專利名稱：輪式爬梯車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及輪式爬梯車，本發(fā)明更特別地涉及一種 諸如手車的星形驅動電動輪式爬梯車，它具有微處理器控制固 定星形模式，從而有助于使車平衡和機動動作。
背景技術：
爬梯手車、輪椅以及其它輪式車(統(tǒng)稱為車)己知存在 一個多世紀了，但是能爬梯的電動車是最近出現(xiàn)的新事物。許 多這種車復雜、昂貴并且費力。
為了構造基于星形，或者輪上輪式(wheel-overiheel) 設計的爬梯車，做了許多嘗試。三輪星形組件非常適合爬梯， 當在平坦地面上使用時，它們存在基本的操控問題。由于一對 三輪星形組件自然有四個輪子(每個星形中的兩個)接觸地面， 所以更難以使車轉彎，并且要求轉彎半徑比傳統(tǒng)手車的轉彎半 徑大得多，傳統(tǒng)手車僅有兩個輪子接觸地面。
有多種方法可以解決該問題。 一種簡單方法是，包括手動 操作機構，該手動操作機構利用機械方法將星形鎖定在適當位 置，以致在滾動移動時，只有兩個輪子(每個星形組件上一個 輪子)觸地。例如，各種鏈輪機構已經(jīng)用于實現(xiàn)雙輪鎖定，但是它們顯著增加了車的成本和重量。鏈條也非常緊，并且如果 發(fā)生故障，可能產(chǎn)生可靠性或者安全性隱患。
基于機械銷釘?shù)南到y(tǒng)要求三輪組件旋轉到精確角度，在該 位置插入鎖定銷釘，以允許該單元被手動傾斜于兩個輪子上的 角度將該組件鎖定。采用該機械銷釘方法的主要問題是強度和 復雜性。該三輪組件必須精確對準、然后插入銷釘，如果用戶 不做大量努力，這可能難以實現(xiàn)。在有負載的情況下，也難以 拉回該銷釘、轉變?yōu)榕捞菽Ｊ?。與利用鏈輪方法相同，各部件 也承受相當大的機械應力，因此，較重。
兩種設計都采用剛性鎖定系統(tǒng)，這樣，它們也不能承受振 動和沖擊。例如，當在路緣及其它坑洼的路上滾動時，手車感 受到振動是比較常見的。鏈條或者銷釘鎖容易感受到比平均靜 態(tài)應力高5倍或者5倍以上的峰值應力，必須設計該零件以承受 該峰值應力，這就增加了重量和生產(chǎn)成本。
載人輪椅采用的復雜方法涉及包括馬達、傳感器，并且對 兩個輪子(每個星形組件上一個輪子)執(zhí)行基于反饋的控制， 以使輪椅自身相對于垂直基準面自動平衡。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種輪式車，包括剛性框架，支承轉軸；
以及一對星形組件，可旋轉地支承在所述軸的相對兩端的相鄰 處。該一對星形組件中的每個星形組件支承多個轉輪，所述多 個轉輪被連接以同步旋轉。該車進一步包括角位置傳感器，它 支承在該框架上的位置，以測量該一對星形組件中的一個星形 組件相對于該框架的角位置。該車進一步包括電動馬達和電源， 它們支承在該框架上，并且被可操作地連接，以驅動該一對星形組件旋轉。該車進一步包括控制器，它支承在該框架上，并 且被可操作地連接到該角位置傳感器和該電源，以使該電動馬 達對該一對星形組件施加變化的轉矩，從而根據(jù)從該角位置傳 感器收到的輸入，使它們相對于該框架保持所選擇的角位置。 因此，該車將星形組件以相對于該框架的幾個不同目標角度中 的任何一個角度，在校正變型條件下，"固定"、或者鎖定或者 保持。因此，該車包括反饋系統(tǒng)，該反饋系統(tǒng)包括磁或者其它 絕對角位置傳感器、預先配置了適當指令的基于微處理器的控 制器以及主驅動馬達。
當下爬梯階時，該星形組件具有固有不穩(wěn)定的角范圍/區(qū) 域。在這些區(qū)域內，在特定條件下，傳統(tǒng)星形組件可能從梯階 的邊緣滑離，而非同步旋轉到它們下面。在特定實施例中，根 據(jù)該星形組件的三輪或者其它配置，該控制器存儲用于識別對 應于這種區(qū)域的角位置范圍的指令，而該角位置傳感器檢測該 星形組件的位置。在這種實施例中，該控制器可以主動加速該 星形組件通過該不穩(wěn)定區(qū)域，這樣顯著降低了從該梯階的邊緣 滑離的風險。該特征極大提高了該產(chǎn)品使用的安全性和舒適度， 并且，對于促使三輪星形組件滿足非職業(yè)用戶的使用要求，特 別有用。
該車可以包括可變接合離合器和制動系統(tǒng)。該離合器可以 將輪子鎖定到與手車框架相同的基準框架，或者可以允許它們 自由自旋。在爬升模式或者下爬模式下，該離合器系統(tǒng)主要用 于提供附加驅動牽引力，以使該手車爬上梯階，而不滑離或者 在原地跳動。該離合器還可以用作制動器，以將手車鎖定到梯 階上，如果在爬上或者下爬期間，用戶停在某個位置，則這樣 可以減小它發(fā)生滑離的可能性。該離合器是電磁的、并完全由控制器控制，不需要用戶控制。
任選地，該車可以被配置為手車，并且進一步包括可拆卸 裝貨籃和雙平板載貨系統(tǒng)。該車可以進一步包括輪子保護罩以 及可旋轉的伸縮手柄。


現(xiàn)在，將參考附圖，利用例子，描述本發(fā)明，其中 圖1A和1B是根據(jù)本發(fā)明的典型車的等角圖1C和1D是圖1所示車的后視圖和等角圖，為了清楚示出， 在卸下選擇的外殼和部件的情況下，示出它們；
圖2A—2F是在樓梯井內下降期間示出的圖1所示車的連續(xù) 步驟的原理圖3示出在陡峭樓梯井上示出的圖l所示車的側面原理圖4是圖1所示車的操作流程圖5是在雙接觸點配置中，水平移動情況下示出的圖l所示
車的側視圖6示出具有支柱的車的變換實施例的側視圖7是根據(jù)本發(fā)明包括兩個典型載貨板的車的又一個變換 實施例的透視圖8是根據(jù)本發(fā)明示出支承典型載貨籃的圖7所示車的透視
圖9是圖7所示車的透視圖，它示出根據(jù)本發(fā)明處于不能操 作位置的上部平板；
圖10是與圖7所示車類似的車的透視圖，它示出根據(jù)本發(fā)明 的變換實施例的伸縮手柄-，
圖ll是根據(jù)本發(fā)明的輪式裝置的各種部件的原理圖；以及圖12是示出典型輪式車的各種部件的原理方框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明一般地涉及輪式爬梯車，本發(fā)明更特別地涉及一種 星形驅動電動輪式爬梯車，它具有微處理器控制的固定星形模 式，從而有助于使車手動平衡和機動動作。本發(fā)明可以應用于 手車、行李車、童車以及其它輪式車。根據(jù)本發(fā)明的輪式車包 括傳感器、電動馬達以及用于根據(jù)從傳感器收到的輸入控制 該馬達的控制器，以提供固定星形模式，從而有助于使車手動 平衡和機動動作。與許多機械設計不同，本發(fā)明的方法基本上 是電子方法，而無需顯著增加部件或者生產(chǎn)成本，并且可以避 免最終用戶操作復雜。
為了說明問題，下面將結合典型手車式車，討論本發(fā)明，
圖1A—1D示出該典型手車式車。從圖1A—1D可以看出，該手車 包括用于支承轉軸24的剛性框架22。該框架支承一種典型傳統(tǒng) 手車的承載突出物或者平板36、以及用戶手柄34。軸24的對稱 固定的相鄰兩端是星形組件20a、 20b，在星式結構中，它們分 別具有固定盤26等距支承轉輪28A、 28B、 28C。齒輪傳動馬達30 和電池50支承在框架22上。馬達30與電池50可操作地連接，并 且馬達30通過齒輪組40可操作地連接到軸24 (圖1C)，馬達30 可以施加轉矩，以使星形組件20a、 20b繞軸24的軸線順時針和 逆時針轉動，而框架22保持固定。
車10包括基于微處理器的控制器60，配置該控制器60，以
從下面討論的各種傳感器接收輸入，并且根據(jù)收到的輸入，控 制馬達驅動軸的操作，如圖1C、 1D和12所示。例如，該控制器 60包括根據(jù)本發(fā)明存儲軟件(微處理器可執(zhí)行指令)的內存，用以根據(jù)從如下所述的傳感器收到的輸入，動態(tài)改變送到該馬 達的電流。
例如，利用固定的而與每個輪子28A、 28B、 28C —起轉動的、 并且由雙側定時帶72連接的齒輪70，可操作地連接每個星形組 件20a、 20b的輪子，以實現(xiàn)同步轉動，如圖1D和11所示?？辙D 皮帶輪74限制帶72，以使帶72保持在固定盤(hub)26的軌跡內。 帶72接合由控制器60控制選擇性接合的離合器80，使輪子28A、 28B、 28C由馬達30驅動、以同步轉動，或者分離，允許輪子同 步自由轉動。
車10進一步包括諸如電磁離合器的變力致動器80，它提供 可變制動力，以使輪子28A、 28B、 28C繞其相應軸旋轉。變力致 動器80可操作地連接到控制器60，該控制器60對由電源供給的 電流進行控制，并由此控制所施加的制動力的量值。請參考圖 11和12。在一個實施例中，電磁離合器80包括通過控制器60由
脈寬調制電路控制器供電的線圈，可以設置可變大小的滑轉扭 矩?；D程度非常重要，因為當達到最大扭矩值時，應該允許 離合器滑動，這樣降低了過載或者損壞的概率。
正如圖1C和11最佳示出的那樣，離合器80包括兩個主要部 件固定電磁盤66和轉動致動盤68。電磁板66固定在框架22上， 而轉動致動板68支承在主軸24上，以致它可以相對于主軸24自 由旋轉?？梢圆僮骺蓜与x合器盤，以利用可變滑轉扭矩，將中 心驅動皮帶輪"鎖定"到框架22。通過在控制器60的控制下改 變對電磁盤66施加的電壓，產(chǎn)生變力。轉動盤68集成在定時皮 帶輪和皮帶系統(tǒng)上，以致它與位于每個星形組件20a、 20b上的 輪子28A、 28B、 28C同步轉動，正如圖11中最佳示出的那樣。當 接合時，離合器80在相對于輪子固定的轉動盤68 (可以相對于軸24轉動)與固定在該框架上的固定盤66之間施加可變轉矩。 離合器80利用變力將中心皮帶輪鎖定到框架22上。當輪子和星 形固定盤26繞鎖定的中心皮帶輪旋轉時，輪子28A、 28B、 28C 被驅動、相對于框架22旋轉，同時，通過主軸24驅動固定盤26， 它們以轉弧方式移動。因此，使輪子相對于框架22轉動，而星 形組件20a、 20b繞它們轉動，從而產(chǎn)生凈向前驅動力，該凈向 前驅動力使車10與梯階的基底形成接合關系，而不是使它在原 位落下或者彈起。當星形組件的輪子接觸下一個梯階的豎面時， 該車不再被進一步驅動到該梯階，并且離合器80滑動，以限制 對皮帶輪系統(tǒng)施加的轉矩。
根據(jù)本發(fā)明，車10進一步包括角位置傳感器32 (見圖1C)， 安裝該角位置傳感器32，以感測框架32與星形組件20a (例如， 固定盤26上的基準部分)之間形成的夾角。作為例子，絕對光 學編碼器或者絕對磁旋轉編碼器可以用作角位置傳感器32。安 裝該角位置傳感器32,以感測星形相對于框架22的剩余部分的 角位置，并將該角位置反饋到控制器60。作為例子，可以將該 角位置傳感器32固定安裝在軸24上的適當位置，以在它旋轉時 讀取固定盤26的標記。作為一種選擇，本技術領域內的技術人 員明白，傳感器32可以被集成在齒輪組40上。
任選地，車10進一步包括諸如增量光學傳感器的角速度傳 感器34 (見圖1C和12)。該角速度傳感器34安裝在框架22上(或 者軸24上)，以感測軸24旋轉的角速度(并因此感測固定盤26 的角速度)，并將它反饋到控制器60，該控制器60可以控制馬達 的驅動軸的操作，正如下面更詳細描述的那樣。作為例子，增 量光學編碼器34可以安裝在主軸24上，也可以安裝在例如位于 齒輪組40之前的馬達的軸上。與角位置傳感器始終測量變化相比，該增量光學編碼器34提供更快速的速度響應測量值。
車10進一步包括用戶操作開關56，它安裝在手柄34上，如 圖1A所示。用戶可以操作開關56，以在手車的爬升操作模式、 下降操作模式、移動操作模式和停止操作模式中進行選擇，每 種操作模式分別對控制器提供輸入，并且對控制器如何控制馬 達等進行調節(jié)。在一個實施例中，移動模式是通過操作主電源 開關自動選擇的，而停止模式是通過關閉爬升模式或者下降模 式自動選擇的。爬升模式和下降模式開關可以是瞬時作用彈簧 (momentary spring)類型的，因此，如果用戶釋放手柄34或 者釋放開關56之一，則星形組件的全部自動操作均停止。
對控制器60編程，以對手車在各種模式下的操作進行控制。 更具體地說，配置控制器60，以根據(jù)從角位置傳感器32、速度 傳感器34、光學傳感器64以及開關56中的一個或者多個收到的 輸入，根據(jù)存儲在基于微處理器的控制器60的內存內的微處理 器可執(zhí)行指令，對從電源50送到電動馬達30的電流進行控制。 見圖1C和12。對各種操作模式提供不同指令。
移動模式用于在基本上平坦的地板等上移動行李等，在這 種模式下，控制器60使變力致動器(電磁離合器)分離，從而 允許輪子28A、 28B、 28C自由旋轉。控制器60從角位置傳感器32 接收數(shù)據(jù)，并且使馬達將星形組件(固定盤26)相對于框架轉 動到幾個(對于被分開約120度的三輪星形組件，是3個)預定 角位置之一，然后，將該星形組件固定在所選擇的角位置。該 角位置是這樣的角位置，即，在框架22處于基本上直立位置， 四個輪子(每個星形組件兩個輪子)位于地面上的情況下，車 靜止。當使框架22傾斜以通過水平面時，星形組件固定盤26和 框架22傾斜為一個固定單元，固定盤26與框架22之間的夾角被固定，在該位置，僅定位兩個輪子(每個星形上一個輪子)在
手車滾動移動時接觸地板?？刂破?0從角位置傳感器32連續(xù)接 收角位置數(shù)據(jù)作為反饋，并且通過改變從電源送到馬達的電流， 控制馬達30，將固定盤26固定在所選擇的角位置，例如，在星 形與框架之間保持預定角關系，而不考慮框架/手車相對于地板 或者垂直面的位置或者取向。
更具體地說，控制器60利用角位置傳感器32確定固定盤26 與框架22之間的當前夾角，并且將目標角度設置為幾個可接受 位置(每個對應于三輪組件的每個輪子的位置)中最近的那個。 通過雙向脈寬調制(PWM)主動控制馬達30，以保持目標角度。 該控制器利用比例積分微分(PID)控制回路使星形組件固定盤 保持穩(wěn)定角位置。為了防止突然移動或者跳動，使用逐漸上升 的功率。因此，固定盤26和框架22的相對角位置基本上保持不 變，框架和固定盤作為一個單元傾斜，并且固定盤相對于框架 是"固定的"。因此，該單元的回轉半徑被顯著減小，可以轉過 小轉角。然后，在爬升和下降之前，可以使鎖定機構分離，從 而允許星形輪自由旋轉，如圖2A所示。
因此，不考慮手車相對于垂直面的空間取向/傾斜等，該控 制器、角位置傳感器、馬達和電源配合，以在固定模式下，使 固定盤26相對于框架22保持固定角位置。
可以想象，該控制器的電控馬達得以保持這種稍許彈性"固 定"關系的優(yōu)點是，沒有利用機械方法連接固定盤和框架的剛 性機構。根據(jù)本發(fā)明，對固定盤產(chǎn)生的沖擊和轉矩主要對馬達 的電磁場產(chǎn)生影響，馬達的電磁場不是易破裂的機械部件。因 此，控制系統(tǒng)起電子振動吸收器的作用，并且在沖擊時允許三 輪組件移動幾度，以減小對動力系產(chǎn)生的應力。在一個實施例中，該控制器設置了預置電流限制，以致如果該固定盤承受超 過預定閾值的特別大的沖擊，則馬達瞬斷其預置電流限制，并 且該控制器將使三輪組件旋轉到下一個順序預定角位置。 一旦
該沖擊消失，則該控制器將新固定角度作為下一個目標，并且 立即重新開始操作，保持無損壞。
在爬升模式下，三輪組件的導輪可能沖擊階梯的豎面，而 非在梯面上滾動，從用戶站在地面上開始，引拔力角度(pull
angle)發(fā)生顯著變化。為了校正該角度并且使這兩個導輪位于 梯階上，控制器60使星形組件固定盤26轉動到適當角位置、開 始爬升，并且利用來自角位置傳感器32的反饋，改變施加于馬 達30的電流/轉矩，以將該固定盤相對于框架22固定在適當位 置。該適當角位置定位該導輪，以確保在爬升期間它們不影響 下一個階梯。相反，在移動模式下，選擇角位置，通過使接地 點較靠近載貨手車的重心(或者預期的重心)，減小將固定盤相 對于框架固定所需的轉矩，以減少馬達的功率消耗并延長電池 壽命。
此外，在爬升模式下，控制器60使變力致動器在輪子的接 觸點提供中等大小的制動力，例如，0—15英寸一磅的轉矩，或 者0 — 4磅的驅動力，從而防止輪子自由自旋，從而有效鎖住輪 子旋轉。該驅動轉矩增加了對梯階施加的力的水平分量，從而 使手車"緊抱"每個梯階的豎面。如果沒有該力，則星形組件 常常僅在垂直方向施加正弦力，在用戶不頂著每個下一個梯階 的豎面拖拉單元的情況下，不提供爬升該梯階的動力，并且如 果用戶不穩(wěn)定拖拉，則該單元可能跳躍階梯、在原位跳動，或 者從該梯階落下。
此外，控制器60使馬達驅動星形組件，以在適合爬升方向旋轉。當星形旋轉爬梯階時，這樣鎖定該輪子有助于穩(wěn)定。中 等大小的制動力還允許爬升時有限大小的滑動，以當輪子接觸 樓梯的梯面/豎面交接線時，使輪子繞其軸旋轉，并且相關星形
繼續(xù)旋轉?？刂破?0感測該星形的轉速(由速度傳感器34直接 確定或者由角位置傳感器32提供的數(shù)據(jù)間接確定)，然后，控制 馬達，以改變星形的轉速，從而使爬升基本上保持勻速。請注 意，在手車爬梯時，車10自身不試圖實現(xiàn)平衡，而是取決于爬
梯階的人引導手車來保證穩(wěn)定性。
在一個實施例中，該車包括梯階傳感器64，正如圖1B最佳 示出。每個梯階傳感器64可以是市售的紅外光學距離探測器。 配置該車，以致每個梯階傳感器64均被用于測量從框架22上的 固定點到稍許位于框架后面、在開始爬升之前，很可能碰到階 梯的位置的最近面的距離。優(yōu)選配置控制器60，以便即使用戶 利用開關56選擇了爬升模式，如果車10實際上并沒有位于梯階 上或者接近梯階，仍防止星形組件旋轉。因此，配置控制器60， 以便即使用戶利用開關56選擇了爬升模式，如果梯階傳感器64 沒有檢測到鄰近階梯，仍防止星形組件在爬升模式下操作。
在一個實施例中，在接近地面1.5英尺的位置， 一對光學距 離探測器64安裝在框架上。這兩個傳感器64均向下，并且測量 從固定基準點到最近面的距離。如果該距離值減小預置閾值量， 則車可能位于靠近階梯的適當位置，并且該控制器將使該車進 入爬升模式。通過在允許以爬升模式驅動星形之前，要求兩個/ 全部傳感器同時確認存在鄰近階梯，使用兩個或者多個傳感器 減少由于用戶的腳或者衣服而錯誤讀取的可能性。
如果未檢測到鄰近階梯，則該車不會為了爬升而驅動星形 組件，而是保持爬升模式，直到被最終用戶取消。在傳感器檢測到第一個階梯后，控制器使馬達驅動星形組件，只要爬升按 鈕被按下，或者在用其它方法取消爬升模式之前，車就爬升。 如果用戶決定不爬梯階，則通過暫時按下下爬按鈕或者開關56 中的另一適當按鈕，該車可以返回移動模式。
在下降模式下，控制器60使變力致動器80分離，并使馬達 30驅動星形組件20a、 20b在適合下降的方向旋轉。在該模式下， 控制器60感測星形組件20a、 20b相對于框架22的角位置，并且 促使馬達30使該星形相對于框架通過該星形各角位置的三個預 定區(qū)域中的每個預定區(qū)域加速旋轉。這些區(qū)域對應于不穩(wěn)定區(qū) 域，在該不穩(wěn)定區(qū)域，載貨手車的重心常常位于向著位于下層 梯階梯面上的導輪轉軸的上樓側。例如，每個區(qū)域可能跨越星 形各臂從離開垂直方向一10度的位置到離開垂直方向十5度的 位置的角位置。因為重量分布(weight distribution),與通 過在這些不穩(wěn)定區(qū)域內轉動星形而以控制方式從梯階下爬相 比，載貨手車更趨向于以不穩(wěn)定方式沿梯面滾動和從梯階下降。 因此，迅速旋轉星形通過這些區(qū)域將相關不穩(wěn)定性降低到最小。 這種旋轉對下降速度的沖擊很小，并且依然保持基本上勻速的 下降速度。
優(yōu)選配置控制器60，以根據(jù)星形組件相對于框架22的絕對 轉角，在樓梯井內下降期間對星形組件施加交替下爬和爬上導 向的轉矩。這有助于確保導輪壓緊梯面/豎面交界的內角，因此， 在為了適應任意特定樓梯井高度而未對星形組件的幾何結構或 者尺寸施加限制的情況下，消除了無意識的向后旋轉的可能性。 因此，優(yōu)點是，允許包括三輪配置的任意星形組件配置，從而 適合下降任意豎面高度的樓梯井。
星形組件20a、 20b可以由馬達30選擇性地或者以順時針方向或者以逆時針方向進行驅動。配置控制器60，以根據(jù)來自速
度傳感器34和絕對角位置傳感器32的反饋，改變馬達功率，從 而調節(jié)爬升速度和下降速度。由于星形組件上的裝載轉矩是正 弦的，所以爬升轉矩和下降制動以正弦圖形交替，以致即使裝 載轉矩和馬達功率是反相正弦波形，該轉速仍可以基本上保持 勻速。
因此，正如預先確定的并被存儲于控制器的內存中，在下 降模式下，控制器60、角位置傳感器32、角速度傳感器34、馬 達30以及電源50配合，使固定盤26通過不穩(wěn)定區(qū)域加速旋轉。 這樣縮短了導輪位于手車的重心之前的時長，因此，縮短了手 車保持不穩(wěn)定狀態(tài)的時長。
作為例子，在移動模式下，目標角度是這樣的，即，當使 框架為了移動而傾斜，例如，偏離垂直方向約20 — 45度時，重 心接近位于輪子觸點中心的正上方。在爬升模式下，目標角度 可以改變約5—15度，以確保導輪不接觸鄰近梯階。
當爬上或者下爬梯階時，用戶可能希望使車停下，以便用 戶可以上、下或者靜止。配置控制器60，以致如果當車仍在爬 上或下爬梯階時釋放爬升按鈕，則車肯定會停下并處于穩(wěn)定角 度，直到用戶準備好爬升或者下降。因此，配置該車，以在這 種情況下進入停止模式。
在停止模式下，控制器60使馬達30驅動星形組件20a、 20b， 以繼續(xù)旋轉到由角位置傳感器32提供的反饋所確定的三個預定 角位置中的一個角位置。盡管可以使固定盤26停止、并可利用 電子方法將它固定在(利用角傳感器/馬達反饋回路)任意要求 的角度，但是在預定位置使固定盤停止旋轉，以使車的兩個輪 子位于下梯面上而另外兩個輪子位于下一個較高階梯的梯面上，并且手車位于基本上豎立的位置，尤其穩(wěn)定。預定位置被 定義為期望手車以穩(wěn)定方式矗立在樓梯的梯階上的位置。
請注意，即使當停止了爬升或者下爬、并且星形組件停止 旋轉時，如果用戶沒有提供足夠大的握力，則該車仍會向梯階 下滾動。為了消除這種滾動，控制器使變力致動器80接合(并
且防止輪子28A、 28B、 28C自由自旋)，以當達到預定位置時， 提供將輪子鎖定到某個位置，并防止手車滑離該梯階梯面的非 常大的鎖定力。在爬上梯階或者下爬梯階時，這允許手車保持 其在樓梯上的位置。
為了在水平面和樓梯井上使用車IO，用戶握著手柄34，并 傾斜框架22，直到它相對于水平方向傾斜，如圖2A所示。位于 突出物36上的任意負載的重量對星形組件20a、 20b的固定盤26 產(chǎn)生向下的力/。為了示出下爬時星形組件的取向，在圖2A—F 中，分別標出三角形對稱的輪子28A、 28B、 28C。如圖2A所示， 當接近下面的豎面38時，車10在較高梯面39上起動。然后，導 輪28A滾過較高梯面39的拐角37，導致固定盤26繞其中心旋轉、 直到輪子28A接觸下面的豎面38，如圖2B所示。如圖2B所示，從 豎面37到26的旋轉中心測得的水平距離5小于從28A的中心到豎 面37測得的距離入，力伊生繞固定盤26和軸24的順時針方向的 力矩。由于5〈X，所以重力不發(fā)生相應位移，導致26以下爬方 向繞輪子28A中心樞軸旋轉，輪子28A傾向于前向滾動，如圖2E 所示，導致輪子28C突然落到梯面38上，并且導致星形組件順時 針方向旋轉，如圖2F所示。
為了避免這種趨勢，如果S〈X，即，當固定盤26的中心不 與輪子28A中心支樞點的左側(圖2B中)水平時，控制器使馬達 30施加前向轉矩Tf。由于框架22相對于水平方向保持合理固定傾角，并且角位置傳感器32測量框架22與固定盤26之間形成的 夾角，所以利用傳遞性(transitive property),框架22可以 有效測量固定盤26相對于水平方向的取向。這樣，利用來自角 傳感器32的反饋，控制器可以驗證條件S〈入何時成立。在施加Tf 時，固定盤26繞輪子28A的中心點逆時針方向旋轉，直到S〉人， 如圖2C所示。當條件5〉人成立時，力/繞輪子28A、沿固定盤26 的旋轉方向產(chǎn)生逆時針方向的力矩。然后，控制器使馬達施加 順時針方向的反向轉矩t，以降低繞輪子28A的中心旋轉的固定 盤26的轉速。施加反向轉矩，直到26達到水平取向，如圖2D所 示。角位置傳感器32檢驗該水平取向，因而傳感器32不再隨時 將角位置顯著變化的反饋送到控制器。輪子28A保持接觸豎面 37，而輪子28B在位于下梯面上的輪子28A的前面，然而，在試 圖避免的圖2F所示交替情況下，輪子28C下落到接觸豎面37，而 輪子28B不接觸地面。完成120°的旋轉后，該單元再一次處于如 圖2A所示的原始取向，準備好在水平地面上移動，或者以如上 所述的相同方式，下爬另一個梯階。
可能遇到較高梯階豎面，如圖3所示，其中豎面高度x、從 固定盤26的中心到每個輪子的中心的距離a、以及輪子半徑b滿 足關系式x〉b+a+l/2a-b，或者更簡單地說，x〉3/2*a。在這 種情況下，下爬時不需要施加前向轉矩Tf，因為條件5〉X被避免。 圖4以流程圖示出了如上所述單元操作過程。
該實施例的一個優(yōu)點是，它便于齒輪傳動馬達30允許星形 組件連續(xù)旋轉，直到達到輪子28A、 28B、 28C中的至少兩個輪子 接觸平坦面的預定位置。在不穩(wěn)定位置，諸如圖2C所示的僅一 個輪子保持接觸平面的位置，如果用戶釋放表示在爬上或者下 爬時優(yōu)選停止在樓梯井中途的接通開關，微處理器就準備好連續(xù)逆時針方向旋轉，直至達到圖2D所示的取向，隨后，該控制 器使馬達對星形施加順時針方向的額定轉矩，從而將星形固定 在預定位置。
請以反序，艮卩，圖2D、 2C、 2B、 2A，參考示出車爬升梯階 的各階段。參考圖2C中的星形取向，如果用戶決定斷開用于爬 升的開關，在馬達通過施加額定順時針方向力矩將該單元固定 在如上所述的到達位置之前，該單元繼續(xù)適當順時針方向旋轉， 直到導輪28C位于如圖2B所示的較高梯面上。因此，如圖2B和2D
所示的兩個不同取向可以提供穩(wěn)定位置，即，三個輪子中的兩 個輪子保持接觸樓梯井面的位置。
應該注意，在選擇實施例中，諸如在嬰兒車實施例中，可 以對支承柱40安裝一組附加輪子，支承柱40安裝在框架22上， 以在非操作的位置與如圖6所示的有助于水平移動的操作位置 之間樞軸旋轉。該車可以裝備負載測量表，該負載測量表與該 控制器通信，以根據(jù)框架上負載的變化，調節(jié)馬達的輸出。
在特定實施例中，該輪式車被配置成手車IO，該手車10包 括固定的或者可折疊的底部平板、可折疊的輔助上部平板以及 可拆卸的載貨籃，正如圖7 — 9最佳示出的。該手車的爬梯部件 與上面參考圖1一6描述的爬梯部件相同。現(xiàn)在，參考圖7，它示 出了剛性手車框架22、剛性可折疊上部平板23、平板鉸鏈機構 40、載貨藍安裝點45、以及下部平板27。更具體地說，仍參考 圖7所示的典型實施例，可折疊上部平板23可以在鉸鏈24上樞軸 旋轉，并且可以平行于框架22的方向(見圖9)、或者以垂直于 框架22的方向(見圖7)固定該可折疊上部平板23。因此，可以 看出，為了不再礙事，可以折疊該折疊上部平板(對著框架22， 如圖9所示)，以便將高負載裝載在下部平板上，而不受干擾?？梢岳闷鋸姸群蛣傂宰阋猿休d預期負載的任意材料，諸 如鋼材，構造各種部件。
現(xiàn)在，參考圖8，示出了圖7和圖9中的手車10具有分別支承 在上部平板23和下部平板27上的上部貨籃12和下部貨籃16。該 貨籃可以容納特殊形狀的或者不穩(wěn)定的負載，用于安全運輸， 而且對于較大的負載，可以卸下它。通過將貨籃的鉤子安裝在 框架上、并允許將貨籃掛在該框架上，上部貨籃12和下部貨籃 16可以被輕而易舉地安裝到框架22上，或者從框架22上卸下。 優(yōu)選地，設計下部貨籃16，使其適合裝配在框架22的邊限內， 并且避免接觸手車的任何運動部分。上部貨籃和下部貨籃優(yōu)選 由可以滿足強度要求的重量輕、抗破裂材料構成，諸如各種塑 料材料中的一種。
可以看出，雙平板配置允許裝載兩個負載，而不必互相在 頂部堆疊。這樣可以防止易碎負載破裂，并且對于難以堆疊的 負載，可以提高穩(wěn)定性。
因此，在圖7 — 9所示的實施例中，該手車包括平板23，該 平板23安裝在框架22上，以在它靠在手車框架上的非操作位置 與它基本上垂直于手車框架以及基本上平行于手車的載貨平板 27伸出的操作位置之間樞軸旋轉。在該操作位置，平板可以用 于支承諸如一箱重貨物的負載，而無需堆垛在位于較長平板上 的貨物上。該平板可以樞軸旋轉到非操作位置，以允許在下部 平板27上承載諸如高爾夫包的較大貨物，而不妨礙該平板。另 外，該框架可以配置用于支承一個或者多個可拆卸貨籃的安裝 點，每個可拆卸貨籃均可以用于分別承載貨物，而無需在該平 板上互相堆垛貨物。例如，下部貨籃16可以承載在下部平板27 上，而大箱子可以承載在被樞軸旋轉到操作位置的上部平板23上。
可選擇地，根據(jù)本發(fā)明的輪式車io可以包括一對安裝在框
架22上的輪罩60a、 60b，在星形組件旋轉時，它們分別在適當 位置部分封閉相應星形組件20a、 20b，并且將星形組件與鄰近 下部平板27和框架22的、限定的貨物區(qū)域隔離，如圖10最佳所不。
可選擇地，輪式車10可以進一步包括支承在框架22上的伸 縮、旋轉控制手柄64，如圖10所示。手柄64包括安裝在剛性軸 65上的人體工程學手柄件63，它既可以旋轉，又可以從安裝到 手車的框架上的金屬管可伸縮地伸出。用戶可以將手柄64調節(jié) 到要求的任何高度。然后，可以利用諸如彈簧偏壓卡銷機構、 夾緊裝置等的傳統(tǒng)鎖定機構，鎖定手柄件63和伸縮軸65，以便 進一步防止直線伸出或者縮回，而仍允許旋轉發(fā)生。當爬上梯 階或者下爬梯階時，由于允許用戶站在該單元的任何一側，而 不必以某個不舒服的角度握著手柄，所以該旋轉特性使得更容 易使用。用戶接口控制線通過空心手柄件和/或者空心軸65延 伸。利用機械制動器，該手柄可以被限定到僅旋轉120度，從而 防止內部導線被過度扭轉或者被破壞。
因此，可以實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的車的特征，即，通過利用采 用了磁或者其他絕對角位置傳感器、控制器和主驅動馬達的反 饋系統(tǒng)，使星形組件以確定角度相對于框架固定，例如，鎖定 或者保持。不需要銷釘、聯(lián)桿或者其它機械鎖定機構，這樣降 低了發(fā)生斷裂的可能性。
根據(jù)本發(fā)明特定實施例的車的另一個特征是，下降階段可 變速、基于夾角制動。當下爬梯階時，星形組件具有固有不穩(wěn) 定的角范圍/角區(qū)域。在這些區(qū)域中，在某些條件下，傳統(tǒng)星形組件可以滑離梯階的邊緣，而非同步旋轉到它們下面。根據(jù)本 發(fā)明，絕對角位置傳感器檢測星形組件的位置，并且當在預編 程的控制器確定的這些區(qū)域內、該控制器主動加速星形組件通 過該不穩(wěn)定區(qū)域時，可以顯著減小滑離該梯階的邊緣的風險。 該特征顯著提髙了使用該產(chǎn)品的安全性和簡易性，這對于三輪 星形組件尤其有用，可以令人滿意地滿足非專業(yè)用戶的期望。
根據(jù)本發(fā)明的車的另一個特征是集成的可變接合離合器和 制動系統(tǒng)。該離合器可以將輪子鎖定到與手車框架相同的基準 框架，或者可以允許它們自由自旋。在爬升模式或者下爬模式 下，離合器系統(tǒng)主要用于提供附加驅動牽引力，以推動手車爬 上梯階，而不滑離或者在原地跳動。該離合器還用作制動器， 以將手車鎖定到梯階上，如果用戶停止在爬上或下爬時的某個 位置，則這樣可以減小手車滑離的可能性。該離合器是電磁的， 并且它完全由控制器控制，不需要用戶控制。
另一個特征包括可拆卸載貨藍和雙平板載貨系統(tǒng)。所有星 形組件設計都必須防止負載碰撞或者纏住旋轉的輪子組件。根 據(jù)本發(fā)明，該車可以包括輪子保護罩和裝配在兩個星形組件之 間的載貨藍，確保適當分離。這些貨籃可以用于裝載雜貨、要 洗的衣物或者任意其它典型家庭用品。在將上部平板折疊起來， 不再礙事的情況下，雙平板系統(tǒng)允許將細高負載裝載在下部平 板上，而寬的負載只能裝載在上部平板上，以確保該負載離開 旋轉的輪子組件。
盡管在此描述了本發(fā)明原理，但是本技術領域內的技術人 員明白，僅作為例子進行該描述，而并不限制本發(fā)明的范圍。 因此，所附權利要求書意在包括落入本發(fā)明實質范圍內的本發(fā) 明的所有修改。
權利要求
1.一種爬梯輪式車，包括剛性框架，支承轉軸；一對星形組件，可旋轉地支承在所述軸的相對兩端的相鄰處，所述一對星形組件中的每個星形組件支承多個轉輪，所述多個轉輪被連接以同步旋轉；角位置傳感器，支承在所述框架上的適當位置，以測量所述一對星形組件中的一個星形組件相對于所述框架的角位置；以及電動馬達，支承在所述框架上，并且被可操作地連接，以驅動所述一對星形組件旋轉；電源，支承在所述框架上，被可操作地連接到所述電動馬達；以及控制器，支承在所述框架上，并且被可操作地連接到所述角位置傳感器和所述電源，以使所述電動馬達對所述一對星形組件施加變化的轉矩，從而根據(jù)從所述角位置傳感器收到的輸入，使所述一對星形組件保持在所選擇的相對于所述框架的所述星形組件角位置。
2. 根據(jù)權利要求l所述的車，進一步包括 角速度傳感器，被配置成測量所述軸的旋轉角速度，所述角速度傳感器被可操作地連接到所述控制器，所述控制器被配 置成從所述角速度傳感器接收輸入，并且對所述一對星形組件 施加變化轉矩，以使所述車以基本上勻速轉速沿梯階下爬。
3. 根據(jù)權利要求l所述的車，迸一步包括 光學傳感器，支承在所述框架上，所述光學傳感器被可操作地連接到所述控制器，所述控制器被配置成從所述光學傳感器接收輸入，并且僅當所述光學傳感器檢測到鄰近梯階時，使 所述馬達驅動所述一對星形組件旋轉。
4. 根據(jù)權利要求l所述的車，進一步包括一對光學傳感器，支承在所述框架上，所述一對光學傳感 器被可操作地連接到所述控制器，所述控制器被配置成從所述 光學傳感器對接收輸入，并且僅當兩個所述光學傳感器同時檢 測到鄰近梯階時，使所述馬達驅動所述一對星形組件旋轉。
5. 根據(jù)權利要求l所述的車，進一步包括 變力致動器，可以由從所述控制器收到的控制信號操作，以選擇性地使離合器接合和分離，該離合器可以被操作以利用 機械方式將所述星形組件的所述輪子連接到所述馬達。
6. 根據(jù)權利要求l所述的車，進一步包括多個控制開關，可以被用戶操作，所述多個控制開關可以 被用戶選擇，以選擇所述車的工作模式，所述控制器存儲每種 工作模式的微處理器可執(zhí)行指令，所述指令提供根據(jù)從所述角 位置傳感器收到的輸入的、用于控制所述馬達的指令。
7. 根據(jù)權利要求6所述的車，其中可以操作所述多個控制 開關、以選擇移動模式，所述控制器存儲用于識別對應于所述 移動模式的預定角位置的數(shù)據(jù)，所述控制器控制所述馬達以使 所述星形組件旋轉到所述預定角位置中的一個預定角位置來響 應對移動模式的選擇，并且使所述星形組件保持在所述預定角 位置中的所述一個預定角位置。
8. 根據(jù)權利要求6所述的車，其中可以操作所述多個控制開關以選擇爬升模式，所述控制器存儲用于識別對應于所述爬 升模式的預定角位置的數(shù)據(jù)，所述控制器控制所述馬達以使所 述星形組件旋轉到所述預定角位置中的一個預定角位置來響應對爬升模式的選擇，并且使所述星形組件保持在所述預定角位 置中的所述一個預定角位置。
9. 根據(jù)權利要求8所述的車，其中所述控制器控制所述變 力致動器以使離合器接合，從而利用機械方式將所述馬達連接 到所述星形組件的所述輪子。
10. 根據(jù)權利要求6所述的車，其中可以操作所述多個控制開關，以選擇停止模式，所述控制器存儲用于識別對應于所 述停止模式的預定角位置的數(shù)據(jù)，所述控制器控制所述馬達以 使所述星形組件旋轉到所述預定角位置中的一個預定角位置來 響應對停止模式的選擇，并且使所述星形組件保持在所述預定 角位置中的所述一個預定角位置。
11. 根據(jù)權利要求6所述的車，其中可以操作所述多個控 制開關，以選擇下爬模式，所述控制器存儲用于識別對應于所 述下爬模式的預定角位置的數(shù)據(jù)，所述控制器控制所述馬達以 使所述星形組件旋轉到所述預定角位置中的一個預定角位置來 響應對停止模式的選擇，并且使所述星形組件保持在所述預定 角位置中的所述一個預定角位置。
12. 根據(jù)權利要求ll所述的車，其中所述控制器控制所述 變力致動器以使離合器分離，從而利用機械方法使所述馬達與 所述星形組件的所述輪子斷開，所述控制器進一步存儲識別對 應于所述下爬模式的預定不穩(wěn)定角范圍的數(shù)據(jù)，所述控制器控 制同一個馬達使所述星形組件加速旋轉通過所述預定不穩(wěn)定角 范圍，從而響應對下爬模式的選擇。
13. 根據(jù)權利要求ll所述的車，其中所述控制器控制所述 馬達和所述變力致動器以使所述馬達在爬上方向對所述一對星 形組件施加轉矩，從而響應對下爬模式的選擇。
14. 根據(jù)權利要求l所述的車，進一步包括支承柱，用于支承轉輪，所述支承柱可樞軸旋轉到操作位 置，在該操作位置，所述轉輪接觸地面，并且與所述星形組件 的輪子配合，將所述車支承在直立位置。
15. 根據(jù)權利要求l所述的車，進一步包括 下部主平板，支承在所述框架上的適當位置，用于承載負載；以及上部輔助平板，支承在所述突出物上方的所述框架上的適 當位置，用于承載第二負載，所述輔助平板安裝在該框架上以 在非操作位置和操作用位置之間樞軸旋轉，其中所述非操作位 置鄰近所述框架，而當所述輔助平板處于所述操作用位置時所 述輔助平板基本上垂直于所述框架延伸。
16. 根據(jù)權利要求l所述的車，進一步包括 貨籃，可拆卸地支承在所述框架上。
17. 根據(jù)權利要求l所述的車，進一步包括 一對輪罩，支承在該框架上的適當位置，以便在星形組件繞所述軸旋轉期間，至少部分地封閉各自的星形組件。
18. 根據(jù)權利要求6所述的車，進一步包括手柄件，支承在所述框架上，所述手柄件被支承在伸縮軸 上，該伸縮軸可以繞其縱軸旋轉，所述多個控制開關安裝在所 述手柄件上。
19. 一種爬梯輪式車的操作方法，所述方法包括 提供輪式車，該輪式車包括剛性框架，支承可旋轉的軸；一對星形組件，可旋轉地支承在所述軸的相對兩端的 相鄰處，所述一對星形組件中的每個星形組件支承多個轉輪，所述多個轉輪被連接以同步旋轉；角位置傳感器，支承在所述框架上的適當位置，以測 量所述一對星形組件中的一個星形組件相對于所述框架的角位 置；以及電動馬達，支承在所述框架上，并且被可操作地連接， 以驅動所述一對星形組件旋轉；電源，支承在所述框架上，被可操作地連接到所述電 動馬達；以及控制器，支承在所述框架上，并且被可操作地連接到 所述角位置傳感器和所述電源；操作所述角位置傳感器，以重復測量所述一對星形組件中 的一個星形組件的相對于所述框架的角位置；以及根據(jù)所述角位置傳感器所做的測量，控制所述電動馬達， 以對所述一對星形組件施加變化的轉矩，從而使所述一對星形 組件保持在所選擇的相對于所述框架的角位置。
20. —種爬梯輪式車的操作方法，所述方法包括 提供輪式車，該輪式車包括剛性框架，支承可旋轉的軸；一對星形組件，可旋轉地支承在所述軸的相對兩端的 相鄰處，所述一對星形組件中的每個星形組件支承多個轉輪， 所述多個轉輪被連接以同步旋轉；角位置傳感器，支承在所述框架上的位置，以測量所 述一對星形組件中的一個星形組件相對于所述框架的角位置； 以及電動馬達，支承在所述框架上，并且被可操作地連接， 以驅動所述一對星形組件旋轉；電源，支承在所述框架上，被可操作地連接到所述電動馬達；多個控制開關，可以被用戶操作，所述多個控制開關可以被用戶選擇，以選擇所述車的工作模式；控制器，支承在所述框架上，并且被可操作地連接到所述角位置傳感器和所述電源，所述控制器存儲一組用于多種工作模式中的每種工作模式的微處理器可執(zhí)行指令，每組指令提供用于控制所述馬達的指令；接收用戶通過操作所述多個控制開關選擇的工作模式； 操作所述角位置傳感器，以重復測量所述一對星形組件中的一個星形組件的相對于所述框架的角位置；以及根據(jù)所述用戶選擇所述模式的所述指令組的規(guī)定，控制所述電動馬達，以對所述一對星形組件施加變化的轉矩，從而使所述一對星形組件旋轉。
21. 根據(jù)權利要求20所述的方法，其中所述一組指令組保證使所述星形組件旋轉到預定角位置，所述控制器根據(jù)所述角 位置傳感器所做的測量控制所述馬達。
22. 根據(jù)權利要求20所述的方法，其中接收用戶選擇工作模式包括接收用戶選擇下爬模式，并且其中所述一組指令提供 使所述控制器加速旋轉所述星形組件通過預定不穩(wěn)定角范圍的 指令。
全文摘要
輪式車包括用于爬上梯階和下爬梯階的電源驅動星形組件。該車包括角位置傳感器，它將輸入送到控制器，可以操作該控制器，以控制伺服馬達，從而有效鎖定該星形相對于該框架的位置，而無需考慮該手車相對于垂直面的空間取向、或者該手車的平衡。該角位置傳感器將輸入送到該控制器，該控制器設定了預定不穩(wěn)定角區(qū)域，并且當輪式車處于下爬模式時，控制器使該星形加速旋轉通過這些區(qū)域，從而避免該手車不穩(wěn)定。手車可以包括可拆卸貨籃和/或者用于輸送負載的可樞軸旋轉的平板。
文檔編號B62B9/00GK101622169SQ200880006386
公開日2010年1月6日 申請日期2008年2月12日 優(yōu)先權日2007年2月12日
發(fā)明者史提芬·加馬拉, 米高·楊, 約瑟·沙羅漢 申請人:斯甘有限責任公司