TW470641B - System and method for stair climbing in a cluster-wheel vehicle - Google Patents

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Description

470641 A7 五、發明說明（ 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 本案主張藉著參考而結合於此的1999年3月15日申請 的美國臨時中請案錢第6G/124, 403號 的優先權。 技術領 1 本發明相關於用來控制配備有一或多個輪子或其他地 面接觸構件的個人車_馳態及勒的方法。 發明tj： 、個人車·輛（例如由殘障人士所使用者）可從主動地穩 ，於兩後或左右平面中的—或多個平面而受益。美國專利 7〇1，965號（藉著參考而結合於此，並且此處稱為「，965 利」）巾敘述-種平衡車滅操作。不論車輛是否可自 β推進’車輛疋由車輛的乘坐者或由助手引導，以及車輛 、平衡模式操作，個人車輛可有利地被穩定。此種車 可=採用補充習知技術所述者的控制模式之下更有效率 、蛋私安王地操作。個人車_在此敘述巾可刻地被稱為「 運輸器」。 定律較佳實關’在車輛㈣子及叢集控制 所需的^^條件’使得綠者藉著重心、驗置來控制車輛 手幫助下上t幅減少。如此，大部份的乘坐者可在不由助 乘坐者費相1 =梯。參考前及後角度的條件的加入容許 者費相虽小的力即可使車輛在前及後角度之間傾斜， -3- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線！ 參紙張尺度剌爾家標準
B9140A 297公釐） 470841
因為俯仰角增益可被設定於小的值，而同時大的增益可與 前及後角度-起使用來在階梯攸升期間維持叢集的迅速旋 轉。前及後角度在整個階梯爬升過程中被更新，因而容許 乘坐者以非常小的努力即可改變車輛的CG (重心）位置°。 5 根據本發明的實施例，提供輪子控制定律，其反映叢 集控制定律，因為前及後角度被加入至輪子控制定律。輪 子控制定律與叢集控制定律稍微不同，以確保在階梯爬^ 期間，輪子只可於向後的方向移動。另外，阻尼條件包含 在輪子控制定律中，其根據輪子的方向改變，並且具有加 10速輪子於升高者而於向前的方向將輪子減速的作用。此變 化改變車輛在頂部或底部階梯處的行為，並且在階梯爬升 的開始及結束處提供較安全的轉移。 · 根據本發明的另外實施例，提供一種制動俯仰角控制 演算法。此為在階梯爬升期間監控叢集及輪子馬達溫度訪 15安全特徵。如果叢集或輪子馬達在部份階梯爬升期間過熱 及故障，則車輛可能摔落。如果溫度超過預設值，則制動 俯仰角控制器關閉馬達放大器，並且藉著調變叢集制動器 來控制運動。控制器將車輛放置成四個輪子全部在階梯上 的組態，因而將車輛放置成相對於重力靜態穩定的組態， 2〇並且避免乘坐者繼續在階梯模式中。演算法持續監控馬達 /見度，並且如果馬達充分冷卻，則重新開始階梯模式，以 容許乘坐者從階梯離去。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑽χ Μ?公爱〉---*- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 訂---------線！.----------------------- 470641 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 圖式簡要敘诚 藉著參考連同所附圖式的以下敘述可更易於暸解本 發明，其中： 圖、1為具有可有利地採用本發明的實施例的型式的習 5知技術個人車輛的側視圖； 圖2a至2d顯示階梯上/下循環的相位； 圖3顯示本發明的子模式的示意方塊圖； 圖4顯亦本發明的前與後角度之間的關係； 圖5a至5h顯示於—整個階梯爬升循環的前及後角度 10 ; 圖6提供根據’本發明的實施例的前及後角度的規格中 所用的函數的圖；且 圖7顯示制動俯仰角控制器的示意方塊圖。 —根據本發_較佳實補’被設計用來增進可操縱性 及女王性的個人車輛包含一或多個輪子叢集，而叢集及每 一叢集中的輪子均可互相獨立地被馬達驅動。 參考圖1 ’圖中顯示平衡車輛的側視圖，例如在其他 2。方面在美國專利第s，觀，965號中所述者，並且以數㈣ 表示本發明的較佳實施例可有利地與平衡車 同實施。當可以用此處所述且在附隨的申請專利、 張的核式操作時，圖1並非代表習知技術的裝置。主 I 1--------訂------- 線-: (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
470641 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明（） 車輛10具有將乘坐者14支撐在車輛上的支座12。支座 12附著於地面接觸模組16。地面接觸模組丨6含有用來驅動 輪子18的叢集36的電源，驅動放大器，驅動馬達，及控制 器。叢嗓36包含在圖1中顯示成為輪子的地面接觸元件μ 5 。輪子18安裝在叢集臂40上，並且每一輪子18均可由控制 器8驅動。叢集臂4〇繞叢集軸線22旋轉，且臂的旋轉是由控 制器支配。控制器8包含與記憶體儲存裝置通訊的處理器。 處理器執行儲存在記憶體儲存裝置中的控制程式β處理器 與可感測車輛的狀態及接收來自乘坐者14的命令的多個感 ίο測器38通訊。處理器也與驅動放大器通訊，並且將命令送 至驅動放大器。驅動放大器提供電流至驅動馬達。 如上所述，控制器8可獨立地控制叢集臂40及旋轉-的 輪子18。另外，地面接觸模組36上的感測器祁可感測車輛 10的俯仰角，滾動，及偏轉，以及諸如輪子18及叢集臂4〇 15的角度位置及/或旋轉率等的變數。來自感測器的訊號被通 訊至控制器，並且由控制器使用來驅動輪子及叢集馬達。 獨立控制叢集與輪子容許車輛以數種模式操作，因而容許 乘坐者或控制器回應當地的地形而在模式之間切換。 例如，在「標準模式」巾，叢集36旋轉以使叢集的前 2〇輪U從地面升高且鎖定於定位，並且控制器被放置在簡單 的PID迴路’以容許車輛如同動力輪椅般操作。在「平衡模 ，亡中叢集36旋轉90度，鎖定於定位，並且容許控制器 藉著至輪子馬達的命令來平衡及驅動車輛。在「「增進模 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵Q χ 297公爱 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -n n n n .^1^-OJ» I n n I n n I I 1.. V n ϋ n n I n n n n n n n n I 1— 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ----------B7_____ 五、發概明（5) '— 式」中’如_年5月28日申請且藉著參考而結合於此的美 國申請案序號第09/321,401號所述，控制器8容許輪扣 及叢集36同時操作。 +在、階梯模式中，車輛10藉著旋轉叢集36成為將每—叢 5集的第二輪子42 (亦即目前不與地面接觸的輪子）放置在 適當的階梯上的方式而上下階梯。在叢集旋轉期間，車辆 只由每一叢集中的一個輪子18支撐，因而相對於摔落不穩 疋。以不像其在「平衡」或「增進」模式中的操作的方式 ，控制益8不嘗試平衡車輛。而是乘坐者14藉著握住在階梯 10扶手（未顯示）上來保持平衡◊扶手也為乘坐者提供槓桿 點來使車輛傾斜於前後方向，以引導車輛爬升階梯或下階 梯。控制器8所用來操作叢集馬達的叢集控制定律具有-與 965專利中所述的用於輪子馬達的控制定律相同的形式， 並且可由以下來代表： 15 Tc —K! 0+Κ3φ C + K4p C + K5 S p cdt。 在以上的方程式中，1代表叢集轉矩，6·代表車輛俯仰角 块差，代表相對於鉛垂線的叢集角度誤差，而Ki代表每 一動態變數的增益。俯仰角是相對於地球固定的鉛垂方向 被定義，而誤差指出目前測量值與可由控制器藉著預設或 20即時而設定的基準值之間的差異。相對於鉛垂線的叢集角 度（其他情況稱為「叢集位置」）為部份根據安裝於固定 於車輛且含有控制器8的機械結構（稱為「E盒」）的感測 器的讀數的計算值。或者，叢集角度可歸之於E盒本身，在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公髮） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
47€641 五、發明說明（6) 此If况中，相對於E盒的叢集角度以5表示，並且據此調整 I及I。上方的點表示動態變數的時間微分。前四項具有 與用於輪子的控制定律相同的形式，但是用於輪子與叢集 控制疋律的增益不同。例如，輪子控制定律設定^，相應 5於零的輪子速度，而叢集控制定律設定K3，相應於非零值 的叢集旋轉率。 叢集控制定律中的第五項被用來確保叢集在大致上 /又有任何穩定狀態誤差之下進至規定的角度。例如，在平 衡模式中，叢集旋轉至0.度且敎於定位。當叢集旋轉時， 10角度疾差減小，並且至錯垂方向的旋轉可能在叢集到達〇 度之前停止。為確保叢集到達0度，叢集控制定律中的第五 項對叢集馬達命令加入一額外的分量，使得叢集可逹成0 度的規定方向。 上述的控制定律會作用來操作車輛以上下階梯。為赵 15升或下階梯，乘坐者14使車輛10傾斜於向前的方向以沿階 梯向下行進或疋於向後的方向以沿階梯向上行進。乘坐者 是藉著推階梯扶手或拉在階梯扶手上而達成此動作。在乘 坐者缺乏充分的上半身力量來在扶手上施加所需的力以使 叢集將輪子旋轉至下一階梯的情況中，助手可幫助乘坐者 20來使車輛於向前或向後的方向傾斜。或者，可減小俯仰角 增盈Kl。減小K1具有使車輛較易於傾斜於階梯的作用，因 而容許乘坐者在扶手上以較小的力來使車輛傾斜。但是， 小的1也導致階梯爬升期間較慢的叢集旋轉，因而增加階 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) --線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 470841
梯爬升時間。 根據本發明的較佳實施例，可如下所述地於輪子及叢 集控制定律加人猶的魏’以提縣坐者使車輛傾斜所 需的努力大幅減小的優點。如此，大部份的乘坐者可在無 5助手協助下爬升或下階梯。 圖2a至2d顯示上下階梯的相位，共同稱為階梯爬升。 本發明對上下階梯使用相同的控制模式，並且乘坐者不須 選擇階梯行進方向，因而藉著消除乘坐者不正確選擇的可 能性而提供額外的安全性因數。為圖式簡單起見，圖中只 10顯示附著於叢集臂220的兩個輪子210及212。以20概括表示 的乘坐者及車輛是由乘坐者及車輛一起的重心（CG) 2抑 代表。一線240由CG230及叢集軸線250界定。由線24〇與-相 關於通過叢集軸線250的重力的鉛垂線25〇所界定的角度定 義車輛俯仰角（車架俯仰角）0。由叢集臂22〇與相關於通 15過叢集軸線25〇的重力的鉛垂線所界定的角度定義叢集位 置（或「叢集角度J ) </)c。 圖2a顯示在一段階梯270的底部階頂平台260上的車 輛20。在典型的階梯模式操作中，乘坐者背對階梯。因此 ，離開階梯的方向在以下的敘述中會被稱為「前方」方向 20 ，而朝向階梯的方向會被稱為「後方」方向。最靠近階梯 豎板280的輪子212被視為後輪，而離階梯豎板28〇最遠的輪 子210被視為前輪。 在乘坐者如圖2a所示地將車輛定位在底部階頂平台 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
------訂---------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 470641 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 260上之後，乘坐者藉著指示控制器8而進入「階梯模式」 。乘坐者如圖2b所示埤將CG230移動至後輪212的中心290 上方。乘坐者可藉著緊握及拉在扶手上而移動CG23〇。或者 ，CG239可由助手使乘坐者及車輛2〇傾斜而移動。在較佳實 5施例中，控制器8 (顯示在圖1中）可為乘坐者改變車架俯 仰角。當CG230移至後輪中心290後树，叢集臂旋轉而使 前輪升高離開階頂平台260並且移至下一階梯295上，如圖 2c所示。 參考圖2d，圖中顯、示在叢集馬達（未顯示）已經將前 10輪旋轉至下一階梯295上之後的車輛20的組態。如果乘坐者 決疋繼續上階梯270，則乘坐者將CG230移動超過由數字234 所指示的特定線。由線234與相關於通過叢集軸線25〇的-重 力的鉛垂線所界定的角度被定義成為後角度Θ後。由線232 與相關於通過叢集軸線250的重力的鉛垂線252所界定的貧 15度被定義成為前角度0前。前角度及後角度在以下會參考 明確顯示二者的圖4更特別地敘述。 如果乘坐者決定下階梯270 ’則乘坐者將CG230移至前 角度0前的箣方’控制器自動地藉著比較測量的俯仰角Θ 與前及後角度來決定叢集旋轉方向。如果5» >5/前，則控 2〇制器使叢集於逆時針方向（參考圖2d)旋轉，因而車輛2〇 會下階梯270。如果0 < 0後，則控制器使叢集於順時針方 向旋轉（參考圖2d)，因而車輛上階梯270。 對於沿階梯向上及向下行進均使用相同的控制器藉 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） n n ! n n n I n n n n I I \ · n ϋ ϋ I n n I I I n at ί I I I, (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 470641 A7 B7 五、發明說明（ 15 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 20 著防止乘坐者意外地選擇錯誤的階梯行進方向而提供重要 的安全性特徵。 圖3顯示階梯模式的子模式的示意方塊圖。從增進模 式300 (、其在美國專利申請案序號第09/321，401號中述及） ，乘坐者選擇階梯模式310。每一子模式的特徵在於在一般 化的控制定律中與系統動態變數結合的一組增益係數。用 於輪子馬達的一般化控制定律（輪子控制定律）及用於叢 集馬達的一·般化控制定律（叢集控制定律）在以下分別顯 示於方程式（1)及（幻。 υ^Κθ(θ^-θ\)-^Θτ\ θ \ ^Κάφ\·^κΡφ\ (ΟW6»’前+0 ”後）+k0rS+kd5’+kp(J§，dt (2) 在以上的方程式中，vw&vc分別為用於輪子及叢集馬達·的 命令電壓。下標w指的是輪子變數，下標^^指的是叢集變數 ，下標Γ指示變數的時間微分，而變數上方的點也是指示變 數的時間微分。右上角的分絲示誤差變數，亦即變數的 實際，與變數的織值之_差異。例如，輪子位置誤差 K是由方程式Klw㈣來定義，#中L代表由車 輛上的感測器所決定的輪子位置’而^期望代表由控制器 所計算的期望的輪子位置ek代表每—變數的增益。俯仰角 變數是由Θ代表，輪子位置由(^代表，而叢集位置由占代 表。每-子模式的特徵在於在方程式⑴及（2)中所示 的成組增益。對每~增益的特定值的選擇取決於例如子模 式的目的及乘坐者的舒適度等因數，並且在給予以下的子 -11- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-------- 線！----------------------- 470641
五、發明說明（10) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 模式的敘述之後可在不須過度實驗下由具有控制領域中的 一般技術的人士來決定。 進一步參考圖3，藉著乘坐者的選擇而從增進模式300 進入階梯模式310。用於階梯模式的控制定律與用於「增進 5模式」的控制定律非常不同，並且不提供相同的擾動拒絕 。為防止此情況，「階梯模式」31〇是經由被稱為「位置伺 服叢集（Position Servo Cluster)」或「PSC」320的子 模式進入。.子模式PSC320在車輛在例如階梯階頂平台的平 坦地面上時提供穩定的‘平台。在階梯階頂平台上的穩定性 在叢集控制定律中是藉著將俯仰角增益％及^設定成相 對於位置增益kd，kp，及1^相對小的值。大的位置增益導致 叢集位置相對於CG的位置控制不容易。藉著將輪子位置·增 盈kwp相對於其他輪子增益設定成相對大的值可在輪子控 制定律中也實施類似的策略。此具有在乘坐者準備開始^ 15梯爬升時將車輛保持在定位的作用。叢集的位置控制的不 易使得乘坐者可藉著改變期望的叢集位置(5·而如圖2(b )所示地使CG移位至後輪上方。 期望的叢集位置是由經由例如按紐或搖桿44 (顯 圖1中）的輸入裝置來處理乘坐者的命令的控制器來修正。 20當5期望由控制器修正時，5，成為非零，並且乘以^而產生 一非零電壓命令至叢集馬達，導致叢集相對於CG旋轉，並 且產生圖2 (b)所示的組態。圖2 (b)的等效視圖為車辆 俯仰角Θ已經從〇度減小封。在此敘述中，採用的習慣為 -12- 本紐尺度適财®國家標準（CNS〉A4 ϋ$1〇 x 297公爱〉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線—, 五、發明說明（3 =仰角角度相應於傾斜於向前方向的車I 測車輛的非零俯仰角狀態，並且自動地轉移至子歓會^貞 =平台上」咖。子模式之間的轉移是藉著用與進入子模 ^目關聯的增益來取代與出來的子模式相關聯叢 5 =:控制定律中而達成，此對於具有控制領域中的 ，技術者而錄賴。在本發_健實施财，轉 精者如藉著參考而結合於此的美國專利申請案序 09/322, 43U虎中所述的控制定序來達成。 ' 於在階頂平台上子模式33〇中，控制器容許乘坐者夢 1 〇著改變車輛俯仰角Θ來控制叢集馬達。另外，在階頂^ 上子模式33G容許車輛於向前或向㈣方向自由滾動 頂平台上子模式330藉著在叢集控制定律中將俯仰角增益k θ及率增益（rategain) 相對於其他叢集增益設定 為相對大的值而容許乘坐者俯仰角控制。大的^具有使囊 15集馬達對車輛的俯仰角的小改變靈敏的作用。率增只作用 來對叢集馬達提供阻尼作用，並且傾向於使車輛ϋ弟攸 升的同時有平順的運動。 '與匕，（Θ，前+0 ’後）相關聯的俯仰角誤差狀態變數 代表贴前角度Θ前前方的角度，或是CG在後角度θ後後方 20的角度。俯仰角誤差狀態變數為比方程式（1)及（2 )中 所定義的誤差變數稍微複雜的函數，以下與前及後角度的 敘述共同描述。 誤差狀態變數Θ，前及0 ’後為如下所示的兩側函數。 470641 (3) (4) Α7 Β7 五、發明說明（） θ’前=0前-0 對於020前 0 其他情況 、Θ ’後=0 對於0 2 0後 5 0後-0 其他情況 參考圖4可更容易地瞭解前及後角度，其顯示叢集及 輪子組態’.並且指明前及後角度計算中所用的角度及長度 。圖4顯示車輛的輪子41‘0及411在階梯上的組態，其中前輪 ίο 410在階梯的下方階梯450上，而後輪411在階梯的上方階梯 452上。前輪及後輪中心412及413分別可旋轉地安裝於繞叢 集軸線421旋轉的叢集臂420。參考鉛垂線430通過叢集軸-線 421。有人乘坐的車輛的CG440的位置由從CG440至叢集軸線 421的線1^422的長度以及由為由參考錯垂線43〇與1^422>斤 15界定的角度的俯仰角角度Θ來描述。叢集位置妒。為由參考 鉛垂線430與叢集臂420所界定的角度《相對於參考鉛垂線 的角度的符號習慣為對於逆時針旋轉為正。特定的前方鉛 垂線441與由叢集臂420所界定的線交叉，並且定義叢集軸 線421與前方鉛垂線441與叢集臂420的交叉點之間的水平 20距離Χ前。類似地，X後為叢集軸線421與特定的後方鉛垂線 442與叢集臂420的交叉點之間的水平距離。前角度θ前被 定義成為當CG440在前方鉛垂線441上時的俯仰角角度。後 角度0後被定義成為當CG440在後方鉛垂線442上時的俯仰 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公楚） \·-Γ k^, aal I— i n n n .^1 I · n n n n 」,JI n n n n n p -a <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 470641 A7 五、發明說明（ 角角度。 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 在階頂平台上子模式330也容許車輛於任一方向自由 滾動。此是藉著將輪子位置誤差狀為零來實施。此容許 ，坐者在上階梯之前將車輛定位成抵靠底部階梯豐板，或 是驅動車輛離開頂部階頂平台而開始下階梯。 乘坐者可藉著推或拉在例如階梯攔杆的附近物體上 而改變車輛俯仰角θ。當乘坐者改變0時，相當大的^值 產生非零命令域集放大㈣職叢集，並且叢集開始旋 轉’如圖2 U)所示。.當叢集旋轉時，叢集位置5也改變 。控制器監控叢集位置，並且當控制㈣定叢集不再於水 平方向時，控制器.自動地轉移至子模式「攸升」34〇 (顯示 在圖3中）。 子模式_34G容許録麵著改變車輛俯仰角0來 控制叢集馬達。在爬升34G中所用的叢集控制㈣類似或扣 同於在階頂平台上中所用的叢集控制定律。 雖然攸升340子;^式容許車輛於向後的方向滚動，但 是其不容許於向前的方向滚動。輪子被禁止於向前的方向 滾動，以成為防止車輛意外滾下階梯的安全措施。攸升謂 子模式的此功能是藉著將輪子位置增益、相對於其他輪 子增显的值設定為相對大的值而實施。控制器也將期望的 輪子位置妒„期望重新設定為感測到的輪子位 口 ^ W ，、要 ψ ψ 期望> 。此容許輪子於向後的方向自由移動，但是如果 輪子行進至期望的前方則產生恢復力。 -15- 紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） --I----------\ --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 470641 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（1 輪子在爬升340期間的向前運動是藉著在輪子速度$ „為正時將輪子速度增益^設定為大的正值（導致負的卜* )而被進—步阻尼。此大的正增益乘以負的輪子速度誤差 * 的組合在輪子控制定律中產生導致輪子於向前方向減速的 5大阻尼作用。負的輪子速度相應於會將輪子驅動於階梯登 板280的運動。在此情況中，kwd被設定為大的負值。此造 成輪子控制定律將輪子向階梯豎板280加速。控制器監控沪 w的狀態，並且在時將適當的kwd載入控制定律内，導 致當新的增益被載入輪子控制定律中時，車輛的運動沒有 ίο任何的不連續。輪子的向後加速至階梯豎板在上階梯期間 當後輪在頂部階頂平台上時對乘坐者具有額外的益處。在 沒有向後加速之下，乘坐者使輪子向後滾動至階頂平台上 可能有困難。在向後加速下，控制器使後輪向後加速而找 到下一階梯豎板。因為後輪是在沒有任何階梯豎板的頂部 15匕頂平σ上，所以控制器繼續將後輪向後加速。控制器同 時命令叢集馬達將CG以穩定的組態直接放置在叢集轴線 421的上方。輪子及叢集控制定律的同時及獨立操作對於乘 坐者而言似乎是車輛向後移動，而同時叢集旋轉成剛好足 以將前輪帶至與頂部階頂平台相同的高度。 20 為防止車輛向後加速至在頂部階頂平台上的物體，控 制器監控輪子位置。當後輪在階頂平台上已經向後移動 不超過一個輪軸間距離的長度（中心412與413之間的距離 )時’控制器可安全地假設前輪在頂部階頂平台上，並且 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 — — — — — — — ·11 — 1111 _|^------ - -- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
自動地轉移至子模式在階頂平台上330。 470641 五、發明說明（ f用於料34G子料的輪子控歡律也«對輪子俯 仰角増益kw0及kw0 r使用相當大的值而使用俯仰角狀態資 來達成子模式的第二目的。方程式⑴中的俯仰角項的 5 =號改變’以確保輪子始終於向後的方向旋轉。在俯仰角 率項的情況中，取俯仰角率的絕對值，並且符號為負，以 確保不論俯仰角旋轉方向如何，給輪子的命令始終是在向 後的方向類似地，從前俯仰角誤差減去後俯仰角誤差。 當叢集在上階梯期·間將前輪旋轉至下一階梯或是在 10下I1白梯期間將後輪旋轉至下一尸皆梯時，前及後角度由控制 器。十算。當旋轉的輪子（上階梯期間的前輪或下階梯期間 的後輪）接近下一階梯時，CG會在上階梯期間移動至貧角 度的前方或是在下階梯期間移動至前角度的後方，並且控 制器會自動地轉移至圖3所示的子模式轉移350。 15 轉移350子模式容許乘坐者在想要繼續上階梯時暫停 在母卩0梯上並且將CG轉移至0後的後方，而在想要下階 梯時將CG轉移至0前的前方。轉移35〇子模式容許乘坐者藉 著推或拉在階梯攔杆上而偏移CG。另外，轉移350子模式容 °午車柄於向後的方向滾動’但是不能於向前的方向滾動， 2〇如由與爬升34〇子模式中所用的輪子控制定律相同者所實 施。 為容許乘坐者在想要繼續上階梯時暫停在每一階梯 上並且將CG轉移至0後的後方，而在想要下階梯時將CG轉 -17- 本紙張尺度iSffi + @國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱 1 --------- / --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (5)47A641 A7 B7 五、發明說明（ 叢集疋根據以下的控制定律被驅動： vc=k θ， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 鼾〜Θ > 0後。用於此子模式的增益k被設定為充分 % 許乘坐者在階梯扶手上使用適度的力來在前與 之間偏移車輛GG。低值的_於乘坐者而言似乎是乘 “可μ地在前與後角度之間偏移CG的輕鬆區域。 a在轉移子模式時，控㈣檢查叢集位置。如果車 =在)¾梯上’職綠置不會是水平，因為前輪與後輪 Y不同的階梯上。如果控制器偵測到叢集位置是在水平 的方向貝|J控制器假設車輛是在頂部或底部階頂平台上， 亚且自動地轉移至在階頂平台上330子模式。 為使車輛回應乘坐者而傾斜，前及後角度是由控制器 t階梯攸升期間計算。此參考圖5更易於瞭解。在圖5中.， 的輪子5G1及5G2顯不為在單—階梯的爬升期間。圖5 a如車輛的^•輪5G1在下方階梯上而後輪⑽在上方階 = '輪子附著於繞叢集軸線5()4旋轉的叢⑽前角 二Θ前是由第—線511與通過叢集軸線卿的未顯示的參考 ]垂線界定。❹度0後是由第二線512與參料垂線界定 。在圖5(a)中，車輛是在轉移35G子模式，其中有人乘坐 :車插的咖0在〜與θ後之間，並且叢集㈣3是在非水 =位置。在轉移35〇子模式時，乘坐者可將車輛的卿〇 輕易地偏移至圖5⑴所示的組態，其中俯仰角θ等於$ -18- 本紙張尺度適財國國家標準（CNS)A4規格⑵Gχ挪） 470641
後。乘坐者可輕易地偏移CG520，因為上述的方程式（5) 所示的用於轉移35〇子模式的叢集控制定律的俯仰角誤差 增益k具有相當小的值。 五、發明說明（17) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在、圖5(b)中，0=0後，並且控制器自動地轉移至爬 5升34G子模式。當乘坐者如圖5 (c)所示地將CG52G偏移至 0後的後方時，控制器旋轉叢集臂5〇3，並且使前輪5〇1升 高而離開下方階梯。如圖5⑷至5(h)所示，0前及0後 在叢集# 503旋轉時改變。特別是，在如圖5 (c)至5 (g )所不的車輛只由後輪‘支撐的旋轉相位期間，Θ前與Θ後之 ίο間的差異小，以在萬一乘坐者在叢集臂5〇3的旋轉期間決定 改變上下階梯的方向時，可將花在轉移3 5 〇子模式中的時間 減至最少。 圖5 (Ο顯示叢集臂503已經旋轉至鉛垂位置而將前 輪501放置在後輪502上方。因為CG52〇仍然在0後後方，扣 15以控制器繼續旋轉叢集臂503。當叢集臂503旋轉時，控制 器計算前及後角度的新值，並且達成圖5 (g)所示的組態 ’其中-直被更新的前及後角度擴展至後的點。當俯 仰角等於後角度時，控制器自動地轉移至轉移35〇子模式。 圖5 (g)顯示車輛在一階梯爬升循環結束時的组態， 2〇其中前輪已經旋轉至下一階梯而成為下一循環的後輪。 用來計算前及後輪角度的前及後輪函數的選擇是選 擇為將乘坐者在階梯爬升期間的舒適度及安全性最佳化。 在較佳實施例中，前及後角度是對乘坐者定製，並且取決 -19- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) • I------訂---------線丨 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2i〇X297公爱〉 A7 五、發明說明（15 B7 於叢集位置φ r。伸用Λ 便用小角度近似，前及後角度可由以下的 方程式計算。 0前=(1物前（^)+匕 (6) Θ 後一
(1/Li)x後（D + Θ ref (7) 期門所也-程式中，數量（1/Ll)及0rei為在乘坐者定製 ^的常數’如美國專利申請案序號第G9/321，401 二6斤述，數乂前及^,均為的函數，並且可啟發式地 二’各成為^的函數的^與义後之間的函數關 輪·9月的實施例而分別劃在圖6中’各以每一叢集的 輪子軸線之間的距離L2標準化。 华臂朗，相如圖5⑷至5⑷所示在叢 期間只由後輪組支撐。穩定性是藉著乘坐暑· 在卩0梯攔杆±而轉。町敘述在线故障的事 =ΓΓ放置成如圖5 (a)所示的靜態穩定組態 參考顯示軸俯㈣㈣ =:更= 瞭解觸俯仰角控制器。在階梯料期;圖= 達溫度及電池溫度。如果㈣㈣得Μ 馬達或電池過熱，則控制器自動地求助於制制 器，於圖7中以61_示的步驟進入。制動俯仰角二2 組態，驟62°中’控制器關_ 叢集馬達的叢集馬達放大器。放大器被關閉以容許叢集馬 -20- 本紙張尺度適用+關家標準（CNS)A4規格（210 X 297¾- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I - i線· -J H I - 47t)84i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 " "^ ----------------- — 五、發明說明（19) 達冷卻。然後’控制器在630中檢查摔落情況。如果未宣告 摔落情況，則控制器在640中釋放叢集制動器，並且重新檢 查摔落情況。釋放叢集制動器容許叢集臂503 (顯示在圖5 中）自由旋轉以及將前輪501放置在階梯上。如果宣告摔落 5情況，則控制器在650中接合叢集制動器。在650中接合制 動器之後’控制器在660中檢查過溫情況是否仍然存在。如 果過溫情況已經過去，則控制器在670中離開制動俯仰角控 制器。如果過溫情況仍然存在，則控制器在630中重新檢杳 摔落情況。可將以狀態·為基礎的評斷標準單獨或互相組合 10使用來宣告摔落情況。在一實施例中，控制器將叢集旋轉 率$。的絕對值與預設的最大叢集旋轉率$cmax比較。如果 i>c的絕對值大於i>cnax，則控制器假設車輛摔落，並且.宣 告摔落情況。在另一實施例中，俯仰角率&與預設的摔落 俯仰角率§摔落比較。如果&小於§摔落，則控制器宣告相 I5 應於車輛向後摔洛在階梯上的情況的摔落情況。 在另一實施例中，當0，後小於相應於有人乘坐的車輛 的CG在後角度0後的後方的情況的零時，控制器宣告摔落 隋况$ cmax及&摔落的值的選擇是在控制領域的一般技術 内。 20 在制動俯仰角控制器的另一實施例中，叢集馬達放大 器可繼續驅動叢集馬達，但是加在叢集馬達上的負荷被限 制。叢集馬達在旋轉叢集以上階梯時經歷最大的負荷。在 下階梯期間，馬達經歷小很多的負荷，因為車輛行進的方 -21- -本紙張尺度適用中國國€標準（CNS)A_4規格（210 X 297公釐） ---- --------------、；-----------------線 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 470641 A7 、發明說明（ $疋在與重力相同的方向。因此，當偵測到馬達或電池過 時’可藉著禁止上階梯來限制叢集馬達上的負荷。在制 動俯仰角控制器的實施例中，當偵測到馬達或電池過溫 ，如果右< η。 》 ’則接合叢集制動器。在制動俯仰角控制号 5 。 一實施例中，如果偵測到馬達或電池過溫，並且6»<() .，則叢集位置及率誤差變數6，及§，被重新設定為零， 期望被°又弋為零，並且期望被設定為，其中（5 〇為發生 過溫及6» < η。 ^ 的情況時6的值。重新設定的作用是如果乘 、貝j到過溫時嘗試繼續上階梯，則有效地鎖定叢集 1 ，二疋仍然容許乘坐者下階梯。另外，重新設定可在實體 "叢集制動器時在不招致延遲之下有效地鎖定叢集。 如上已經敘述本發明的各種不同的實施例，其某些·優 ’’’，、以及選擇性的特徵，很明顯此種實施例只是舉例說明 並非藉以限制。熟習此項技術者在不離開本發明 15 及範圍下·5Γ 了麵易地對這些實施例設計另外的選擇及改進以 隽:十另外的實施例。例如，雖然輪子連接於單一線性叢 的鈐仁是叢集臂可以有角度以在—叢集中搭配兩個 以上 每—子另外，叢集臂可分成兩個或更多個的叢集臂，而 木|>、具有單一輪子，其中叢集軸線可以一致或可 20 不 ~ 致。ρ 〜口此，本發明只如以下的申請專利範圍及其等效 斤界定地受限制。 -22- 私紙張尺錢財 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線！ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 經濟部智您財產局員工消費合作社印製 l.—種用來上下階梯的裝置，該裝置及任何載重 —起構成特徵在於-重錢—俯仰角的“，該用來 上下階梯的裝置包含： (a) -叢集臂’可繞—叢集轴線旋轉，該叢集臂 的特徵在於一叢集角度； 、（b)多個地面接觸構件，可繞相對於該叢集臂固 定的構件軸線旋轉；及 (c)，一機動化致動器，用來使該叢集臂繞該叢集 軸線旋轉，以使該裝餘據包含該重心的移位的一輸 入而執行上階梯及下階梯之一。 2. 如申請專·利範圍第丨項所述的用來上下階梯的 裝置，其中該地面接觸構件為輪子。 3. 如申請專利範圍第（項所述的用來上下階梯的 裝置，另外包含用來根據控制定律控制該叢集臂的旋 轉的控制器。 4. 如申請專利範圍第3項所述的用來上下階梯的 裝置其中該控制器具有多個子模式，每—子模式的 特徵在於一控制定律。 5·如申喷專利範圍第4項所述的用來上下階梯 裝置，其中該控制器對該子模式的至少之一中的叢 的 集 角度靈敏 6·如申玥專利範圍第3項所豸的用來上下階梯的 裝置其中該控制器根才康與用來控制該地面接觸構件 23 -
    (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝- 、1T 470641 A8 B8 C8 D8 ΤΓ、申清專利氣圍 的旋轉的任何控制定律分開的定律來控制該叢集臂的 旋轉。 7.如申睛專利範圍第3項所述的用來上下階梯的 裝置’、另外包含用來監控該系統的俯仰角及用來提供 訊號至該控制器的感測器。 8·如申清專利範圍第3項所述的用來上下階梯的 裝置其中該控制器根據與該系統的俯仰角相關的訊 5虎來造成上階梯及下階梯之一。 9·如申请專利範、圍第3項所述的用來上下階梯的 裝置’其中該控制器包含： (a) 輪子控制器，其控制該地面接觸構件的旋轉 ;及 (b) 叢集控制器，其控制該叢集臂的運動。 10·如申請專利範圍第3項所述的用來上下階梯的 裝置，其中該控制器至少根據該系統的俯仰角來造成 上階梯及下階梯之一。 11. 如申請專利範圍第9項所述的用來上下階梯的 裝置，其中該輪子控制器根據該系統的俯仰角的函數 來控制該地面接觸構件的旋轉。 12. 如申睛專利範圍第9項所述的用來上下階梯的 扃置，其中该輪子控制器根據該多個地面接觸構件之 的位置的函數來控制該地面接觸構件的旋轉。 13. 如申請專利範圍第9項所述的用來上下階梯的 -24 - Α4規格（21〇乂297公兼） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} •裝- 經濟部智总財是局員工消費合作社印製 470641 A8 B8 C8 D8
    經濟部智总財是局員工消費合作社印製 裝置，其中該輪子控制器根據該多個地面接觸構件之 一的速度的函數來控制該地面接觸構件的旋轉。 14. 如申請專利範圍第10項所述的用來上下階梯 的裝置、中該控制器在該系統的俯仰角超過規定的 前角度時造成下階梯。 15. 如申請專利範圍第1〇項所述的用來上下階梯 的裝置，其中該控制器在該系統的俯仰角小於規定的 後角度時造成上階梯。 * 16. 如申請專利範.圍第1〇項所述的用來上下階梯 2裝置，其中該控制器至少根據該裝置相對於規定的 月ίι角度及規定的後角度的至少之一的俯仰角來造成 階梯及下階梯之一。 17. 如申請專利範圍第14項所述的用來上下階梯 的裝置，其中該規定的前角度是由該控制器根據該叢. 集臂的目前位置來決定。 18 _如申請專利範圍第丨5項所述的用來上下階梯 的裝置，其中該規定的後角度是由該控制器根據該叢 集臂的目前位置來決定。 19· 一種用來支配一裝置在階梯上的運動的方法 ，該裝置的特徵在於一瞬時俯仰角角度，並且具有每 一個可繞相對於一叢集臂固定的一軸線旋轉的多個2 子，该叢集臂可繞一叢集軸線旋轉，該方法包含： (a)設定相對於鉛垂方向界定的_前角度及—後 25 - 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210x297公釐） I I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 上 訂 線· 470841 經濟部智慧財4局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 角度； ⑴如果該瞬時俯仰角超過該前角度，則致動該 叢集臂以提供該裝置的下降；及 (、C)如果該瞬時俯仰角小於該後角度，則致動該 叢集臂以提供該裝置的上升。 20.如申請專利範圍第19項所述的方法，並中設定 前角度及後角度的步驟包含根據叢集角度來改變前角 度及後角度的至少之一。 21·-種用來安錢重新獲得爬升或下階梯的運 輸裝置的靜Μ定的方法，該運輸裝置的特徵在於一 俯仰角，並且具有： (i ) 一叢集臂； (11) 一叢集臂致動器，其特徵在於用來驅動該 叢集臂旋轉的溫度； (iii) 一制動器，可制動該叢集臂；及 (iv) -感測器，其監控該運輪裝置的該俯仰角 ，並且提供一感測器訊號； 該方法包含以下步驟： (a) 監控該感測器訊號；及 (b) 當該感測器訊號超過—預設臨限值時釋放該 制動器’以料該叢集臂以使該運輸裝置在階梯 取靜態穩定組態的方式自由旋轉。 22. -種用來限制負荷的方法，該負荷係由用來在 -26 - 木紙張尺财賴家料（⑽> Α4ϋ7^χ29^逢 裝I、-----訂------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本f) 470641 A8 m C8 D8 <、申請專利範圍 階梯上驅動一運輸裝置上下的致動器驅動，該致動器 的特徵在於一溫度，該方法包含： (a)監控該致動器的該溫度； (、b) /[貞測過溫情況；及 (c)藉著在過溫情況期間只容許於下降方向的叢 集旋轉來限制叢集致動器負荷。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> -裝 、1T 線 經.濟部智总財/|.局員工消費合作社印製 -1Ί · 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐）
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