CN104228915A - 一种具有爬楼功能的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有爬楼功能的车辆，包括车架、有动力驱动的动力轮，其至少包括一个动力轮，所述动力轮包括轮架、安装在轮架上的主轮，主轮在动力装置的驱动下能够受控地转动和制动，还包括辅轮、辅轮架、离合装置，辅轮安装在所述辅轮架的前端，辅轮架的后端与离合装置的一端固定连接，离合装置的另一端与主轮固定连接，所述离合装置可以受控地锁合和释放，使其两端相互固定或相互独立转动。在不影响车辆平路行驶、基本不增加额外动力、不增加过多重量体积的前提下，所述车辆能够方便地上下楼梯。

Description

一种具有爬楼功能的车辆

技术领域

本申请涉及一种动力车辆，尤其是一种具有爬楼功能的车辆。

背景技术

生活中常常需要运送货物或病残人员上下楼梯，但目前并没有一种理想的车辆能够帮助人们做到轻松地运送人员和物品上下楼梯。较为常见的是履带式爬楼装置。其特点是在上下台阶时，车子的重心总是沿着与台阶拐角连线相平行的直线运动，其重心波动小，运行平稳，但履带结构复杂，增大了车重，更要求其长度要跨越两个阶梯，使车子变得笨重(参见图1)。而且车辆正常行驶和转换为履带的过程复杂，一般需用液压装置转换承载系统，时间长。另外由于重力完全作用于楼梯尖角，对楼梯损害较大。

发明内容

为了克服现有爬楼车辆的不足，实现稳定、安全、方便地上下楼梯，本发明的目的在于提供一种具有爬楼功能的车辆，该车辆正常行驶时与普通车辆相同，且与普通车辆相比基本不增加额外动力、基本不增加重量和体积，且从平路行驶到上下楼行驶不需要特殊转换过程。

本发明的技术方案是：一种具有爬楼功能的车辆，包括车架、有动力驱动的动力轮，并且至少包括一个动力轮，所述动力轮包括轮架1、安装在轮架上的主轮2，主轮2在主轮动力装置的驱动下能够受控地转动和制动，所述动力轮还包括辅轮3、辅轮架、离合装置5，辅轮3安装在所述辅轮架的前端，辅轮架的后端与离合装置5的一端连接，离合装置5的另一端与主轮2固定连接，所述离合装置5的两端可以受控地锁合和分离，使与其两端想连的部件相互固定或相互独立转动。离合装置5动态地连接辅轮架和主轮2，用于可控地改变辅轮3与主轮2间的运动制约关系，当离合装置5锁合时，辅轮架等效地固定连接于主轮2，使辅轮3等效地成为主轮2的一个突出部分，当离合装置分离时，辅轮架的运动不受主轮2转动的影响。

所述离合装置5的目的是，当其锁合时，辅轮轴与主轮2间至少在主轮2的切向位置被固定，从而辅轮3等效地成为主轮2的的一个突出部分，特别是径向突出部分，从而在上下台阶时可以成为有效的支点；当其分离时，主轮2的转动与辅轮3的运动互不影响，从而可以根据需要移动辅轮3的位置。当辅轮轴与主轮在主轮的切向相对固定，且辅轮支撑于台阶上平面时，就可以避免主轮与台阶间的滑动空转，轮架1及车体的上下台阶的动力和速度就取决于主轮2转动的动力和速度，从而得到有效的控制。

所述离合装置可以采取多种不同的结构方式，例如采用电磁离合器、摩擦锁定结构、盘式刹车结构、锁销结构等。

在车辆正常平路行驶时，本发明的具有爬楼功能的车辆中的动力轮的离合装置5处于分离状态，主轮2与辅轮互不影响，车辆与普通车辆无异。

上台阶的过程是这样的：当主轮接近或碰触台阶边缘时，移动辅轮到与台阶上平面接触或接近的位置，锁定离合装置，使辅轮等效为主轮的一个突出部分随主轮的转动而绕主轮公转；图3-1为这一瞬间状态的示意图，图中大圆表示主轮，大圆外侧的小圆表示辅轮，实心圆表示辅轮与主轮间的锁定关系。图3-2表示了随着主轮继续转动，辅轮成为支点，支撑主轮和轮架整体上移，同时利用向前的外力或辅轮自身的自转动力使辅轮向前滚动，以使主轮与台阶保持接触.图3-3显示了当主轮接近与台阶上表面等高时，离合装置分离，使辅轮架上移恢复初始位置，此时因为已经接近台阶上平面，所以主轮可以利用摩擦力继续可靠地向前滚动。重复上述步骤，即可爬升多级台阶。

当下台阶时，使辅轮常态地处于主轮前进方向的后方下部接触或接近地面位置，并驱动主轮速度受控地转动前进。当主轮转过台阶拐角发生下行滑动时，锁定离合装置，尽量保持主轮转速，使辅轮有效地支撑重力负荷，遏制或减缓下滑，从而使所述装置整体以辅轮为支点速度受控地下移；同时给辅轮提供向后外力或对辅轮施加阻尼，可防止辅轮前移滑落；通过对主轮适当制动可以防止下落过快。图4-1表示了在离合装置锁定之前主轮滑落瞬间的状态。图4-2表示了在离合装置锁定后以辅轮为支点主轮受控地下移的过程。

当主轮接触下级台阶的上表面时，使离合装置分离，辅轮架可以独立活动，辅轮恢复到上述初始位置。重复上述步骤可以实现多级台阶的下行。

本发明的具有爬楼功能的车辆，由于所述动力轮上的辅轮仅起到在水平台阶面上支撑和滚动的作用，直径可以远远小于主轮。即便辅轮中引入动力，由于所需扭矩和功率很小，因此增加的体积和成本也很小。在正常平路行驶时，仅需保持离合装置分离，则无异于普通车辆。所述离合器和辅轮架相对于主轮都较小和轻。

在本发明基本构思的基础上，作为优化，可以通过引入传感器实时监测辅轮的方位，以便取得上下台阶的状态信息。

为了使辅轮在任何情况下都能够顺利上移，辅轮架可以设计为一个在主轮径向可弹性伸缩的结构，如弹性伸缩杆或单向向下折叠的结构。特别是当主轮已经顶住台阶垂直面，则如果辅轮是处于主轮侧面，而辅轮架可以伸缩，则仍然可以将辅轮上移。

作为进一步改进，辅轮连接有动力装置使其能够可控地转动和停转。这样即便没有外力作用，在上台阶时主轮悬空期间仍然能够前移并接触台阶，在下台阶时可确保辅轮不会前移下滑。

本发明的具有爬楼功能的车辆的有益效果是：1.基本不增加额外动力装置；2.重量和体积基本不变；3.不影响行驶方式；4.爬楼状态和正常行驶状态之间无需特殊转换；5.可爬越高于车轮半径的台阶。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明的具有爬楼功能的车辆及上下台阶方法做进一步说明。

图1：履带式爬楼装置。

图2-1，2-2，2-3：本发明装置的上台阶过程示意图。

图3-1，3-2：本发明装置的下台阶过程示意图。

图4：实施例1一种能够自主上下楼梯的四轮车辆的动力轮的结构示意图。

图5：实施例1中单向限位折叠辅轮架另一角度的示意图。

图6：实施例1的四轮车辆的两个后轮结构示意图。

图中：1-轮架，2-主轮，3-辅轮，41-辅轮架前臂，42-辅轮架后臂，43-辅轮架回拉弹簧，5-离合装置，6-位置检测装置，7-辅轮架支撑弹簧。

具体实施方式

实施例1：一种能够自主上下楼梯的四轮车辆，其两个前轮为所述的动力轮，其两个后轮为复轮结构。

图4为所述动力轮的结构示意图，主轮2安装在轮架1上，它主要由轮毂电机构成，因而具有内置动力，在电机驱动器的控制下，其可以稳定转动，即便在下台阶时，由于电子刹车的作用，其速度仍然可控。辅轮3安装在辅轮架前臂41的前端，辅轮架后臂42连接离合装置5，辅轮架前臂41与辅轮架后臂42之间通过轴销连接，可以在垂直于主轮轴的平面上转动，辅轮架前臂41反时针转动时，在与辅轮架后臂42呈180度之前被刚性地限位，因而辅轮3在任何时候受到(主轮)径向的压力都会折叠内缩。图5是所述单向限位折叠辅轮架另一角度的示意图。辅轮3和辅轮架设置于动力轮的前方一侧。在自由状态下，辅轮3的轴到主轮轴的距离最大，且大于主轮的半径，从而辅轮3可以落在台阶上平面。位置检测装置6是一个旋转电位器，固定在轮架1上，其旋转轴与主轮2同轴，有连杆连接所述旋转电位器的轴和辅轮架，因而当辅轮架转动时，可以通过电位器6阻值的变化计算辅轮轮架的角度。本实施例中的离合装置5是一个电磁离合器，通过电流驱动可以控制其锁合和分离。本实施例中，主轮直径为30cm，辅轮直径为5cm。辅轮连接有有辅轮电机驱动其转动。

本实施例的两个后轮为简单的复轮结构，图6是其示意图。图6中三个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可绕公转轴(即经过大圆周圆心且垂直于大圆周平面的轴线)公转。在平地上，接触地面的小轮自转；上下台阶时各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。

本实施例的具有爬楼功能的车辆，每个动力轮在上台阶时，常态控制电磁离合装置5处于分离状态，通过辅轮架支撑弹簧7使辅轮3处于前方大约离地15cm的高度，其在辅轮架回拉弹簧43的作用下向前探出。辅轮电机驱动辅轮3向前进方向转动(图4中的逆时针方向)，由于一般台阶高于15cm，因此首先辅轮3接触台阶的垂直面，此时辅轮3会自动沿台阶垂直面向上爬升，此过程导致辅轮架被压缩，辅轮架后臂42上仰。而当辅轮3爬到顶部，会沿台阶面前移，此时辅轮架后臂42停止上仰。控制系统可以根据位置检测装置6的反馈检测到此变化，据此控制离合装置5锁合，辅轮3在主轮的径向与主轮固定，从而当主轮2继续转动时，辅轮3成为支点，支撑车体平稳上升。由于辅轮3的转动，主轮在上升的同时仍能向前方运动并始终接触台阶。当主轮2上升到接近台阶高度，则没有辅轮的支撑主轮也可依靠与台阶上表面的摩擦力而向前滚动，此时控制电磁离合器5分离，辅轮3在弹簧7的作用下上移到初始位置，即可准备进入下一台阶的爬升过程。在此过程中，车辆重心尽量靠近前部，可使两后轮较轻松地被拖拽上行。

下楼时，车辆倒车行驶。每个动力轮在下台阶时，常态控制离合器5处于分离状态，当主轮滚过台阶拐角后，下落加速，此时需要通过电子刹车稳定主轮转速使整车平稳下移。随着主轮前移，必有一个位置使得主轮与台阶的摩擦力不足以支持车重，主轮2开始滑落，此时驱动离合器5锁合，从而由辅轮3作为支点，支撑整车重量，避免继续下滑，整车随主轮2的转动而可控地下移。当主轮2接触台阶下层，则离合器5分离，使辅轮3自然复位，即可重复上述过程实现多级台阶的下楼过程。实际上也可简化为，当辅轮3随主轮移动到足够高的位置，则认为主轮已经落地。上述主轮滑落的时刻可以通过检测辅轮架4角度的突变来判定。

实际运行中，应当协调每个动力轮的动作，以确保上下楼的平稳。

上下楼主轮与台阶的相对位置可以通过主轮驱动电流、轮架加速度等信号计算推定。

本实施例可实现自主上下楼梯，且成本较低。若4个车轮都是所述的动力轮，则可以达到更好的效果。

本发明的具有爬楼功能的车辆，可以爬升高于其车轮半径的台阶，这是现有轮椅、汽车等车辆无法做到的。

实施例2：一种可爬楼的两轮推车。与实施例1不同的是，由于有人力辅助，在上台阶时，可以通过人力推动使主轮悬空时能尽量前移。因此可以省略辅轮自身的动力。另外，本实施例采用较小的主轮，直径大约20cm，辅轮架简化为一个单臂结构。上楼时，辅轮处于约15cm的高度，由于主轮半径较小，因此辅轮架是上仰的，因此在触碰台阶垂直面时，辅轮将自然因推挤而上移，达到与实施例1相同的效果。在台阶较为平整时，本实施例是可行的。

利用本实施例的推车，单人可以轻松地将重物或人员运上楼梯。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有爬楼功能的车辆，包括车架、有动力驱动的动力轮，其特征为，至少包括一个动力轮，所述动力轮包括轮架(1)、安装在轮架上的主轮(2)，主轮(2)在动力装置的驱动下能够受控地转动和制动，还包括辅轮(3)、辅轮架、离合装置(5)，辅轮(3)安装在所述辅轮架(4)的前端，辅轮架的后端与离合装置(5)的一端固定连接，离合装置(5)的另一端与主轮(2)固定连接，所述离合装置可以受控地锁合和释放，使其两端相互固定或相互独立转动。

2.如权利要求1所述的具有爬楼功能的车辆，其特征为，所述动力轮还包括辅轮架位置检测装置(6)，安装于轮架上，用于监测所述辅轮架(4)的转动角度。

3.如权利要求1所述的具有爬楼功能的车辆，其特征为，所述动力轮的辅轮(3)连接有电机使其能够自主转动。

4.如权利要求1所述的具有爬楼功能的车辆，其特征为，所述动力轮的所述辅轮架(4)是一个沿主轮的径向可弹性伸缩的伸缩杆结构或单向限位折叠结构。

5.如权利要求3或4所述的具有爬楼功能的车辆，其特征为，所述动力轮的轮架上安装有辅轮架支撑弹簧(7)，用以托举所述辅轮架(4)，使辅轮(3)保持在指定高度并且可以自由上移。

6.如权利要求1所述的具有爬楼功能的车辆，其特征为，所述动力轮的主轮是由轮毂电机构成。

7.如权利要求1所述的具有爬楼功能的车辆，其特征为，所述动力轮的离合装置是一个电磁离合器。