CN1345216A - 轮车爬梯系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种操纵上下楼梯的装置的系统和方法。该装置具有多个可绕着相对于轮组臂固定的轴线旋转的轮子,而轮组臂本身可绕一个轴线旋转,这样轮子就在相继的台阶上停留。轮子和轮组臂由控制器根据不同的控制规则控制。该装置是上还是下楼梯取决于装置相对于特定的前角和后角的倾角。装置和负载的整体重心的移动决定该装置运动的方向。

Description

轮车爬梯系统和方法

技术领域

本发明涉及用于控制装有一个或多个轮子或其它地面接触部件的专用车的形位和运动的方法。

背景技术

专用车(例如那些由残疾人使用的车)在前后或左右平面中的一个或多个平面中的动态稳定是有益的。美国专利No.5701965(该文献在这里被引用作为参考，并且被称作“965专利”)描述了一种平衡车的操作。不论这些车是否是自推进的，还是这些车是否由该车的乘坐者或由助手来引导，还是这些车以一种平衡的模式来操作，专用车最好是要稳定。通过采用那些补充到现有技术中所描述的那些模式的控制模式，这种车可以更有效且更安全地进行操作。专用车在本说明书中可以被互换地被称为“运输车”。

发明概述

根据本发明的优选实施方案，在车的轮子和轮组的控制规则上都有所改进，从而显著地降低了驾驶者依靠重心位置来控制该车的困难。因此大多数驾驶者无需助手的帮助就能够上下楼梯。有关前后角的改进使得驾驶者用相对较小的力就能使车在前后角之间倾斜，因为倾角增益可以被设定为较小的值，同时前后角可以采用较大的增益以在攀登楼梯时使轮组保持快速转动。前后角在整个攀登楼梯过程中是不断改变的，从而使得驾驶者非常容易改变车的重心的位置。

根据本发明的实施方案，轮子和轮组的控制规则中都增加了前角和后角。轮子控制规则与轮组控制规则稍微不同，以便确保在攀登楼梯期间轮子只能沿着向后的方向移动。另外，在轮子控制规则中包括阻尼项，该阻尼项根据轮子的方向而改变，其作用在于把轮子加速进登板同时使轮子沿着向前的方向减速。这个变化改变了车在顶部或底部台阶处的行为，并且在攀登楼梯的开始和结束时提供了更安全的过渡。

根据本发明的另一个实施方案，提供了一种制动倾角控制算法。这是一项安全特征，它在攀登楼梯期间监测着轮组和轮子电机温度。如果轮组或轮子电机过热并且在攀登楼梯过程中出现故障，车就可能会滑落。如果温度超过预定值，则制动倾角控制器关掉电机放大器并且通过调整轮组制动器来控制运动。控制器使车处于这样一种形位中，其中所有四个轮子都在楼梯上因此使该车处于一种重力静态稳定的状态并且防止驾驶者在楼梯模式中继续操作。该算法继续监测电机温度，如果电机被充分冷却则恢复楼梯模式以让驾驶者能够从楼梯中出来。

附图说明

通过参照以下说明书并结合附图将可以更容易地理解本发明，附图中：

图1为现有技术的专用车的侧视图，本发明的实施例可以在这种车上运用并带来益处；

图2a-2d所示为上/下楼梯循环的各阶段；

图3是本发明的子模式的示意框图；

图4所示为本发明的前后角之间的关系；

图5a-5h所示为在一次楼梯攀登循环过程中的前后角；

图6是根据本发明的实施方案用于确定前后角的函数曲线图；

图7显示出刹车倾角控制器的示意框图；

实施方案说明

根据本发明的优选实施方案，为提高可操纵性和安全性而设计的专用车包括一个或多个轮组，并且该轮组和每个轮组中的轮子都能够相互独立地由电机驱动。

参照图1，该侧视图显示出一种诸如美国专利No.5701965中描述的平衡车，该车整体由数字10来表示。本发明的优选实施方案最好与平衡车10结合在一起实施，图1不代表能够以在这里所描述的并在附属的权利要求中所声明的模式进行操作的现有技术装置。

车10具有底座12，该底座将驾驶者14支撑在车上。底座12安装在地面接触模块16上。地面接触模块16包括电源、驱动放大器、驱动电机以及用来驱动轮子18的轮组36的控制器。轮组36包括在图1中所示为轮子的地面接触元件18。轮子18安装在轮组臂40上并且每个轮子18能够由控制器8驱动。轮组臂40绕着轮组轴22转动，轮组臂的转动由控制器控制。控制器8包括与存储装置相联的处理器。该处理器执行存储在存储装置中的控制程序。该处理器与多个能够检测车的状态并能接收来自驾驶者14的指令的传感器相联系。该处理器还与驱动放大器相联系，并且将指令传送给驱动放大器。驱动放大器为驱动电机提供电流。

如上所述，控制器8能够独立地控制轮组臂40和轮子18。另外，地面接触模块36上的传感器38能够检测车10的倾角、滚动和侧滑以及轮子18和轮组臂40的角度位置和/或转速这些变量。来自传感器的信号被传送给控制器，并且被控制器用来驱动轮子和轮组电机。这些轮组和轮子的单独控制使得该车能够以几种模式进行操作，从而使得驾驶者或控制者能够根据当地地形在不同模式之间切换。

例如，在“标准模式”中，轮组36转动以把轮组的前轮14抬离地面并锁定不动，并且控制器被设在简单的PID回路中以使得该车能够作为一种机动轮椅。在“平衡模式”中，轮组36转动90°且被锁定不动，并且控制器能够通过控制轮子电机来平衡和驱动该车。在1999年5月28日申请的并在这里被引用作为参考的美国申请No.09/321401中所描述的“增强模式”中，控制器8使得轮子18和轮组36能够同时操作。

在楼梯模式中，车10通过将每个轮组的第二个轮子42(即目前没有和地面接触的轮子)放到适当的台阶上这样的方式使轮组36转动来上和下楼梯。在轮组转动期间，车由每个轮组中的一个轮子18支撑，从而容易倾倒。在一种与“平衡”或“增强”模式中的操作不一样的方式中，控制器8不会试图平衡该车。而是驾驶者14通过抓住楼梯扶手(未示出)来保持平衡。扶手还为驾驶者提供杠杆位置以使车向前或向后倾斜，以便引导车攀登楼梯或下楼梯。控制器8所采用的用来操纵轮组电机的轮组控制规则和在‘965专利中所描述的轮子电机所采用的控制规则一样，可以表示如下： $T_c=K_1\mathrm{\θ}+K_2\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}+K_3{\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}}_c+K_4{\mathrm{\ψ}}_c+K_5{\∫\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}}_c\mathrm{dt}$

在上述方程式中，T_c代表轮组扭矩，θ代表车的倾角偏差，ψ_c代表相对于垂直位置的轮组夹角偏差，K_i代表每个动态变量的增益。倾角相对于地面垂直方向来限定，而偏差指的是当前测量值和基准值之间的差值，并且基准值可以由控制器通过预先设定或实时地设定。轮组相对于垂直位置的夹角(或被称为“轮组形位”)是部分基于安装在机械结构(被称为“E箱”)上的传感器读数的运算值，该机械结构安装在车上并包括控制器8。或者，轮组夹角可以参照E箱本身，在这种情况下相对于E箱的轮组夹角由δ表示，照此来调节增益K₃和K₄。上标点表示动态变量的时间微分。虽然对于轮子和轮组控制规则来说其增益是不同的，但是前四项和轮子的控制规则一样。例如，轮子控制规则对应于轮子速度将K₃设为零，而轮组控制规则对应于轮组转速将K₃设定为一个非零值。

轮组控制规则中的第5项被用来确保轮组基本没有稳态偏差地转动到特定的角度上。例如，在平衡模式中，轮组转动到0°并被锁定不动。在轮组转动的时候，角度偏差减少，向垂直方向的转动可能在轮组到达0°之前就停止。为了确保轮组到达0°，在轮组控制规则中的第五项给轮组电机指令增加了额外的部分，从而轮组能够在0°定位。

上述的控制规则用于操纵车上楼梯和下楼梯。为了上楼梯或下楼梯，驾驶者14使车10向前倾斜以下楼梯或向后倾斜以上楼梯。驾驶者通过推或拉楼梯扶手来完成这个操作。在驾驶者没有足够的上身力量来在扶手上施加必要的力以使轮组的轮子转动到下一个台阶上的情况中，助手可以帮助驾驶者使车向前或向后倾斜。或者，可以减小倾角增益K₁。减小K₁的作用在于使车更容易倾斜进楼梯中，从而使得驾驶者在扶手上施加更小的力就能够使该车倾斜。但是，小的K₁也会导致轮组在攀登楼梯期间转动更慢，从而会增加攀登楼梯的时间。

根据本发明的优选实施方案，如下所述在轮子和轮组控制规则中都可以增加附加项，从而带来的优点是显著地降低了驾驶者使车倾斜所需要的力。因此大多数驾驶者不用助手的帮助就能够攀登楼梯或下楼梯。

图2a-2d所示为上楼梯和下楼梯的各阶段，总称为爬楼梯。本发明对于上楼梯和下楼梯来说都采用相同的控制模式，并且不需要驾驶者选择楼梯行进的方向，从而消除驾驶者选择不正确的可能性，增加了安全性。为了使该图简明，在该图中只显示出装在轮组臂220上的两个轮子210和212。由20指代的驾驶者和车一起由驾驶者和车的重心(CG)230来表示。直线240由CG230和轮组轴线250所限定。由直线240和通过轮组轴线250的相对于重力的垂直线240所限定的夹角定义了车倾角(车架倾角)θ。由轮组臂220和通过轮组轴线250的相对于重力的垂直线252所限定的夹角定义了轮组形位(或“轮组夹角”)ψ_c。

图2a显示出位于楼梯270的底部平台260上的车20。在典型的楼梯模式操作中，驾驶者背对楼梯。因此，背对楼梯的方向在下面说明中被称为‘前面’方向，而面对着楼梯的方向将被称为“后面”方向。离楼梯登板280最近的轮子212被当作后轮，而离楼梯登板280最远的轮子210被当作前轮。

在驾驶者将车定位在如图2a所示的底部平台260上之后，驾驶者只要通过指示控制器8就能够进入‘楼梯模式’。如图2b所示驾驶者将CG230移动到后轮212的中心290上方的位置处。驾驶者可以通过抓住并拉楼梯扶手来移动CG230。或者可以由助手使驾驶者和车20倾斜来移动CG230。在优选的实施方案中，控制器8(在图1中所示的)可以改变驾驶者的车架倾角。在CG230移动到后轮中心290的后面的时候，如图2c中所示轮组臂转动以把前轮抬离平台260并且转动到下一阶台阶295上。

现在参照图2d，该图显示出在轮组电机(未示出)已经使前轮转动到下一阶台阶295上之后的车的形位。如果驾驶者决定继续爬楼梯的话，则该驾驶者使CG移动超过由数字234所示的指定直线。由直线234和通过轮组轴线250的相对于重力的垂直线252所限定的夹角被定义为后角θ_rear。由直线232和通过轮组轴线250的相对于重力的垂直线252所限定的夹角被定义为前角θ_front。图4清楚地显示出了前后角，下面参照图4对它们进行更具体的描述。

如果驾驶者决定下楼梯270，则驾驶者将CG230移动到前角θ_front的前面。控制器通过比较所测量的倾角θ与前后角来自动地决定轮组转动的方向。如果θ＞θ_front，则控制器沿着逆时针方向转动轮组(参照图2d)，车20下楼梯270。如果θ＜θ_rear，则控制器沿着顺时针方向转动轮组(参照图2d)，车上楼梯270。

对于上下楼梯来说都采用相同的控制器，可以防止驾驶者意外地选择错误的楼梯运行方向，从而为驾驶者提供重要的安全特性。

图3显示出楼梯模式的子模式的示意框图。从增强模式300(在美国申请No.09/321401中所描述的)中，驾驶者选择楼梯模式310。每个子模式的特征在于一套增益系数，这些增益系数与通用控制规则中的系统动态变量相结合。下面的公式(1)和(2)分别是用于轮子电机(轮子控制规则)和轮组电机(轮组控制规则)的通用控制规则。 $V_w=K_{\mathrm{w\θ}}({{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{front}}-{{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{rear}})-K_{\mathrm{w\θr}}\left|\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\right|+K_{\mathrm{wd}}{{\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}}^{\′}}_w+K_{\mathrm{wp}}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_w---\left(1\right)$ $V_c=K_{\mathrm{\θ}}({{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{front}}+{{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{rear}})-K_{\mathrm{\θr}}\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}+K_d{\mathrm{\δ}}^{\′}+K_p{\mathrm{\δ}}^{\′}+K_j{\∫\stackrel{.}{\mathrm{\δ}}}^{\′}\mathrm{dt}----\left(2\right)$

在上面的公式中，V_w和V_c分别是轮子和轮组电机的指令电压。下标w指的是轮子变量，下标c指的是轮组变量，下标r指变量的时间导数，变量上方的上标点也是如此。撇符号表示偏差变量，即变量的实际值和变量的预期值之间的差值。例如，轮子位置偏差ψ′_w由公式ψ′_w＝ψ_wdesired-ψ_w定义，其中ψ_w表示由传感器所检测到的轮子位置，而ψ_wdesired表示由控制器所计算出的所预期的轮子位置。k表示每个变量的增益。倾角变量由θ来表示，轮子位置由ψ_w来表示，轮组位置由δ来表示。每个子模式的特征在于这套在公式(1)和(2)中所指的增益。对于每个增益来说其具体值的选择将取决于子模式的目的和驾驶者的舒适性这些因素，并且可以由在控制领域中的一个普通技术人员来确定，而无需在下面的子模式的说明中给出过多的实验数据。

进一步参照图3，楼梯模式310通过驾驶者选择从增强模式300中进入。楼梯模式的控制规则与‘增强模式’的控制规则完全不同，并且不会提供同样的扰动消除。为了防止出现这样的状况，‘楼梯模式’310通过被称作‘位置伺服轮组’或‘PSC’的子模式进入。子模式PSC320在车位于水平地面如楼梯平台上时提供稳定的平台。通过将倾角增益k_θ和k_θr设定得比位置增益k_d、k_p和k_i的数值小来在轮组控制规则中提供在楼梯平台上的稳度。大的位置增益带来的是相对于CG的轮组位置的刚性位置控制。通过将轮子位置增益k_wp设定得比其它轮子的增益值大来将类似策略应用在轮子控制规则中。这样的作用在于，在驾驶者准备开始爬楼梯时保持车不动。轮组的刚性位置控制使得驾驶者能够通过改变所预期的轮组位置δ_desired来在如图2(b)中所示的后轮上改变CG。

所预期的轮组位置由控制器来调节，该控制器处理由输入装置如按钮或控制杆44(在图1中所示的)输入的驾驶者指令。在通过控制器来调节δ_desired的时候，δ′变成非零值，并且乘以k_p以给轮组电机产生出一个非零的电压指令，从而导致轮组相对于CG转动并且形成在图2(b)中所示的形位。图2(b)的等效图是轮子倾角θ已经从0°降低到q。在本说明书中，采用这样的惯例，其中正倾角对应于该车沿着向前的方向倾斜。控制器将探测车的非零倾角状态并自动地转换到子模式‘着陆’330。对于在控制领域的技术人员来说是显而易见的，子模式之间的转换是通过在轮组控制规则中用要进入的子模式的增益来替换要离开的子模式增益来实现的。在本发明的优选实施方案中，如美国专利申请No.09/322431中所述的一样通过控制时序安排来实现转换，该文献在这里被引用作为参考。

在着陆子模式330中，控制器使驾驶者能够通过改变车倾角θ来控制轮组电机。另外，着陆子模式330使车能够向前或向后自由滚动。着陆子模式330允许通过在轮组控制规则中将倾角增益k_θ和速度增益k_θr和k_d设定得比其它轮组增益的数值大来控制驾驶者倾角。大的k_θ的作用在于使轮组电机能够响应车倾角微小的变化。速度增益用来在轮组电机上产生阻尼效果，使车在爬楼梯期间运动平稳。

与k_θ相关的倾角偏差状态变量(θ′_front+θ′_rear)表示CG在前角θ_front前面的夹角，或表示CG在后角θ_rear后面的夹角。倾角偏差状态变量是一个比在方程(1)和(2)中所定义的偏差变量要稍微复杂一些的函数，现在结合前后角的说明来进行说明。

倾角偏差状态变量θ′_front和θ′_rear是下面所示的两个分段函数。

参照图4可以更容易理解所述前后角，图4显示出轮组和轮子的形位并且确定了在前后角计算中所用的角度和长度。图4显示出车的轮子410和411在楼梯上的形位，其前轮在楼梯的下台阶450上并且后轮411在楼梯的上台阶452上。前后轮的中心412和413分别可旋转地安装在轮组臂420上，所述轮组臂绕着轮组轴421转动。参考垂直线430通过轮组轴线421。坐了人的车的CG440的位置由从CG440到轮组轴线421的直线L₁422的长度以及由参考垂直线430和L₁422所限定的角度倾角θ来描述。轮组位置ψ_c是由参考垂直线430和轮组臂420所限定的角度。相对于参考垂直线的夹角的符号规定是逆时针转动为正。特定的前垂直线441与轮组臂420所限定的直线相交，并且将X_front定义为轮组轴线421与前垂直线441和轮组臂420的交点之间的水平距离。同样X_rear为轮组轴线421与特定的后轴线442和轮组臂420的交点之间的水平距离。前夹角θ_front被定义为CG440位于前垂直线441上时的倾角。后夹角θ_rear被定义为CG440位于后垂直线442上时的倾角。

登陆子模式330还使得车能够沿着两个方向自由滚动。这是通过将轮子位置偏差设置成零来实现的。这使得驾驶者能够使车在上楼梯或驱动车离开顶部平台以开始下楼梯之前固定靠在底部登板上。

驾驶者可以通过推或拉附近的物体如楼梯扶手来改变车倾角θ。在驾驶者改变θ的时候，数值相对较大的k_θ给轮组放大器产生出非零的指令以驱动该轮组，并且如图2(c)所示该轮组开始转动。在轮组转动的时候，轮组位置δ也改变。控制器监测着轮组的位置，当控制器确定轮组不再处于水平时，控制器自动地切换到子模式‘攀登’340(在图3中所示)。

子模式攀登340使驾驶者能够通过改变车倾角θ来控制轮组电机。在攀登340中所采用的轮组控制规则与着陆330中所采用的轮组控制器规则类似或相同。

攀登340子模式让车能够向后转动，但是禁止向前转动。这是防止轮子意外地滚下台阶的一项安全措施。攀登340子模式的功能通过将轮子位置增益k_wp设定得比其它轮子增益的数值大来实现。只要ψ_wdesired＞ψ_w，控制器就将所检测的轮子位置ψ_wdesired重新设定成所检测到的的轮子位置ψ_w。这使得轮子能够自由地向后移动，但是如果轮子在ψ_wdesired的前面运行的话则产生出抑制力。

在攀登340状态下，当轮子速度ψ_w为正(导致负的ψ′_w)时通过将轮子速度增益k_wd设定为较大的正值来进一步地抑制轮子的向前运动。较大的正增益乘以负的轮子速度偏差的这种结合在轮子控制规则中产生出较大的抑制作用，这导致轮子沿着向前的方向减速。负的轮子速度与把轮子驱动进楼梯登板280的运动对应。在这种状况中，k_wd被设定为较大的负值。从而使轮子加速进入楼梯登板280。控制器监测着ψ_w的状态并且在ψ_w＝0时将合适的K_wd载入控制规则中，从而保证在新的增益被载入轮子控制规则的时候车的运动具有连续性。轮子向后加速进楼梯登板，这在爬楼梯期间当后轮在顶部平台时对驾驶者具有额外的好处。没有向后的加速，驾驶者会难以使轮子向后滚动到平台上。控制器将后轮加速以找到下一个楼梯登板。由于后轮在没有楼梯登板的平台上，所以控制器继续使后轮向后加速。控制器同时控制轮组电机把处于稳定形位的CG置于轮组轴线421上面。轮子和轮组控制规则中同时且独立的操作在驾驶者看来是车向后移动同时轮组转动以正好使前轮与顶部平台处于同一水平面上。

为了防止车向后加速撞到顶部平台的物体上，控制器监测者轮子位置ψ_w。当后轮在平台上向后已经移动了仅仅一个轴距的长度(中心412和413之间的距离)时，控制器确认前轮正在顶部平台上并且自动地转换到子模式着陆330。

用于攀登340子模式的轮子控制规则还采用倾角状态信息来通过使用相对较大的轮子倾角增益k_wθ和k_wθr值来实现子模式的第二目标。改变在公式(1)中的倾角项的符号以确保轮子的转动总是沿着向后的方向。在倾角速度项中，取倾角速度的绝对值并且使该符号为负以确保给轮子的指令总是沿着向后的方向而不管倾角转动方向如何。同样，从前倾角偏差中减去后倾角偏差。

轮组在爬楼梯期间使前轮转动到下一阶台阶上或在下楼梯期间使后轮转动到下一阶台阶上时，控制器重新计算前后角。在转动的轮子(爬楼梯期间的前轮或下楼梯期间的后轮)到达下一阶台阶时，CG在爬楼梯期间将移动到后轮的前面或在下楼梯期间移动到前轮的后面，并且控制器将自动地转换到在图3中所示的子模式转换350。

转换350子模式使得驾驶者能够在每一阶台阶上暂停，并且如果驾驶者想要继续爬楼梯的话则将CG转移到θ_rear的后面或者如果驾驶者想要下楼梯的话则将CG转移到θ_front的前面。另外，和在攀登340子模式中所采用的相同的轮子控制规则一样，转换350子模式使得车能够向后滚动而不能向前滚动。

为了让驾驶者能够在每个台阶上暂停并且如果驾驶者想要继续爬楼梯的话则将CG转移到θ_rear的后面或者如果驾驶者想要下楼梯的话则将CG转移到θ_front的前面，只要θ_front＞θ＞θ_rear，则根据控制规则

                     V_c＝k_θ′    (5)来驱动轮组。将这个子模式的增益设定得足够低以让驾驶者能够通过在楼梯扶手上施加适当的力来使车CG在前后角之间移动。小的k值使驾驶者能够容易地使CG在前后角之间移动。

在转换350子模式期间，控制器检测轮组位置。如果车在楼梯上，则轮组位置将不会是水平的，因为前轮与后轮处在不同的台阶上。如果控制器探测到轮组位置处在水平方向上，则控制器认为车在顶部平台或在底部平台上，并且自动地转换到着陆220子模式。

为了使车响应驾驶者的倾斜，在爬楼梯期间通过控制器来重新计算前后角。这参照图5将更容易理解。在图5中，车的轮子501和502被显示出正在爬一阶楼梯。图5a显示出该车的前轮501在下面的台阶上而后轮502在上面的台阶上。轮子安装在轮组臂503上，轮组臂绕着轮组轴线504转动。前角θ_front由第一直线511和通过轮组轴线504的垂直参考线(未示出)限定。后角度θ_rear由第二直线512和垂直参考线限定。在图5a中，车处于转换350子模式，载人的车的CG520处于θf_ront和θ_rear之间，轮组臂503处于非水平位置。在处于转换350子模式期间，驾驶者能够容易地将车的CG520移到在图5b中所示的形位，其中倾角θ等于θ_rear。驾驶者能够容易地移动CG520，因为上面公式(5)所示的转换350子模式的轮组控制规则具有相对较小的倾角偏差增益k。

在图(5)b中，θ＝θ_rear，控制器自动地转换到攀登340子模式。当驾驶者如在图5c中所示的一样将CG520移动到θ_rear后面时，控制器使轮组臂503转动并且将前轮501抬离下面的台阶。如在图5(a)-(h)中所示的一样，θ_front和θ_rear随着轮组臂503转动而改变。具体地说，如图5(c)到5(g)所示，在车只是由后轮支撑时的转动阶段，θ_front和θ_rear之间的差值较小，以使驾驶者在轮组臂旋转期间决定变换爬梯方向时，最大程度地减少转换350子模式花费的时间。图5(f)显示出轮组臂503已经转动到将前轮501置于后轮502上面的垂直位置上。由于CG520仍然在θ_rear后面，所以控制器继续转动轮组臂503。当轮组臂503转动时，控制器计算出新的前后角的值，并且形成图5(g)所示的形位，其中不停变化着的前后角处于θ＝θ_rear的状态。当倾角等于后角时，控制器自动地转换到转换350子模式。

图5(g)显示出车在一次楼梯攀登循环的最后形位，其中前轮已经转动到下一阶台阶，从而变成下一次循环的后轮。

用来计算前后轮角度的前后轮函数的选择方案是改善驾驶者在爬楼梯期间的舒适性和安全性。在优选的实施方案中，前后角度为驾驶者定制并且取决于轮组位置。采用较小的角度近似值，可以通过下式计算出前后角。θ_front＝(1/L₁)X_front(_c)+θ_ref    (6)θ_rear＝(1/L₁)X_rear(_c)+θ_ref      (7)

在上面的公式中，参数(1/L₁)和θ_ref是如美国未授权专利申请No.09/321401中所描述的在驾驶者定制期间所确定的常数。函数X_front和X_rear都是_c的函数，并且可以直接确定。具体地说，分别作为ψ_c的函数的X_front和X_rear之间的函数关系根据本发明的实施方案被绘制在图6中，每个都是根据每个轮组的轮子轴线之间的距离L₂来被标准化。

在攀登楼梯期间，如在图5(c)至5(g)中所示，车在轮组臂503转动期间只由后面一组轮子支撑。通过驾驶者抓住楼梯扶手来保持稳定。现在将对在系统故障的情况下，自动地把车安放在如图5(a)所示的静态稳定形位中的安全系统进行描述。参照图7将更容易理解制动倾角控制器，该图显示出制动倾角控制器的示意框图。在攀登楼梯期间，该控制器监测着轮组电机温度和电池温度。如果控制器探测到轮组电机或电池过热，则控制器自动地激活制动倾角控制器，进入如图7中的610所示的步骤中。该制动倾角控制器使车进入一种静态稳定的形位中。在步骤620中，控制器关闭驱动轮组电机的轮组电机放大器，以让轮组电机能够冷却下来。然后该控制器在步骤630中检测倾倒条件。如果倾倒条件没有检测到，则控制器在640中使轮组制动器松开，并且重新检测倾倒条件。松开轮组制动器使得轮组臂503(在图5中所示)能够自由地转动以将前轮501置于台阶上。如果检测到倾倒条件，则控制器在步骤650中接合轮组制动器。在650中接合制动器之后，控制器在660中检测过热情况是否仍然存在。如果过热情况不再存在，则控制器在670中脱开制动倾角控制器。如果过热情况仍然存在，则控制器在630中重新检测倾倒条件。倾倒条件可以单独地采用基于状态的准则来判断或者相互结合来判断。在一个实施方案中，控制器把轮组转速_c的绝对值与预设定的最大轮组转速_cmax进行比较。如果_c的绝对值大于_cmax，则控制器认为该车在倾倒并且判断为倾倒条件。在另一个实施方案中，倾角速度θ与倾倒速度θ_fall进行比较。如果θ小于θ_fall，则控制器判断为倾倒条件，对应于车正在向后倾倒到楼梯上的状态。

在另一个实施方案中，控制器在θ′_rear小于0时判断为倾倒条件，这对应于坐有人的车的CG在后面角度θ_rear的状态。_cmax和θ_fall数值的选择在控制领域内是普通的技术。

在制动倾角控制器的另一个实施方案中，轮组电机放大器会继续驱动轮组电机但是施加在轮组电机上的负载是受限制的。轮组电机在使轮组转动以爬楼梯的时候受到最大的负载。在下楼梯期间，该电机受到小得多的负载，因为车运行的方向和重力的方向相同。因此，能够通过在探测到电机或电池过热时禁止爬楼梯来限制轮组电机上的负载。在制动倾角控制器的实施方案中，在探测到电机或电池过热时如果θ＜0°则轮组制动器被接合。在制动倾角控制器的另一个实施方案中，如果探测到电机或电池过热并且θ＜0°，则轮组位置和速度偏差变量δ′和δ′被设为0，δ_desired被设为0，并且δ_desired被设为δ₀，其中δ₀为出现过热且θ＜0°的情况时δ的值。重置参数的作用在于在当探测到过热而驾驶者试图继续爬楼梯的情况下有效地锁定轮组，同时仍然使得驾驶者能够下楼梯。另外，重置参数能立即锁定轮组，而没有物理锁定轮组制动器时的延时。

虽然已经说明本发明的各种示例性的实施方案以及它的一些优点和可选择的特征，但是显然这些实施方案是用以示例，而不进行限制。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员很容易在这些实施方案上作出变化和改进，以及设计出别的实施方案。例如，这些轮子与一根直的轮组臂相连，但是该轮组臂可以是折的以在轮组中容纳两个以上的轮子。另外，轮组臂可以被分成两个或多个轮组臂，每个只有一个轮子，轮组轴可以重合或不重合。因此，本发明的范围只由所附权利要求及其等同物所限定。

Claims (22)

1.一种用于上下楼梯的装置，该装置和任何有效负载一起构成一种以重心和倾角为特征的系统，该装置包括：

a.轮组臂，可绕着轮组轴线转动，该轮组臂以轮组夹角为特征；

b.多个地面接触部件，可绕着相对于轮组臂固定的部件的轴线转动；以及

c.机动的驱动装置，用于使轮组臂绕着轮组轴线转动，从而使该装置能够根据包括重心的移动在内的输入信号进行上楼梯或下楼梯。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述地面接触部件是轮子。

3.如权利要求1所述的装置，还包括用于根据控制规则来控制轮组臂的转动的控制器。

4.如权利要求3所述的装置，所述控制器具有多个子模式，每个子模式以一种控制规则为特征。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述控制器在至少一个子模式中响应于轮组夹角。

6.如权利要求3所述的装置，其中所述控制器根据与所有用于控制地面接触部件转动的控制规则不同的规则来控制轮组臂的转动。

7.如权利要求3所述的装置，还包括用于监测系统的倾角并为控制器提供信号的传感器。

8.如权利要求3所述的装置，其中所述控制器根据与系统的倾角相关的信号来起动上楼梯或下楼梯。

9.如权利要求3所述的装置，其中所述控制器包括：

a.控制地面接触部件的转动的轮子控制器；

b.控制轮组臂的运动的轮组控制器。

10.如权利要求3所述的装置，其中所述控制器至少根据系统的倾角来起动上楼梯或下楼梯。

11.如权利要求9所述的装置，其中轮子控制器根据系统倾角的函数来控制地面接触部件的转动。

12.如权利要求9所述的装置，其中所述轮子控制器根据多个地面接触部件中的一个的位置函数来控制地面接触部件的转动。

13.如权利要求9所述的装置，其中所述轮子控制器根据多个地面接触部件中的一个的速度函数来控制地面接触部件的转动。

14.如权利要求10所述的装置，其中所述控制器在系统的倾角超过特定的前角时起动下楼梯。

15.如权利要求10所述的装置，其中所述控制器在系统的倾角小于特定的后角时起动上楼梯。

16.如权利要求10所述的装置，其中所述控制器至少根据该装置相对于特定的前角和后角中至少一个的倾角来起动上楼梯或下楼梯。

17.如权利要求14所述的装置，其中特定的前角是通过控制器根据轮组臂当前的位置来确定的。

18.如权利要求15所述的装置，其中特定的后角是通过控制器根据轮组臂当前的位置来确定的。

19.一种用于控制装置在楼梯上的运动的方法，该装置的特征在于瞬时的倾角和具有多个可绕着相对于轮组臂固定的轴线转动的轮子，所述轮组可绕着轮组轴线转动，该方法包括：

a.设定相对于垂直方向的前角和后角；

b.如果瞬时倾角超过前角，驱动轮组臂使装置下行；以及

c.如果瞬时倾角小于后角，驱动轮组臂使装置上行。

20.如权利要求19所述的方法，其中设定前角和后角的步骤包括根据轮组角度来改变前角和后角中的至少一个。

21.一种用于安全地使上下楼梯的运输装置恢复静态稳定的方法，所述运输装置以倾角为特征并且具有：

i.轮组臂；

ii.轮组臂驱动装置，以温度为特征，用于驱动转动中的轮组臂；

iii.能够使轮组臂停止的制动器；以及

iv.监测所述运输装置并且提供传感器信号的传感器；

该方法包括以下步骤：

a.监测所述传感器信号；以及

b.在所述传感器信号超过预定的阈值时脱开制动器，从而使得轮组臂能够自由地转动，以让运输装置在楼梯上呈静态稳定形位。

22.一种用于限制驱动上下楼梯的运输装置的驱动装置负载的方法，该驱动装置的特征在于温度，该方法包括：

a.监测驱动装置的温度；

b.探测过热情况；以及

c.通过在整个过热期间让轮组只能沿着下降的方向转动来限制轮组驱动装置的负载。

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