CN106132734B - 具有高通过能力的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括至少四个轮子和基座的车辆。所述轮子经由连接件成对附接在基座并且形成包括轮子对的转向架。所述转向架可旋转地铰接到基座上以使得轮子的路径的枢转点不物理上出现并且所述枢转点位于当转向架水平时轮子的旋转轴下面。转向架的旋转通过传动装置传动到另一转向架以使得每个转向架相对于基座的倾斜形成相同但是相反值的角。

Description

具有高通过能力的车辆
对应申请
本申请主张2014年3月11日以洛桑联邦理工学院(Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL))的名义提交的在先欧洲申请No.EP14158788.1的优先权，通过引用将该在先申请的整个内容并入本申请中。
技术领域
本发明的主题属于用于起伏地形的车辆的领域，打算将所述车辆用于特别地在其中机动性被认为难以达到的特定环境(例如自然或工业灾难区域或甚至在其他星球上)中。
根据车辆的大小及车载的技术手段，这样的车辆可以是远程控制的或自主的或被用户驾驶的。这样的车辆也可以以玩具的形式提出。
背景技术
在现有技术中已知类似的车辆，例如机器人。
例如，PCT申请WO 01/53145公开了一种用于起伏地形的车辆。该车辆包括六个轮子和底盘。
更具体地，已知车辆包括底盘和后部支承，其中底盘基板由呈菱形形状的平台构成。移动(locomotion)设备是滚动型的。其包括具有轮子的前部滚动机组、具有在右手侧串联的两个轮子及在左手侧串联的两个轮子的中部机组和具有连接到支承的轮子的后部机组。每个轮子都提供有电动机。至少对于前部和后部轮子，轮子和底盘之间的连接包括旋转引导单元，其允许轮子绕垂直于其自己的驱动轴的轴旋转。转向电动机控制该旋转。中部机组的滚动电动机的差速控制以及前部和后部机组的转向电动机的差速控制允许车辆被转向并且特别地允许其在具有极小摩擦力的点上转动。电动机的控制单元集中在中央控制元件中。
发明内容
本发明的目的是改进已知系统并提供与当前已知的车辆相比更简单且更有效的车辆。
根据实施例，本发明涉及具有高通过能力的车辆，包括至少四个轮子和基座。轮子通过刚性装置成对地固定到基座并且每对轮子形成转向架(bogie)，转向架以旋转方式被铰接到基座以使得轮子的轨迹的枢轴位置不物理上存在，并且枢轴位置位于在转向架水平时轮子的旋转轴下面；一个转向架的旋转以下述方式通过传动装置被传动到另一转向架：转向架中的每一个相对于基座的倾斜形成具有相同值但相反的角。
例如，将轮子固定到基座的刚性装置可以是杆。
根据车辆的实施例，传动装置包括差速器。
根据实施例，传动装置包括减震装置，该减震装置能够是可变的或不能够是可变的。所述装置可以是冲击吸收器。
根据实施例，传动装置包括预加载装置。所述预加载装置可是可调节的。
根据实施例，每个轮子被单独地驱动。
根据实施例，轮子中的至少一个可绕垂直于其旋转轴的轴旋转。
根据实施例，单个转向架的轮子的轨迹对齐在相同平面中。
根据实施例，单个转向架的轮子的轨迹位于两个不同并且平行的平面中。
根据实施例，一个转向架的一个轮子的轨迹与另一转向架的一个轮子的轨迹位于相同的平面中。
根据实施例，两个转向架相对于彼此对齐或相对于彼此偏移。
根据实施例，转向架的轮子中的至少一个被一对轮子替代。
根据实施例，所述车辆是远程控制的或被驾驶的或自主的。
提出的车辆的架构具体地包括刚性并且铰接的底盘，该底盘以这样的方式将车辆的主体连接到至少四个驱动轮子：这些轮子永久与地面接触并且车辆的重量被分布在这四个轮子之间。
作为车辆的铰接的底盘为其提供的高地通过的结果，根据本发明的车辆能够在没有除了轮子的机动化之外的任何其他机动化的情况下克服其大小比车轮的大小显著更大的障碍。底盘本身因此被称为被动式的，与此相对的是主动式底盘，其将涉及额外的致动器以便修改底盘的配置，并且所述底盘单单通过重力而移动。
原创的特征涉及底盘的特定架构，其第一次允许将平行的转向架应用到四轮车辆；与此相比，现有技术中最少的为六个轮子，见上面引用的公开WO 01/53145。
存在大量的应用领域，这些应用领域覆盖全地形车辆的应用的整体。特别地，并且以非穷尽的方式，
·在发生灾难时的干预(在残骸中调动)，
·使用远程控制的或自主的车辆用于在对人类不友好的环境中进行操作(例如，ABC污染、拆除核电站)或用于爆炸装置清除(EDO&UXO)，
·运输载荷，例如，在建筑和矿物开采的场地中，
·全地形功用或休闲车辆，
·农业(特别是林业或葡萄栽培)，
·具有高度的机动性的轮椅的领域，
·玩具。
附图说明
参考附图将更佳地理解本发明，附图示意了本发明的原理和其若干配置。
图1A-1D示意了本发明的原理；
图2A-2D示意了本发明的具体位置；
图3A-3D示意了本发明的另一具体位置；
图4A和4B示意了本发明的另一配置；
图5A-5F示意了图4A/4B的相同配置的三种可能构造；
图6A和6B示意了根据本发明的车辆的另一配置；
图7A和7B示意了根据本发明的车辆的另一配置；
图8A和8B示意了根据本发明的车辆的另一配置；
图9A和9B示意了根据本发明的车辆的另一配置；
图10A-10D示意了由根据本发明的车辆提供的回转(gyration)可能性；
图11示意了连接两个转向架的机构；
图12示意了连接转向架的机构的构造变体；
图13示意了连接转向架的机构的另一构造变体；
图14示意了连接转向架的机构的另一构造变体；
图15示意了连接转向架的机构的另一构造变体；
图16示意了连接转向架的机构的另一构造变体；
图17示意了连接转向架的机构的另一构造变体；
图18示意了连接转向架的机构的另一构造变体；
图19示意了连接转向架的机构的另一构造变体；
图20示意了连接转向架的机构的另一构造变体；
图21A-21H示意了通过次序。
具体实施方式
本发明的原理示意在图1A-1D中。图1A是底盘1的透视顶视图。
根据本发明，底盘2包括两个铰接的转向架2、3，转向架2、3通过杆5、6a和6b、7、8a、8b连接到中心主体4，在两个部分中的杆6a、6b、8a和8b允许避免静不定性(staticindeterminacy)。这两个转向架2、3还通过协调杆5或6a或6b与中心主体的相对角度的系统(例如，机械或液压系统)彼此连接。以这种方式，如在图2A、2B、2C、2D、3A、3B、3C和3D中可见的，转向架2、3中的每一个相对于中心主体1的倾斜形成具有相同但是相反的值的角度。
在常规转向架中，轮子可遵循绕位于这些轮子的轴之间的枢轴的圆形轨迹。根据本发明的转向架的几何结构被称为是平行的，因为它们允许其轮子根据由构成它们的元件的几何结构限定的轨迹来移动但是枢轴位置物理上不存在；因而，其被称为是虚拟的。
应当注意，该枢轴位置不位于穿过轮子的轴的直线上，而是位于其下方。还应当注意，根据选择的配置，这些轮子的轨迹可以位于不同的平面中。
以这种方式，尽管车辆坐落在四个轮子上，但是其底盘不是静不定性的并且中心主体4的重量以最优的方式被分布，这确保了由机动化的轮子R1-R4生成的牵引的相似地最优的分布。
图2A-2D示意了本发明的原理的配置，其中转向架具有12°的倾斜。
图3A-3D示意了本发明的原理的配置，其中转向架具有35°的倾斜。
图4A和4B示意了在其中轮子R1-R4以围绕中心主体4的菱形的方式布置的另一配置，杆5’、6’a、6’b、7’、8’a、8’b具有与先前的附图中的杆5-8b的形状不同的形状。该附图没有示意轮子R1和R4能够绕它们自己枢转并且允许根据图10B、C和D的回转的事实。
通过提供宽轮距(wheel base)并且因此提供良好的横向稳定性(倾斜或离心力)，所述配置特别地非常适合于在结构化环境(例如，垂直台阶)和非结构化环境中移动的快速车辆。
图5A-5F示意了图4A/4B的相同配置的三种可能构造，尽管他们在机械上不同，但是在运动学上是相同的并且构成相同的独特配置。
图6A-6B示意了与图4A/4B的配置在运动学上相同的另一配置。
这种配置具有绕中心主体4的菱形的方式的轮子R1-R4。该附图没有示意轮子R1和R4能够绕它们自己枢转并且允许根据图10B、C和D的回转的事实。
通过提供与图4A/4B的配置相比相对于中心主体较小的轮距，所述配置特别地非常适合于在结构化环境(例如，垂直台阶)和非结构化环境中须进入建筑物(正门)的小尺寸车辆。
图7A-7B示意了根据本发明的车辆的另一配置。
这种配置具有绕中心主体4的平行四边形的方式的轮子R1-R4。转向架2’、3’中每个的轮子R1-R4被对齐并且其轨迹在相同平面(2个平面)中移动。在侧向平面中，可以注意到，轮子中的每一个被连续并且等距地放置。
这种配置具有两个主要特征：
·相对于移动的参考方向到中心主题的前部(后部)接近；
·轮子在四个连续位置(而不是前述配置中的3个位置)的横向定序。
这种配置特别地非常适合于自主的或远程操作的并且其目的是用于检查的相对小的平台。在四个位置的定序特别地非常适合于在其中速度不是决定性标准的结构化或非结构化环境中。应当注意，载荷的大小可以可选地超过底盘4自身。
如果车辆的尺寸小并且其质量减小，则可以通过以差速的方式控制左和右转向架2’、3’的轮子的速度来完成回转(以履带式车辆的方式，“滑移转向”)。不是这样的话，使轮子中的最少两个(R1和R3)能够绕其垂直轴旋转是合适的。
图8A和8B示意了根据本发明的车辆的另一配置。
该配置具有绕中心主体4呈方形的轮子R1-R4。转向架2”、3”中的每一个的轮子被对齐并且其轨迹在相同平面(2个平面)内移动。在横向平面中，可以注意到两个转向架以完全对称的方式定位。
这种配置具有两个主要特征：
·相对于移动的参考方向到中心主题的前部(后部)接近；
·轮子在两个连续位置(而不是图4A/4B的前述配置中的3个位置)
的横向定序。
该配置特别地非常适合于相对大的平台或其载荷很大的平台。在两个位置的定序特别地非常适合于非结构化环境。应要注意，载荷的大小可以可选地超过底盘4自身。
如果车辆的尺寸小并且其质量减小，则可以通过以差速的方式控制左和右转向架2”、3”的轮子的速度来完成回转(以履带式车辆的方式)。不是这样的话，使轮子中的最少两个(例如，R1和R4)能够绕其垂直轴旋转是合适的。
图9A和9B示意了根据本发明的车辆的另一配置。
具有六个轮子R1-R6的这种配置在运动学上与图6A/6B的配置相同，其中每个转向架的横向轮子(图6A/6B中的R2/R4)被转向架2”、3”替代，所述转向架与在图8A/8B的配置中使用的转向架相同，分别具有轮子R2-R5和R4-R6。
该配置具有以绕中心主体的菱形的方式的轮子。该图没有示意轮子R1和R3能够绕它们自己枢转的事实。回转因此以与图6A/6B的配置相同的方式进行控制，考虑了横向轮子的滑动在转弯操作过程中是可接受的。
该配置特别地非常适合于大的车辆或者相对来说具有非常重的载荷的车辆。
其特征在于，中心主体4的质量的一半被分布在前部和横向轮子上。也就是说，前部和后部轮子R1、R3每个支撑该质量的重量的1/3并且四个横向轮子R2、R4、R5、R6每个支撑1/6。
图10A-10D示意了由底盘提供的回转可能性。相对速度和其角度在图中通过向量进行示意。
图10A：回转角＝0°；
图10B：回转角＝α°>0。
旋转中心位于由轮子R1-R4形成的菱形的外侧。
图10C：回转角＝β°>0。
旋转中心位于由轮子R1-R4形成的菱形上。位置在旋转中心的轮子R2的速度为零。
图10D：回转角＝90°。
旋转中心位于由轮子R1-R4形成的菱形的中心处并且车辆因此能够容易地绕自己旋转。
图11示意了连接两个转向架的机构的可能构造。这样，两个转向架2、3、2’、3’、2”、3”(见前述附图)通过协调其与中心主体4的相应的相对角度的系统(例如，机械或液压系统)彼此连接。
图11示意了利用齿轮的可能的机械构造，所述齿轮被安装为指示为20的“简单的差速器”。自然，完成相同功能的其他等效机构也是可能的。
如在图2A-2D或3A-3D中可以看到的，根据本发明的原理，转向架(例如转向架3)的旋转运动将被传动到另一转向架2——但是沿相反方向。
图12示意了连接转向架的机构21的构造变体。
连接两个转向架2、3；2’、3’；2”、3”的机构21的该构造变体的优点是在转向架倾斜处方便地添加冲击吸收器10的可能性。因此，不需要在每个轮子处都有冲击吸收器。减震装置10可以是气动冲击吸收器、液压冲击吸收器或其他等效系统。
在车辆被使得高速移动时尤其需要所述缓冲吸收器。
图13示意了使用可变冲击吸收器11连接转向架的机构22的另一构造变体。在车辆被使得根据特定操作模式具有高速度以及在其他操作模式中具有非常优异通过时需要所述可变冲击吸收器11。所使用的装置例如可以是可变黏度冲击吸收器11。
图14示意了具有预加载12的连接转向架的机构23的另一构造变体。所述预加载可以例如通过扭转弹簧机械地构造。
图15示意了连接转向架的机构24的另一构造变体。对于涉及特别高通过的要求，使预加载变化的可能性通过调整装置13来相当简单地添加，例如与扭转弹簧12串联安装的电动机。
然后根据操作模式涉及底盘的结构的部分激活。
图16示意了图11的另一构造变体，也就是说，机构25与用于将牵引力传动到汽车中的驱动轮子的机构相同。附加齿轮14允许差速器的组件通过添加位移γ而被倾斜，位移γ与每个转向架的相对斜角α相同。转向架3的倾角因此变成γ+α；转向架2的倾角因此变成γ-α。
这种同步配置特别适合于图8A和8B的配置。
这是因为该附加自由度(齿轮14)允许了无论转向架的相对倾斜，在需要的情况下，关于水平面(或与地面平行)对车辆的中心主体4的主动稳定。
图17示意了图16的机构仍然与图14中列出的冲击吸收器11和预加载12的添加相容，具有可变(或不可变)冲击吸收器11、预加载12和齿轮14的可能的调整装置13。
图18是与图8A和8B中的配置相同的配置的另一图形表示。其允许看到，连接两个转向架并且通过在车辆的中心处的框X表示的机构可以例如直接连接到转向架的下杆5和7，6a/6b和8a/8b为转向架的上杆。
图19是图18中的转向架中的单个的细节。其允许理解，杆5不是直线；就是在将这个杆铰接到中心主体4的区域中的这个角允许轮子的轨迹的虚拟枢轴位置位于延伸通过轮子的两个轴的平面下方。
图20是与图5E中的配置相同的配置的单个转向架的另一图形表示。杆5相对于图19以这样的方式被修改以便借助于其旋转轴30通过车辆的宽度的一半多。还可以看到在轮子R1上存在轮子绕垂直轴的旋转机构Z。
图21A-21H示意了在根据图6A/6B和1A-3D提出的配置中的一个中的通过次序。
在图21a中，车辆到达障碍前方。在图21B中，车辆的前部轮子爬在障碍上，作为轮子的爬动运动的结果障碍使得转向架倾斜。
与此同时，作为转向架之间连接的结果，另一转向架在另一方向上倾斜相同角度值。
在图21C中，前部轮子在障碍上并且前部转向架的倾斜被在另一方向的后部转向架吸收。
在图21D中，前部轮子和在中部的两个轮子在障碍上。
在图21E中，后部轮子开始爬在障碍上。
在图21F中，后部轮子到达障碍上。
在图21G中，车辆在障碍的另一侧降下并且在图21H中车辆已经完全克服了障碍。
根据本发明的车辆可以是被驾驶的、远程控制和或自主的。本领域技术人员已知控制(被驾驶、远程控制和或自主，或者其组合)车辆需要的装置并且它们可以从现有技术领域(一般地，驾驶汽车或用于车辆(玩具、机器人等等)的无线电控制的指令)中移用。
上述实施例和操作模式是示意本发明的非限制示例。在不背离请求保护的范围的情况下，特别是利用等效装置，各种变体是可能的。也可以组合不同的构造和变体。

Claims (14)

1.一种具有高通过能力的车辆，包括至少四个轮子(R1-R4)和基座(4)，轮子通过刚性装置(5,6a,6b,7,8a,8b)成对地固定到基座并且每对轮子形成转向架(2,3)，其中，转向架以旋转方式被铰接到基座以使得在被铰接时轮子的轨迹的枢轴位置位于转向架水平时转向架的轮子的第一旋转轴下面；其中，一个转向架的旋转以下述方式通过传动装置被传动到另一转向架：转向架中的一个关于基座的倾斜角以相同的值但是方向相反的方式被赋予到转向架中的另一个。
2.如权利要求1所述的车辆，其中传动装置包括差速器(20)。
3.如权利要求1或2所述的车辆，其中传动装置包括减震装置(10,11)，该减震装置能够是可变的或不能够是可变的。
4.如权利要求1所述的车辆，其中传动装置包括预加载装置(12)。
5.如权利要求4所述的车辆，其中预加载装置(12)是可调节的。
6.如权利要求1所述的车辆，其中每个轮子被单独地驱动。
7.如权利要求1所述的车辆，其中轮子中的至少一个可绕垂直于其第一旋转轴的第二旋转轴旋转。
8.如权利要求1所述的车辆，其中单个转向架的轮子对齐在相同平面中。
9.如权利要求1所述的车辆，其中单个转向架的轮子位于两个不同并且平行的平面中。
10.如权利要求9所述的车辆，其中一个转向架的一个轮子与另一转向架的一个轮子位于相同的平面中。
11.如权利要求8所述的车辆，其中两个转向架相对于彼此对齐或相对于彼此偏移。
12.如权利要求1所述的车辆，其中转向架的轮子中的至少一个被一对轮子替代。
13.如权利要求1-2和4-12中任一项所述的车辆，所述车辆为远程控制的或被驾驶的或自主的。
14.如权利要求3所述的车辆，所述车辆为远程控制的或被驾驶的或自主的。
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