CN104260768A - 一种动态复轮装置及其上下台阶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态复轮装置，包括主轮、轮架、主动力装置，主轮安装在轮架上，主动力装置驱动主轮受控地转动和制动，其特征为，还包括辅轮、辅轮架、离合装置，辅轮安装在辅轮架的前端，辅轮架的末端可活动地连接于轮架，其能将辅轮保持在主轮外侧的不同位置，离合装置动态地连接辅轮架和主轮，用于可控地改变辅轮与主轮间的运动制约关系，当离合装置锁合时，辅轮架等效地固定连接于主轮，使辅轮等效地成为主轮的一个突出部分，当离合装置分离时，辅轮架的运动不受主轮转动的影响。该装置可应用于车辆，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，使车辆能够上下楼梯。

Description

一种动态复轮装置及其上下台阶的方法

技术领域

本发明涉及一种可用于车辆的上下台阶的装置，尤其是一种可用于折叠电动车、电动轮椅、多轮自主行驶车辆等，使其增加上下楼功能的动态复轮装置。

背景技术

日常生活中携带手推车、轮椅、电动车等在平路上行驶自如，但上下台阶却需要人工搬运，非常费力，为了方便上述车子上下台阶，人们发明了各式各样的爬楼装置，较为典型的又复轮式和履带式。

复轮式爬楼装置的特点是由均匀分布在大圆周上的若干个小轮构成，各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可绕共转轴(即经过大圆圆心且垂直于大圆平面的轴线)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。较常见的是三个小轮组成的复轮式爬楼装置(见图1)。但复轮式爬楼装置往往存在颠簸和冲击严重、稳定性差、不能适应不同尺寸的台阶等缺陷。

履带式爬楼装置的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2)。而且车辆正常行驶和转换为履带的过程复杂，一般需要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

为了克服现有爬楼装置的不足，实现稳定、安全、方便地上下台阶，本发明的目的在于提供一种有动力支持的轮式爬楼装置，该装置应用于车辆，在不影响车辆平路行驶、不增加额外动力、不增加过多重量体积的前提下，使车辆能够上下楼梯。

本发明的技术方案是：一种动态复轮装置，包括主轮、轮架、动力装置，主轮安装在轮架上，动力装置驱动主轮受控地转动和制动，还包括辅轮、辅轮架、离合装置，辅轮安装在辅轮架的前端，辅轮架的末端可活动地连接于轮架，其能够将辅轮保持在主轮外侧的不同位置，离合装置动态地连接辅轮架和主轮，用于可控地改变辅轮与主轮间的运动制约关系，当离合装置锁合时，辅轮架等效地固定连接于主轮，使辅轮等效地成为主轮的一个突出部分，当离合装置分离时，辅轮架的运动不受主轮转动的影响。

所述离合装置的目的是，当其锁合时，辅轮轴与主轮间至少在主轮的切向位置被固定，从而辅轮等效地成为主轮的的一个突出部分，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，主轮的转动与辅轮的运动互不影响，从而可以根据需要移动辅轮的位置。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，轮架及装置整体的上下台阶的动力和速度就取决于主轮转动的动力和速度，从而得到有效的控制，这是本发明的基本构思。

当所述离合器锁合时，主轮、辅轮两者构成了一个复轮结构，而当离合器分离时，两轮没有直接制约关系，在应用中这两种状态是根据需要动态出现的。

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、摩擦锁合结构、锁销结构等。

在车辆正常平路行驶时，本发明的动态复轮装置中的离合装置处于分离状态，主轮与辅轮架互不影响，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，锁合离合装置，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，实心小圆表示辅轮与主轮间的锁合关系。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，锁合离合装置，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合之前主轮滑落瞬间的状态。图4-2表示了在离合装置锁合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，使离合装置释放，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。

本发明的动态复轮装置，由于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，仅需保持离合装置释放，将辅轮置于较高位置，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，可以引入辅轮架驱动装置，通过电机和传动机构驱动辅轮架运动，以便灵活快捷地移动辅轮位置。

优选的，可以通过引入传感器实时监测辅轮的方位，以便通过其反馈取得上下台阶的状态信息。

优选的，可以安装适当传感器监测台阶的位置，从而智能化地控制所述辅轮架和离合器的动作，实现平稳、可靠的上下台阶过程。

在上台阶之前，可以将辅轮置于主轮前方低于台阶顶面位置，利用辅轮对台阶垂直面的碰撞判断与主轮与台阶的距离。

优选的，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纵向可弹性伸缩的结构，如弹性伸缩多节杆或单向限位折叠的结构。采用这样的辅轮架结构，且将辅轮设置于主轮的一侧平面内移动，则即便当主轮已经顶住台阶垂直面，辅轮仍然能够从下方上移到台阶上面。

作为进一步改进，辅轮连接有辅轮动力装置使其能够可控地转动(自转)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。

为了简化控制系统，也可以通过合理的机构设计，机械地使离合装置在适当的时刻锁合和分离。例如当辅轮与台阶碰撞而上抬时，利用其上抬的动力推动离合装置锁合；当辅轮到达某一极限位置时利用挡块或牵引索使离合装置强制分离，从而可以实现具有实用价值的上下楼梯车辆。

为了应用方便，可以在本装置内配置智能化控制电路，用来接收传感器反馈和进行智能化的控制操作，实现一种集成化的具有爬楼能力的智能车轮。

本发明的有益效果是，本发明的装置安装在车辆上，可使车辆能够平稳可靠地上下楼梯，并且具有以下优点：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的转换时间极短；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动态复轮装置及其上下台阶方法做进一步说明。

图1：复轮式爬楼装置。

图2：履带式爬楼装置。

图3-1，3-2，3-3：本发明装置的上台阶过程示意图。

图4-1，4-2：本发明装置的下台阶过程示意图。

图5：实施例1一种采用电磁离合器作为离合装置的动态复轮装置示意图。

图6：单向限位折叠结构的辅轮架示意图。

图7：实施例2一种机械离合触发的动态复轮装置示意图。

图8-1：实施例2中，离合装置锁合过程示意图。

图8-2：实施例2中，离合装置随主轮上移时被上解锁限位板触发解锁过程的示意图。

图中：1-轮架，2-主轮，3-辅轮，4-辅轮架，41-辅轮架活动臂，42-辅轮架固定臂，43-辅轮架弹簧，5-电磁离合器，6-驱动辅轮架的电机及位置检测装置，107-刹车盘，108-夹紧器，109-夹紧器拨杆，110-锁止推杆活动臂，111-锁止推杆固定臂，112-下解锁限位板，113-上解锁限位板。

具体实施方式

实施例1：一种采用采用电磁离合器作为所述离合装置的动态复轮装置。

图5中，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4上，辅轮架4的末端通过轴承安装在轮架1的主轮轴上并可以绕主轮轴转动，辅轮3的轴到主轮轴的距离大于主轮2的半径，从而辅轮3可以通过辅轮架4的旋转移动到主轮1外侧的不同位置。特别地，在辅轮架4上设有传动齿，通过电机6可以驱动辅轮3绕主轮移动到不同位置。同时，在电机6上连接有位置检测装置，比如编码盘或旋转电位器，通过所述位置检测装置可以实时监控辅轮的位置。

作为离合装置，电磁离合器5是一个普通动力设备或车辆中用于动力切换的离合器，它的可相对转动的一侧连接主轮2，另一侧连接辅轮架4。由于电磁离合器5也是与主轮轴同轴，因此辅轮架4实际上可以直接固定到离合器5。离合器5锁合时，辅轮架4与主轮2机械结合，使辅轮3跟随主轮2运动，如同主轮2的一个突出部分；当电磁离合器5分离(释放)时，辅轮架4可以自由运动。

本实施例的动态复轮装置，在上台阶时，常态控制电磁离合器5处于释放状态，通过电机6驱动辅轮架4使辅轮3处于约等于台阶高度位置，主轮滚动前行，当辅轮3触碰台阶时，通过所述位置检测装置可以侦测到辅轮架4的移动，通过电机6的主动控制或根据辅轮架4的上举和下落过程，可以确定辅轮4最终落于台阶上平面的时刻，此时及时控制电磁离合器5锁合，从而当主轮2继续转动时，辅轮3成为支点，支撑装置整体平稳上升。此时如果辅轮具有自身动力，则辅轮适当前滚，以使主轮在上升的同时仍能向前方运动；如果辅轮不具备动力，则可以通过外力，如操作人的推力，使整车尽量前移。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，将辅轮3上移到初始位置，即可准备进入下一台阶的爬升过程。

在下台阶时，常态控制电磁离合器5处于释放状态，通过电机6驱动辅轮3到接近于地面位置，主轮滚动前行，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，此时驱动电磁离合器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，则释放离合器5，恢复辅轮3的位置，即可重复上述过程。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。

作为一种改进，可以在轮架1上安装距离检测装置，用来在上台阶时检测台阶位置，当主轮接近但未碰撞台阶边缘时将辅轮移动到台阶上面，锁合辅轮架与主轮，这样可以避免碰撞过程。

作为一种改进，可以在车体上安装加速度传感器，用来监控主轮碰撞台阶及滑落的发生。

作为一种硬件简化的方案，也可以监控主轮的负载和转速变化，根据这些参数确定主轮碰撞台阶及滑落发生的时刻。

考虑到上台阶时，如果辅轮处于偏下位置而碰到台阶立面，将因台阶立面的挤压而无法上举，因而作为一种优化，可以将辅轮架设计为可伸缩或单向限位折叠的结构，且处于主轮的侧面，这样上举时辅轮架自然收缩或折弯，从而即便前方有台阶面阻挡辅轮仍然可以上举。在此基础上，作为一种进一步的优化，使辅轮架4可以在重力作用下自然下落，对辅轮架4设置一个弹性支撑，使辅轮3自然下落后处于低于台阶高度的适当位置。在上台阶过程中，使辅轮正转(图5，图6中的逆时针方向)，则当接触台阶垂直面时，辅轮自动向上爬升，过台阶顶部后自然停止爬升，此后锁合离合装置，即可实现台阶爬升。下台阶过程中，辅轮架和辅轮同样状态，实时监测辅轮架4的角度位置，一旦发生主轮下滑，则可以观察到辅轮架迅速上仰，此时将离合装置锁合，即可实现缓降。这一优化的优点是，可以省略辅轮架驱动装置，并且不需要其它传感器，上下台阶处理算法可以统一，不需要特别转换操作。

图6是所述单向限位折叠结构的辅轮架示意图，其中辅轮架活动臂401通过轴销连接辅轮架固定臂402，辅轮架弹簧403用于牵引活动臂上抬(伸直)，而活动臂和固定臂间的限位结构限制了活动臂401的上抬角度，从而辅轮架总体能够向上支撑重量，且受到径向压力则折弯内缩。

实施例2：一种机械离合触发的动态复轮装置。

本实施例采用类似自行车碟刹的部件构成所述离合装置，采用纯机械方式实现离合触发。

图7中，同轴地固定在主轮上的刹车盘107及安装在辅轮架4上的夹紧器108构成了离合装置，夹紧器108是一个双稳态装置，上有拨杆109。当拨杆109沿主轮径向被往外推动并超过一临界点，则落于锁紧位置，此时刹车盘107被夹紧，因摩擦力而使主轮2与辅轮架4相固定；当拨杆109被向内推动超过临界点，则将落于释放位置，此时夹紧器108与刹车盘107脱离，从而辅轮架4可以自由移动。锁止推杆固定臂111固定在轮架上，其前端通过轴销与锁止推杆活动臂110连接。自由状态下，锁止推杆活动臂110的前端位于拨杆109释放位置所在圆周路径上且朝向下方，当辅轮架4上移，则拨杆109碰撞锁止推杆活动臂110的前端，带动其绕轴转动，使其与锁止推杆固定臂之间由折弯趋于伸直，推动拨杆109外移，使夹紧器108落入锁紧状态，图8-1显示了这个过程的最后状态。锁止推杆活动臂110和锁止推杆固定臂111的尺寸设计使得恰能推动拨杆109从其释放位置移动到超过临界位置，且辅轮架4仍然能够上移而不破坏结构。如果夹紧器108锁紧，辅轮架4随主轮2上移，则当拨杆109接触上解锁限位板113时，拨杆109随主轮的转动而被向内推动，直到超过临界点进入释放状态，图8-2显示了这个过程。锁紧器108释放后，辅轮架4与主轮2脱离，停止跟随主轮的移动，因而上解锁限位板113起到了限位作用，这对保护结构非常重要。同理，如夹紧器108锁止辅轮架4并随主轮2下移，则在到达下解锁限位板112时也会发生同样的过程。

本实施例用于上台阶时，通过弹性部件(如弹簧)将辅轮3保持一定高度，使其轴处于略高于台阶位置，而锁止推杆固定臂111的安装角度使此时锁止推杆活动臂110的前端接触拨杆109。当辅轮3接触台阶时，将被台阶推动上移，这时锁止推杆活动臂110将推动拨杆109径向外移，使得夹紧器108锁合于刹车盘107，从而辅轮3与主轮2固定并等效地成为主轮2的突出部分，主轮2和车体以辅轮3为支点上移。当主轮2基本到达台阶上平面后，夹紧器拨杆109也触及下解锁限位板112，并推动夹紧器108回到释放位置，这时在上述弹性部件或重力的作用下，辅轮3回落到初始位置，完成一次上台阶过程。同样，在此过程中需要适当向前推动或是辅轮3自主向前滚动，确保主轮2始终接触台阶。

本实施例用于下台阶时，取消上述弹性部件的作用，使辅轮架4自然下落到主轮前进方向的后部下方，而锁止推杆固定臂111向下调整，使得锁止推杆110的头部高于拨杆109，且处于适当高度。当主轮滚过台阶拐角下降时，辅轮支架4被推动上移，拨杆109触碰锁止推杆活动臂110头部，被径向外推，使得夹紧器108锁止于刹车盘107，从而辅轮3与主轮2固定等效为主轮2的突出部分，适当控制主轮的转速，则主轮和车体以辅轮3为支点下移，实现缓降。而锁紧后的辅轮架4仍然随主轮旋转上移，当到达上解锁限位板113时，被推挤解锁，从而辅轮架4自然下落，自动回到初始状态，完成一次下台阶过程，可以开始下一次下台阶过程。

锁止推杆固定臂111的固定角度、辅轮架4的保持高度、上下解锁限位板112、113决定了本实施例的实现效果。应用中需要根据台阶高度、主轮大小等进行设定。

本实施例的优点是完全没有电子控制，简单、可靠性高，且成本低。由于需要一定的操作技巧，因此适合应用于手推车辆。

本领域的人员完全可以设计出不同形式的夹紧器，以及锁合、解锁的方法，也可以设计出不同方式的离合装置。

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 (10)

1.一种动态复轮装置，包括主轮、轮架、主动力装置，主轮安装在轮架上，主动力装置驱动主轮受控地转动和制动，其特征为，还包括辅轮、辅轮架、离合装置，辅轮安装在辅轮架的前端，辅轮架的末端可活动地连接于轮架，其能将辅轮保持在主轮外侧的不同位置，离合装置动态地连接辅轮架和主轮，用于可控地改变辅轮与主轮间的运动制约关系，当离合装置锁合时，辅轮架等效地固定连接于主轮，使辅轮等效地成为主轮的一个突出部分，当离合装置分离时，辅轮架的运动不受主轮转动的影响。

2.如权利要求1所述的动态复轮装置，其特征为，所述辅轮架可绕主轮轴转动。

3.如权利要求1所述的动态复轮装置，其特征为，还包括辅轮架位置检测装置，用来监测所述辅轮所处的位置。

4.如权利要求1所述的动态复轮装置，其特征为，辅轮连接有辅轮动力装置使其能够可控地转动和停转。

5.如权利要求1所述的动态复轮装置，其特征为，辅轮架是一个纵向可弹性伸缩的伸缩杆结构或单向限位折叠结构。

6.如权利要求1所述的动态复轮装置，其特征为，还包括辅轮架驱动装置用来驱动所述辅轮架运动。

7.如权利要求1-6任一项所述的动态复轮装置，其特征为，还包括控制电路，其连接所有传感器和动力装置。

8.如权利要求1-6任一项所述的动态复轮装置的上台阶方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在主轮接近或碰触台阶边缘时，使辅轮移动到与台阶上平面接触或接近的位置，离合装置锁合辅轮架和主轮，使辅轮等效于主轮的一个径向突出部分，并随主轮的转动而绕主轮公转；

2)驱动主轮转动，使辅轮成为支点，支撑车轮和轮架整体上移，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；

3)当主轮接近与台阶上表面等高时，离合装置分离，上移辅轮；

4)重复步骤1)-3)爬上多级台阶。

9.如权利要求8所述的上台阶方法，其特征为，在步骤1)中是利用辅轮架的受力变化或主轮的负荷或速度的突变来判断主轮与台阶间的关系。

10.如权利要求1-6任一项所述的动态复轮装置的下台阶方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)辅轮处于主轮前进方向的后方下部接触或接近地面位置，使主轮速度受控地转动；

2)当主轮转过台阶拐角发生下行滑动时，离合装置锁合辅轮架与主轮，使辅轮等效于主轮的一个径向突出部分，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，防止辅轮前移滑落；

3)当主轮接触下级台阶的上表面时，离合装置分离，使辅轮架可以独立活动，辅轮恢复到步骤1)的初始位置；

4)重复步骤1)-3)爬下多级台阶。