括减震座椅、履带爬楼机构、电池和控制系统；其特征在于，它有万向轮摇臂机构、定向轮摇臂机构 ，其中： 所述履带爬楼机构为单节双履带结构，包括履带架、履带、驱动轮、张紧轮、惰轮、驱动轮轴、履带驱动电机和二级链传动机构，所述履带爬楼机构为前低后高布置，其后端向上翻折一小段，翻折处装有惰轮； 所述履带架中间刚性连接有三根钢管，分别为前端钢管、中间钢管和后端钢管，所述前端钢管上设有履带驱动电机安装架和斜向上的座椅支撑架，所述中间钢管的中部设有一电动推杆末端铰支座，所述后端钢管的中部设有一电动滑块末端铰支座、一减震弹簧铰支座；所述履带驱动电机通过二级链传动机构驱动履带转动，实现爬楼功能； 所述万向轮摇臂机构由前摇臂、电动推杆和两个万向轮组成，所述前摇臂为左右对称的双摇臂结构，所述双摇臂通过一根从上方跨越履带爬楼机构的前横梁刚性连接在一起，所述前横梁的中部设有一电动推杆前端铰支座，两侧设有两个对称的气弹簧铰支座，所述前摇臂左右对称地铰接在履带爬楼机构的前端外侧，所述电动推杆两端分别与所述电动推杆末端铰支座、所述电动推杆前端铰支座铰接，所述万向轮安装在前摇臂末端，所述电动推杆的长度变化会牵引前摇臂摆动，所述电动推杆有最长和最短两个状态，处于所述最短状态时，安装在前摇臂末端的万向轮离地，所述履带爬楼机构前端着地，处于所述最长状态时，所述万向轮着地，所述履带爬楼机构前端离地； 所述定向轮摇臂机构由后摇臂、电动滑块和两个定向轮组成，所述后摇臂为左右对称的双摇臂结构，所述双摇臂通过一根从上方跨越履带爬楼机构的后横梁刚性连接在一起，所述后横梁的中部设有一电动滑块前端铰支座，两侧设有两个对称的气弹簧U槽支座，所述后摇臂左右对称地铰接在履带爬楼机构的前端外侧、前摇臂的后上方位置，所述电动滑块的滑块端与所述电动滑块前端铰支座铰接，另一端与所述电动滑块末端铰支座铰接，所述定向轮安装在后摇臂末端，所述电动滑块的行程变化会牵引后摇臂摆动，所述电动滑块有最大行程和最小行程两个状态，处于所述最大行程状态时，安装在后摇臂末端的定向轮离地，所述履带爬楼机构后端着地，当电动滑块处于所述最小行程状态时，所述定向轮着地，所述履带爬楼机构后端离地； 所述控制系统包括操作面板、座椅姿态监控传感器、单片机最小系统、电机驱动模块，所述履带爬楼机构、万向轮摇臂机构、定向轮摇臂机构均与控制系统电连接并控制。 [0010]作为优选的，所述减震座椅包括座椅和一个减震弹簧，所述座椅的前端与所述座椅支撑架铰接，后端通过所述减震弹簧与所述履带架连接。 [0011]作为优选的，所述履带爬楼机构后端向上翻折的一小段上装有防滑装 置，包括两个单向阻尼摇臂、两个滚轮、两个弹性挡块和一连接杆，所述单向阻尼摇臂的摇臂中心设有一单向旋转阻尼，所述滚轮安装于单向阻尼摇臂末端，两个单向阻尼摇臂对称铰接在履带架的内侧，并通过所述连接杆刚性连接，所述单向阻尼摇臂可绕铰接点全方位转动，所述弹性挡块可将单向阻尼摇臂定位在工作位置，在处于所述工作位置时，所述单向阻尼摇臂与履带爬楼机构后端向上翻折的一小段垂直，所述滚轮向外突出，此时所述单向阻尼摇臂向上转动阻力极大，向下转动阻力极小。 [0012]作为优选的，所述万向轮摇臂机构与所述定向轮摇臂机构之间装有摇臂张紧装置，它包括两个对称安装的气弹簧套件，所述气弹簧套件包括气弹簧和套筒，所述气弹簧可分为缸体和活塞杆，其缸体上与活塞杆末端分别有一个用于安装的铰接点，所述气弹簧缸体嵌套于所述套筒内，所述套筒外圆前端焊接有两根对称的圆柱体作为所述缸体上的铰接点，所述气弹簧套件两端分别铰接在所述气弹簧铰支座与所述气弹簧U槽支座上，利用气弹簧的弹力实现摇臂张紧功能。 [0013]作为优选的，所述座椅支撑架前下方设有脚踏板，左侧设有电池安装架，且架上装有电池，右侧设有电控盒安装架，且架上装有电控盒。 [0014]作为优选的，所述控制系统包括固定在座椅靠背顶部的操作面板、固定于座椅底下的姿态监控传感器、装于电控盒内的单片机最小系统与电机驱动模块，其中所述操作面板包括急停开关、模式选择开关、后摇臂控制开关、调速旋钮。 [0015]作为优选的，所述模式选择开关有三个档位，分别为下楼档、平地档、上楼档，处于所述下楼档时，所述前摇臂收起，所述万向轮离地，所述履带爬楼机构前端着地，此时旋动所述调速旋钮，所述履带爬楼机构驱动轮椅向前行驶；处于所述平地档时，所述前摇臂放下，所述万向轮着地，所述履带爬楼机构前端离地；处于所述上楼档时，所述前摇臂收起，所述万向轮离地，所述履带爬楼机构前端着地，此时旋动所述调速旋钮，所述履带爬楼机构驱动轮椅向后行驶。 [0016]作为优选的，所述后摇臂控制开关有三个档位，分别为收起档、自平衡档、放下档，处于所述收起档时，所述定向轮摇臂机构的电动滑块处于最大行程状态，所述后摇臂收起，所述定向轮离地，所述座椅向后倾斜，所述履带爬楼机构后端着地；处于所述自平衡档时，所述单片机最小系统通过分析所述座椅姿态监控传感器传来的座椅姿态信息给所述电机驱动模块下达控制指令，令所述电机驱动模块控制所述电动滑块运动，调节所述定向轮摇臂机构使所述座椅保持水平姿态；处于所述放下档时，所述定向轮摇臂机构的电动滑块处于最小行程状态，所述后摇臂收起，所述定向轮着地，所述履带爬楼机构后端离地。 [0017]作为优选的，所述后摇臂上设有手动刹车装置，直接作用于定向轮的轮胎外沿实现刹车驻车功能。 [0018]本发明的积极效果 ： [0019]1、本发明以简单的摇臂机构实现轮椅的轮履切换及自平衡功能，加之以履带架为主体连接其他零部件，简化了轮椅结构，故其制造难度低、生产周期短，成本也较低，易于实现大批量生产。 [0020]2、本发明为座椅加装了减震弹簧，可以在爬不平整楼梯时减少乘坐人员的颠簸感，提升舒适性。 [0021]3、本发明的履带爬楼机构倾斜固定在座椅之下，使其在大多数居民楼的楼梯上行驶时能保持座椅接近水平状态，同时满足了整体重心低的要求，加之乘坐人员离楼梯较近，能有效降低其对乘坐轮椅爬楼梯的恐惧感。 [0022]4、本发明的操作简单，因控制系统能时刻监控座椅姿态，所以通过对程序参数的限定能使轮椅座椅在倾斜至一个危险的角度前阻断控制信号，进而阻止当前操作，因此对于人工操作的容错率高，操作者只需进行简单训练即可操作此产品，操作门槛较低。 [0023]5、本发明有自平衡功能，在轮椅向下驶入楼梯和向上驶离楼梯的过程中能自动保持座椅水平，规避了一部分人工操作的风险，提高了轮椅的安全性。 [0024]6、本发明除适用于爬楼外还可用于通行其他障碍环境，在万向轮收起离地后，将后摇臂控制开关拨到自平衡档，轮椅可在履带的驱动下通过坑洼路面，也可为轮椅的上下坡提供助力。 附图说明 [0025]图1为本发明的整体的立体结构示意图； 图2为本发明的运动机构部分的立体结构示意图； 图3为本发明的履带机构的驱动轮、张紧轮、惰轮的安装位置示意图； 图4为本发明的履带爬楼机构与座椅支撑架的立体结构示意图； 图5为本发明的万向轮摇臂机构的立体结构示意图； 图6为本发明的定向轮摇臂机构的立体结构示意图； 图7为本发明的摇臂张紧机构的立体结构示意图； 图8为本发明的控制面板立体结构示意图； 图9为本发明的减震座椅安装示意图； 图10为本发明的万向轮与定向轮着地时的状态示意图； 图11为本发明的万向轮与定向轮离地时的状态示意图； 图12为本发明的平地模式的状态示意图； 图13为本发明的爬楼模式的状态示意图； 图14为本发明在不平整地面上的状态示意图； 图15为本发明的爬楼过程状态示意图。 [0026]附图标记： 1.操作面板；1-1.调速旋钮；1-2.急停开关；1-3.模式选择开关；1-4.后摇臂控制开关；2.座椅；2-1.头枕；3.电控盒；4.履带架；4-1.减震弹簧铰支座；4-2.电动滑块末端铰支座；4-3.中间钢管；4-4.电动推杆末端铰支座；4-5.履带驱动电机安装架；4-6.前端钢管；4-7.后端钢管；5.后摇臂；5-1.电动滑块前端铰支座；5-2.气弹簧U槽支座；5-3.后横梁；6.手动刹车装置；7.定向轮；8.前摇臂；8-1.电动推杆前端铰支座；8-2.气弹簧铰支座；8-3.前横梁；9.万向轮；10.履带驱动电机；11.脚踏板；12.电动推杆；13.电动滑块；14.电池；15.履带；16.惰轮；17.单向阻尼摇臂；18.滚轮；19.连接杆；20.套筒；21.座椅支撑架；21-1.电控盒安装架；21-2.电池安装架；22.气弹簧；23.驱动轮；24.张紧轮；25.驱动轮轴；26.把手；27.减震弹簧。 具体实施方式 [0028]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。 [0029]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”“中部”“前端”“后端”“对称”“水平”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“高”“低”“顶”“底”“内”“外”“斜”“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0030]在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”“装有”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0031]如图1-13所示：一种自平衡爬楼轮椅，它包括减震座椅、履带爬楼机构、万向轮摇臂机构、定向轮摇臂机构和控制系统。 [0032]如图9所示，减震座椅包含了座椅2及减震弹簧27；其中座椅2的前端铰接在座椅支撑架21上，后端通过减震弹簧27与减震弹簧铰支座4-1连接；座椅2的靠背顶部向后弯折一小段，在弯折处设有头枕2-1，如图8所示，座椅背部设有用于推行的把手26。 [0033]如图3与图4所示，所述履带爬楼机构为单节双履带结构，包括履带架4、履带15、驱动轮23、张紧轮24、惰轮16、驱动轮轴25、履带驱动电机10和二级链传动机构；如图12所示，所述履带爬楼机构为前低后高布置，在所述平地模式时履带底面与地面的夹角为35°，其后端向上翻折一小段，翻折处装有惰轮16，所述履带15选用162齿的加厚H型双面齿同步带，驱动轮23、张紧轮24、惰轮16均为H型同步轮。 [0034]如图4所示，履带架中间焊接有三根钢管，分别为前端钢管4-6、中间钢管4-3和后端钢管4-7，所述前端钢管4-6上刚性连接有履带驱动电机安装架4-5和斜向上的座椅支撑架21，所述中间钢管4-3的中部设有一电动推杆末端铰支座4-4，所述后端钢管4-7的中部设有一电动滑块末端铰支座4-2、一减震弹簧铰支座4-1；所述座椅支撑架21前下方设有脚踏板11，左侧设有电池安装架21-2，且架上装有电池14，右侧设有电控盒安装架21-1，且架上装有电控盒3；所述履带驱动电机10通过二级链传动机构驱动履带15转动，实现爬楼功能。 [0035]如图5所示，万向轮摇臂机构由前摇臂8、电动推杆12和两个万向轮9组成，所述前摇臂8为左右对称的双摇臂结构，所述双摇臂通过一根从上方跨越履带爬楼机构的前横梁8-3刚性连接在一起，所述前横梁8-3的中部设有一电动推杆前端铰支座8-1，两侧设有两个对称的气弹簧铰支座8-2，所述前摇臂8左右对称地铰接在履带爬楼机构的前端外侧，所述电动推杆12两端分别与电动推杆末端铰支座4-2、电动推杆前端铰支座8-1铰接，所述万向轮9安装在前摇臂8的末端，电动推杆12的长度变化会牵引前摇臂8摆动，所述电动推杆12有最长和最短两个状态，当其处于所述最短状态时，安装在前摇臂8末端的万向轮9离地，所述履带爬楼机构前端着地，如图11或图13所示；当其处于所述最长状态时，所述万向轮9着地，所述履带爬楼机构前端离地，如图10或图12所示。 [0036]如图6所示，所述定向轮摇臂机构由后摇臂5、电动滑块13和两个定向轮7组成，所述后摇臂5为左右对称的双摇臂结构，所述双摇臂通过一根从上方跨越履带爬楼机构的后横梁5-3刚性连接在一起，所述后横梁5-3的中部设有一电动滑块前端铰支座5-1，两侧设有两个对称的气弹簧U槽支座5-2，所述后摇臂5左右对称地铰接在履带爬楼机构的前端外侧、前摇臂8的后上方位置，所述电动滑块13的滑块端与电动滑块前端铰支座5-1铰接，另一端与电动滑块末端铰支座4-2铰接，所述定向轮7安装在后摇臂5末端，所述电动滑块13的行程变化会牵引后摇臂5摆动，所述电动滑块13有最大行程和最小行程两个状态，当其处于所述最大行程状态时，安装在后摇臂5末端的定向轮7离地，所述履带爬楼机构后端着地，如图11或图13所示；当其处于所述最小行程状态时，所述定向轮7着地，所述履带爬楼机构后端离地，如图10或图12所示。 [0037]所述控制系统包括操作面板1、座椅姿态监控传感器、单片机最小系统、电机驱动模块；如图8所示，座椅顶部装有控制面板1；其中，控制面板1上安装有调速旋钮1-1、急停开关1-2、模式选择开关1-3和后摇臂控制开关1-4；所述座椅姿态监控传感器采用MPU6050模块，最小单片机系统采用arduion UNO R3开发板，电机驱动模块采用BTS7960电机驱动模块，自平衡程序通过修改自平衡小车程序的参数得到；所述模式选择开关1-3和后摇臂控制开关1-4为三位摇臂开关。 [0038]所述履带爬楼机构、万向轮摇臂机构、定向轮摇臂机构均与控制系统电连接并控制。 [0039]如图2所示，所述履带爬楼机构后端向上翻折的一小段上装有防滑装置，包括了两个单向阻尼摇臂17、两个滚轮18、两个弹性挡块和一连接杆19，所述单向阻尼摇臂17的摇臂中心设有一单向旋转阻尼，所述滚轮18安装于单向阻尼摇臂17末端，两个单向阻尼摇臂17对称铰接在履带架4的内侧，并通过所述连接杆19刚性连接，所述单向阻尼摇臂17可绕铰接点全方位转动，所述弹性挡块可将单向阻尼摇臂17定位在如图2或图12所示的工作位置上，在处于所述工作位置时，所述单向阻尼摇臂17与履带爬楼机构后端向上翻折的一小段垂直，所述滚轮18向外突出，此时所述单向阻尼摇臂17向上转动阻力极大，向下转动阻力极小；防滑装置可在轮椅向下驶出楼梯过程中履带爬楼机构后端向上翻折的一小段接触楼梯时为轮椅提供一部分抓地力，防止履带15打滑损伤楼梯。 [0040]如图7所示，所述万向轮摇臂机构、所述定向轮摇臂机构之间装有摇臂张紧装置，它包括两个对称安装的气弹簧套件，所述气弹簧套件包括气弹簧22和套筒20，所述气弹簧22可分为缸体和活塞杆，其缸体上与活塞杆末端分别有一个用于安装的铰接点，所述缸体嵌套于套筒20内，套筒20外圆前端焊接有两根对称的圆柱体作为气弹簧22缸体上的铰接点，所述气弹簧套件两端分别铰接在所述气弹簧铰支座8-2与所述气弹簧U槽支座5-2上，利用气弹簧的弹力实现摇臂张紧功能。 [0041]所述模式选择开关1-3有三个档位，分别为下楼档、平地档、上楼档，在所述下楼档时，所述万向轮摇臂机构的电动推杆12处于所述最短状态，前摇臂8收起，万向轮9离地，所述履带爬楼机构前端着地，如图11或图13所示，此时旋动调速旋钮1-1，所述履带爬楼机构驱动轮椅向前行驶；处于所述平地档时，所述万向轮摇臂机构的电动推杆12处于所述最长状态，前摇臂8放下，万向轮9着地，所述履带爬楼机构前端离地，如图10或图12所示，且旋动调速旋钮1-1履带爬楼机构不动作；处于所述上楼档时，所述万向轮摇臂机构的电动推杆12处于所述最短状态，前摇臂8收起，万向轮9离地，所述履带爬楼机构前端着地，如图11或图13所示，此时旋动调速旋钮1-1，所述履带爬楼机构驱动轮椅向后行驶。 [0042]所述后摇臂控制开关1-4有三个档位，分别为收起档、自平衡档、放下档，处于所述收起档时，所述定向轮摇臂机构的电动滑块13处于最大行程状态，后摇臂5收起，定向轮7离地，所述座椅2向后倾斜，所述履带爬楼机构后端着地，如图13所示；处于所述自平衡档时，所述单片机最小系统通过分析所述座椅姿态监控传感器传来的座椅姿态信息给所述电机驱动模块下达控制指令，令所述电机驱动模块控制所述电动滑块13运动，调节所述定向轮摇臂机构，通过改变定向轮7的位置以适应地形，使所述座椅2保持水平姿态，如图14所示；处于所述放下档时，所述定向轮摇臂机构的电动滑块13处于最小行程状态，后摇臂5放下，定向轮7着地，所述履带爬楼机构后端离地，如图12所示。 [0043]如图1与图2所示，所述定向轮7旁设有手动刹车装置6，直接作用于定向轮7的轮胎外沿实现刹车驻车功能。 [0044]本发明的工作方法是（参见图15）： [0045]一、平地行走： [0046]模式选择开关1-3保持在平地档，后摇臂控制开关1-4为自平衡或放下档，此时万向轮9与定向轮7着地，急停开关1-2为摁下断电状态，轮椅进入如图12所示的平地模式，由操作人员于后面推动轮椅行进。 [0047]二、下楼过程： [0048]1、操作人员将轮椅推至楼梯前，将轮椅前端调节至与楼梯大致平齐，把防滑装置调整到工作位置，旋开急停开关1-2，将模式选择开关1-3拨到下楼档，后摇臂控制开关1-4保持在自平衡档，待前摇臂8收起使万向轮9离地、履带爬楼机构着地后，旋动调速旋钮1-1，轮椅在履带爬楼机构的驱动下向下行驶并逐渐进入楼梯，同时后摇臂5将带着定向轮7自动收起以时刻保持乘坐者坐姿水平，在整体重心进入楼梯后将后摇臂控制开关1-4拨到收起档，轮椅进入如图13所示的爬楼模式继续向下行驶。 [0049]2、当轮椅的履带爬楼机构刚要脱离最后一个台阶沿时，将调速旋钮1-1旋到初始位置，轮椅停止行进后将后摇臂控制开关1-4拨到自平衡档，此时，在自平衡功能的控制下，定向轮摇臂机构将自动调节定向轮7的位置使座椅2恢复到水平状态，接着将模式选择开关1-3拨到平地档，前摇臂8放下，万向轮9着地的同时定向轮7在自平衡功能的作用下也运动到初始位置，此时轮椅切换到平地模式。 [0050]3、继续重复上述1、2过程，直到需要达到的楼层。 [0051]三、上楼过程： [0052]1、将轮椅背靠楼梯，定向轮7顶在第一级台阶上，旋开急停开关1-2，先将后摇臂控制开关1-4拨到收起档，此时后摇臂5收起，轮椅将向后倾斜，待履带爬楼机构后端搭在第一级台阶上后将模式选择开关1-3拨到上楼档，前摇臂8收起，轮椅进入如图13所示的爬楼模式，旋动调速旋钮1-1，轮椅在履带爬楼机构的驱动下向上行驶并逐渐进入楼梯。 [0053]2、在定向轮7驶出最后一个台阶之后，将后摇臂控制开关1-4拨到自平衡档，在自平衡功能控制下后摇臂5放下，定向轮7着地，履带爬楼机构后端离地，在轮椅逐渐驶出楼梯的同时，乘坐者的坐姿时刻保持水平；待轮椅完全驶出楼梯后，将调速旋钮1-1旋到初始位置，轮椅停止行进后将模式选择开关1-3拨到平地档，前摇臂8放下，万向轮9着地的同时定向轮7在自平衡功能的作用下也运动到初始位置，此时轮椅切换到平地模式。 [0054]3、继续重复上述1、2过程，直到需要达到的楼层。