專利名稱：輪車爬梯系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制裝有一個或多個輪子或其它地面接觸部件的專用車的形位和運動的方法。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，輪子和輪組的控制規(guī)則中都增加了前角和后角。輪子控制規(guī)則與輪組控制規(guī)則稍微不同，以便確保在攀登樓梯期間輪子只能沿著向后的方向移動。另外，在輪子控制規(guī)則中包括阻尼項，該阻尼項根據(jù)輪子的方向而改變，其作用在于把輪子加速進登板同時使輪子沿著向前的方向減速。這個變化改變了車在頂部或底部臺階處的行為，并且在攀登樓梯的開始和結(jié)束時提供了更安全的過渡。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，提供了一種制動傾角控制算法。這是一項安全特征，它在攀登樓梯期間監(jiān)測著輪組和輪子電機溫度。如果輪組或輪子電機過熱并且在攀登樓梯過程中出現(xiàn)故障，車就可能會滑落。如果溫度超過預(yù)定值，則制動傾角控制器關(guān)掉電機放大器并且通過調(diào)整輪組制動器來控制運動?？刂破魇管囂幱谶@樣一種形位中，其中所有四個輪子都在樓梯上因此使該車處于一種重力靜態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)并且防止駕駛者在樓梯模式中繼續(xù)操作。該算法繼續(xù)監(jiān)測電機溫度，如果電機被充分冷卻則恢復(fù)樓梯模式以讓駕駛者能夠從樓梯中出來。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，為提高可操縱性和安全性而設(shè)計的專用車包括一個或多個輪組，并且該輪組和每個輪組中的輪子都能夠相互獨立地由電機驅(qū)動。
參照

圖1，該側(cè)視圖顯示出一種諸如美國專利No.5701965中描述的平衡車，該車整體由數(shù)字10來表示。本發(fā)明的優(yōu)選實施方案最好與平衡車10結(jié)合在一起實施，圖1不代表能夠以在這里所描述的并在附屬的權(quán)利要求中所聲明的模式進行操作的現(xiàn)有技術(shù)裝置。
車10具有底座12，該底座將駕駛者14支撐在車上。底座12安裝在地面接觸模塊16上。地面接觸模塊16包括電源、驅(qū)動放大器、驅(qū)動電機以及用來驅(qū)動輪子18的輪組36的控制器。輪組36包括在圖1中所示為輪子的地面接觸元件18。輪子18安裝在輪組臂40上并且每個輪子18能夠由控制器8驅(qū)動。輪組臂40繞著輪組軸22轉(zhuǎn)動，輪組臂的轉(zhuǎn)動由控制器控制?？刂破?包括與存儲裝置相聯(lián)的處理器。該處理器執(zhí)行存儲在存儲裝置中的控制程序。該處理器與多個能夠檢測車的狀態(tài)并能接收來自駕駛者14的指令的傳感器相聯(lián)系。該處理器還與驅(qū)動放大器相聯(lián)系，并且將指令傳送給驅(qū)動放大器。驅(qū)動放大器為驅(qū)動電機提供電流。
如上所述，控制器8能夠獨立地控制輪組臂40和輪子18。另外，地面接觸模塊36上的傳感器38能夠檢測車10的傾角、滾動和側(cè)滑以及輪子18和輪組臂40的角度位置和/或轉(zhuǎn)速這些變量。來自傳感器的信號被傳送給控制器，并且被控制器用來驅(qū)動輪子和輪組電機。這些輪組和輪子的單獨控制使得該車能夠以幾種模式進行操作，從而使得駕駛者或控制者能夠根據(jù)當?shù)氐匦卧诓煌Ｊ街g切換。
例如，在“標準模式”中，輪組36轉(zhuǎn)動以把輪組的前輪14抬離地面并鎖定不動，并且控制器被設(shè)在簡單的PID回路中以使得該車能夠作為一種機動輪椅。在“平衡模式”中，輪組36轉(zhuǎn)動90°且被鎖定不動，并且控制器能夠通過控制輪子電機來平衡和驅(qū)動該車。在1999年5月28日申請的并在這里被引用作為參考的美國申請No.09/321401中所描述的“增強模式”中，控制器8使得輪子18和輪組36能夠同時操作。
在樓梯模式中，車10通過將每個輪組的第二個輪子42(即目前沒有和地面接觸的輪子)放到適當?shù)呐_階上這樣的方式使輪組36轉(zhuǎn)動來上和下樓梯。在輪組轉(zhuǎn)動期間，車由每個輪組中的一個輪子18支撐，從而容易傾倒。在一種與“平衡”或“增強”模式中的操作不一樣的方式中，控制器8不會試圖平衡該車。而是駕駛者14通過抓住樓梯扶手(未示出)來保持平衡。扶手還為駕駛者提供杠桿位置以使車向前或向后傾斜，以便引導(dǎo)車攀登樓梯或下樓梯。控制器8所采用的用來操縱輪組電機的輪組控制規(guī)則和在‘965專利中所描述的輪子電機所采用的控制規(guī)則一樣，可以表示如下Tc=K1θ+K2θ.+K3ψ.c+K4ψc+K5∫ψ.cdt]]>在上述方程式中，Tc代表輪組扭矩，θ代表車的傾角偏差，ψc代表相對于垂直位置的輪組夾角偏差，Ki代表每個動態(tài)變量的增益。傾角相對于地面垂直方向來限定，而偏差指的是當前測量值和基準值之間的差值，并且基準值可以由控制器通過預(yù)先設(shè)定或?qū)崟r地設(shè)定。輪組相對于垂直位置的夾角(或被稱為“輪組形位”)是部分基于安裝在機械結(jié)構(gòu)(被稱為“E箱”)上的傳感器讀數(shù)的運算值，該機械結(jié)構(gòu)安裝在車上并包括控制器8?；蛘?，輪組夾角可以參照E箱本身，在這種情況下相對于E箱的輪組夾角由δ表示，照此來調(diào)節(jié)增益K3和K4。上標點表示動態(tài)變量的時間微分。雖然對于輪子和輪組控制規(guī)則來說其增益是不同的，但是前四項和輪子的控制規(guī)則一樣。例如，輪子控制規(guī)則對應(yīng)于輪子速度將K3設(shè)為零，而輪組控制規(guī)則對應(yīng)于輪組轉(zhuǎn)速將K3設(shè)定為一個非零值。
輪組控制規(guī)則中的第5項被用來確保輪組基本沒有穩(wěn)態(tài)偏差地轉(zhuǎn)動到特定的角度上。例如，在平衡模式中，輪組轉(zhuǎn)動到0°并被鎖定不動。在輪組轉(zhuǎn)動的時候，角度偏差減少，向垂直方向的轉(zhuǎn)動可能在輪組到達0°之前就停止。為了確保輪組到達0°，在輪組控制規(guī)則中的第五項給輪組電機指令增加了額外的部分，從而輪組能夠在0°定位。
上述的控制規(guī)則用于操縱車上樓梯和下樓梯。為了上樓梯或下樓梯，駕駛者14使車10向前傾斜以下樓梯或向后傾斜以上樓梯。駕駛者通過推或拉樓梯扶手來完成這個操作。在駕駛者沒有足夠的上身力量來在扶手上施加必要的力以使輪組的輪子轉(zhuǎn)動到下一個臺階上的情況中，助手可以幫助駕駛者使車向前或向后傾斜?；蛘撸梢詼p小傾角增益K1。減小K1的作用在于使車更容易傾斜進樓梯中，從而使得駕駛者在扶手上施加更小的力就能夠使該車傾斜。但是，小的K1也會導(dǎo)致輪組在攀登樓梯期間轉(zhuǎn)動更慢，從而會增加攀登樓梯的時間。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，如下所述在輪子和輪組控制規(guī)則中都可以增加附加項，從而帶來的優(yōu)點是顯著地降低了駕駛者使車傾斜所需要的力。因此大多數(shù)駕駛者不用助手的幫助就能夠攀登樓梯或下樓梯。
圖2a-2d所示為上樓梯和下樓梯的各階段，總稱為爬樓梯。本發(fā)明對于上樓梯和下樓梯來說都采用相同的控制模式，并且不需要駕駛者選擇樓梯行進的方向，從而消除駕駛者選擇不正確的可能性，增加了安全性。為了使該圖簡明，在該圖中只顯示出裝在輪組臂220上的兩個輪子210和212。由20指代的駕駛者和車一起由駕駛者和車的重心(CG)230來表示。直線240由CG230和輪組軸線250所限定。由直線240和通過輪組軸線250的相對于重力的垂直線240所限定的夾角定義了車傾角(車架傾角)θ。由輪組臂220和通過輪組軸線250的相對于重力的垂直線252所限定的夾角定義了輪組形位(或“輪組夾角”)ψc。
圖2a顯示出位于樓梯270的底部平臺260上的車20。在典型的樓梯模式操作中，駕駛者背對樓梯。因此，背對樓梯的方向在下面說明中被稱為‘前面’方向，而面對著樓梯的方向?qū)⒈环Q為“后面”方向。離樓梯登板280最近的輪子212被當作后輪，而離樓梯登板280最遠的輪子210被當作前輪。
在駕駛者將車定位在如圖2a所示的底部平臺260上之后，駕駛者只要通過指示控制器8就能夠進入‘樓梯模式’。如圖2b所示駕駛者將CG230移動到后輪212的中心290上方的位置處。駕駛者可以通過抓住并拉樓梯扶手來移動CG230?；蛘呖梢杂芍质柜{駛者和車20傾斜來移動CG230。在優(yōu)選的實施方案中，控制器8(在圖1中所示的)可以改變駕駛者的車架傾角。在CG230移動到后輪中心290的后面的時候，如圖2c中所示輪組臂轉(zhuǎn)動以把前輪抬離平臺260并且轉(zhuǎn)動到下一階臺階295上。
現(xiàn)在參照圖2d，該圖顯示出在輪組電機(未示出)已經(jīng)使前輪轉(zhuǎn)動到下一階臺階295上之后的車的形位。如果駕駛者決定繼續(xù)爬樓梯的話，則該駕駛者使CG移動超過由數(shù)字234所示的指定直線。由直線234和通過輪組軸線250的相對于重力的垂直線252所限定的夾角被定義為后角θrear。由直線232和通過輪組軸線250的相對于重力的垂直線252所限定的夾角被定義為前角θfront。圖4清楚地顯示出了前后角，下面參照圖4對它們進行更具體的描述。
如果駕駛者決定下樓梯270，則駕駛者將CG230移動到前角θfront的前面。控制器通過比較所測量的傾角θ與前后角來自動地決定輪組轉(zhuǎn)動的方向。如果θ＞θfront，則控制器沿著逆時針方向轉(zhuǎn)動輪組(參照圖2d)，車20下樓梯270。如果θ＜θrear，則控制器沿著順時針方向轉(zhuǎn)動輪組(參照圖2d)，車上樓梯270。
對于上下樓梯來說都采用相同的控制器，可以防止駕駛者意外地選擇錯誤的樓梯運行方向，從而為駕駛者提供重要的安全特性。
圖3顯示出樓梯模式的子模式的示意框圖。從增強模式300(在美國申請No.09/321401中所描述的)中，駕駛者選擇樓梯模式310。每個子模式的特征在于一套增益系數(shù)，這些增益系數(shù)與通用控制規(guī)則中的系統(tǒng)動態(tài)變量相結(jié)合。下面的公式(1)和(2)分別是用于輪子電機(輪子控制規(guī)則)和輪組電機(輪組控制規(guī)則)的通用控制規(guī)則。Vw=Kwθ(θ′front-θ′rear)-Kwθr|θ.|+Kwdψ.′w+Kwpψ′w---(1)]]>Vc=Kθ(θ′front+θ′rear)-Kθrθ.+Kdδ′+Kpδ′+Kj∫δ.′dt----(2)]]>在上面的公式中，Vw和Vc分別是輪子和輪組電機的指令電壓。下標w指的是輪子變量，下標c指的是輪組變量，下標r指變量的時間導(dǎo)數(shù)，變量上方的上標點也是如此。撇符號表示偏差變量，即變量的實際值和變量的預(yù)期值之間的差值。例如，輪子位置偏差ψ′w由公式ψ′w＝ψwdesired-ψw定義，其中ψw表示由傳感器所檢測到的輪子位置，而ψwdesired表示由控制器所計算出的所預(yù)期的輪子位置。k表示每個變量的增益。傾角變量由θ來表示，輪子位置由ψw來表示，輪組位置由δ來表示。每個子模式的特征在于這套在公式(1)和(2)中所指的增益。對于每個增益來說其具體值的選擇將取決于子模式的目的和駕駛者的舒適性這些因素，并且可以由在控制領(lǐng)域中的一個普通技術(shù)人員來確定，而無需在下面的子模式的說明中給出過多的實驗數(shù)據(jù)。
進一步參照圖3，樓梯模式310通過駕駛者選擇從增強模式300中進入。樓梯模式的控制規(guī)則與‘增強模式’的控制規(guī)則完全不同，并且不會提供同樣的擾動消除。為了防止出現(xiàn)這樣的狀況，‘樓梯模式’310通過被稱作‘位置伺服輪組’或‘PSC’的子模式進入。子模式PSC320在車位于水平地面如樓梯平臺上時提供穩(wěn)定的平臺。通過將傾角增益kθ和kθr設(shè)定得比位置增益kd、kp和ki的數(shù)值小來在輪組控制規(guī)則中提供在樓梯平臺上的穩(wěn)度。大的位置增益帶來的是相對于CG的輪組位置的剛性位置控制。通過將輪子位置增益kwp設(shè)定得比其它輪子的增益值大來將類似策略應(yīng)用在輪子控制規(guī)則中。這樣的作用在于，在駕駛者準備開始爬樓梯時保持車不動。輪組的剛性位置控制使得駕駛者能夠通過改變所預(yù)期的輪組位置δdesired來在如圖2(b)中所示的后輪上改變CG。
所預(yù)期的輪組位置由控制器來調(diào)節(jié)，該控制器處理由輸入裝置如按鈕或控制桿44(在圖1中所示的)輸入的駕駛者指令。在通過控制器來調(diào)節(jié)δdesired的時候，δ′變成非零值，并且乘以kp以給輪組電機產(chǎn)生出一個非零的電壓指令，從而導(dǎo)致輪組相對于CG轉(zhuǎn)動并且形成在圖2(b)中所示的形位。圖2(b)的等效圖是輪子傾角θ已經(jīng)從0°降低到q。在本說明書中，采用這樣的慣例，其中正傾角對應(yīng)于該車沿著向前的方向傾斜。控制器將探測車的非零傾角狀態(tài)并自動地轉(zhuǎn)換到子模式‘著陸’330。對于在控制領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的，子模式之間的轉(zhuǎn)換是通過在輪組控制規(guī)則中用要進入的子模式的增益來替換要離開的子模式增益來實現(xiàn)的。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，如美國專利申請No.09/322431中所述的一樣通過控制時序安排來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，該文獻在這里被引用作為參考。
在著陸子模式330中，控制器使駕駛者能夠通過改變車傾角θ來控制輪組電機。另外，著陸子模式330使車能夠向前或向后自由滾動。著陸子模式330允許通過在輪組控制規(guī)則中將傾角增益kθ和速度增益kθr和kd設(shè)定得比其它輪組增益的數(shù)值大來控制駕駛者傾角。大的kθ的作用在于使輪組電機能夠響應(yīng)車傾角微小的變化。速度增益用來在輪組電機上產(chǎn)生阻尼效果，使車在爬樓梯期間運動平穩(wěn)。
與kθ相關(guān)的傾角偏差狀態(tài)變量(θ′front+θ′rear)表示CG在前角θfront前面的夾角，或表示CG在后角θrear后面的夾角。傾角偏差狀態(tài)變量是一個比在方程(1)和(2)中所定義的偏差變量要稍微復(fù)雜一些的函數(shù)，現(xiàn)在結(jié)合前后角的說明來進行說明。
傾角偏差狀態(tài)變量θ′front和θ′rear是下面所示的兩個分段函數(shù)。
參照圖4可以更容易理解所述前后角，圖4顯示出輪組和輪子的形位并且確定了在前后角計算中所用的角度和長度。圖4顯示出車的輪子410和411在樓梯上的形位，其前輪在樓梯的下臺階450上并且后輪411在樓梯的上臺階452上。前后輪的中心412和413分別可旋轉(zhuǎn)地安裝在輪組臂420上，所述輪組臂繞著輪組軸421轉(zhuǎn)動。參考垂直線430通過輪組軸線421。坐了人的車的CG440的位置由從CG440到輪組軸線421的直線L1422的長度以及由參考垂直線430和L1422所限定的角度傾角θ來描述。輪組位置ψc是由參考垂直線430和輪組臂420所限定的角度。相對于參考垂直線的夾角的符號規(guī)定是逆時針轉(zhuǎn)動為正。特定的前垂直線441與輪組臂420所限定的直線相交，并且將Xfront定義為輪組軸線421與前垂直線441和輪組臂420的交點之間的水平距離。同樣Xrear為輪組軸線421與特定的后軸線442和輪組臂420的交點之間的水平距離。前夾角θfront被定義為CG440位于前垂直線441上時的傾角。后夾角θrear被定義為CG440位于后垂直線442上時的傾角。
登陸子模式330還使得車能夠沿著兩個方向自由滾動。這是通過將輪子位置偏差設(shè)置成零來實現(xiàn)的。這使得駕駛者能夠使車在上樓梯或驅(qū)動車離開頂部平臺以開始下樓梯之前固定靠在底部登板上。
駕駛者可以通過推或拉附近的物體如樓梯扶手來改變車傾角θ。在駕駛者改變θ的時候，數(shù)值相對較大的kθ給輪組放大器產(chǎn)生出非零的指令以驅(qū)動該輪組，并且如圖2(c)所示該輪組開始轉(zhuǎn)動。在輪組轉(zhuǎn)動的時候，輪組位置δ也改變?？刂破鞅O(jiān)測著輪組的位置，當控制器確定輪組不再處于水平時，控制器自動地切換到子模式‘攀登’340(在圖3中所示)。
子模式攀登340使駕駛者能夠通過改變車傾角θ來控制輪組電機。在攀登340中所采用的輪組控制規(guī)則與著陸330中所采用的輪組控制器規(guī)則類似或相同。
攀登340子模式讓車能夠向后轉(zhuǎn)動，但是禁止向前轉(zhuǎn)動。這是防止輪子意外地滾下臺階的一項安全措施。攀登340子模式的功能通過將輪子位置增益kwp設(shè)定得比其它輪子增益的數(shù)值大來實現(xiàn)。只要ψwdesired＞ψw，控制器就將所檢測的輪子位置ψwdesired重新設(shè)定成所檢測到的的輪子位置ψw。這使得輪子能夠自由地向后移動，但是如果輪子在ψwdesired的前面運行的話則產(chǎn)生出抑制力。
在攀登340狀態(tài)下，當輪子速度ψw為正(導(dǎo)致負的ψ′w)時通過將輪子速度增益kwd設(shè)定為較大的正值來進一步地抑制輪子的向前運動。較大的正增益乘以負的輪子速度偏差的這種結(jié)合在輪子控制規(guī)則中產(chǎn)生出較大的抑制作用，這導(dǎo)致輪子沿著向前的方向減速。負的輪子速度與把輪子驅(qū)動進樓梯登板280的運動對應(yīng)。在這種狀況中，kwd被設(shè)定為較大的負值。從而使輪子加速進入樓梯登板280。控制器監(jiān)測著ψw的狀態(tài)并且在ψw＝0時將合適的Kwd載入控制規(guī)則中，從而保證在新的增益被載入輪子控制規(guī)則的時候車的運動具有連續(xù)性。輪子向后加速進樓梯登板，這在爬樓梯期間當后輪在頂部平臺時對駕駛者具有額外的好處。沒有向后的加速，駕駛者會難以使輪子向后滾動到平臺上?？刂破鲗⒑筝喖铀僖哉业较乱粋€樓梯登板。由于后輪在沒有樓梯登板的平臺上，所以控制器繼續(xù)使后輪向后加速?？刂破魍瑫r控制輪組電機把處于穩(wěn)定形位的CG置于輪組軸線421上面。輪子和輪組控制規(guī)則中同時且獨立的操作在駕駛者看來是車向后移動同時輪組轉(zhuǎn)動以正好使前輪與頂部平臺處于同一水平面上。
為了防止車向后加速撞到頂部平臺的物體上，控制器監(jiān)測者輪子位置ψw。當后輪在平臺上向后已經(jīng)移動了僅僅一個軸距的長度(中心412和413之間的距離)時，控制器確認前輪正在頂部平臺上并且自動地轉(zhuǎn)換到子模式著陸330。
用于攀登340子模式的輪子控制規(guī)則還采用傾角狀態(tài)信息來通過使用相對較大的輪子傾角增益kwθ和kwθr值來實現(xiàn)子模式的第二目標。改變在公式(1)中的傾角項的符號以確保輪子的轉(zhuǎn)動總是沿著向后的方向。在傾角速度項中，取傾角速度的絕對值并且使該符號為負以確保給輪子的指令總是沿著向后的方向而不管傾角轉(zhuǎn)動方向如何。同樣，從前傾角偏差中減去后傾角偏差。
輪組在爬樓梯期間使前輪轉(zhuǎn)動到下一階臺階上或在下樓梯期間使后輪轉(zhuǎn)動到下一階臺階上時，控制器重新計算前后角。在轉(zhuǎn)動的輪子(爬樓梯期間的前輪或下樓梯期間的后輪)到達下一階臺階時，CG在爬樓梯期間將移動到后輪的前面或在下樓梯期間移動到前輪的后面，并且控制器將自動地轉(zhuǎn)換到在圖3中所示的子模式轉(zhuǎn)換350。
轉(zhuǎn)換350子模式使得駕駛者能夠在每一階臺階上暫停，并且如果駕駛者想要繼續(xù)爬樓梯的話則將CG轉(zhuǎn)移到θrear的后面或者如果駕駛者想要下樓梯的話則將CG轉(zhuǎn)移到θfront的前面。另外，和在攀登340子模式中所采用的相同的輪子控制規(guī)則一樣，轉(zhuǎn)換350子模式使得車能夠向后滾動而不能向前滾動。
為了讓駕駛者能夠在每個臺階上暫停并且如果駕駛者想要繼續(xù)爬樓梯的話則將CG轉(zhuǎn)移到θrear的后面或者如果駕駛者想要下樓梯的話則將CG轉(zhuǎn)移到θfront的前面，只要θfront＞θ＞θrear，則根據(jù)控制規(guī)則Vc＝kθ′(5)來驅(qū)動輪組。將這個子模式的增益設(shè)定得足夠低以讓駕駛者能夠通過在樓梯扶手上施加適當?shù)牧硎管嘋G在前后角之間移動。小的k值使駕駛者能夠容易地使CG在前后角之間移動。
在轉(zhuǎn)換350子模式期間，控制器檢測輪組位置。如果車在樓梯上，則輪組位置將不會是水平的，因為前輪與后輪處在不同的臺階上。如果控制器探測到輪組位置處在水平方向上，則控制器認為車在頂部平臺或在底部平臺上，并且自動地轉(zhuǎn)換到著陸220子模式。
為了使車響應(yīng)駕駛者的傾斜，在爬樓梯期間通過控制器來重新計算前后角。這參照圖5將更容易理解。在圖5中，車的輪子501和502被顯示出正在爬一階樓梯。圖5a顯示出該車的前輪501在下面的臺階上而后輪502在上面的臺階上。輪子安裝在輪組臂503上，輪組臂繞著輪組軸線504轉(zhuǎn)動。前角θfront由第一直線511和通過輪組軸線504的垂直參考線(未示出)限定。后角度θrear由第二直線512和垂直參考線限定。在圖5a中，車處于轉(zhuǎn)換350子模式，載人的車的CG520處于θfront和θrear之間，輪組臂503處于非水平位置。在處于轉(zhuǎn)換350子模式期間，駕駛者能夠容易地將車的CG520移到在圖5b中所示的形位，其中傾角θ等于θrear。駕駛者能夠容易地移動CG520，因為上面公式(5)所示的轉(zhuǎn)換350子模式的輪組控制規(guī)則具有相對較小的傾角偏差增益k。
在圖(5)b中，θ＝θrear，控制器自動地轉(zhuǎn)換到攀登340子模式。當駕駛者如在圖5c中所示的一樣將CG520移動到θrear后面時，控制器使輪組臂503轉(zhuǎn)動并且將前輪501抬離下面的臺階。如在圖5(a)-(h)中所示的一樣，θfront和θrear隨著輪組臂503轉(zhuǎn)動而改變。具體地說，如圖5(c)到5(g)所示，在車只是由后輪支撐時的轉(zhuǎn)動階段，θfront和θrear之間的差值較小，以使駕駛者在輪組臂旋轉(zhuǎn)期間決定變換爬梯方向時，最大程度地減少轉(zhuǎn)換350子模式花費的時間。圖5(f)顯示出輪組臂503已經(jīng)轉(zhuǎn)動到將前輪501置于后輪502上面的垂直位置上。由于CG520仍然在θrear后面，所以控制器繼續(xù)轉(zhuǎn)動輪組臂503。當輪組臂503轉(zhuǎn)動時，控制器計算出新的前后角的值，并且形成圖5(g)所示的形位，其中不停變化著的前后角處于θ＝θrear的狀態(tài)。當傾角等于后角時，控制器自動地轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換350子模式。
圖5(g)顯示出車在一次樓梯攀登循環(huán)的最后形位，其中前輪已經(jīng)轉(zhuǎn)動到下一階臺階，從而變成下一次循環(huán)的后輪。
用來計算前后輪角度的前后輪函數(shù)的選擇方案是改善駕駛者在爬樓梯期間的舒適性和安全性。在優(yōu)選的實施方案中，前后角度為駕駛者定制并且取決于輪組位置。采用較小的角度近似值，可以通過下式計算出前后角。θfront＝(1/L1)Xfront(c)+θref(6)θrear＝(1/L1)Xrear(c)+θref(7)在上面的公式中，參數(shù)(1/L1)和θref是如美國未授權(quán)專利申請No.09/321401中所描述的在駕駛者定制期間所確定的常數(shù)。函數(shù)Xfront和Xrear都是c的函數(shù)，并且可以直接確定。具體地說，分別作為ψc的函數(shù)的Xfront和Xrear之間的函數(shù)關(guān)系根據(jù)本發(fā)明的實施方案被繪制在圖6中，每個都是根據(jù)每個輪組的輪子軸線之間的距離L2來被標準化。
在攀登樓梯期間，如在圖5(c)至5(g)中所示，車在輪組臂503轉(zhuǎn)動期間只由后面一組輪子支撐。通過駕駛者抓住樓梯扶手來保持穩(wěn)定?，F(xiàn)在將對在系統(tǒng)故障的情況下，自動地把車安放在如圖5(a)所示的靜態(tài)穩(wěn)定形位中的安全系統(tǒng)進行描述。參照圖7將更容易理解制動傾角控制器，該圖顯示出制動傾角控制器的示意框圖。在攀登樓梯期間，該控制器監(jiān)測著輪組電機溫度和電池溫度。如果控制器探測到輪組電機或電池過熱，則控制器自動地激活制動傾角控制器，進入如圖7中的610所示的步驟中。該制動傾角控制器使車進入一種靜態(tài)穩(wěn)定的形位中。在步驟620中，控制器關(guān)閉驅(qū)動輪組電機的輪組電機放大器，以讓輪組電機能夠冷卻下來。然后該控制器在步驟630中檢測傾倒條件。如果傾倒條件沒有檢測到，則控制器在640中使輪組制動器松開，并且重新檢測傾倒條件。松開輪組制動器使得輪組臂503(在圖5中所示)能夠自由地轉(zhuǎn)動以將前輪501置于臺階上。如果檢測到傾倒條件，則控制器在步驟650中接合輪組制動器。在650中接合制動器之后，控制器在660中檢測過熱情況是否仍然存在。如果過熱情況不再存在，則控制器在670中脫開制動傾角控制器。如果過熱情況仍然存在，則控制器在630中重新檢測傾倒條件。傾倒條件可以單獨地采用基于狀態(tài)的準則來判斷或者相互結(jié)合來判斷。在一個實施方案中，控制器把輪組轉(zhuǎn)速c的絕對值與預(yù)設(shè)定的最大輪組轉(zhuǎn)速cmax進行比較。如果c的絕對值大于cmax，則控制器認為該車在傾倒并且判斷為傾倒條件。在另一個實施方案中，傾角速度θ與傾倒速度θfall進行比較。如果θ小于θfall，則控制器判斷為傾倒條件，對應(yīng)于車正在向后傾倒到樓梯上的狀態(tài)。
在另一個實施方案中，控制器在θ′rear小于0時判斷為傾倒條件，這對應(yīng)于坐有人的車的CG在后面角度θrear的狀態(tài)。cmax和θfall數(shù)值的選擇在控制領(lǐng)域內(nèi)是普通的技術(shù)。
在制動傾角控制器的另一個實施方案中，輪組電機放大器會繼續(xù)驅(qū)動輪組電機但是施加在輪組電機上的負載是受限制的。輪組電機在使輪組轉(zhuǎn)動以爬樓梯的時候受到最大的負載。在下樓梯期間，該電機受到小得多的負載，因為車運行的方向和重力的方向相同。因此，能夠通過在探測到電機或電池過熱時禁止爬樓梯來限制輪組電機上的負載。在制動傾角控制器的實施方案中，在探測到電機或電池過熱時如果θ＜0°則輪組制動器被接合。在制動傾角控制器的另一個實施方案中，如果探測到電機或電池過熱并且θ＜0°，則輪組位置和速度偏差變量δ′和δ′被設(shè)為0，δdesired被設(shè)為0，并且δdesired被設(shè)為δ0，其中δ0為出現(xiàn)過熱且θ＜0°的情況時δ的值。重置參數(shù)的作用在于在當探測到過熱而駕駛者試圖繼續(xù)爬樓梯的情況下有效地鎖定輪組，同時仍然使得駕駛者能夠下樓梯。另外，重置參數(shù)能立即鎖定輪組，而沒有物理鎖定輪組制動器時的延時。
雖然已經(jīng)說明本發(fā)明的各種示例性的實施方案以及它的一些優(yōu)點和可選擇的特征，但是顯然這些實施方案是用以示例，而不進行限制。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易在這些實施方案上作出變化和改進，以及設(shè)計出別的實施方案。例如，這些輪子與一根直的輪組臂相連，但是該輪組臂可以是折的以在輪組中容納兩個以上的輪子。另外，輪組臂可以被分成兩個或多個輪組臂，每個只有一個輪子，輪組軸可以重合或不重合。因此，本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求及其等同物所限定。
權(quán)利要求
1.一種用于上下樓梯的裝置，該裝置和任何有效負載一起構(gòu)成一種以重心和傾角為特征的系統(tǒng)，該裝置包括a.輪組臂，可繞著輪組軸線轉(zhuǎn)動，該輪組臂以輪組夾角為特征；b.多個地面接觸部件，可繞著相對于輪組臂固定的部件的軸線轉(zhuǎn)動；以及c.機動的驅(qū)動裝置，用于使輪組臂繞著輪組軸線轉(zhuǎn)動，從而使該裝置能夠根據(jù)包括重心的移動在內(nèi)的輸入信號進行上樓梯或下樓梯。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述地面接觸部件是輪子。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括用于根據(jù)控制規(guī)則來控制輪組臂的轉(zhuǎn)動的控制器。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，所述控制器具有多個子模式，每個子模式以一種控制規(guī)則為特征。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述控制器在至少一個子模式中響應(yīng)于輪組夾角。
6.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述控制器根據(jù)與所有用于控制地面接觸部件轉(zhuǎn)動的控制規(guī)則不同的規(guī)則來控制輪組臂的轉(zhuǎn)動。
7.如權(quán)利要求3所述的裝置，還包括用于監(jiān)測系統(tǒng)的傾角并為控制器提供信號的傳感器。
8.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述控制器根據(jù)與系統(tǒng)的傾角相關(guān)的信號來起動上樓梯或下樓梯。
9.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述控制器包括a.控制地面接觸部件的轉(zhuǎn)動的輪子控制器；b.控制輪組臂的運動的輪組控制器。
10.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述控制器至少根據(jù)系統(tǒng)的傾角來起動上樓梯或下樓梯。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中輪子控制器根據(jù)系統(tǒng)傾角的函數(shù)來控制地面接觸部件的轉(zhuǎn)動。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述輪子控制器根據(jù)多個地面接觸部件中的一個的位置函數(shù)來控制地面接觸部件的轉(zhuǎn)動。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述輪子控制器根據(jù)多個地面接觸部件中的一個的速度函數(shù)來控制地面接觸部件的轉(zhuǎn)動。
14.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述控制器在系統(tǒng)的傾角超過特定的前角時起動下樓梯。
15.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述控制器在系統(tǒng)的傾角小于特定的后角時起動上樓梯。
16.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述控制器至少根據(jù)該裝置相對于特定的前角和后角中至少一個的傾角來起動上樓梯或下樓梯。
17.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中特定的前角是通過控制器根據(jù)輪組臂當前的位置來確定的。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中特定的后角是通過控制器根據(jù)輪組臂當前的位置來確定的。
19.一種用于控制裝置在樓梯上的運動的方法，該裝置的特征在于瞬時的傾角和具有多個可繞著相對于輪組臂固定的軸線轉(zhuǎn)動的輪子，所述輪組可繞著輪組軸線轉(zhuǎn)動，該方法包括a.設(shè)定相對于垂直方向的前角和后角；b.如果瞬時傾角超過前角，驅(qū)動輪組臂使裝置下行；以及c.如果瞬時傾角小于后角，驅(qū)動輪組臂使裝置上行。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中設(shè)定前角和后角的步驟包括根據(jù)輪組角度來改變前角和后角中的至少一個。
21.一種用于安全地使上下樓梯的運輸裝置恢復(fù)靜態(tài)穩(wěn)定的方法，所述運輸裝置以傾角為特征并且具有i.輪組臂；ii.輪組臂驅(qū)動裝置，以溫度為特征，用于驅(qū)動轉(zhuǎn)動中的輪組臂；iii.能夠使輪組臂停止的制動器；以及iv.監(jiān)測所述運輸裝置并且提供傳感器信號的傳感器；該方法包括以下步驟a.監(jiān)測所述傳感器信號；以及b.在所述傳感器信號超過預(yù)定的閾值時脫開制動器，從而使得輪組臂能夠自由地轉(zhuǎn)動，以讓運輸裝置在樓梯上呈靜態(tài)穩(wěn)定形位。
22.一種用于限制驅(qū)動上下樓梯的運輸裝置的驅(qū)動裝置負載的方法，該驅(qū)動裝置的特征在于溫度，該方法包括a.監(jiān)測驅(qū)動裝置的溫度；b.探測過熱情況；以及c.通過在整個過熱期間讓輪組只能沿著下降的方向轉(zhuǎn)動來限制輪組驅(qū)動裝置的負載。
全文摘要
一種操縱上下樓梯的裝置的系統(tǒng)和方法。該裝置具有多個可繞著相對于輪組臂固定的軸線旋轉(zhuǎn)的輪子,而輪組臂本身可繞一個軸線旋轉(zhuǎn),這樣輪子就在相繼的臺階上停留。輪子和輪組臂由控制器根據(jù)不同的控制規(guī)則控制。該裝置是上還是下樓梯取決于裝置相對于特定的前角和后角的傾角。裝置和負載的整體重心的移動決定該裝置運動的方向。
文檔編號A61G5/06GK1345216SQ00805032
公開日2002年4月17日 申請日期2000年3月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月15日
發(fā)明者迪安·L·卡門, 羅伯特·安布羅吉, 羅伯特·J·達根, 理查德·K·海因茨曼, 布賴恩·R·基, 約翰·R·莫雷爾, 約翰·M·克爾溫 申請人:德卡產(chǎn)品有限公司