轮式爬梯车的制作方法

专利名称：轮式爬梯车的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及轮式爬梯车，本发明更特别地涉及一种 诸如手车的星形驱动电动轮式爬梯车，它具有微处理器控制固 定星形模式，从而有助于使车平衡和机动动作。
背景技术：
爬梯手车、轮椅以及其它轮式车(统称为车)己知存在 一个多世纪了，但是能爬梯的电动车是最近出现的新事物。许 多这种车复杂、昂贵并且费力。
为了构造基于星形，或者轮上轮式(wheel-overiheel) 设计的爬梯车，做了许多尝试。三轮星形组件非常适合爬梯， 当在平坦地面上使用时，它们存在基本的操控问题。由于一对 三轮星形组件自然有四个轮子(每个星形中的两个)接触地面， 所以更难以使车转弯，并且要求转弯半径比传统手车的转弯半 径大得多，传统手车仅有两个轮子接触地面。
有多种方法可以解决该问题。 一种简单方法是，包括手动 操作机构，该手动操作机构利用机械方法将星形锁定在适当位 置，以致在滚动移动时，只有两个轮子(每个星形组件上一个 轮子)触地。例如，各种链轮机构已经用于实现双轮锁定，但是它们显著增加了车的成本和重量。链条也非常紧，并且如果 发生故障，可能产生可靠性或者安全性隐患。
基于机械销钉的系统要求三轮组件旋转到精确角度，在该 位置插入锁定销钉，以允许该单元被手动倾斜于两个轮子上的 角度将该组件锁定。采用该机械销钉方法的主要问题是强度和 复杂性。该三轮组件必须精确对准、然后插入销钉，如果用户 不做大量努力，这可能难以实现。在有负载的情况下，也难以 拉回该销钉、转变为爬梯模式。与利用链轮方法相同，各部件 也承受相当大的机械应力，因此，较重。
两种设计都采用刚性锁定系统，这样，它们也不能承受振 动和冲击。例如，当在路缘及其它坑洼的路上滚动时，手车感 受到振动是比较常见的。链条或者销钉锁容易感受到比平均静 态应力高5倍或者5倍以上的峰值应力，必须设计该零件以承受 该峰值应力，这就增加了重量和生产成本。
载人轮椅采用的复杂方法涉及包括马达、传感器，并且对 两个轮子(每个星形组件上一个轮子)执行基于反馈的控制， 以使轮椅自身相对于垂直基准面自动平衡。

发明内容
本发明提供了一种轮式车，包括刚性框架，支承转轴；
以及一对星形组件，可旋转地支承在所述轴的相对两端的相邻 处。该一对星形组件中的每个星形组件支承多个转轮，所述多 个转轮被连接以同步旋转。该车进一步包括角位置传感器，它 支承在该框架上的位置，以测量该一对星形组件中的一个星形 组件相对于该框架的角位置。该车进一步包括电动马达和电源， 它们支承在该框架上，并且被可操作地连接，以驱动该一对星形组件旋转。该车进一步包括控制器，它支承在该框架上，并 且被可操作地连接到该角位置传感器和该电源，以使该电动马 达对该一对星形组件施加变化的转矩，从而根据从该角位置传 感器收到的输入，使它们相对于该框架保持所选择的角位置。 因此，该车将星形组件以相对于该框架的几个不同目标角度中 的任何一个角度，在校正变型条件下，"固定"、或者锁定或者 保持。因此，该车包括反馈系统，该反馈系统包括磁或者其它 绝对角位置传感器、预先配置了适当指令的基于微处理器的控 制器以及主驱动马达。
当下爬梯阶时，该星形组件具有固有不稳定的角范围/区 域。在这些区域内，在特定条件下，传统星形组件可能从梯阶 的边缘滑离，而非同步旋转到它们下面。在特定实施例中，根 据该星形组件的三轮或者其它配置，该控制器存储用于识别对 应于这种区域的角位置范围的指令，而该角位置传感器检测该 星形组件的位置。在这种实施例中，该控制器可以主动加速该 星形组件通过该不稳定区域，这样显著降低了从该梯阶的边缘 滑离的风险。该特征极大提高了该产品使用的安全性和舒适度， 并且，对于促使三轮星形组件满足非职业用户的使用要求，特 别有用。
该车可以包括可变接合离合器和制动系统。该离合器可以 将轮子锁定到与手车框架相同的基准框架，或者可以允许它们 自由自旋。在爬升模式或者下爬模式下，该离合器系统主要用 于提供附加驱动牵引力，以使该手车爬上梯阶，而不滑离或者 在原地跳动。该离合器还可以用作制动器，以将手车锁定到梯 阶上，如果在爬上或者下爬期间，用户停在某个位置，则这样 可以减小它发生滑离的可能性。该离合器是电磁的、并完全由控制器控制，不需要用户控制。
任选地，该车可以被配置为手车，并且进一步包括可拆卸 装货篮和双平板载货系统。该车可以进一步包括轮子保护罩以 及可旋转的伸縮手柄。


现在，将参考附图，利用例子，描述本发明，其中 图1A和1B是根据本发明的典型车的等角图1C和1D是图1所示车的后视图和等角图，为了清楚示出， 在卸下选择的外壳和部件的情况下，示出它们；
图2A—2F是在楼梯井内下降期间示出的图1所示车的连续 步骤的原理图3示出在陡峭楼梯井上示出的图l所示车的侧面原理图4是图1所示车的操作流程图5是在双接触点配置中，水平移动情况下示出的图l所示
车的侧视图6示出具有支柱的车的变换实施例的侧视图7是根据本发明包括两个典型载货板的车的又一个变换 实施例的透视图8是根据本发明示出支承典型载货篮的图7所示车的透视
图9是图7所示车的透视图，它示出根据本发明处于不能操 作位置的上部平板；
图10是与图7所示车类似的车的透视图，它示出根据本发明 的变换实施例的伸縮手柄-，
图ll是根据本发明的轮式装置的各种部件的原理图；以及图12是示出典型轮式车的各种部件的原理方框图。
具体实施例方式
本发明一般地涉及轮式爬梯车，本发明更特别地涉及一种 星形驱动电动轮式爬梯车，它具有微处理器控制的固定星形模 式，从而有助于使车手动平衡和机动动作。本发明可以应用于 手车、行李车、童车以及其它轮式车。根据本发明的轮式车包 括传感器、电动马达以及用于根据从传感器收到的输入控制 该马达的控制器，以提供固定星形模式，从而有助于使车手动 平衡和机动动作。与许多机械设计不同，本发明的方法基本上 是电子方法，而无需显著增加部件或者生产成本，并且可以避 免最终用户操作复杂。
为了说明问题，下面将结合典型手车式车，讨论本发明，
图1A—1D示出该典型手车式车。从图1A—1D可以看出，该手车 包括用于支承转轴24的刚性框架22。该框架支承一种典型传统 手车的承载突出物或者平板36、以及用户手柄34。轴24的对称 固定的相邻两端是星形组件20a、 20b，在星式结构中，它们分 别具有固定盘26等距支承转轮28A、 28B、 28C。齿轮传动马达30 和电池50支承在框架22上。马达30与电池50可操作地连接，并 且马达30通过齿轮组40可操作地连接到轴24 (图1C)，马达30 可以施加转矩，以使星形组件20a、 20b绕轴24的轴线顺时针和 逆时针转动，而框架22保持固定。
车10包括基于微处理器的控制器60，配置该控制器60，以
从下面讨论的各种传感器接收输入，并且根据收到的输入，控 制马达驱动轴的操作，如图1C、 1D和12所示。例如，该控制器 60包括根据本发明存储软件(微处理器可执行指令)的内存，用以根据从如下所述的传感器收到的输入，动态改变送到该马 达的电流。
例如，利用固定的而与每个轮子28A、 28B、 28C —起转动的、 并且由双侧定时带72连接的齿轮70，可操作地连接每个星形组 件20a、 20b的轮子，以实现同步转动，如图1D和11所示。空转 皮带轮74限制带72，以使带72保持在固定盘(hub)26的轨迹内。 带72接合由控制器60控制选择性接合的离合器80，使轮子28A、 28B、 28C由马达30驱动、以同步转动，或者分离，允许轮子同 步自由转动。
车10进一步包括诸如电磁离合器的变力致动器80，它提供 可变制动力，以使轮子28A、 28B、 28C绕其相应轴旋转。变力致 动器80可操作地连接到控制器60，该控制器60对由电源供给的 电流进行控制，并由此控制所施加的制动力的量值。请参考图 11和12。在一个实施例中，电磁离合器80包括通过控制器60由
脉宽调制电路控制器供电的线圈，可以设置可变大小的滑转扭 矩。滑转程度非常重要，因为当达到最大扭矩值时，应该允许 离合器滑动，这样降低了过载或者损坏的概率。
正如图1C和11最佳示出的那样，离合器80包括两个主要部 件固定电磁盘66和转动致动盘68。电磁板66固定在框架22上， 而转动致动板68支承在主轴24上，以致它可以相对于主轴24自 由旋转。可以操作可动离合器盘，以利用可变滑转扭矩，将中 心驱动皮带轮"锁定"到框架22。通过在控制器60的控制下改 变对电磁盘66施加的电压，产生变力。转动盘68集成在定时皮 带轮和皮带系统上，以致它与位于每个星形组件20a、 20b上的 轮子28A、 28B、 28C同步转动，正如图11中最佳示出的那样。当 接合时，离合器80在相对于轮子固定的转动盘68 (可以相对于轴24转动)与固定在该框架上的固定盘66之间施加可变转矩。 离合器80利用变力将中心皮带轮锁定到框架22上。当轮子和星 形固定盘26绕锁定的中心皮带轮旋转时，轮子28A、 28B、 28C 被驱动、相对于框架22旋转，同时，通过主轴24驱动固定盘26， 它们以转弧方式移动。因此，使轮子相对于框架22转动，而星 形组件20a、 20b绕它们转动，从而产生净向前驱动力，该净向 前驱动力使车10与梯阶的基底形成接合关系，而不是使它在原 位落下或者弹起。当星形组件的轮子接触下一个梯阶的竖面时， 该车不再被进一步驱动到该梯阶，并且离合器80滑动，以限制 对皮带轮系统施加的转矩。
根据本发明，车10进一步包括角位置传感器32 (见图1C)， 安装该角位置传感器32，以感测框架32与星形组件20a (例如， 固定盘26上的基准部分)之间形成的夹角。作为例子，绝对光 学编码器或者绝对磁旋转编码器可以用作角位置传感器32。安 装该角位置传感器32,以感测星形相对于框架22的剩余部分的 角位置，并将该角位置反馈到控制器60。作为例子，可以将该 角位置传感器32固定安装在轴24上的适当位置，以在它旋转时 读取固定盘26的标记。作为一种选择，本技术领域内的技术人 员明白，传感器32可以被集成在齿轮组40上。
任选地，车10进一步包括诸如增量光学传感器的角速度传 感器34 (见图1C和12)。该角速度传感器34安装在框架22上(或 者轴24上)，以感测轴24旋转的角速度(并因此感测固定盘26 的角速度)，并将它反馈到控制器60，该控制器60可以控制马达 的驱动轴的操作，正如下面更详细描述的那样。作为例子，增 量光学编码器34可以安装在主轴24上，也可以安装在例如位于 齿轮组40之前的马达的轴上。与角位置传感器始终测量变化相比，该增量光学编码器34提供更快速的速度响应测量值。
车10进一步包括用户操作开关56，它安装在手柄34上，如 图1A所示。用户可以操作开关56，以在手车的爬升操作模式、 下降操作模式、移动操作模式和停止操作模式中进行选择，每 种操作模式分别对控制器提供输入，并且对控制器如何控制马 达等进行调节。在一个实施例中，移动模式是通过操作主电源 开关自动选择的，而停止模式是通过关闭爬升模式或者下降模 式自动选择的。爬升模式和下降模式开关可以是瞬时作用弹簧 (momentary spring)类型的，因此，如果用户释放手柄34或 者释放开关56之一，则星形组件的全部自动操作均停止。
对控制器60编程，以对手车在各种模式下的操作进行控制。 更具体地说，配置控制器60，以根据从角位置传感器32、速度 传感器34、光学传感器64以及开关56中的一个或者多个收到的 输入，根据存储在基于微处理器的控制器60的内存内的微处理 器可执行指令，对从电源50送到电动马达30的电流进行控制。 见图1C和12。对各种操作模式提供不同指令。
移动模式用于在基本上平坦的地板等上移动行李等，在这 种模式下，控制器60使变力致动器(电磁离合器)分离，从而 允许轮子28A、 28B、 28C自由旋转。控制器60从角位置传感器32 接收数据，并且使马达将星形组件(固定盘26)相对于框架转 动到几个(对于被分开约120度的三轮星形组件，是3个)预定 角位置之一，然后，将该星形组件固定在所选择的角位置。该 角位置是这样的角位置，即，在框架22处于基本上直立位置， 四个轮子(每个星形组件两个轮子)位于地面上的情况下，车 静止。当使框架22倾斜以通过水平面时，星形组件固定盘26和 框架22倾斜为一个固定单元，固定盘26与框架22之间的夹角被固定，在该位置，仅定位两个轮子(每个星形上一个轮子)在
手车滚动移动时接触地板。控制器60从角位置传感器32连续接 收角位置数据作为反馈，并且通过改变从电源送到马达的电流， 控制马达30，将固定盘26固定在所选择的角位置，例如，在星 形与框架之间保持预定角关系，而不考虑框架/手车相对于地板 或者垂直面的位置或者取向。
更具体地说，控制器60利用角位置传感器32确定固定盘26 与框架22之间的当前夹角，并且将目标角度设置为几个可接受 位置(每个对应于三轮组件的每个轮子的位置)中最近的那个。 通过双向脉宽调制(PWM)主动控制马达30，以保持目标角度。 该控制器利用比例积分微分(PID)控制回路使星形组件固定盘 保持稳定角位置。为了防止突然移动或者跳动，使用逐渐上升 的功率。因此，固定盘26和框架22的相对角位置基本上保持不 变，框架和固定盘作为一个单元倾斜，并且固定盘相对于框架 是"固定的"。因此，该单元的回转半径被显著减小，可以转过 小转角。然后，在爬升和下降之前，可以使锁定机构分离，从 而允许星形轮自由旋转，如图2A所示。
因此，不考虑手车相对于垂直面的空间取向/倾斜等，该控 制器、角位置传感器、马达和电源配合，以在固定模式下，使 固定盘26相对于框架22保持固定角位置。
可以想象，该控制器的电控马达得以保持这种稍许弹性"固 定"关系的优点是，没有利用机械方法连接固定盘和框架的刚 性机构。根据本发明，对固定盘产生的冲击和转矩主要对马达 的电磁场产生影响，马达的电磁场不是易破裂的机械部件。因 此，控制系统起电子振动吸收器的作用，并且在冲击时允许三 轮组件移动几度，以减小对动力系产生的应力。在一个实施例中，该控制器设置了预置电流限制，以致如果该固定盘承受超 过预定阈值的特别大的冲击，则马达瞬断其预置电流限制，并 且该控制器将使三轮组件旋转到下一个顺序预定角位置。 一旦
该冲击消失，则该控制器将新固定角度作为下一个目标，并且 立即重新开始操作，保持无损坏。
在爬升模式下，三轮组件的导轮可能冲击阶梯的竖面，而 非在梯面上滚动，从用户站在地面上开始，引拔力角度(pull
angle)发生显著变化。为了校正该角度并且使这两个导轮位于 梯阶上，控制器60使星形组件固定盘26转动到适当角位置、开 始爬升，并且利用来自角位置传感器32的反馈，改变施加于马 达30的电流/转矩，以将该固定盘相对于框架22固定在适当位 置。该适当角位置定位该导轮，以确保在爬升期间它们不影响 下一个阶梯。相反，在移动模式下，选择角位置，通过使接地 点较靠近载货手车的重心(或者预期的重心)，减小将固定盘相 对于框架固定所需的转矩，以减少马达的功率消耗并延长电池 寿命。
此外，在爬升模式下，控制器60使变力致动器在轮子的接 触点提供中等大小的制动力，例如，0—15英寸一磅的转矩，或 者0 — 4磅的驱动力，从而防止轮子自由自旋，从而有效锁住轮 子旋转。该驱动转矩增加了对梯阶施加的力的水平分量，从而 使手车"紧抱"每个梯阶的竖面。如果没有该力，则星形组件 常常仅在垂直方向施加正弦力，在用户不顶着每个下一个梯阶 的竖面拖拉单元的情况下，不提供爬升该梯阶的动力，并且如 果用户不稳定拖拉，则该单元可能跳跃阶梯、在原位跳动，或 者从该梯阶落下。
此外，控制器60使马达驱动星形组件，以在适合爬升方向旋转。当星形旋转爬梯阶时，这样锁定该轮子有助于稳定。中 等大小的制动力还允许爬升时有限大小的滑动，以当轮子接触 楼梯的梯面/竖面交接线时，使轮子绕其轴旋转，并且相关星形
继续旋转。控制器60感测该星形的转速(由速度传感器34直接 确定或者由角位置传感器32提供的数据间接确定)，然后，控制 马达，以改变星形的转速，从而使爬升基本上保持匀速。请注 意，在手车爬梯时，车10自身不试图实现平衡，而是取决于爬
梯阶的人引导手车来保证稳定性。
在一个实施例中，该车包括梯阶传感器64，正如图1B最佳 示出。每个梯阶传感器64可以是市售的红外光学距离探测器。 配置该车，以致每个梯阶传感器64均被用于测量从框架22上的 固定点到稍许位于框架后面、在开始爬升之前，很可能碰到阶 梯的位置的最近面的距离。优选配置控制器60，以便即使用户 利用开关56选择了爬升模式，如果车10实际上并没有位于梯阶 上或者接近梯阶，仍防止星形组件旋转。因此，配置控制器60， 以便即使用户利用开关56选择了爬升模式，如果梯阶传感器64 没有检测到邻近阶梯，仍防止星形组件在爬升模式下操作。
在一个实施例中，在接近地面1.5英尺的位置， 一对光学距 离探测器64安装在框架上。这两个传感器64均向下，并且测量 从固定基准点到最近面的距离。如果该距离值减小预置阈值量， 则车可能位于靠近阶梯的适当位置，并且该控制器将使该车进 入爬升模式。通过在允许以爬升模式驱动星形之前，要求两个/ 全部传感器同时确认存在邻近阶梯，使用两个或者多个传感器 减少由于用户的脚或者衣服而错误读取的可能性。
如果未检测到邻近阶梯，则该车不会为了爬升而驱动星形 组件，而是保持爬升模式，直到被最终用户取消。在传感器检测到第一个阶梯后，控制器使马达驱动星形组件，只要爬升按 钮被按下，或者在用其它方法取消爬升模式之前，车就爬升。 如果用户决定不爬梯阶，则通过暂时按下下爬按钮或者开关56 中的另一适当按钮，该车可以返回移动模式。
在下降模式下，控制器60使变力致动器80分离，并使马达 30驱动星形组件20a、 20b在适合下降的方向旋转。在该模式下， 控制器60感测星形组件20a、 20b相对于框架22的角位置，并且 促使马达30使该星形相对于框架通过该星形各角位置的三个预 定区域中的每个预定区域加速旋转。这些区域对应于不稳定区 域，在该不稳定区域，载货手车的重心常常位于向着位于下层 梯阶梯面上的导轮转轴的上楼侧。例如，每个区域可能跨越星 形各臂从离开垂直方向一10度的位置到离开垂直方向十5度的 位置的角位置。因为重量分布(weight distribution),与通 过在这些不稳定区域内转动星形而以控制方式从梯阶下爬相 比，载货手车更趋向于以不稳定方式沿梯面滚动和从梯阶下降。 因此，迅速旋转星形通过这些区域将相关不稳定性降低到最小。 这种旋转对下降速度的冲击很小，并且依然保持基本上匀速的 下降速度。
优选配置控制器60，以根据星形组件相对于框架22的绝对 转角，在楼梯井内下降期间对星形组件施加交替下爬和爬上导 向的转矩。这有助于确保导轮压紧梯面/竖面交界的内角，因此， 在为了适应任意特定楼梯井高度而未对星形组件的几何结构或 者尺寸施加限制的情况下，消除了无意识的向后旋转的可能性。 因此，优点是，允许包括三轮配置的任意星形组件配置，从而 适合下降任意竖面高度的楼梯井。
星形组件20a、 20b可以由马达30选择性地或者以顺时针方向或者以逆时针方向进行驱动。配置控制器60，以根据来自速
度传感器34和绝对角位置传感器32的反馈，改变马达功率，从 而调节爬升速度和下降速度。由于星形组件上的装载转矩是正 弦的，所以爬升转矩和下降制动以正弦图形交替，以致即使装 载转矩和马达功率是反相正弦波形，该转速仍可以基本上保持 匀速。
因此，正如预先确定的并被存储于控制器的内存中，在下 降模式下，控制器60、角位置传感器32、角速度传感器34、马 达30以及电源50配合，使固定盘26通过不稳定区域加速旋转。 这样縮短了导轮位于手车的重心之前的时长，因此，縮短了手 车保持不稳定状态的时长。
作为例子，在移动模式下，目标角度是这样的，即，当使 框架为了移动而倾斜，例如，偏离垂直方向约20 — 45度时，重 心接近位于轮子触点中心的正上方。在爬升模式下，目标角度 可以改变约5—15度，以确保导轮不接触邻近梯阶。
当爬上或者下爬梯阶时，用户可能希望使车停下，以便用 户可以上、下或者静止。配置控制器60，以致如果当车仍在爬 上或下爬梯阶时释放爬升按钮，则车肯定会停下并处于稳定角 度，直到用户准备好爬升或者下降。因此，配置该车，以在这 种情况下进入停止模式。
在停止模式下，控制器60使马达30驱动星形组件20a、 20b， 以继续旋转到由角位置传感器32提供的反馈所确定的三个预定 角位置中的一个角位置。尽管可以使固定盘26停止、并可利用 电子方法将它固定在(利用角传感器/马达反馈回路)任意要求 的角度，但是在预定位置使固定盘停止旋转，以使车的两个轮 子位于下梯面上而另外两个轮子位于下一个较高阶梯的梯面上，并且手车位于基本上竖立的位置，尤其稳定。预定位置被 定义为期望手车以稳定方式矗立在楼梯的梯阶上的位置。
请注意，即使当停止了爬升或者下爬、并且星形组件停止 旋转时，如果用户没有提供足够大的握力，则该车仍会向梯阶 下滚动。为了消除这种滚动，控制器使变力致动器80接合(并
且防止轮子28A、 28B、 28C自由自旋)，以当达到预定位置时， 提供将轮子锁定到某个位置，并防止手车滑离该梯阶梯面的非 常大的锁定力。在爬上梯阶或者下爬梯阶时，这允许手车保持 其在楼梯上的位置。
为了在水平面和楼梯井上使用车IO，用户握着手柄34，并 倾斜框架22，直到它相对于水平方向倾斜，如图2A所示。位于 突出物36上的任意负载的重量对星形组件20a、 20b的固定盘26 产生向下的力/。为了示出下爬时星形组件的取向，在图2A—F 中，分别标出三角形对称的轮子28A、 28B、 28C。如图2A所示， 当接近下面的竖面38时，车10在较高梯面39上起动。然后，导 轮28A滚过较高梯面39的拐角37，导致固定盘26绕其中心旋转、 直到轮子28A接触下面的竖面38，如图2B所示。如图2B所示，从 竖面37到26的旋转中心测得的水平距离5小于从28A的中心到竖 面37测得的距离入，力伊生绕固定盘26和轴24的顺时针方向的 力矩。由于5〈X，所以重力不发生相应位移，导致26以下爬方 向绕轮子28A中心枢轴旋转，轮子28A倾向于前向滚动，如图2E 所示，导致轮子28C突然落到梯面38上，并且导致星形组件顺时 针方向旋转，如图2F所示。
为了避免这种趋势，如果S〈X，即，当固定盘26的中心不 与轮子28A中心支枢点的左侧(图2B中)水平时，控制器使马达 30施加前向转矩Tf。由于框架22相对于水平方向保持合理固定倾角，并且角位置传感器32测量框架22与固定盘26之间形成的 夹角，所以利用传递性(transitive property),框架22可以 有效测量固定盘26相对于水平方向的取向。这样，利用来自角 传感器32的反馈，控制器可以验证条件S〈入何时成立。在施加Tf 时，固定盘26绕轮子28A的中心点逆时针方向旋转，直到S〉人， 如图2C所示。当条件5〉人成立时，力/绕轮子28A、沿固定盘26 的旋转方向产生逆时针方向的力矩。然后，控制器使马达施加 顺时针方向的反向转矩t，以降低绕轮子28A的中心旋转的固定 盘26的转速。施加反向转矩，直到26达到水平取向，如图2D所 示。角位置传感器32检验该水平取向，因而传感器32不再随时 将角位置显著变化的反馈送到控制器。轮子28A保持接触竖面 37，而轮子28B在位于下梯面上的轮子28A的前面，然而，在试 图避免的图2F所示交替情况下，轮子28C下落到接触竖面37，而 轮子28B不接触地面。完成120°的旋转后，该单元再一次处于如 图2A所示的原始取向，准备好在水平地面上移动，或者以如上 所述的相同方式，下爬另一个梯阶。
可能遇到较高梯阶竖面，如图3所示，其中竖面高度x、从 固定盘26的中心到每个轮子的中心的距离a、以及轮子半径b满 足关系式x〉b+a+l/2a-b，或者更简单地说，x〉3/2*a。在这 种情况下，下爬时不需要施加前向转矩Tf，因为条件5〉X被避免。 图4以流程图示出了如上所述单元操作过程。
该实施例的一个优点是，它便于齿轮传动马达30允许星形 组件连续旋转，直到达到轮子28A、 28B、 28C中的至少两个轮子 接触平坦面的预定位置。在不稳定位置，诸如图2C所示的仅一 个轮子保持接触平面的位置，如果用户释放表示在爬上或者下 爬时优选停止在楼梯井中途的接通开关，微处理器就准备好连续逆时针方向旋转，直至达到图2D所示的取向，随后，该控制 器使马达对星形施加顺时针方向的额定转矩，从而将星形固定 在预定位置。
请以反序，艮卩，图2D、 2C、 2B、 2A，参考示出车爬升梯阶 的各阶段。参考图2C中的星形取向，如果用户决定断开用于爬 升的开关，在马达通过施加额定顺时针方向力矩将该单元固定 在如上所述的到达位置之前，该单元继续适当顺时针方向旋转， 直到导轮28C位于如图2B所示的较高梯面上。因此，如图2B和2D
所示的两个不同取向可以提供稳定位置，即，三个轮子中的两 个轮子保持接触楼梯井面的位置。
应该注意，在选择实施例中，诸如在婴儿车实施例中，可 以对支承柱40安装一组附加轮子，支承柱40安装在框架22上， 以在非操作的位置与如图6所示的有助于水平移动的操作位置 之间枢轴旋转。该车可以装备负载测量表，该负载测量表与该 控制器通信，以根据框架上负载的变化，调节马达的输出。
在特定实施例中，该轮式车被配置成手车IO，该手车10包 括固定的或者可折叠的底部平板、可折叠的辅助上部平板以及 可拆卸的载货篮，正如图7 — 9最佳示出的。该手车的爬梯部件 与上面参考图1一6描述的爬梯部件相同。现在，参考图7，它示 出了刚性手车框架22、刚性可折叠上部平板23、平板铰链机构 40、载货蓝安装点45、以及下部平板27。更具体地说，仍参考 图7所示的典型实施例，可折叠上部平板23可以在铰链24上枢轴 旋转，并且可以平行于框架22的方向(见图9)、或者以垂直于 框架22的方向(见图7)固定该可折叠上部平板23。因此，可以 看出，为了不再碍事，可以折叠该折叠上部平板(对着框架22， 如图9所示)，以便将高负载装载在下部平板上，而不受干扰。可以利用其强度和刚性足以承载预期负载的任意材料，诸 如钢材，构造各种部件。
现在，参考图8，示出了图7和图9中的手车10具有分别支承 在上部平板23和下部平板27上的上部货篮12和下部货篮16。该 货篮可以容纳特殊形状的或者不稳定的负载，用于安全运输， 而且对于较大的负载，可以卸下它。通过将货篮的钩子安装在 框架上、并允许将货篮挂在该框架上，上部货篮12和下部货篮 16可以被轻而易举地安装到框架22上，或者从框架22上卸下。 优选地，设计下部货篮16，使其适合装配在框架22的边限内， 并且避免接触手车的任何运动部分。上部货篮和下部货篮优选 由可以满足强度要求的重量轻、抗破裂材料构成，诸如各种塑 料材料中的一种。
可以看出，双平板配置允许装载两个负载，而不必互相在 顶部堆叠。这样可以防止易碎负载破裂，并且对于难以堆叠的 负载，可以提高稳定性。
因此，在图7 — 9所示的实施例中，该手车包括平板23，该 平板23安装在框架22上，以在它靠在手车框架上的非操作位置 与它基本上垂直于手车框架以及基本上平行于手车的载货平板 27伸出的操作位置之间枢轴旋转。在该操作位置，平板可以用 于支承诸如一箱重货物的负载，而无需堆垛在位于较长平板上 的货物上。该平板可以枢轴旋转到非操作位置，以允许在下部 平板27上承载诸如高尔夫包的较大货物，而不妨碍该平板。另 外，该框架可以配置用于支承一个或者多个可拆卸货篮的安装 点，每个可拆卸货篮均可以用于分别承载货物，而无需在该平 板上互相堆垛货物。例如，下部货篮16可以承载在下部平板27 上，而大箱子可以承载在被枢轴旋转到操作位置的上部平板23上。
可选择地，根据本发明的轮式车io可以包括一对安装在框
架22上的轮罩60a、 60b，在星形组件旋转时，它们分别在适当 位置部分封闭相应星形组件20a、 20b，并且将星形组件与邻近 下部平板27和框架22的、限定的货物区域隔离，如图10最佳所不。
可选择地，轮式车10可以进一步包括支承在框架22上的伸 縮、旋转控制手柄64，如图10所示。手柄64包括安装在刚性轴 65上的人体工程学手柄件63，它既可以旋转，又可以从安装到 手车的框架上的金属管可伸縮地伸出。用户可以将手柄64调节 到要求的任何高度。然后，可以利用诸如弹簧偏压卡销机构、 夹紧装置等的传统锁定机构，锁定手柄件63和伸缩轴65，以便 进一步防止直线伸出或者縮回，而仍允许旋转发生。当爬上梯 阶或者下爬梯阶时，由于允许用户站在该单元的任何一侧，而 不必以某个不舒服的角度握着手柄，所以该旋转特性使得更容 易使用。用户接口控制线通过空心手柄件和/或者空心轴65延 伸。利用机械制动器，该手柄可以被限定到仅旋转120度，从而 防止内部导线被过度扭转或者被破坏。
因此，可以实现根据本发明的车的特征，即，通过利用采 用了磁或者其他绝对角位置传感器、控制器和主驱动马达的反 馈系统，使星形组件以确定角度相对于框架固定，例如，锁定 或者保持。不需要销钉、联杆或者其它机械锁定机构，这样降 低了发生断裂的可能性。
根据本发明特定实施例的车的另一个特征是，下降阶段可 变速、基于夹角制动。当下爬梯阶时，星形组件具有固有不稳 定的角范围/角区域。在这些区域中，在某些条件下，传统星形组件可以滑离梯阶的边缘，而非同步旋转到它们下面。根据本 发明，绝对角位置传感器检测星形组件的位置，并且当在预编 程的控制器确定的这些区域内、该控制器主动加速星形组件通 过该不稳定区域时，可以显著减小滑离该梯阶的边缘的风险。 该特征显著提髙了使用该产品的安全性和简易性，这对于三轮 星形组件尤其有用，可以令人满意地满足非专业用户的期望。
根据本发明的车的另一个特征是集成的可变接合离合器和 制动系统。该离合器可以将轮子锁定到与手车框架相同的基准 框架，或者可以允许它们自由自旋。在爬升模式或者下爬模式 下，离合器系统主要用于提供附加驱动牵引力，以推动手车爬 上梯阶，而不滑离或者在原地跳动。该离合器还用作制动器， 以将手车锁定到梯阶上，如果用户停止在爬上或下爬时的某个 位置，则这样可以减小手车滑离的可能性。该离合器是电磁的， 并且它完全由控制器控制，不需要用户控制。
另一个特征包括可拆卸载货蓝和双平板载货系统。所有星 形组件设计都必须防止负载碰撞或者缠住旋转的轮子组件。根 据本发明，该车可以包括轮子保护罩和装配在两个星形组件之 间的载货蓝，确保适当分离。这些货篮可以用于装载杂货、要 洗的衣物或者任意其它典型家庭用品。在将上部平板折叠起来， 不再碍事的情况下，双平板系统允许将细高负载装载在下部平 板上，而宽的负载只能装载在上部平板上，以确保该负载离开 旋转的轮子组件。
尽管在此描述了本发明原理，但是本技术领域内的技术人 员明白，仅作为例子进行该描述，而并不限制本发明的范围。 因此，所附权利要求书意在包括落入本发明实质范围内的本发 明的所有修改。
权利要求
1.一种爬梯轮式车，包括刚性框架，支承转轴；一对星形组件，可旋转地支承在所述轴的相对两端的相邻处，所述一对星形组件中的每个星形组件支承多个转轮，所述多个转轮被连接以同步旋转；角位置传感器，支承在所述框架上的适当位置，以测量所述一对星形组件中的一个星形组件相对于所述框架的角位置；以及电动马达，支承在所述框架上，并且被可操作地连接，以驱动所述一对星形组件旋转；电源，支承在所述框架上，被可操作地连接到所述电动马达；以及控制器，支承在所述框架上，并且被可操作地连接到所述角位置传感器和所述电源，以使所述电动马达对所述一对星形组件施加变化的转矩，从而根据从所述角位置传感器收到的输入，使所述一对星形组件保持在所选择的相对于所述框架的所述星形组件角位置。
2. 根据权利要求l所述的车，进一步包括 角速度传感器，被配置成测量所述轴的旋转角速度，所述角速度传感器被可操作地连接到所述控制器，所述控制器被配 置成从所述角速度传感器接收输入，并且对所述一对星形组件 施加变化转矩，以使所述车以基本上匀速转速沿梯阶下爬。
3. 根据权利要求l所述的车，迸一步包括 光学传感器，支承在所述框架上，所述光学传感器被可操作地连接到所述控制器，所述控制器被配置成从所述光学传感器接收输入，并且仅当所述光学传感器检测到邻近梯阶时，使 所述马达驱动所述一对星形组件旋转。
4. 根据权利要求l所述的车，进一步包括一对光学传感器，支承在所述框架上，所述一对光学传感 器被可操作地连接到所述控制器，所述控制器被配置成从所述 光学传感器对接收输入，并且仅当两个所述光学传感器同时检 测到邻近梯阶时，使所述马达驱动所述一对星形组件旋转。
5. 根据权利要求l所述的车，进一步包括 变力致动器，可以由从所述控制器收到的控制信号操作，以选择性地使离合器接合和分离，该离合器可以被操作以利用 机械方式将所述星形组件的所述轮子连接到所述马达。
6. 根据权利要求l所述的车，进一步包括多个控制开关，可以被用户操作，所述多个控制开关可以 被用户选择，以选择所述车的工作模式，所述控制器存储每种 工作模式的微处理器可执行指令，所述指令提供根据从所述角 位置传感器收到的输入的、用于控制所述马达的指令。
7. 根据权利要求6所述的车，其中可以操作所述多个控制 开关、以选择移动模式，所述控制器存储用于识别对应于所述 移动模式的预定角位置的数据，所述控制器控制所述马达以使 所述星形组件旋转到所述预定角位置中的一个预定角位置来响 应对移动模式的选择，并且使所述星形组件保持在所述预定角 位置中的所述一个预定角位置。
8. 根据权利要求6所述的车，其中可以操作所述多个控制开关以选择爬升模式，所述控制器存储用于识别对应于所述爬 升模式的预定角位置的数据，所述控制器控制所述马达以使所 述星形组件旋转到所述预定角位置中的一个预定角位置来响应对爬升模式的选择，并且使所述星形组件保持在所述预定角位 置中的所述一个预定角位置。
9. 根据权利要求8所述的车，其中所述控制器控制所述变 力致动器以使离合器接合，从而利用机械方式将所述马达连接 到所述星形组件的所述轮子。
10. 根据权利要求6所述的车，其中可以操作所述多个控制开关，以选择停止模式，所述控制器存储用于识别对应于所 述停止模式的预定角位置的数据，所述控制器控制所述马达以 使所述星形组件旋转到所述预定角位置中的一个预定角位置来 响应对停止模式的选择，并且使所述星形组件保持在所述预定 角位置中的所述一个预定角位置。
11. 根据权利要求6所述的车，其中可以操作所述多个控 制开关，以选择下爬模式，所述控制器存储用于识别对应于所 述下爬模式的预定角位置的数据，所述控制器控制所述马达以 使所述星形组件旋转到所述预定角位置中的一个预定角位置来 响应对停止模式的选择，并且使所述星形组件保持在所述预定 角位置中的所述一个预定角位置。
12. 根据权利要求ll所述的车，其中所述控制器控制所述 变力致动器以使离合器分离，从而利用机械方法使所述马达与 所述星形组件的所述轮子断开，所述控制器进一步存储识别对 应于所述下爬模式的预定不稳定角范围的数据，所述控制器控 制同一个马达使所述星形组件加速旋转通过所述预定不稳定角 范围，从而响应对下爬模式的选择。
13. 根据权利要求ll所述的车，其中所述控制器控制所述 马达和所述变力致动器以使所述马达在爬上方向对所述一对星 形组件施加转矩，从而响应对下爬模式的选择。
14. 根据权利要求l所述的车，进一步包括支承柱，用于支承转轮，所述支承柱可枢轴旋转到操作位 置，在该操作位置，所述转轮接触地面，并且与所述星形组件 的轮子配合，将所述车支承在直立位置。
15. 根据权利要求l所述的车，进一步包括 下部主平板，支承在所述框架上的适当位置，用于承载负载；以及上部辅助平板，支承在所述突出物上方的所述框架上的适 当位置，用于承载第二负载，所述辅助平板安装在该框架上以 在非操作位置和操作用位置之间枢轴旋转，其中所述非操作位 置邻近所述框架，而当所述辅助平板处于所述操作用位置时所 述辅助平板基本上垂直于所述框架延伸。
16. 根据权利要求l所述的车，进一步包括 货篮，可拆卸地支承在所述框架上。
17. 根据权利要求l所述的车，进一步包括 一对轮罩，支承在该框架上的适当位置，以便在星形组件绕所述轴旋转期间，至少部分地封闭各自的星形组件。
18. 根据权利要求6所述的车，进一步包括手柄件，支承在所述框架上，所述手柄件被支承在伸縮轴 上，该伸縮轴可以绕其纵轴旋转，所述多个控制开关安装在所 述手柄件上。
19. 一种爬梯轮式车的操作方法，所述方法包括 提供轮式车，该轮式车包括刚性框架，支承可旋转的轴；一对星形组件，可旋转地支承在所述轴的相对两端的 相邻处，所述一对星形组件中的每个星形组件支承多个转轮，所述多个转轮被连接以同步旋转；角位置传感器，支承在所述框架上的适当位置，以测 量所述一对星形组件中的一个星形组件相对于所述框架的角位 置；以及电动马达，支承在所述框架上，并且被可操作地连接， 以驱动所述一对星形组件旋转；电源，支承在所述框架上，被可操作地连接到所述电 动马达；以及控制器，支承在所述框架上，并且被可操作地连接到 所述角位置传感器和所述电源；操作所述角位置传感器，以重复测量所述一对星形组件中 的一个星形组件的相对于所述框架的角位置；以及根据所述角位置传感器所做的测量，控制所述电动马达， 以对所述一对星形组件施加变化的转矩，从而使所述一对星形 组件保持在所选择的相对于所述框架的角位置。
20. —种爬梯轮式车的操作方法，所述方法包括 提供轮式车，该轮式车包括刚性框架，支承可旋转的轴；一对星形组件，可旋转地支承在所述轴的相对两端的 相邻处，所述一对星形组件中的每个星形组件支承多个转轮， 所述多个转轮被连接以同步旋转；角位置传感器，支承在所述框架上的位置，以测量所 述一对星形组件中的一个星形组件相对于所述框架的角位置； 以及电动马达，支承在所述框架上，并且被可操作地连接， 以驱动所述一对星形组件旋转；电源，支承在所述框架上，被可操作地连接到所述电动马达；多个控制开关，可以被用户操作，所述多个控制开关可以被用户选择，以选择所述车的工作模式；控制器，支承在所述框架上，并且被可操作地连接到所述角位置传感器和所述电源，所述控制器存储一组用于多种工作模式中的每种工作模式的微处理器可执行指令，每组指令提供用于控制所述马达的指令；接收用户通过操作所述多个控制开关选择的工作模式； 操作所述角位置传感器，以重复测量所述一对星形组件中的一个星形组件的相对于所述框架的角位置；以及根据所述用户选择所述模式的所述指令组的规定，控制所述电动马达，以对所述一对星形组件施加变化的转矩，从而使所述一对星形组件旋转。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中所述一组指令组保证使所述星形组件旋转到预定角位置，所述控制器根据所述角 位置传感器所做的测量控制所述马达。
22. 根据权利要求20所述的方法，其中接收用户选择工作模式包括接收用户选择下爬模式，并且其中所述一组指令提供 使所述控制器加速旋转所述星形组件通过预定不稳定角范围的 指令。
全文摘要
轮式车包括用于爬上梯阶和下爬梯阶的电源驱动星形组件。该车包括角位置传感器，它将输入送到控制器，可以操作该控制器，以控制伺服马达，从而有效锁定该星形相对于该框架的位置，而无需考虑该手车相对于垂直面的空间取向、或者该手车的平衡。该角位置传感器将输入送到该控制器，该控制器设定了预定不稳定角区域，并且当轮式车处于下爬模式时，控制器使该星形加速旋转通过这些区域，从而避免该手车不稳定。手车可以包括可拆卸货篮和/或者用于输送负载的可枢轴旋转的平板。
文档编号B62B9/00GK101622169SQ200880006386
公开日2010年1月6日 申请日期2008年2月12日 优先权日2007年2月12日
发明者史提芬·加马拉, 米高·杨, 约瑟·沙罗汉 申请人:斯甘有限责任公司