專利名稱：安全輪椅的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電動輪椅的結構，一種安全輪椅。
這種安全輪椅，包括車體、兩個后輪、至少一個前輪、至少一臺電機和控制器，兩后輪分別安裝在車體的后方兩側，前輪安裝在車體的前方，前輪和后輪中至少有一個輪子被電機驅動，它還裝有減速器，減速器是用帶負載的導體通過減速器開關對驅動電機的線圈作短路連接而構成的裝置。
這種安全輪椅在前進速度超過或小于預先的設定值時，減速器開關開通或關閉，開通時電機線圈通過負載放電，此時電動機成為發電機，電機中感生電流受到的磁場力阻礙電機旋轉，使輪椅的前進速度限制在一個安全值內。
附圖2是減速器的結構示意圖；附圖3和附圖4是電動剎車裝置的示意圖；附圖5是兩個電機驅動的輪椅所使用的電動剎車裝置示意圖；附圖6是兩個電機串聯時的減速器示意圖；附圖7是兩個電機并聯時的減速器以及電子轉向機構的示意圖；附圖8是固定后輪軸的軸座的示意圖；附圖9是這種安全輪椅的另一種整體結構圖。
減速器開關2可以是電子開關，或繼電器開關，也可以是幾個開關的串、并聯組合。它受控制器控制該開關的電信號或電流輸入端與所述的控制器的電信號或電流的輸出端相連。這種安全輪椅在前進速度超過或小于預先的設定值時，例如2.5米/秒時，控制器就會發出信號或電流，使減速器開關2開通或關閉。
所述的減速器的負載可以是電阻、電容、電感或其它耗用電能或儲存電能的元件。也可以是對蓄電池充電的裝置(充電器與蓄電池的組合)。
減速器在車速超過2.5米/秒時啟動。啟動后，輪椅承受的前進阻力約等于載人輪椅在12.5度斜坡上的下滑力，由此可算出使用36V電源，一個400瓦驅動的電機(當車速為2.5米/秒，該電動機的反電動勢為30～33V)，用這種方法減速時，通過電機的感生電流應控制在20～22安培。所以用于該電機的負載如果是電阻，其電阻值應為1.5歐姆左右。
這種安全輪椅使用直流電機驅動時，控制器可采用脈寬調制來控制電機轉速，控制器可包括脈寬發生器(寬度可調的矩形脈沖發生器)，速度傳感器、速度檢測器、額定速度比較器、調速器、輪椅啟動開關，與現有的一些電動自行車或電動輪椅的控制器相同。此外，它還包括極限速度比較器。
其工作過程為速度傳感器將電機轉速用信號傳感器傳給速度檢測器，極限速度比較器將速度檢測器發出的反饋信號與它設置的極限速度加以比較，當車速超過極限速度時，發出信號至脈寬發生器電路及減速器開關2，使脈寬發生器輸出為零，使減速器開關2接通電路。這時電動機變成了發電機，開始減速。當車速小于極限速度時，該比較器發出信號，使減速器開關2切斷電路，停止減速。四輪輪椅極限速度可設定為2.5米/秒。額定速度比較器所設定的額定速度小于極限速度0.1～0.5米/秒。額定速度比較器接受速度檢測器發出的信號，當車速小于額定速度時，額定速度比較器發出的信號使脈寬發生器重新輸出。調速器可采用電門旋鈕，它通過信號電平改變脈寬發生器的脈沖寬度，調整電機轉速。
本發明的控制器中，極限速度比較器不限于一個，可以有二至三個。因為兩后輪間距為0.5米，前后輪相距0.9米的三輪輪椅轉彎時，當輪椅質量中心的轉彎半徑為0.9米(即車把轉角為46度)，后輪所允許的最大前進速度不能超過2米/秒。為了避免輪椅轉彎時翻倒，對僅用一個電機驅動右側后輪的三輪輪椅可作如下設計將車速分為快、中、慢三檔，每檔各使用一個極限速度比較器，極限速度分別定為3米/秒、2米/秒、1米/秒。輪椅以快檔行駛時，當車把向左轉的轉角大于15度，便觸發換檔開關，將快檔換成中檔。當轉角回復到小于15度時，再將中檔換成快檔。當車把向右轉的轉角大于15度時，則需將快檔換成慢檔。輪椅處于中檔行駛時，僅在車把向右轉時將中檔換成慢檔。而以慢檔行駛時，無論怎樣轉彎都不需換檔。
如圖3所示，這種安全輪椅還可包括一個電動剎車裝置，它是用導體通過剎車開關3對電機的線圈作短路連接而構成的裝置。對阻抗較小的電機，可在上述電路中接限流器。限流器的作用是限制電流不要超過允許值，以避免電機出現機械沖撞。在使用雙電機驅動時，限流器將每個電機的電流限制在40安培以下，限流器構造與電動機靜啟動時為防止電流過大而安裝的啟動保護器相同。對于直流電機，限流器可采用可變電阻，剎車開始后，隨著電機線圈內的感生電動勢迅速下降，該電阻兩端電壓迅速降低，限流器將電阻迅速逐段短路，直至電阻為零，以保證在整個剎車過程中有足夠的剎車電流。對于交流電機，可采用電抗器，隨電抗器兩端電壓的下降，將電抗器逐段短路。
使用本發明的電動剎車裝置，電機不會過熱，因為電機發出的電能不會超過外力對電機所做的功，這個功等于載人輪椅剎車前的動能。其大小一般不會超過500焦耳。由此可算出剎車時，電機導線溫度升高不超過4攝氏度。使用帶可變電阻的限流器后，熱能集中釋放在限流器上，電機導線溫度升高不超過1攝氏度。
與本發明的電動剎車裝置相配套的電機為永磁電機，電機的感生電動勢與轉速成正比。當車速為0.1米/秒時，感生電動勢仍大于1伏特，而電機電阻小于0.1歐，使用兩個電機時，電流相加仍有20安培以上。所以，上述剎車裝置可使輪椅在平地上立即停止，可使輪椅在斜坡上立即將車速降至0.1米/秒以內(要停止，可使用輪椅上安裝的機械剎車裝置)。安全輪椅是慢速車，萬一電動剎車裝置出現故障，也來得及使用機械剎車裝置制動。
圖3中的的剎車開關3可以是機械開關，也可以是受電信號或電流控制的其它開關。
圖4中的剎車開關4為電子開關。由輪椅啟動開關控制。輪椅啟動開關可采用按鈕式。輪椅啟動開關開通時，發出電信號，該信號直接或間接地送到剎車開關4，剎車開關4切斷電路。輪椅啟動開關關閉時，再次發出電信號至剎車開關，剎車開關接通電路，從而實現自動剎車。手動開關5是用來作自動一手動切換的，手動開關5斷開時，輪椅可由人力推動前進。
如圖5所示，這種安全輪椅的兩個后輪可以分別各由一個電機1、10驅動，控制器分為兩部份，控制左側電機的稱左控制器，控制右側電機的稱右控制器。圖中2、12為減速器開關，4和14是受輪椅啟動開關控制的剎車開關。限流器也可以使用兩個，分別安裝在兩個電機中，使之發揮靜啟動時啟動保護器的作用。
如圖6所示，這種安全輪椅的兩個后輪分別各由一個電機驅動，減速器負載是對蓄電池充電的裝置時，兩電機1和10可以串聯后，再與充電器相串聯。串聯后的閉合電路中的電動勢為兩電機電動勢之和。該電路的充電器可以降壓后對電池充電，也可以不加變壓裝置，僅通過限流的方法將充電器輸出電流控制在11安培左右。當充電器檢測到蓄電池電源中電能已充足時，便將電信號送至轉換開關11，充電器停止工作，電流經電阻15將電能轉化為熱能。圖中左、右控制器中的極限速度比較器只要有一個測出車速超過極限速度，便發出信號至減速器開關2和12，以及左、右控制器中的兩個脈寬發生器電路，使脈寬發生器停止工作，使減速器開關2和12接通電路，開始減速。當車速小于極限速度時，該比較器再發出信號，切斷減速器電路。為了處理兩個極限速度比較器發來的信號，每個減速器開關可以設計成由兩個相互并聯的開關構成，也可設計成一個能對兩種信號作邏輯處理的開關。
圖6的電路主要用于使用機械轉向機構的兩后輪各有一電機驅動的輪椅。機械轉向機構是通過控制前輪偏轉來轉彎的。四輪輪椅采用申請號為01105514.6的機械轉向機構，當前輪偏轉角度一定時，輪椅的轉彎半徑便確定。此時只要有一個后輪轉速過快，另一后輪也必然過快，所以兩電機最好同時減速。由于四輪輪椅質心轉彎半徑為0.8米時，后輪所允許的最大前進速度為2.6米/秒，因此將四輪輪椅極限速度定為2.5米/秒，只要轉向機構保證轉彎半徑不小于0.8米，輪椅就不會因轉彎而翻倒。
使用機械轉向機構的三輪輪椅，也可以將兩電機并聯，用一個控制器控制干路電流(兩電機電流之和)。這樣的控制器相當于將圖6中左、右控制器的脈寬發生器合而為一，而保留左、右控制器各自的速度傳感器、速度檢測器以及額定速度比較器和極限速度比較器。
當兩后輪各用一個電機驅動，前輪為萬向輪時，可使用電子轉向機構。目前的電子轉向機構是通過控制器改變某一側電機的轉速或轉動方向來使輪椅轉彎的。本發明的輪椅使電子轉向機構不僅通過控制器，還可通過減速器來轉向，更省電。
如圖7所示，這種安全輪椅的兩電機也可以并聯后再與充電器相連。當電子轉向機構的轉向手柄向左偏轉時，帶動左控制器的左調速器18工作，它輸出信號的電平隨轉向手柄轉角的增大而降低，信號電平越低，電機轉速越低。由于慣性，也由于另一側電機的帶動，或者由于減速器開關2、12、和13已接通電路，電動機已無驅動電流，致使左側后輪未能按要求減速，這時左轉向開關16接通電路。轉向負載開始對左側電機減速，直到符合要求后，左轉向開關16才斷開電路。當轉向手柄向右轉時，右調速器19工作，并通過右轉向開關17、37控制轉向負載。輪椅啟動開關(按鈕式)可安裝在轉向手柄的頂端。
至于電子轉向機構按上述要求控制左右轉向開關的電路可以有多種設計。例如在電機電流較大時(爬坡時)，僅通過左、右控制器的調速器來完成轉向；電流為零時(下坡時)，僅通過轉向負載來轉向；在電流不大時，先通過調速器，再通過轉向負載來轉向。
電子轉向機構在設計上有如下功能輪椅行駛較快時，可將左側或右側電機的轉速減少一半(輪椅行駛速度為1.8米/秒時，轉彎半徑不受限制)；輪椅啟動開關處于未啟動狀態時，轉動轉向手柄，輪椅將原地旋轉。
圖7中的充電器需要將直流電轉換成交流電再升壓，再整流。如果采用交流電機驅動，蓄電池電流完成交直流轉換后對電動機供電，這樣，在充電器中可將電流直接升壓。該充電器裝有電流檢測器，一旦有一個電機或有一個減速器開關因故障不能導通電流，便將充電器的電流輸出減少一半，同時將電信號送至開關33，使開關33斷開電路。當兩電機中都有感生電流時，開關33重新接通電路。電流檢測器的作用也可由繼電器取代。
如圖8所示，在輪椅兩后輪軸上安裝外轉子電動機(定子固定在后輪軸上，轉子與輪轂相固定的電機)時，后輪軸可以安裝在軸座6的圓孔7中，軸座6固定在車體9上。軸座上有一個中心線與圓孔7中心線互相成80～90度角的通孔8。這兩個孔的中心線之間的最短距離小于這兩個孔的半徑之和。帶斜面的銷釘從孔8中插入，與后輪軸上開有的平面互相擠壓，將后輪軸緊固。這種結構在剎車時能使外轉子電機的定子承受很大的制動力。
圖1和圖9中，9為車體，20為前輪，21為控制器，22為電源，23為后輪軸，24為后輪，25為前叉，26為前管，27為前叉立管，28為車把，29為控制器面板，30為手動剎車裝置，31為靠背椅，32為轉向手柄。
權利要求
1.一種安全輪椅，它包括車體(9)、兩個后輪(24)、至少一個前輪(20)、至少一臺電機(1)和控制器，兩后輪分別安裝在車體(9)的后方兩側，前輪安裝在車體的前方，前輪和后輪中至少有一個輪子被電機驅動，其特征是它還裝有減速器，減速器是用帶負載的導體通過減速器開關(2)對驅動電機的線圈作短路連接而構成的裝置。
2.如權利要求1所述的安全輪椅，其特征是所述的減速器開關(2)是電子開關，此電子開關由控制器控制。
3.如權利要求2所述的安全輪椅，其特征是它的減速器的負載是對蓄電池充電的裝置。
4.如權利要求1～3所述的安全輪椅，其特征是所述的控制器包括脈寬發生器，速度傳感器、速度檢測器、額定速度比較器、調速器、輪椅啟動開關和極限速度比較器。
5.如權利要求4所述的安全輪椅，其特征是它還包括一個電動剎車裝置，此電動剎車裝置是用導體通過剎車開關對驅動電機的線圈作短路連接而構成的裝置。
6.如權利要求5所述的安全輪椅，其特征是對驅動電機的線圈作短路連接的導體上接有限流器。
7.如權利要求6所述的安全輪椅，其特征是所述的剎車開關(4)是電子開關，由輪椅啟動開關控制。
8.如權利要求7所述的安全輪椅，其特征是輪椅的兩個后輪分別各由一個電機驅動，兩電機串聯后，再與充電器相串聯。
9.如權利要求8所述的安全輪椅，其特征是兩電機并聯后再與充電器相連。
10.如權利要求9所述的安全輪椅，其特征是后輪的電機為外轉子電動機，后輪軸安裝在軸座(6)的圓孔(7)中，軸座(6)固定在車體(9)上，軸座上有一個中心線與圓孔(7)中心線互相成80～90度角的通孔(8)，這兩個孔的中心線之間的最短距離小于這兩個孔的半徑之和，帶斜面的銷釘從孔(8)中插入，與后輪軸上開有的平面互相擠壓，將后輪軸緊固住。
全文摘要
一種電動輪椅,包括車體、兩個后輪、至少一個前輪、至少一臺電機和控制器,前輪和后輪中至少有一個輪子被電機驅動,它還裝有減速器,減速器是用帶負載的導體通過減速器開關對驅動電機的線圈作短路連接而構成的裝置。這種電動輪椅在前進速度超過或小于預先的設定值時,控制器就會發出信號,使減速器開關開通或關閉,開通時,電動機變成了阻礙輪椅前進的發電機,從而使輪椅在轉彎或從斜坡上自然下滑時,能自動減速,確保輪椅不會因轉彎速度過快而翻倒。減速器負載可以是對蓄電池充電的裝置,因而在減速時,能將載人輪椅多余的動能轉化為電能,對蓄電池充電。該輪椅有電動剎車裝置,行駛時,關閉輪椅啟動開關,輪椅立即自動剎車。
文檔編號A61G5/04GK1344536SQ0113204
公開日2002年4月17日 申請日期2001年10月26日 優先權日2001年10月26日
發明者胡蘇甦 申請人:胡蘇甦