两轮陀螺稳定车辆及用于控制这样的车辆的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种设计用于运输人或货物的车辆，尤其设及一种两轮巧螺稳定车辆 W及用于运类车辆的平衡和转向的方法。
【背景技术】
[0002] 行人常常使用不同的单轴两轮车辆来帮助他们运输。然而，运些车辆具有多种缺 点，例如尺寸大，侧向稳定性不够，而对于运类车辆的转向，使用者通常需要使用两只手并 且培养一定程度的技巧，W便能够保持平衡。
[0003] 存在不同的与大量行走相关的人类活动(例如，服务员、销售者、购物者、博物馆工 作人员、办公室职工、机场工作人员、仓库工作人员等），在运些活动中，允许使用者在不使 用手的情况下进行转向的、紧凑并且合理利用的车辆将极其有益于运类人并且使其腾出手 来做更多事。此外，存在一大群运动功能受限的人，采用能够帮助他们容易地四处移动的设 备能够使他们的生活更容易。
[0004] 最后，运类设备可被用作用于多种类型的自动设备(例如机器人）的底盘，其中运 类设备需要能够在小空间中四处移动。
[0005] 现有技术中已经知道用于移动人或货物的多种两轮车辆W及它们相应的控制方 法。
[0006] 美国专利7717200号的说明书公开了一种车辆，其包含车身和两个车轮。车辆还包 含支撑骑车者的腿的踏脚支承件、转向手柄和悬挂，该悬挂将车轮连接至车身并且被放置 在所述踏脚支承件的下面。悬挂包含平行连杆机构，平行连杆机构带有布置在平行连杆之 间的弹性元件，W便生成应用到车身的弹黃力，从而保持所述脚踏板与所述车身平行。为了 稳定车辆，骑车者使用安装在车辆的车身上的转向手柄，通过侧向移动手柄能够使车辆的 车身向一侧倾斜。车辆的稳定性由宽的轮距额外地提供。所述车辆的转向和平衡要求特殊 的技巧，并且骑车者不能够在不使用手的情况下使用它。
[0007] 此外，美国专利7370713号的说明书公开了一种同轴两轮车辆。车辆的侧向稳定性 由宽的轮距提供，而转向由安装在车辆的底座上的转向手柄的旋转提供。车辆具有大的总 体尺寸，要求在骑车期间使用者的手与手柄之间的持续相互作用，并且也不允许在不使用 手的情况下操作。
[000引此外，俄罗斯专利2333862号的说明书公开了一种用于运载负载的车辆。车辆包含 车身、平台W及对平台进行支承的车轮。车辆还包含安装在车身上的移动的质量体和巧螺 仪，W便稳定车辆。巧螺仪安装在平台上，从而巧螺仪转子的旋转轴线是竖直的。车辆的稳 定性由安装在平台上的飞轮额外地提供。因此，车辆的稳定性由许多使车辆的机构变复杂 的设备提供。
[0009]因此，需要一种带有同轴车轮的两轮车辆，其具有简单的结构，可W采用简单的方 式进行稳定和转向，并且具有小的总体尺寸。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种两轮车辆，其没有上述缺点并且特别地具有小的侧向尺 寸，从而它能够在紧凑的空间、室内中使用，并且同时是侧向稳定的。
[0011] 可通过文中要求保护的两轮巧螺稳定车辆来满足运些目的。车辆包含车身、两个 车轮、支承结构件、两个车轮马达和巧螺仪，其中支承结构件连接车身和车轮，每个车轮马 达均连接至相应的车轮，巧螺仪包含巧螺仪转子和巧螺仪框架，其中可旋转的巧螺仪框架 安装在车身上。车辆还包含安装在车身上的至少一个角度传感器，W便检测巧螺仪框架相 对于车身的旋转。车辆具有W下特征:支承结构件适于使车轮关于彼此且关于车身独立移 动，并且控制系统还适于将扭矩施加到巧螺仪框架。
[0012] 根据本发明的车辆具有小的侧向尺寸，因此车辆可在有限的空间中使用。车辆由 于巧螺扭矩而在侧向方向上是稳定的，并且通过转动车辆车身W跟随巧螺仪框架的旋转来 实现长期稳定。也通过使车轮关于彼此和关于车身移动来提供车辆的稳定性，因此车轮可 保持与地面接触，并且尽管地面不平坦，车辆也可围绕其旋转轴线转动。此外，由于车轮关 于车身的独立运动，不会有不希望的（侧倾)力矩被施加于车身并且不会发生不希望的车身 的旋转。
[0013] 此外，文中要求保护的是一种用于运载骑车者的两轮巧螺稳定车辆，其带有用于 骑车者的腿的踏脚支承件。车辆具有小的侧向尺寸，因此，车辆可放置在骑车者的腿之间。 车辆在侧向方向上是稳定的，并且可通过在转向期间倾斜骑车者的质屯、而手保持空闲来W 简单的方式进行转向。踏脚支承件可配备有额外的用于快速改变车辆运动方向的控制装 置。为了使车辆对于骑车者来说更方便，车辆可配备有容纳骑车者的座位W及为骑车者提 供额外支承的手柄。
[0014] 此外，文中要求保护的是一种用于运载负载的两轮巧螺稳定车辆。车辆包含用于 运载负载的平台并且车辆可被用作机器人的底盘。车辆具有小的侧向尺寸，因此它可用来 在有限的空间中运输货物或负载。由于高的稳定性，车辆提供安全的运输。用于运载负载的 平台也可W包含用于将负载附接到车辆的装置。
[0015] 通过实施用于控制根据本发明的车辆的方法来实现车辆的侧向稳定性。方法包含 在施加干扰力时测量巧螺仪框架相对于车身的旋转角度的步骤，W及改变车轮的旋转速度 差值W适应所述旋转角度的步骤。因此，在不使用额外的装置的情况下，车辆在干扰力施加 期间可W是侧向稳定的。角度传感器持续测量巧螺仪框架相对于车身的旋转，因此可W及 时地将信号发送到控制系统，并且可W及时地改变车轮的速度W跟随巧螺仪框架的旋转使 车辆车身转动，并且因此保持巧螺仪的稳定作用。
[0016] 根据本发明的车辆的方向控制可W由文中要求保护的控制方法提供。方法包含步 骤:将侧倾控制力施加到车身，测量巧螺仪框架相对于车身的旋转角度，W及根据旋转角度 改变车轮的旋转速度差值W控制车辆运动的方向。
[0017] 方法可用来提供简单有效的方式来使车辆转向。
[0018] 特别地，通过测量巧螺仪框架W及巧螺仪转子(与巧螺仪连接)的旋转轴线从巧螺 仪转子的旋转轴线垂直于第二竖直平面的位置的偏转角，来提供螺仪框架的旋转角度的测 量，并且依靠例如控制负载的运动(在运载负载的车辆的情况下)或依靠使骑车者的质屯、倾 斜(在用于运载骑车者的车辆的情况下)来将侧倾控制力施加到车身。
【附图说明】
[0019] 下面是参照所附附图对本发明的优选实施例的详细描述，其中：
[0020] 图1示出了根据本发明的车辆的工作面、点、轴和角的安排；
[0021] 图2是根据本发明的一个实施例的车辆的前方侧视图；
[0022] 图3是图2示出的车辆的后方侧视图，其中为清楚起见未示出左车轮；
[0023] 图4是根据支承结构件的一个实施例示出了的支承结构件在车辆匀速直线地移动 时的局部视图；
[0024] 图5是示出了当车辆社过障碍物时图4中支承结构件的位置的局部视图；
[0025] 图6是当车辆社过障碍物时的支承结构件操作的示意图；
[0026] 图7是根据本发明的另一实施例的车辆的前方侧视图；
[0027] 图8是图7中示出的车辆的后方侧视图，其中为清楚起见未示出左车轮；
[0028] 图9是当车辆社过障碍物时支承结构件操作的图示；
[0029] 图10是实施本发明中公开的控制方法时的力和扭矩作用的示意图；
[0030] 图11是公开的车辆的控制系统的示意图；
[0031] 图12是通过使车辆车身倾斜来实施本发明中公开的方向控制方法时的力和扭矩 作用的示意图；
[0032] 图13是根据一个实施例的用于运载骑车者的车辆的前方侧视图；
[0033] 图14示出了图13中示出的车辆的踏脚支承件到车轮轴的固定的连接；
[0034] 图15是根据另一实施例的用于运载骑车者的车辆的前方侧视图；
[0035] 图16示出了图15中示出的车辆的踏脚支承件到其车身的可移动的连接；
[0036] 图17是示出了根据另一实施例的用于运载骑车者的车辆的前方侧视图；
[0037] 图18是根据另一实施例的用于运载负载的车辆的前方侧视图；
[0038] 图19是图18中示出的车辆的后视图，其中未显示用于运载负载的平台；
[0039] 图20是用于控制图19中示出的用于运载负载的车辆的控制系统的示意图。
【具体实施方式】
[0040] 在描述优选的实施例的结构之前，为了便于理解公开的发明的结构特征，将阐述 某些几何术语;将在下文中引用所述术语。
[0041] 在图中，车辆的相同结构元件用相同的附图标记指示。
[0042] 图1示出了根据本发明的车辆在其匀速直线运动期间的车辆位置中的工作面、点 和角的安排。车辆车轮的旋转轴线AB和CD位于第一竖直(横向或侧)平面(y-z)中，第二竖直 (纵向）平面(X-Z)在垂直于第一竖直平面的方向上穿过质屯、G。垂直于所述竖直面的第Ξ平 面是水平支承平面(x-y)，车辆沿着第Ξ平面移动。圆Wr、Wi是车轮的简化图示，点R和L分别 是左车轮和右车轮与水平支承面(x-y)的接触点。轴线ω Φ是车辆偏航轴线，轴线ω γ是车轮 侧倾轴线，轴线ωθ是车辆俯仰轴线，角Φ、