运输车辆和方法

摘要

用于在不规则地面上输送人的车辆，它包括：用于支承人的支架；安装在支架上的接触地面的模件，其运动方向确定了前后和横向平面；支架和接触地面的模件是一个总成中的部件；一个安装在上述装置上的马达驱动装置，用于使该装置和人在地面上行进；一个控制回路，包括马达驱动装置，借助马达驱动装置的运转，以动态方式加强在前后平面上的稳定性。

权利要求

1.一种车辆，包括：

一个用于支承人体（13；962；101；153）的支架（12，22；95；131，132；151，152，154；

181；182；211；461；481）；以及

一个接触地面的模件（11，21；91，931，932；111；214；221，222，223，224；261；462，

463；485），它安装在上述支架上，能够运动，用于使支承在支架中的人体悬在地面上，且包括地面接触构件（11；931；932），上述接触地面的模件的运动方向确定了前后平面和横向平面，上述支架和接触地面的模件是一个总成中的部件，其中该车辆的前后平面缺乏固有的稳定性，其特征在于：该车辆还包括一个马达驱动装置（531，532；253；281；4913），用于向所述接触地面模件的地面接触构件施加扭矩，以及一个控制回路（51），连接到上述马达驱动装置，用于借助上述马达驱动装置（531，532；253；281；4913）的运转，以动态方式加强在前后平面上的稳定性，施加到所述地面接触构件上的扭矩根据以下公式来选择：

其中，T表示车轮扭矩，θ表示前后倾斜角，X表示相对于基准点沿路面的前后位移。

2.如权利要求1所述的车辆，其特征在于，所施加的扭矩考虑由所有其它外力和马达驱动装置引起的扭矩。

3.如权利要求1或2所述的车辆，其特征在于，还包括一个包含在控制回路中的前后方向控制件（561；273；292），用于接收来自人体（13；962；101；153）的对于想要该总成运动的方向的指示。

4.如权利要求1或2所述的车辆，其特征在于，提供了一个俯仰传感器，而控制回路（51）的配置使得车辆的前后运动由人体（13；962；101；153）引起并由俯仰传感器探测到的车辆前后倾斜来控制。

5.如权利要求1或2所述的车辆，其特征在于，施加的扭矩还依据倾斜角度的时间导数来选择。

6.如权利要求1或2所述的车辆，还包括：一个输入设备，用于接收人体（13；962；

101；153）提供的输入；而传感器提供状态信息，其中，控制回路根据状态变量来修改程序的状态，并根据人体提供的输入和状态变量输入来控制马达驱动装置（531；532；253；281；

4913）。

7.如权利要求1或2所述的车辆，其特征在于，地面接触模件（11，21；91，931，932；

111；214；221，222，223，224；261；462，463；485）包括一对互相横向布置的地面接触构件（11，21；931，932；221，222，223，224；261；463，485）。

8.如权利要求7所述的车辆，其特征在于，地面接触构件是各自能够旋转的主要的地面接触构件（11；931，932；221，222，223，224；261；463；485）。

9.如权利要求7所述的车辆，还包括一个能够起动的差速控制器，以差速驱动所述两个地面接触构件，从而使得车辆绕一车辆固定的垂直轴进行指定的转向运动。

10.如权利要求9所述的车辆，其特征在于，差动控制器由人体（12，22；95；131，132；

151，152，154；181；182；211；461；481）起动。

11.如权利要求8到10中任一项所述的车辆，其特征在于，每个地面接触构件都是一个轮子（11；931；932；261；463；485）。

12.如权利要求8到10中任一项所述的车辆，其特征在于，地面接触模件（11，21；91，

931，932；111；214；221，222，223，224；261；462，463；485）包括一个能相对于自身转动轴移动的地面接触构件（931，932；261；463；485），该地面接触构件的转动轴能相对于与支架有确定关系的第二轴（92；112）移动。

13.如权利要求1或2所述的车辆，其特征在于，地面接触构件是具有中心的轮子，并且支承部件连接在车辆的左右两侧，每个支承部件具有一个轮子组，每个轮子组（91；111；

462）的轮子（91；111；462）能独立于轮子组被马达驱动。

14.如权利要求13所述的车辆，其特征在于，所有支承部件的轴（92；112）都基本在同一直线上并确定出一根中心轴。

15.如权利要求14所述的车辆，其特征在于，从中心轴（92；112）到每个轮子（931；

261；463；485）的中心（4912）的距离近似于到轮子组中每个轮子的距离。

16.如权利要求15所述的车辆，其特征在于，每个轮子组（91；111；462）都具有至少两个直径基本相同的轮子。

17.如权利要求14到16中任一项所述的车辆，还包括轮子组控制器（278a，278b），用于控制每个轮子组对于中心轴（92；112）的角度方向，以及轮子控制器（277a，277b），用于与对轮子组绕中心轴的方向控制分开地控制每个轮子组与地面接触的轮子的转动。

18.如权利要求17所述的车辆，其特征在于，轮子控制器（277a，277b）有一个从动模式，在该模式中，轮子的驱动作为其轮子组（91；111；462）转动的函数；而轮子组控制器（278a，278b）有一个利用上述控制回路（51）的倾斜模式，以便当轮子处在从动模式时保持车辆在前后平面上的平衡。

19.如权利要求18所述的车辆，还包括用于检测车辆对于不平表面的物理关系的检测装置（562，563，564，565，566）。

20.如权利要求17所述的车辆，其特征在于，轮子控制器（277a，277b）有一个利用控制回路（51）的平衡模式，在该方式下，各轮子组（91；111；462）中与地面接触的轮子（931；

261；463；485）以保持车辆在前后平面中平衡的方式驱动。

21.如权利要求1或2所述的车辆，其特征在于，地面接触模件包括一个弧形元件（221a，221b，222a，222b），安装在一个支承部件（221c，222c）上，每个支承部件以能够旋转方式安装并由马达驱动绕一根轴旋转。

22.如权利要求21所述的车辆，其特征在于，地面接触模件包括多个轴向相邻且能够旋转地安装的弧形元件组，每一组的弧形元件（221a，221b，222a，222b）都安装在支承部件（221c，222c）上，各支承部件安装在中心轴上，并且用马达驱动绕中心轴转动。

23.如权利要求21所述的车辆，还包括：驱动控制器，它包括控制回路（51），用于以第一模式驱动上述支承部件，其中，各轴向相邻的弧形元件组中的第一弧形元件，在下一个弧形元件与地面接触之前，通常仍与地面保持接触，直到下一个弧形元件与地面接触为止，以便使车辆随着弧形元件作基本上连续的滚动。

24.如权利要求23所述的车辆，其特征在于，驱动控制器包括以第二模式驱动上述支承部件的装置，以上下楼梯和越过其他不平表面。

25.如权利要求1、2、8-10、14-16、18-20和22-24中任一项所述的车辆，其特征在于，支架包括一把有座位（151）的椅子（151，152，153），该座位用铰链连接在所述总成上，使它有一个第一位置，在该位置，人体（13；962；101；153）能够坐在该座位（151）上，以及一个第二位置，在该位置，人体能够站立。

26.如权利要求1、2、8-10、14-16、18-20和22-24中任一项所述的车辆，还包括用于调节支架（12，22；95；131，132；151，152，154；181；182；211；461；481）相对于地面的高度的高度调整装置。

27.如权利要求1、2、8-10、14-16、18-20和22-24中任一项所述的车辆，其特征在于，支架（12，22；95；131，132；151，152，154；181；182；211；461；481）具有一个基座面用于支承人体，并且地面接触构件（11，21；931，932；221，222，223，224；261；463；485）以一种方式附于该支架上，使得每个地面接触构件与地面的接触点与基座面之间的距离足够小，以允许人体（13；962；101；153）从地面走上支架（12，22；95；131，132；151，152，154；181；182；

211；461；481）。

28.如权利要求1、2、8-10、14-16、18-20和22-24中任一项所述的车辆，其特征在于，支架（211）接近地面，能让人体（13；962；101；153）站在上面。

29.如权利要求28所述的车辆，其特征在于，支架（211）包括一个平台（154），该平台的面积基本等于人体（13；962；101；153）站立时的脚印面积。

30.如权利要求28所述的车辆，其特征在于，支架（211）包括一个平台（154），该平台的宽度基本等于人体（13；962；101；153）的肩宽。

31.如权利要求1、2、8-10、14-16、18-20、22-24和29-30中任一项所述的车辆，其特征在于，该车辆有一根滚动轴线和一根俯仰轴线，并且支架（12，22；95；131，132；151，152，

154；181；182；211；461；481）具有一个姿态，所述车辆还包括：用于确定上述支架的姿态的姿态确定装置；

用于控制上述支架相对于地面接触构件的姿态的姿态控制装置。

32.如权利要求1、2、8-10、14-16、18-20、22-24和29-30中任一项所述的车辆，其特征在于，马达驱动装置（531，532；253；281；4913）能够由人体（13；962；101；153）控制。

33.如权利要求32所述的车辆，其特征在于，马达驱动装置（531，532；253；281；4913）由人体（13；962；101；153）对于支架（12，22；95；131，132；151，152，154；181；182；211；

461；481）的方向控制。

34.如权利要求32所述的车辆，其特征在于，马达驱动装置（531，532；253；281；4913）由人体（13；962；101；153）的倾斜来控制。

35.如权利要求32所述的车辆，其特征在于，马达驱动装置（531，532；253；281；4913）响应人体（13；962；101；153）相对于车辆向后的倾斜而对所述车辆制动。

36.如权利要求32所述的车辆，其特征在于，包括一个倾斜传感器。

37.如权利要求32所述的车辆，其特征在于，它还包括：一根连在平台（154）上的立柱（213），用于感测人体（13；962；101；153）的倾斜。

38.如权利要求32所述的车辆，其特征在于，它还包括：马达驱动装置（531，532；253；

281；4913）能够由人体的输入来控制以接收人体对车辆移动方向的指示，并且作出响应使得车辆向意图移动的方向倾斜。

39.如权利要求32所述的车辆，其特征在于，它还包括：一个方向控制器（561；273；

292），用于由人体来控制车辆的方向。

40.如权利要求1、2、8-10、14-16、18-20、22-24、29-30和33-39中任一项所述的车辆，其特征在于，它还包括一个驱动装置控制器，使得所述车辆以指定的速率推进，其中所述指定的速率随意降到零速率。

41.如权利要求40所述的车辆，其特征在于，所述指定的速率能由人体（13；962；101；

153）确定。

42.如权利要求40所述的车辆，其特征在于，所述指定的速率能由人体输入来确定。

43.如权利要求40所述的车辆，其特征在于，所述指定的速率能由人体（13；962；101；

153）在地面接触模件（11，21；91，931，932；111；214；221，222，223，224；261；462，463；

485）上的倾斜来确定。

44.如权利要求41到43中任一项所述的车辆，其特征在于，马达驱动控制器能使所述车辆大体保持在一个指定位置的参考点处。

45.如权利要求1、2、8-10、14-16、18-20、22-24、29-30、33-39和41-43中任一项所述的车辆，其特征在于，所述车辆的操作包括行进。

46.如权利要求1、2、8-10、14-16、18-20、22-24、29-30、33-39和41-43中任一项所述的车辆，其特征在于，马达驱动控制器具有使得所述车辆行进的第一操作模式，以及使得所述车辆大体保持在一个指定位置的参考点处的第二操作模式。

47.如权利要求45所述的车辆，其特征在于，所述车辆还包括：一个电源以带动马达驱动装置（531；532；253；281；4913），一个速度限制装置，用于将所述车辆的速度控制在低于该车辆所能达到的最大速度的一个理想的阈值之下，从而车辆的前后稳定性能够持续地由控制回路提高。

48.如权利要求46所述的车辆，其特征在于，所述车辆还包括：一个电源以带动马达驱动装置（531；532；253；281；4913），一个速度限制装置，用于将所述车辆的速度控制在低于该车辆所能达到的最大速度的一个理想的阈值之下，从而车辆的前后稳定性能够持续地由控制回路提高。

49.如权利要求45所述的车辆，其特征在于，马达驱动装置（531；532；253；281；4913）包括一个控制器，接收关于所述车辆是否翻倒的信息。

50.如权利要求46所述的车辆，其特征在于，马达驱动装置（531；532；253；281；4913）包括一个控制器，接收关于所述车辆是否翻倒的信息。

51.如权利要求45所述的车辆，其特征在于，还包括一个连接到支架（12，22；95；131，

132；151，152，154；181；182；211；461；481）的结构化部件，限制人体的前后倾斜。

52.如权利要求46所述的车辆，其特征在于，还包括一个连接到支架（12，22；95；131，

132；151，152，154；181；182；211；461；481）的结构化部件，限制人体的前后倾斜。

53.如权利要求45所述的车辆，其特征在于，具有一个控制回路（51），包括多个微处理器，并为每一个微处理器规定了单独与车辆的运动和控制有关的任务，并且各微处理器通过一根信号总线（279）互相连通。

54.如权利要求46所述的车辆，其特征在于，具有一个控制回路（51），包括多个微处理器，并为每一个微处理器规定了单独与车辆的运动和控制有关的任务，并且各微处理器通过一根信号总线（279）互相连通。

55.如权利要求45所述的车辆，其特征在于，具有一个指示系统，包括用于生成具有一脉冲序列、一俯仰度和一重复率的振动的装置（531）；以及一个调节器（532），用于根据车辆速度和方向调节俯仰度和重复率之一。

56.如权利要求46所述的车辆，其特征在于，具有一个指示系统，包括用于生成具有一脉冲序列、一俯仰度和一重复率的振动的装置（531）；以及一个调节器（532），用于根据车辆速度和方向调节俯仰度和重复率之一。

57.如权利要求55所述的车辆，其特征在于，所述振动是声音输出。

58.如权利要求55所述的车辆，其特征在于，所述振动是能触知的振动。

59.如权利要求55所述的车辆，其特征在于，所述俯仰度根据车辆方向来调节，所述重复率根据车辆速度来调节。

60.如权利要求1到59中任一项所述的车辆的用途，用于在一表面上运输人体，该表面包括不规则表面。

61.如权利要求1到59中任一项所述的车辆的用途，作为对损失平衡能力人体的弥补，通过马达驱动装置的操作来维持平衡。

62.如权利要求47所述的车辆，其特征在于，所述速度限制装置包括速度能力装置，用于根据指示跨电源测得的电压的信号来确定车辆当前最大可能速度。

63.如权利要求47所述的车辆，其特征在于，所述速度限制装置包括速度能力装置，用于根据指示马达驱动装置上测得的电压值和电池上测得的电压值之间的差的信号来确定车辆当前最大可能速度。

64.如权利要求17的车辆，其特征在于，上述轮子控制器（277a，277b）具有一个转换模式，用于从从动模式转换到平衡模式，它的作用是在轮子组（91；111；462）检测到零交叉口之前，防止进入平衡模式。

65.如权利要求24的车辆，其特征在于，还包括一个装置，用于当每组的第一弧形元件在前一不平表面上时使每组的第二弧形元件落在下一个不平表面上。

66.如权利要求26所述的车辆，其特征在于，高度调整装置在支架（12，22；95；131，

132；151，152，154；181；182；211；461；481）和地面接触模件（11，21；91，931，932；111；

214；221，222，223，224；261；462，463；485）之间包括一个可变延伸部。

67.如权利要求28所述的车辆，其特征在于，还包括一根固定在支架（211）上的立柱（213），它在大致为人体（13；962；101；153）的腰部的高度上有一个把手（212）。

68.如权利要求28所述的车辆，其特征在于，还包括一个方向控制件（561；273；292）安装在立柱（213）上，供人体（13；962；101；153）控制车辆的方向。

69.如权利要求31所述的车辆，其特征在于，还包括一个滚动调整装置，使得能够调整上述支架相对于上述地面接触模件（11，21；91，931，932；111；214；221，222，223，224；

261；462，463；485）绕一根大致与车辆的滚动轴线平行的轴线的角度方向，该滚动调整装置由姿态控制装置控制。

70.如权利要求69所述的车辆，其特征在于，还包括一个侧倾装置，用于在转弯的过程中使上述滚动调整装置让上述支架（12，22；95；131，132；151，152，154；181；182；211；

461；481）在转弯的方向上侧倾。

71.如权利要求31所述的车辆，其特征在于，还包括一个俯仰调整装置，用于调整上述支架绕着一根大致与车辆的俯仰轴线平行的轴线，相对于上述地面接触模件的角度方向，该俯仰调整装置由姿态控制装置控制。

72.如权利要求47所述的车辆，其特征在于，控制回路包括一个倾斜度传感器以提供一个指示车辆俯仰的输出，并且速度限制装置包括用于在车辆速度超过速度阈值时增加俯仰修正值的装置。

说明书

运输车辆和方法

[0001] 本申请是申请号为95197546.3发明申请的分案申请，该申请的名称为“运输车辆和方法”，申请日为1995年2月3日。

技术领域

[0002] 本发明涉及用于运输一个人的车辆和方法，更具体的说，涉及在具有不规则的表面的地上运输一个人的车辆和方法。

[0003] 现有技术

[0004] 公知的运输人的车辆和方法有很多种。一般，设计这些车辆时都以牺牲灵活性来满足稳定性。例如，很难设计出这样的车辆，它能由乘坐者自己操纵，自己掌握方向，在表面
不规则的地上运输一个人，同时仍能方便地在比较平坦的路面上行进。而那些能在不规则
的表面上行进的车辆大都复杂、沉重，并且很难正常行进。

发明内容

[0005] 因此本发明的目的是提供在不规则地面和平坦地面上都能自如行进的车辆。在一个优选实施例中，本发明提供了一种在具有不规则的表面的地上运输人的车辆。该实施
例中有一个支承人体的支架。一个安装在该支架上能够移动的接触地面的模件，用于使支
架中的人悬在地面上。上述接触地面的模件的运动方向构成了在一辆车上互相相交的前后
和左右平面。上述支架和接触地面的模件都是一个总成中的部件。一个安装在该总成上
并与上述接触地面的模件联结的装有马达的驱动装置能使该总成和人一起在路面上行进。
最后，该实施例还有一个包括上述装有发动机的驱动装置的控制回路，以便借助于操作上
述与接触地面的模件联结的装有发动机的驱动装置，以动态方式加强在前后平面上的稳定
性。

[0006] 在另一个实施例中，上述接触地面的模件做成一对接触地面的构件，沿着横向互相相对地设置。接触地面的构件可以是轮子。或者，每一个接触地面的构件包括一组轮子，
每一组轮子都安装在一根横向设置的共同的中心轴上，并且由马达驱动，使它能绕着中心
轴转动；每一组轮子中的每一个轮子都安装在与上述中心轴平行的轴上，能够 绕这根轴转
动，所以，一组轮子中每一个轮子离开中心轴的距离大致等于每一个轮子的直径。一组轮子
中的每一个轮子都独立地由马达驱动。

[0007] 在又一个实施例中，每一个接触地面的构件包括一对轴向相邻地安装的，能够转动的弧形构件对。上述各构件对中的弧形构件沿横向设置在一根支柱的相对两端，而这根
支柱安装在其中点上，能够转动。各支柱都用马达驱动。

[0008] 附图简述

[0009] 参照附图阅读下面的详细说明，将能更好地了解本发明。附图中：

[0010] 图1是本发明一个简化了的垂直立体图，表示有一个人坐在上面；

[0011] 图2是图1中的实施例的另一个立体图，进一步表示该实施例的细节；

[0012] 图3是图1中的实施例的示意图，表示该实施例的旋转装置；

[0013] 图4是图1中的实施例的侧视图，正用于爬楼梯；

[0014] 图5是一个框图，一般地表示图1的实施例中的动力和控制性能；

[0015] 图6说明一个图1的简化形式的控制方案，以便利用轮子的扭矩达到平衡；

[0016] 图7用图解的方式说明图1中实施例的轮子的操纵杆控制器的操作；

[0017] 图8说明图1中的实施例所用的上下楼梯的程序；

[0018] 图9-21说明本发明利用一对轮子组作为接触地面的构件的实施例；

[0019] 图9-10表示使用设计成各种不同位置的双轮轮子组；

[0020] 图11-21表示使用设计成各种不同位置和构造的三轮轮子组；

[0021] 图22-24说明一个实施例，其中，各接触地面的构件做成许多沿轴向邻接，并且安装成能够转动的弧形构件组；

[0022] 图25-26表示图18-20的实施例中使用的三轮轮子组的机械结构细节；

[0023] 图27表示用于图18-20的实施例中的各控制装置之间的连通方式的框图；

[0024] 图28表示用于图27中的一种通用的控制装置的构造的框图；

[0025] 图29是表示图27中的驱动装置的连接装置总成273的框图；

[0026] 图30是图27中的在中央微型控制器板之前的，在一个控制周期的过程中的逻辑流程图；

[0027] 图31说明决定图11-26中的轮子组，以及该轮子组将上下的假想楼梯的尺寸的各变量；

[0028] 图32说明与决定轮子组相对于车辆和地面的方向有关的各种角度变量；

[0029] 图33是在平衡与正常行进过程中轮子马达的控制示意图；

[0030] 图34是在平衡与正常行进过程中轮子组的控制装置示意图；

[0031] 图35是一个与图33有关的示意图，表示决定指示轮子位置的各状态变量的装置，以便补偿轮子组转动的效果；

[0032] 图36-38说明借助于按照第一实施例的图11-26的轮子组结构，用于爬楼梯和越过障碍的控制装置；

[0033] 图36是用于能够爬楼梯的第一实施例的轮子组马达的控制装置的示意图，此处使用了一种倾斜模式；

[0034] 图37是用于能够爬楼梯的第一实施例的轮子马达的控制装置的示意图；

[0035] 图38是使用能够爬楼梯的第一实施例的车辆，在空载、倾斜和平衡模式中之一下运动时的车辆状态的框图；

[0036] 图39A-B，40A-B，41A-B，和42A-B说明图11-26中的按照本发明的能够爬楼梯的第二实施例的轮子组正在爬楼梯的情形；

[0037] 图39A和39B说明按照第二种爬楼梯的实施例，轮子组在开始爬楼梯的程序中的方位；

[0038] 图40A和图40B说明该实施例开始时轮子组在重新调整角度的程序中的方位；

[0039] 图41A和图41B说明该实施例的轮子组在运输重物的程序中的方位；

[0040] 图42A、42B和42C说明该实施例的轮子组在爬楼梯程序中的方位；

[0041] 图43是在图39A和图39B的开始程序中轮子和轮子组马达控制装置的示意图；

[0042] 图44是在图41A和图41B的运输重物的程序中轮子马达控制装置的示意图；

[0043] 图45是在图42A、42B和42C的爬楼梯程序中控制装置的示意图；

[0044] 图46和47示意地表示按照本发明的一个装有检测上下楼梯或超越其他障碍的传感器的实施例的车辆；

[0045] 图48表示类似于图9-12，采用协调传动装置的本发明的一个实施例的垂直断面图；

[0046] 图49表示图48中的车辆的一个轮子组的细节；

[0047] 图50表示图48的车辆中的轮子组驱动装置的细节；

[0048] 图51表示图48中的车辆的轮子组的端视图；

[0049] 图52表示图48中的车辆的臀部和膝盖关节的机械方面的细节；

[0050] 图53说明本发明的一个能提供对于人控制车辆有用的非视觉输出的实施例。

[0051] 实施例详述

[0052] 本发明能以各种各样的实施例实施。其中许多实施例的一个特征是采用一对横向布置的接触地面的构件，使人悬在他要被运输的地面之上。上述接触地面的构件是用马
达驱动的。在许多实施例中，在运输过程中人坐在里面的构件，至少有一部分时间，在前后
平面上在垂直方向缺乏应有的稳定性，而只是在横向平面上，在垂直方向比较稳定。前后的
稳定性是靠设置包括马达在内的控制回路来达到的，以便操纵与接触地面的构件相连的马
达。如下面所描述的，这一对接触地面的构件可以，例如，是一对轮子或轮子组。当是一对
轮子组时，每一组可以包括好几个轮子。但，各接触地面的构件也可以用若干(通常是一
对)在轴向靠近的，在径向有支承的，并且安装成能够转动的弧形构件来代替。在这种实施
例中，上述接触地面的构件由用上述控制环路中的马达带动的驱动装置来驱动，使得车辆
的重心保持在接触地面的构件与地面的接触点上方，而不管对车辆的干扰和作用力如何。

[0053] 图1中表示本发明一个简化的实施例，在该实施例中，主要的接触地面的构件是一对轮子，并且采用了上下楼梯的辅助的接触地面的构件。(下面将要说明，当接触地面的
构件是轮子组或者上面提到的弧形构件时，上下楼梯行和在平坦地带行进都可以只用一组
接触地面的构件来达到。)

[0054] 图1中所示的实施例包括一个支承构件12(此处具体化为一把椅子)，人13可以坐在它上面。在该车辆上设有一对横向布置的轮子11。这一对轮子确定了一组轴线，其中
包括垂直轴线Z-Z，与轮子的轴线平行的横轴线Y-Y，以及与轮子轴线垂直的前后轴线X-X。
在本文中，把垂直轴线Z-Z和横轴线Y-Y所形成的平面称为“横向平面”，而把由前后轴线
X-X和垂直轴线Z-Z所形成的平面称为“前后平面”。与X-X轴线及Y-Y轴线平行的方向分
别称为前后方向和横向。很清楚，当这辆车放在与地面接触的一对轮子11上时，它相对于
一条垂直线来说，在前后方向肯定是不稳定的，而在横向却比较稳定。

[0055] 由图2可见，该车辆除了轮子11之外，还设有一对沿横向布置的，能够在垂直方向伸长一可控制的长度的底脚21，和一块搁脚板22。上述搁脚板上设有传感器，用于确定它
要放上去的目标高度，例如台阶的高度。上述底脚21设置在一对相应的能够伸长的腿23
上。在一个优选实施例中，当两个底脚都与地面接触时，车辆在前后方向和横向都是稳定
的，但是，当只有一个底脚与地面接触时，横向稳定性就差 一些。

[0056] 图3表示图1和图2的实施例的一种装置，这种装置能够让椅子12相对于悬挂装置，包括底脚21和与其相连的腿23，进行旋转。这种旋转是在大致水平的平面上进行的。
这种旋转装置与每一条腿能够伸长和缩短的能力结合在一起，使得该车辆能够以类似于人
在楼梯上行进的方式上下楼梯。当腿23作为承担重量的腿时，每一条腿能够让车辆的剩余
部分在一次旋转的过程中，绕着这条腿的垂直轴线转动。为了能够旋转，椅子要绕着一根设
置在两条腿23中央的一根垂直轴线转，以保持椅子面向前方的方向。此外，那条不承担重
量的腿23则在旋转的过程中绕着它的垂直轴线转动，以使其相关的底脚21保持面向前方
的方向。

[0057] 很清楚，图1-3中所描述的实施例牺牲了固有的稳定性，以便获得相对的灵活性。对于一般平缓的表面变化，平衡的方式包括为在其他情况下本来是不稳定的装置提供前后
的稳定性。对于更加不规则的表面，例如楼梯，该实施例有一个单独的用于上下楼梯的“步
进方式”。在上下楼梯时可以重新获得稳定性，例如，如图4所示，用一只手抓住普通的扶手
41，或者扶住靠近楼梯的够得着的墙壁。

[0058] 此外，还可以使用各种不同的策略来减少因倾倒而造成伤害的危险。在一种装置中，如果倾倒注定要发生了，则车辆可以进入下坐方式，在这种方式中，有控制地，快速降低
由车辆和人所组合的重心。例如，可以用铰链或者以下述方式分离上述悬挂装置，使得椅子
离开地面的高度降低。下坐方式还有在撞到人之前耗散能量的有利效果，使人处在不易受
伤的位置上，并且使人的位置降低，以便减小撞击传递给人体的能量。

[0059] 在图5的框图中可以看到，一个控制装置51用于控制图1-4的实施例中的马达驱动装置和致动器，以达到行进和平衡的目的。其中包括：分别用于左、右轮子的马达驱动装
置531和532，分别用于左、右腿的致动器541和542，以及旋转马达驱动装置55。该控制装
置的数据输入包括使用者接口561，用于检测前后俯仰的俯仰传感器562，轮子转动传感器
563，致动器高度传感器564，旋转传感器565，以及台阶尺寸传感器566。

[0060] 图6的框图中表示，当轮子起行进作用时，用于达到本发明的图1中的实施例的平衡的简化了的控制规则系统。整套规则系统61是在应用控制回路之前，带有由一台单独的
马达驱动的接触地面的模件的装置的一套运动方程式的等价物。T表示轮子的扭矩。字母
θ表示前后倾斜角(相对于重力的，即垂直方向的车辆的俯仰角)，X表示相对于基准点沿
路面的前后位移，而字母上方的的圆点表示一个相对于时间微分后的变量。图中剩下的部
分是用于达到平衡的控制装置。程序62和63表示求微分。为了做到动态控制以保证该装
置的稳定性，并使该装置保持在路面上一个基准点的附近，该实施例中的轮子扭矩T应满
足下列方程式：

[0061]

[0062] 上述放大系数K1、K2、K3和K4取决于该装置的物理参数和其他因数，例如重力。图6中的简化了的控制规则系统在出现干扰时，例如由于人体的移动或者与其他人或物体
的接触，而使装置的重心相对于地面上的基准点发生变化时，能保持装置的平衡，并且接近
地面上的基准点。

[0063] 为了能安装两个轮子的装置，以代替图6中的一个轮子的装置，需要从左马达传递过来的扭矩和从右马达传递过来的扭矩能够以下面按照图33所描述的普通方式分开来
计算。此外，跟踪左右两个轮子的运动就能够进行调整，防止车辆不需要的转弯，并弥补这
两台驱动马达之间性能的差别。

[0064] 使用了一种手动接口，例如一根操作杆来调整各马达的扭矩。这根操作杆有图7所示的轴线。在该实施例的工作过程中，操作杆向前运动用于使车辆向前运动，而操作杆向
后运动用来使车辆向后运动。左转弯由操作杆的向左运动来完成，而右转弯则由操作杆的
向右运动来完成。所使用的这种结构，当操作杆向左或向右运动时，能让车辆在原地转弯。
至于车辆向前和向后的运动只要简单地使操作杆向前或向后倾斜就可以了，因为上述俯仰
传感器(测量θ)会辨别该装置将试图弥补的步距的变化，根据倾斜的方向引导其向前或
向后运动。或者，也可以根据模糊逻辑来实施控制对策。

[0065] 很清楚，在平衡模式下调整马达扭矩的方法能够达到前后的稳定性，而不需要附加的稳定轮子或柱子(虽然采用这些也有助于稳定性)。换句话说，稳定性是用车辆上部件
相对于底面的运动以动态方式达到的(在此情况下，这些部件组成整个车辆)。

[0066] 用腿爬楼梯

[0067] 图8表示图1中的实施例上下楼梯的一种方式。面对楼梯时，一开始把两条腿缩回(示于程序71)，然后测量第一台阶的高度(程序72)。决定是否要上下台阶(73)。(此
时，为了稳定，人握住一根够得着的扶手是有利的)。

[0068] 然后，在上台阶的第一阶段中(示于程序74)，第一条腿伸长，直到第二条腿越过这个台阶(75)。然后，车辆旋转，直到刚刚越过台阶的第二条腿处在该台阶的上方(78)。
(在完成这一阶段时，也可以使用一个传感器根据该台阶的宽度来决定旋转的距离。或者，
旋转超过一个特定的角度，例如90°。)然后，传感器检测并测量下一个台阶的高度(72)。
如果确定存在台阶(73)，并且前一个台阶是双数(76)，于是过程便继续，伸长第二条腿并
缩回第一条腿，直到第一条腿越过下一个台阶(79)。接着，车辆旋转，直到第一条腿处在越
过的台阶的上方(80)。然后，传感器检测并测量下一个台阶的高度(72)。如果确定存在台
阶(73)，并且前一个台阶是单数(76)，于是过程便继续，伸长第一条腿并缩回第二条腿，直
到第二条腿越过下一个台阶(78)。从程序(72)开始重复这个过程。如果测得没有台阶，如
果前一个台阶是单数，就稍微伸长第二条腿，完全缩回第一条腿并旋转，直到两条腿都朝向
前面，然后缩回第二条腿，站在两条腿上，完成这个过程。如果测得没有台阶，如果前一个台
阶是双数，就稍微伸长第一条腿，完全缩回第二条腿并旋转，直到两条腿都朝向前面，然后
缩回第一条腿，站在两条腿上，完成这个过程(88)。

[0069] 下楼梯也遵循类似的程序。在下楼梯的第一阶段(示于程序81)，第一条腿稍稍伸长，越过第二条腿(程序82)。然后，车辆旋转，直到第二条腿处在要下的这一级台阶的上方
(84)，然后缩回第一条腿伸长第二条腿，直到第二条腿站在台阶上(85)。然后，传感器检测
并测量下一个台阶的高度(72)。如果确定存在台阶(73)，并且前一个台阶是双数(76)，于
是过程便继续，车辆旋转，直到第一条腿处在要伸长到达的台阶的上方(86)。然后，缩回第
二条腿而伸长第 一条腿，直到第一条腿踏在该台阶上(方框87)。然后，传感器检测并测量
下一个台阶的高度(72)。如果确定存在台阶(73)，并且前一个台阶是双数，于是过程便继
续(84)，从程序(72)开始重复这个过程。如果没有测得台阶，就旋转车辆，直到两条腿都朝
向前方，然后缩回两条腿，站在两条腿上(88)，完成下台阶的程序。

[0070] 在另一个实施例中，可以把两条腿安装成让每一条腿能在大致的水平面上向前后方向滑动，来完成两条腿之间的相对运动，以代替上述旋转装置。或者，两条腿可以采用类
似于人的膝盖和臀部关节的连接件。

[0071] 用轮子组爬楼梯

[0072] 尽管图1中的实施例为爬楼梯和在平坦的地形上行进需要不同的接触地面的构件，但本发明在图9-21中的实施例却能成功地在爬楼梯和在平坦的地形上行进时使用同
一组接触地面的构件。图9-18说明本发明利用一对轮子组作为接触地面的构件，来代替实
施例一中所使用的一对轮子的实施例。

[0073] 图9表示使用两个轮子的轮子组的实施例的侧视图。人962坐在该实施例的座位95上。图中所示是右侧的轮子组91，它有一对在转动的轮子组的轴92径向对称位置上的
轮子931和932。同样，在左侧也有一对同样的轮子组。各轮子组各有其独立的受控制的马
达，驱动它绕转动轴92转动。每一对轮子(931和932)又由一独立的受控制的马达驱动它
绕它本身的轴转动，不过，一个轮子组中的两个轮子联结在一起，同步地转动。

[0074] 由图9可见，轮子组91的位置是这样布置的，即，两个轮子931和932都与地面接触。当轮子组91(和左侧的轮子组一起)处在该位置时，本实施例的车辆在前后平面上是
比较稳定的，从而能让一个人961(图中所示站着的人)很快地换成车辆上坐着的位置962，
或者，例如一个残废人从另一把椅子上转移到这个座位上来。

[0075] 但，上述轮子组91只在如图10所示的那样，当只有各轮子组中的轮子932与地面接触时，才能绕其轴92转动。当轮子组91(和左侧的轮子组一起)处在这个位置上时，才
和上面图1中的实施例一样， 车辆才失去了前后方向的稳定性。为了要驱动这些轮子，以
动态方式建立前后的稳定性，可以采用上面说过的控制该装置的同样的方程式。图9和10
还表示了，椅子95可以通过一根具有两段杆941和942的铰接杆与接触地面的构件联结，
这两段杆可以调整它们之间和与座位95之间的角度。这种调整是由开动设置在轮毂945
和946上的驱动装置来完成的。(这种驱动装置可以是协调驱动装置。)这种调整的结果
(再加上轮子组转动的效果)是，其中，座位95的高度改变了；从图中可见，人101坐在椅
子上的高度能够达到与站着的人961同样的(甚至更高的)高度。这是很需要的，因为坐
在轮椅上的人通常都要比站着的人矮。上面所说的调整还能把座位调整成前后倾斜，这一
点将在下面进一步详细描述。

[0076] 图11-18表示在各种方式和结构下使用一种三个轮子的轮子组。图11(显示稳定不动的位置)和图12(显示行进时的平衡位置)的三个轮子的轮子组与图9和10中的两
个轮子的轮子组相对应。每一个三轮轮子组(图中只表示了右侧的轮子组111)都安装成
能够转动，并且采用可控制的单独的马达驱动它绕轴112转动。和两轮轮子组一样，各轮子
组中的各个轮子都独立驱动，并且可控，但，每一个轮子组中的轮子都同步转动。

[0077] 应该指出，虽然这里所说的许多实施例都使用单独控制的独立的马达，但是，也可以只用一个共同的马达来完成许多功能，而各轮子的单独控制可以用适当的离合器或者其
他动力传动装置，例如差速传动装置来实现。用在本说明书中和权利要求书中的术语“用马
达驱动的驱动装置”，其意思是任何能产生机械动力的车辆，而与装置本身无关，因此，它包
括带有任何适当的传递机械动力的机构的，电力的、液压、气动或者热动力的马达(后者包
括内燃机或外燃机)；或者产生推力的装置，例如燃气发动机或马达驱动的推进器。

[0078] 图13与图12相似，但椅子95有一个靠背131和一个座位132。靠背131与座位132所成的角度以及座位132与水平线所成的角度是可以调整的，所以，当靠背131处在一
般的垂直位置时，座位132可以与垂直线倾斜，让使用者取得更接近站立的位置。

[0079] 图14中表示了该实施例的爬楼梯的情形。这里，两条铰接杆941和942都处在伸展的位置上，以取得最高的高度，这样，人101的两 脚能越过台阶141。使右轮子组111和
左轮子组(图中未示出)绕着中心轴112转动，以及各轮子与其配合的转动，就能完成爬楼
梯的过程。下面，参照图27中的程序描述爬楼梯的具体方式和控制构造。

[0080] 图15-17是类似于图11和12的实施例的视图，但是，在该实施例中，铰接杆中的两段杆161和171中的一段杆(图中是171这一段)实际上带着支持身体的组合件中的座
位151和围板152。围板152上还设有靠头板155。当铰接杆171的方向处于接近垂直位
置时，座位151便离开原位，使人153处于由座位151、围板152和踏脚板154来支持的站立
位置。

[0081] 图18-20说明一个与图11-14相似的实施例，在该实施例中，人101的高度可以由伸缩构件181来调整，上述伸缩构件是由独立的马达控制装置使它伸缩的。此外，人绕着图
19中的R-R轴线的摇摆角度是可以通过图19中的独立控制的马达组件191来调整的，如
图18所示。更进一步，椅子181在图19和20中所示的两个不同位置上的前后倾斜，则能
通过独立控制的马达组件192来调整。虽然在本实施例中摇摆和倾斜的调整都是用一根枢
轴和一个马达驱动的驱动装置来实现的，但，这些调整工作也能够用一组与马达驱动的驱
动装置联结的四联杆机构或其他联杆机构来实现。

[0082] 由图21可见，按照本发明的车辆也可以做成没有椅子。人站在平台211上并握住固定在平台211的立柱213上的把手212，所以本实施例的车辆能以类似于小型摩托车的方
式来驾驶。可以很方便地在把手212上设置一个用拇指控制的操作杆来控制方向，当然，也
可以采用其他的控制方法。例如，立柱213和把手212都可以不要，而在平台211上装备传
感器，以探测人的偏斜。实际上，正如已经在图5中描述和在下面还要描述的那样，车辆的
俯仰是由控制回路检测并补偿的，所以，如果人向前倾斜，车辆便向前运动，以保持垂直稳
定性。因此，向前倾将导致向前运动，而向后倾将导致向后运动。可以设置适当的力量转换
机构来检测向左和向右的倾斜，并设置有关的控制器，使得所测得的倾斜结果导致左转或
右转。也可以用接近传感器来检测倾斜。同样，本实施例的车辆也可以装备一个脚踏开关
(或力致动开关)来操纵车辆。当人站在平台211上时，开关就接通，车辆便自动地开动。
虽然在本实施例中只表示了以图13-20的轮子组的方式来操作的左右轮子组214，但，也可
以换一种方式，在车辆上设置其他的接触地面的构件，例如如图1那样的沿横向设置单独
的一对轮子(但没有腿)，或者象图22-24那样(将在下面描述)，在左右各设置许多对轴
向邻近的，安装成能够转动的弧形构件。

[0083] 用弧形构件爬楼梯

[0084] 图22-24说明一个实施例，其中，各接触地面的构件做成许多(图中是一对)轴向邻近的，安装成能够转动的弧形构件组。例如，在与图15中的轮子组推进的实施例相当
的图22中，右侧的接触地面的构件做成成对的弧形构件221和222。每一对弧形构件221
和222的弧形元件(标号221a-221b和222a-222b)设置在一根支柱(标号分别为221c和
222c)相对的两端，该支柱安装成能绕其中点转动。每一根支柱221c和222c用马达驱动，
并且能互相独立控制。运转时，在正常行进的过程中，上述每一对弧形元件的作用近似于一
个轮子。例如，在正常行进时，在弧形元件221a快要脱离底面时，元件222a就已经转动到
所示的位置，使得由弧形元件的形状所造成的滚动继续下去。于是，这辆车便能基本上随着
这些弧形元件继续滚动。这样，通常，每一个弧形元件绕其转动轴线运动的角速度不是恒定
的。一般，当一对元件中没有一个元件与地面接触时，这一对弧形元件的角速度就比较快。
但，当这一对中有一个元件与地面接触时，这一对元件(因而也就是与地面接触的元件)的
角速度就要受到控制，使它与车辆的地面行驶速度相配，这样车辆才能达到所需要的地面
行驶速度。

[0085] 弧形元件的角速度变化，但车辆仍具有恒定的地面速度这一效果，是由于在车架上有反作用扭矩，该扭矩企图导致不希望有的车辆的加速度。解决这个问题的一个方案是
把车辆设计成马达驱动装置的反作用扭矩等于它所驱动的弧形元件的反作用，并且方向相
反。这可以用下式表示

[0086]

[0087] 式中，I是惯性矩，下标L表示弧形元件装置，下标R表示转子装置。这个方程式也可以写成：

[0088]

[0089] 可以用下式的齿数比Ng来代替上述角速度的比：

[0090]

[0091] 满足了这个Ng的方程式(这可以借助于适当设计齿数比和惯性来实现)，反作用扭矩就平衡了，车辆就能平稳地前进。

[0092] 通常，各弧形元件的径向最外部的界限有一个圆弧的恒定的主半径，这个圆弧一般与半径的长度等于到该界限的距离的圆形相符。各弧形元件都有一个前端部分和一个尾
端部分，车辆向前行进时，前端部分首先接触地面，而尾端部分最后离开地面。例如弧形元
件221a的前端部分用标号223表示，其尾端部分则用标号224表示。为了在向前行进的过
程中让随后的弧形元件平稳地接触地面，各弧形元件在靠近其前端部分的顶端的圆弧半径
应该稍小于该元件的圆弧的主半径。同样，为了能让随后的弧形元件在向前行进的过程中
平稳地与地面接触，各弧形元件在靠近其尾端部分的顶端的圆弧半径应该稍小于该元件的
圆弧的主半径。换一种方式，或者此外再加上靠近前端部分和尾端部分的顶端的圆弧半径
可以用其他方式调节，以便于载荷从这一组中的一个弧形构件转移给另一个构件。可能在
有些实施例中需要使弧形顶端的半径大于圆弧的主半径。在另一些实施例中，上述顶端可
能安装成能够转向的，并且与一转向装置联结，结果，在动作时，局部的圆弧半径是可以变
化的。

[0093] 应该指出，当需要时，可以借助于把支杆221c和222c岔开一个角度(接近π弧度)，使一个弧形构件的前端部分与地面接触，而另一个弧形构件的尾端部分与地面接触，
并且这些接触点互相隔开距离，这样，就能把本实施例的车辆放置在一个静止的位置上。这
样一个位置也降低车辆的整体高度，并便于车辆紧凑地储存或运输。

[0094] 图23表示图22中的车辆上的人站在平台154上，而座位151的方向是垂直的。这种车辆在整体上与图17中的用轮子组推进的实施例相当。

[0095] 图24表示图22中的车辆在爬楼梯。这些支杆是以这种方式在运动，即，随后的弧形构件踏在下一个台阶上。

[0096] 轮子组结构的细节

[0097] 图25-26提供了图18-20中的实施例的三轮轮子组设计的细节。各轮子组251a和251b都有它自己的驱动马达，通过一齿轮系驱动轮子组。各轮子组中的轮子由轮子组
251a的马达253a和轮子组251b的马达253b单独提供动力。在一个给定的轮子组251a或
251b内部的轮子由该轮子组的马达2531或253b通过一径向布置的齿轮装置同步驱动。在
图26的轮子组251a的侧视图中表示了轮子261a、261b和261c，以及与其协同工作的驱动
齿轮262a、262b和262c，分别由惰转齿轮263a、263b和263c驱动，而这些惰转齿轮又由马
达253a的轴驱动的动力齿轮驱动。

[0098] 图27是表示各用于图18-20的实施例中的车辆的控制装置之间传递信息的框图。同样的一套控制装置可以用于本说明书中的任何其他实施例。车辆由电池组271提供动
力。总线279在各控制装置之间传递信息(图中以串联的方式实施)，并为它们提供动力。
车辆中所有装置的控制由中央微控制器操作台272提供。为装置的控制奠定基础的输入中
央微控制器操作台的信号(从诸如操作杆和倾角计那样的信息源传递来的)由驾驶员的接
口组件273提供，该组件将在下面结合图29来描述。图18中的椅子182的倾斜、高度和摇
摆分别由倾斜的马达控制装置274、高度的马达控制装置275、和摇摆的马达控制装置276
来调节。左、右轮子组的转动分别由左轮子组的控制装置278a和右轮子组的控制装置278b
来控制。左、右轮子组中各轮子的转动由左轮子的控制装置277a和右轮子的控制装置277b
来控制。

[0099] 图27中所示的用于椅子位置以及轮子和轮子组的各控制装置的整体构造示于图28。马达281从电源转换器282接受三相电源。从霍尔效应检测器2812输出的信号为电
源转换器282提供信息，控制输入马达的电源的相位。有关马达轴转动或者由该马达带动
的机械装置的位置的信息可以由一个或者更多个电位器284、转速计2811或者增量变码器
2813提供(或者，可以只用霍尔效应检测器2812)。这些信号都输送给外围微控制器操作
台283。由电源转换器282和马达281一起产生的附加的温度输出信号向外围微控制器操
作台283提供输入信号。上述外围微控制器操作台283通过总线297与中央微控制器操作
台连通。

[0100] 图29是图27中的驾驶员接口组件273的细节的框图。一台外围微电脑操作台291接受从操作杆292和倾角计293送来的信号。该倾角计对俯仰角和俯仰速率提供信息。
(在整篇说明书和权利要求书中，“倾角计”这一术语是指任何提供指示俯仰角或俯仰速率
提供信号的装置，而与所用的完成该输出信号的装置无关；如果只提供了一次俯仰角和俯
仰速率变量的输出信号，则其他变量可以借助于对时间的微分或积分来获得。)为了让车
辆在转弯时具有受控制的倾斜度(以便提高转弯时的稳定性)，也可以方便地使用第二个
倾角计来提供摇摆和摇摆程度的信息，或者，系统重量和离心力的合力。提供其他输入信号
294作为外围微控制器操作台291的输入也是需要的。所谓其他输入信号包括：调整椅子
的开关和决定操作方式(例如下面所说的倾斜方式或平衡方式的开关(按钮或旋钮)的控
制信号。上述外围微控制器操作台291还接受从电池组271发来的关于电池电压，电池电
流，和电池温度的输入信号。外围微控制器操作台291通过总线279与中央微控制器操作
台272连通。

[0101] 图30是在图27的中央微控制器操作台272之前的，在一个控制周期内的逻辑流程图。为了突出特点，控制周期从步骤301开始，即从检查技术人员有没有任何输入信息开
始。下一个步骤302是读出驾驶员从操作杆、开关、按钮和旋钮所输入的信息。接着，在步
骤303中将车辆的状态变量作为输入信息读出来。接着，在步骤3011中，修改技术人员所
显示的信息(在特殊使用的状态下)，然后，在步骤304中根据从步骤301到303所获得的
输入变量改进程序的状态。然后，试一试，是否要退出该程序(步骤3041)，如果答案“是”，
便使所有的马达放大器失效(步骤3042)，于是程序便结束。否则，便对有关的变量(例如
温度、电池电压等)进行安全检查(步骤3043)，如果答案是“否”，则使轮子和轮子组的马
达放大器失效(步骤3044)，然后，改进程序的状态(步骤3055)。但是，由于要适当使用若
干级别的检查，所以，上述马达放大器只在建立了极限警告调节器之后才失效。如果在步
骤3043的安全检查中没有问题，或者，在步骤3055中改进了程序状态之后，按顺序完成轮
子组扭矩信号的计算(步骤305)，轮子扭矩信号的计算(步骤306)，倾斜速度信号的计算
(步骤307)，摇摆速度信号的计算(步骤308)，以及高度速度信号的计算(步骤309)。然
后，在步骤3010中，将这些计算的结果作为一个输出信号，输出到相应的车辆中去。在步骤
3091中，该程序等待下一个定时信号，以便再一次开始控制周期。本实施例中的控制周期的
频 率在200-400Hz的范围内，这样的频率提供了令人满意的控制反应性和稳定性。

[0102] 图31说明确定图11-26中的轮子组的尺寸，和该轮子组的结构能够用来上下的一部假想的楼梯的尺寸的变量。用于确定图31中所表示的这些尺寸的各种变量列于表1。
“标称”尺寸指的是图18-20中的实施例用来实施和起作用的这些项目的典型尺寸。

[0103] 表1尺寸变量

[0104]变量 说明 标称尺寸
L 从轮子组中心到系统质量中心的距离 21.0″
l 从轮子组中心到轮子中心的距离 5.581″
l′ 从轮子中心到轮子中心的距离 9.667″
d 台阶宽度 10.9″
h 台阶高度 6.85″
z 当四个轮子与楼梯接触，而且下面的轮子靠在 台阶立面上时，台阶立面的边缘与轮子接触点 之间的距离可用下列公式来计算 3.011″
r 轮子的半径 3.81″

[0105] 在结合以下的说明使用表1中的变量和下面表2中的那些变量时，要应用下列规定：

[0106] 1.在地球坐标系中确定的变量用大写字母的单一下标来命名。地球坐标系是固定在地球上的(不动的)。

[0107] 2.在相对坐标系中确定的变量用双下标来命名。这两个下标表示变量的端点。下标的次序表示变量的正负号。例如，θpc是支柱与轮子组的腿之间的角度，此时，从轮子组
的支柱向顺时针方向转动为正向(见规定4)。轮子组的“腿”是从轮子组的中心到目前在
上面平衡的轮子中心的一段线条。轮子组的“支柱”是从装置的重心到轮子组中心的一段
线条。

[0108] 3.较低的下标用于表示其他特征，例如，左/右等等：r＝右；l＝左；ref＝基准；f＝结束；s＝开始。

[0109] 4.所有顺时针方向的角度都是正的，此时，车辆沿X的正方向向前行驶。

[0110] 5.变量上方的圆点表示对时间的微分，例如：

[0111] 图32说明用于确定轮子组相对于车辆和相对于地球的方向的角度变量和运动变量。这些变量均列于表2中。

[0112] 表2角度变量和运动变量

[0113]变量 e 名称 说明
θc 轮子组角度 垂直线与目前在轮子组的轮毂上平衡的轮子 的直线之间的角度
θw 轮子角度 垂直线与轮子上的随机的半径线之间的角度
θpc 轮子组支柱角度 从支柱开始到在上面平衡的腿结束的，以轮子 组的轮毂为中心的角度。(当在腿垂直的轮子 上平衡时，θpc＝180°)
θpw 轮子支柱角度 支柱与轮子上随机线条之间的角度
X X 轮子中心沿基准坐标系底面的线性位置
θ1 倾角计角度 倾角计相对于重力的角度
θ 俯仰角 车辆重心与轮子中心之间的实际角度。此角度 由用于θc和θpc的补偿倾角计的角度θ1推导 出来。
Ψ 摇摆角 车辆的X轴线与基准框架的X轴线之间的角 度。

[0114] 图33-35是适合与图27中的控制装置结合起来使用的控制规则系统的框图，它适合于在行进和固定位置两种情况下，在一对轮子平衡时，为按照图11-21的实施例提供车
辆的稳定性。

[0115] 图33表示用于左、右轮子的马达的控制装置(相应于图25中的标号252a、252b)。该装置除了由操作杆沿着基准坐标系统的轴线X和Y的位置所确定的方向性输入信号3300
之外，还有θ、 (左轮相对于地球坐标系统的线速度)和 (右轮的线速度)
的输入信号。输入信号θ、 以及误差信号x和 (将在下面描述)分别根据增益K1/
K2/K3和K4而来，成为输入加法器3319的输入信号，该加法器在上面结合图6描述的普通
方式中，为轮子产生基本平衡扭矩命令。加法器3319的输出与加法器3320中的摇摆PID
闭合电路3316(将在下面描述)的输出结合在一起，再在除法器3322中除，并在饱和极限
器3324内取极限，以产生左轮子的扭矩命令。同样，加法器3319的输出与加法器3321中
的PID闭合电路3316的输出结合在一起，再在除法器3323中除，并在饱和极限器3325内
取极限，以产生右轮子的扭矩命令。

[0116] 在图33中，沿着X轴线的方向的输入信号使得基准坐标系统沿着它的X轴线相对于地球坐标系统(该系统代表行驶表面)，以与操作杆的位移成正比的速度移动。而沿着
Y轴线的方向的输入信号使得基准坐标系统绕着它的Z轴线，以与操作杆的位移成正比的
角速度转动。很容易理解，操作杆向正的X方向的移动，在这里可以被理解为向前运动；而
操作杆向负的X方向的移动，则被理解为向后运动。同样，操作杆向正的Y方向的移动意味
着向左转弯，即，从上面看是反时针转，而操作杆向负的Y方向的移动则意味着右转弯，即，
从上面看是顺时针转。因为上述方向输入信号X和Y是分别通过静区程序3301和3302规
定的静区，以展宽操作杆的中性位置，然后经过K11和K10的放大，然后分别由限制器3303
和3304进行速率限制，分别限制基准坐标系统的角加速度和线加速度。通过加法器3305
获得的这些输出的总和便成为基准速度Xr ref，而通过加法器3306获得的这些输出的差，
成为基准速度 在加法器3308和3307内从左轮和右轮的补偿后的线速度输入信号
和 中减去这两个基准速度(请见下面图35中对这个问题的说明)，得到基准
坐标系统内左轮和右轮的速度误差信号 和 然后，通过加法器3317和除法器3318确
定的这些信号的平均值，产生一个线速度误差信号 在积分器3310和3309内对 和
积分，在饱和限制器3312和3311内限制其答数，然后再通过加法器3313和除法器
3315求出这些信号的平均值，就得出了位移误差信号x。通过加法器3314确定的这些位移
之间的差就是摇摆误差信号Ψ。

[0117] 上述摇摆误差信号Ψ穿过一个比例加积分加导数(PID)控制回路3316，其输出与加法器3319的基本平衡扭矩命令输出相组合，产生单个轮子的扭矩命令，使得轮子保持前
后的稳定性，并且也使得车辆本身对准并跟随原来的由方向输入信号3300所导向的基准
坐标系统的轴线。

[0118] 图34是轮子组控制装置的示意图。轮子组的方向可以由方向输入信号3400来控制。如果必要，用于为轮子提供方向输入信号3300的同一根操作杆，可以用一个单独的开
关，以独立的方式，提供专门为轮子组的方向用的方向输入信号3400。按照总体上与通过图
33的加法器3306和3305的单一通路相似的方式，这里加入了操作杆向X方向的正位移所
产生的信号，而减去在加法器3402和3401中向Y方向的正位移所产生的信号，以提供左右
轮子组转动速率的信号，这些信号经过在积分器3404和3403中分别积分之后，分别向左右
轮子组加法器3406和3405提供所需要的角度方向信息。

[0119] 缺乏方向输入信号3400，优选的轮子组方向(通常为θpc ref＝π弧度)通过图34中的线3413，与显示实际轮子组方向θpcl和θpcr(借助于使轮子组的角速度信号
从左右轮子组的编码器分别通过积分器3412和3411而得到)的信号一起，提供给各加法
器3406和3405。然后，加法器3406和3405的输出信号就分别是左右轮子组的轮子组位置
误差信号。这些信号通过PID控制回路3408和3407和饱和限制器3410和3409送出，驱
动左右轮子组的马达。

[0120] 图35是与图33相关的示意图，表示用它来显示轮子位置、俯仰角的状态变量的装置，并决定俯仰的速率，以便补偿轮子组转动的效果。如表2所列，上述俯仰角θ是车辆的
重心与目前在上面平衡的轮子的中心之间的实际角度。由倾角计测得的角度θI是支柱相
对于垂直线的角度。因此，实际俯仰角θ是根据θI，再用加法器3518减掉一个校正信号
θI corr。信号θI corr是在加法器3516中按照θpc+π-θc计算出来的。上述θpc
由左右支柱-轮子组的角度θpcl和θpcr的平均值决定的，而θpcl和θpcr是在积分
器3509和3510中对左右轮子组编码器的输出信号积分得来的；上述平均值用加法器3511
和除法器3512得到。假定车辆是平衡的，θc可用下式从θpc得到：

[0121]

[0122] 这一计算在3515区间进行。上述θ1corr用微分器3517微分，以提供一个由加法器3519供给的，得出校正输出信号θ后的俯仰速率信号θ1。

[0123] 同样，左、右轮子的线性左、右速度 和 是由线性左、右位置信号和 的微分器3507和3508微分后得到的。而这些位置信号又是借助于在乘法
器3505和3504中的增益r，放大左、右轮子的已经决定的绝对角度位置θwl和θwr来获
得的。上述角度位置θwl和θwr首先在积分器3501和3502中对左、右轮子的编码器信号
和 积分，以获得θpwl和θpwr，而确定的。然后，将这些信号送入加法器3503
和3504，在这两个加法器中补偿轮子组附加的转动θc，和从加法器3513和3514中获得的
量1/2(θpc-π)的效果。

[0124] 图36和37是表示适合于与图27中的控制装置结合在一起使用的，控制规则系统的框图，以便能让一辆按照图11-21中的实施例的车，按照第一实施例那样的方式爬楼梯
和越过障碍。在本实施例中，轮子组放置成倾斜的模式，轮子组在这种方式下转动，试图采
用以图33中所示的轮子转动正常平衡方式同样的普通方式，来保持平衡。使用的是同样的
基本公式。图36中，加法器3601提供校正信号来驱动左、右轮子组，这种校正信号是从倾
角计3602获得的，该倾角计通过增益K1和K2分别提供俯仰角和俯仰速率信号θ和 从
左、右轮子组输出的编码器信号提供 和 的输入信号，由积分器3603和3604分
别积分，并由限制器3605和3606分别进行饱和限制，以产生θpcl和θpcr。通过加法器
3608和除法器3610平均后，这些数值便成为角位移θpc，该角位移通过增益K3，作为附加
信号输入加法器3601中。通过加法器3617和除法器3618确定为 和 的平均值
的速度 是加法器的另一个输入信号，但，这一次是通过增益K4。加法器3601的输出
信号分别通过加法器3611和3612，除法器3613和3614，以及饱和限制器3615和3616，使
左、右轮子组的马达能够均匀地驱动。但是，通过PID控制回路的歪曲的信号则通过加法器
3611和3612，为左、右轮子组马达提供差动驱动。这种歪曲的信号是利用加法器3607互相
减掉信号θpcl和θpcr而获得的。

[0125] 当轮子组处在倾斜模式时，轮子都处在从动模式，在这种模式中， 轮子是由轮子组转动的功能来驱动的。这一点示于图37，图中，从图36得出的作为从除法器3610的输
出信号θpc在增益3710中被乘以爬坡比例常数，产生了θpw ref，这是一个分别通过PID
控制回路3705和3704，以及饱和限制器2707和3706之后，输入加法器3703和和3702中
去，用于控制左、右轮子马达的信号。比较图37与34表明，在图37中的轮子从动于轮子组
的方式与图34中轮子组从动于垂直(π弧度)输入信号3414的方式相同。在图37中，加
法器3703和3702各有两个另外的输入信号。一个是跟踪从操作杆来的方向输入信号3714
的结果的输入信号，该信号以与图34中的处理过程相似的方式，通过加法器3709和3708
以及积分器3711和3710，产生分别向加法器3703和3702输入的左、右控制信号。另一个
输入信号是跟踪轮子转动的效果的，所以，使左、右轮子编码器的输出信号通过积分器2713
和3712而获得的θpwl和θpwr也被加法器3703和3702减去。

[0126] 使用倾斜模式为越过障碍提供了有力而稳定的方法。爬坡比例由在图37中为增益3710所选择的乘法器决定。一当决定之后(这是一项可以选择用手动或自动的方式来
确定用适当的空间传感器测量下面的障碍，或者全部或者部分按照经验，根据状态变数本
身来确定)，车辆就能借助于人的倾斜或者使车辆向所需要的方向倾斜来越过障碍。轮子组
转动，在维持平衡的同时与轮子一起转动，越过障碍。如果车辆没有遇到障碍，就要求它在
图33和34的平衡方式下工作，此时，轮子组始终遵循π弧度，而轮子则保持平衡并使车辆
运转。

[0127] 轮子平衡模式与轮子组倾斜模式之间的转换是需要注意的。图38是图33-37中的实施例的车辆的状态在空转、倾斜和平衡模式之间转换的框图。在关键时刻，在确定
(θpc-π)模式的(2π/3)＝0之前，没有状态的变化。重心大致处在地面的一对接触点
上方时的状态是主要的状态，在下面的说明书中和权利要求书中，把这种状况称为“零交叉
口”。在零交叉口上，轮子组所处的位置使它能够，例如，始终遵循图34中的方式，处在θpc
＝π的位置。从程序3801开始之后，车辆的原始状态是准备空转3802，然后从该状态进入
并留在空运转3803，直到运转/空转开关移动到运转位置为止。一当处在该位置上时，车辆
便进入离开空运转状态3804。由于无论在那一个轮子组上都没有绝对基准，，我们假定，车
辆是在平坦的同一高度的地面上，处在“离开空运转”3804的状态，并以在该状态下为绝对
基准。由增量编码器所决定的轮子组的所有运动，都是相对于该基准而言的。此时， 或者
在以后的任何时间，如果运转/空转开关移动回到空转位置，那么，便越过路径3812回到准
备空转状态3802。否则，便进入等待状态3805，并保持在该状态，直到确定θ＝0时，才进
入准备倾斜状态3806。然后，从准备倾斜状态进入倾斜状态3807，并保持在该状态下，直到
有一个开关移动为止。如果以后倾斜/平衡开关放在了平衡状态的位置上，而且轮子组正
处在零交叉口，那么就成功地转换到离开倾斜状态3808，到达准备平衡状态3809，最后，到
达平衡状态3810。如果倾斜/平衡开关移动到倾斜状态位置，那么车辆便转换到离开平衡
状态3811，回到准备倾斜状态3806。

[0128] 上述等待状态能让轮子和轮子组的马达平稳地启动。没有等待状态，控制电路将立刻试图补偿从倾角计送来的潜伏着巨大误差的信号。由于是在零交叉口开始的，就能避
免这一点。在零交叉口上监控θ，并要求它低于某一个阈值的附加技术，能使启动更加平
稳。

[0129] 图39A-B，40A-B，41A-B和42A-B说明让一辆如图11-21中的实施例的车辆，按照第二实施例那样爬楼梯时的控制装置中的程序。在该实施例中有四个基础部分操作程序：
起动；设定角度的起点；转移重量；爬楼。该实施例能很方便地用图27中的控制装置来实
施。图43(起动)、44(转移重量)、和45(爬楼)是表示完成这四个程序的控制规则系统的
框图。(由于在设定角度的起点这一程序中没有动作，所以也没有为该程序的控制规则系
统。)图39A和39B表示轮子组在起动程序中的方向。在该程序中，轮子组从其在两个轮子
上的正常平衡位置(图39A)移动到第一对轮子(一个轮子组一个)处在第一台阶上而第
二对轮子(一个轮子组一个)处在下一个台阶上的状态(图39B)。在本说明书中结合图
39A-42C所使用的角度值，都是采用上面表1中所列的楼梯和轮子组中的轮子的尺寸所得
出来的数值。在图43中所示的规则系统的起动程序中，将作为时间的函数的θpc ref的
输入信号提供给轮子组程序4301；该函数平滑地从起始值变化到终了值。或者，也可以以
类似的方式提供一个θc ref的输入信号。此时，θc ref的输入信号通过处理器4302，计
-1
算出sin 〔L sin θc/L〕的值。这个值与θc ref和π一起作为输入信号提供给加法器
4303，该加法器计算出：

[0130] θpc ref＝π-θc ref-sin-1〔Lsin θc ref/L〕，

[0131] 变压器把这个值作为θpc ref的输入信号提供给轮子组程序4301。上述轮子组方框的设计与图34中的相同，只是θpc ref不再固定在π上，而是象刚才所说的那样变化
的。平衡程序4304设计成与图33中的相同，但操作杆增益K10和K11设定在零上。加法器
4305以与图35中的同样的方式对倾角计的俯仰读数提供补偿，并且，加法器4305的输出信
号由微分器4306进行微分，以便按照图35所示的方式提供对θ1的校正，于是，提供给轮
子平衡规则系统4303的是校正后的俯仰输入信号θ和 输入平衡程序的信号 和
也以对图35所描述的同样方式获得。

[0132] 图40A和40B说明轮子组在设定角度的起点程序中的过程。在这个步骤中，为了测量状态的变量，该系统将“腿”的恒定量从(属于在表1后面的规定的第2项)与下面的
轮子联系在一起，改变为与下一个台阶上的轮子联系在一起。结果，由于在轮子组上有三个
轮子，而且围绕着轮子组中心的总角度是2π弧度，在这个步骤中对θpc加上了2π/3，而
从θc中减掉了2π/3弧度。在这个步骤中没有任何运动。

[0133] 图41A和41B说明轮子组在转移重量这个程序中的过程。在这个程序中，车辆和人的重量从下面台阶的轮子转移到上面台阶的轮子上。这个程序是根据已知的台阶和轮子
组的几何尺寸，作为预先编制好程序的操作来实施的。在该程序中，θc的值不变。而θpc
的值必须变化到能反映车辆重心的新的位置。为了达到这种结果，将作为时间函数的θpc
ref信号提供给线3413，输进图34的轮子组程序和图44的轮子程序中。因为这个程序是
已经编好了的，所以图45中的爬楼程序和图33中的轮子平衡程序不起作用。在图44中，
输入信号θpc ref通过除法器441，然后，通过PID控制回路445和444以及饱和限制器
447和446，提供给加法器443和442，而这两个加法器分别向左、右轮子的马达提供控制信
号。上述加法器443和442还减去θpwl和θpwr的值，这两个值是借助于处理从左、右轮
子编码器分别通过积分器448和449送来的角速度信息而获得的。

[0134] 图42A、42B和42C说明在爬楼梯程序中轮子组的方向。在该程序中，车辆的轮子向前方的下一个台阶转动，同时又使轮子组转动，把下一个平衡轮子的位置置于下一个台阶
上。轮子组转动的角度θc与轮子在台阶上行进距离成正比。在这个程序中，没有基准位
置的输入信号。人倾斜，或者拉住扶手，以便使车辆向前行进。由于图45中 通过路径451
从θw到θc反馈的结果，轮子组自动地转动。在爬楼梯程序开始时，x设定为零。在本程
序中的控制规则系统需要监控θc或者θpc，并当这一角度到达其最后值时，转换到重量
转移程序。在最后一个台阶上，不是停止在图42C所示的完成角度上，而是必须停止在θc
＝0或者θpc＝π的角度上。然后，车辆恢复到正常的平衡模式。平衡程序453和轮子
组程序452分别与图33和34中所描述的相同。向平衡程序453输入的信号θ，
和 的推导与以上对图43和35所描述的相同。实际上，图45中的结构基本上与图43
中的相同，仅有的一点差别是θc ref不再独立变化，而是成为θw的函数，通过加法器454
和除法器455取θwl和θwr的平均数后再送出去。因此，在线451上的θw值要通过处
理器456来确定其数值

[0135]

[0136] 这样就得出了轮子组和轮子在这种楼梯的几何尺寸上转动的正确的量值，并与原始的θc，即θc st的值一起作为输入信号提供给加法器457。加法器457的输出信号是
θc ref。

[0137] 虽然图33-45中表示的是模拟控制规则系统，也使用了微处理器编程的数字控制器在许多实施例中实施过。但是，使用直接模拟控制器，或者使用模拟和数字控制的混合计
算机，也完全包含在本发明的范围内。模拟控制器已经成功地在图21的车辆上，使用一对
代替轮子组的横向布置的轮子实施过。

[0138] 速度限制

[0139] 在另一个实施例中，可以在以上所述的按照本发明的车辆的任何一个实施例上设置速度限制，以保持平衡和控制，而如果轮子(或者弧形元件)被允许达到目前能够达到的
最高速度的话，就可能失去平衡和控制。

[0140] 速度限制是借助于使车辆在与当前行进方向相反的方向上向后仰，这样就能使车辆减速。在本实施例中，车辆的后仰是由在倾角计的俯仰值上加上俯仰修正来实现的。只
要车辆的速度超过由车辆的速度限制器所确定的阈值，速度限制器就起作用。俯仰的修正
是由观察车辆速度与所确定的对时间积分的速度极限之间的差别来确定的。在车辆的速度
降低到所需要的低速之前(或者速度稍稍低于速度极限)，俯仰修正程序始终保持，在此之
后，俯仰角平稳地回到其原始值。

[0141] 决定车辆的速度极限的方法之一是监控电池的电压，然后，该电压便可用来估算车辆目前正在保持的最高速度。另一个方法是测量电池和马达的电压，并监控两者之间的
差，这个差可用来估计目前车辆可能达到的速度极限。

[0142] 在爬楼梯中使用传感器

[0143] 如以上对图37所描述的，爬楼梯和超越其他障碍可以利用一种倾斜模式来实施，并且爬坡率可以用手动或自动的方式来选择。本节将在另一个实施例中描述如何利用传感
器达到自动调整爬坡率的目的。在倾斜模式下，轮子组是“主动”的，而轮子是“被动”的。
爬坡率表达了轮子组的转动与轮子的转动之间的比率。例如：

[0144] ①爬坡率等于零的意思是轮子根本不运动，而轮子组在运动。

[0145] ②爬坡率等于0.25的意思是轮子组每转一转，轮子向同一方向转1/4转。

[0146] ③爬坡率等于-0.5的意思是轮子组每转一转，轮子向相反方向转1/2转。

[0147] 请参阅图46和47，图中表示了一辆车辆，车辆上有用于支承人体的装置，例如椅子461。椅子461上装有其形式为一对轮子组462的接触地面的模件，各轮子组均由马达驱
动，并且各有若干(此图中是三个)轮子463。各轮子组上的各个轮子也用马达驱动。在本
实施例中，两个轮子组462用一根管子连在一起，轮子组的马达可以容纳在该管子中。轮子
组462是包括椅子461在内的总成的一部分，该总成分别通过大腿联杆466和小腿联杆464
和用马达驱动的臀部和膝盖连接件467和465安装在轮子组的管子上。上述臀部、膝盖和
轮子组的驱动装置一起动作，以改变椅子461的高度。请注意，在这种构造中，当它使小腿
联杆绕轮子组转动时，轮子组的驱动装置类似于一个球铰。轮子组的姿态由平衡规则系统
来维持。本实施例的车辆上设有一传感器A，它沿着路线468向前方看，正好安装在轮子组
管子的上方，其离地高度足以检测到要爬的楼梯460的第二个台阶的立面。(请注意，如果
是爬马路牙齿，则检测不到立面。)传感器A只在爬楼梯时使用。 本实施例的车辆还设有
传感器B，它沿着路线469向下方看，也安装在轮子组管子上。这个传感器检测从它的表面
到下面的地面的距离。这个传感器放在管子的前面，其离地高度足以检测要爬的台阶的踏
板。传感器A和B可以是该技术领域内任何公知的检测距离的型式，包括超声波传感器。

[0148] 如图47所示，当车辆下降时，传感器B借助于检测高度的变化，检测该装置目前所在的台阶的终端。传感器C安装在椅子461的搁脚板上沿着路线471向下方看。它检测从
它的表面到下方地面的距离。这个传感器只用于下降的时候。它设置在离开地面足够远，
和离开轮子组管子向前足够远的地方，以便在准备下降时能看见上方台阶面的边缘。

[0149] 在本实施例中，为了上楼梯，车辆的驾驶员在平衡的模式下，通过驾驶员接口发出“向上爬”的命令。于是，座位便自动升高到最高位置，使得驾驶员的脚越过驾驶员前面的台
阶。然后，驱动车辆向楼梯前进。当传感器B检测到一个台阶时(即当从传感器到地面的
高度改变时)，车辆便进入倾斜状态，使它“落在”第一台阶上(两个轮子在下面的地上，两
个轮子在第一台阶上)。一当车辆处于倾斜模式时，重心(CG)便自动向前偏移。这种偏移
使得驾驶员易于向前倾。驾驶员的前倾形成了一个俯仰角的误差。结果，上述轮子组平衡
规则系统便向轮子组马达施加一个扭矩。该扭矩使得轮子组转动，并使该装置升上楼梯。

[0150] 在车辆从四个轮子处在两个台阶上转换成两个轮子处在一个台阶上的瞬间，可应用一规则系统以动态方式调整爬坡比。这个固有的瞬间不是由传感器决定的，而是看下面
的信息那一个是确实存在的：

[0151] ①命令车辆向上爬；

[0152] ②偏移已经完成；

[0153] ③由于最后一次爬坡比的调整，轮子组已经转了2π/3；

[0154] ④轮子组的位置在一定的窗口内；

[0155] ⑤上述轮子组扭矩的命令低于一定的阈值，而命令的导数是负的(相当于设定轮子在台阶之下)；以及

[0156] ⑥上述轮子组扭矩的命令高于一定的阈值，而命令的导数是正的(相当于设定轮子抬高到台阶上方)。

[0157] 在上述的有关瞬间，规则系统利用传感器A来确定到下一个台阶的距离，轮子组将转动2π/3，以便到达下一个台阶，以及确定轮子的半径，以便计算爬坡比。如果传感器A
的读数超出范围(上面没有台阶面)，或者距离超过一定的阈值(太远了，首先必须回到平
衡模式)，这就是说，这是最后一个台阶；于是控制器进入最后一个处理步骤。对于每一个
连续的台阶都重复这样的程序，直到最后一个台阶。

[0158] 在最后一个台阶上，上述CG移回中心，于是高度就降低。虽然这样会使向最后一个台阶仰起更加困难，但它能使车辆着地时更加稳定。要在转换到平衡模式时推动车辆很
好地着地，就要选择大的爬坡比。驾驶员再一次向前倾。当确定已经处在零的交叉口上时
(按照图38的定义)，车辆便转移到平衡模式。现在，车辆用轮子在上方的平台上平衡。

[0159] 下降的处理方式与上升的相似。驾驶员在平衡模式下通过驾驶员接口发出“向下降”的命令。座位便自动降低到最低高度(如果尚未到达该高度的话)。这主要是为了提
高驾驶员的安全感。传感器C处在轮子很远的前方，所以车辆在平衡模式时不需要太靠近
台阶的边缘。由于在进入倾斜模式时车辆离开边缘很远，所以爬坡比调整到相当高的值。
这样就能使车辆一进入倾斜模式便到达台阶的边缘。当传感器检测到台阶时(因为离地的
距离改变了)，车辆便进入倾斜状态。一当进入倾斜状态，重心便向后偏移。重心的偏移使
得驾驶员易于向后倾斜以便控制下降。为了下降，驾驶员首先向前倾斜，造成一个俯仰角的
误差，使得车辆爬下楼梯。大约转动到一半时，驾驶员必须稍稍向后倾，以减缓落到下一个
台阶的速度。通过使用向下看的传感器B来检测轮子目前所在的台阶的端头，来调整爬坡
比。当没有检测到端头时，爬坡比调整到大的正值(轮子组的命令信号是正的，爬坡比或者
是负的，或者是公称的，而传感器B低于一定的阈值)。大的正爬坡比将使轮子的滚动较快，
所以，车辆很快就到达当前台阶的边缘。然而，如果使得车辆太靠近该边缘，建立大的正爬
坡比的动作就会超越限度：

[0160] ①当传感器检测边缘时，爬坡比设定在公称的正值(距离大于特定的阈值，而且爬坡比是正的)。一当设定了这个值，它必须满足使车辆进入适当位置的条件。

[0161] ②如果确定车辆太靠近边缘了，爬坡比要调整到小的负值(轮子组的信号是正的，爬坡比或者是负的，或者是公称的，传感器B高于 一定的阈值)。负的爬坡比在轮子组
转动时使轮子向后转动，使车辆安全地停在当前的台阶上。

[0162] 对于每一个台阶都重复下降的动作方式。一当车辆降落到楼梯的底部，传感器B和C就都不再检测到台阶(传感器的读数低于一定的阈值)。此时，车辆又转换到平衡模
式。

[0163] 模式的转换

[0164] 虽然图46和47中的车辆在倾斜模式与平衡模式之间的转换可以按照图38那样安排，但，在下面的本发明的车辆的实施例中模式之间的转换可以安排在更有效和连续的
基础上。在该实施例中使用了连接件465和467来控制座位461和连接件467的高度，特
别是控制座位461的倾斜。在倾斜模式中，车辆有四个轮子着地(每个轮子组各有两个轮
子着地)，所以它能爬楼梯或越过障碍。轮子组马达的输出根据倾角计的俯仰角和俯仰速
率，以及轮子组编码器的速度来调整。当按下倾斜/平衡开关时，便转换到平衡模式。

[0165] 在转换到平衡模式时，重心偏移，处在各轮子组的接触地面的前轮的上方。为了完成这一过程，用逐渐增大加在倾角计读数上的修正值来制造人为的俯仰角误差。这种人为
的俯仰角误差使轮子组平衡规则系统在轮子组马达上施加一个扭矩，使轮子组转动。这个
扭矩使得座位向前倾，以与人为的俯仰角误差成比例的程度，使座位移动到前轮上方。(同
时，可以用同一个修正值命令座位倾斜到一个新的决定于图46中的连接件467的位置，从
而保持座位的高度。)

[0166] 当轮子组的位置大于所规定的轮子组的转换角度时(根据CG的偏移量而定)，轮子组的转换速恢复到轮子组当前运动的速度，并进入平衡模式。

[0167] 当进入平衡模式时，轮子组只转动了一部分，并且后面一对轮子一般高于地面大约2-5cm。当进入平衡模式时，各轮子组必须从其当前的位置一直转动到它的“腿”(如表1
后面的第二项所定义的)和“支柱”(也如第二项所定义的)象图46那样垂直。这是靠以
规定的，逐渐从轮子组开始的转换速度调整之后的速度转动轮子组来完成的。轮子组以这
样的方式继续平稳地转动，进入平衡模式，直到轮子组到 达其目标位置。在这个轮子组转
动期间，人为的俯仰角误差降低了，以便保持重心处在地面接触构件的上方，直到从倾角计
的读数中完全清除掉。如果不是这样，该装置将因为这种人为的俯仰角误差而(在平衡模
式下)平移。

[0168] 轮子组的位置可以用来命令座位倾斜，从而当座位的支柱向后移动时保持座位的高度。一当轮子组的腿和支柱都垂直了(轮子组已经停止转动)，并且座位水平了，就完成
了从倾斜模式到平衡模式的转换。

[0169] 如果在车辆处在平衡模式时按下倾斜/平衡开关，便进入向倾斜模式的转换。要求轮子组的位置逐渐从原始位置(此时，轮子组的腿和支柱是垂直的)改变到最后要求的
位置(此时，前面一对轮子处在离开地面规定的距离上)。同时，引入一个人为的俯仰角误
差，以保持CG在平衡轮子的上方。同样，轮子组的位置也可以用来命令座位倾斜，从而当座
位的支柱向后移动时，保持座位的高度。

[0170] 一当轮子组转动到第二对轮子处在地面上方规定的距离内的位置时，便进入倾斜模式，使得装置落在四个轮子上。一当车辆处在倾斜模式，使轮子组的支柱保持向后倾斜，
而使座位保持向前倾斜的人为的俯仰角误差，便及时地，但却是平稳地清除了。结果，所施
加的轮子组扭矩使轮子组的支柱向前转动到其垂直位置。与此同时，可以将扭矩施加在座
位的倾斜上，以保持座位的高度。一当轮子组的支柱垂直了，而座位水平了，就完成了从平
衡模式到倾斜模式的转换。

[0171] 采用协调驱动装置的构造

[0172] 在本发明的另一个实施例中，图46和47中的实施例用一种机械的方式来实施。这种结构类似于图9-12中采用的协调驱动装置，它示于图48-52中。

[0173] 图48是从前面看时部分切掉的垂直断面图，表示该实施例的车辆的整体机械布局。从图中可以看到作为框架481、臀部总成482、大腿联杆483、膝盖总成484、小腿联杆
486和轮子485。

[0174] 图49是图48中的一部分的展开图，表示车辆上轮子组部分的机 械结构细节。左右两侧的两个轮子马达4913分别驱动左右两侧的各个轮子485；而且，任何给定一侧的所
有轮子都以同步方式驱动，而且都是通过一个两级减速器驱动的。在第一级中，马达4913
驱动轮子驱动皮带轮496转动，以便使定时皮带495运动。在第二级中，使用了三组人字齿
轮4911，一个轮子用一组，用以驱动轮子的驱动轴4912。各马达4913上没有与轮子驱动
皮带轮连接的那一侧，与一个轴编码器4914连接。本实施例中的两个轮子组都用同一个马
达4924，通过一个三级减速器来驱动。在第一级中，马达4924使皮带轮4921转动。皮带
轮4921则带动一根定时皮带，这根定时皮带在图50中看得最清楚，标号是501。图50显
示了轮子组驱动装置的细节。上述定时皮带501驱动一个第二级的螺旋齿轮，包括第一齿
轮502和第二齿轮4922。第二齿轮4922驱动一对中间轴493，这根中间轴又驱动各轮子组
上的最后一组螺旋齿轮494。轮子组马达4924上没有连接轮子组马达驱动皮带轮4921的
那一侧，与一个轴编码器4925连接。使轮子组驱动皮带轮4921转动的轴的远端与轮子组
制动器总成4926连接，当车辆停车时或者处于平衡模式时，该制动器总成克用于锁定轮子
组的位置。两个轮子马达4913和轮子组马达4924的壳体用螺钉连在一起，形成一根管子。
这根管子就成为连接轮子组总成的构件。小腿联杆486刚性地固定在该构件上。

[0175] 图51表示一个轮子组的端视图。图49中的单根定时皮带495由处于轮子组中央的轮子驱动皮带轮496驱动。定时皮带495驱动三条腿上每条一个的大皮带轮511。该
大皮带轮511带动包括小齿轮512和输出齿轮512在内的一组齿轮，输出齿轮又驱动轮子
485。四个惰转皮带轮514使得皮带495不与轮子组壳体515发生干涉，并且使得围绕着驱
动皮带轮形成最大的包角。

[0176] 图52表示臀部与膝盖连接件的机械细节。这两个连接件在机械结构上是一样的。由定子5212驱动的马达的磁铁转子5211使安装在轴承522和5272上的轴5213转动。轴
5213又使定形信号发生器5271转动，该发生器是一个大致呈椭圆形的在轴承5272内转动
的零件。上述定形信号发生器5271使谐波驱动杯5262的齿逐渐增加与谐波驱动花键轴
5261的啮合或脱开。这一过程使得大腿连接件483相对于小腿连接件486或座位框架481
以很高的减速比运动。带有电磁铁5281和制动器蹄5282的关闭电磁源的致动器作用在定
形信号发生器5271上，能够阻止连接件转动。这就让马达在连接件未被致动时停止转动。
电 位计524通过齿轮付5241与谐波驱动杯52462啮合，给出绝对位置的反馈，而一个编码
器(图中未示出)则在位置523处固定在马达轴上，以便提供增量位置的信息。

[0177] 多个处理器

[0178] 虽然图27中的实施例用的是单独一个微控制器操作台272，但，已经发现，在有些实施例中使用许多平行工作的微处理器是有利的。例如，在一个实施例中，在图48-52的机
械设计中使用了四个平行工作的微处理器，其中的每一个都把信息传递给总线，能让这些
微处理器互相监控。其上还有一个技术人员的接口(TI)，该接口能让技术人员改变增益，为
处理器编程序等等。这四个不同的微处理器控制该装置的下列各种不同部件：微处理器1
控制按钮、膝盖连接件和臀部连接件，以及操作杆(x和y轴线)；微处理器2控制距离的测
量，检查存在(对人)，监控电池，和使用者的接口(从而控制车辆的磨石)；微处理器3控
制轮子组的平衡规则系统；微处理器4控制轮子的平衡规则系统。根据距离测量和其他情
况的复杂性，还可能需要使用附加的处理器。不必要限制处理器的数量。

[0179] 本实施例实行了平行处理后的优点是：安全(各微处理器独立工作，所以一个处理器发生故障不会使全部功能发生故障)；具有更容易开发众多装置的能力；降低了对动
力的要求(多个功率较小的微处理器加起来能力和一个PC一样大)；和能同时工作(多个
较慢的微处理器能够与PC的处理速度一样快)。

[0180] 其他实施例

[0181] 本发明还能用许多其他实施例来实施。已经发现，按照本发明的车辆很适合于作为那些由于疾病(例如帕金森病或听觉异常)或因残而动作不协调的人的弥补性装置，能
帮助他们进行平衡或完成各种动作。借助于这种车辆的功能来达到的弥补性装置可作为人
本身平衡系统和运动系统的延伸，因为这种车辆有一个反馈电路，它考虑到了车辆重心的
改变有助于人相对于车辆的移动。因此，为残疾人提供这种车辆是一种能够让人做动作和
平衡的补偿方法，否则，他们是不能做这些动作和平衡的。曾经观察了一个有帕金森氏病的
人使用本发明的车辆时，惊人的进行平衡和动作控制的能力。

[0182] 虽然驾驶员在使用本发明的各种实施例的车辆来完成在各种变化的条件下的运动时具有很重要的作用，但，并不奇怪，一般说来，观察方向和移动的信息在使用这些实施
例的车辆时，是非常重要的。然而，仍可能有能看到的信息受到损害(由于黑暗或者失去视
觉)或者信息不足这样的情况。在本发明的另一个实施例中，在车辆上输出一个或多个非
视觉信号，以指示方向和速度。这种输出的信号可以是触觉的或者是声音的；这些输出信号
用调制器进行调制，以反映车辆的速度和方向。图53中表示由发生器531产生声音信号，
并由分别具有方向和速度输入信号533和534的调制器调制的例子。在该实施例中，可以
使用一种重复的声音：声音重复的速率可以用来表示速度，而声音的音调可以用来表示运
动的方向(例如，高音调表示向前；低音调表示向后；中音调表示垂直)，而音调变化的程度
表示倾斜的程度，即，车辆的俯仰角(其效果是声音的音调等于车辆的俯仰角)。