KR20020055581A

KR20020055581A - 차량용 지시 시스템

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Publication number: KR20020055581A
Application number: KR1020027003947A
Authority: KR
Inventors: 카멘딘엘.; 암브로지로버트알.; 듀간로버트제이.; 헤인즈만리차드커트; 키브레인알.; 스코스키에위크즈앤드르제; 크리스탈필리스케이.
Original assignee: 딘 엘. 카멘; 데카 프로덕츠 리미티드 파트너쉽
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 2002-07-09
Also published as: NZ282114A; KR20020039673A; EP0806929A1; EP1298041B1; CA2211738A1; EP1298041A3; KR100346992B1; ATE527163T1; JP3722493B2; ES2231785T3; DK0806929T3; AU705704B2; KR20020035617A; KR100394303B1; CA2431070C; CA2431070A1; DE69533729D1; FI116119B; ATE281138T1; FI973197A

Abstract

양호한 실시예에는 불규칙할 수도 있는 표면을 갖는 지면 위로 탑승자를 수송하기 위한 수송 차량이 제공된다. 이 실시예는 탑승자를 지지하기 위한 지지부를 갖는다. 상기 지지부에 이동가능하게 부착된 지면 접촉 모듈은 표면 위의 지지부 내에 탑승자를 지지하도록 기능한다. 지면 접촉 모듈의 방위는 상호 수직방향으로 교차하는 전후방향 및 측방향 평면을 정의한다. 지지부 및 지면 접촉 모듈은 조립체의 구성 부품이다. 상기 조립체에 장착되고 지면 접촉 모듈에 결합된 모터식 구동 장치는 상기 조립체와 탑승자를 상기 표면 위로 이동시킨다. 최종적으로, 본 실시예는 지면 접촉 모듈과 함께 동력식 구동 장치의 작동에 의해 전후방향 평면 내에서의 안정성을 동역학적으로 향상시키기 위한 제어 루프를 가지며, 상기 루프 내에는 모터식 구동 장치가 포함된다. 지면 접촉 모듈은 상호 측방향으로 배치된 한 쌍의 지면 접촉 부재로서 구현될 수도 있다. 지면 접촉 부재는 휘일이 될 수도 있다. 선택적으로, 각각의 지면 접촉 부재는 휘일의 클러스터(cluster)를 구비할 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 각각의 지면 접촉 부재는 축방향으로 인접하고 회전가능하게 장착된 한 쌍의 호형 요소 쌍을 구비한다. 관련 방법 또한 개시된다.

Description

차량용 지시 시스템{INDICATION SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 개인을 수송하기 위한 차량 및 방법에 관한 것으로, 특히 불규칙할 수도 있는 표면을 갖는 지면 위로 개인을 수송하기 위한 차량 및 방법에 관한 것이다.

탑승자를 수송하기 위한 다양한 차량 및 방법이 공지되어 있다. 이들 차량의 설계는 조종성(maneuverability)보다는 안정성(stability)을 선호하는 보완책에 통상 기인하였다. 예컨대, 상대적으로 평평한 표면을 갖는 지면 위로 편리하게 이동할 수 있게 하면서, 불규칙할 수도 있는 표면을 갖는 지면 위로 탑승자를 수송할 수 있는 사용자가 조종하기 용이한 자동 추진식 차량(a self-propelled user-guidable vehicle)을 제공하는 것은 어렵다. 불규칙한 표면 위로 이동할 수 있게 하는 차량은 복잡하고, 중량이 크고, 통상의 이동이 어려운 경향이 있게 된다.

본 발명은 양호한 실시예에서 불규칙할 수도 있는 표면을 갖는 지면 위로 탑승자를 수송할 수 있는 차량을 제공한다. 본 실시예는 탑승자를 지지하기 위한 지지부를 갖는다. 상기 지지부에 이동가능하게 부착된 지면 접촉 모듈은 표면 위의 지지부 내에 탑승자를 유지하도록 기능한다. 지면 접촉 모듈의 방위는 상호 수직으로 교차하는 전후방향 및 측방향 평면을 정의한다. 지지부 및 지면 접촉 모듈은 조립체의 구성 부품이다. 상기 조립체에 장착되고 지면 접촉 모듈에 결합된 모터식 구동 장치는 상기 조립체와 탑승자를 상기 표면 위에서 이동시킨다. 최종적으로, 본 실시예는 지면 접촉 모듈과 함께 모터식 구동 장치의 작동에 의해 전후방향 평면 내에서의 안정성을 동역학적으로 향상시키기 위한 제어 루프를 가지며, 상기 루프 내에는 모터식 구동 장치가 포함된다.

추가 실시예에서, 지면 접촉 모듈은 상호 측방향으로 배치된 한 쌍의 지면 접촉 부재로서 구현될 수도 있다. 지면 접촉 부재는 휘일이 될 수도 있다. 다르게는, 각각의 지면 접촉 부재는 휘일의 클러스터(cluster)를 포함할 수도 있고, 각각의 클러스터는 측방향으로 배치된 공통의 중앙축 상에 회전가능하게 장착되어 상기 축에 대해 모터 구동되며, 각 클러스터 내의 각각의 휘일은 각 휘일의 직경을 가로지르는 상기 중앙축으로부터의 거리가 클러스터 내의 각각에 대해 대략 동일하게 되도록 상기 중앙축에 평행한 축에 대해 회전가능하게 장착될 수도 있다. 휘일은 클러스터와 독립적으로 구동될 수 있다.

또다른 실시예에서, 각각의 지면 접촉 부재는 축방향으로 인접하고 회전가능하게 장착된 한 쌍의 호형 요소 쌍을 구비한다. 각 요소 쌍의 호형 요소는 중간 지점에 회전가능하게 장착되는 지지 스트럿(strut)의 대향 단부에 측방향으로 배치된다. 각 지지 스트럿은 모터 구동식이다.

본 발명은 첨부 도면에 관한 후속의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 용이하게 이해될 것이다.

도1은 탑승자가 착석하고 있는 것을 도시하는 본 발명의 단순 실시예의 사시도이다.

도2는 도1에 도시된 실시예의 추가 상세부를 도시하는 상기 실시예의 다른 사시도이다.

도3은 본 실시예의 선회 배치를 도시하는 도1의 실시예의 개략도이다.

도4는 계단을 올라가는 데에 사용되는 도1의 실시예의 측면 직립도이다.

도5는 도1의 실시예와 함께 동력부 및 제어부의 특성을 통상 도시하는 블록 선도이다.

도6은 휘일 토크를 이용하여 평형을 달성하는 도1의 단순화된 버전(version)용의 제어 전략을 도시하는 도면이다.

도7은 도1의 실시예의 휘일의 조이스틱(joystick) 제어부의 작동을 도식적으로 도시한 도면이다.

도8은 계단을 오르내리기 위해 도1의 실시예에 의한 사용 절차를 도시하는 도면이다.

도9 내지 도21은 지면 접촉 부재로서 한 쌍의 휘일 클러스터를 이용하는 본 발명의 실시예들을 도시하는 도면이다.

도9 및 도10은 다양한 위치에 있는 2-휘일 클러스터 설계의 용법을 도시하는 도면이다.

도11 내지 도21은 다양한 위치 및 형상의 3-휘일 클러스터 설계의 용법을 도시하는 도면이다.

도22 내지 도24는 각각의 지면 접촉 부재가 축방향으로 인접하고 회전가능하게 장착된 다수의 호형 요소 군으로서 구현된 실시예를 도시하는 도면이다.

도25 및 도26은 도18 내지 도20의 실시예에 사용된 3-휘일 클러스터 설계의 기계적 상세부를 도시하는 도면이다.

도27은 도18 내지 도20에 사용된 제어 조립체들 사이의 통신을 도시하는 블록 선도이다.

도28은 도27의 실시예에 사용된 형태의 일반적인 제어 조립체의 구성을 도시하는 블록 선도이다.

도29는 도27의 구동 인터페이스 조립체(273)의 상세부를 제공하는 블록 선도이다.

도30은 하나의 제어 사이클 중에 도27의 중앙 마이크로제어기 보드(272)로 이어지는 논리 흐름도이다.

도31은 클러스터 설계가 승강용으로 사용되는 것에 대해 도11 내지 도26의 클러스터 설계 및 가상 계단의 치수를 정의하는 변수를 도시하는 도면이다.

도32는 차량 또는 지면(world)에 대한 클러스터의 방위를 정의하는 데에 부합되는 각도 변수를 도시하는 도면이다.

도33은 평형 작업 및 통상의 수송 중의 휘일 모터 제어부의 개략도이다.

도34는 평형 작업 및 통상의 수송 중의 클러스터 제어 배치의 개략도이다.

도35는 도33에 관계되는 도면으로, 휘일 위치를 가리키는 상태 변수가 클러스터 회전 영향을 보상하도록 결정되는 배치를 도시하는 개략도이다.

도36 내지 도38은 상승을 허용하는 제1 실시예에 따라 도11 내지 도26의 클러스터 설계에 의해 달성된 계단 상승 및 장애물 통과용의 제어 배치를 도시하는 도면이다.

도36은 본원에서 기댐 모드(lean mode)로 사용되는 상승을 허용하는 제1 실시예의 클러스터 모터용의 제어 배치에 대한 개략도이다.

도37은 상승을 허용하는 제1 실시예의 휘일 모터용의 제어 배치에 대한 개략도이다.

도38은 아이들, 기댐 및 평형 모드 사이를 이동하기 위해 상승을 허용하는 제1 실시예를 사용하는 차량의 상태를 도시하는 블록 선도이다.

도39, 도40, 도41, 및 도42는 상승을 허용하는 제2 실시예에 따라 도11 내지 도26의 클러스터 설계에 의해 달성된 계단 상승을 도시하는 도면이다.

도39는 제2 상승 실시예에 따라 계단 상승을 개시하는 공정에서의 클러스터의 방위를 도시하는 도면이다.

도40은 상기 실시예에서 각도 원점을 리세트하는 공정에서 상기 클러스터의 방위를 도시하는 도면이다.

도41은 상기 실시예에서 중량을 전달하는 공정에서 상기 클러스터의 방위를도시하는 도면이다.

도42는 상기 실시예의 상승 공정에서 상기 클러스터의 방위를 도시하는 도면이다.

도43은 도39의 개시 공정 중에 휘일 및 클러스터 모터용의 제어 배치를 도시하는 개략도이다.

도44는 도41의 중량 전달 공정 중의 휘일 모터용 제어 배치를 도시하는 개략도이다.

도45는 도42의 상승 공정 중의 제어 배치를 도시하는 도면이다.

도46 및 도47은 계단 및 다른 장애물을 오르내리기 위한 센서를 장착한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.

도48은 정현파 구동원을 이용하는 도9 내지 도12의 실시예와 유사한 형상의 본 발명에 의한 실시예의 수직 단면도이다.

도49는 도48에 도시된 클러스터 부분의 상세도이다.

도50은 도48에 도시된 차량의 클러스터 구동 배치의 상세도이다.

도51은 도48에 도시된 차량의 클러스터의 단부도이다.

도52는 도48에 도시된 차량의 엉덩이 및 무릎 조인트의 기계적 상세부이다.

도53은 차량 제어 중에 탑승자에게 유용한 비가시적 출력을 제공하는 본 발명의 실시예를 도시하는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 휘일

51 : 제어 시스템

91 : 클러스터

151 : 시트

154 : 플랫폼

467 : 조인트

496 : 휘일 구동 풀리

4913 : 모터

본 발명은 광범위한 실시예에 구현될 수 있다. 많은 이들 실시예의 특징은 탑승자를 수송하는 차량에 대해 탑승자를 그 표면 위로 지지하기 위해 측방향으로 배치된 한 쌍의 지면 접촉 부재를 이용하는 것이다. 지면 접촉 부재는 모터 구동식이다. 많은 실시예에 있어서, 수송 중에 탑승자가 지지되는 형상은 전후방향 평면의 수직방향에 대해 적어도 얼마의 시간 동안은 본질적으로 안정성을 결여하고 있으나, 측방향 평면의 수직방향에 대해서는 상대적으로 안정하다. 전후방향 안정성은 지면 접촉 부재와 함께 모터를 작동시키기 위해 모터가 구비되는 제어 루프를 제공함으로써 달성된다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 한 쌍의 지면 접촉 부재는 예컨대 한 쌍의 휘일 또는 한 쌍의 클러스터가 될 수도 있다. 휘일 클러스터의 경우에, 각각의 클러스터는 다수의 휘일을 구비할 수도 있다. 그러나, 각각의 지면 접촉 부재는 다수의(전형적으로는 한 쌍의) 축방향으로 인접하고 반경방향으로 지지되고 회전가능하게 장착되는 호형 요소를 대신에 구비할 수도 있다. 이들 실시예에 있어서, 지면 접촉 부재는 차량에 작용되는 외력 또는 작용력에 관계없이 지면 접촉 부재의 지면과의 접촉 지점 위로 상기 차량의 질량 중심을 유지시키는 방법으로 제어 루프 내의 모터식 구동원에 의해 구동된다.

도1에는 주요 지면 접촉 부재가 한 쌍의 휘일이고 보조 지면 접촉 부재가 계단 승강용으로 사용되는 본 발명의 단순화된 실시예가 도시된다. (이하에서 도시된 바와 같이, 계단 승강 및 평지 수송은 이러한 지면 접촉 부재가 전술한 휘일 클러스터 또는 호형 요소인 때에 공히 1세트의 지면 접촉 부재에 의해 달성될 수도 있다.)

도1에 도시된 실시예는 본 도면에서 의자로 도시된 탑승자(13)가 앉을 수 있는 지지 설비(12)를 구비한다. 차량은 상호 간에 측방향으로 배치된 한 쌍의 휘일(11)을 구비한다. 상기 휘일은 수직방향 축(Z-Z)과, 휘일 축에 평행한 측방향 축(Y-Y)과 상기 휘일 축에 수직한 전후방향 축(X-X)을 포함하는 일련의 축을 정의하는 데에 도움이 된다. 수직방향 축(Z-Z)과 측방향 축(Y-Y)에 의해 정의되는 평면은 종종 "측방향 평면(lateral plane)"으로 불리며, 전후방향 축(X-X)과 수직방향 축(Z-Z)에 의해 정의되는 평면은 종종 "전후방향 평면(fore-aft plane)"으로 불린다. 축(X-X) 및 축(Y-Y)에 평행한 방향은 각각 전후방향 및 측방향으로 불린다. 지면과 접촉하기 위해 한 쌍의 휘일(11)을 사용할 때 상기 차량은 전후방향에 수직한 방향으로는 본질적으로 불안정하나, 측방향에 수직한 방향으로는 상대적으로 안정하다.

도2에서 차량은 휘일(11) 뿐만 아니라 제어가능한 양으로 수직방향으로 연장될 수 있는 측방향으로 배치된 한 쌍의 발부(feet; 21)와 발판(footrest; 22)을 구비한다. 발판은 위치될 수도 있는 계단과 같은 대상물의 높이를 결정하기 위한 센서를 구비하고 있다. 발부(21)는 대응되는 한 쌍의 연장가능한 다리부(leg; 23) 상에 배치된다. 양호한 실시예에 있어서, 차량은 양 발부가 지면과 접촉하고 있을 때 측방향뿐만 아니라 전후방향으로 안정하나, 하나의 발부가 지면과 접촉하고 있을 때 측방향 안정성이 희생될 수도 있다.

도3에는 발부(21)와 관련 다리부(23)를 구비하는 서스펜션 시스템에 대해 의자(12)의 선회를 허용하는 도1 및 도2의 실시예의 배치가 도시되어 있다. 상기 선회 작동은 대략 수평인 평면 내에서 수행된다. 각각의 다리부를 신축할 수 있는 성능과 함께 상기 선회 배치는 사람이 계단을 오르내리는 것과 유사한 방법으로 차량이 계단을 오르내리는 운동을 할 수 있게 한다. 중량 지지 다리부로 작용할 때 각각의 다리부(23)는 선회 중에 상기 다리부의 수직축에 대해 차량의 잔여 부분이 회전할 수 있게 한다. 선회를 함에 있어서, 의자는 의자의 전방 방향을 유지하기 위해 다리부(23) 사이의 중앙에 배치된 수직축에 대해 회동한다. 또한, 중량 지지용이 아닌 다리부(23)는 관련 발부(21)를 전방 방향으로 유지하기 위해 선회 중에 수직축에 대해 회전한다.

도1 내지 도3에 개시된 실시예는 상대 운동성을 달성하기 위해 본질적인 전후방향 안정성을 희생한다는 것을 알 수 있다. 통상 점진적인 표면 변화의 경우, 평형 모드는 본질적으로 불안정한 시스템에 전후방향 안정성을 제공하는 것과 관련된다. 계단과 같이 보다 불규칙한 표면의 경우, 본 실시예는 계단을 오르내리기 위해 사용되는 별개의 "계단 모드(step mode)"를 갖는다. 안정성은 예컨대 도4에 도시된 바와 같이 통상의 난간(handrail; 41)을 쥐기 위해 손을 이용하고 또는 계단 근처의 이용가능한 벽에 접촉함으로써 계단을 오르내리는 때에 재획득될 수도 있다.

또한, 추락에 의한 부상의 위험을 감소시키기 위해 다양한 전략이 사용될 수도 있다. 한 배치에 있어서, 추락이 발생할 소지가 있는 경우 차량과 탑승자의 조합체의 질량 중심을 제어가능하고 신속하게 낮출 수 있는 스콰트 모드(squat mode)로 상기 차량은 진입할 수 있다. 예컨대, 지면으로부터의 의자의 높이를 낮추는 것과 같은 방법으로 서스펜션 시스템을 힌지시키거나 또는 분리시킴으로써 질량 중심을 낮출 수도 있다. 스콰트 모드는 탑승자에게 에너지가 전달되기 전에 에너지를 소멸시키고, 탑승자의 부상 가능성을 감소시키기 위해 일정 위치로 탑승자를 이동시키고, 땅에 충돌하는 경우 탑승자에게 전달되는 에너지를 감소시키기 위해 보다 하부의 위치에 탑승자를 위치시키는 유리한 효과를 또한 구비할 수 있다.

도5의 블록 선도에 있어서, 제어 시스템(51)은 수송 및 평형을 달성하기 위해 도1 내지 도4의 실시예에 의한 모터 구동원 및 작동기를 제어하는 데에 사용된다는 것을 알 수 있다. 이들은 좌우측 휘일용의 모터 구동원(531, 532)과, 좌우측 다리부용의 작동기(541, 542)와, 선회 모터 구동원(55)을 포함한다. 상기 제어 시스템은 사용자 인터페이스(561)와, 전후방향 피치(pitch)를 감지하기 위한 피치 센서(562)와, 휘일 회전 센서(563)와, 작동기 높이 센서(564)와, 선회 센서(565)와 계단 치수 센서(566)를 포함한 데이타 입력부를 구비한다.

휘일이 작동될 때 도1에 의한 본 발명의 실시예에서 평형을 달성하기 위한 단순화된 제어 알고리듬은 도6의 블록 선도에 도시된다. 플랜트(plant; 61)는 제어 루프가 적용되기 전에 단일 모터에 의해 구동되는 지면 접촉 모듈을 갖는 시스템의 운동 방정식과 등가이다. T는 휘일 토크이다. 문자 θ는 전후방향 경사도(중력방향, 즉 수직방향에 대한 차량의 피치 각도)이고, X는 표면을 따른 기준점에 대한 전후방향 변위량을 나타내고, 문자 위의 점(dot)은 시간에 대해 미분된 값을 나타낸다. 본 도면의 나머지 부분은 평형을 달성하는 데에 사용되는 제어부(control)이다. 박스(62, 63)는 미분을 표시한다. 시스템의 안전성을 보장하기 위한 동적 제어를 달성하고, 상기 시스템을 표면 상의 기준점 근처에 유지시키기 위하여, 본 실시예의 휘일 토크(T)는 다음의 방정식을 만족하도록 설정된다.

T = K1θ + K2+ K3X + K4

이득 K1, K2, K3, K4는 시스템의 물리적 인자와 중력과 같은 다른 효과에 종속한다. 도6의 단순화된 제어 알고리듬은 평형을 유지시킬 수 있고, 또한 탑승자의 신체 운동이나 다른 사람 또는 물체와의 접촉에 기인한 표면 상의 기준점에 대한 상기 시스템의 질량 중심의 변화와 같은 외란이 있는 경우 상기 기준점에 인접하게 유지될 수 있다.

도6에 도시된 1-휘일 시스템 대신에 2개의 휘일을 수용하기 위해, 좌측 모터로부터의 소정의 토크와 우측 모터로부터의 소정의 토크는 도33과 관련하여 이하에 개시되는 일반적인 방법으로 독립적으로 계산될 수 있다. 또한, 좌측 휘일 운동과 우측 휘일 운동을 함께 트랙킹(tracking)함으로써 차량의 원하지 않는 회전을 방지하고 2개의 구동 모터 사이의 성능 변동을 제거하는 조절을 할 수 있다.

조이스틱과 같은 수동 인터페이스는 각 모터의 토크를 조절하는 데에 사용된다. 조이스틱은 도7에 도시된 축을 갖는다. 본 실시예의 작동시, 조이스틱의 전방 운동은 차량의 전진을 발생시키는 데에 사용되고, 조이스틱의 후방 운동은 차량의 후진을 발생시키는 데에 사용된다. 마찬가지로, 좌회전은 조이스틱의 좌측 운동에 의해 달성된다. 우회전의 경우, 조이스틱은 우측으로 이동된다. 여기서 사용된 형상은 상기 조이스틱이 좌측 또는 우측으로 이동할 때 적절히 회전될 수 있게 한다. 전진 및 후진 운동에 대해, 기대는 방향에 따라 본 시스템이 보상하고자 하는 전방 및 후방 운동을 초래하는 피치 변화를 (θ를 측정하는) 피치 센서가 확인하게 되므로 조이스틱에 대한 대체예는 단순히 전방 및 후방으로 기대는 것이다. 선택적으로, 퍼지 논리(fuzzy logic)에 근거한 제어 전략이 사용될 수 있다.

평형 모드에서의 모터 토크를 조절하는 방법은 (비록 안정성에 대한 도움이 또한 제공될 수도 있을지라도) 추가적인 휘일 또는 스트럿(strut)의 안정화를 필요로 하지 않고도 전후방향 안정성이 달성될 수 있게 한다는 것을 알 수 있다. 즉, 지면에 대해 (전체 차량을 형성하는 경우에 있어서) 상기 차량의 구성 요소의 운동에 의해 안정성이 동역학적으로 달성된다.

다리부를 이용한 계단 오르기

도8은 도1의 실시예로써 계단을 오르내리는 방법을 도시하고 있다. 계단을 만났을 때, 먼저 양 다리부가 수축되고(블록 71에 도시됨), 이어서 첫번 계단의 높이가 측정된다(블록 72). 계단을 오르는가 또는 내려가는가에 대한 결정이 수행된다(블록 73). (이때, 안정성을 달성하기 위해 탑승자가 사용가능한 난간을 잡는것이 유익하다.)

이후, 계단을 올라가는 제1 단계(블록 74에 도시됨)에서, 제1 다리부는 제2 다리부가 계단을 초과할 때까지 연장된다(블록 75). 이어서, 차량은 제2 다리부가 막 초과된 계단 위에 있을 때까지 선회한다(블록 78). (이 단계를 실시함에 있어서, 계단 깊이에 따라 얼마나 많이 선회해야 하는 지를 결정하기 위해 센서를 사용하는 것이 가능하다. 선택적으로, 상기 선회는 예컨대 90도와 같은 특정 각도로 종료될 수 있다.) 이어서, 센서는 후속 계단의 높이를 측정하도록 검사된다(블록 72). 계단이 있는 것으로 판단되고(블록 73) 이전 계단이 홀수번째이었으면(블록 76), 제1 다리부가 후속 계단을 초과할 때까지 제2 다리부를 연장시키고 제1 다리부를 수축시킴으로써 공정이 계속된다(블록 79). 다음으로, 제1 다리부가 초과된 계단 위에 있을 때까지 상기 차량은 선회한다(블록 80). 이어서, 센서는 후속 계단의 높이를 측정하도록 검사된다(블록 72). 계단이 있는 것으로 판정되고(블록 73) 이전 계단이 짝수번째이었다면(블록 76), 제2 다리부가 후속 계단을 초과할 때까지 제1 다리부를 연장하고 제2 다리부를 수축시킴으로써 공정이 계속된다(블록 78). 상기 공정은 반복되어 블록 72에서 개시된다. 계단이 검출되지 않고 이전 계단이 홀수번째이었다면, 제2 다리부를 다소 연장하고 제1 다리부를 완전히 수축시켜 양 다리부가 전방을 향할 때까지 선회하고, 이어서 양 발부로 직립할 수 있도록 제2 다리부를 수축시킴으로써 종료된다. 계단이 검출되지 않고 이전 계단이 짝수번째이었다면, 제1 다리부를 다소 연장하고 제2 다리부를 완전히 수축시켜 양 다리부가 전방을 향할 때까지 선회하고, 이어서 양 발부로 직립할 수 있도록 제1 다리부를 수축시킴으로써 종료된다(블록 88).

계단을 내려가기 위한 유사한 절차가 후술된다. 계단을 내려가는 제1 단계(블록 81)에 있어서, 제1 다리부는 제2 다리부가 자유로이 되도록 다소 연장한다(블록 82). 이후, 제2 다리부가 내려가고자 하는 계단 위로 위치할 때까지 상기 차량은 선회하고(블록 84), 제2 다리부가 상기 계단에 있을 때까지 제1 다리부는 수축하고 제2 다리부는 연장한다(블록 85). 이어서, 센서는 후속 계단의 높이를 측정하도록 검사된다(블록 72). 계단이 존재하고(블록 73) 이전 계단이 홀수번째이었다면, 제1 다리부가 연장되고자 하는 계단 위에 있을 때까지 선회시킴으로써 공정이 계속된다(블록 86). 이어서, 제1 다리부가 상기 계단 위에 있을 때까지 제2 다리부는 수축하고 제1 다리부는 연장한다(블록 87). 센서는 후속 계단의 높이를 측정하도록 검사된다(블록 72). 계단이 존재하고(블록 73) 이전 계단이 짝수번째이었다면, 상기 공정은 계속되고(블록 84) 반복되어 블록 72에서 개시된다. 계단이 없는 것으로 판정되면, 양 다리부가 전방을 향할 때까지 선회시키고 양 발부로 직립하도록 양 다리부를 수축시킴으로써 계단을 내려가는 공정이 완료된다(블록 88).

전술한 선회 배치를 대신하여, 추가 실시예에서 각 다리부가 전후방향으로 대략 수평 평면에서 활주할 수 있도록 장착되게 함으로써 상기 다리부의 상대 운동이 달성된다. 선택적으로, 상기 다리부는 사람의 무릎 및 엉덩이 관절과 유사한 조인트를 이용할 수도 있다.

클러스터로써 계단을 올라감

도1의 실시예가 계단을 올라가고 평지를 이동하기 위해 다양한 지면 접촉 부재를 필요로 하지만, 도9 내지 도21에 도시된 본 발명의 실시예는 계단을 올라가고 평지를 이동하기 위해 공히 동일한 세트의 지면 접촉 부재를 성공적으로 이용할 수 있다. 도9 내지 도18은 도1의 실시예에 사용된 한 쌍의 휘일 대신에 지면 접촉 부재로서 한 쌍의 휘일 클러스터를 이용하는 본 발명의 실시예를 도시한다.

도9에 있어서, 2-휘일 클러스터 설계를 이용하는 일 실시예의 측면도가 도시되어 있다. 탑승자(962)는 본 실시예의 시트(seat; 95) 상에 지지되는 것으로 도시된다. 클러스터 회전축(92)에 대해 방사상 대칭 위치에 있는 한 쌍의 휘일(931, 932)을 갖는 우측 클러스터(91)가 도시되어 있다. 유사한 좌측 클러스터 역시 사용된다. 각각의 클러스터는 회전축(92)에 대해 구동하기 위한 각자의 독립적으로 제어되는 모터를 갖는다. 각 쌍의 휘일(여기서는, 931 및 932임)은 자체의 회전축에 대해 독립적으로 제어되는 모터에 의해 구동되지만, 클러스터의 휘일은 결합되어 동기적으로 회전된다.

도9에서 클러스터(91)는 양 휘일(931, 932)이 지면과 접촉할 수 있도록 위치된다는 것을 알 수 있다. (좌측 클러스터와 함께) 클러스터(91)가 상기 위치에 있을 때, 본 실시예의 차량은 전후방향으로 상대적으로 안정하여 (직립한 것으로 도시된) 탑승자(961)가 차량 상의 안락한 착석 위치(962)를 점유하게, 예컨대 장애인이 다른 의자로부터 이동할 수 있게 된다.

그러나, 클러스터(91)는 각 클러스터의 휘일(932) 만이 도10에 도시된 바와 같이 지면과 접촉할 때까지 축(92)에 대해 회전할 수 있다. (좌측 클러스터와 함께) 클러스터(91)가 이 위치에 있을 때, 차량은 도1의 실시예와 관련하여 전술한바와 동일한 본질적인 전후방향 불안정성을 갖는다. 본 시스템을 지배하는 동일한 방정식은 전후방향 안정성을 동역학적으로 발생시키기 위해 휘일을 구동하도록 전술한 바와 같이 사용될 수도 있다. 또한, 도9 및 도10에 도시된 바와 같이, 상호간에 또한 시트(95)에 대해 일정 각도로 조절될 수도 있는 세그멘트(941, 942)를 갖는 관절 아암(articulated arm)을 통해 지면 접촉 부재에 연결될 수도 있다. 이러한 조절은 허브(945, 946)에 배치된 모터식 구동원에 의해 달성된다. (클러스터를 회전시킨 효과 외에도) 이들 조절의 결과로 많은 다른 것들 중에서 시트(95)의 높이가 변경될 수 있으며, 탑승자(101)는 차량에 앉아 있는 상태로 직립한 탑승자(961)에 필적할 만한 (또는 더 높은) 높이를 달성할 수 있다. 예컨대, 휠체어(wheel chair)에 앉아 있는 탑승자가 직립한 사람보다 작게 보이므로 이것이 바람직하게 된다. 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 전술한 조절은 상기 시트의 전후방향 경사 조절 또한 가능하게 한다.

도11 내지 도18은 다양한 모드 및 형상의 3-휘일 클러스터 설계의 용법을 도시하고 있다. 3-휘일 클러스터에 대한 (안정된 휴식 위치를 도시하는) 도11과 (이동 중 평형 위치를 도시하는) 도12는 2-휘일 클러스터에 대한 도9 및 도10에 대응된다. 각각의 3-휘일 클러스터[여기서는 우측 클러스터(111)가 도시됨]는 독립 제어 모터를 이용하여 축(112) 주위로 회전가능하게 장착되고 모터 구동된다. 2-휘일 클러스터 설계의 경우와 같이, 각 클러스터의 휘일은 독립적으로 구동되고 제어되나, 각 클러스터와 동기되어 작동된다.

본원에 개시된 많은 실시예가 개별적으로 제어되는 독립적인 모터를 이용하고 있을지라도 다수의 기능을 위해 공통의 모터가 사용될 수도 있고 차동 구동원과 같은 적절한 클러치 또는 다른 동력 전달 설비에 의해 독립적인 제어가 달성될 수도 있다. 본 명세서 및 후속의 청구의 범위에 사용되는 용어 "모터식 구동원"은 수단에 관계없이 기계적 동력을 발생시키는 임의의 차량을 의미하므로, 이러한 기계적 동력의 전달을 위한 임의의 적절한 설비와 함께 전기식, 유압식, 공압식 또는 열역학식인 모터, 또는 터보제트(turbojet) 또는 모터 구동식 프로펠러(propeller)와 같은 추력 발생 장치를 포함한다.

도13은 도12와 유사하나, 의자(95)는 등받이(back, 131)와 시트(132)를 갖는 것으로 도시된다. 시트(132)에 대한 등받이(131)의 각도와 수평에 대한 시트(132)의 각도는 등받이(131)가 통상 수직 방위를 유지한 상태로 시트(132)가 수직방향에 대해 경사져서 사용자가 거의 직립된 위치로 위치할 수 있도록 조절될 수 있다.

도14에는 계단을 올라가는 실시예를 도시하고 있다. 관절식 아암 세그멘트(941, 942)는 최대 높이를 제공하기 위해 연장된 위치에 있으며, 따라서 탑승자(101)의 발부는 계단을 넘을 수 있다. 중심축(112)에 대해 우측 클러스터(111) 및 (도시되지 않은) 좌측 클러스터의 각각을 회전시키고 대등하게 휘일을 회전시킴으로써 계단을 올라갈 수 있다. 계단을 올라가기 위한 실제 모드와 제어 설비는 도27 이하에서 후술된다.

도15 내지 도17은 도11 및 도12와 유사한 실시예를 도시한 도면이나, 관절식 아암의 세그멘트(161, 171) 중의 하나, 즉 본 예에서는 세그멘트(171)는 시트(151)와 서라운드(surround; 152)를 포함하는 본체 지지 조합체의 시트(151)를 사실상운반한다. 서라운드(152)는 머리 받침대(headrest; 155)를 구비한다. 세그멘트(171)가 거의 수직 위치로 배치될 때, 시트(151)는 정위치에서 벗어나게 이동하여 탑승자(153)가 시트(151), 서라운드(152) 및 발판(154)에 의해 지지되는 직립 위치에 있게 된다.

도18 내지 도20은 도11 내지 도14와 유사한 실시예를 도시하고 있으며, 상기 실시예에서는 탑승자(101)의 높이가 절첩 부재(181)에 의해 조절될 수 있고, 그 연장부는 개별적인 모터 제어를 받는다. 또한, 도19의 축 R-R에 대한 탑승자의 롤링 각도(rolling angle)는 도19의 독립 제어 모터 유닛(191)을 통해 도18에 도시된 바와 같이 조절될 수 있다. 더욱이, 도19 및 도20에 2개의 다른 위치로 도시된 의자(182)의 전후방향 경사는 독립 제어 모터 유닛(192)을 통해 조절된다. 비록 롤링 및 경사 조절은 피봇 또는 모터식 구동원으로써 실시될 수 있으나, 이들 조절의 각각은 예컨대 4개의 바아 또는 모터식 구동원에 결합된 다른 링크(link) 설비에 의해 실시될 수 있다.

도21에서, 의자를 갖지 않는 본 발명에 의한 차량이 제조될 수 있다는 것을 알 수 있다. 탑승자는 플랫폼(platform; 211) 상에 서서, 상기 플랫폼(211)에 부착된 핸들(213) 상의 손잡이(grip; 212)를 잡으며, 따라서 본 실시예에 의한 차량은 스쿠터(scooter)와 유사한 방법으로 작동될 수도 있다. 다른 제어 방법에 사용될 수 있을지라도, 손잡이(212)는 방향 제어를 위해 엄지 손가락으로 작동되는 조이스틱을 구비한다. 예컨대, 핸들(213)과 그립(212)은 모두 구비되지 않을 수도 있고, 플랫폼(211)은 탑승자가 기대고 있다는 것을 검출하는 센서를 장착할 수도있다. 사실상, 도5와 관련하여 설명하였고 또한 이하에 추가로 설명하는 바와 같이, 탑승자가 전방으로 기대게 된다면 수직 안정성을 유지시키기 위해 차량이 전방으로 이동하도록 차량의 피치는 감지되어 제어 루프 내에서 보상된다. 그러므로, 전방으로 기대는 것은 전방 이동을 발생시키고, 후방으로 기대는 것을 후방 이동을 발생시킨다. 적절한 작용력 트랜스듀서가 좌우방향 기댐을 감지하기 위해 제공되고, 관련된 제어부가 감지된 기댐의 결과로서 좌우방향 전환을 일으키도록 제공된다. 상기의 기댐은 근접 센서(proximity sensor)를 이용하여 검출될 수도 있다. 마찬가지로, 본 실시예의 차량은 탑승자가 플랫폼(211) 상에 서 있을 때 차량에 자동적으로 동력을 제공하기 위해 스위치가 닫히게 되는 방법으로 차량을 작동시키도록 발(작용력) 작동식 스위치를 장착할 수도 있다. 도13 내지 도20의 클러스터와 같은 방법으로 좌우측의 휘일 클러스터가 작동되는 것으로 본 실시예가 도시되어 있으나, 상기 차량은 도1과 같은 방법으로 횡치된 한 쌍의 휘일을 구비하거나 또는 후술하는 바와 같이 도22 내지 도24의 실시예와 유사한 방법으로 축방향으로 인접하게 그리고 회전가능하게 장착된 좌측 및 우측의 호형 요소를 갖는 다른 지면 접촉 부재를 선택적으로 구비할 수도 있다.

호형 요소를 이용하여 계단을 올라감

도22 내지 도24는 각각의 지면 접촉 부재가 축방향으로 인접하고 회전가능하게 장착된 다수의(여기서는 한 쌍의) 호형 요소 군으로서 실시된다. 예컨대, 도15의 클러스터에 의해 추진되는 실시예에 통상 대응되는 도22에서 우측의 지면 접촉 부재는 호형 요소 쌍(221, 222)으로서 실시된다. 상기 각 쌍(221, 222)의 호형 요소[아이템(221a-221b)과 아이템(222a-222b)]는 중간 부분에서 회전가능하게 장착되는 지지 스트럿[각각, 아이템(221c)과 아이템(222c)]의 양 단부에 횡치된다. 각각의 지지 스트럿(221c, 222c)은 모터 구동식이고, 다른 모터에 관계없이 독립적으로 작동한다. 작동시, 통상의 수송 중에, 각 쌍의 호형 요소는 휘일 작용과 거의 유사하게 된다. 예컨대 이러한 수송 중에 호형 요소(221a)가 지면과 떨어지기 시작할 때, 요소(222a)는 상기 호형 요소의 형태에 의해 달성된 롤링을 계속되게 하도록 도시된 위치로 도달하기 위해 회전한다. 이러한 방법으로 호형 요소를 따른 차량의 사실상 연속적인 롤링 운동이 있게 된다. 따라서, 회전축에 대한 각 호형 요소의 운동은 통상 동일한 각속도가 되지 않는다. 전형적으로, 각 호형 요소 쌍은 상기 쌍의 모든 요소가 지면과 접촉되지 않을 때 보다 더 큰 각속도로 이동한다. 그러나, 상기 쌍의 한 요소가 지면과 접촉하고 있을 때, 상기 쌍의 각속도(즉, 지면 접촉 부재의 각속도)는 상기 차량의 소정의 지면 이동 속도와 일치되도록 제어되며, 따라서 필요한 경우 정속 지면 이동 속도가 달성될 수 있다.

정속 지면 속도를 달성하는 호형 요소의 각속도 변화에 의한 영향은 불필요한 차량 가속을 일으킬 수 있는 프레임 상에 반력 토크가 존재한다는 것이다. 하나의 해결책은 모터 구동원의 반력 토크가 이하의 식과 같이 표현되며, 구동되는 호형 요소와 동일하고 방향이 반대가 되도록 차량을 설계하는 것이다.

여기서, I는 관성 모우멘트이고, 하첨자 L은 호형 요소 시스템이고, 하첨자R은 로터 시스템이다. 이 방정식은 다음의 식과 같이 표현될 수 있다.

기어비 Ns는 다음과 같이 각가속도의 비로 대체될 수도 있다.

기어비 및 관성치의 적절한 형상에 의해 달성될 수 있는 Ng에 대한 방정식을 만족시키기 위해, 반력 토크는 평형되어 차량이 매끄럽게 진행될 것이다.

양호하게는, 각 호형 요소의 반경방향으로 최외측 부분은 상기 부분의 거리와 동일한 길이의 반경을 갖는 원의 곡률 반경을 통상 따르는 일정한 주요 곡률 반경을 갖는다. 각 호형 요소는 차량의 전방 이동시 처음으로 지면에 접근하게 되는 전방 부분과 차량의 전방 이동시 마지막으로 지면을 벗어나는 후방 부분을 갖는다. 호형 요소(221a)의 전방 부분은, 예컨대 아이템(223)으로 식별되고, 호형 요소(221a)의 후방 부분은 아이템(224)으로 식별된다. 연속적인 호형 요소들을 전방 이동 중에 매끄럽게 지면과 접촉할 수 있게 하기 위해, 전방 부분의 선단부 근처의 각 호형 요소의 곡률 반경이 상기 요소의 주요 곡률 반경보다 다소 작은 것이 바람직하다. 유사하게는, 연속적인 호형 요소가 후방 이동 중에 매끄럽게 지면과 접촉할 수 있게 하기 위해, 후방 부분의 선단부 근처의 각 호형 요소의 곡률 반경이 상기 요소의 주요 곡률 반경보다 다소 작은 것이 바람직하다. 선택적으로 또는 추가적으로, 전방 및 후방 부분의 선단부 근처의 곡률 반경은 일군의 한 호형 요소로부터 후속 요소로의 부하 전달을 용이하게 하기 위해 달리 조절될 수도 있다. 예컨대, 몇몇 실시예에서는 선단부의 곡률 반경이 주요 곡률 반경보다 더 크게 하는 것이 바람직할 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 선단부는 변형가능하게 장착될 수 있고 변형가능한 설비에 결합될 수 있어서, 작동시 국부 곡률 반경이 변경될 수도 있다.

필요시, 본 실시예의 차량은 호형 요소의 전방 부분이 지면과 접촉하고 다른 호형 요소의 후방 부분이 지면과 접촉하고 상기 접촉 지점들이 상호 이격되는 각도로 스트럿(221c, 222c)을 교차시킴으로써 정지 위치에 위치될 수 있음을 알아야 한다. 이러한 위치는 차량의 전체 높이를 감소시키고 차량의 조밀한 저장 또는 이송을 용이하게 한다.

도17의 클러스터 추진식 실시예와 통상 대응되는 도23에 있어서, 도22의 차량이 시트(151)가 직립 상태로 탑승자가 플랫폼(154) 상에 직립한 것으로 도시된다.

도24에 있어서, 도22의 실시예가 계단을 올라가는 것을 도시하고 있다. 상기 스트럿은 연속 호형 요소가 연속 계단 상에 착지하는 방법으로 이동된다.

클러스터 실시의 상세한 설명

도25 및 도26은 도18 내지 도20에 도시된 실시예에 대한 3-휘일 클러스터 설계의 상세부를 제공한다. 각 클러스터(251a, 251b)는 기어열(gear train)을 통해 상기 클러스터를 구동하는 각자의 구동 모터를 갖는다. 각 클러스터의 휘일은 클러스터(251a)용 모터(253a)와 클러스터(251b)용 모터(253b)에 의해 독립적으로 동력을 얻는다. 소정의 클러스터(251a, 251b) 내의 휘일은 통상 반경방향으로 배치된 기어 설비를 통해 상기 클러스터 모터(253a, 253b)에 의해 동기적으로 구동된다. 도26의 클러스터(251a)의 측면도는 모터(253a) 축에 대해 회전하는 동력 기어(264)에 의해 각각의 아이들러 기어들(263a, 263b, 263c)이 방향 전환하여 구동되고, 상기 각각의 아이들러 기어들에 의해 구동되는 결합된 구동 기어(262a, 262b, 262c)와 함께 휘일(261a, 261b, 261c)을 도시하고 있다.

도27은 도18 내지 도20의 실시예에 따른 차량에 사용되는 제어 조립체들 사이의 통신(communication)을 도시하는 블록 선도이다. 유사한 세트의 조립체가 본원에 개시된 임의의 다른 실시예용으로 사용될 수도 있다. 차량은 배터리 스택(battery stack; 271)에 의해 동력을 받는다. 버스(bus; 279)는 다양한 조립체에 통신과 동력을 제공한다. 차량의 전체 시스템 제어는 중앙 마이크로제어기 보드(272)에 의해 제공된다. 조이스틱 및 경사도계(inclinometer)와 같은 공급원으로부터 시스템 제어의 기본이 달성되는 중앙 마이크로제어기 보드(272)로 유도된 입력은 도29를 참조하여 이후 설명되는 구동원 인터페이스 조립체(273)에 의해 제공된다. 도18에 도시된 의자(182)의 경사, 높이 및 롤링은 경사 모터 제어 조립체(274), 높이 모터 제어 조립체(275) 및 롤링 모터 제어 조립체(276)에 의해 각각 조절된다. 좌우측 클러스터의 회전은 좌우측 클러스터 제어 조립체(278a, 278b)에 의해 각각 제어된다. 좌우측 클러스터 내의 휘일의 회전은 좌우측 휘일 제어 조립체(277a, 277b)에 의해 제어된다.

의자 위치와 휘일 및 클러스터에 사용되는 도27에 도시된 각 제어 조립체의일반적인 구성은 도28에 도시된다. 모터(281)는 동력 변환기(power converter; 282)로부터 3상 동력을 받는다. 홀 효과 검출기(hall effect detector; 2812)로부터의 출력은 모터의 동력 위상을 제어하기 위해 동력 변환기(282)에 정보 신호를 제공한다. 모터의 축 회전에 관한 정보 신호 또는 상기 모터에 의해 동력을 받은 기계적 시스템의 위치에 관한 정보 신호는 전위차계(potentiometer; 284), 타코미터(tachometer; 2811) 또는 증분 인코더(incremental encoder; 2813) 중의 하나 또는 그 이상에 의해 제공될 수도 있다. [선택적으로, 홀 효과 검출기(2812)는 자체적으로 사용될 수 있다.] 이들 신호들은 주변 마이크로제어기 보드(283)로 공급된다. 또한, 동력 변환기(282)와 모터(281)에 관한 온도 출력은 입력 신호를 주변 마이크로제어기 보드(283)에 제공한다. 주변 마이크로제어기 보드(283)는 버스(279)를 통해 소형 마이크로제어기 보드(272)와 통신된다.

도29는 도27의 구동원 인터페이스 조립체(273)의 상세부를 제공하는 블록 선도이다. 주변 마이크로제어기 보드(291)는 경사도계(293)뿐만 아니라 조이스틱(292)으로부터 입력을 받는다. 상기 경사도계는 피치 및 피치율에 대한 정보 신호를 제공한다. (본 명세서 및 후속의 청구의 범위 전체에 사용되는 "경사도계"라는 용어는 출력을 달성하기 위해 사용되는 설비에 관계없이 피치 또는 피치율을 지시하는 출력을 제공하는 임의의 장치를 의미하며, 피치 또는 피치율 변수 중의 단지 하나가 출력으로서 제공된다면 다른 변수는 시간에 대한 적절한 미분 또는 적분에 의해 얻어질 수 있다.) 차량에 의한 방향 전환시 제어된 뱅킹(banking)을 가능하게 하기 위해(따라서, 방향 전환 중에 안정성을 증가시키기 위해) 롤링또는 롤링율, 선택적으로는 시스템 중량 및 원심력의 합에 대한 정보를 제공하기 위해 제2 경사도계를 사용하는 것이 타당하다. 다른 입력(294)은 주변 마이크로제어기 보드(291)에 대한 입력으로서 양호하게는 제공될 수 있다. 이러한 다른 입력에는 의자 조절을 위해 그리고 (후술하는 기댐 모드 또는 평형 모드와 같은) 작동 모드를 결정하기 위한 스위치[노브(knob) 및 버튼(button)]에 의해 게이트된(gated) 신호를 포함할 수도 있다. 주변 마이크로제어기 보드(291)는 배터리 스택(271)으로부터 배터리 전압, 배터리 전류 및 배터리 온도에 관한 신호를 받기 위한 입력부를 또한 갖는다. 주변 마이크로제어기 보드(291)는 버스(279)를 통해 중앙 마이크로제어기 보드(272)와 통신한다.

도30은 하나의 제어 사이클 중의 도27의 중앙 마이크로제어기 보드(272)에 의해 이어지는 논리 흐름도이다. 진단 목적상, 상기 사이클은 단계 301에서 시작되고, 기술자로부터 임의의 입력이 있는 지를 검사한다. 다음 단계 302는 조이스틱, 스위치, 노브, 버튼으로부터 운전자의 입력을 판독한다. 다음으로, 단계 303에서, 차량의 상태 변수가 입력으로서 판독된다. 다음으로, 단계 3011에서 (진단 목적으로 사용된 경우) 기술자의 디스플레이(display)가 갱신되고, 단계 304에서 단계 301 내지 303에서 얻어진 입력 변수에 따라 프로그램 상태가 변경된다. 이어서, 프로그램을 벗어날 것인 지에 대한 시험이 수행되고(단계 3041), 그 판단이 "예"라면 모든 모터 증폭기는 작동이 정지되고(단계 3042) 프로그램이 종료한다. 그렇지 않다면 (온도 및 배터리 전압 등과 같은) 적절한 변수에 대한 안전성 검사가 수행되고(단계 3043), 그 결과가 부정적이라면 휘일 및 클러스터 모터는 작동이정지하고(단계 3044), 이어서 프로그램 상태는 변경된다(단계 3055). 그러나, 검사의 몇몇 수준이 한계치 경보기(threshold alarm conditioner)가 형성된 직후에야 모터 증폭기가 작동이 정지되도록 적절하게 사용된다. 단계 3043에서의 안전성 검사가 긍정적이고 또는 프로그램 상태가 단계 3055에서 변경된 후에, 클러스터 토크 신호(단계 305), 휘일 토크 신호(단계 306), 경사 속도 신호(단계 307), 롤링 속도 신호(단계 308) 및 높이 속도 신호(단계 309)에 대한 계산이 순차적으로 수행된다. 이후, 이들 계산의 결과는 단계 3010에서 각 차량에 대한 출력으로서 제공된다. 단계 3091에서, 프로그램은 제어 사이클을 다시 시작하라는 후속 타이밍 신호를 기다린다. 본 실시예에서 제어 사이클의 주파수는 만족할 만한 제어 응답성과 안정성을 제공하는 대략 200 내지 400 Hz이다.

도31은 도11 내지 도26의 클러스터 설계치와 승강용으로 사용될 수 있는 클러스터 설계치에 대한 가상적인 계단의 치수를 정의하는 변수를 설명한다. 도31에 도시된 이들 치수들을 나타내도록 사용되는 변수들은 후속 표에 개시된다. "공칭 크기"는 수행되고 기능하는 도18 내지 도20의 실시예에 관한 이들 아이템의 전형적인 치수를 의미한다.

표 1. 치수 변수

변수	설명	공칭치수
L	클러스터의 중심으로부터 시스템의질량 중심까지의 거리	21.0"
l	클러스터 중심으로부터 휘일중심까지의 거리	5.581"
l'	휘일 중심으로부터 휘일중심까지의 거리	9.667"
d	계단 깊이	10.9"
h	계단 높이	6.85"
z	4개의 휘일이 계단과 접촉하고 하부휘일이 승강기에 반대일 때 승강기의모서리와 휘일 접촉 지점 사이의거리.이는 z = (l'²- h²)의 관계식을이용하여 계산할 수 있음.	3.011"
r	휘일의 반경	3.81"

후속의 약속(convention)이 이들 변수와 이하에 개시된 표2의 변수들을 이용하는 데에 사용되었다.

1. 절대 좌표(world coordinate)에 사용된 변수는 대문자로 하나의 하첨자를 이용하여 명명된다. 절대 좌표는 지구에 고정된 좌표이다.

2. 상대 좌표에 사용된 변수는 이중 하첨자를 이용하여 명명된다. 상기 하첨자는 변수의 끝 부분에 표시된다. 하첨자의 순서는 변수의 부호(sign)를 나타낸다. 예컨대, θ_PC는 클러스터 포스트로부터의 시계방향 회전이 정회전(노트 4. 참조)인 경우 상기 포스트와 클러스터 다리부 사이의 각도이다. 클러스터의 "다리부"가 클러스터의 중심으로부터 현재 평형되고 있는 휘일 중심으로의 선의 일부이다. 클러스터의 "다리부"는 시스템의 질량 중심으로부터 상기 클러스터의 질량 중심으로의 선의 일부이다.

3. 소문자 하첨자는 다른 속성(attribute), 예컨대 좌측/우측 등을 나타내는데에 사용된다. 예를 들면, r은 우측이고, l은 좌측이고, ref는 기준 위치이고, f는 종료이고, s는 시작이다.

4. 양의 이동이 양의 x 방향에 있을 경우에 모든 각도는 시계방향일 때 양의 값을 갖는다.

5. 변수 위의 점(dot)은 시간에 대한 미분을 나타낸다. 예컨대 .

도32는 차량 및 지면에 대한 클러스터의 방위를 정의하는 데에 적절한 각도 및 이동 변수를 도시하고 있다. 이들 변수들은 후속의 표에 개시된 바와 같이 정의된다.

표2. 각도 및 이동 변수

변수	명칭	설명
θ_C	쎄타 클러스터	클러스터 허브 상에서 현재평형되고 있는 휘일로부터의선과 수직선 사이의 각도
θ_W	쎄타 휘일	휘일 상의 임의의 반경방향 선과수직선 사이의 각도
θ_PC	쎄타 포스트 클러스트	포스트에서 시작하여 평형된다리부에서 종료하는 클러스터허브에 중심을 둔 각도.(다리부가 수직인 하부의 휘일상에 평형됨 θ_PC= 180°)
θ_PW	쎄타 포스트 휘일	휘일 상의 임의의 선과 포스트사이의 각도.
x	엑스	기준 좌표 내의 바닥을 따른휘일 중심의 선형 위치
θ₁	쎄타 경사도계	중력 방향에 대한 경사도계의각도
θ	쎄타(피치각)	차량 질량 중심과 휘일 중심사이의 실제 각도. θ_C및 θ_PC를경사도계 각도 θ_I로 보상함으로써유도됨.
Ψ	요오 각도	차량의 X축과 기준 프레임의X축 사이의 각도.

도33 내지 도35는 수송 중에 또한 정지 위치에서 한 쌍의 휘일 상에서 평형될 때 도11 내지 도21의 실시예에 의한 차량에 안정성을 제공하기 위해 도27의 제어 조립체와 관련되어 사용되기에 적절한 제어 알고리듬을 도시하는 블록 선도이다.

도33은 [도25의 아이템(252a, 252b)에 대응되는] 좌우측 휘일의 모터용의 제어 설비이다. 이 설비는 θ,, rwl(절대 좌표계에 대한 좌측 휘일의 선형 속도)와 rwr(우측 휘일의 선형 속도)의 입력과 기준 좌표계의 X축 및 Y축을 따른 조이스틱 위치에 의해 결정된 방향 입력을 갖는다. 각각이 이득 K1, K2, K3,K4를 받는 입력 θ,와 (이하에서 설명되는) 오차 신호 x,는 도6에 관해 전술한 통상의 방법으로 휘일에 대한 기본적인 평형 토크 명령을 발생시키는 합산기(summer; 3319)에 입력이 된다. 합산기(3319)의 출력은 좌측 휘일 토크 명령을 발생시키기 위해 합산기(3320) 내의 (후술하는) 요오 PID 루프(3316)의 출력과 조합되고, 이어서 분리기(divider; 3322) 내에서 분리되고, 포화 제한기(saturation limiter; 3324) 내에서 제한된다. 유사하게는, 합산기(3319)의 출력은 우측 휘일 토크 명령을 발생시키기 위해 합산기(3312) 내의 PID 루프(3316)의 출력과 조합되고, 이어서 분리기(3323) 내에서 분리되고 포화 제한기(3325) 내에서 제한된다.

도33에 있어서, X축을 따른 방향 입력은 조이스틱의 변위에 비례하는 속도로 절대 좌표계에 대한 (이동 표면을 나타내는) X축을 따라 기준 좌표계를 이동시킨다. Y축을 따른 방향 입력은 상기 조이스틱의 변위에 비례하는 각속도로 Z축에 대해 기준 좌표계를 회전시킨다. 여기서는 양의 X축 방향으로 조이스틱을 이동시키는 것은 전방 이동을 의미하는 것으로 해석되고, 음의 X축 방향으로의 이동은 후방 이동을 의미하는 것을 알 수 있다. 유사하게는, 양의 Y 방향으로의 조이스틱의 이동은 좌회전, 즉 위에서 반시계 방향으로의 회전을 의미하고, 음의 Y 방향으로의 조이스틱의 이동은 위에서 보아 시계방향으로의 회전을 의미한다. 상기 조이스틱의 중립 위치를 넓히기 위해 방향 입력(Y 및 X)은 데드밴드 블록(deadband block; 3301, 3302)을 통한 소정의 데드밴드가 되고, 이어서 이득 K11, K10을 받아 기준 좌표계의 각가속도 및 선형 가속도를 각각 제한하는 제한기(3303, 3304)에 의해 등급 제한된다(ratelimited). 합산기(3305)를 통해 얻어진 이들 출력의 합산치는 기준 속도 _rref가 되고, 반면에 합산기(3306)를 통해 얻어진 이들 출력의 차이는 기준 속도 _lref가 된다. 이들 기준 속도는 합산기(3308, 3307) 내에서 기준 좌표계 내의 좌우측 휘일에 대한 속도 오차 신호(l,r)를 얻기 위해 좌우측 휘일에 대한 보상된 선형 속도 입력 신호(rwl, rwr)(이들 양에 대해서는 도35와 함께 이하의 설명을 참조.)로부터 감산된 것이다. 이어서, 합산기(3317)와 분리기(3318)를 통해 결정된 이들 신호의 평균은 선형 속도 오차 신호()를 발생시킨다. 변위 오차 신호 x는 적분기(3310, 3309) 내에서 rwl 및 rwr을 적분하고 포화 제한기(3312, 3311) 내의 결과를 제한하고 이어서 합산기(3313)와 분리기(3315)를 통해 그 출력을 평균함으로써 유도된다. 합산기(3314)를 통해 결정된 이들 변위들 사이의 차이는 요오 오차 신호 Ψ를 발생시킨다.

요오 오차 신호 Ψ는 표준의 비례 미적분(PID) 제어 루프(3316)를 통해 얻어지고, 그 출력은 차량이 전후방향 안정성을 유지하고 방향 입력(3300)에 의해 지시되는 바와 같은 기준 좌표계의 축과 자체적으로 정렬되거나 또는 그 원점을 따르게 하는 개별 휘일 토크 명령을 발생시키기 위해 합산기(3319)의 기본적인 평형 토크 명령의 출력과 조합된다.

도34는 클러스터 제어 설비의 개략도이다. 클러스터의 방위는 방향입력(3400)에 의해 제어될 수 있다. 필요하다면, 방향 입력(3300)을 휘일에 제공하기 위해 사용된 동일한 조이스틱이 클러스터의 방위를 특정하기 위한 방향 입력(3400)을 제공하기 위해 개별적인 모드로 작동되는 개별 스위치에 의해 스위칭될 수도 있다. 도33의 합산기(3306, 3305)를 통과하는 신호 경로와 유사한 방법으로, X 방향으로의 양의 변위를 발생시키는 조이스틱 신호가 부가되고 Y 방향으로의 양의 변위를 발생시키는 신호는 적분기(3404, 3403) 내에서 각각 적분된 후 좌우측의 합산기(3406, 3405)에 소정의 클러스터 각도 방위 정보를 각각 제공하는 좌우측의 클러스터 회전율 신호를 제공하기 위해 합산기(3402, 3401) 내에서 상호 감산된다.

방향 입력(3400)이 없다면, 통상 θ_PCref= π라디안(radian)이 되는 양호한 클러스터 방위는 [각각 적분기(3412, 3411)를 통해 좌우측의 클러스터 인코더의 클러스터 각도율 신호를 통과시킴으로써 유도되는] 실제의 클러스터 방위 θ_PCl및 θ_PCr을 나타내는 신호와 함께 도34의 라인(3413)을 통해 각 합산기(3406, 3405)로 제공된다. 따라서, 합산기(3406, 3405)의 출력은 각각 좌우측 클러스터에 대한 클러스터 위치 오차 신호이다. 이 신호는 좌우측 클러스터 모터를 구동하기 위해 PID 제어 루프(3408, 3407)와 포화 제한기(3410, 3409)를 통해 공급된다.

도35는 휘일 위치, 피치 및 피치율을 나타내는 상태 변수가 클러스터 회전 영향을 보상하도록 결정되는 설비를 도시하는 도33에 관계되는 개략도이다. 표2에 언급된 바와 같이, 피치각 θ는 차량의 질량 중심과 현재 평형되고 있는 휘일의 중심 사이의 실제 각도이다. 경사도계에 의해 측정된 각도 θ₁는 수직축에 대한 포스트의 각도이다. 실제 피치각 θ는 합산기(3518)에 의해 보정 신호 θ_Icorr가 감산된 θ_I에 근거한다. 신호 θ_Icorr는 합산기(3516) 내에서 θ_PC+ π - θ_C로서 계산된다. 신호 θ_PC는 좌우측 클러스터 인코더 출력을 적분기(3509) 내에서 적분함으로써 얻어지는 좌우측 포스트 및 클러스터 각도 θ_PCl및 θ_PCr의 평균으로서 결정되고, 상기 평균은 합산기(3511)와 분리기(3512)를 이용하여 얻어진다. 차량이 평형된 것으로 가정하면, θ_C는 아래 식을 이용하여 θ_PC로부터 유도된다. 이 계산은 단계 3515 내에서 수행된다. θ_Icorr은 합산기(3519)에 의해 공급된 피치율 신호I를 보정하기 위해 미분기(3517)에서 미분되어 보정된 출력을 발생시킨다.

유사하게는, 좌우측 휘일에 대한 좌우측 선형 속도 rwl 및 rwr은 유도된 좌우측 선형 위치 신호 rθ_wl및 rθ_wr를 미분기(3507, 3508)에 의해 미분함으로써 유도된다. 이어서, 위치 신호는 곱셈기(3505, 3504)의 이득 r을 좌우측 휘일의 결정된 절대 각위치 θ_Wl및 θ_Wr를 곱함으로써 유도된다. 각위치 θ_Wl및 θ_Wr는 θ_PWl및 θ_PWr를 얻기 위해 적분기(3501, 3502) 내에서 좌우측의 휘일 인코더 신호PWl 및PWr를 먼저 적분함으로써 결정된다. 이어서, 이들 신호는 합산기(3503, 3504) 내로 공급되고, 여기에서 합산기(3513)와 분리기(3514)로부터 유도된 θ_C와 1/2(θ_PC- π)를 가산함으로써 클러스터 회전의 영향을 보상하게 된다.

도36 및 도37은 도11 내지 도21의 실시예에 따른 차량이 계단을 올라갈 수 있게 하는 제1 실시예에 따라 계단을 올라가고 장애물을 이동할 수 있도록 도27의 제어 조립체와 함께 사용되기에 적절한 제어 알고리듬을 도시하는 블록 선도이다. 본 실시예에 있어서, 클러스터는 기댐 모드에 위치하게 되고, 이들은 도33에 도시된 바와 같이 휘일 회전에 의해 통상 평형되는 데에 사용되는 바와 같은 동일한 일반적인 방법으로 평형을 유지하도록 회전된다. 동일한 기본 방정식이 사용된다. 도36에 있어서, 합산기(3601)는 좌우측 클러스터를 구동하기 위해 많은 조립체 중에서 각각 이득 K1 및 K2를 통해 피치 θ 및 피치율를 제공하는 경사도계(3602)로부터 유도된 보정 신호를 제공한다. 좌우측 클러스터의 인코더 출력은 적분기(3603, 3604)에 의해 각각 적분되고 θ_PCl및 θ_PCr을 발생시키기 위해 제한기(3605, 3606)에 의해 각각 포화 제한되는 입력 _PCl및 _PCr을 제공한다. 합산기(3608)와 분리기(3610)를 통해 평균될 때 이들 값은 합산기(3601)에 대한 추가 입력으로서 이득 K3을 통해 제공되는 각변위 θ_PC를 초래한다. 합산기(3617,3618)를 통해 값 _PCl및 _PCr의 평균으로 결정된 속도 _PC는 이번에는 이득 K4를 통해 합산기(3601)에 대한 추가 입력이 된다. 합산기(3601)의 출력은 합산기(3611, 3612)와, 분리기(3613, 3614)와, 포화 제한기(3615, 3616)를 통해 각각 좌우측 클러스터 모터에 균일한 구동을 제공한다. 그러나 추가적으로, PID 제어 루프(3609)를 통한 비틀림 신호는 합산기(3611, 3612)를 통해 좌우측 클러스터 모터에 미분 구동을 제공한다. 비틀림 신호는 신호 θ_PCl및 θ_PCr를 상호 감산하기 위해 합산기(3607)를 이용함으로써 유도된다.

클러스터가 기댐 모드에 있을 때, 휘일은 종속(slave) 모드에 있고, 여기서 휘일은 클러스터 회전의 함수로 구동된다. 이는 도37에 도시되어 있으며, 여기서 도36으로부터 분리기(3610)의 출력으로서의 θ_PC는 PID 제어 루프(3705, 3704)와 포화 제한기(3707, 3706)를 통해 각각 좌우측 휘일 모터를 제어하기 위해 합산기(3703, 3702)에 공급되는 신호 θ_PWref를 발생시키도록 이득의 오름비 상수(단계 3701)에 의해 곱해진다. 도37 및 도34의 비교는 클러스터가 도34의 수직(π라디안) 입력(3413)에 종속하는 바와 동일한 방법으로 도37의 클러스터에 종속됨을 보여 주고 있다. 도37에 있어서, 합산기(3703, 3702)는 각각 2개의 다른 입력을 갖는다. 한 입력은 도34의 처리와 유사한 방법으로 합산기(3709, 3798)와 적분기(3711, 3710)를 통해 각각 입력 합산기(3703, 3702)로서 제공된 좌우측 제어 신호를 발생시키는 조이스틱으로부터의 방향 입력(3714)의 결과를 추적(track)하는것이다. 다른 입력은 휘일 회전의 영향을 추적하는 것이고, 따라서 적분기(3713, 3712)를 통해 좌우측 휘일 인코더 출력을 수행함으로써 얻어진 θ_PWl및 θ_PWr가 합산기(3703, 3702)에 의해 또한 감산된다.

기댐 모드의 사용은 장애물을 올라가는 효과적이고 안정된 방법이다. 올라가는 비율은 도37의 이득(단계 3701)용으로 선택된 배수에 의해 결정된다. 일단 결정되면(적절한 공간 센서를 이용하여 후속의 장애물 측정이 자동적으로 또는 수동적으로 결정되거나 또는 상태 변수 자체에 근거하여 전반적으로 또는 부분적으로 경험에 따라 결정되는 것이 선택될 수 있음.), 차량은 소정의 방향으로 사람이 기대거나 또는 차량이 기대게 함으로써 장애물을 극복할 수 있다. 클러스터는 휘일과 함께 장애물 위로 회전함과 동시에 평형을 유지하도록 회전한다. 차량이 장애물을 만나지 않는다면, 클러스터가 π라디안으로 종속되고 휘일이 평형을 유지하여 소정의 수송을 가능하게 하는 상태로 도33 및 도34의 평형 모드로 양호하게 작동될 수도 있다.

휘일 평형 모드 및 클러스터 기댐 모드 사이의 이전은 주의를 필요로 하는 일이다. 도38은 아이들, 기댐 및 평형 모드 사이에서 도33 내지 도37의 실시예를 이용하는 차량 상태의 블록 선도이다. 중요하게는, (θ_PC- π) mod (2π/3) = 0으로 결정될 때까지 단계 변화는 없게 된다. 이 순간, 질량 중심이 대략 지면 접촉 쌍의 위에 있어서 상기 조건은 명세서 및 청구의 범위 내에서 이후 "제로 크로싱(zero crossing)"으로 불린다. 제로 크로싱에서, 클러스터는 예컨대 도34의방법으로 θ_PC- π 위치로 종속되도록 하는 위치에 있게 된다. 블록 3801에서 개시된 후, 차량의 초기 상태는 "아이들 상태로"라는 단계 3802가 되고, 작동/아이들 스위치(RUN/IDLE switch)가 작동 위치로 이동할 때까지 "아이들" 단계 3803로 진입하여 머무르게 된다. 일단 이 위치에 있게 되면, 차량은 "아이들 상태로부터"라는 단계 3804로 진입한다. 각 클러스터에 대한 절대적인 기준이 없기 때문에, "아이들로부터"라는 단계 3804에서 수평 또는 평지에 있는 것으로 가정한다. 증분 인코더에 의해 결정된 클러스터의 모든 이동은 이 기준에 대한 것이다. 이때 또는 조금 나중에, 작동/아이들 스위치가 다시 아이들 위치로 이동한다면, 본 상태는 경로 3812를 지나 "아이들 상태로"라는 단계 3802로 복귀한다. 그렇지 않다면, 상태는 "대기"라는 단계 3805가 되어 상태가 "기댐 모드로"라는 단계 3806이 되는 θ = 0으로 결정될 때까지 그 단계에 머무르게 된다. "기댐 모드로"라는 단계는 "기댐 모드" 단계 3807로 이동하여 스위치가 이동되지 않는다면 그 단계에 머무르게 된다. 기댐/평형 스위치가 평형 위치에 있게 되고 클러스터가 제로 크로싱을 수행한다면, 상태는 "기댐 모드로부터"라는 단계 3808로, "평형 모드로"라는 단계 3809로, 최종적으로 "평형 모드"라는 단계 3810으로 연속적으로 이동한다. 기댐/평형 스위치가 기댐 위치로 이동한다면, 상태는 "평형 모드로부터"라는 단계 3811로부터 다시 "기댐 모드로"라는 단계 3806으로 이동한다.

대기 상태는 휘일 및 클러스터 모터의 원활한 개시를 허용한다. 이것이 없다면, 제어 루프는 경사도계로부터의 아주 큰 오차 신호를 보상하는 것을 즉시 시도하고자 한다. 제로 크로싱에서 개시됨으로써, 이것이 방지된다. 제로 크로싱에서의 특정 한계치 이하에 있도록를 모니터하고 이를 필요로 하는 추가 기술은 훨씬 원활한 시작을 제공한다.

도39, 도40, 도41, 도42는 도11 내지 도21의 실시예에 따른 차량이 제2 실시예에 의해 계단을 올라갈 수 있도록 하기 위한 제어 설비의 절차를 도시한다. 시작(start), 정지 각도 원점(reset angle origins), 전달 중량(transfer weight), 및 오름(climb)의 4개의 기본적인 작업 절차는 본 실시예와 관련된다. 많은 실시예 중에서 본 실시예는 도27의 제어 설비 내에서 편리하게 실시될 수 있다. 이러한 4개의 절차를 달성하기 위한 제어 알고리듬을 도시하는 블록 선도는 도43(시작), 도44(전달 중량), 도45(오름)에 도시되어 있다. (정지 각도 원점 절차에서는 어떠한 이동도 없으므로, 이런 절차를 위한 어떠한 제어 알고리듬도 도시되지 않는다.) 도39는 정지 절차에서의 클러스터의 방위를 도시한다. 이 절차에 있어서, 클러스터는 2개 휘일 상의 통상의 평형 위치(도39의 a)로부터 제1 쌍의 휘일(각 클러스터에서 하나씩)이 제1 계단에 있고 각 클러스터로부터 제2 쌍의 휘일이 다음 계단에 있는 위치(도39의 b에 도시됨.)로 이동한다. 도39 내지 도42와 관련하여 본 명세서에서 사용된 각도 치수는 상기의 표1에 주어진 공칭의 계단 및 클러스터 휘일 크기를 적용함으로써 얻어진 것이다. 도43에 도시된 시작 절차에 있어서, 클러스터 블록 4301에 대한 시간의 함수로서 θ_Cref를 입력하고, 상기 함수는 시작시로부터 최종시로 원활하게 변화한다. 선택적으로, θ_Cref의 입력은 유사한 방법으로 구비될 수도 있다. 여기서, θ_Cref의 입력은 sin^-1(Lsinθ_C/L)의 값을 계산하기 위해 프로세서 4302를 통해 수행된다. θ_Cref자체와 π와 함께 상기의 양은 θ_PCref= π - θ_Cref- sin^-1(Lsinθ_Cref/L)을 계산하고 상기 값을 θ_Cref의 입력으로서 클러스터 블록 4301에 제공하는 합산기(4303)에 입력으로서 제공된다. 클러스터 블록 4301은 θ_Cref가 더 이상 π로 고정되지 않으나 막 설명한 바와 같이 변한다는 점에서 도34에서와 같이 형상화된다. 평형 블록 4304는 도33과 같이 형상화되나, 조이스틱 이득 K10 및 K11이 0으로 설정된다. 합산기(4305)는 도35와 관련하여 전술한 바와 동일한 방법으로 경사도계의 피치 설정치에 대한 보상을 제공하고, 합산기(4305)의 출력은 도35와 관련하여 전술한 방법으로I의 보정치를 제공하기 위해 미분기(4306)에 의해 미분되며, 따라서 보정된 피치 입력 θ,는 휘일 평형 알고리듬 4304에 제공된다. 평형 블록에 대한 입력 rwl 및 rwr는 도35와 관련하여 전술한 바와 동일한 방법으로 또한 유도된다.

도40은 정지 각도 원점 절차에서의 클러스터의 방위를 도시한다. 본 단계에서, 상기 시스템은 상태 변수를 측정하기 위해 (표1 이후에 설명된 약속의 제2항에 언급된) "다리부"의 항등 함수(identity)를 하부 휘일에 관한 항등 함수로부터 후속 계단 상의 휘일과 관련된 항등 함수로 변경시킨다. 그 결과, 클러스터 내에는3개의 휘일이 있고 클러스터 중심 주위의 전체 각도 거리가 2π이므로, 본 단계는 2π/3 라디안을 θ_PC에 가산하고 θ_C로부터 2π/3 라디안을 감산한다. 본 단계에 관한 이동은 없다.

도41은 전달 중량 절차에서의 클러스터의 방위를 도시한다. 본 절차에 있어서, 차량 및 탑승자의 중량은 하부 계단 상의 휘일로부터 상부 계단 상의 휘일로 전달된다. 이는 계단 및 클러스터의 공지된 기하학적 형상에 근거한 이미 프로그램된 작동으로서 실시된다. θ_C의 값은 상기 절차 중에 변하지 않는다. θ_PC의 값은 차량의 질량 중심의 새로운 위치를 반영하기 위해 변화해야만 한다. 이런 결과를 달성하기 위해, 시간의 함수인 θ_PCref의 입력은 라인 3413을 통해 도34에 도시된 클러스터 블록과 도44의 휘일 블록에 제공된다. 상기 절차가 프로그램되어 있으므로, 도45의 오름 블록과 도33의 휘일 평형 블록은 작동되지 않는다. 도44에 있어서, θ_PCref입력은 분리기(441)를 통해 수행되고, 이어서 PID 제어 루프(445, 444)와 포화 제한기(447, 446)를 통해 좌우측의 모터 휘일에 각각 제어 신호를 전달하는 합산기(443, 442)에 제공된다. 합산기(443, 442)는 각각 적분기(448, 449)를 통해 좌우측 휘일 인코더로부터 각속도 정보를 수행함으로써 유도된 θ_PWl및 θ_PWr의 값을 또한 감산한다.

도42는 오름 절차 내의 클러스터의 작동을 도시한다. 본 절차에서, 차량의 휘일은 다음 계단 발판 상에 후속 평형 휘일을 위치시키도록 클러스터를 동시에 회전시키면서 후속 계단의 수직면(riser)을 향해 전방 방향으로 회전한다. 클러스터 회전 θ_C는 계단 발판 상의 휘일에 의해 이동된 거리에 비례한다. 본 절차에 있어서, 기준 위치 입력은 없다. 차량을 전방으로 이동시키기 위해 탑승자는 난간에 기대거나 당길 수 있다. 클러스터는 도45의 경로(451)를 통해 θ_W로부터 θ_C로 피드백되는 결과 자동적으로 회전한다. 오름 절차의 시작 중에, x는 0으로 설정된다. 본 절차 내의 제어 알고리듬은 θ_C또는 θ_PC를 모니터하고 이 각도가 최종치에 도달할 때 전달 중량 절차로 이동하는 것이 필요하다. 최종 계단에서, 도42의 c에 도시된 최종 각도에서 정지하는 대신에 상기 절차는 θ_C= 0 또는 θ_PC= π에서 종료해야 한다. 차량은 통상의 평형 모드로 복귀해야 한다. 평형 블록(453)과 클러스터 블록(452)은 각각 도33 및 도34와 관련하여 전술한 것이다. 평형 블록(453)에 대한 입력 θ,, rwl, rwr의 유도는 도43 및 도35와 관련하여 전술한 것이다. 사실상, 도45의 형상은 θ_Cref가 더 이상 독립적으로 변하지 않으나 대신에 합산기(454)와 분리기(455)를 통해 θ_Wl및 θ_Wr의 평균을 취함으로써 유도되는 θ_W가 된다는 미세한 차이를 제외하고는 도43의 형상과 거의 동일하다. 그러므로, 라인(451)을 통한 θW의 값은 하기의 양을 결정하기 위한 프로세서(456)를 통해 수행되고, 상기 양은 계단 형상에 대한 휘일 회전에 대해 보정된 클러스터 회전량을 얻게 하고 초기값 θ_C, 즉 θ_Cst와 함께 합산기(457)에 대한 입력으로서 제공된다.합산기(457)의 출력은 θ_Cref이다.

비록 도33 내지 도45가 아날로그 제어 알고리듬을 도시하고 있으나, 디지털 제어가 프로그램된 마이크로프로세서를 사용하는 다수의 실시예에서 실시되었다. 그러나, 아날로그 및 디지털 제어의 복합뿐만 아니라 직접 아날로그 제어를 이용하는 것은 전적으로 본 발명의 범위에 속한다. 아날로그 제어는 예컨대 클러스터 대신에 횡치된 한 쌍의 휘일을 이용하는 도21의 차량의 실시예에서 성공적으로 실시되었다.

속도 제한

추가 실시예에 있어서, 본 발명에 의한 차량에 대한 전술한 임의의 실시예는 휘일(또는 호형 요소)이 현재 구동될 수 있는 최대 속도에 도달될 수 있다면 달리 상실될 수도 있는 평형 및 제어를 유지하기 위해 속도 제한이 될 수도 있다.

속도 제한은 현재의 이동 방향과 반대 방향, 즉 차량을 감속할 수 있는 방향으로 다시 차량을 피칭(pitch)함으로써 달성된다. 본 실시예에서, 차량은 경사도계 피치값에 피치 보정치를 부가함으로써 다시 피치된다. 차량의 속도가 차량의 소정의 속도 제한치가 되는 한계치를 초과할 때마다 속도 제한이 발생한다. 피치 보정은 차량 속도와 소정의 속도 제한치 사이의 차이를 조사함으로써 결정되고, 시간에 따라 적분된다. 상기의 피치 보정 절차는 소정의 감속 속도(속도 제한치보다다소 낮은 임의의 속도)로 감속될 때까지 유지되고, 이어서 피치각은 최초 값으로 원활하게 복귀된다.

차량의 속도 제한을 결정하는 한 방법은 차량이 현재 유지할 수 있는 최대 속도를 평가하는 데에 사용되는 배터리 전압을 모니터하는 것이다. 다른 방법은 배터리와 모터의 전압을 측정하여 이들 사이의 차이를 모니터하는 것이며, 그 차이는 차량에 현재 허용가능한 속도 여분의 양에 대한 평가치가 된다.

계단을 올라가는 경우의 센서의 사용

이상에서 도37과 관련하여 설명한 바와 같이, 계단을 올라가고 장애물을 넘는 것은 기댐 모드를 이용하여 수행될 수도 있으며, 오름 비율은 수동 또는 자동적으로 선택될 수도 있다. 본 섹션은 오름 비율의 자동 조절을 달성하기 위해 후속 실시예에서 센서들이 어떻게 사용되는 지를 설명한다. 기댐 모드에 있어서, 클러스터는 "마스터(master)"이고 휘일은 "슬레이브(slave)"이다. 오름 비율은 클러스터 회전과 휘일 회전 사이의 비율로 표시된다. 예컨대,

i) 오름 비율이 0이라는 것은 클러스터가 이동할 때 휘일이 움직이지 않는다는 것을 의미한다.

ii) 오름 비율이 0.25라는 것은 각각의 클러스터 회전에 대해 휘일이 클러스터와 동일 방향으로 1/4 회전하게 한다는 것을 의미한다.

iii) 오름 비율이 -0.5라는 것은 각각의 클러스터 회전에 대해 휘일이 클러스터와 반대 방향으로 1/2 회전하게 한다는 것을 의미한다.

도46 및 도47에 참조하면, 탑승자를 지지하기 위한 의자(461)와 같은 설비를갖는 차량이 도시된다. 의자(461)는 각각 모터 구동되고 다수의(여기서는 3개의) 휘일을 각각 갖는 한 쌍의 클러스터(462) 형태의 지면 접촉 모듈과 결합된다. 각 클러스터의 휘일 세트 역시 모터 구동된다. 클러스터(462)는 본 경우에 클러스터 모터가 내장될 수도 있는 튜브에 의해 연결된다. 클러스터(462)는 의자(461)를 구비한 조립체의 일부이며, 이는 각각의 허벅지 및 종아리 연결부(466, 464)와 모터 구동되는 엉덩이 및 무릎 조인트(467, 465)를 통해 클러스터 튜브에 장착된다. 엉덩이, 무릎 및 클러스터 구동원은 시트(461)의 높이 변경을 수행하기 위해 정확히 기능한다. 클러스터에 대해 종아리를 회전시킬 때 클러스터 구동원은 본 경우에 발목으로서 작용한다는 것을 알아야 한다. 클러스터의 자세는 평형 알고리듬에 의해 유지된다. 본 실시예에 의한 차량은 센서(A)를 구비하며, 센서는 경로(468)를 따라 전방을 주시하며, 오르게 될 층계(460)의 제2 계단의 수직면을 감지하도록 지면으로부터 충분히 위쪽에 떨어진 클러스터 튜브 바로 위에 장착된다. [커브(curb)가 올라가게 되면, 수직면은 감지되지 않는다는 것을 알아야 한다.] 센서(A)는 계단을 올라갈 때에만 사용된다. 본 실시예의 차량은 경로(469)를 따라 하향 방향을 주시하고 클러스터 튜브에 장착되는 센서(B)를 구비한다. 이는 그 면으로부터 지면 아래 쪽으로의 거리를 감지한다. 계단의 발판을 오를 수 있는 지를 감지하도록 지면 위로 충분히 높이 상기 튜브의 전방에 위치된다. 센서(A, B)는 거리를 감지하기 위한 초음파를 포함하는 종래 기술의 임의의 형태일 수도 있다.

도47에 도시된 바와 같이, 차량이 내려갈 때 센서(B)는 높이 변화를 검출함으로써 본 장치가 현재 위치하고 있는 계단의 끝을 감지한다. 센서(C)는의자(461)의 발판에 장착되고, 경로(471)를 따라 하향 방향을 주시한다. 이는 그 표면으로부터 지면 아래로의 거리를 감지한다. 이 센서는 계단을 내려갈 때에만 사용된다. 이는 계단을 내려가기 위해 준비할 때 이전 계단의 모서리를 보기 위해 지면으로부터 충분히 높이 그리고 클러스터 튜브로부터 충분히 전방에 위치된다.

본 실시예에 있어서, 계단을 올라가기 위해서 차량의 운전자는 평형 모드 중에 운전자 인터페이스를 통해 "상승" 명령을 발한다. 시트는 최고 높이로 자동적으로 상승되어 운전자의 발부가 운전자 전방의 계단에 걸리지 않게 한다. 이어서, 차량은 계단을 향해 구동된다. 센서(B)가 (센서로부터 지면까지의 거리 변화로서) 계단을 감지할 때, 차량은 기댐 모드로 진입하게 되어 제1 계단 상으로 (하부 계단 상에 2개의 휘일이 제1 계단에 역시 2개의 휘일이 있도록) "낙하"하게 한다. 차량이 기댐 모드로 되면, 무게 중심(CG)은 자동적으로 전방으로 이동한다. 이러한 이동은 운전자가 전방으로 기대는 것을 보다 용이하게 한다. 운전자가 전방으로 기댐으로써 피치 오차가 발생한다. 그 결과, 클러스터 평형 알고리듬이 토크를 클러스터 모터에 인가한다. 이러한 토크는 클러스터를 회전시켜 본 장치가 계단을 올라가게 한다.

2개의 계단 상의 4개의 휘일로부터 1개의 계단 상의 2개의 휘일로의 변환이 이루어지는 때에 오름 비율을 동역학적으로 조절하기 위한 알고리듬이 사용된다. 적절한 시기는 센서에 의해서가 아니라 하기의 정보가 참(true)이라는 것을 조사함으로써 결정된다.

i) 차량이 계단을 올라감을 전달 받음.

ii) 이동이 수행됨.

iii) 클러스터가 최종 오름 비율 조절 이후 2π/3 회전함.

iv) 클러스터 위치가 특정 윈도우(window) 이내임.

v) 클러스터 토크 명령이 특정 한계치 이하이고, 상기 명령의 미분치가 (휘일이 계단 상으로 내려서도록 하는 것에 대응되는) 음의 값임.

vi) 클러스터 토크 명령이 특정 한계치 이상이고, 상기 명령의 미분치가 (휘일을 계단으로부터 올리는 것에 대응되는) 양의 값임.

상기의 적절한 경우에, 알고리듬은 후속 계단까지의 거리와, 후속 계단에 도달하는 데에 클러스터의 2π/3 회전이 소요된다는 사실과, 오름 비율을 계산하는 휘일 반경을 결정하기 위해 센서(A)를 이용한다. 센서(A)가 범위 밖의 값(수직면이 없고 착지할 준비가 됨) 또는 특정 한계치를 초과하는 거리(수직면까지 너무 멀어서 먼저 평형 모드로 복귀해야 함)를 판독한다면, 이는 최종 계단이 되어서 제어는 최종 계단 절차로 가야 한다는 것을 알아야 한다. 이 절차는 최종 계단이 될 때까지 각각의 연속 계단에 대해 반복된다.

최종 계단에서, 무게 중심(CG)은 다시 중앙으로 이동하고, 높이는 감소된다. 이는 최종 계단에서 기대는 것을 어렵게 하지만, 착지 후 차량을 보다 안정하게 한다. 평형 모드로의 변환을 위해 차량을 착지면(landing)으로 보다 잘 밀게 큰 오름 비율이 선택된다. 운전자는 다시 전방으로 기대게 된다. (도35와 관련하여 정의된) 제로 크로싱이 발생된다는 것이 판단되면, 차량은 평형 모드로 절환된다. 휘일을 이용하여 상부 착지면 상에서 이제 평형된다.

계단을 내려가는 것은 올라가는 것과 유사한 방법으로 취급된다. 운전자는 평형 모드 중에 운전자 인터페이스를 통해 "하강" 명령을 발한다. 시트는 (이미 최소 높이에 있지 않다면) 최소 높이로 자동적으로 하강한다. 이는 주요하게는 운전자의 안정감을 증가시킨다. 센서(C)는 휘일의 전방으로부터 멀어져서, 평형 모드 중에 계단의 모서리에 너무 인접할 필요가 없다. 기댐 모드가 시작될 때 차량은 상기 모서리로부터 아주 멀기 때문에, 오름 비율은 아주 높은 값으로 조절된다. 이는 일단 기댐 모드가 개시되면 차량이 상기 계단의 모서리에 도달할 수 있게 한다. 센서(C)가 계단(지면까지의 높이 변화로서)을 감지하면, 차량은 기댐 모드로 들어간다. 기댐 모드에 있게 되면, 무게 중심(CG)은 후방으로 이동한다. 이는 운전자가 하강을 제어하기 위해 뒤로 기대는 것을 보다 용이하게 한다. 계단을 내려가기 위해, 운전자는 먼저 피치 오차를 발생시키도록 전방으로 기대어 차량이 계단을 내려가게 한다. 회전을 통해 거의 중간쯤 왔을 때, 운전자는 후속 계단 상으로의 하강을 다소 감속시키도록 뒤로 기대어야 한다. 오름 비율은 휘일이 현재 위치하는 계단의 끝부분을 감지하기 위해 하향 주시 센서(B)를 이용함으로써 조절된다. 모서리가 감지되지 않을 때(클러스터 명령 신호가 양수이고, 오름 비율이 음수 또는 공칭이고, 센서 B가 특정 한계치 이하임), 오름 비율은 큰 양의 값으로 조절된다. 큰 양의 오름 비율은 차량의 상대적으로 신속한 롤링을 일으켜서, 곧 차량은 현재 계단의 모서리에 닿게 된다. 그러나, 큰 양의 오름 비율을 가능하게 하는 이러한 작용은 차량이 상기 모서리에 너무 인접하게 되면 무시될 수 있다.

i) 오름 비율은 센서(B)가 모서리를 감지할 때(거리가 특정 한계치보다 크고오름 비율이 양수), 공칭의 양수로 설정된다. 일단 설정되면, 차량을 적절한 위치로 있게 하는 것이 충분하게 된다.

ii) 오름 비율은 차량이 상기 모서리에 너무 인접한 것(클러스터 명령 신호가 양수이고, 오름 비율이 음수 또는 공칭이고, 센서 B가 특정 한계치 이상임)으로 판정되면, 오름 비율은 작은 음의 값으로 조절된다. 음의 오름 비율은 클러스터가 회전함에 따라 휘일을 후방으로 굴러가게 하여 현재의 계단에서 차량이 안전하게 한다.

하강 형태는 각 계단에서 반복된다. 차량이 계단의 하부의 착지면에 도달하게 되면, 양 센서(B, C)는 더 이상 계단을 감지하지 않는다(센서 눈금이 특정 한계치 이하). 이러한 경우, 차량은 평형 모드로 변환된다.

모드 변환

도46 및 도47의 차량의 기댐 모드 및 평형 모드 사이의 변환이 도38과 관련하여 전술된 바와 같이 조절될 수 있다 하더라도, 본 발명에 의한 차량의 추가 실시예에서 모드들 사이의 변환은 보다 능동적이고 연속적으로 조절된다. 본 실시예는 시트(461)와 조인트(467)의 높이, 특히 시트(461)의 경사를 제어하기 위해 조인트(465, 467)를 이용한다. 기댐 모드에 있어서, 차량은 계단을 오르거나 장애물을 넘기 위해 지면 상에 4개(각 클러스터에서 지면 상에 2개)의 휘일을 갖는다. 클러스터 모터 출력은 경사도계의 피치 및 피치율과 클러스터 인코더의 속도에 의해 조절된다. 평형 모드로의 변환은 기댐/평형 스위치가 눌러질 때 발생된다.

평형 모드로의 변환시에, 무게 중심은 각 클러스터의 전방 지면 접촉 휘일위로 이동한다. 이를 달성하기 위해, 경사도계 눈금에 부가되는 오프셋(offset)을 점진적으로 증가시킴으로써 인위적인 피치 오차가 발생된다. 인위적인 피치 오차는 클러스터 평형 알고리듬이 토크를 클러스터 모터에 인가하게 하여 클러스터가 회전하게 한다. 이 토크는 시트를 전방으로 피치시켜서 인위적인 피치 오차에 비례하여 상기 시트를 전방 휘일 위로 이동시킨다. [동시에, 동일한 오프셋이 시트 경사 방향으로 도46의 조인트(467)에 의해 결정되는 신규한 소정 위치를 명령하는 데에 사용될 수 있어서 시트를 수평으로 유지시킨다.]

클러스터 위치가 (무게 중심 CG 이동량에 따라 변할 수도 있는) 소정의 클러스터 변환 각도보다 크게 될 때, 클러스터의 변환 속도는 상기 클러스터가 현재 이동하고 있는 속도로 초기화되어 평형 모드에 진입하게 된다.

평형 모드로 진입하는 때에, 클러스터는 단지 부분적으로 회전되어 후방 쌍의 휘일은 통상 대략 2 내지 5 cm만큼 지면 위에 있다. 평형 모드에 진입할 때, 각 클러스터는 (표1 이후의 제2항에서 정의된 바와 같이) "다리부"와 (역시 제2항에 정의된 바와 같이) "포스트"가 도46에서와 같이 수직하게 있을 때까지 현재의 위치로부터 회전하여야만 한다. 이는 클러스터를 소정의 속도로 조절함으로써 달성되고, 클러스터의 초기 변환 속도로부터 점진적으로 조절된다. 이러한 방법으로, 클러스터 목표 위치에 도달하게 될 때까지 평형 모드의 시작점으로 클러스터가 원활하게 연속적으로 회전한다. 이러한 클러스터의 회전 중에, 인위적인 피치 오차는 감소되어 경사도계 판독으로부터 완전히 전적으로 제거될 때까지 지면 접촉 요소의 위로 무게 중심 CG을 유지한다. 만일 이것이 수행되지 않는다면, 인위적인피치 오차로 인해 본 장치는 (평형 모드 내로) 변환된다.

클러스터 위치는 시트 경사를 명령하는 데에 사용될 수도 있어서 시트 포스트가 후방으로 이동함에 따라 시트를 평평하게 유지할 수 있다. 일단 클러스터 다리부 및 포스트가 수직 상태에 있고(클러스터가 회전을 정지함) 상기 시트가 수평으로 되면, 기댐 모드로부터 평형 모드로의 변환은 종료한다.

차량이 평형 모드에 있을 때 기댐/평형 스위치가 눌러진다면, 기댐 모드로의 변환이 시작된다. 소정의 클러스터 위치는 (클러스터 다리부 및 포스트가 수직 상태인) 초기 위치로부터 (전방 휘일 쌍이 지면 위로 소정의 거리에 있는) 소정의 최종 위치로 점진적으로 변화한다. 동시에, 인위적인 피치 오차는 무게 중심 CG을 평형 휘일 위로 유지시키도록 도입된다. 또한, 클러스터 위치는 시트 경사를 명령하는 데에 사용될 수도 있어서 시트 포스트가 후방으로 이동함에 따라 시트를 수평으로 유지할 수 있다.

제2 쌍의 휘일이 지면 위의 소정의 거리 내에 있는 위치로 상기 클러스터가 회전하게 되면, 기댐 모드가 개시되어 본 장치는 4개의 휘일 상으로 낙하하게 된다. 차량이 기댐 모드에 있을 때, 클러스터를 후방으로 피치되게 하고 시트를 전방으로 경사지게 하는 인위적인 피치 오차는 신속하지만 원활하게 제거된다. 그 결과, 인가된 클러스터 토크는 클러스터 포스트가 수직 위치로 전방 회전하게 한다. 동시에, 상기 토크는 시트를 수평으로 유지하기 위해 경사진 시트에 인가된다. 클러스터 포스트가 수직 상태에 있고 시트가 수평으로 있다면, 평형 모드로부터 기댐 모드로의 변환은 종료한다.

정현파 구동원을 이용하는 형상

본 발명의 추가 실시예에 있어서, 도46 및 도47의 실시예는 도9 내지 도12와 유사하게 정현파 구동원을 이용하는 형상으로 기계적으로 구현되었다. 상기 형상은 도48 내지 도52에 도시된다.

도48은 본 실시예에 의한 차량의 전체적인 기계적 배치를 도시하는 전방 부분 단면도이다. 본 도면에는 많은 부품 중에서 시트 프레임(481), 엉덩이 조립체(482), 허벅지 연결부(483), 무릎 조립체(484), 종아리 연결부(486) 및 휘일(485)이 도시되어 있다.

도49는 차량의 클러스터 부분의 기계적 상세부를 도시하는 도48의 일부분의 확대도이다. 좌우측의 휘일 모터(4913)는 좌우측 휘일(485)을 각각 구동하고, 임의의 측면 상의 휘일은 동기되어 동력을 받는다. 상기 휘일들은 2단계 감속으로 구동된다. 제1 단계에서, 모터(4913)는 휘일 구동 풀리(496)를 회전시켜 타이밍 벨트(495)를 이동시킨다. 제2 단계에서, 휘일 구동축(4912)을 구동하기 위해 각 휘일에 하나씩의 헤링본 기어(herringbone gear)의 3개의 세트(4911)가 사용된다. 휘일 구동 풀리에 결합되지 않은 각 모터(4913)의 측면은 축 인코더(4914)에 결합된다. 본 실시예의 양 클러스터는 3단계 감속에 의해 동일한 모터(4924)에 의해 구동된다. 제1 단계에서, 모터(4924)는 클러스터 구동 풀리(4921)를 회전시킨다. 풀리(4921)는 타이밍 벨트를 움직이게 한다. 타이밍 벨트는 도50에 부품(501)으로서 가장 잘 도시되고, 이는 클러스터 구동 설비의 상세부를 도시한다. 타이밍 벨트(501)는 제1 기어(502)와 제2 기어(4922)를 포함하는 제2 단계의 헬리컬 기어를구동한다. 제2 기어(4922)는 각 클러스터에서 헬리컬 기어의 최종 세트(494)를 구동하는 한 쌍의 중간축(493)을 구동한다. 클러스터 구동 풀리(4921)에 결합되지 않은 클러스터 모터(4924)의 측면은 축 인코더(4925)에 결합된다. 클러스터 구동 풀리(4921)를 회전시키는 축의 먼 측면은 차량이 평형 모드에 있거나 또는 정지하고 있을 때의 위치로 클러스터를 잠그는 데에 사용될 수도 있는 클러스터 제동 조립체(4926)에 결합된다. 2개의 휘일 모터(4913)와 클러스터 모터(4924)의 하우징은 클러스터 조립체를 결합하는 구조체를 제공하는 튜브를 형성하기 위해 상호 볼트 결합된다. 종아리(486)는 상기 구조체에 견고히 부착된다.

도51은 클러스터의 단부를 도시한다. 도49의 하나의 타이밍 벨트(495)는 클러스터의 중앙에서 휘일 구동 풀리(496)에 의해 구동된다. 타이밍 벨트(495)는 2개의 다리부의 각각에서 큰 풀리(511)를 구동한다. 이들 큰 풀리(511)는 휘일(485)을 구동하는 출력 기어(513)와 피니언 기어(512)를 포함하는 기어 세트를 구동한다. 4개의 아이들러 풀리(514)는 벨트(495)가 클러스터 하우징(515)과 간섭하는 것을 방지하고, 또 구동 풀리 주위로 최대 랩 각도(wrap angle)를 제공한다.

도52는 엉덩이 및 무릎 조인트의 기계적 상세부를 도시한다. 스테이터(5212)에 의해 작용하는 모터 자석 로터(5211)는 베어링(522, 5272) 내에 장착된 축(5213)을 회전시킨다. 축(5213)은 대략 타원형 부품이고 베어링(5272) 내에서 회전하는 파형 발생기(wave generator; 5271)를 회전시킨다. 파형 발생기(5271)는 정현파 구동 컵(cup; 5262)이 그 치를 정현파 구동 스플라인(5261)과 증분적으로 결합 및 해제되게 한다. 이러한 공정은 허벅지(483)가 아주 큰 감속비로 종아리(486) 또는 시트 프레임(481)에 대해 이동하게 한다. 전자석(5281)과 제동 패드(5282)를 갖는 전자기 동력식 제동은 조인트가 회전하는 것을 방지하기 위해 파형 발생기(5271)에 인가될 수 있다. 이는 상기 제동기가 가동되지 않을 때 상기 모터가 꺼질 수 있게 한다. 전위차계(524)는 (도시되지 않은) 인코더가 위치(523)에서 모터 축에 고정되어 증분적 위치 정보를 제공하면서 절대적인 위치 피드백(feedback)을 제공하도록 기어열(5241)을 통해 정현파 구동 컵(5262)에 기어 연결된다.

다중 프로세서

도27의 실시예가 하나의 마이크로제어기 보드(272)의 용법을 도시하고 있으나, 병렬 작동하는 다수의 마이크로프로세서를 이용하는 것이 몇몇 실시예에서는 효과적인 것을 알았다. 추가 실시예에 있어서, 예컨대 도48 내지 도52와 관련하여 설명된 기계적 설계에 적용하도록 병렬 작동하는 4개의 상이한 마이크로프로세서가 사용되며, 상기 프로세서의 각 포스트는 통신 버스로 신호를 전송하여 상기 마이크로프로세서가 상호 모니터할 수 있게 한다. 작업자가 이득을 변경하고 상기 프로세서를 재프로그램 하는 등의 작업을 가능하게 하는 기술자용 인터페이스(TI)가 또한 구비된다. 4개의 상이한 마이크로프로세서는 시스템의 다음과 같은 다양한 구성 요소를 제어한다. 즉, 마이크로프로세서 1은 버튼과, 무릎 및 엉덩이와, 조이스틱(x축, y축)을 제어하고, 마이크로프로세서 2는 거리 측정, (탑승자의) 존재 확인, 배터리 검사, 및 사용자 인터페이스를 제어하고(즉, 차량의 모드를 제어하고), 마이크로프로세서 3은 클러스터 평형 알고리듬을 제어하고, 마이크로프로세서 4는휘일 평형 알고리듬을 제어한다. 바람직하게는 거리 측정 및 기타 명령 발생의 복잡성에 따라 추가 프로세서가 사용될 수도 있다. 이는 반드시 다수의 프로세서로 제한되는 것은 아니다.

본 실시예에 의해 구현된 병렬 처리의 장점은 안전성(상기 마이크로프로세서가 독립적으로 작동하여 한 마이크로프로세서의 고장이 모든 시스템의 고장을 의미하는 것이 아님)과, 보다 용이하게 잉여 시스템을 개발할 수 있는 성능과, 동력 요구치의 감소(함께 존재하면 PC 만큼 덜 효과적인 마이크로프로세서의 다수)와, 동시 작동(다수의 느린 마이크로프로세서가 PC와 동일한 처리 속도로 작동될 수 있음)이다.

추가 실시예

본 발명은 다수의 추가 실시예를 실시할 수도 있다. 본 발명에 의한 차량은 평형을 유지하고 이동하는 능력에 있어서 (파킨슨씨 병 또는 귀병과 같은) 질병 또는 결함을 겪는 장애인용의 보조 장치(prosthetic device)로서 적절히 작용할 수도 있다는 것을 알았다. 상기 차량이 차량에 대한 사람의 이동에 기여할 수 있는 차량 무게 중심의 변화를 고려하는 피드백 루프를 가지므로, 본 차량에 의해 달성된 보조 장치는 사람 자신의 평형계 또는 운동계의 연장으로서 기능한다. 따라서, 이러한 장애인에게 차량을 제공하는 것은 이들을 이용할 수 없을 때에 이동 및 평형 제어를 가능하게 하는 보조구를 설비하게 하는 방법이다. 본 발명의 실시예에 따른 차량을 이용하는 파킨슨씨 병을 앓는 사람에게 평형 및 이동 제어 능력을 극적으로 복원시켜 주는 것을 알 수 있었다.

다양한 조건을 극복하여 이동할 수 있게 하는 본 발명의 차량에 대한 다양한 실시예를 이용함에 있어서 탑승자에 의한 복잡한 참여가 필요하므로, 방위 및 변위에 대한 가시적인 정보가 이들 실시예를 이용함에 있어서 또한 일반적인 경우에 아주 중요하게 된다는 것은 놀랄 만한 것은 아니다. 더욱이, 가시적인 정보가 (어둠 또는 장애로 인해) 손상되거나 또는 불충분한 상황도 있을 수 있다. 본 발명의 추가 실시예에 있어서, 차량은 방위 또는 방향 및 속도를 지시하기 위해 하나 또는 그 이상의 비가시적인 출력을 구비한다. 예컨대, 이러한 출력은 촉감 또는 음성일 수도 있으며, 그 출력은 차량의 속도 및 방위를 반영하기 위해 변조기(modulator)에 의해 변조된다. 예컨대, 도53에는 발생기(531)에 의해 발생되고 각각 방위 및 속도 입력(533, 534)을 갖는 변조기(532)에 의해 변조되는 음성 출력의 경우가 도시되어 있다. 이 경우에, 반복 음조가 사용될 수도 있다. 즉, 상기 음조의 반복 비율은 속도를 지시하는 데에 사용되고, 상기 음조의 고저(또는 피치; pitch)는 이동 방향 및 방위(예컨대, 높은 소리는 전방 이동, 낮은 소리는 후방 이동, 중간 소리는 직립을 나타냄)와 기댐 정도를 나타내는 피치 변화 정도, 즉 차량 피치 각도를 지시하는 데에 사용될 수 있다. (효과면에서, 소리의 피치는 차량의 피치와 동일하다.)

본 발명에 따르면 사람에 의해 작동되고, 속도 및 방위에 의한 차량용 지시 시스템이 제공됩니다.

Claims

사람에 의해 작동되고, 속도 및 방위에 의한 차량용 지시 시스템에 있어서,

a. 펄스 시퀀스, 피치 및 반복율을 갖는 비가시적인 출력을 발생시키는 수단과,

b. 피치와 반복율 중의 하나를 속도에 따라 그리고 다른 하나를 방위에 따라 변조시키는 변조기

를 포함하는 것을 특징으로 하는 지시 시스템.
제1항에 있어서, 상기 비가시적인 출력은 촉지 가능한 진동을 포함하는 것을 특징으로 하는 지시 시스템.
제1항에 있어서, 상기 비가시적인 출력은 음향을 포함하는 것을 특징으로 하는 지시 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 차량이

a. 사람을 지지하는 지지부와,

b. 지지부에 결합되고, 그 방위가 전후 방향 및 측방향 평면을 형성하며, 지지부와 함께 조립체의 구성 요소가 되는 지면 접촉 모듈과,

c. 상기 조립체에 결합되고, 상기 표면 위에서 상기 조립체 및 사람을 이동시키는 모터식 구동 배열체와,

d. 상기 모터식 구동 배열체의 배열체에 의해 전후방향 평면 내에서의 안정성을 동역학적으로 향상시키도록 상기 모터식 구동 배열체를 구비하는 제어 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 지시 시스템.
제4항에 있어서, 상기 지면 접촉 모듈은 서로에 대해 측방향으로 배치된 한 쌍의 지면 접촉 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 지시 시스템.
제5항에 있어서, 상기 각각의 지면 접촉 부재는 지면과 접촉하는 휘일 클러스터를 포함하며, 상기 각각의 클러스터는 측방향으로 배치된 중심 축을 중심으로 회전 가능하게 장착되어 모터 구동되며, 상기 각각의 클러스터 내의 휘일의 각각은 중심 축에 평행한 축을 중심으로 회전 가능하게 장착되며, 상기 휘일은 클러스터와 독립적으로 모터 구동될 수 있는 것을 특징으로 하는 지시 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 피치는 방위에 따라 변조되고, 상기 반복율은 속도에 따라 변조되는 것을 특징으로 하는 지시 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 변조기는 피치와 반복율 중의 하나를 속도에 따라 그리고 다른 하나를 방위의 연속 함수로서 변조시키는 것을 특징으로 하는지시 시스템.
제8항에 있어서, 상기 피치는 속도에 따른 반복율과 방위의 연속 함수로서 변조되는 것을 특징으로 하는 지시 시스템.