腳輪和輪椅的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種腳輪和輪椅，提高了腳輪在斜著進入臺階的情況下的跨越能力。本發(fā)明的腳輪的特征在于，其具備：框架；第1車輪；以及比所述第1車輪小的兩個第2車輪，它們安裝于所述框架，并分別配置在所述第1車輪的兩側，設所述第1車輪和所述第2車輪之間的間隔為d，設所述第1車輪的回轉半徑為，則滿足。
【專利說明】腳輪和輪椅

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及腳輪的結構。

【背景技術】
[0002] 在手推車和輪椅等載置人或物而進行搬運的結構體(無論有沒有動力機構）大多 設置有腳輪，以便進行移動和方向轉換。這時，在移動路徑中存在臺階的情況下，若臺階的 高度相對于車輪的大小在一定程度以上，則跨越臺階變得困難，這是公知的。在專利文獻1 中，為了提高臺階的跨越能力，公開了在主輪的兩側設置有輔助輪的腳輪。
[0003] 現(xiàn)有技術文獻
[0004] 專利文獻1 :日本特開2004-237970號公報
[0005] 在專利文獻1記載的發(fā)明中，作為前提，只設想了從正面進入臺階的情況。但是， 在實際使用手推車或輪椅等時，由于移動空間的制約等，未必能夠從正面進入臺階。或者， 還存在因操作失誤而無意識地斜著進入臺階的情況。本發(fā)明人得到這樣的見解：當斜著進 入臺階時，即便是相同高度的臺階，腳輪的跨越也比從正面進入時困難。并且，當欲在這樣 的狀況下強行跨越臺階時，還有可能手推車或輪椅等的姿態(tài)變得不穩(wěn)定。
[0006] 使用圖17具體說明上述的狀況。圖17是從上方觀察以往的單輪腳輪斜著進入預 定以上的高度的臺階時的動作的示意圖。圖17的（a)是從上方(鉛直方向）觀察安裝有腳 輪600的結構體以腳輪600的行進方向K和臺階的邊緣臺階S所成的角度為Θ的方式進 入臺階的樣子的圖。另外，腳輪600的除車輪以外的要素被舍去。腳輪的車輪的旋轉軸線 為Oz，腳輪600的回轉軸線為Cz。
[0007] 首先，在圖17的（b)中，腳輪600與臺階S接觸。在臺階的高度相對于腳輪600在 預定以上的情況下，腳輪600無法跨越臺階S。具體來說，在從正面進入的情況下，能夠跨越 的高度為車輪的半徑的60%左右，但隨著進入角度成為銳角，能夠跨越的高度變低，當進入 角為30度時能夠跨越的高度為車輪的半徑的40%左右。因此，即使是從正面進入時能夠跨 越的臺階，也存在斜著進入則無法跨越的情況。
[0008] 由于從臺階S受到的力，以回轉軸線C為中心對腳輪600產生以與行走面(地面） 垂直的方向為中心的旋轉力（回轉力），如圖17的（c)所示，腳輪600開始在這種場合下的 旋轉（回轉)。對于回轉運動的從地面受到的摩擦阻力比欲跨越臺階的摩擦阻力小，因此，回 轉運動不會停止而如圖17的（d)?（h)那樣，腳輪600旋轉直到腳輪600的朝向與臺階S 平行。當成為該狀態(tài)時，腳輪600欲跨越臺階S的力不起作用，確定了跨越的失敗。


【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于，提高腳輪在斜著進入臺階的情況下的跨越能力。
[0010] 本發(fā)明提供一種腳輪，在一個方式中，所述腳輪的特征在于，其具備：安裝部，其設 置于所述框架，并與結構體連接，使得所述框架能夠以安裝軸為中心回轉；第1車輪，其安 裝于所述框架；以及比所述第1車輪小的兩個第2車輪，它們安裝于所述框架，并分別配置 在所述第1車輪的兩側，設所述第1車輪與所述第2車輪之間的間隔為d，設所述第1車輪 的回轉半徑為φ，則滿足d<9。
[0011] 發(fā)明效果
[0012] 具有本發(fā)明的結構的腳輪對于斜著進入的情況，具有高的臺階跨越能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是安裝有腳輪100的輪椅10的外觀圖。
[0014] 圖2是腳輪100的立體圖。
[0015] 圖3是腳輪100的側視圖。
[0016] 圖4是腳輪100的主視圖。
[0017] 圖5是腳輪100的俯視圖。
[0018] 圖6是表示框架110和連接部120的結構的圖。
[0019] 圖7中，（a)是從上方觀察腳輪100的示意圖，（b)是從橫向觀察腳輪100的示意 圖。
[0020] 圖8是從上方觀察腳輪100進入臺階的樣子的示意圖(其1)。
[0021] 圖9是從上方觀察腳輪100進入臺階的樣子的示意圖(其2)。
[0022] 圖10是從上方觀察腳輪100進入臺階的樣子的示意圖(其3)。
[0023] 圖11是從上方觀察腳輪100進入臺階的樣子的示意圖(其4)。
[0024] 圖12是從側面觀察腳輪100跨越臺階的樣子的示意圖(其1)。
[0025] 圖13是從側面觀察腳輪100跨越臺階的樣子的示意圖(其2)。
[0026] 圖14是從側面觀察腳輪100跨越臺階的樣子的示意圖(其3)。
[0027] 圖15是從側面觀察腳輪100跨越臺階的樣子的示意圖(其4)。
[0028] 圖16是從側面觀察腳輪100跨越臺階的樣子的示意圖(其5)。
[0029] 圖17中，（a)?（h)是從上方觀察以往的腳輪斜著進入臺階時的動作的示意圖。
[0030] 標號說明
[0031] 10 :輪椅；11 :座面；13 :摘腳板；12 :罪背；14 :扶手；15 呆作部；100 :腳輪；200 : 后輪；190 :支柱；110 :框架；111 :孔；112 :安裝用孔；113 :安裝用孔；190 :支柱；140 :主 輪；130 :輔助輪；Cl、C2 :旋轉軸線；123 :減震器；120 :安裝部；124 :安裝部件；122 :螺母； 115 :螺母；144 :螺栓；141 :螺母；C3 :回轉軸線；C4 :旋轉軸線；S:臺階；α:進入角；φ:回 轉半徑；H:臺階高度；TO:接觸點；R;r:旋轉半徑；P:回轉中心；Q1、Q2、Q3 :中心軸線。

【具體實施方式】
[0032] 下面，參照附圖對本發(fā)明的實施例進行說明。
[0033] 圖1為安裝有腳輪100的輪椅10的外觀圖。輪椅10為具有座面11、靠背12、擱 腳板13、扶手14、操作部15、腳輪100和后輪200的電動輪椅。輪椅10還具有驅動機構(未 圖示)，該驅動機構包括驅動的馬達、電池、軸等，該驅動機構用于根據(jù)操作部15的操作內容 來進行后輪200的旋轉和后輪200的朝向（即輪椅10的朝向）的變更。腳輪100作為前輪 發(fā)揮功能。腳輪100安裝于支柱190。
[0034] 使用圖2?6對腳輪100的詳細的結構進行說明。
[0035] 圖2表示腳輪100的外觀。Z為鉛直方向，XY面為與Z垂直的面(地面)。通常，當 輪椅10在沒有障礙物的理想的平坦面向+X方向行走的情況下，腳輪100的朝向為+X方 向。
[0036] 腳輪100大致由框架110、連接部120、主輪130和輔助輪140構成。連接部120 具有安裝部件124、減震器123和螺母122,并經(jīng)由螺母122安裝于框架110。減震器123為 包括橡膠等彈性材料和彈簧的彈性體，通過變形來吸收由于行走面的凹凸等而相對于腳輪 100從鉛直方向受到的來自Z方向的力(沖擊或負荷)。螺母122是將連接部120和框架110 以能夠轉動的方式連接起來的鉸鏈機構(未圖示)的結構部件。框架110隨著減震器123的 變形而以旋轉軸線C4為中心相對于連接部120轉動。另外，也可以省略減震器123和鉸鏈 機構。這種情況下，連接部120和框架110在彼此的相對位置被固定的狀態(tài)下連接在一起。
[0037] 在連接部120安裝有安裝部件124。安裝部件124為圓桿狀，在安裝部件124的表 面加工有用于嵌入支柱190的螺紋。另外，作為將安裝部件124固定于支柱190的方法，也 可以采用除螺紋以外的公知的連接機構。安裝部件124的中心為回轉軸線C3,腳輪100在 被安裝于輪椅10的狀態(tài)下，能夠以回轉軸線C3為中心旋轉（回轉）360°。
[0038] 框架110為由一對金屬部件等構成的板狀的部件。框架110固定主輪130和兩個 輔助輪140。在框架110開設有孔111以便實現(xiàn)輕量化。并且，在框架110設置有用于安裝 主輪130的三個安裝用孔112。通過選擇使用的孔的位置，能夠改變主輪130和輔助輪140 相對于框架110的位置。另外，也可以設置供螺栓的軸通過的縫來代替設置多個孔，使得能 夠調節(jié)固定位置。在圖2中表示了使用螺母115將主輪130固定在最低位置的例子。
[0039] 主輪130具有平板等或輻條等中心結構、和在該中心結構的外側設置的橡膠等柔 性材料，主輪130經(jīng)螺母115以能夠以旋轉軸線Cl為中心旋轉的方式固定于框架110。另 夕卜，主輪130的結構不限于此，只要具有作為以旋轉軸線Cl為中心旋轉的車輪的功能即可。
[0040] 輔助輪140在主輪130的兩側各設置有一個，輔助輪140經(jīng)螺栓144以能夠以旋 轉軸線C2為中心旋轉的方式固定于框架110。在該例子中，關于車輪的直徑，主輪130比輔 助輪140大。輔助輪140在結構和材料方面無需與主輪130相同?？傊?，輔助輪140只要 具有作為以旋轉軸線C2為中心旋轉的車輪的功能即可。
[0041] 另外，在主輪130和輔助輪140的粗細方面，圖2?5所示的例子只不過是一例。
[0042] 使用圖3?5對主輪130和輔助輪140的位置關系(旋轉軸線、中心軸線、回轉軸 線之間的關系）進行說明。圖3是腳輪100的側視圖。如圖3所示，回轉軸線C3不需要與 旋轉軸線C2 -致，但也可以一致。輔助輪140位于比主輪130靠鉛直方向上方側的位置。 也就是說，在輪椅10的通常的行走時(在平地行走時)，主輪130與地面接觸，輔助輪140不 與行走面接觸。由此，能夠降低腳輪100的滾動阻力。
[0043] 圖4是腳輪100的主視圖，圖5是腳輪100的俯視圖。在ZY面內，中心軸線Ql與 回轉軸線C3 -致。中心軸線Ql與中心軸線Q2、中心軸線Q3平行。從回轉軸線C3到中心 軸線Q1、中心軸線Q2的距離相等。旋轉軸線Cl與旋轉軸線C2平行。旋轉軸線Cl和旋轉 軸線C2不是必須一致，但也可以一致。中心軸線Ql與旋轉軸線Cl正交。
[0044] 圖6表示卸下主輪130和輔助輪140后的狀態(tài)的框架110和連接部120的結構。 在框架110設置有用于安裝輔助輪140的三個安裝用孔113。由此，能夠調節(jié)輔助輪140相 對于框架110的位置。另外，孔的數(shù)量不限于圖中表示的例子?？傊?，在優(yōu)選的方式中，在 框架110,用于確定所述第1車輪的安裝位置的孔、和用于確定所述第2車輪的安裝位置的 孔中的至少一方設置有多個。
[0045] 使用圖7進一步詳細說明主輪130和輔助輪140的位置關系。在圖7中，描繪了 與主輪130和輔助輪140的配置有關的主要的點和軸線，并適當舍去除此以外的要素。
[0046] 圖7的（a)是從上方觀察腳輪100的示意圖，用以說明在與回轉軸線C3垂直的平 面（XY面）內的、主輪130和輔助輪140的配置關系?；剞D中心P和以半徑φ描繪的圓是主 輪130的回轉的軌跡(稱為回轉圓）。設主輪130與各輔助輪140之間的間隔為d，設從回轉 中心P到輔助輪140的前端的距離為L1，設線段E1E2與線段EP所成的角為β。并且，設 腳輪100相對于臺階S的進入角為進入角α。這時，至少滿足以下的條件。
[0047] d<(p... (1)
[0048] 這等同于，至少輔助輪140的一部分位于回轉圓內。本實施例的特征在于，使d依 賴于φ。若將d設定得大，使得輔助輪140出到回轉圓內的外部，則在斜著進入時，一個輔助 輪140與臺階S接觸而腳輪100開始回轉運動，由此，在另一輔助輪140與臺階S接觸時， 不會由兩個輔助輪140高效地產生用于跨越臺階S的力。
[0049] 在優(yōu)選的方式中，在上述條件的基礎上，滿足以下的條件。
[0050] 2R-cp<d/tanP(0〇<β<90。）…（2)以及
[0051] d<(pcosP". (3)
[0052] 這等同于下述條件：在進入角α=β的情況下，當腳輪100進入臺階S時，最開 始一個輔助輪140 (在圖7的（a)中為左側的輔助輪140)與臺階S接觸，在腳輪100以該 接觸為契機而開始回轉運動的情況下，另一輔助輪140與臺階接觸，而這期間主輪130不與 臺階S接觸。
[0053] 在優(yōu)選的方式中，在上述條件的基礎上，滿足以下的條件。
[0054] 20。彡β彡 30° …（4)
[0055] 發(fā)明人在試驗后發(fā)現(xiàn)：臺階跨越能力依賴于β(換言之為間隔d)，在β(d)處于 上述范圍的情況下跨越能力最商。
[0056] 在β在上述（4)以外的范圍但滿足以下的條件的情況下，也會獲得相當程度的跨 越能力的提1?。
[0057] 15。彡β彡 45° …（5)
[0058] 而且，在β在上述（5)以外的范圍但滿足以下的條件的情況下，也會獲得一定程 度的跨越能力的提1?。
[0059] 10。彡β彡60° …（6)
[0060] 另外，通過上述試驗發(fā)現(xiàn)：若使β過大（即、使d過小)，則腳輪100無法從回轉運 動順利地過渡到用于跨越臺階S的運動。另外，使β減小意味著腳輪100整體的尺寸變大， 因此，作為使緊湊性和臺階跨越性能同時得到兼顧的條件，例如以β=30°為宜。
[0061]圖7的（b)是從橫向觀察腳輪100的示意圖。下面，對與旋轉軸線垂直的面（ZX面） 內的、主輪130和輔助輪140的位置關系進行說明。設主輪130的半徑(旋轉半徑)為R，設 輔助輪140的旋轉半徑為r，設主輪130的旋轉中心與輔助輪140的旋轉中心的距離為L2。 并且，在ZX面內，設兩個圓相交的點的下方側的點為Tx。
[0062] 這時，滿足以下的條件。
[0063]r>R/3. .. (7)
[0064]L2>R-r. .. (8)
[0065] 式子（8)為用于使輔助輪140的至少一部分位于回轉圓的外側（S卩、存在輔助輪 140先于主輪130與臺階S接觸的可能性）的條件。
[0066] 式子（7)是根據(jù)下述條件（0. 4R+ 0. 6r> 0. 6R)導出的：若從地面G到Tx的高度 為R的40%，則自Tx高出0. 6r的位置比自G高出0. 6R的位置靠上方。這里，0. 4、0. 6這 些數(shù)字是考慮下述方面而得到的：通常，在從正面進入的情況(進入角為90° )下能夠跨越 的臺階的高度為車輪的半徑的60%左右，在進入角為30°的情況下能夠跨越的臺階的高 度為車輪的半徑的40%左右。
[0067] 也就是說，如圖7的（b)所示，在具有高度H的臺階S的情況下，當從正面進入時， 首先兩個輔助輪140與臺階S接觸，這時輔助輪140跨越的實際的臺階的高度比0. 6r小， 因此，輔助輪140能夠跨越臺階S。當輔助輪140跨越臺階S后，接著主輪130與臺階S接 觸。這時，主輪130應跨越的臺階的實際高度為0.4R(<0.6R)，因此，主輪130能夠跨越 臺階S。其結果是，腳輪100整體跨越過臺階S。
[0068] 另一方面，在從正面進入的情況下，當臺階S比0.4R低時，只有主輪130與臺階S 接觸。由于0.4R<0.6R，毫無疑問地輔助輪140能夠跨越臺階S。并且，在相同高度的臺 階的情況下，即便以30°左右斜著進入，如上述那樣，輔助輪140也能夠跨越臺階S。
[0069] 下面，使用圖8?16對在臺階高度H為0.4R以上的情況下，腳輪100以進入角α 進入臺階S的情況下的腳輪100的動作進行說明。如上述那樣，在該條件下，以往的腳輪(例 如圖7所示的腳輪100沒有安裝輔助輪140的狀態(tài)下的腳輪)開始了回轉運動，無論進入角 度如何都無法跨越。與此相對，若是腳輪100,則即便是斜著進入也能夠跨越。下面，進行詳 細說明。
[0070] 圖8?11以時間序列的方式表示在上述臺階高度的條件的情況下，圖7所示的腳 輪100斜著進入而無法直接跨越臺階，從開始回轉運動到開始跨越運動為止的情況。在下 面的例子中，為了方便，設進入角α=β= 30°。
[0071] 首先，如圖8所示，一個輔助輪140的前端與臺階S的點Wl接觸。于是，輔助輪 140由于從臺階S的邊緣受到的力而產生旋轉力，欲跨越臺階S的力起作用。同時，輔助輪 140由于從臺階S的邊緣受到的力而開始回轉運動。這里，臺階S沒有低到能夠直接跨越， 因此，如圖9和圖10所示，腳輪100以Wl為支點開始回轉運動。
[0072] 然后，如圖11所示，另一輔助輪140與W2接觸。這時，腳輪100與臺階S正對。 這時，作用于輔助輪140的旋轉力(跨越臺階的力)變得高于回轉力。其結果是，腳輪100的 回轉運動結束，兩個輔助輪140借助與臺階S的摩擦力而旋轉，開始攀爬臺階S的邊緣。這 樣，腳輪100從回轉運動過渡到臺階S的跨越運動。
[0073] 另外，假設，回轉軸線到與兩輔助輪140的接觸點Wl、W2的距離過小(輔助輪140 和主輪之間的間隔過??；β過大)，則當腳輪100與臺階S正對時無法充分抵消回轉力，這 次開始了以W2為支點的回轉運動，跨越失敗的概率高。
[0074] 圖12?16是以時間序列的方式表示從腳輪100正面朝向臺階S、到完成跨越高度 H的臺階S的圖。主輪130與G在外周上的點Tg接觸，用接觸點TO表示輔助輪140的外 周上的與臺階S的邊緣接觸的點。輔助輪140由于接觸點TO處的摩擦力而產生旋轉力，輔 助輪140旋轉，從而開始跨越臺階S。于是，主輪130 (即腳輪100整體）從G浮起，輔助輪 140的外周上的接觸點如圖13所示那樣轉移到Tl。隨著輔助輪140的進一步的旋轉，輔助 輪140的外周上的接觸點如圖14所示那樣轉移到Tx。在該狀態(tài)下，對于輔助輪140,臺階 S的跨越完成。
[0075] 之后，與臺階S的邊緣接觸的是主輪130。即，主輪130借助從臺階S的邊緣受到 的摩擦力而旋轉，從而主輪130的跨越開始。具體來說，主輪130的外周上的與臺階S的接 觸點如圖15所示那樣從Tx轉移到Τ1。而且，如圖16所示，主輪130的外周上的接觸點隨 著主輪130的旋轉而轉移到Τ3。其結果是，對于主輪130的臺階S的跨越完成，腳輪100整 體的臺階S的跨越完成。
[0076] 這樣，根據(jù)本實施例，在與主輪130的回轉半徑和回轉中心對應的位置設置輔助 輪140,由此，即便是比以往高的臺階且斜著進入的情況下，也能夠跨越。
[0077] 另外，之所以例示30°作為進入角是因為：考慮到實際上以比30度小的銳角進入 臺階是難以想到的。當然，在以其它的進入角進入的情況下，上述的腳輪100的結構也能夠 發(fā)揮比以往高的臺階的跨越能力。此外，"臺階"并非只意味著具有與行走面垂直的面的障 礙物。總之，"臺階"是指在兩個平滑的行走面之間存在的高度的差距。
[0078] <變形例>
[0079] 能夠對上述實施例進行適當變形。下面，例示進行變形時的觀點。
[0080] 輪椅10不必為四輪。例如，也可以是三輪的輪椅，其中，腳輪100只將一個輔助輪 140作為前輪來使用?；蛘撸部梢允橇喌妮喴?，其中，設置兩個后輪200和四個輔助輪 140,輔助輪140在后輪200的前后各設置兩個。并且，輪椅10不必為電動式。
[0081] 關于安裝腳輪100的對象，除輪椅以外，也可以是例如用于搬運貨物的普通的手 推車?？傊?，是能夠載置物體并改變方向地移動的對象，其用途不被限定。
【權利要求】
1. 一種腳輪，其特征在于，所述腳輪具備： 框架； 安裝部，其設置于所述框架，并與結構體連接，使得所述框架能夠以安裝軸線為中心回 轉； 第1車輪，其安裝于所述框架；以及 比所述第1車輪小的兩個第2車輪，它們安裝于所述框架，并分別配置在所述第1車輪 的兩側， 設所述第1車輪與所述第2車輪之間的間隔為d，設所述第1車輪的回轉半徑為則 滿足下面的式子： d<cp〇
2. 根據(jù)權利要求1所述的腳輪，其特征在于， 設所述第1車輪的半徑為R，設a為常數(shù)，其中〇 <a< 90°， 則滿足下面的式子：d<(pcosa;和 2R-(p<d/tana,其中 〇。<a<90。。
3. 根據(jù)權利要求2所述的腳輪，其特征在于， 設在與所述安裝軸線垂直的平面內，從回轉中心到各第2車輪的行進方向側的前端的 距離為L1，則滿足下面的式子： Ll/d=cos@，其中 20。< @ < 30。。
4. 根據(jù)權利要求3所述的腳輪，其特征在于， 設在所述安裝軸線的平面內，從回轉中心到各第2車輪的行進方向側的前端的距離為L1，則滿足下面的式子： Ll/d=cos@，其中 15。< @ < 45。。
5. 根據(jù)權利要求2所述的腳輪，其特征在于， 設所述第2車輪的半徑為r，設與所述第1車輪的旋轉軸線垂直的平面內的、所述第1 車輪的旋轉中心和所述第2車輪的旋轉中心之間的距離為L2,則滿足下面的式子： r>R/3 ;和 L2 >R-r。
6. 根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的腳輪，其特征在于， 在所述框架，用于確定所述第1車輪的安裝位置的孔、和用于確定所述第2車輪的安裝 位置的孔中的至少一方設置有多個。
7. -種輪椅，所述輪椅將權利要求1至6中的任一項所述的腳輪作為前輪來使用。
【文檔編號】B60B33/00GK104275984SQ201310421033
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權日:2013年7月8日
【發(fā)明者】H-U-R·穆罕默德 申請人:齋藤工房有限公司