TWI551494B - 三維飛輪行動載具 - Google Patents

Description

三維飛輪行動載具

本發明關於一種行動載具，特別係關於利用多層球殼結構/多個三維飛輪與單擺來控制轉向之三維飛輪行動載具，亦可用作自動化機器人。

現代車輛系統多以兩輪、三輪與四輪與地面接觸來維持穩定(靜態平衡)，利用二維車輪將旋轉動能轉為往復運動，靠輪胎摩擦力(抓地力)促使車輛持續前進。然而，多車輪設計使得轉向、驅動與傳動機構的設計更加繁瑣，增加車體重量。單車輪設計不適於重物承載或應用範圍有局限。輪胎的設計減低飛輪儲能效率。

此外，現代車輛系統受到瞬間強力撞擊時，主要藉由車身前後擠壓變形，將衝擊能量吸收與消散，盡力維持車身中間部分之完整，以減輕乘客傷亡。然而，若是受到劇烈的橫向撞擊，則不易藉由車身擠壓變形來吸收衝擊能量，不易降低乘客傷亡。再者，現代車輛系統採四輪或二輪傳動，與地面至少有兩個接觸點來產生摩擦力(抓地力)，使車輛前進，這都會耗損動力能源。

先前技術的車輛系統與結構，具有上述之缺點，因此本發明提供一種安全性與省能源之三維飛輪行動載具。

如前所述，本發明關於一種三維飛輪以及由多個三維飛輪組成之行動載具。

當載具由三層三維飛輪組成時，其運動原理近似於一個陀螺儀系統。

本發明之目的在於提供一種三維飛輪行動載具，當載具受撞擊時所有車殼動力源完全消失，衝擊能量能均勻迅速擴散至各層球殼。

本發明之另一目的在於提供一種三維飛輪行動載具，其球形車殼設計可以當作一個三維飛輪，以儲存旋轉動能；車殼本身就是一個飛輪，因此不需要轉向連結機構，得以降低車體重量。

本發明之另一目的在於提供一種三維飛輪行動載具，利用單擺(或陀螺儀)轉向系統設計，重心改變與動態平衡，以控制載具轉向、保持穩定或車體平衡，其運動原理近似於一個大型陀螺儀系統。前衛設計安全、節能的行動載具，改善了傳統行動載具的缺點。

根據本發明之一觀點，提供一種三維飛輪行動載具，包含三層球殼結構，包括外球殼、中間球殼與內球殼，其中外球殼、中間球殼與內球殼係分別位於三層球殼結構的外層、中間層與內層。至少一框體結構，用於連結三層球殼結構。複數個致動器，其中複數個致動器包括第一軸向致動器、第二軸向致動器與第三軸向致動器分別驅動外球殼、中間球殼與內球殼，第一軸向致動器、第二軸向致動器或第三軸向致動器連接或滑動接合至少一框體結構之一或三層球殼結構之一。其中外球殼、中間球殼與內球殼分別繞著第一軸向、第二軸向以及第三軸向旋轉。

在一觀點中，三維飛輪行動載具更包括一載具平台配置於內球殼之中，並將內球殼分隔為上下二個腔室，包括上腔室與下腔室。上腔室係配置控制通訊面板、監控螢幕、主控室與貨物儲藏室等等，下腔室配置電子電路機械設備、電池或動力系統、伺服控制器、感測元件與平衡機構等等。平衡機構配置於載具平台之下，平衡機構連接載具平台。平衡機構包括單擺系統或陀螺儀。

在另一觀點中，上述第一軸向致動器之第一轉子的一端連接外球殼，第二軸向致動器之第二轉子的一端連接中間球殼，第三軸向致動器之第三轉子的一端連接內球殼。

在一觀點中，至少一框體結構為單一框體結構。其中第一軸向致動器的底部固定於單一框體結構，第二軸向致動器的底部固定於外球殼或單一框體結構，第三軸向致動器的底部固定於載具平台，轉子並與單一框體結構串接。其中單一框體結構連接不同的球殼層(外/中間/內球殼)。其中中間球殼可由兩個半球型結構所組成。

此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。

100‧‧‧遠端衛星或控制中心路經規劃控制器

101‧‧‧遠端訊號接收裝置(或設備)

102‧‧‧遠端訊號發射裝置(或設備)

103‧‧‧控制電腦計算單元

104‧‧‧動力系統/驅動系統/致動器

105‧‧‧動力系統/驅動系統/致動器之感測器

106‧‧‧載具機構元件運動

107‧‧‧載具機構元件運動感測器

200‧‧‧外球殼

201‧‧‧外框體

202‧‧‧中間球殼

203‧‧‧內框體

204‧‧‧內球殼

205‧‧‧上腔室

206‧‧‧γ軸的致動器

207‧‧‧α軸的致動器

208‧‧‧載具平台

209‧‧‧下腔室

210‧‧‧平衡機構

211‧‧‧β軸的致動器

如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明 更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。

第一圖顯示根據本發明之一實施例之三維飛輪行動載具之操作方式之示意圖；第二圖顯示根據本發明之第一實施例之三維飛輪行動載具之前視圖；第三圖顯示根據本發明之第一實施例之三維飛輪行動載具之側視圖；第四圖顯示根據本發明之第一實施例之三維飛輪行動載具之上視圖；第五圖顯示根據本發明之另一實施例之三維飛輪行動載具之前視圖；第六圖顯示根據本發明之另一實施例之三維飛輪行動載具之側視圖；第七圖顯示根據本發明之另一實施例之三維飛輪行動載具之上視圖。

此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。

本發明之三維飛輪行動載具為一種球型行動載具(球體滾動、三維飛輪)，包括三個或更多3D飛輪(三維球殼)，主要特徵與功能包括：(1)行動載具受撞擊時所有3D飛輪(三維球殼)動力源完全消失，只剩慣性；(2)球形球殼(車殼)設計可以當作一個三維飛輪，以儲存旋轉動能；(3)單擺(及/或陀螺儀)轉向系統設計，藉由重心改變與動態平衡，以控制載具轉向、維持穩定或車體平衡；(4)撞擊時之能量可迅速分散至全球殼，避免局部嚴重毀損凹陷。

在一例子中，本發明之三維飛輪行動載具為一般自動化巡邏機器人。

此外，本發明的車殼本身就是飛輪，因此不需要額外轉向連結機構，得以降低車體重量；前衛設計、安全、節能的三維飛輪行動載具，改善了傳統行動載具的種種缺點。

第一圖顯示根據本發明之一實施例之三維飛輪行動載具之操作方式之示意圖。如第一圖所示，其為本發明之三維飛輪行動載具之動作流程圖。本實施例之三維飛輪行動載具例如為一三維飛輪行動車輛。三維飛輪行動載具之控制電腦計算單元103為整個行動載具的控制中心，可以控制或處理其他元 件或裝置傳來的訊號、或者發出訊號(例如：三維飛輪行動車輛目前所在的位置、速度...等等)給其他元件或裝置。舉例而言，控制電腦計算單元103發出一啟動訊號給三維飛輪行動載具之動力系統/驅動系統/致動器104等電力相關裝置或元件，然後在動力系統/驅動系統/致動器104等等的啟動與驅動之下，開始驅動三維飛輪行動載具之載具機構元件運動106。載具機構元件運動106包括平台搖擺(platform rocking)、球型殼體旋轉(shell rotations)、擺錘/單擺擺動(pendulum vibration)...等等。在載具機構元件運動106之下，三維飛輪行動載具得以直線運動前進後退、轉彎。而三維飛輪行動載具之直線運動的速度或轉彎的幅度(角度)，端視載具機構元件運動106的情況而定。舉一例子而言，上述動力系統包括引擎，驅動系統包括驅動馬達。舉例而言，驅動馬達可以疊加方式將動力加在引擎所產生之動力以協助引擎。在一例子中，本發明之行動載具也包括一動力控制單元，包括車速感測器用以偵測行動載具之車速，油門感測器用以偵測油門操作量。

因此，為了瞭解三維飛輪行動載之直線運動的速度或轉彎的角度等，需要利用載具機構元件運動感測器107來偵側。載具機構元件運動感測器107可以包含各種所需的感測器。舉例而言，為了因應三維飛輪行動載具的速度而需要配置各種速度感測器。在一例子中，速度感測器可以隨行動載具轉動以偵測各個殼體的轉速，其他感測器可以偵側三維飛輪行動車輛中之平台搖擺狀況、擺錘/單擺的擺動幅度...等載具機構元件的運動。例如，迴轉感測器可以檢測環繞重力軸之角速度。在本發明之系統中，感測器可於行動載具轉動時，將感測訊號傳回控制電腦計算單元103，而加以計算行動載具的行進速度以及殼體旋轉的角度，以正確的顯示出其速度與角度。

此外，在一實施例中，本發明之三維飛輪行動載具之動力系統/驅動系統/致動器104等電力相關裝置或元件啟動之後，為了瞭解相關裝置或元件的使用狀態，需要配置相關裝置或元件的感測器，例如動力系統/驅動系統/致動器之感測器105等等。這些感測器105在動力系統/驅動系統/致動器104等等裝置啟動與驅動時，將感測訊號傳回控制電腦計算單元103，以傳遞行動載具的動力系統/驅動系統/致動器104等等裝置或元件的使用狀況，以顯示這些裝置的使用狀況或使用效能。

在另一例子中，本發明之三維飛輪行動載具更包括遠端訊號接收 裝置(或設備)101與遠端訊號發射裝置(或設備)102。遠端訊號接收裝置(或設備)101與遠端訊號發射裝置(或設備)102分別是控制電腦計算單元103與遠端控制中心之間負責訊息接收與發射的裝置。在一例子中，一遠端衛星或控制中心路經規劃控制器100可以控制行動載具之運動狀態。

第二與第三圖分別係根據本發明之第一實施例之三維飛輪行動載具之前視圖、側視圖。在此型態之三維飛輪行動載具中，包括三個球殼、連結三個球殼的連接結構、致動器、載具平台、以及轉向與平衡機構(元件)。首先，三個球殼包含外球殼(outer shell)200、中間球殼(middle shell)202以及內球殼(inner shell)204。三個球殼200、202、204作為三個三維(3D)飛輪。三個球殼200、202、204本身可以(或透過一儲能裝置而)儲存轉動能量。三個球殼200、202、204分別繞著α軸(α-axis)、β軸(β-axis)以及γ軸(γ-axis)旋轉。α軸、β軸以及γ軸為互相垂直的三個軸向。

外球殼200(α-DOF(degree-of-freedom))可以由α軸的致動器/旋轉構件/馬達(actuator/rotary/motor)207所驅動，亦即外球殼200可以繞著α軸而轉動，其功能與目的在於將旋轉運動轉為直線運動而使三維飛輪行動載具得以直線移動，如第二圖所示。由於只有外球殼200直接接觸外面的地面(單點接觸)，使載具處於臨界穩定(非靜態穩定)，因此驅動較容易。

中間球殼202(β-DOF)可以由β軸的致動器(旋轉構件/馬達)211所驅動，亦即中間球殼202可以繞著由β軸而轉動，其功能與目的在於藉其旋轉運動與轉動慣量(moment of inertia)，可保持行動載具平衡、穩定，以及可以使三維飛輪行動載具轉彎，如第二圖所示。從第二圖可知，從三維飛輪行動載具的前面(front)方向為轉軸，所觀看到的運動乃是透過α軸的致動器207與β軸的致動器211分別驅動外球殼200與中間球殼202的結果。

內球殼204(γ-DOF)可以由γ軸的致動器(旋轉構件/馬達)206所驅動，亦即內球殼204可以繞著由γ軸而轉動，其功能與目的在於藉其旋轉運動與轉動慣量，可保持載具(與平台(platform))的平衡、或使載具平台傾斜與α軸產生夾角以利於行動載具轉彎，如第三圖所示。從第三圖可知，從三維飛輪行動載具的側面(side)方向為轉軸，所觀看到的運動乃是透過β軸的致動器211與γ軸的致動器206分別驅動中間球殼202與內球殼204的結果。此外，從三維飛輪行動載具的上面(top)方向為轉軸，所觀看到的運動乃是透過α軸的致動器207 與γ軸的致動器206分別驅動外球殼200與內球殼204的結果，如第四圖所示。

所以，上述三個球殼200、202、204使得三維飛輪行動載具於3維的自由度(DOF)中運動。外球殼200負責行動載具的直線運動，而中間球殼202與內球殼204則負責行動載具的轉彎功能與平衡穩定。因此，三個球殼200、202、204構成三個3D飛輪，其具備了2D飛輪所應該有的所有動態響應特徵、驅動特徵、儲能特徵。此外，三個球殼200、202、204的材質可以為透明材質或不透明材質。

連結於三個球殼200、202、204的連接結構包括外框體(outer casing/frame)201以及內框體(inner casing/frame)203，用於連結三個球殼結構200、202、204。另外，外框體201以及內框體203之上也安裝飛輪驅動元件或固定導線(wires)等等。在一實施例中，外框體201以及內框體203不會隨著三個球殼(三維飛輪)200、202、204的旋轉而旋轉。舉一實施例而言，致動器的底部可以固定於外框體201或內框體203之上。在另一實施例中，致動器可以滑動接合(sliding joint)的方式與外框體201或內框體203相接，使其在外框體201或內框體203的軌道上滑動，使得致動器驅動球殼時，外框體201以及內框體203不會隨著三個球殼的旋轉而旋轉。例如，α軸的致動器207、β軸的致動器211、γ軸的致動器206的底部固定於外框體201或內框體203之上、或者滑動接合外框體201或內框體203。在一實施例中，α軸的致動器207之轉子的一端與外球殼200相連接以用於驅動外球殼200，β軸的致動器211之轉子的一端與中間球殼202相連接以用於驅動中間球殼202，γ軸的致動器206之轉子的一端與內球殼204相連接以用於驅動內球殼204。上述α軸的致動器207、β軸的致動器211以及γ軸的致動器206的數量可以不只一個，端視實際的需要或應用而有所選擇或改變。

三維飛輪行動載具中之載具平台(platform)208配置於內球殼204之中，並將內球殼204分隔為上下二個腔室，包括上腔室(upper chamber)205與下腔室(lower chamber)209。在一實施例之中，上腔室205可以容納、置放或安裝與人為可操控相關的設備或裝置，例如：控制通訊面板、監控螢幕、主控室、乘客、貨物儲藏室...等等。控制通訊面板、監控螢幕、主控室可以配置於上腔室205的前端以利於人為辨識與控制，而乘客可以坐乘於載具平台208之上，貨物儲藏室可以配置於上腔室205的後端。在一實施例之中，下腔室209可以 容納、置放或安裝與載具驅動相關的設備或裝置，例如：電子電路機械設備、電池或動力系統、伺服控制器、感測元件/天線/衛星訊號接收器、單擺平衡系統(機構)...等等。然而，上述上腔室205與下腔室209所配置的東西只是一個實施的例子，上腔室205與下腔室209內部空間配置並不限於上述之分類或種類，任何配置方法或組合都包含在本發明的範圍之中。

平衡機構210配置於載具平台208之下。舉例而言，平衡機構210配置有單擺系統、驅動元件與電控元件。驅動元件係用於驅動單擺(pendulum)。當單擺擺動時，擺錘來回移動。在另一實施例中，平衡機構210配置有陀螺儀(gyroscope)系統。陀螺儀是一種用來感測與維持方向的裝置，主要係由一個位於軸心且可旋轉的轉子構成。在此例子中，驅動元件可以驅動陀螺儀。 上述單擺與陀螺儀運動時，可以使載具平台208回復平衡狀態，以保持車身的穩定。而電控元件則用於控制以保持載具平台208之平衡，並使之不會反轉。 在一實施例中，平衡機構210與載具平台208之間係以萬象接頭相接。本發明之轉向系統設計亦可利用平衡機構210的單擺(陀螺儀)運動使車體的重心改變，產生分力以變換行動方向或維持動態平衡，並用以控制行動載具的轉向、或穩定車體的平衡。

第五與第六圖分別係根據本發明之第二實施例之三維飛輪行動載具之前視圖與側視圖。在此型態之三維飛輪行動載具中，包括三個球殼、連結於二個球殼的連接結構、致動器、載具平台、以及轉向與平衡機構(元件)。三個球殼包含外球殼200、中間球殼202以及內球殼204。中間球殼202由兩個半球型結構所組成。在一例子中，上半球型結構連接下半球型結構。三個球殼200、202、204作為三個三維(3D)飛輪。三個球殼200、202、204分別繞著α軸、β軸以及γ軸旋轉。α軸、β軸以及γ軸為互相垂直的三個軸向。三個球殼200、202、204的功能與驅動方式與第一實施例相同，在此不再贅述。

在本實施例子中，僅包括一個框體(casing/frame)201用於連結外球殼200結構以及內球殼204結構。另外，框體201之上也安裝飛輪驅動元件或固定導線等等。在一個實施例中，框體201不會隨著三個球殼(三維飛輪)200、202、204的旋轉而旋轉。舉一實施例而言，致動器的底部可以固定於框體201之上。在另一實施例中，致動器可以滑動接合的方式與框體201相接，使其在框體201的軌道上滑動，使得致動器驅動球殼時，框體201不會隨著三個球殼 的旋轉而旋轉。例如，α軸的致動器207、γ軸的致動器206的底部固定於框體201之上、或者與框體201滑動接合。β軸的致動器211的底部固定於外球殼200之上。在一實施例中，α軸的致動器207之轉子的一端與外球殼200相連接以用於驅動外球殼200，β軸的致動器211之轉子的一端與中間球殼202相連接以用於驅動中間球殼202，γ軸的致動器206之轉子的一端與內球殼204相連接以用於驅動內球殼204。上述α軸的致動器207、β軸的致動器211以及γ軸的致動器206的數量可以不只一個，端視實際的需要或應用而有所選擇或改變。

從第五圖可知，從三維飛輪行動載具的前面方向為轉軸，所觀看到的運動乃是透過α軸的致動器207與β軸的致動器211分別驅動外球殼200與中間球殼202的結果。從第六圖可知，從三維飛輪行動載具的側面方向為轉軸，所觀看到的運動乃是透過β軸的致動器211與γ軸的致動器206分別驅動中間球殼202與內球殼204的結果。此外，從三維飛輪行動載具的上面方向為轉軸，所觀看到的運動乃是透過α軸的致動器207與γ軸的致動器206分別驅動外球殼200與內球殼204的結果，如第七圖所示。α軸的致動器207、γ軸的致動器206的底部分別固定於框體201的相反表面，因此可以於框體201的相反表面滑動。

在此實施例中，三維飛輪行動載具中之載具平台208與平衡機構210可以參考第一實施例。

本發明之優點包括：i).本載具受撞擊時：(1)所有三維飛輪動力源完全消失，藉由球體車身的自由滾動與滑動，消耗與釋放撞擊能量，但內部駕駛座仍維持平衡；(2)藉由自然滾動方式消能、撞擊能量可以由撞擊點之大圓線與骨架均勻沿著大圓放射線，迅速均勻傳遞至全(內/中間/外)球殼，避免單點局部嚴重變形，因此可降低因為車體變形所造成的人員傷亡；ii).球形車殼設計亦是一個三維飛輪，可儲存旋轉動能，將旋轉運動轉變成轉為往復運動，使車體前進後退；由於與地面只有單點接觸，驅動較容易；iii).藉由單擺(或陀螺儀)運動使車體的重心改變，產生分力以變換運動方向或維持平衡，不需要繁複的機構設計與轉向驅動能量(在車身停止前進或靜止時，藉由單一或多個單擺系統之擾動維持載具穩定、車體平衡)；iv).車殼本身就是飛輪，因此不需要轉向連結機構，降低車體重量；v).可利用手機控制開車，或遠端遙控車體行動。

除描述於此之外，可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所 達成之不同改良方式，皆應涵蓋於本發明之範疇中。因此，揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明，本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。

200‧‧‧外球殼

201‧‧‧外框體

202‧‧‧中間球殼

203‧‧‧內框體

204‧‧‧內球殼

205‧‧‧上腔室

207‧‧‧α軸的致動器

208‧‧‧載具平台

209‧‧‧下腔室

210‧‧‧平衡機構

211‧‧‧β軸的致動器

Claims (10)

1. 一種由三維飛輪組成之行動載具，包含：三層球殼結構，包括外球殼、中間球殼與內球殼，其中該外球殼、該中間球殼與該內球殼係分別位於該三層球殼結構的外層、中間層與內層；至少一框體結構，用於連結該三層球殼結構；以及複數個致動器，該複數個致動器包括第一軸向致動器、第二軸向致動器與第三軸向致動器分別驅動該外球殼、該中間球殼與該內球殼，使該外球殼、該中間球殼與該內球殼分別繞著第一軸向、第二軸向以及第三軸向旋轉，該第一軸向致動器、該第二軸向致動器或該第三軸向致動器連接或滑動接合該至少一框體結構之一或連接該三層球殼結構之一。
2. 如請求項1所述之由三維飛輪組成之行動載具，更包括一載具平台配置於該內球殼之中，並將該內球殼分隔為上下二個腔室，包括上腔室與下腔室。
3. 如請求項2所述之由三維飛輪組成之行動載具，其中該上腔室係配置控制通訊面板、監控螢幕、主控室與貨物儲藏室。
4. 如請求項2所述之由三維飛輪組成之行動載具，其中該下腔室配置電子電路機械設備、電池或動力系統、伺服控制器、感測元件與平衡機構。
5. 如請求項4所述之由三維飛輪組成之行動載具，其中該平衡機構包括單擺系統或陀螺儀。
6. 如請求項1所述之由三維飛輪組成之行動載具，其中該第一軸向致動器之第一轉子的一端連接該外球殼，該第二軸向致動器之第二轉子的一端連接該中間球殼，該第三軸向致動器之第三轉子的一端連接該內球殼。
7. 如請求項1所述之由三維飛輪組成之行動載具，其中該至少一框體結構為單一框體結構。
8. 如請求項7所述之由三維飛輪組成之行動載具，其中該第一軸向致動器的底 部固定於該單一框體結構，該第二軸向致動器的底部固定於該外球殼，該第三軸向致動器的底部固定於該單一框體結構。
9. 如請求項7所述之由三維飛輪組成之行動載具，其中該單一框體結構連接該外球殼與該內球殼。
10. 如請求項8所述之由三維飛輪組成之行動載具，其中該中間球殼由兩個半球型結構所組成。