ES2231785T3 - Vehiculos y procedimiento de transporte. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE, EN UNA REALIZACION PREFERIDA, A UN VEHICULO DE TRANSPORTE PARA TRANSPORTAR UN INDIVIDUO SOBRE TERRENO QUE TIENE UNA SUPERFICIE QUE PUEDE SER IRREGULAR. ESTA REALIZACION TIENE UN SOPORTE PARA SOPORTAR EL SUJETO. UN MODULO DE CONTACTO CON EL SUELO, FIJADO DE MANERA MOVIL AL SOPORTE, SIRVE PARA SUSPENDER EL SUJETO EN EL SOPORTE SOBRE LA SUPERFICIE. LA ORIENTACION DEL MODULO DE CONTACTO CON EL SUELO DEFINE PLANOS ANTERIOR-POSTERIOR Y LATERALES QUE SE INTERSECTAN UNO CON OTRO EN UNA VERTICAL. EL SOPORTE Y EL MODULO DE CONTACTO CON EL SUELO SON COMPONENTES DE UN MONTAJE. UNA UNIDAD MOTORIZADA, MONTADA EN EL MONTAJE Y ACOPLADA AL MODULO DE CONTACTO CON EL SUELO, PRODUCE LA LOCOMOCION DEL MONTAJE Y DEL SUJETO SOBRE LA SUPERFICIE. FINALMENTE, LA REALIZACION TIENE UN BUCLE DE CONTROL, EN EL QUE SE INCLUYE LA UNIDAD MOTORIZADA, PARA MEJORAR DINAMICAMENTE LA ESTABILIDAD EN EL PLANO ANTERIOR-POSTERIOR POR LA OPERACION DE LA UNIDAD MOTORIZADA EN CONEXION CON EL MODULO DE CONTACTOCON EL SUELO. EL MODULO DE CONTACTO CON EL SUELO PUEDE FABRICARSE EN FORMA DE UN PAR DE ELEMENTOS DE CONTACTO CON EL SUELO, DISPUESTOS LATERALMENTE UNO RESPECTO A OTRO. LOS ELEMENTOS DE CONTACTO CON EL SUELO PUEDEN SER RUEDAS. ALTERNATIVAMENTE, CADA ELEMENTO DE CONTACTO CON EL SUELO PUEDE INCLUIR UN GRUPO DE RUEDAS. EN OTRA REALIZACION, CADA ELEMENTO DE CONTACTO CON EL SUELO INCLUYE UN PAR DE PARES DE ELEMENTOS CURVOS MONTADOS GIRATORIAMENTE Y AXIALMENTE ADYACENTES. LA INVENCION TAMBIEN SE REFIERE A UNOS METODOS.

Description

Vehículos y procedimiento de transporte.

Campo técnico

La presente invención se refiere a vehículos y procedimientos para el transporte de individuos, y más en particular a vehículos y procedimientos para el transporte de individuos sobre un suelo o terreno que tiene una superficie que puede ser irregular.

Técnica anterior

Se conoce una amplia gama de vehículos y procedimientos para el transporte de seres humanos. El diseño de estos vehículos ha surgido en general de un compromiso que favorece la estabilidad por encima de la maniobrabilidad. Se hace difícil, por ejemplo, proporcionar un vehículo autopropulsado guiado por el usuario para el transporte de personas sobre el suelo que tiene una superficie que puede ser irregular, a la vez que sigue permitiendo una locomoción cómoda sobre un suelo que tiene una superficie que es relativamente plana. Los vehículos que consiguen locomoción sobre superficies irregulares tienden a ser complejos, pesados y dificultosos para la locomoción corriente.

La patente de EE.UU. 4.375.840 desvela un soporte móvil, adecuado para personas discapacitadas, que tiene una estructura básica que es generalmente rectangular. La estructura básica tiene dos pares de ruedas. Se monta de forma orientable un par de ruedas opuestas en diagonal y se proporciona un mecanismo de control de dirección para controlar estas ruedas.

El documento WO 89/06117 desvela un vehículo de un solo eje en el que un esquema de control de realimentación proporciona estabilidad. El esquema de control es tal que el vehículo permanece en vertical. Esto se consigue desplazando el eje de las ruedas hacia delante o hacia atrás para estabilizar el vehículo.

Según un aspecto de la invención, se proporciona un vehículo que comprende un soporte para sostener a un sujeto, y un módulo de contacto con el suelo, unido al soporte y que comprende al menos un elemento de contacto con el suelo, siendo la orientación del módulo en contacto con el suelo que define los planos longitudinal y lateral, el soporte y el módulo de contacto con el suelo componentes de un ensamblaje, en el que el vehículo carece de estabilidad intrínseca en el plano longitudinal, en el que el vehículo comprende además una unidad motorizada para aplicar un par motor a al menos un elemento de contacto con el suelo del módulo de contacto con el suelo, y un bucle de control acoplado a la unidad motorizada para mantener dinámicamente la estabilidad en el plano longitudinal, por accionamiento de la unidad motorizada, estando el par motor aplicado a al menos un elemento de contacto con el suelo seleccionado dependiendo del ángulo de paso de inclinación del vehículo o de una derivada con respecto al tiempo del mismo y de un valor de modificación del paso determinado para garantizar la capacidad de la unidad motorizada de mantener el equilibrio y el control del vehículo.

Según otro aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento para transportar a un sujeto sobre un suelo que tiene una superficie que puede ser irregular que comprende:

(a) adoptar una posición en un vehículo que carece intrínsecamente de estabilidad en un plano longitudinal;

(b) detectar un paso de inclinación del vehículo longitudinal alrededor de una región de contacto del vehículo con el suelo; y

(c) accionar una unidad motorizada incorporada en el vehículo que potencia dinámicamente la estabilidad en el plano longitudinal y causa una aceleración del vehículo en función de la inclinación del vehículo de adelante a atrás y un valor de modificación de inclinación determinado para garantizar la capacidad de la unidad motorizada de mantener el equilibrio y el control del vehículo.

Este procedimiento usa un par motor resultante de las fuerzas de gravitación cuando existe una inclinación del vehículo para contribuir a la aceleración del vehículo.

La invención proporciona, en una forma de realización preferida, un vehículo para transportar a un ser humano sobre el suelo que tiene una superficie que puede ser irregular. Esta forma de realización tiene un soporte para sostener al sujeto. Un módulo de contacto con el suelo, unido de forma móvil al soporte, sirve para suspender al sujeto en el soporte sobre la superficie. La orientación del módulo de contacto con el suelo define los planos longitudinal y lateral que se intersecan mutuamente en la vertical. El soporte y el módulo de contacto con el suelo son componentes de un ensamblaje. Una unidad motorizada, montada en el ensamblaje y acoplada al módulo de contacto con el suelo, provoca la locomoción del ensamblaje, y del sujeto con él, sobre la superficie. Finalmente, la forma de realización tiene un bucle de control, en el que se incluye la unidad motorizada, para potenciar dinámicamente la estabilidad en el plano longitudinal por accionamiento de la unidad motorizada en conexión con el módulo de contacto con el suelo.

En otra forma de realización, el módulo de contacto con el suelo se lleva a cabo como un par de elementos de contacto con el suelo, dispuestos lateralmente entre sí. Los elementos de contacto con el suelo pueden ser ruedas. Alternativamente, cada elemento de contacto con el suelo puede incluir un grupo de ruedas, estando cada grupo montado de forma giratoria y accionada por motor alrededor de un eje central común dispuesto lateralmente; cada una de las ruedas de cada grupo puede montarse de forma giratoria alrededor de un eje paralelo al eje central de manera que la distancia desde el eje central a través de un diámetro de cada rueda es aproximadamente el mismo para cada una de las ruedas del grupo. Las ruedas son accionadas por motor independientemente del grupo.

En una forma de realización más, cada elemento de contacto con el suelo incluye un par de pares de elementos arciformes montados de forma giratoria y adyacentes axialmente. Los elementos arciformes de cada par de elementos se disponen transversalmente en extremos opuestos de un puntal de soporte que se monta de forma giratoria en su punto medio. Cada puntal de soporte está accionado por motor.

Breve descripción de los dibujos

La invención se entenderá más fácilmente haciendo referencia a la siguiente descripción, tomada con los dibujos anexos, en la que:

la Fig. 1 es una vista en perspectiva de una forma de realización simplificada de la presente invención, que muestra a un sujeto sentado en la misma;

la Fig. 2 es otra vista en perspectiva de la forma de realización de la Fig. 1, que muestra más detalles de la forma de realización;

la Fig. 3 es una vista esquemática de la forma de realización de la Fig. 1, que muestra la disposición basculante de esta forma de realización;

la Fig. 4 es una vista en alzado lateral de la forma de realización de la Fig. 1 cuando se usa para subir escaleras;

la Fig. 5 es un esquema funcional que muestra generalmente la naturaleza de la potencia y el control de la forma de realización de la Fig. 1;

la Fig. 6 ilustra la estrategia de control para una versión simplificada de la Fig. 1 para lograr el equilibrio usando el par motor de la rueda;

la Fig. 7 ilustra esquemáticamente el funcionamiento de un control de mando de las ruedas de las formas de realización de la Fig. 1;

la Fig. 8 ilustra los procedimientos utilizados por la forma de realización de la Fig. 1 para subir y bajar escaleras;

las Figs. 9 a 21 ilustran las formas de realización de la invención utilizando un par de grupos de ruedas como elementos de contacto con el suelo;

las Figs. 9 y 10 usan un diseño de grupos de dos ruedas en varias posiciones;

las Figs. 11 a 21 usan un diseño de grupos de tres ruedas en varias posiciones y configuraciones;

las Figs. 22 a 24 ilustran una forma de realización en la que cada elemento de contacto con el suelo se lleva a cabo como una pluralidad de conjuntos de elementos arciformes montados de forma giratoria y axialmente adyacentes;

las Figs. 25 y 26 proporcionan detalle mecánico de un diseño de grupos de tres ruedas para su uso en la forma de realización de las Figs. 18 a 20;

la Fig. 27 es esquema funcional que muestra la comunicación entre los ensamblajes de control usados en la forma de realización de las Figs. 18 a 20;

la Fig. 28 es un esquema funcional que muestra la estructura de un ensamblaje de control genérico del tipo usado en la forma de realización de la Fig. 27;

la Fig. 29 es un esquema funcional que proporciona detalle del ensamblaje de la interfaz de conductor 273 de la Fig. 27;

la Fig. 30 es un diagrama de flujo lógico seguido por el microcontrolador central 272 de la Fig. 27 en el curso de un ciclo de control;

la Fig. 31 ilustra variables que definen las dimensiones del diseño de los grupos de las Figs. 11 a 26 y de una hipotética escalera con respecto la cual se usará el diseño del grupo para subir o bajar;

la Fig. 32 ilustra variables angulares relativas a la definición de la orientación del grupo con respecto al vehículo y el entorno;

la Fig. 33 es un esquema del control del motor de las ruedas durante el equilibrado y la locomoción normal;

la Fig. 34 es un esquema de la disposición del control de los grupos durante el equilibrado y la locomoción normal;

la Fig. 35 es un esquema, relacionado con la Fig. 33, que muestra la disposición por la cual se determinan las variables de estado que indican la posición de la rueda, de manera que se compensen los efectos de rotación del grupo;

las Figs. 36 a 38 ilustran la disposición de control para subir escaleras y obstáculos transversales lograda por el diseño del grupo de las Figs. 11 a 26 según la primera realización que permite la subida;

la Fig. 36 es un esquema de la disposición de control de los motores del grupo en la primera forma de realización que permite la subida, empleando aquí un modo de inclinación;

la Fig. 37 es un esquema de la disposición del control de los motores de las ruedas en la primera forma de realización que permite la subida;

la Fig. 38 es un esquema funcional del estado del vehículo, que utiliza la primera forma de realización que permite la subida, para movimiento entre modos libre, de inclinación y de equilibrio;

las Figs. 39A-B, 40A-B, 41A-B y 42A-C ilustran la subida de escaleras lograda por el diseño de los grupos de las Figs. 11 a 26 según una segunda forma de realización que permite la subida;

las Figs. 39 A y 39B ilustran la orientación del grupo en la secuencia de empezar a subir escaleras según la segunda forma de realización de subida;

las Figs. 40A y 40B ilustran la orientación del grupo en la secuencia de restablecimiento del ángulo original de esta forma de realización;

las Figs. 41A y 41B ilustran la orientación del grupo en la secuencia de transferencia de peso en esta forma de realización;

las Figs. 42A, 42B y 42C ilustran la orientación del grupo en la secuencia de subida de esta forma de realización;

la Fig. 43 es un esquema de la disposición de control de los motores de las ruedas y el grupo durante la secuencia de inicio de las Figs. 39A y 39B;

la Fig. 44 es un esquema de la disposición de control de los motores de las ruedas durante la secuencia de transferencia de peso de las Figs. 41A y 41B; y

la Fig. 45 es un esquema de la disposición de control durante la secuencia de subida de las Figs. 42A, 42B y 42C.

Las Figs. 46 y 47 muestran esquemáticamente un vehículo según una forma de realización de la presente invención equipado con sensores para subir y bajar escaleras y otros obstáculos similares.

La Fig. 48 muestra una sección vertical de una forma de realización de la invención en una configuración, similar a la de las Figs. 9 a 12, que utiliza unidades armónicas.

La Fig. 49 muestra un detalle de la parte de cada grupo del vehículo de la Fig. 48.

La Fig. 50 muestra el detalle de la disposición de las unidades de los grupos del vehículo de la Fig. 48.

La Fig. 51 muestra una vista desde un extremo de un grupo del vehículo de la Fig. 48.

La Fig. 52 muestra los detalles mecánicos de las articulaciones de tipo cadera y de rótula del vehículo de la Fig. 48.

La Fig. 53 ilustra una forma de realización de la invención que proporciona salidas no visuales útiles para un sujeto en el control del vehículo.

Descripción detallada de formas de realización específicas

La invención puede implementarse en una amplia gama de formas de realización. Una característica de muchas de estas formas de realización es el uso de un par de elementos de contacto con el suelo dispuestos lateralmente para suspender al sujeto sobre la superficie con respecto a la cual el sujeto está siendo transportado. Los elementos de contacto con el suelo están accionados por motor. En muchas formas de realización, la configuración en la que se suspende al sujeto durante la locomoción carece intrínsecamente de estabilidad al menos durante una parte del tiempo con respecto a una vertical en el plano longitudinal pero es relativamente estable con respecto a una vertical en el plano lateral. La estabilidad longitudinal se consigue proporcionando un bucle de control, en el que se incluye un motor, para el funcionamiento del motor en conexión con los elementos de contacto con el suelo. Según se describe más adelante, el par de elementos de contacto con el suelo puede, por ejemplo, ser un par de ruedas o un par de grupos de ruedas. En el caso de grupos de ruedas, cada grupo puede incluir una pluralidad de ruedas. Sin embargo, cada elemento de contacto con el suelo puede ser en su lugar una pluralidad (típicamente, un par) de elementos arciformes montados de forma giratoria y soportados radialmente. En estas formas de realización, los elementos de contacto con el suelo se accionan por medio de una unidad motorizada en el bucle de control de tal forma que el centro de masas del vehículo se mantenga por encima del punto de contacto de los elementos de contacto con el suelo, con independencia de las perturbaciones y las fuerzas operativas en el vehículo.

En la Fig. 1 se muestra una forma de realización simplificada de la invención en la cual el elemento principal de contacto con el suelo es un par de ruedas y en la que se usan elementos suplementarios de contacto con el suelo al subir y bajar escaleras. (Como se mostrará más adelante, la subida y bajada de escaleras y la locomoción en suelo plano pueden lograrse con un conjunto sencillo de elementos de contacto con el suelo, cuando dichos elementos son los grupos de ruedas o los elementos arciformes referidos anteriormente).

La forma de realización mostrada en la Fig. 1 incluye una disposición de soporte 12, incluida aquí como una silla, en la que puede sentarse un sujeto 13. El vehículo está provisto de un par de ruedas 11 dispuestas lateralmente entre sí. Las ruedas ayudan a definir una serie de ejes que incluyen el eje vertical Z-Z, un eje lateral Y-Y paralelo al eje de las ruedas y un eje longitudinal X-X perpendicular al eje de las ruedas. El plano definido por el eje vertical Z-Z y el eje lateral Y-Y se referirá a veces como "plano lateral", y el plano definido por el eje longitudinal X-X y el eje vertical Z-Z se referirá a veces como "plano longitudinal". Las direcciones paralelas a los ejes X-X e Y-Y se denominan direcciones longitudinal y lateral, respectivamente. Puede verse que el vehículo, cuando se apoya en un par de ruedas 11 para el contacto con el suelo, es intrínsecamente inestable con respecto a la vertical en la dirección longitudinal, pero es relativamente estable con respecto a una vertical en la dirección lateral.

En la Fig. 2 puede observarse que además de las ruedas 11, el vehículo está provisto de un par de pies 21 dispuestos lateralmente capaces de extenderse en la dirección vertical en magnitudes controlables, y de un reposapiés 22. Los reposapiés están provistos aquí de sensores para determinar la altura de objetos como las escaleras sobre las cuales pueden disponerse. Los pies 21 están dispuestos en un par de patas extensibles 23 correspondientes. En una forma de realización preferida, el vehículo es estable tanto en la dirección longitudinal como en la lateral cuando ambos pies están en contacto con el suelo, pero la estabilidad lateral puede sacrificarse cuando un pie está en contacto con el
suelo.

En la Fig. 3 se muestra una disposición de la forma de realización de las Figs. 1 y 2 que permite la basculación de la silla 12 con respecto al sistema de suspensión, que incluye pies 21 y patas relacionadas 23. La basculación actúa en un plano que es aproximadamente horizontal. La disposición basculante, en combinación con la capacidad de extender y encoger cada pata, permite el movimiento del vehículo subiendo y bajando escaleras, de una manera análoga a la locomoción humana en las escaleras. Cada pata 23, cuando actúa como la portadora del peso, permite la rotación del resto del vehículo alrededor del eje vertical de la pata en el curso de una basculación. Al lograr la basculación, la silla pivota alrededor de un eje vertical dispuesto en posición central entre las patas 23 para mantener la dirección frontal de la silla. Adicionalmente, la pata 23 que no porta el peso se gira alrededor de su eje vertical en el curso de una basculación para mantener su pie 21 relacionado en una dirección frontal.

Puede verse que la forma de realización descrita en las Figs. 1 a 3 sacrifica la estabilidad longitudinal intrínseca con el fin de lograr una movilidad relativa. Para cambios de superficies generalmente graduales, el modo de equilibrio implica proporcionar estabilidad longitudinal a un sistema por otra parte intrínsecamente inestable. Para superficies más irregulares, como las escaleras, esta forma de realización tiene un "modo escalón" independiente usado para subir o bajar escaleras. La estabilidad puede recuperarse al subir o bajar escaleras, por ejemplo, usando una mano para agarrarse a un pasamanos corriente 41, según se muestra en la Fig. 4, o incluso haciendo contacto con una pared disponible cerca de la escalera.

Además, puede usarse una variedad de estrategias para reducir el riesgo de lesión derivada de una caída. En una disposición posible, en el caso de que se determine que pueda producirse una caída, el vehículo puede entrar en un modo agachado en el que se rebaja de forma controlable y rápida el centro de masa de la combinación del vehículo y el ser humano. Puede lograrse un descenso del centro de masas, por ejemplo, curvando o separando el sistema de suspensión de manera que haga que se reduzca la altura de la silla con respecto a la superficie. Un modo agachado también puede tener efectos beneficiosos de disipación de energía antes de impartirla al sujeto, colocando al sujeto en una posición tal que se reduce su vulnerabilidad, y poniendo al sujeto en una posición tal que se reduce la energía transferida a la persona en caso de impacto.

En el esquema funcional de la Fig. 5 puede verse que se usa un sistema de control 51 para controlar las unidades motoras y los accionadores de la forma de realización de las Figs. 1 a 4 para lograr locomoción y equilibrio. En ello se incluyen unidades motoras 531 y 532 para las ruedas derecha e izquierda, respectivamente, accionadores 541 y 542 para las patas izquierda y derecha, respectivamente, y una unidad motora basculante 55. El sistema de control tiene entradas de datos que incluyen interfaz de usuario 561, sensor de inclinación 562 para detectar la inclinación longitudinal, sensores de giro de las ruedas 563, sensor de altura del accionador 564, sensor de basculación 565 y un sensor del tamaño de la escalera 566.

En el esquema funcional de la Fig. 6 se muestra un algoritmo de control simplificado para lograr equilibrio en la forma de realización de la invención según la Fig. 1 cuando las ruedas están activas para locomoción. La planta 61 equivale a las ecuaciones de movimiento de un sistema con un módulo de contacto con el suelo accionado por un único motor, antes de aplicar el bucle de control. T identifica al par motor de la rueda. El carácter \theta identifica la inclinación longitudinal (el ángulo de inclinación del vehículo con respecto a la gravedad, es decir, la vertical), X identifica el desplazamiento longitudinal a lo largo de la superficie con respecto al punto de referencia, y el punto encima de un carácter denota una variable diferenciada con respecto al tiempo. La parte restante de la figura es el control usado para lograr el equilibrio. Los cuadros 62 y 63 indican diferenciación. Para lograr un control dinámico que garantice la estabilidad del sistema y mantenga el sistema cerca de un punto de referencia en la superficie, el par motor T de la rueda en esta forma de realización se define de manera que cumpla la siguiente ecuación:

T = K_{1}\theta + K_{2}\overline{\theta} + K_{3}X + K_{4\overline{x}}

Las ganancias K_{1}, K_{2}, K_{3} y K_{4} dependen de los parámetros físicos del sistema y de otros efectos como la gravedad. El algoritmo de control simplificado de la Fig. 6 mantiene el equilibrio y también la proximidad al punto de referencia en la superficie en presencia de perturbaciones como cambios en el centro de masas del sistema con respecto al punto de referencia en la superficie debido al movimiento del cuerpo del sujeto o al contacto con otras personas u objetos.

Con el fin de alojar dos ruedas en vez del sistema de una rueda ilustrado en la Fig. 6, el par motor deseado del motor izquierdo y el par motor deseado del motor derecho pueden calcularse por separado de la forma general descrita más adelante en relación con la Fig. 33. Adicionalmente, el seguimiento del movimiento de la rueda izquierda y del movimiento de la rueda derecha permite realizar ajustes para evitar giros no deseados del vehículo y para tener en cuenta variaciones de rendimiento entre los dos motores accionadores.

Se usa una interfaz manual, como un mando para ajustar los pares motor de cada motor. El mando tiene ejes que se indican en la Fig. 7. En el funcionamiento de esta forma de realización, los movimientos hacia delante del mando se usan para provocar un movimiento hacia delante del vehículo, y el movimiento hacia atrás del mando provoca un movimiento hacia atrás del vehículo. Análogamente, se consigue un giro a la izquierda por el movimiento hacia la izquierda del mando. Para un giro a la derecha, el mando se mueve a la derecha. La configuración utilizada aquí permite que el vehículo gire sin moverse del sitio cuando se mueve el mando a la izquierda o a la derecha. En lo que respecta al movimiento hacia delante y hacia atrás, una alternativa al mando consiste simplemente en inclinarse hacia delante o hacia atrás, ya que el sensor de inclinación (que mide \theta) identificaría un cambio en la inclinación que el sistema intentaría compensar, desembocando en un movimiento adelante o atrás, dependiendo de la dirección de la inclinación. Alternativamente, pueden implementarse estrategias de control basadas en lógica difusa.

Puede observarse que el enfoque de ajustar pares motor del motor cuando en el modo de equilibrio se permite alcanzar estabilidad longitudinal sin necesidad de ruedas o puntales de estabilización adicionales (aunque también pueden proporcionarse dichas ayudas a la estabilidad). En otras palabras, la estabilidad se consigue dinámicamente, por movimiento de los componentes del vehículo (en este caso, constitutivos del vehículo completo) con respecto al suelo.

Subir escaleras con patas

La Fig. 8 muestra una manera de subir y bajar escaleras con la forma de realización de la Fig. 1. Al enfrentarse a una escalera, inicialmente se contraen las dos patas (mostrado en el bloque 71), y luego se mide la altura del primer escalón (bloque 72). Se hace una determinación sobre si se va a subir o a bajar la escalera (73). (En este punto, es útil para lograr la estabilidad que el sujeto se agarre a un pasamanos disponible).

Posteriormente, en la primera etapa de subida de la escalera (mostrada en el bloque 74), se extiende una primera pata hasta que la segunda pata supera el escalón (75). Entonces el vehículo bascula hasta que la segunda pata está sobre el escalón recién superado (78). (En la implementación de esta etapa, es posible usar un sensor para determinar hasta dónde bascular basándose en la profundidad del escalón. Alternativamente, la basculación puede realizarse según un ángulo específico como, por ejemplo, 90º). Entonces se verifica el sensor para medir la altura del siguiente escalón (72). Si un escalón se determina como presente (73), y el escalón anterior era impar (76), el procedimiento continúa extendiendo la segunda pata y encogiendo la primera hasta que la primera pata supere el siguiente escalón (79). A continuación, el vehículo bascula hasta que la primera pata está sobre el escalón superado (80). Entonces se verifica el sensor para medir la altura del siguiente escalón (72). Si un escalón se determina como presente (73), y el escalón anterior era par (76), el procedimiento continúa extendiendo la primera pata y encogiendo la segunda pata hasta que la segunda pata supera el siguiente escalón (78). Se repite el procedimiento a partir del bloque 72. Si no se detecta escalón, si el escalón anterior era impar, se completa extendiendo ligeramente la segunda pata, encogiendo totalmente la primera pata, basculando hasta que las dos patas estén en posición frontal y luego encogiendo la segunda para pata para apoyarse en los dos pies. Si no se detecta escalón, si el escalón anterior era par, se completa extendiendo ligeramente la primera pata, encogiendo totalmente la segunda pata, basculando hasta que las dos patas estén en posición frontal y luego encogiendo la primera pata para apoyarse en los dos pies (88).

Para bajar escaleras se sigue un procedimiento análogo. En la primera etapa de bajar escaleras (mostrada en el bloque 81), se extiende ligeramente la primera pata para superar la segunda pata (bloque 82). A continuación, el vehículo bascula hasta que la segunda pata está sobre el escalón al que se va a descender (84), se encoge la primera pata y se extiende la segunda pata hasta que la segunda pata está en el escalón (85). Entonces se verifica el sensor para medir la altura del siguiente escalón (72). Si se determina que hay escalón presente (73), y el escalón anterior era impar, se continúa el procedimiento basculando hasta que la primera pata está sobre el escalón en el cual se va a extender (86). Entonces se encoge la segunda pata y se extiende la primera pata hasta que la primera pata está en el escalón (bloque 87). Entonces se verifica el sensor para medir la altura del siguiente escalón (72). Si se determina que hay presente un escalón (73), y el escalón anterior era par, se continúa el procedimiento (84), y luego se repite empezando en el bloque 72. Si no se detecta escalón, se completa la bajada basculando hasta que las dos patas están en posición frontal, y luego se encogen ambas patas para apoyarse en los dos pies (88).

En lugar de la disposición basculante expuesta anteriormente, en otra forma de realización, el movimiento relativo de las patas puede conseguirse haciendo que cada pata se monte de un modo que permita que se deslice en un plano aproximadamente horizontal en las direcciones delante y atrás. Alternativamente, las patas pueden utilizar articulaciones análogas a las articulaciones de rótula y cadera de los seres humanos.

Subir escaleras con grupos de ruedas

Mientras que la forma de realización de la Fig. 1 requiere elementos de contacto con el suelo diferentes para subir escaleras y para moverse sobre suelo nivelado, las formas de realización de la invención mostradas en las Figs. 9 a 21 utilizan con éxito el mismo conjunto de elementos de contacto con el suelo para subir escaleras y para moverse sobre suelo nivelado. Las Figs. 9 a 18 ilustran formas de realización de la invención que utilizan un par de grupos de ruedas como elementos de contacto con el suelo en lugar del par de ruedas usado en la forma de realización de la Fig. 1.

En la Fig. 9 se muestra una vista lateral de una forma de realización que utiliza un diseño de grupos de dos ruedas. El sujeto 962 se muestra apoyado en el asiendo 95 de esta forma de realización. En la vista se observa el grupo de ruedas derechas 91 con un par de ruedas 931 y 932 en localizaciones radialmente simétricas alrededor del eje 92 de rotación del grupo. Se emplea también un grupo similar a la izquierda. Cada grupo tiene su propio motor controlado por separado para accionarlo alrededor de su eje de rotación 92. Cada par de ruedas (aquí, 931 y 932) se acciona también mediante un motor de control por separado alrededor de su propio eje de rotación, pero las ruedas de un grupo están acopladas para girar de manera síncrona.

Puede observarse en la Fig. 9 que el grupo 91 está colocado de manera que las dos ruedas 931 y 932 pueden estar en contacto con el suelo. Cuando el grupo 91 (a lo largo del grupo de la izquierda) está en esta posición, el vehículo de esta forma de realización es relativamente estable en el plano longitudinal, lo que permite que un sujeto 961 mostrado de pie asuma rápidamente una posición sentada 962 en el vehículo o, por ejemplo, una persona discapacitada pueda ser trasladada desde otra silla.

El grupo 91, sin embargo, puede hacerse girar alrededor de su eje 92 sólo hasta que la rueda 932 de cada grupo esté en contacto con el suelo, tal como se muestra en la Fig. 10. Cuando el grupo 91 (a lo largo del grupo de la izquierda) está en esta posición, el vehículo tiene la misma inestabilidad longitudinal intrínseca que se expuso anteriormente en relación con la forma de realización de la Fig. 1. Pueden usarse las mismas ecuaciones que rigen el sistema, según se expusieron anteriormente, para accionar las ruedas y crear estabilidad longitudinal dinámicamente. También como se muestra en las Figs. 9 y 10, la silla 95 puede estar unida a los elementos de contacto con el suelo a través de un brazo articulado que tiene segmentos 941 y 942 que pueden ajustarse formando un ángulo entre sí y el asiento 95. Los ajustes se realizan mediante unidades motorizadas dispuestas en los bujes 945 y 946. (Estas unidades pueden, por ejemplo, ser unidades armónicas). Como consecuencia de estos ajustes (además del efecto de rotación de los grupos), la altura del asiento 95, entre otras cosas, puede modificarse; puede verse que el sujeto 101 puede alcanzar una altura estando sentado en el vehículo comparable (o incluso mayor) a la del sujeto de pie 961. Esto es deseable, ya que los sujetos sentados, en sillas de ruedas, por ejemplo, por lo común se ven empequeñecidos frente a sujetos de pie. Como se expondrá en mayor detalle más adelante, los ajustes sucesivos permiten también el ajuste de la inclinación longitudinal del asiento.

Las Figs. 11 a 18 usan un diseño de grupo de tres ruedas en diversos modos y configuraciones. Las Figs. 11 (que muestra una posición de reposo estable) y 12 (que muestra una posición de equilibrio para desplazamiento) para grupos de tres ruedas se corresponden con las Figs. 9 y 10 de los grupos de dos ruedas. Cada grupo de tres ruedas (aquí se muestra el grupo 111 de la derecha) se monta de forma giratoria y accionada por motor alrededor del eje 112, usando motores controlables por separado. Como en el caso del diseño de grupos de dos ruedas, las ruedas de cada grupo están accionadas y controladas por separado, pero ruedan de forma síncrona en cada grupo.

Debe advertirse que aunque muchas de las formas de realización descritas en la presente memoria descriptiva utilizan motores separados controlados individualmente, puede usarse un motor común para una serie de funciones y el control separado puede conseguirse mediante engranaje apropiado u otra disposición para transmisión de potencia como, por ejemplo, una unidad diferencial. El término "unidad motorizada" según se usa en la presente descripción y en las reivindicaciones siguientes se aplica a cualquier vehículo que produzca potencia mecánica, con independencia de los medios, e incluye por tanto un motor que sea eléctrico, hidráulico, neumático o termodinámico (en esto último se incluye un motor de combustión interna o de combustión externa), junto con cualquier disposición apropiada para la transmisión de dicha potencia mecánica; o un dispositivo productor de empuje como un motor de turborreactor o un propulsor activado por motor.

La Fig. 13 es similar a la Fig. 12, pero aquí la silla 95 se muestra con un respaldo 131 y un asiento 132. El ángulo del respaldo 131 con respecto al asiento 132 y el ángulo del asiento 132 con respecto a la horizontal pueden ajustarse de manera que con el respaldo 131 en una orientación generalmente vertical, el asiento 132 puede inclinarse hacia la vertical para permitir al usuario que asuma una posición prácticamente recta.

En la Fig. 14 se muestra la forma de realización subiendo escaleras. Los segmentos del brazo articulado 941 y 942 están aquí en posición extendida para proporcionar una altura máxima, de manera que los pies del sujeto 101 superen las escaleras 141. La subida de la escalera se consigue por rotación de cada uno de los grupos de la derecha 111 y los grupos de la izquierda (no mostrados) alrededor del eje central 112 y la rotación coordinada de las ruedas. Los modos reales y las disposiciones de control para conseguir subir escaleras se describen más adelante en relación con la Fig. 27 y posteriores.

Las Figs. 15 a 17 son vistas de una forma de realización similar a la de las Figs. 11 y 12, pero en las que uno de los segmentos 161 y 171 del brazo articulado, en este caso el segmento 171, llevan realmente el asiento 151 de la combinación del soporte del cuerpo que comprende el asiento 151 y el contorno 152. El contorno 152 se proporciona aquí con un reposacabezas 155. Cuando el segmento 171 se orienta en una posición casi vertical, el asiento 151 se mueve permitiendo al sujeto 153 adoptar una posición de pie apoyado en el asiento 151, el contorno 152 y el reposacabezas 154.

Las Figs. 18 a 20 ilustran una forma de realización, similar a la de las Figs. 11 a 14, en la que la altura del sujeto 101 puede ajustarse con un elemento telescópico 181, cuya extensión está bajo el control de un motor independiente. Además, el ángulo de balanceo del sujeto, alrededor de un eje R-R en la Fig. 19, es ajustable, según se muestra en la Fig. 18, a través de una unidad de motor controlada por separado 191 de Fig. 19. Por otra parte, la inclinación longitudinal de la silla 181, mostrada en dos posiciones diferentes en las Figs. 19 y 20, es ajustable a través de una unidad de motor controlada por separado 192. Aunque los ajustes de balanceo e inclinación se implementan aquí con un pivote y una unidad motorizada, cada uno de estos ajustes podría implementarse, por ejemplo, mediante un cuadrilátero articulado u otra disposición de articulación acoplada a la unidad motorizada.

En la Fig. 21 puede verse que puede prepararse un vehículo de acuerdo con la presente invención sin proporcionar una silla. El sujeto se mantiene en pie sobre una plataforma 211 y sujeta una empuñadura 212 en el manillar 213 unido a la plataforma 211, de manera que el vehículo de esta forma de realización pueda accionarse de manera análoga a un patinete. La empuñadura 212 puede estar provista cómodamente de un mando accionado con el pulgar para el control direccional, aunque pueden usarse también otros procedimientos de control. Por ejemplo, el manillar 213 y la empuñadura 212 pueden evitarse, y equipar la plataforma 211 con sensores para detectar la inclinación del sujeto. En efecto, según se describe en relación con la Fig. 5 y en las descripciones posteriores, el paso de inclinación del vehículo se detecta y se compensa en el bucle de control, de manera que si el sujeto se inclina hacia delante, el vehículo avanzará hacia delante para mantener la estabilidad vertical. Por consiguiente, una inclinación hacia delante provocará un movimiento hacia delante; una inclinación hacia atrás provocará un movimiento hacia atrás. Pueden proporcionarse transductores de fuerza apropiados para detectar la inclinación a la izquierda y a la derecha y proporcionarse controles relacionados para provocar giros a la izquierda o a la derecha como consecuencia de la inclinación detectada. La inclinación puede detectarse asimismo usando sensores de proximidad. Análogamente, el vehículo de esta forma de realización puede estar equipado con un conmutador accionado por el pie (o por fuerza) para activar el vehículo, de manera que el conmutador se cierra para encender el vehículo automáticamente cuando el sujeto se pone en pie sobre la plataforma 211. Aunque esta forma de realización se muestra con grupos de ruedas izquierdo y derecho 214 accionados al modo de los grupos de las Figs. 13 a 20, el vehículo puede estar provisto alternativamente de otros elementos de contacto con el suelo como, por ejemplo, un par único de ruedas dispuesto transversalmente al modo de la Fig. 1 (pero sin patas) o con pares izquierdo y derecho de pares de elementos arciformes montados de forma giratoria y adyacentes axialmente en un modo similar al de las Figs. 22 a 24 descritas más
adelante.

Subir escaleras usando elementos arciformes

Las Figs. 22 a 24 ilustran una forma de realización en la que cada elemento de contacto con el suelo se prepara como una pluralidad (aquí, un par) de grupos de elementos arciformes montados de forma giratoria y adyacentes axialmente. Por ejemplo, en la Fig. 22, que corresponde generalmente a la forma de realización de propulsión de grupo de la Fig. 15, el elemento de contacto con el suelo de la derecha se prepara como un par arciforme 221 y 222. Los elementos arciformes (piezas 221a-221b y piezas 222a-222b) de cada par 221 y 222 se disponen transversalmente en extremos opuestos de un puntal de soporte (piezas 221c y 222c, respectivamente) que está montado de forma giratoria en su punto medio. Cada puntal de soporte 221c y 222c está accionado por motor y se controla independientemente del otro. En funcionamiento, durante locomoción normal, los elementos arciformes de cada par se aproximan a la acción de una rueda. Cuando, por ejemplo, durante dicha locomoción, el elemento arciforme 221a va a perder contacto con el suelo, el elemento 222a se ha girado de manera que llegue a la posición mostrada para permitir la continuación del balanceo establecido por la forma de los elementos arciformes. De este modo, existe un movimiento de balanceo sustancialmente continuo del vehículo a lo largo de los elementos arciformes. Así, el movimiento de cada uno de los elementos arciformes alrededor de su eje de rotación no se produce generalmente a velocidad angular constante. Típicamente, cada par de elementos arciformes se mueve a una velocidad angular mayor cuando ninguno de los elementos del par está en contacto con el suelo. Sin embargo, cuando uno de los elementos del par está en contacto con el suelo, la velocidad angular del par (y, por tanto, del elemento de contacto con el suelo) se controla de forma que se corresponda con la velocidad del vehículo sobre el suelo, con lo que puede conseguirse una velocidad constante sobre el suelo cuando se desee.

Un efecto resultante de los cambios en la velocidad angular de los elementos arciformes para permitir una velocidad constante sobre el suelo es la presencia de un par motor reactivo en la estructura que tendería a provocar aceleraciones no deseadas en el vehículo. Una solución consiste en el diseño del vehículo de manera que el par motor reactivo de la unidad del motor sea igual y de signo contrario al reactivo del elemento arciforme que lo provoca, expresado del modo siguiente:

I_{R} \ \overline{\omega}_{R} + I_{L} \ \overline{\omega}_{L} =0,

en el que I es el momento de inercia, y el subíndice L denota al sistema de elementos arciformes y el subíndice R denota al sistema de rotor. Esta ecuación puede reescribirse como:

\frac{\overline{\omega}_{R}}{\overline{\omega}_{L}} = - \frac{I_{L}}{I_{R}}

Puede sustituirse el cociente entre aceleraciones angulares por la relación de transmisión N_{g}, del modo siguiente:

N_{g} = - \frac{I_{L}}{I_{R}}

Cumpliendo esta ecuación para N_{g}, lo que puede conseguirse mediante la configuración adecuada de la relación de transmisión y los momentos de inercia, los pares motor reactivos estarán en equilibrio y el vehículo avanzará suavemente.

Preferentemente, la extensión más exterior radialmente de cada elemento arciforme tiene en general un radio de curvatura principal constante que se adecua en general al de un círculo que tiene un radio de longitud igual a la distancia de esa extensión. Cada elemento arciforme tiene una parte delantera, que se acerca primero al suelo en el movimiento hacia delante del vehículo, y una parte trasera, que deja el suelo en último lugar en el movimiento hacia delante del vehículo. La parte delantera del elemento arciforme 221a, por ejemplo, se identifica como pieza 223 y la parte trasera del elemento arciforme 221a se identifica como pieza 224. Para permitir que elementos arciformes sucesivos entren en contacto con el suelo suavemente en el curso de un movimiento hacia delante, es preferible que el radio de curvatura de cada elemento arciforme cerca del extremo de su parte delantera sea algo menor que el radio de curvatura principal de dicho elemento. Análogamente, para permitir que elementos arciformes sucesivos entren en contacto con el suelo suavemente en el curso de un movimiento hacia atrás, es preferible que el radio de curvatura de cada elemento arciforme cerca del extremo de su parte trasera sea algo menor que el radio de curvatura principal de dicho elemento. Alternativamente, o además, el radio de curvatura cerca de los extremos de la parte delantera y la parte trasera puede ajustarse de otras maneras para facilitar la transferencia de carga de un elemento arciforme del grupo al siguiente. Puede ser deseable, por ejemplo, en algunas formas de realización hacer que el radio de curvatura del extremo sea mayor que el radio de curvatura principal. En otras formas de realización, el extremo puede montarse de forma plegable y acoplarse a una configuración de plegamiento, de manera que pueda modificarse actuando sobre el radio de curvatura local.

Debe advertirse que, cuando se desee, el vehículo de esta forma de realización puede colocarse en posición de reposo, cruzando los puntales 221c y 222c en un ángulo tal (cercano a \pi radianes) que la parte delantera de un elemento arciforme esté en contacto con el suelo, la parte trasera de otro elemento arciforme esté en contacto con el suelo y los puntos de contacto estén separados entre sí. Una posición semejante reduce también la altura global del vehículo y facilita el almacenamiento compacto o el transporte del vehículo.

En la Fig. 23, que corresponde en general a la forma de realización propulsada por grupos de la Fig. 17, se muestra el vehículo de la Fig. 22 con el sujeto de pie sobre la plataforma 154, con el asiento 151 orientado verticalmente.

En la Fig. 24, se muestra la forma de realización de la Fig. 22 subiendo escaleras. Los puntales se mueven de tal manera que los elementos arciformes sucesivos se posan sobre los sucesivos escalones.

Detalles de la implementación de grupos

Las Figs. 25 y 26 proporcionan los detalles de un diseño de grupos de tres ruedas para la forma de realización de las Figs. 18 a 20. Cada grupo 251a y 251b tiene su propio motor de impulsión 252a y 252b, que acciona el grupo a través de un tren de engranajes. Las ruedas de cada grupo están alimentadas por separado por un motor 253a para el grupo 251a y por un motor 253b para el grupo 251b. Las ruedas dentro de un grupo dado 251a o 251b se accionan de manera síncrona por dicho motor del grupo 253a o 253b, como pueda ser el caso a través de una disposición de engranajes dispuesta radialmente. En la Fig. 26, una vista lateral del grupo 251a muestra las ruedas 261a, 261b y 261c con engranajes activos asociados 262a, 262b y 262c, accionados por engranajes intermedios respectivos 263a, 263b y 263c, que a su vez están accionados por un engranaje conductor 264, que se hace girar por medio del árbol del motor 253a.

La Fig. 27 es un esquema funcional que muestra la comunicación entre los ensamblajes de control usados en un vehículo según la forma de realización de las Figs. 18 a 20. Puede usarse un conjunto similar de ensamblajes para cualquiera de las otras formas de realización descritas en la presente memoria descriptiva. El vehículo está alimentado por una pila de baterías 271. El bus 279 proporciona comunicaciones (implementadas aquí en serie) mutuas y alimentación a los diversos ensamblajes. El control global del sistema del vehículo se proporciona por medio de un microcontrolador central 272. Las entradas, obtenidas de fuentes como el mando y el inclinómetro, al microcontrolador central 272 que establecen la base del control del sistema se proporcionan por el ensamblaje de interfaz de conductor 273, que se describe más adelante con respecto a la Fig. 29. La inclinación, la altura y el balanceo de la silla 182 de la Fig. 18 se ajustan mediante el ensamblaje de control del motor de inclinación 274, el ensamblaje de control del motor de altura 275 y el ensamblaje de control del motor de balanceo 276, respectivamente. La rotación de los grupos de la derecha y la izquierda se controla mediante el ensamblaje de control del grupo de la derecha 278a y el ensamblaje de control del grupo de la izquierda 278b, respectivamente. La rotación de las ruedas en el grupo de la derecha y el grupo de la izquierda se controlan por medio del ensamblaje de control de las ruedas de la derecha 277a y el ensamblaje de control de las ruedas de la izquierda 277b.

La estructura general de cada uno de los ensamblajes de control, identificados en la Fig. 27, usados para la posición de las sillas y las ruedas y sus grupos se muestra en la Fig. 28. Un motor 281 recibe alimentación trifásica desde el convertidor de potencia 282. La salida del detector de efecto Hall 2812 proporciona señales de información al convertidor de potencia 282 para controlar la fase de la potencia del motor. Las señales de información relativas a la rotación del árbol del motor o a la posición de los sistemas mecánicos alimentados por el motor puede proporcionarse por medio de uno o varios potenciómetros 284, tacómetros 2811 o codificadores incrementales 2813. (Alternativamente, puede utilizarse el propio detector de efecto Hall 2812). Estas señales se suministran al microcontrolador periférico 283. Adicionalmente, las salidas de temperatura asociadas al convertidor de potencia 282 y al motor 281 proporcionan señales de entrada al microcontrolador periférico 283. El microcontrolador periférico 283 está a su vez en comunicación con el microcontrolador central 272 a través del bus 279.

La Fig. 29 es un esquema funcional que proporciona detalles del ensamblaje de la interfaz del conductor 273 de la Fig. 27. Un microordenador periférico 291 recibe una entrada del mando 292, así como del inclinómetro 293. El inclinómetro proporciona señales de información en forma de paso de inclinación y velocidad de inclinación. (El término "inclinómetro", según se usa en este contexto a lo largo de toda esta descripción y en las reivindicaciones adjuntas, se aplica a cualquier dispositivo que proporcione una salida indicativa del paso o la velocidad de paso, con independencia de la disposición usada para lograr la salida; si sólo se proporciona como salida una de las variables de paso de inclinación o de velocidad de inclinación, la otra variable puede obtenerse mediante diferenciación o integración adecuadas con respecto al tiempo). Para permitir virajes controlados en vueltas por el vehículo (incrementando así la estabilidad al girar) es viable asimismo utilizar un segundo inclinómetro para proporcionar información como balanceo y velocidad de balanceo o, alternativamente, la resultante del peso del sistema y la fuerza centrífuga. Pueden proporcionarse también de forma deseable otras entradas 294, como una entrada al microcontrolador periférico 291. Entre estas otras entradas pueden incluirse señales generadas por conmutadores (botones y pulsadores) para el ajuste de la silla y para determinar el modo de operación (por ejemplo, modo de inclinación o modo de equilibrio descritos más adelante). El microcontrolador periférico 291 tiene también entradas para recibir señales de la pila de baterías 271 en forma de voltaje de batería, corriente de batería y temperatura de batería. El microcontrolador periférico 291 está en comunicación a través del bus 279 con el microcontrolador central 272.

La Fig. 30 es un diagrama de flujo lógico seguido por el microcontrolador central 272 de la Fig. 27 en el curso de un ciclo de control. Con fines de diagnóstico, el ciclo empieza en la etapa 301, verificando la presencia de cualquier entrada del técnico. La siguiente etapa, 302, consiste en leer las entradas del conductor desde el mando, los conmutadores, los botones y los pulsadores. A continuación, en la etapa 303, las variables de estado del vehículo se leen como entradas. A continuación, en la etapa 3011, se actualiza la pantalla del técnico (en caso de uso de diagnóstico) y, después, en la etapa 304, se modifica el estado del programa basándose en las variables de entrada obtenidas en las etapas 301 a 303. Se hace entonces una prueba para ver si se sale del programa (etapa 3041), y si la determinación es sí, se inactivan todos los amplificadores del motor (etapa 3042), y el programa concluye. En caso contrario, se realiza un control de seguridad (en la etapa 3043) de las variables pertinentes (como temperatura, voltaje de batería, etc.), y si el resultado es negativo se inactivan los amplificadores de los motores de las ruedas y los grupos de ruedas (etapa 3044), y se modifica en consecuencia el estado del programa (etapa 3055). Sin embargo, se emplean adecuadamente varios niveles de verificación de manera que los amplificadores de los motores se inactivan únicamente después de que se hayan establecido acondicionadores de alarma de umbral. Si el control de seguridad de la etapa 3043 es positivo o después de que el estado del programa se haya modificado en la etapa 3055, se realizan cálculos en serie de la señal de par motor de los grupos (etapa 305), la señal de par motor de las ruedas (etapa 306), la señal de velocidad de inclinación (etapa 307), la señal de velocidad de balanceo (etapa 308) y la señal de velocidad de altura (309). Los resultados de estos cálculos se proporcionan entonces como salida a sus vehículos respectivos en la etapa 3010. En la etapa 3091, el programa espera la siguiente señal de sincronización para empezar de nuevo el ciclo de control. La frecuencia de los ciclos de control en esta forma de realización está en el intervalo de 200 a 400 Hz, lo que proporciona respuesta y estabilidad de control satisfactorias.

La Fig. 31 ilustra variables que definen las dimensiones del diseño de grupos de las Figs. 11 a 26 y de un hipotético escalón con respecto al cual puede usarse el diseño de grupos para subir o bajar. En la tabla siguiente se exponen las variables usadas para identificar estas dimensiones mostradas en la Fig. 31. "Tamaño nominal" significa dimensiones típicas de estas piezas, en relación con las cuales se ha implementado y funciona la forma de realización de las Figs. 18 a 20.

TABLA 1 Variables de dimensión

1

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En el uso de estas variables y en las de la Tabla 2 que se muestra más adelante se han empleado las siguientes convenciones con la siguiente descripción:

1. Las variables definidas en coordenadas absolutas se nombran usando un único subíndice en mayúsculas. Las coordenadas absolutas son coordenadas fijas a la tierra (inerciales).

2. Las variables definidas en coordenadas relativas se nombran con un subíndice doble. Los subíndices indican los puntos extremos de la variable. El orden de los subíndices indica el signo de la variable. Por ejemplo, \theta_{PC} es el ángulo entre el poste y la pata del grupo en el cual la rotación en sentido horario desde el poste del grupo es positivo (véase nota 4). La "pata" del grupo es el segmento lineal trazado desde el centro del grupo al centro de la rueda que está sometida actualmente a equilibrado. El "poste" del grupo es el segmento lineal trazado desde el centro de masas del sistema al centro del grupo.

3. Se usan subíndices en minúscula para indicar otros atributos como, por ejemplo, derecha/izquierda, etc.: r = derecha; l = izquierda; ref = referencia; f = final; s = inicio.

4. Todos los ángulos son positivos en la dirección horaria, en la que el desplazamiento positivo se produce en la dirección de las x positivas.

5. Un punto sobre una variable indica diferenciación con respecto al tiempo como, por ejemplo, \theta^{.}.

La Fig. 32 ilustra las variables de ángulo y movimiento pertinentes para definir la orientación del grupo con respecto al vehículo y al entorno. Estas variables se definen según se expone en la siguiente tabla.

TABLA 2 Variables de ángulo y de movimiento

2

Las Figs. 33 a 35 son esquemas funcionales que muestran algoritmos de control, adecuados para su uso en conjunción con las estructuras de control de la Fig. 27, para proporcionar estabilidad a un vehículo según la forma de realización de las Figs. 11 a 21 cuando se equilibra en un par de ruedas, tanto durante la locomoción como en posición fija.

La Fig. 33 muestra la disposición de control para los motores de las ruedas de la derecha y de la izquierda (correspondientes a piezas 252a y 252b de la Fig. 25). La configuración tiene entradas de \theta, \theta^{.}, r\theta^{.}_{Wl} (velocidad lineal de la rueda izquierda con respecto al sistema de coordenadas absoluto) y r\theta^{.}_{Wr} (velocidad lineal de la rueda derecha), además de las entradas direccionales 3300 determinadas por la posición del mando entre los ejes X e Y de un sistema de coordenadas de referencia. Las entradas \theta, \theta^{.} y las señales de error x y x^{.} (descritas más adelante), sujetas a ganancias K1, K2, K3 y K4, respectivamente, se convierten en entradas al sumador 3319, que produce la orden de par motor de equilibrado básica dirigida a las ruedas, en el modo general descrito anteriormente en relación con la Fig. 6 anterior. La salida del sumador 3319 se combina con la salida del bucle PID de guiñada 3316 (descrito más adelante) en el sumador 3320, y luego se divide en el divisor 3322 y se limita en el limitador de saturación 3324, para producir la orden de par motor de la rueda izquierda. Análogamente, la salida del sumador 3319 se combina con la salida del bucle PID 3316 en el sumador 3321, luego se divide en el divisor 3323 y se limita en el limitador de saturación 3325, para producir la orden de par motor de la rueda derecha.

En la Fig. 33, una entrada direccional a lo largo del eje X mueve el sistema de coordenadas de referencia a lo largo de su eje X con respecto al sistema de coordenadas absolutas (que representa la superficie atravesada), a una velocidad proporcional al desplazamiento del mando. Una entrada direccional a lo largo del eje Y hace girar el sistema de coordenadas de referencia alrededor de su eje Z a una velocidad angular proporcional al desplazamiento del mando. Se observará que el movimiento del mando en la dirección X positiva se interpreta aquí como movimiento hacia delante; el movimiento del mando en la dirección X negativa se interpreta como movimiento hacia atrás. Análogamente, el movimiento del mando en la dirección Y positiva significa giro a la izquierda, en sentido antihorario según se mira desde arriba; el movimiento del mando en la dirección Y negativa significa giro a la derecha en sentido horario según se mira desde arriba. De aquí, las entradas direccionales Y y X se suministran por banda inactiva a través de los bloques de banda inactiva 3301 y 3302, respectivamente, para ensanchar la posición neutra del mando, y luego se someten a ganancias K11 y K10, a continuación se limitan en velocidad mediante los limitadores 3303 y 3304, respectivamente, que limitan las aceleraciones angulares y lineales, respectivamente, del sistema de coordenadas de referencia. La suma de estas salidas obtenida a través del sumador 3305 se convierte en la velocidad de referencia x^{.}_{r \ ref} mientras que la diferencia de estas salidas obtenida a través del sumador 3306 se convierte en la velocidad de referencia x^{.}_{l \ ref}. Estas velocidades de referencia se restan en los sumadores 3308 y 3307 de las señales de entrada de velocidad lineal compensada r\theta^{.}_{wl} y r\theta^{.}_{wr} para las ruedas de la derecha y de la izquierda (véase descripción más adelante en relación con la Fig. 35 para estas cantidades) para obtener señales de error de velocidad x^{.}_{l} y x^{.}_{r} para las ruedas derecha e izquierda dentro del sistema de coordenadas de referencia. A su vez, el promedio de estas señales, determinado a través del sumador 3317 y el divisor 3318, produce una señal de error de velocidad lineal x^{.}. La señal de error de desplazamiento x se obtiene mediante integración de r\theta^{.}_{wl} y r\theta^{.}_{wr} en los integradores 3310 y 3309, limitando los resultados en los limitadores de saturación 3312 y 3311, y luego promediando sus salidas a través del sumador 3313 y el divisor 3315. La diferencia entre estos desplazamientos, determinada a través del sumador 3314, produce la señal de error de guiñada \Psi.

La señal de error de guiñada \Psi pasa a través de un bucle de control proporcional-más-integral-más-derivada (PID) estándar 3316, cuya salida se combina con la salida de la orden del par motor de equilibrado básico 3319 para producir las órdenes de par motor de las ruedas individuales, que hacen que las ruedas mantengan estabilidad longitudinal y que hacen también que el vehículo se alinee sólo con los ejes, y siga el origen, del sistema de coordenadas de referencia según la dirección de la entrada direccional 3300.

La Fig. 34 es un esquema de la disposición de control del grupo. La orientación de los grupos puede controlarse por entradas direccionales 3400. Si se desea, el mismo mando usado para proporcionar entradas direccionales 3300 a las ruedas puede conmutarse, mediante un conmutador independiente, para ser operativo, en un modo independiente, para proporcionar las entradas direccionales 3400 que especifican la orientación de los grupos. En un modo análogo en general a la trayectoria de señal a través de los sumadores 3306 y 3305 de la Fig. 33, aquí las señales del mando resultantes del desplazamiento positivo en la dirección X se suman, y las señales resultantes del desplazamiento positivo en la dirección Y se restan entre sí, en los sumadores 3402 y 3401 para proporcionar señales de velocidad de rotación de los grupos de la izquierda y la derecha que, después de integración en los integradores 3404 y 3403, respectivamente, proporcionan la información de orientación angular del grupo deseado a los sumadores de los grupos de la izquierda y de la derecha 3406 y 3405, respectivamente.

Las entradas direccionales ausentes 3400, la orientación preferida del grupo, normalmente \theta_{PC \ ref} = \pi radianes, se suministran en la línea 3413 de la Fig. 34 a cada uno de los sumadores 3406 y 3405, junto con señales que muestran la orientación real del grupo \theta_{PCl} y \theta_{PCr} (obtenidas haciendo pasar señales de velocidad angular del grupo desde los codificadores de grupo izquierdo y derecho a través de los integradores 3412 y 3411, respectivamente). Las salidas de los sumadores 3406 y 3405 son, por tanto, señales de error de posición de los grupos para los grupos de la izquierda y la derecha, respectivamente. Estas señales se suministran a través de bucles de control PID 3408 y 3407 y limitadores de saturación 3410 y 3409 para accionar los motores de los grupos de la izquierda y la derecha.

La Fig. 35 es un esquema, relacionado con la Fig. 33, que muestra la configuración por la cual se determinan las variables de estado que indican la posición de la rueda, el paso de inclinación y la velocidad de inclinación de manera que compensen los efectos de la rotación del grupo. Como se mencionó en la Tabla 2, el ángulo de inclinación \theta es el ángulo real entre el centro de masas del vehículo y el centro de la rueda sometida actualmente a equilibrado. El ángulo \theta_{I} medido por el inclinómetro es el ángulo del poste con respecto a la vertical. De aquí, el ángulo de inclinación real \theta se basa en \theta_{I} a partir del cual se resta una señal de corrección \theta_{lcorr} mediante el sumador 3518. La señal \theta_{lcorr} se calcula en el sumador 3516 como \theta_{PC} + \pi- \theta_{c}. La señal \theta_{PC} se determina como el promedio de los ángulos poste-grupo de la izquierda y la derecha, \theta_{PCl} y \theta_{PCr}, obtenidos de la integración en los integradores 3509 y 3510 de las salidas del codificador de los grupos de la izquierda y la derecha; el promedio se obtiene usando el sumador 3511 y el divisor 3512. Suponiendo que el vehículo está equilibrado, \theta_{C} puede obtenerse de \theta_{PC} usando la fórmula:

\theta_{c} = tan^{-1} \ \left(\frac{Lsen\theta_{PC}}{l - Lcos\theta_{PC}}\right)

Este cálculo se realiza en la sección 3515. El ángulo \theta_{lcorr} se diferencia mediante el diferenciador 3517 para proporcionar una corrección a la señal de velocidad de inclinación \theta^{.}_{n}, que es suministrada por el sumador 3519, para producir la salida corregida \theta^{.}.

Análogamente, las velocidades lineales izquierda y derecha, r\theta^{.}_{wl} y r\theta^{.}_{wr} para las ruedas izquierda y derecha, se obtienen por diferenciación mediante los diferenciadores 3507 y 3508 de las señales de posición lineales izquierda y derecha r\theta^{.}_{wl} y r\theta^{.}_{wr}. Las señales de posición, a su vez, se obtienen multiplicando por una ganancia de r en los multiplicadores 3505 y 3504 las posiciones angulares absolutas determinadas \theta_{wl} y \theta_{wr} de las ruedas izquierda y derecha. Las posiciones angulares \theta_{wl} y \theta_{wr} se determinan primero integrando las señales de codificador de ruedas \theta^{.}_{wl} y \theta^{.}_{wr} en los integradores 3501 y 3502 para obtener \theta_{PWl} y \theta_{PWr}. Estas señales se suministran entonces a los sumadores 3503 y 3504, en los que se compensan los efectos de giro de los grupos por adición de \theta_{C} y la cantidad ½ (\theta_{PC}-\pi) obtenida del sumador 3513 y el divisor 3514.

Las Figs. 36 y 37 son esquemas funcionales que muestran los algoritmos de control, adecuados para su uso en conjunción con las estructuras de la Fig. 27, para permitir que un vehículo según la forma de realización de las Figs. 11 a 21 consiga subir escaleras y atravesar obstáculos de acuerdo con la primera realización que permite subir. En esta forma de realización, los grupos se ponen en modo de inclinación, en el que se hacen girar para mantener el equilibrio de la misma manera que se usan en el equilibrado normal mediante rotación de las ruedas que se muestra en la Fig. 33. Se usan las mismas ecuaciones básicas. En la Fig. 36, el sumador 3601 proporciona señales de corrección para accionar los grupos de la izquierda y de la derecha, obtenidos, entre otras cosas, del inclinómetro 3602, que proporciona las señales de paso de inclinación y de velocidad de inclinación \theta y \theta^{.} a través de las ganancias K1 y K2, respectivamente.

Las salidas del codificador de los grupos de la izquierda y de la derecha de \theta^{.}_{PCl} y \theta^{.}_{PCr}, que se integran por medio de integradores 3603 y 3604, respectivamente, y la saturación limitada por los saturadores 3605 y 3606, respectivamente, para producir \theta_{PCl} y \theta_{PCr}. Estos valores, cuando se promedian mediante el sumador 3608 y el divisor 3610, dan como resultado el desplazamiento angular \theta_{PC}, que se proporciona a través de la ganancia K3 como una entrada adicional al sumador 3601. La velocidad \theta^{.}_{PC}, determinada como el promedio de \theta^{.}_{PCl} y \theta^{.}_{PCr}, a través del sumador 3617 y el divisor 3618, es una entrada adicional al sumador 3601, esta vez a través de la ganancia K4. La salida del sumador 3601 proporciona accionamiento uniforme de los motores de los grupos de la izquierda y la derecha a través de los sumadores 3611 y 3612, los divisores 3613 y 3614 y los límites de saturación 3615 y 3616, respectivamente. Además, sin embargo, la señal de torsión, a través del bucle de control PID 3609, proporciona un impulso diferencial a través de los sumadores 3611 y 3612 a los motores de los grupos de la izquierda y la derecha. La señal de torsión se obtiene usando el sumador 3607 para restar las señales \theta_{PCl} y \theta_{PCr} entre sí.

Cuando los grupos están en modo de inclinación, las ruedas se encuentran en modo esclavo, en el que las ruedas se accionan en función de la rotación de los grupos. Esto se muestra en la Fig. 37, en la que \theta_{PC}, obtenido de la Fig. 36, como salida del divisor 3610, se multiplica por una constante de relación de subida en la ganancia 3701 para producir \theta_{PWref}, una señal que se suministra a los sumadores 3703 y 3802 para controlar los motores de las ruedas de la izquierda y la derecha a través de bucles de control 3705 y 3704 y a los límites de saturación 3707 y 3706, respectivamente. Una comparación entre las Figs. 37 y 34 muestra que las ruedas son esclavas en los grupos de la Fig. 37 de la misma forma que los grupos son esclavos en la entrada vertical (\pi radianes) 3413 de la Fig. 34. En la Fig. 37, los sumadores 3703 y 3702 tienen otras dos entradas cada uno. Una entrada es para seguir los resultados de las entradas direccionales 3714 desde el mando que, de forma análoga al procesamiento de la Fig. 34, a través de los sumadores 3709 y 3708 y de los integradores 3711 y 3710, produce señales de control de la izquierda y la derecha que se proporcionan como sumadores de entrada 3703 y 3702, respectivamente. Otra entrada es para seguir los efectos de la rotación de las ruedas, de manera que \theta_{PWl} y \theta_{PWr}, obtenidos por funcionamiento de las salidas de los codificadores de las ruedas izquierda y derecha a través de los integradores 3713 y 3712, se restan también mediante los sumadores 3703 y 3702.

El uso de un modo de inclinación proporciona un procedimiento poderoso y estable para lograr subir por encima de obstáculos. La relación de subida se determina mediante el multiplicador seleccionado por la ganancia 3701 de la Fig. 37. Una vez determinado (una pieza que puede seleccionarse manual o automáticamente determinado después de la medida de un obstáculo mediante el uso de sensores espaciales apropiados o determinado en conjunto o en parte empíricamente basándose en las variables de estado en sí mismas), el vehículo puede superar obstáculos mediante la inclinación del sujeto o haciendo que el vehículo se incline en la dirección deseada. Los grupos giran para mantener el equilibrio al mismo tiempo que, junto con las ruedas, giran por encima de los obstáculos. Cuando el vehículo no encuentra obstáculos, puede hacerse funcionar preferiblemente en el modo de equilibrio de las Fig. 33 y 34, con los grupos esclavos en \pi radianes y las ruedas manteniendo el equilibrio e impulsando la locomoción deseada.

Las transiciones entre el modo de equilibrado de ruedas y el modo de inclinación de los grupos constituyen un asunto que requiere atención. La Fig. 38 es un esquema funcional del estado del vehículo, que usa la forma de realización de las Figs. 33 a 37, entre modos libre, de inclinación y de equilibrio. El momentos clave, no existirá cambio de estado hasta que se determine que (\theta_{PC}- \pi) mod (2\pi/3) = 0. Éste es un punto en el que el centro de masas está aproximadamente por encima del par de contacto con el suelo, y esta condición se refiere como "cruce cero" en lo sucesivo en esta descripción y en las reivindicaciones siguientes. En el cruce cero, el grupo está en una posición tal que, por ejemplo, puede ser esclavo en la posición \theta_{PC } = \pi en la forma de la Fig. 34. Después de entrar en el bloque 3801, el estado inicial del vehículo es A libre 3802, desde el cual entra y permanece en Libre 3803, hasta que el conmutador Acción/Libre se mueve a la posición Acción. Una vez en esta posición, el vehículo entra al estado Desde Libre 3804. Como no existe referencia absoluta en ninguno de los grupos, suponemos que el vehículo está sobre un suelo plano y nivelado en el estado Desde Libre 3804, en el que se establece una referencia absoluta. Todo el movimiento de los grupos determinado por codificadores incrementales es relativo con respecto a esta referencia. En este punto, o en cualquier otro posterior, si se hace retroceder el conmutador Acción/Libre a la posición Libre, el estado vuelve por la trayectoria 3812 al estado A libre 3802. En caso contrario, el estado pasa a Espera 3805, y permanece en este estado hasta que se determina que \theta= 0, punto en el cual el estado pasa a ser A Inclinación 3806. Del estado A Inclinación se pasa entonces a Inclinación 3807, que se mantiene a no ser que se cambie el conmutador. Si el conmutador Inclinación/Equilibrio se coloca entonces en la posición Equilibrio y si los grupos experimentan un cruce cero, entonces el estado se mueve sucesivamente a Desde Inclinación 3808, a A Equilibrio 3809 y, finalmente, a Equilibrio 3810. Si el conmutador Inclinación/Equilibrio se mueve a una posición de Inclinación, el estado cambia de Desde Equilibrio 3811 y vuelve a A Equilibrio 3806.

El estado Espera permite un arranque suave de los motores de las ruedas y los grupos. Sin él, el bucle de control intentaría inmediatamente compensar una señal de error potencialmente grande del inclinómetro. Empezando en el cruce cero, se evita lo anterior. Una técnica adicional para la monitorización de \theta^{.} y que requiere estar por debajo de un cierto umbral en el cruce cero proporciona un arranque todavía más suave.

Las Figs. 39A-B, 40A-B, 41A-B y 42A-C ilustran las secuencias en una disposición de control, que permite que un vehículo según la forma de realización de las Figs. 11 a 21 logre subir escaleras de acuerdo con una segunda forma de realización. En esta forma de realización participan cuatro secuencias básicas de operación: inicio; restablecimiento de ángulo original; transferencia de peso; y subida. Esta forma de realización, entre otras, puede implementarse convenientemente en la configuración de control de la Fig. 27. En las Figs. 43 (inicio), 44 (transferencia de peso) y 45 (subida) se muestran los esquemas funcionales que muestran los algoritmos de control para lograr estas cuatro secuencias. (No existe movimiento en la secuencia restablecimiento de ángulo original, de manera que para esta secuencia no se muestra ningún algoritmo de control). Las Figs. 39A y 39B ilustran la orientación del grupo en la secuencia de inicio. En esta secuencia, el grupo se mueve desde su posición de equilibrado normal en dos ruedas (Fig. 39A) a una posición (mostrada en la Fig. 39B) en la que un primer par de ruedas (uno de cada grupo) está en un primer nivel y un segundo par de ruedas de cada grupo está en el escalón siguiente. Los valores angulares usados en esta descripción en relación con las Figs. 39A a 42C son los resultantes de la aplicación de unos tamaños nominales de escalera y grupo suministrados en la Tabla 1 anterior. En la secuencia de inicio, el algoritmo mostrado en la Fig. 43, se proporciona una entrada \theta_{C \ ref} en función del tiempo al bloque del grupo 4301; la función varía de modo suave desde los valores de inicio a los de fin. Alternativamente, puede proporcionarse una entrada de \theta_{PC \ ref} de una forma similar. Aquí, la entrada de \theta_{C \ ref} discurre a través del procesador 4302 para calcular la cantidad
sen^{-1} \left(\frac{Lsen\theta_{c}}{L}\right). Esta cantidad, junto con el propio \theta_{Cref} y \pi se proporcionan como entradas al sumador 4303, que calcula:

\theta_{PC \ ref} = \pi - \theta_{C \ ref} - sen^{-1} \left(\frac{Lsen\theta_{C \ ref}}{L}\right)

y proporciona esta cantidad como la entrada \theta_{PC \ ref} al bloque del grupo 4301. El bloque del grupo 4301 se configura como en la Fig. 34, con la salvedad de que \theta_{PC \ ref} ya no está fijo a \pi, sino que varía según se acaba de describir. El bloque de equilibrado 4304 se configura como en la Fig. 33, pero las ganancias del mando K10 y K11 se establece en 0. El sumador 4305 proporciona compensación a la lectura del paso del inclinómetro de la misma forma que se ha descrito anteriormente en lo relativo a la Fig. 35, y la salida del sumador 4305 se diferencia por medio del diferenciador 4306 para proporcionar corrección de \theta^{.}_{1} en la forma descrita anteriormente en lo relativo a la Fig. 35, de manera que las entradas del paso corregidas \theta y \theta^{.} se suministren al algoritmo de equilibrado de las ruedas 4304. Las entradas r\theta^{.}_{Wl} y r\theta^{.}_{Wr} al bloque de equilibrado se obtienen también de la misma manera que la descrita anteriormente en relación con la Fig. 35.

Las Figs. 40A y 40B ilustran la orientación del grupo en la secuencia restablecimiento del ángulo original. En esta etapa, el sistema cambia la identidad de la "pata" (referida en el punto 2 de las convenciones expuestas después de la Tabla 1), con el fin de medir variables de estado, desde la asociada con la rueda inferior a la asociada a la rueda situada en el siguiente escalón. Como consecuencia, dado que existen tres ruedas en el grupo, y que la distancia angular total en torno al centro del grupo es 2\pi radianes, esta etapa añade 2\pi/3 radianes a \theta_{PC} y resta 2\pi/3 radianes de \theta_{C}. No existe movimiento asociado a esta etapa.

Las Figs. 41A y 41B ilustran la orientación del grupo en la secuencia de transferencia de peso. En esta secuencia, el peso del vehículo y del sujeto se transfieren desde la rueda del escalón inferior a la rueda del escalón superior. Aquí se implementa como una operación preprogramada basada en la geometría conocida de los escalones y el grupo. El valor de \theta_{C} no cambia durante esta secuencia. El valor de \theta_{PC} debe cambiar para reflejar la nueva posición del centro de masas del vehículo. Para lograr este resultado, en la línea 3413 se proporciona una entrada de \theta_{PC \ ref} en función del tiempo al bloque del grupo mostrado en la Fig. 34 y al bloque de ruedas de la Fig. 44. Como esta secuencia está programada, el bloque de subida de la Fig. 45 y el bloque de equilibrio de las ruedas de la Fig. 33 no están activos. En la Fig. 44, la entrada de \theta_{PC \ ref} se hace pasar a través del divisor 441 y luego se proporciona a los sumadores 443 y 442 que proporciona señales de control, a través de bucles de control PID 445 y 444 y los límites de saturación 447 y 446, a las ruedas de los motores izquierdo y derecho, respectivamente. Los sumadores 443 y 442 restan también los valores de \theta_{PWl} y \theta_{PWr}obtenidos haciendo pasar la información de la velocidad angular desde los codificadores de las ruedas izquierda y derecha a través de los integradores 448 y 449, respectivamente. Los sumadores 443 y 442 resta también los valores de \theta_{PWl} y \theta_{PWr} obtenidos haciendo pasar la información de la velocidad angular desde los codificadores de las ruedas izquierdas y derechas a través de los integradores 448 y 449, respectivamente.

Las Figs. 42A, 42B y 42C ilustran la orientación del grupo en la secuencia de subida. En esta secuencia, la rueda del vehículo se hace girar en una dirección hacia delante hacia el contraescalón del siguiente escalón, a la vez que hacen girar simultáneamente el grupo a la posición de la siguiente rueda en equilibrio en la huella del siguiente escalón. La rotación del grupo \theta_{C} es proporcional a la distancia recorrida por la rueda en la huella del escalón. En esta secuencia, no hay entrada de posición de referencia. El sujeto se inclina o se apoya en el pasamanos con el fin de que el vehículo se mueva hacia delante. El grupo gira automáticamente como consecuencia de la realimentación de \theta_{W} a \theta_{C} en la trayectoria 451 en la Fig. 45. Al principio de la secuencia de subida, x se pone a 0. El algoritmo de control en esta secuencia necesita monitorizar \theta_{C} o \theta_{PC} y moverse a la secuencia de transferencia de peso cuando este ángulo alcance su valor final. En el último escalón, en vez de detenerse en los ángulos finales mostrados en la Fig. 42C, el procedimiento debe detenerse en \theta_{C}= 0 o \theta_{PC}= \pi. Entonces, el vehículo debe volver a su modo de equilibrado normal. El bloque de equilibrado 453 y el bloque de grupo 452 son como los descritos anteriormente en relación con las Figs. 33 y 34, respectivamente. La derivación de las entradas \theta, \theta^{.}, r\theta^{.}_{Wl} y r\theta^{.}_{Wr} en el bloque de equilibrado 453 es según se describe anteriormente en relación con las Figs. 43 y 35. En efecto, la configuración de la Fig. 45 es sustancialmente similar a la de la Fig. 43, con la diferencia singular de que \theta_{C \ ref} ya no se varía de forma independiente, sino que se hace una función de \theta_{W}, que se obtiene tomando la media, a través del sumador 454 y el divisor 455, de \theta_{Wl} y \theta_{Wr}. En consecuencia, el valor de \theta_{W} en la línea 451 se hace pasar a través del procesador 456 para determinar la cantidad

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que produce la magnitud correcta de rotación del grupo con respecto a la rotación de la rueda para la geometría del escalón y se proporciona como una entrada al sumador 457 junto con el valor inicial de \theta_{c}, es decir, \theta_{cst}. La salida del sumador 457 es \theta_{C \ ref}.

Aunque las Figs. 33 a 45 muestran algoritmos de control analógicos, se han implementado en varias formas de realización usando control digital programado por microprocesador. Sin embargo, está completamente dentro del ámbito de la presente invención usar controles analógicos directos, así como híbridos de controles analógicos y digitales. Los controles analógicos se han implementado con éxito, por ejemplo, en una versión del vehículo de la Fig. 21, usando un par de ruedas dispuestas lateralmente en lugar de grupos.

Limitación de velocidad

En otra forma de realización, cualquiera de las formas de realización de un vehículo según la presente invención puede proporcionarse con limitación de velocidad para mantener el equilibrio y el control, que en otro caso se perdería si se permitiera que las ruedas (o los elementos arciformes) alcanzaran la velocidad máxima a la que es posible actualmente impulsarlas.

La limitación de velocidad se consigue inclinando el vehículo hacia atrás en dirección opuesta a la dirección actual de desplazamiento, lo que hace que el vehículo se frene. En esta forma de realización, el vehículo se inclina hacia atrás añadiendo una modificación de paso en el valor de paso del inclinómetro. La limitación de velocidad tendrá lugar siempre que la velocidad del vehículo supere un umbral que es el límite de velocidad determinado del vehículo. La modificación de la inclinación se determina examinando la diferencia entre la velocidad del vehículo y el límite de velocidad determinado, integrado en el tiempo. La secuencia de modulación de inclinación se mantiene hasta que el vehículo se frena a la velocidad de margen deseada (una velocidad ligeramente inferior al límite de velocidad), y luego el ángulo de inclinación vuelve suavemente a su valor original.

Un procedimiento para determinar el límite de velocidad del vehículo consiste en monitorizar el voltaje de la batería, que se usa entonces para estimar la velocidad máxima que el vehículo es capaz de mantener. Otro procedimiento consiste en medir los voltajes de la batería y el motor y de monitorizar la diferencia entre los dos; la diferencia proporciona una estimación de la magnitud del margen de velocidad actualmente disponible en el vehículo.

Uso de sensores para subir escaleras

Según se describe en relación con la Fig. 37 anterior, puede subirse escaleras y atravesar otros obstáculos utilizando un modo de inclinación, y la relación de subida puede seleccionarse de modo manual o automático. Esta sección describe el modo en que pueden usarse sensores en otra forma de realización para conseguir el ajuste automático de la relación de subida. En el modo de inclinación, los grupos son los "maestros" y las ruedas son las "esclavas". La relación de subida expresa la relación entre el giro del grupo y el giro de las ruedas. Por ejemplo:

i) Una relación de subida igual a cero significa que las ruedas no se mueven en absoluto cuando se mueven los grupos.

ii) Una relación de subida de 0,25 significa que las ruedas efectúan un giro de ¼ en la misma dirección que el grupo por cada giro del grupo.

iii) Una relación de subida de -0,5 significa que la rueda hacia medio giro en la dirección opuesta al grupo por cada giro del grupo.

Con referencia ahora a las Figs. 46 y 47, se muestra un vehículo que tiene una configuración como la de una silla 461 para soportar a un ser humano. La silla 461 tiene asociado un módulo de contacto con el suelo en forma de un par de grupos 462, cada uno accionado por motor y dotado de una pluralidad (en este caso, tres) de ruedas 463. El conjunto de ruedas de cada grupo también está accionado por motor. Los grupos 462 están unidos en este caso por un tubo en el que pueden estar alojados los motores de los grupos. Los grupos 462 forman parte de un ensamblaje que incluye la silla 461, que está montada en el tubo del grupo a través de articulaciones de tipo muslo y pantorrilla 466 y 464, respectivamente, y articulaciones de tipo cadera y rótula 467 y 465, respectivamente. Las articulaciones de cadera y rótula y el grupo accionan el funcionamiento en consonancia para influir en el cambio de altura del asiento 461. Adviértase que el accionamiento del grupo está actuando en este caso a modo de un tobillo, ya que hace girar la pantorrilla alrededor del grupo. La posición del grupo se mantiene por el algoritmo de equilibrado. El vehículo de esta forma de realización está provisto de un sensor A, mirando en dirección hacia delante en la trayectoria 468 y montado justo encima del tubo del grupo, suficientemente por encima del nivel del suelo como para detectar el contraescalón del segundo escalón de la escalera 460 que debe subirse. (Adviértase que si se está subiendo un bordillo, no se detectaría contraescalón). El sensor A se usa sólo cuando se suben escaleras. El vehículo de esta forma de realización está provisto asimismo de un sensor B, que mira en dirección descendente a lo largo de la trayectoria 469 y está montado en el tubo del grupo. Detecta la distancia desde su cara al suelo situado debajo. Se coloca delante del tubo, suficientemente por encima del nivel del suelo para detectar la huella del escalón que se va a subir. Los sensores A y B pueden ser de cualquier tipo conocido en la técnica, incluidos los ultrasónicos, para detectar distancias.

Según se muestra en la Fig. 47, cuando el vehículo está descendiendo, el sensor B detecta el final del escalón sobre el que está actualmente el dispositivo, detectando el cambio en la altura. El sensor C está montado en el reposapiés de la silla 461, y mira en dirección descendente en la trayectoria 471. Detecta la distancia desde la cara al suelo situado debajo. Este sensor se usa sólo al descender. Está situado suficientemente por encima del suelo y suficientemente por delante del tubo del grupo como para ver el borde de la zona de apoyo cuando se prepara el descenso.

En esta forma de realización, para subir escaleras, el conductor del vehículo emite una orden "subir" a través de la interfaz del conductor estando en modo de equilibrio. Entonces se eleva automáticamente el asiento a su máxima altura, permitiendo que el pie del conductor supere los escalones situados delante del conductor. A continuación se impulsa al vehículo hacia las escaleras. Cuando el sensor B detecta un escalón (como un cambio en la distancia desde el sensor al suelo), el vehículo entra en modo de inclinación, haciendo que "caiga" sobre el primer escalón (dos ruedas situadas en la zona de apoyo y dos en el primer escalón). Una vez que el escalón está en modo de inclinación, el centro de gravedad (CG) se desplaza automáticamente hacia delante. Este desplazamiento hace más fácil que el conductor se incline hacia delante. El conductor se inclina hacia delante para crear un error de inclinación. En consecuencia, el algoritmo de equilibrado del grupo aplica un par motor a los motores del grupo. Este par motor hace girar los grupos y provoca que el dispositivo suba la escalera.

Se emplea un algoritmo para ajustar dinámicamente la relación de subida en el instante en que se hace la transición desde las cuatro ruedas en dos escalones hasta las dos ruedas en un escalón. Este instante pertinente se determina no por parte del sensor, sino mirando si es cierta la siguiente información:

i) se ha informado al vehículo para que suba,

ii) se ha realizado el desplazamiento,

iii) los grupos han hecho 2\pi/3 giros desde el último ajuste de la relación de subida,

iv) la posición del grupo está dentro de una cierta ventana,

v) la orden de par motor del grupo estuvo por debajo de un cierto umbral y la derivada de la orden fue negativa (correspondiente a que las ruedas se coloquen para bajar el escalón), y

vi) la orden de par motor del grupo está por encima de un cierto umbral y la derivada de la orden es positiva (correspondiente a que las ruedas suban el escalón).

En el instante pertinente anterior, el algoritmo usa un sensor A para determinar la distancia al siguiente escalón, el hecho de que hará 2\pi/3 giros del grupo para llegar al siguiente escalón y el radio de la rueda para calcular la relación de subida. Si el sensor A lee una situación "fuera de alcance" (ausencia de contraescalón, listo para pasar a un apoyo), o una distancia superior a un cierto umbral (demasiado lejos hasta el contraescalón, debe pasar primero a modo de equilibrio), se advierte que éste es el último escalón; entonces, se transfiere el control al último procesamiento de escalón. Este procedimiento se repite para cada escalón sucesivo hasta el último escalón.

En el último escalón, el CG se desplaza hacia atrás para centrarlo y se reduce la altura. Aunque esto hace más difícil superar el último escalón, estabiliza al vehículo para la superficie llana. Se elige una relación de subida alta para impulsar el vehículo holgadamente hacia la superficie llana para la transición al modo de equilibrio. El conductor se inclina nuevamente hacia delante. Cuando se determina que se ha producido un cruce cero (definido anteriormente en relación con la Fig. 38), el vehículo pasa al modo de equilibrio. Entonces, se produce el equilibrio sobre la superficie llana superior equilibrando las ruedas.

La bajada se efectúa de una forma análoga a la subida. El conductor emite una orden de "bajada" a través de la interfaz del conductor estando en modo de equilibrio. El asiento se hace descender automáticamente hasta una altura mínima (si no estuviera ya así). Esto se hace principalmente para aumentar la sensación de seguridad en el conductor. El sensor C está bastante lejos de la parte delantera de las ruedas, de forma que no es necesario que el vehículo esté demasiado cerca del borde del escalón estando en modo equilibrado. Como el vehículo estará lejos del borde cuando se introduzca el modo de inclinación, la relación de subida se ajusta a un valor bastante alto. Esto permite al vehículo alcanzar el borde del escalón una vez introducido el modo de inclinación. Cuando el sensor C detecta un escalón (como un cambio en la distancia al suelo), el vehículo entra en modo de inclinación. Una vez en modo de inclinación, el centro de gravedad (CG) se desplaza hacia atrás. Esto hace más fácil al conductor inclinarse hacia atrás para controlar la bajada. Para el descenso, el conductor primero se inclina hacia delante para crear un error de inclinación, haciendo que el vehículo baje la escalera. Aproximadamente a medio camino de la rotación, el conductor ha de inclinarse hacia atrás ligeramente para frenar el descenso al siguiente escalón.

La relación de subida se ajusta usando un sensor B que mira hacia abajo para detectar el fin del escalón en el que se encuentran actualmente las ruedas. La relación de subida se ajusta a un valor positivo grande cuando no se detecta borde (señal de orden del grupo positiva, relación de subida negativa o nominal y sensor B por debajo de un cierto umbral). La gran relación de subida positiva causa un rodamiento relativamente rápido de las ruedas, de manera que el vehículo pronto alcanza el borde del escalón actual. Esta acción que establece la relación de subida positiva grande se invalidará, sin embargo, si hace que el vehículo quede demasiado cerca del borde:

i) La relación de subida se pone en valor positivo nominal cuando el sensor B detecta el borde (distancia mayor que un umbral específico y relación de subida positiva). Una vez establecido este valor, bastaría con llevar al vehículo a la posición apropiada.

ii) La relación de subida se ajusta a un valor negativo pequeño si se determina que el vehículo está demasiado cerca del borde (señal de grupo positiva, relación de subida negativa o nominal y sensor B por encima de un cierto umbral). La relación de subida negativa hace girar las ruedas hacia atrás al girar el grupo, manteniendo el vehículo con seguridad sobre el escalón actual.

El patrón de bajada se repite para cada escalón. Una vez que el vehículo alcanza la superficie llana abajo de la escalera, los sensores B y C no detectan más escalones (las lecturas de los sensores quedan por debajo de ciertos umbrales). Cuando esto ocurre, el vehículo pasa al modo de equilibrio.

Transiciones de modos

Aunque las transiciones entre el modo de inclinación y el modo de equilibrio del vehículo de las Figs. 46 y 47 pueden gestionarse según se ha descrito en relación con la Fig. 38, en otra forma de realización de un vehículo según la presente invención, la transición entre modos puede gestionarse sobre una base más activa y continua. Esta forma de realización utiliza las articulaciones 465 y 467 para controlar la altura del asiento 461 y la articulación 467, en particular para controlar la inclinación del asiento 461. En el modo de inclinación, el vehículo tiene cuatro ruedas sobre el suelo (dos sobre el suelo de cada grupo), de manera que puede subir escaleras o moverse por encima de obstáculos. La salida del motor de los grupos se ajusta de acuerdo con el paso del inclinómetro y la velocidad de inclinación, y la velocidad del codificador del grupo. La transición al modo de equilibrio tiene lugar cuando se pulsa el conmutador Inclinación/Equilibrio.

En la transición al modo de equilibrio, el centro de gravedad se desplaza sobre la rueda delantera en contacto con el suelo de cada grupo. Para lograrlo se crea un error artificial de inclinación mediante un aumento gradual de una desviación añadida a la lectura del inclinómetro. Este error artificial de inclinación hace que el algoritmo de equilibrado de los grupos aplique un par motor a los motores de los grupos, haciendo que los grupos giren. Este par motor inclina el asiento hacia delante, moviendo el asiento sobre las ruedas delanteras de manera proporcional al error artificial de inclinación. (Simultáneamente, puede usarse la misma desviación para ordenar una nueva posición deseada en la inclinación del asiento, determinada por la articulación 467 de la Fig. 46, con lo que se mantiene el nivel del asiento).

Cuando la posición del grupo es mayor que el ángulo de transición del grupo recomendado (que puede basarse en la magnitud del desplazamiento del CG), la velocidad de transición del grupo se inicializa a la velocidad a la que se está moviendo actualmente el grupo, y se introduce el modo de equilibrio.

En el momento en que se introduce el modo de equilibrio, los grupos han girado de forma sólo parcial, y el par trasero de ruedas está típicamente entre 2 y 5 cm por encima del suelo. Cuando se introduce el modo de equilibrio, cada uno de los grupos debe girar desde su posición actual hasta que su "pata" (según se define en el punto 2 posterior a la Tabla 1) y su "poste" (según se define en el punto 2) están en vertical, como en la Fig. 46. Esto se consigue haciendo girar el grupo a una velocidad prescrita, ajustado gradualmente desde la velocidad de transición inicializada del grupo. De esta manera, el giro del grupo continúa suavemente en la introducción en el modo de equilibrio hasta que el grupo alcanza su posición de destino. Durante este giro del grupo, se reduce el error artificial de inclinación para mantener el CG por encima de los elementos de contacto con el suelo hasta que se elimina completamente de la lectura del inclinómetro. Si no se hiciera lo anterior, el dispositivo se trasladaría (en modo de equilibrio) debido al error artificial de inclinación.

La posición del grupo puede usarse para ordenar la inclinación del asiento, manteniendo así el nivel del asiento conforme el poste del asiento se mueve hacia delante. Una vez que la pata y el poste del grupo están en vertical (los grupos han dejado de girar) y el asiento está nivelado, la transición al modo de equilibrio a partir del modo de inclinación está completa.

Si se pulsa el conmutador de Inclinación/Equilibrio cuando el vehículo está en modo de equilibrio, se introduce la transición al modo de inclinación. La posición deseada del grupo se modifica gradualmente desde la posición inicial (en la que la pata y el poste del grupo están en vertical) a una posición final deseada (en la que el par delantero de ruedas está a una distancia prescrita por encima del suelo). Simultáneamente, se introduce un error artificial de inclinación para mantener el CG por encima de las ruedas en equilibrado. De nuevo, puede usarse la posición del grupo para ordenar la inclinación del asiento, manteniendo así el nivel del asiento conforme el poste del mismo se mueve hacia atrás.

Una vez que ha girado el grupo a una posición en la que el segundo par de ruedas está a una distancia prescrita por encima del suelo, se introduce el modo de inclinación, haciendo que el dispositivo caiga sobre cuatro ruedas. Una vez que el vehículo está en modo de inclinación, el error artificial de inclinación que mantuvo el poste del grupo inclinado hacia atrás y el asiento inclinado hacia delante se eliminan de forma rápida, pero suave. Como resultado, el par motor aplicado al grupo hace que el poste del grupo gire hacia delante hasta su posición vertical. Simultáneamente, el par motor puede aplicarse a la inclinación del asiento para mantener el asiento nivelado. Una vez que el poste del grupo está en vertical y el asiento nivelado, la transición desde el modo de equilibrio al modo de inclinación está completa.

Configuración que usa unidades armónicas

En otra forma de realización de la invención, se ha llevado a cabo mecánicamente la forma de realización de las Figs. 46 y 47 en una configuración, similar a la de las Figs. 9 a 12, utilizando unidades armónicas. Esta configuración se muestra en las Figs. 48 a 52.

La Fig. 48 es una sección vertical parcialmente de corte transversal vista desde delante que muestra la disposición mecánica global del vehículo de esta forma de realización. En esta vista pueden observarse, entre otras cosas, la estructura del asiento 481, el ensamblaje de la articulación de cadera 482, la articulación de muslo 483, la articulación de rótula 484, la articulación de pantorrilla 486 y las ruedas 485.

La Fig. 49 es una vista ampliada de una parte de la Fig. 48, que muestra detalles mecánicos de la parte de los grupos del vehículo. Los motores de las ruedas 4913 de los laterales izquierdo y derecho accionan las ruedas 485 en los laterales izquierdo y derecho, respectivamente; las ruedas en cualquier lateral dado se impulsan de forma síncrona. Las ruedas se impulsan a través de una reducción en dos etapas. En la primera etapa, el motor 4913 activa la polea conductora de la rueda 496 para mover la banda de sincronización 495. En la segunda etapa se emplean tres conjuntos 4911 de engranajes bihelicoidales, uno para cada rueda, para accionar el árbol conductor de la rueda 4912. El lateral de cada uno de los motores 4913 que no está acoplado a la polea conductora de la rueda está acoplado a un codificador de árbol 4914. Los dos grupos de esta forma de realización están impulsados por el mismo motor 4924 a través de una reducción en tres etapas. En la primera etapa, el motor 4924 acciona la polea conductora del grupo 4921. La polea 4921 provoca el movimiento de una banda de sincronización. La banda de sincronización se observa mejor como pieza 501 en la Fig. 50, que muestra el detalle de la disposición de la unidad de grupos de ruedas. La banda de sincronización 501 activa una segunda etapa de engranajes helicoidales, que incluyen el primer engranaje 502 y el segundo engranaje 4922. El segundo engranaje 4922 acciona un par de árboles intermedios 493, que acciona un conjunto final 494 de engranajes helicoidales en cada grupo. El lateral del motor del grupo 4924 que no está acoplado a la polea conductora del grupo 4921 está acoplado a un codificador de árboles 4925. El lado lejano del árbol que acciona la polea conductora del grupo 4921 está acoplado al ensamblaje del freno del grupo 4926, que puede usarse para bloquear los grupos en su posición cuando se aparca el vehículo o se pone en modo de equilibrio. Las carcasas de los dos motores de las ruedas 4913 y del motor del grupo 4924 están atornillados conjuntamente para formar un tubo, que proporciona la estructura que se une a los ensamblajes del grupo. La articulación de pantorrilla 486 está fija rígidamente a esta estructura.

La Fig. 51 muestra una vista del extremo de un grupo. La banda de sincronización única 495 de la Fig. 49 se muestra accionada por la polea conductora de la rueda 496 en el centro del grupo. La banda de sincronización 495 acciona una polea mayor 511 en cada una de las tres patas. Esta polea mayor 511 acciona un juego de engranajes que incluye el engranaje de piñón 512 y el engranaje de salida 513 que acciona la rueda 485. Las cuatro poleas tensoras 514 evitan que la banda 49 interfiera con la carcasa del grupo 515 y proporcionan asimismo un ángulo de envolvente máximo alrededor de la polea conductora.

La Fig. 52 muestra los detalles mecánicos de las articulaciones de cadera y de rótula. Ambas articulaciones son mecánicamente idénticas. El rotor imantado del motor 5211, accionado por un estator 5212, activa un árbol 5213 montado en cojinetes 522 y 5272. El árbol 5213 hace girar el generador de ondas 5271, que es una pieza de forma aproximadamente elíptica, que gira dentro del cojinete 5272. El generador de ondas 5271 hace que la copa de la unidad armónica 5262 engrane y desengrane incrementalmente sus dientes con la estría de la unidad armónica 5261. Este procedimiento hace que el muslo 483 se mueva con respecto a la pantorrilla 486 o la estructura del asiento 481 con una relación desmultiplicadora muy alta. Al generador de ondas 5271 pueden aplicarse un freno de desconexión electromagnética dotado de un electroimán 5281 y una almohadilla de freno 5282 para evitar que gire la articulación. Esto permite que el motor se apague cuando no se esté accionando la articulación. Un potenciómetro 524 se engrana a través del tren de engranajes 5241 a la copa de la unidad armónica 5262 para proporcionar una realimentación de posición absoluta, mientras que un codificador (no mostrado) se fija al árbol del motor en la posición 523 para proporcionar información de posición incremental.

Procesadores múltiples

Aunque la forma de realización de la Fig. 27 muestra el uso de un único microcontrolador 272, hemos encontrado ventajoso en algunas formas de realización utilizar varios microprocesadores funcionando en paralelo. En otra forma de realización, por ejemplo, aplicable al diseño mecánico expuesto en relación con las Figs. 48 a 52, se emplean cuatro microprocesadores diferentes funcionando en paralelo, cada uno de los cuales envía mensajes a un bus de comunicaciones permitiendo que los microprocesadores se monitoricen entre sí. Existe también una interfaz con el técnico (IT) que permite al técnico modificar las ganancias, reprogramar el procesador, etc. Los cuatro microprocesadores diferentes controlan los diferentes componentes del sistema del modo siguiente: el microprocesador 1 controla el botón, la articulación de rótula y de cadera y el mando (ejes x e y); el microprocesador 2 controla la medida de distancia, la verificación de presencia (para una persona), la monitorización de batería y la interfaz de usuario (controlando así los modos del vehículo), el microprocesador 3 controla el algoritmo de equilibrado de los grupos; el microprocesador 4 controla los algoritmos de equilibrado de las ruedas. Si se desea pueden emplearse procesadores adicionales, dependiendo de la complejidad de la medida de distancia y de otras cuestiones. Ello no limitará necesariamente el número de procesadores.

Las ventajas del procesamiento en paralelo realizado por esta forma de realización son: seguridad (cada procesador funciona de modo independiente, con lo que el fallo de un microprocesador no significará el fallo de todas las funciones); capacidad de más sistemas redundantes de fácil desarrollo; reducción de requisitos de potencia (múltiples microprocesadores de menor potencia que en conjunto tiene la potencia de un PC), y operaciones simultáneas (múltiples microprocesadores más lentos pueden funcionar a la misma velocidad de procesamiento que el PC).

Otras formas de realización

La presente invención puede implementarse asimismo en una serie de formas de realización adicionales. Hemos encontrado que un vehículo según la invención puede actuar adecuadamente como un dispositivo prostético para personas que tienen una discapacidad, causada por enfermedad (por ejemplo, enfermedad de Parkinson o trastornos auditivos) o un defecto, en su capacidad para mantener el equilibrio o lograr la locomoción. El dispositivo prostético conseguido por el vehículo funciona como una extensión del sistema de equilibrio y de locomoción de la propia persona, ya que el vehículo tiene un bucle de realimentación que tiene en cuenta los cambios en el centro de gravedad del vehículo atribuibles al movimiento de la persona con respecto al vehículo. Proporcionar un vehículo semejante a una persona discapacitada es así un procedimiento para ajustar una prótesis que permite la locomoción y el control del equilibrio cuando en otras situaciones no podrían alcanzarse. Hemos observado una recuperación drástica del control del equilibrio y el movimiento en una persona que sufre enfermedad de Parkinson que utilizó un vehículo según las formas de realización de la presente invención.

Dadas las complejas contribuciones del conductor humano al utilizar varias formas de realización del vehículo de la presente invención para conseguir la locomoción en situaciones diversas, no es sorprendente que la orientación visual y la información del desplazamiento sean típicamente de gran importancia en general y en la utilización de estas formas de realización. No obstante, pueden existir circunstancias en las que la información visual esté deteriorada (debido a oscuridad o a discapacidad) o sea insuficiente. En una forma de realización más de la presente invención, el vehículo está provisto de una o más salidas no visuales para indicar la orientación o dirección y la velocidad. Dichas salidas pueden ser táctiles, por ejemplo, o sónicas; las salidas se modulan por medio de un modulador para reflejar la velocidad y la orientación del vehículo. En la Fig. 53 se muestra, por ejemplo, el caso de una salida sónica generada por un generador 531, y modulada por un modulador 532 que tiene entradas de orientación y velocidad 533 y 534, respectivamente. En este caso, puede emplearse un tono repetido: la velocidad de la repetición del tono puede usarse para indicar la velocidad y la altura del tono puede usarse para indicar la dirección de movimiento y orientación (hacia delante, por ejemplo, con un tono agudo; hacia atrás, con un tono grave; arriba, con un tono medio), y el grado de cambio en el tono es indicativo de la magnitud de la inclinación, es decir, del ángulo de inclinación del vehículo (con el efecto de que, aquí, la altura del sonido se corresponde con la inclinación del vehículo).

Claims (66)

1. Un vehículo que comprende un soporte (12, 22; 95; 131, 132; 151; 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) para sostener a un sujeto (13; 962; 101; 153), y un módulo de contacto con el suelo (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462; 463; 485), unido al soporte y que comprende al menos un elemento de contacto con el suelo (11; 931; 932), en el que la orientación del módulo de contacto con el suelo que define los planos longitudinal y lateral, el soporte y el módulo de contacto con el suelo son componentes de un ensamblaje, en el que el vehículo carece de estabilidad inherente en el plano longitudinal, caracterizado porque el vehículo comprende además una unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) para la aplicación de un par motor a al menos un elemento de contacto con el suelo del módulo de contacto con el suelo, y un bucle de control (51) acoplado a la unidad motorizada para mantener dinámicamente la estabilidad en el plano longitudinal, por accionamiento de la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913), estando el par motor aplicado a al menos un elemento de contacto con el suelo seleccionado dependiendo del ángulo de paso de inclinación del vehículo en torno a una región de contacto del módulo en contacto con el suelo o una derivada con respecto al tiempo del mismo y un valor de modificación del paso de inclinación determinado para garantizar la capacidad de la unidad motorizada de mantener el equilibrio y el control del vehículo.

2. Un vehículo según la reivindicación 1, en el que el par motor neto tiene en cuenta los pares motor causados por todas las demás fuerzas externas y por la unidad motorizada.

3. Un vehículo según la reivindicación 1 ó 2, que comprende además un control direccional longitudinal (561; 273; 292) incluido en el bucle de control para recibir una indicación del sujeto (13; 962; 101; 153) de una dirección de movimiento deseado del ensamblaje.

4. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que se proporciona un sensor de inclinación y el bucle de control (51) está configurado de manera que el movimiento longitudinal del vehículo está controlado por la inclinación longitudinal del vehículo causada por el sujeto (13; 962; 101; 153) y detectada por el sensor de inclinación.

5. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el par motor aplicado se selecciona también dependiendo de la derivada con respecto al tiempo del ángulo de inclinación.

6. Un vehículo según las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además:

un dispositivo de entrada para recibir entradas proporcionadas por el sujeto (13; 962; 101; 153); y

sensores que proporcionan estados variables,

en el que el bucle de control modifica el estado del programa basándose en las variables de estado, y controla la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) basándose en las entradas proporcionadas por el sujeto y las entradas de las variables de estado.

7. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el módulo de contacto con el suelo (11, 21; 91; 931; 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485) incluye un par de componentes de contacto con el suelo (11, 21; 931; 932; 221, 222, 223, 224; 261; 463; 485) dispuestos lateralmente uno con respecto al otro.

8. Un vehículo según la reivindicación 7, en el que los componentes de contacto con el suelo son elementos de contacto con el suelo primarios que pueden girar de forma separada (11; 931, 932; 221, 222, 223, 224; 261; 463; 485).

9. Un vehículo según las reivindicaciones 7 u 8, que comprende a además un controlador diferencial accionable para que provoque que los dos componentes de contacto con el suelo se accionen de forma diferencial de manera que provoquen un movimiento de giro especificado del vehículo alrededor de un eje vertical fijo al vehículo.

10. Un vehículo según la reivindicación 9, en el que el controlador diferencial puede accionarse por el usuario (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481).

11. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que cada componente de contacto con el suelo es una rueda (11; 931, 932; 261; 463; 485).

12. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en el que el módulo de contacto con el suelo (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462; 463; 485) incluye un elemento de contacto con el suelo (931, 932; 261; 463; 485) móvil con respecto al eje local (4912), siendo el eje local móvil con respecto a un segundo eje (92; 112) que tiene una relación definida con respecto al soporte.

13. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que los componentes de contacto con el suelo son ruedas que tienen centros y los elementos de soporte de los laterales izquierdo y derecho del vehículo están ambos acoplados de manera que proporcionen un grupo de ruedas en cada uno de los laterales izquierdo y derecho del vehículo, respectivamente, siendo las ruedas (91; 111; 462) de cada grupo (91; 111; 462) susceptibles de ser accionadas por motor independientemente del grupo.

14. Un vehículo según la reivindicación 13, en el que los ejes (92; 112) de todos los elementos de soporte son sustancialmente colineales y definen un eje central.

15. Un vehículo según la reivindicación 14, en el que la distancia desde el eje central (92; 112) al centro (4912) de cada rueda (931; 261; 463; 485) es aproximadamente la misma para todas las ruedas del grupo.

16. Un vehículo según la reivindicación 15, en el que cada grupo (91; 111; 462) tiene al menos dos ruedas de diámetro sustancialmente igual y preferiblemente tres ruedas de diámetro sustancialmente igual.

17. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, que comprende además un controlador de grupos (278a, 278b) para controlar la orientación angular de cada grupo alrededor del eje central (92; 112), y un controlador de ruedas (277a, 277b) para controlar por separado, para las ruedas de cada grupo, la rotación de las ruedas en contacto con el suelo.

18. Un vehículo según la reivindicación 17, en el que el controlador de ruedas (277a, 277b) tiene un modo esclavo en el que las ruedas se accionan en función de la rotación de los grupos (91; 111; 462), y el controlador de los grupos (278a, 278b) tiene un modo de inclinación, que utiliza el bucle de control (51), en el que los grupos se accionan de tal manera que tienden a mantener el equilibrio del vehículo en el plano longitudinal mientras que las ruedas están en modo esclavo, de forma que permiten que el vehículo suba o baje escaleras u otros accidentes superficiales, y opcionalmente un ajuste de función esclava para modificar la función en modo esclavo, de manera que el vehículo pueda adaptarse a subir y bajar escaleras y accidentes superficiales que tengan variables geome-
trías.

19. Un vehículo según la reivindicación 18, comprendiendo el vehículo además una disposición de detección (562, 563, 564, 565, 566) para detectar la relación física del vehículo con los accidentes superficiales, estando la disposición de detección en comunicación con el ajuste de la función esclava, de manera que las escaleras y otros accidentes superficiales puedan ser manejados automáticamente por el vehículo.

20. Un vehículo según la reivindicación 17, en el que el controlador de ruedas (277a, 277b) tiene un modo de equilibrio, que utiliza el bucle de control (51), en el que las ruedas (931; 261; 463; 485) de cada grupo (91; 111; 462) en contacto con el suelo esté accionado de tal manera que mantenga el equilibrio del vehículo en el plano longitudinal, y opcionalmente el controlador de ruedas (277a, 277b) tenga un modo de transición, usado en la transición desde el modo esclavo al modo de equilibrio, operativo para evitar la introducción de modo de equilibrio hasta que se haya detectado un cruce cero por los grupos (91; 111; 462).

21. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el módulo de contacto con el suelo comprende un elemento arciforme (221a, 221b, 222a, 222b) montado en un elemento de soporte (221c, 222c), estando cada elemento de soporte montado de forma giratoria y accionado por motor alrededor de un eje.

22. Un vehículo según la reivindicación 21, en el que el módulo de contacto con el suelo incluye una pluralidad de grupos de elementos arciformes montados de forma giratoria y adyacentes axialmente, estando los elementos arciformes (221a, 221b, 222a, 222b) de cada grupo montados en un elemento de soporte (221c, 222c) y estando cada elemento de soporte montado de forma giratoria y accionado por motor alrededor de un eje central.

23. Un vehículo según la reivindicación 22, en el que la magnitud radialmente más exterior de cada elemento arciforme (221a, 221b, 222a, 222b) tiene un radio de curvatura principal generalmente constante conforme generalmente con el de un círculo que tiene un radio igual a dicha magnitud, preferiblemente teniendo cada elemento arciforme (221a, 221b, 222a, 222b) una parte delantera (223) y una parte trasera (224) determinadas con respecto al movimiento hacia delante del ensamblaje, de manera que la parte delantera entra primero en contacto con el suelo durante el movimiento hacia delante, cada porción con un extremo, y en el que el radio de curvatura de cada elemento arciforme cerca de al menos de uno de sus extremos difiere del radio de curvatura principal, o al menos uno de los extremos de cada elemento arciforme se monta de forma plegable y se acopla a una disposición de plegamiento, de manera que pueda modificarse actuando sobre el radio de curvatura local.

24. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 21 a 23, que comprende además un controlador de la unidad, que incluye el bucle de control (51), para activar los elementos de soporte en el primer modo en el que un primer elemento arciforme de cada grupo de elementos arciformes axialmente adyacentes permanece generalmente en contacto con el suelo hasta un punto cercano en distancia arciforme a aquél en el que entra en contacto con el suelo el siguiente elemento arciforme sucesivo, y así en cuanto elementos arciformes sucesivos entran en contacto con el suelo, de manera que se proporciona un movimiento de rodamiento sustancialmente continuo del vehículo a lo largo de los elementos arciformes (221a, 221b, 222a, 222b).

25. Un vehículo según la reivindicación 24, en el que el controlador de la unidad incluye elementos para accionar los elementos de soporte en un segundo modo para permitir subir y bajar escaleras y otros accidentes superficiales, y opcionalmente elementos para hacer que un segundo de los elementos arciformes de cada grupo se apoye sobre un accidente superficial sucesivo, que puede incluir un escalón, cuando el primero de los elementos de cada grupo está en el accidente superficial precedente.

26. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el soporte incluye una silla (151, 152, 153) que tiene un asiento (151), unido articuladamente al ensamblaje, de manera que tenga una primera posición en la cual el sujeto (13; 962; 101; 153) pueda sentarse en el asiento (151) y una segunda posición en la que el sujeto pueda estar de pie.

27. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además un elemento de ajuste de la altura para ajustar la altura en el soporte (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) con respecto al suelo, incluyendo preferentemente el elemento de ajuste de la altura una extensión variable entre el soporte (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) y el módulo de contacto con el suelo (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485).

28. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el soporte (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) tiene una superficie de base para sostener al sujeto y en el que los componentes de contacto con el suelo (11, 21; 931, 932; 221, 222, 223, 224; 261; 463; 485) están unidos al soporte de tal manera que la distancia entre el punto de contacto con el suelo de cada componente de contacto con el suelo y la superficie de base es suficientemente pequeña como para permitir que una persona (13; 962; 101; 153) dé un paso desde el suelo al soporte (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481).

29. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 25, en el que el soporte (211) está próximo al suelo para permitir que un sujeto (13; 962; 101; 153) permanezca de pie sobre el mismo, que comprende además preferentemente un manillar (213), fijo al soporte (211), que tiene una empuñadura (212) a aproximadamente la altura de la cintura del sujeto (13; 962; 101; 153), y opcionalmente un control direccional (561; 273; 292), montado en el manillar (213), para su uso por el sujeto (13; 962; 101; 153) en el control de la dirección del vehículo.

30. Un vehículo según la reivindicación 29, en el que el soporte (211) incluye una plataforma (154) que tiene una zona sustancialmente igual a la zona de la pisada del usuario (13; 962; 101; 153) en posición vertical.

31. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 29 ó 30, en el que el soporte (211) incluye una plataforma (154) que tiene una anchura sustancialmente igual a la anchura de los hombros del usuario (13; 962; 101;
153).

32. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el vehículo tiene un eje de balanceo y un eje de inclinación y el soporte (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) tiene una posición, comprendiendo además el vehículo elementos de determinación de posición para determinar la posición del soporte, y elementos de control de posición para controlar la posición del soporte con respecto al componente de contacto con el suelo, y opcionalmente elementos de ajuste de balanceo que permitan el ajuste de la orientación angular del soporte con respecto al módulo de contacto con el suelo (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485) alrededor de un eje aproximadamente paralelo al eje de balanceo del vehículo, con los elementos de ajuste de balanceo controlados por los elementos de control de posición, y opcionalmente elementos de viraje para provocar que los elementos de ajuste de balanceo, en el curso de una vuelta, viren el soporte (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) en la dirección general de giro, y opcionalmente elementos de ajuste de inclinación para permitir el ajuste de la orientación angular del soporte con respecto al módulo de contacto con el suelo alrededor de un eje aproximadamente paralelo al eje de inclinación del vehículo, estando los elementos de ajuste de inclinación controlados por los elementos de control de posición.

33. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) es controlable por el usuario (13; 962; 101; 153).

34. Un vehículo según la reivindicación 33, en el que la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) está controlada por una orientación del usuario (13; 962; 101; 153) con respecto al soporte (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481).

35. Un vehículo según las reivindicaciones 33 ó 34, en el que la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) es controlable por la inclinación del usuario (13; 962; 101; 153), y preferiblemente exclusivamente por la inclinación del usuario.

36. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 33 a 35, en el que la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) está adaptada para frenar el vehículo como respuesta a la inclinación del sujeto (13; 962; 101; 153) hacia atrás con respecto al vehículo.

37. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 33 a 36, que comprende un sensor de inclinación.

38. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 33 a 37, que comprende a demás un manillar (213) acoplado a la plataforma (154) para detectar la inclinación del usuario (13; 962; 101; 153).

39. Un vehículo según la reivindicación 38, en el que el manillar (213) incluye un sensor de fuerza para detectar la inclinación por el usuario (13; 962; 101; 153).

40. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 33 a 36, que comprende además un asiento (132; 151) acoplado al soporte que sostiene al usuario (13; 962; 101; 153) en una posición sentada, y un sensor de fuerza acoplado al asiento para detectar la inclinación del usuario.

41. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 33 a 40, en el que la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) es controlable mediante una entrada de usuario que recibe una indicación del usuario de una dirección de movimiento deseado del vehículo y provoca como respuesta a ello la inclinación del vehículo en la dirección del movimiento deseado.

42. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 33 a 41, en el que la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) se configura de forma que responda a una entrada que especifique un movimiento deseado en una primera dirección longitudinal, para hacer que el vehículo se mueva en una dirección opuesta a la primera dirección longitudinal como respuesta a la entrada, y acelere posteriormente el vehículo en la primera dirección.

43. Un vehículo según la reivindicación 33, que comprende además un controlador direccional (561; 273; 292) para su uso por el sujeto en el control de la dirección del vehículo.

44. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye además un controlador de configuración de la unidad que propulsa el vehículo a una velocidad especificada en el que dicha velocidad especificada puede ser arbitrariamente próxima a la velocidad cero.

45. Un vehículo según la reivindicación 44, en el que la velocidad especificada puede especificarse por el usuario (13; 962; 101; 153).

46. Un vehículo según la reivindicación 44, en el que la velocidad especificada puede especificarse por una entrada del usuario.

47. Un vehículo según la reivindicación 44, en el que la velocidad especificada puede especificarse por la orientación del usuario (13; 962; 101; 153) con respecto al módulo de contacto con el suelo (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485).

48. Un vehículo según la reivindicación 47, en el que la velocidad especificada puede especificarse por la inclinación del usuario (13; 962; 101; 153) en el módulo de contacto con el suelo (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485).

49. Un vehículo según la reivindicación 44, en el que la velocidad especificada puede especificarse por una distribución de peso de la carga útil con respecto al módulo de contacto con el suelo (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485).

50. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 44 a 49, en el que el controlador de la unidad motorizada es capaz de hacer que el vehículo se mantenga sustancialmente en un lugar especificado.

51. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la operación del vehículo incluye locomoción.

52. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el controlador de la unidad motorizada tiene un primer modo de operación que hace que el vehículo se mueva y un segundo modo de operación que hace que el vehículo se quede sustancialmente en un lugar especificado.

53. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el vehículo comprende además un regulador para limitar la velocidad del vehículo a un umbral de velocidad deseado por debajo de la velocidad máxima de que es capaz el vehículo, de manera que la estabilidad longitudinal del vehículo pueda seguirse mejorando por medio de un bucle de realimentación, incluyendo el bucle de realimentación preferentemente un inclinómetro para proporcionar una salida indicativa de la inclinación del vehículo y el elemento de limitación de la velocidad, que incluye elementos para añadir una modificación de la inclinación a la salida del inclinómetro cuando la velocidad del vehículo supere el umbral de velocidad, siendo preferentemente la modificación de la inclinación una función de la magnitud en la que la velocidad supera el umbral, de manera que el regulador incluya preferentemente elementos de control de velocidad para determinar en una base de tiempo real la velocidad máxima de la que es capaz actualmente el vehículo y el vehículo tenga preferentemente una fuente de alimentación eléctrica para abastecer a la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) y los elementos de control de la velocidad tengan una entrada para recibir una señal indicativa de la salida actualmente proporcionada por la fuente de alimentación a la unidad motorizada.

54. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la unidad motorizada (531, 532; 253; 281; 4913) incluye un controlador que recibe información sobre si el vehículo va a caerse.

55. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye además un elemento estructural acoplado al soporte (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) que restringe la inclinación longitudinal del usuario.

56. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene un bucle de control (51) que incluye una pluralidad de microprocesadores, con cada microprocesador asignado a un conjunto independiente de tareas asociadas a la locomoción y el control del vehículo, en comunicación entre sí a través de un bus de señales (279).

57. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene un sistema de indicaciones que comprende elementos (531) para generar una vibración que tiene una secuencia de impulsos, una altura del sonido y una velocidad de repetición, y un modulador (532) para modular la frecuencia y la velocidad de repetición basándose en la velocidad y la orientación del vehículo.

58. Un vehículo según la reivindicación 57, en el que la vibración es una salida de sonido.

59. Un vehículo según la reivindicación 57, en el que la vibración es una vibración táctil.

60. Un vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 57 a 59, en el que la altura del sonido se modula basándose en la orientación del vehículo y la velocidad de repetición se modula basándose en la velocidad del vehículo.

61. Un procedimiento para transportar a un sujeto sobre un suelo que tiene una superficie que puede ser irregular que comprende:

(a)

adoptar una posición en un vehículo que carece intrínsecamente de estabilidad en un plano longitudinal;

(b)

detectar un paso de inclinación del vehículo longitudinal alrededor de una región de contacto del vehículo con el suelo; y

(c)

accionar una unidad motorizada incorporada en el vehículo que potencia dinámicamente la estabilidad en el plano longitudinal y causa una aceleración del vehículo en función de la inclinación del vehículo adelante y atrás y un valor de modificación de inclinación determinado para garantizar la capacidad de la unidad motorizada de mantener el equilibrio y el control del vehículo.

62. Un procedimiento según la reivindicación 61, en el que el accionamiento de la unidad motorizada incluye producir un movimiento estabilizado como respuesta a un desplazamiento en la orientación del usuario en el plano longitudinal.

63. Un procedimiento según la reivindicación 61 ó 62, en el que el vehículo es tal como se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 60.

64. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 61 a 63, que comprende además proporcionar una entrada que especifique un movimiento deseado en una dirección longitudinal, que haga que el vehículo se mueva en una dirección opuesta a la primera dirección longitudinal como respuesta a la entrada, y acelere posteriormente el vehículo en la primera dirección.

65. Uso del vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 59, para el transporte de un sujeto sobre una superficie que puede ser irregular.

66. Uso del vehículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 59, como prótesis para un sujeto con discapacidad de equilibrio en el que la capacidad del sujeto con discapacidad de equilibrio para mantener el equilibrio se vea superada por el accionamiento de la unidad motorizada.