CN109922770A - 车轮组件 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于车辆(10)的车轮组件，包括：多个车轮(16、17)、分别具有相应的旋转轴线(25)的多个旋转驱动模块(18)、以及多个可旋转臂(19)，其中，多个可旋转臂中的每一者被布置为从相应的旋转驱动模块的旋转轴线径向延伸出来，以将相应的旋转驱动模块(18)耦联到多个车轮中的相应车轮(16、17)，其中，每个旋转驱动模块可操作以驱动相应的可旋转臂(19)围绕驱动模块(18)的旋转轴线(25)旋转，使得多个车轮中的相应车轮关于旋转轴线(25)旋转，该组件进一步包括控制模块，该控制模块包括用于感测阶梯地形的部件，并且响应于感测到阶梯地形，控制模块被布置为控制每个旋转驱动模块，使得多个车轮和可旋转臂围绕它们相应的旋转轴线的旋转使由多个车轮子组件支撑的车辆能够在阶梯地形上行进，其中每个车轮子组件包括单个车轮、旋转驱动模块、和可旋转臂。还提供了一种包含上述车轮组件的车辆。

Description

车轮组件

技术领域

本发明涉及用于车辆的车轮组件，尤其但非排他地涉及用于实现轮动车辆穿越诸如楼梯之类的阶梯地形的车轮组件。

背景技术

实现车辆更有效地行驶通过困难地形是陆地应用和空间应用中的主题。很多传统解决方案很复杂、庞大、笨重、繁琐、且昂贵，并且需要车辆本身进行实质修改。这使得这些解决方案对于很多用户或应用来说是遥不可及或不切实际的。

例如，很多轮椅用户经常会遇到诸如台阶或路缘之类的小障碍，并且通常使用诸如坡道板之类的手动布置设备来穿越这些障碍，尽管这在轮椅用户的移动受限的情况下是不太方便的解决方案。实现轮椅用户在没有手动干预的条件下穿越这些障碍的更复杂解决方案的示例为由Topchair公司开发的Topchair-S，是一款可以穿越楼梯段的轮椅。该***巨大且笨重，不能安装在现有的轮椅上，因此是一种旨在替代用户的轮椅的设计。该***使用类似于军用车辆或施工车辆使用的履带式起落架来跨接阶梯边缘。由于该设计代替了传统轮椅并且针对攀爬楼梯段进行了优化，其设计并没有针对在平滑地形上的行进进行优化，因此不是一般日常使用所期望的。

已知轮椅设计的另一示例是由DEKA公司设计的iBOT轮椅。相比Topchair-S，该设计是对用户的传统轮椅的替代，其操作原理基于两个偶极轮***，其中，每个偶极中的一对车轮可相对于彼此旋转，以方便穿越特定地形。该设计比较复杂，在每个车轮组件中都需要多个车轮，并且在使用中，通常需要轮椅在每对的仅单个车轮上进行平衡，因此这在本质上是一种不稳定的布置。另外，这款轮椅比较昂贵。

设计用于行驶通过空间中的困难地形的车辆的示例是由NASA开发的作为用于可能的未来航天任务的雏形的全地形六足地外探测器(ATHLETE)。ATHLETE是能够通过抬高和降低肢体在地形上“行走”的配置。肢体具有作为“脚”的车轮，进一步促使地形穿越。因此，该设计表示用于特定应用的独立车辆，并且由于行走动作是通过重复抬高和降低每个肢体的往复运动实现的，车辆的前进缓慢，因为，每个肢体运动必须被分别计算并且通过在肢体移动方向的每次改变之间进行车辆重置来处理。

因此，需要一种用于实现车辆穿越地形的改进机构，其具有广泛可用性、便利性以及定制灵活性，并且不需要车辆本身进行实质性重配置。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于车辆的车轮组件，包括：多个车轮、分别具有相应的旋转轴线的多个旋转驱动模块、以及多个可旋转臂，其中，多个可旋转臂中的每一者布置为从相应的旋转驱动模块的旋转轴线径向延伸出来，以将相应的旋转驱动模块耦联到多个车轮中的相应车轮，其中，每个旋转驱动模块可操作以驱动相应的可旋转臂关于驱动模块的旋转轴线旋转，使得多个车轮中的相应车轮关于旋转轴线旋转，该装置还包括控制模块，该控制模块包括用于感测阶梯地形的部件，并且响应于感测阶梯地形，控制模块被布置为控制每个旋转驱动模块，使得多个车轮关于它们相应的旋转轴线的旋转使由多个车轮支撑的车辆能够在阶梯地形上行进。

控制模块可以被布置为同时控制至少两个旋转驱动模块。

多个车轮可以包括有动力的不可转向车轮和无动力的可转向车轮，或者有动力的可转向车轮和无动力的不可转向车轮。

车轮组件可以包括用于控制多个车轮中的至少一者到相应的可旋转臂的耦联的机构，以在车轮关于其相应的旋转驱动模块的旋转轴线旋转时将多个车轮中的至少一者保持在相对于车轮组件的固定方位。

车轮组件可以包括用于通过多个有动力的车轮中的至少一者围绕穿过这些有动力的车轮中的至少一者的中心的轴线旋转来线性地驱动车轮组件的驱动部件。

控制模块可以被布置为在多个车轮中的至少一者布置在不接触地形的位置时，控制线性驱动部件驱动车轮组件。

控制模块可以被布置为控制多个旋转驱动模块中的每一者，使得耦联到旋转驱动模块的相应车轮按照表示步行步态的顺序移动，使得多个车轮中的至少两者被放置在地形上，并且多个车轮中的至少一者在上述顺序期间的时间点不接触地形。

控制模块可以被配置为确定由车轮组件支撑的车辆的质量中心，并且可被布置为控制多个驱动模块中的每一者，使得随着车辆移动通过地形，车轮组件的质量中心的位置使得车辆平衡。

多个车轮中的每一者可以具有围绕其相应的旋转轴线的一个或多个回转(revolution)的自由。

用于感测阶梯地形的部件可以包括红外和/或光学传感器。

控制模块可以存储地形轮廓并且响应于使用感测部件辨认出所存储的地形轮廓而提供控制。

控制模块可以存储与车轮组件和由车轮组件支撑的车辆的尺寸有关的信息，并且可以被布置为基于所存储的信息来确定并输出关于车辆在所感测的地形上是否能够行进的指示。

根据本发明的另一方面，提供了一种配备有上述车轮组件的车辆。

车辆可以为轮椅，该轮椅包括超控机构，该超控机构用于允许轮椅的用户超越(override)控制部件的控制，从而手动控制多个车轮。

车辆可以包括车辆的车架上的接触表面，以使车辆在多个车轮的移动顺序期间被支撑在地形上。

本发明实施例的车轮组件表示可被添加到现有车辆以代替或使用当前车轮并且允许车辆穿越阶梯或不平坦地形的模块化***。这意味着车轮组件实现了比已知设计更大的定制灵活性。例如，本发明的技术方案可以应用于轮椅、轮式扶车、电动代步车、超市手推车、运输设备、便携婴儿车、用于地球或其他星球的机器人行走台或探测车、玩具或玩赏车、消费车辆、全地形车、以及用于军用运输的车辆。该***还可以被具体优化用于穿越诸如有限数目的台阶或路缘之类的小障碍、或者用于较大台阶段或移动障碍或变化地形，并且同时可以确保平衡并实现安全可靠的移动性。

对旋转的车轮组件的智能控制使得车辆具有可以适应其所通过的地形的电子智能悬架。为移动车架主体的质量中心并改变车架主体的位置和方位而作出改变是可行的。通过对附加的力反馈***的修改，可以预见到该***可以对表面变化和负载作出反应，并且还可以顾及***前方的地形信息。通过对控制软件的使用，可以在行驶通过不平坦地形的同时，满足诸如车架的稳定水平方位的设计目标。

附图说明

将仅通过示例的方式参考所附附图来描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明实施例的车轮组件所附接到的轮椅的侧视图；

图2示出了根据本发明实施例的车轮组件所附接到的轮椅的底视图；

图3示出了从侧面看时本发明实施例的车轮组件的右前车轮子组件的配置；

图4示出了当从前面看时图3所示的右前车轮子组件的配置；

图5至图13示出了在使用本发明实施例的车轮组件时车辆攀爬台阶的运动顺序；

图14示出了用于根据本发明另一实施例的车轮组件中的车轮的驱动机构；以及

图15是根据本发明实施例的车轮组件的***示图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的车轮组件所附接到的轮椅10的侧视图。将仅描述作为车轮组件能被附接到的车辆的类型示例的轮椅10，并且应领会的是，替代车辆可以与本发明的车轮组件兼容。图2示出了图1中示出的轮椅10的底视图。

轮椅包括传统车架11，传统车架包括座椅12、座椅靠背13、扶手14以及搁脚板15。轮椅还具有两个无动力的可转向前轮16a和16b、以及两个有动力的不可转向后轮17a和17b。后轮17a和17b被示出为比前轮16a和16b大，并且承载用户和轮椅10的大部分质量，从而促使用于转向的前轮16a和16b的移动。

轮椅10的四个车轮是本实施例的车轮组件的一部分。轮椅组件还包括四个旋转驱动模块(其中的三个18a、18b、18c可以从图1和图2所示的视角看到)、和四个可旋转臂19a、19b、19c、19d。旋转驱动模块18a、18b、18c安装在轮椅10的车架11上，并且每个可旋转臂19a、19b、19c、19d从相应的旋转驱动模块延伸出来，以耦联四个车轮16a、16b、17a、17b中相应的一个车轮，可旋转臂19a、19b、19c、19d耦联到相应的旋转驱动模块的可旋转元件并且通过车轮的轮轴处的耦联部段耦联到相应的车轮16a、16b、17a、17b。可旋转臂19a被示出为从旋转驱动模块18a延伸到左前轮16a，可旋转臂19b被示出为从旋转驱动模块19b延伸到右前轮16b，可旋转臂19c被示出为从旋转驱动模块18c延伸到左后轮17a，可旋转臂19d被示出为从被右后轮17b遮住的旋转驱动模块延伸出来。

车轮组件还包括控制模块和包含在壳体20中的用于为车轮组件的组件提供动力并且驱动这些组件的相关电气硬件。控制模块向每个旋转驱动模块18a、18b、18c提供激活信号，以使旋转驱动模块18a、18b、18c提供围绕相应旋转轴线的旋转驱动。激活信号可以是耦联到相关联的驱动电路的双态接通/关断信号，或者可以包含定义旋转程度的数据或控制字(取决于所使用的旋转驱动模块的特定实施方式)。

每个旋转驱动模块18a、18b、18c的旋转轴线在基本与后轮17a、17b的轮轴平行的方向上延伸。由于前轮16a、16b在所示出的配置中是可转向的，所以它们可以相对于前轮旋转驱动模块18a、18b的旋转轴线旋转，尽管很明显的是，旋转轴线的具体配置取决于特定车辆和车轮组件。在图1的情况中，例如，旋转轴线垂直于轮椅10的侧面的平面延伸，如参考图3和图4所示。

根据本发明的实施例，旋转驱动模块的驱动使得相应的可旋转臂围绕旋转驱动模块的旋转轴线旋转，旋转臂耦联到旋转驱动模块在旋转轴线处的可旋转元件。以这种方式旋转可旋转臂进而使得车轮的中心关于旋转轴线旋转。

图3示出了从侧面看时本发明实施例的车轮组件的右前车轮子组件21的更详细配置。如上所述，右前轮的存在取决于计划使用车轮组件的车辆的车轮的配置和分布，并且被描述以帮助说明本发明。图4示出了从前面看时图3中示出的右前车轮子组件21的配置。图3和图4所示的配置在本文中被称为本发明实施例的车轮组件的子组件，车轮组件包括取决于车辆的车轮数目的多个子组件。在本实施例中，每个子组件包括单个车轮、旋转驱动模块以及可旋转臂。

如图3中所示，车轮16b的中心经由轮轴22和耦联部段23耦联到可旋转臂19b。可旋转臂19b可以偏离车轮16b的中心，使得耦联部段23被弯成弧形或弯曲。这实现了对车轮组件，尤其是车轮组件中的车轮到轮椅的安装的优化。在本实施例的修改方案中，可旋转臂19b不需要偏离车轮16b的中心，所以耦联部段23可以是直的和/或可以与可旋转臂19b为一个整体。耦联部段23到轮轴22的固定、以及耦联部段23到可旋转臂19b的固定可以采用胶粘耦联或者经由螺丝、销等的机械耦联或它们的组合的形式。

可旋转臂19b耦联到旋转驱动模块18b的可旋转元件24。在本实施例中，旋转驱动模块18b是有刷直流电动机，但是可以替代地使用无刷电动机。电动机可以是具有可以经由适当控制信号控制的旋转角的步进电动机。旋转驱动模块18b的旋转轴线25在图3和图4中示出。旋转轴线25可以是电动机转子的旋转轴线的转换版本。在图3所示的配置中，例如，转子可以被容纳在旋转驱动模块18b的壳体中，并且耦联到旋转轴的锥齿轮***可以使电动机的转子的旋转转换到图3中示出的旋转轴线25的方向。顺时针、逆时针、或者两个方向的旋转都是可行的。为了方便，示出了顺时针旋转。在旋转驱动模块18b操作时，使得车轮16b关于旋转轴线25旋转。可旋转臂19b可以一直围绕旋转轴线25自由旋转而不受限制。

关于车轮的相应旋转驱动模块的旋转轴线旋转车轮的能力提供了相对于轮椅的车架以连续或基本连续的运动(无需使运动方向的往复中断)抬升或降低车轮的能力，如下面更详细地示出的。通过驱动多个车轮旋转，在控制模块的控制下，可以设计使得步行步态或部分类似步行的步态被模拟的每个车轮的移动顺序，并且车轮组件的步行步态使得轮椅能够穿越阶梯地形。例如，在左前轮和后轮位于地形上的情况中，右前轮可以被旋转到使得其能够被放置在轮椅前面的台阶上的位置。一旦右前轮在台阶上，左前轮就可以类似地被放置在台阶上，并且轮椅随后可以通过后轮的类似步行步态和轮椅的适当推进被抬上台阶。但是，并不必要将步态认作是步行步态，因为步行步态仅仅是实现本发明的效果的的步骤顺序的典型示例。

图5至图13示出了可以由根据本发明实施例的车轮组件所附接到的轮椅(图1和图2所示的轮椅10)执行的攀爬台阶的过程。本示例中的台阶可以是相对传统的台阶，具有大约20cm的高度。如上所述，轮椅仅仅是示例性车辆，所示出的移动原理可以应用于任何合适的车辆。另外，移动原理可以应用于多个台阶，而不管是上升方向还是下降方向，也不管是前进方向还是后退方向，并且台阶可以替代地为其他障碍或者不平坦地形的部分。运动方向由虚线示出，并且相对于图中所示的角度来定义术语“顺时针”和“逆时针”。例如，左前轮通过其相应的可旋转臂的“逆时针”运动对应于在旋转驱动模块的旋转轴线向后时车轮向前移动以及在旋转轴线向前时向后移动的运动。

图5示出了轮椅靠近台阶30。传感器(未示出)感测台阶30的存在。传感器可以是诸如红外测距仪、超声波测距仪之类的任何适当接近度传感器或者诸如相机视觉***(执行边缘和/或表面检测或者适于检测台阶的其他图像处理)之类的光学***。

传感器向车轮组件的控制模块提供信号，该信号提供即将遇到的台阶的指示，控制模块20被容纳在轮椅10的车架11下方。控制模块将允许轮椅10靠近台阶30，直到轮椅处于与台阶30相隔预定距离d(在前轮16和台阶30之间测得，尽管轮椅也可以从车架11的其他部分(例如，搁脚板15)测得)的位置为止。预定距离d是为轮椅10提供开始攀爬顺序的充分空间的距离，如下面将描述的。

与本实施例有关地示出的轮椅通过附接到后轮17的机械驱动组件(未示出)被提供以动力，这些机械驱动组件与车轮组件的控制模块相接口。这样，控制模块不仅能够控制车轮组件在图3和图4所示的旋转效果方面的操作，而且能够控制后轮17围绕自己的中心轴线的驱动以驱动轮椅10向前或向后移动。当轮椅10到达与台阶相隔预定距离d的位置时，控制模块停止对后轮17的驱动。

图6示出了准备使轮椅10攀爬台阶30的过程。后轮17a被降低，这将上抬轮椅的前端，从而将搁脚板15抬高到台阶高度之上。后轮17的降低可以通过在图6中示出的方向(在左后轮的情况下为逆时针方向)旋转后车轮子组件的可旋转臂19来实现，这具有旋转后轮17以使得它们相对于轮椅车架11的高度改变，从而使得它们相对于前轮16的距离增加的效果。轮椅10的车架11如图所示在重力的作用下倾斜。在图6的配置中，所有四个车轮保持与地面接触。

如上所述，通过旋转驱动模块18对后轮17的旋转使得用户的脚和轮椅10的搁脚板15高于将攀爬的台阶30的角度，并且该旋转角度由控制模块基于从可以用来确定台阶30的高度的地形传感器接收到的信息来控制。

图7示出了用于攀爬台阶的步行步态的第一阶段。由于轮椅10的搁脚板15的高度高于将要攀爬的台阶30，所以轮椅10能够相对于台阶30短距离向前移动，直到前轮16接近台阶面，搁脚板15越过(clear)台阶30的上顶部。搁脚板随后停止，轮椅10的左前轮16a通过其相应的旋转驱动模块(未示出)和可旋转臂19a在逆时针方向的旋转运动被抬起。此时，轮椅10中仅三个车轮接触地形，因为左前轮16a悬停在地形上方。左前轮16a关于其旋转驱动模块的旋转轴线的旋转在相同的逆时针方向继续，直到车轮16a接触台阶30的顶部。在到达台阶顶部后，左前轮16a的旋转停止，并且由右前车轮组件通过其旋转驱动模块(未示出)的旋转来执行相同的车轮抬升过程。顺序的该步骤在右前轮处于台阶30的顶部时结束，并且结果在图8中示出，其中，所有四个车轮都接触地形，后轮17接触台阶30的下表面，前轮16接触台阶30的上表面。

左前轮和右前轮的交替运动在一些实施例中可以被认为表示整个运动顺序的“步行”步态，类似于步行期间一对肢体中的每个肢体的交替运动。

该顺序的下一步骤在图9中示出，并且包括轮椅10向台阶30移动，使得后轮17接触或接近台阶30的正面。当轮椅10被向前驱动时，轮椅10的抬升通过一致地旋转四个车轮中每个车轮的可旋转臂19来实现。前轮16和后轮17以相反的方向旋转，使得后轮17以顺时针方向旋转，而前轮16以逆时针方向旋转，如图所示。使用相反的旋转方向是因为在顺序的前一步骤中前轮和后车轮子组件的可旋转臂在图8的配置(其中，前轮16的可旋转臂从车架11向前延伸，同时后轮17的可旋转臂从车架向后延伸)中在相反的方向上延伸。相应地，可旋转臂的旋转是为了通过相对于地形推车轮16和17提供对轮椅10的抬升效果。抬升运动能够为轮椅10的起落架(其提供了用于车轮组件的控制模块的壳体20)提供越过台阶30的边缘的准备。

顺序的下一步骤在图10和图11中示出，并且类似于图7和图8所示的步骤，除了后轮的旋转由它们相应的可旋转臂而不是前轮的旋转驱动。在本实施例中，左后轮17a通过其相应的可旋转臂19c在逆时针方向上的旋转被抬升，直到该车轮到达台阶30的顶部。在该旋转动作期间，只有三个车轮接触地形。一旦左后轮17a到达台阶30的顶部，右后轮(未示出)的相应旋转被执行，直到其到达台阶30的顶部为止。因此，后轮的运动表示步行步态。

在所有四个车轮都处于台阶30的顶部后，该顺序的下一步骤是将轮椅10抬升到其可以自由地沿地形移动的位置的过程。抬升运动确保了用于轮椅10的起落架的充足间隙，并且通过所有四个可旋转臂19在逆时针方向上的旋转来实现，以将车轮16和17推到地面中并且随后向上推动车架11，如图12所示。轮椅10随后可以自由地继续行进，如图13所示，并且另外的台阶攀爬可以通过重复上述整个步行顺序来执行。

在本实施例中，车轮组件的控制模块控制上述顺序的每个阶段的时序和操作，以使车轮组件安装到的车辆能够穿越地形。

控制模块可以包括存储计算机可执行指令的微控制器，这些计算机可执行指令在被执行时控制车轮组件以使车辆能够穿越地形。在替代实施例中，控制模块可以完全以硬件实现来实现，或者完全以软件来实现，或者以软件和硬件的组合来实现。控制模块可以包括接口(诸如，通用串行总线(USB)插座或其变形、或I2C、RS232、CAN数据总线等)、无线通信链路(诸如WiFi、蓝牙)，以实现对控制模块的编程或更新。控制模块可以包括用户界面，以向用户提供状态或诊断信息或者实现对上述部署顺序的步骤的控制。

因此，控制模块可以被编程为预先确定步行顺序的一些方面，但是步行顺序的其他方面可以进行中确定，例如，障碍的大小或台阶的高度由地形传感器确定。地形传感器可以使用边缘和/或表面检测进行操作，例如，以使得其能够检测到地形表面中的上下起伏。

可以通过使用旋转传感器、可旋转臂或旋转驱动模块上的旋转编码器确定可旋转臂和/或车轮已经到达特定的起始或结束位置，使得子组件和车轮组件作为整体的配置可以由控制模块确定并控制。例如，在旋转驱动模块使用步进电动机的情况下，步进电动机的旋转角度可以基于控制模块已知的可旋转臂、车轮、车辆、以及将穿越的地形的尺寸，根据可旋转臂的目标位置确定。也可以使用电位计作为旋转编码器的替代，如本领域技术人员将理解的。

在上述实施例的修改方案中，控制模块可以提供智能控制，以在车辆穿越地形时保持车辆的特定方位。例如，在车辆为轮椅的情况下，期望控制轮椅一直保持水平，最小化用户不舒适感。为了保持这种平衡和/或方位，车轮组件可以配备有诸如陀螺传感器和重力传感器之类的平衡传感器，用于确定整个车辆的质量中心，并且控制模块可以从平衡传感器接收信息，并经由例如一系列微小尺寸的移动或调整，根据来自平衡传感器的反馈来控制特定子组件的移动。在一些实施例中，如果通过感测车辆从一边到另一边的摇摆确定车辆正在变得不稳定，则可以降低可旋转臂驱动车轮旋转的速度。在另外的实施例中，可以控制各个车轮或车轮子组件的驱动，以在关于图5至图13所描述的顺序期间，提供在使用另一车轮组件执行抬升或降低操作时保持车辆的平衡的运动。

控制模块可以使车轮组件的整个步行顺序作为连续步骤顺序自动进行。替代地，控制模块可以被配置，使得多个步骤在后续步骤可以进行之前需要来自用户的提示。在进一步的修改方案中，用户可以有重复、退回、或暂停步行顺序的特定方面的能力，以校正可能出现的任何定位误差。这个特征可以适用于确保车辆平衡的维持，或者为了应对由于外部目标的引入所导致的变化地形，或者在车辆的重量的作用下地形表面的塌陷或改变。这种用户控制也可以采用使控制模块的操作被超控并被手动控制的超控按钮的形式，例如，以阻止攀爬台阶。

在上述实施例中，指定对车辆的后轮的驱动可以由控制模块来控制。但是，在替代实施例中，车辆被手动提供以动力或者经由独立于车轮组件被控制的自动***被提供以动力并不重要。在这种自动***中(至少一个车轮被提供以动力)，本发明实施例的车轮组件与可驱动和不可驱动车轮的任意组合兼容。

在这些实施例中，控制模块可以在用户界面上向用户显示导航，以提示用户在步行顺序的特定阶段(例如，与图5相关示出的台阶接近)控制车辆的驱动运动，并且控制模块可以仅控制旋转驱动模块对车轮的旋转。与车辆在图5所示的接近途中所停的地形上的台阶或障碍相隔的预定距离可以由控制模块计算出来，使得后续步行顺序安全并保持车辆的平衡。如果车辆停得离台阶太近，例如，可能需要陡峭的攀爬或下降角度(这是危险的)；同时，如果车辆停得离台阶太远，则可能更难确保车辆的前轮在该顺序期间被安全放置在台阶上。

如上所述，本发明的车轮组件可以安装在任何期望车辆上，并且控制模块可以被适当地配置用于每个应用。车辆的性质可以确定将要控制的车轮的数目。将领会的是，例如，不同的车辆设计可能需要比结合上述实施例示出的四个车轮更多或更少的车轮。例如，一些轮椅设计可以具有六个或八个车轮，一些车辆可以具有三个车轮等。另外，可以使用脚轮或滚筒来代替车轮，并且足够宽度的两个滚筒可以足够平衡车辆。在本文中，术语“车轮”可以与“脚轮”和“滚筒”互换使用。在每种情况中，车轮组件应该包含所需要移动特定的车轮/脚轮/滚筒以实现所需要的车辆运动的数目的子组件。本发明实施例的车轮组件可以安装在车辆的车架上，并且车辆的车轮可以在车轮组件被安装之前先被集成到车轮组件中，使得不一定使用一组新车轮。因此，车轮组件可以利用车辆的车轮的优点，例如，使用的材料或者在车辆上的不同位置处车轮形状和宽度的分布。

在需要大量车轮的实施例中，可行的是，控制模块可以同时移动多个车轮，以增加穿越地形的速度。例如，在车辆的长度跨越地形上的多个不规则形状的情况下，以及在特定群组的车轮被需要在车辆跨越地形的进程中的任何特定阶段穿越特定的不规则形状的情况下这是合适的。在这些实施例中，控制模块可以被布置为并行发动并控制特定群组的车轮的步行顺序，并且地形传感器可以被配置为可以与特定车轮相关联地并行执行多个地形感测操作。

根据本发明实施例的车轮组件包括多个车轮，以使得存在至少两个车轮来实现步行顺序。但是，也可能并不是车辆的每个车轮/脚轮/滚筒都需要能够按照参考本发明的车轮组件所示的方式旋转。因此，根据一些实施例的车轮组件不需要包含与期望安装到的车辆相同数目的车轮。例如，车辆可以包含图1所示的四个车轮，但是可以包含固定到车架并且不能按照针对根据本发明的车轮组件所示的方式旋转的两个额外的车轮，尽管所固定的车轮围绕其中心轴线的旋转是可行的。这种固定车轮可以在车辆横穿台阶边缘(例如，通过使车辆滚过障碍物)时为车辆提供支撑，或者帮助在步行顺序期间支撑车辆(其中，并不是车辆的所有车轮都接触地形)。也可以是以下情况，即这些固定车轮本身不能围绕它们的中心轴线旋转，并且替代地可以采取安装到车轮组件的壳体的硬凸起等的形式(这有助于平衡车辆)。这些凸起可以经橡胶化的或者可以包含表面粗糙度，以增加与地形的摩擦连接。在存在少量(例如，四个或更少)车轮的情况下，这些凸起对于在一个车轮被从地形抬起时平衡车辆尤其有用。在一些实施例中，车轮和支撑凸起可以被配置为，在车轮组件的操作期间的任意时间点，车轮组件和地面之间存在最少三个接触点。这些凸起可以安装到车辆车架或者车轮组件的壳体。

本发明的车轮组件的优点在于，子组件的每个车轮一直可以围绕可旋转臂的旋转轴线旋转而不受限制，这表示车轮组件作为整体的显著自由度，并且促使车辆在各种地形上的移动。空间上可能的连续运动使得多个运动顺序被连续执行，例如，攀爬台阶段。另外，车轮被自由旋转的能力避免了为使车轮在往复运动的肢体上移动而对***重置的需要。例如，可以看出，在图5至图13所示的前车轮组件中，左前子组件的可旋转臂在该顺序期间仅在顺时针方向旋转。在可旋转臂围绕其旋转轴线的一个完整的回转期间，完成一个台阶的步行顺序。尽管图5至图13所示的后车轮组件的可旋转臂被示出为在顺时针和逆时针两个方向旋转以帮助抬升和倾斜操作，但是将领会的是，对于某些地形和车辆尺寸，可以省去这些操作。例如，在车辆的前轮从第二台阶攀爬到第三台阶的同时，车辆的后轮可以从第一台阶攀爬到第二台阶。这种配置中的步行步态可以通过同时移动左前轮和右后轮(在四轮配置中)，并且同时移动右前轮和左后轮实现，以便最大化车辆的平衡，并且后轮的可旋转臂将在每个台阶攀爬操作中完成单次回转。在本实施例中，可以经由滑动机构等调节前轮和后轮之间的距离，以适应提前知道的特定地形轮廓，并促使前轮和后轮的平滑的同时操作。

在一些实施例中，控制模块可以通过构建并在本地存储一系列已知地形轮廓和地理位置(例如，定义诸如平滑度、陡峭度、波动频率、地形材料等多个参数之一)，学习新地形从而识别未来的地形。在感测特定地形时，可将感测到的地形的一个或多个方面与表示所存储的轮廓的数据集中的对应方面进行比较。这在旨在车辆在数目相对较少的位置中重复使用的情况下或者在移动顺序将被重复以使得车辆可以穿越楼梯间中的一系列楼梯的情况尤其有利。

另外，在一些实施例中，控制模块能够基于所存储的轮廓，或者仅基于来自地形传感器的信息确定车辆是否能够穿越特定地形，并经由诸如显示器之类的用户界面向用户提供相应指示。可以通过工厂配置或者经由用户界面，利用定义车辆的尺寸和特定公差(例如，车辆的最大允许倾斜或下降角度)的信息配置控制模块，并且控制模块可以基于该信息比较即将遇到的地形和所存储的车辆信息，以确定车辆实际上是否可以以预定约束在地形上移动。在一些实施例中，地形传感器可以被称为“环境”传感器，因为除了测量地形以外，还可以测量与两个障碍物之间的宽度或悬在地形上的障碍物的高度有关的三维信息，以确定车辆是否可以通过这些障碍物之间的缝隙。

图14示出了本发明的另外的实施例的车轮组件的前车轮子组件的驱动组件35。驱动组件35对应于前述实施例的可旋转臂的修改版本和旋转驱动模块。

车轮子组件包括用于将车轮(未示出)耦联到驱动机构36和三齿轮机构37的车轮装配件35，其中，三齿轮机构37耦联在旋转驱动模块38的可旋转元件和车轮装配件35之间。

三齿轮机构37进行操作，以在车轮组件的步行顺序期间将车轮装配件35保持在相对于地形的固定方位。在本实施例中，固定方位垂直于基本平坦的地形，从而匹配图14所示的车轮匹配件35的纵向范围。

旋转驱动模块38生成围绕旋转轴线39的旋转驱动，该旋转驱动使得三齿轮机构37围绕三齿轮机构37的枢转轴线旋转。枢转轴线可以与旋转轴线39相同，但是可以根据三齿轮机构37的装配表面40到旋转驱动模块38的耦联的性质偏离旋转轴线。在本实施例中，出于说明的目的，假设三齿轮机构37的枢转轴线与旋转轴线39相同，并且三齿轮机构37在逆时针方向向右旋转。

三齿轮机构37的第一齿轮41固定到驱动机构36的结构，以使得该第一齿轮随三齿轮机构37的装配表面40相对于驱动机构36的结构移动而相对于该装配表面移动。在本实施例中，在三齿轮机构37在顺时针方向旋转时，第一齿轮40在顺时针方向旋转。因此，第二齿轮42在逆时针方向旋转，第三齿轮43在顺时针方向旋转。

第三齿轮43在顺时针方向相对于装配表面40的旋转使得车轮装配件35在顺时针方向旋转地偏离装配表面40，并且该偏离使得其对应于由旋转驱动模块38导致的三齿轮机构37的装配表面40的旋转量(尽管取决于所使用的齿轮的大小)，但是不必须是这种情况。车轮装配件35的偏离被配置为使得车轮装配件35相对于驱动机构36保持在相同方位。

本实施例的驱动机构36包括用于将驱动机构36紧固到车辆的车架45并且用于支撑机构36的附加部件44。整个驱动机构36可以使用诸如增材制造之类的技术制造。

替代图14的配置，可以使用滑轮和传送带***来保持车轮装配件和车轮的方位，并且还可以使用专用驱动***来驱动车轮装配件相对于车辆车架的角度。代替三齿轮***，还可以使用更大数目的齿轮的***或者诸如行星齿轮或谐波齿轮之类的不同齿轮***。

通过将车轮装配件的方位保持在固定方向，可以减少在步行顺序期间旋转车轮所需要的空间。这可以有利于促使车轮组件到车辆的耦联。

图15是根据本发明实施例的车轮组件50的构件的***示图。如上所述，车轮组件50的构件的精确数目取决于期望车轮组件50装配到的车辆，并且本实施例假设存在对应于n个以上车辆车轮的n个子组件51-1、51-2、...、51-n，其中n大于等于2。

车轮组件的操作中心是装配到车轮组件壳体53的控制模块52。根据所示出的实施例的壳体还包含用于为控制模块42和旋转驱动模块提供动力的动力源54(例如，电池)。电池可以由车辆本身结合自动车轮驱动***提供。

控制模块52包括用户界面55和超控按钮56(诸如显示器和操纵杆)，尽管这些构件并不是必需的，尤其是在接口由车辆的单独控制***提供的情况下。

每个子组件51-1、52-2、...、51-n包括旋转驱动模块57、可旋转臂58和车轮59，如结合图3和图4所示。每个旋转驱动模块57由控制模块52提供的信号控制，以影响车轮59关于旋转驱动模块57的旋转轴线在一个或两个方向的旋转，并且控制模块52被编码为执行车轮59的运动顺序以使车辆穿越特定地形。运动顺序可以表示步行步态，但是将领会的是，这些顺序不需要完全对应于这样的步态。在控制模块52和子组件51-1、51-2、...、51-n之间示出了双向数据通信线路，以表示从确认车轮59的位置的旋转编码器提供的反馈。

还将领会的是，在一些实施例中，控制模块52可以被配置为耦联到控制每个各个子组件的多个从控制模块51-1、51-2、...、51-n的主控制模块，该主控制模块提供时序信号和总***控制，同时从控制模块提供用于旋转驱动模块57的控制信号。

另外，车轮组件50包括地形传感器60(也被称为环境传感器)，该地形传感器感测车轮组件50附接到的车辆的即将遇到的地形和/或环境，该地形传感器与控制模块52相接口以提供有关地形的识别的信息以及指示车辆是否有可能穿越即将遇到的地形的特定区段的信息。如上所述，在本实施例的修改方案中可以使用多个地形传感器。

车轮组件50的壳体53可以附接到车辆的适当部分(例如，起落架、动力舱、连接桥、操纵盘等)。根据车轮组件50被附接的方式，壳体53可以包含不同于图15所示的构件子集。例如，电池54、控制模块52、以及地形传感器60可以被容纳在壳体53中，而车轮子组件51-1、51-2、...、51-n可以分布在车辆上，但是在具有少量车轮的配置中，例如，可以将车轮子组件51-1、51-2、...、51-n(不包括车轮)容纳在壳体53自身中接近车轮的车辆区域(例如，起落架)中，如图2所示。

将领会的是，对于本发明的多个修改是可能的，并且所描述的不同实施例的可兼容方面可以结合起来实现对车辆车轮的驱动以跨过特定地形。因此，所描述的实施例不应该被理解为限制性的，而是作为本发明的示例，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (15)

1.一种用于车辆的车轮组件，包括：

多个车轮子组件，其中，每个车轮子组件包括：

单个车轮；

具有旋转轴线的旋转驱动模块；以及

可旋转臂；

其中，所述可旋转臂被布置为从所述旋转驱动模块的旋转轴线径向延伸出来，以将所述旋转驱动模块耦联到所述车轮；

其中，所述旋转驱动模块可操作以驱动所述可旋转臂关于所述驱动模块的旋转轴线旋转，使得所述车轮关于旋转轴线旋转；

所述装置还包括控制模块，该控制模块包括用于感测阶梯地形的部件，并且响应于感测到阶梯地形，所述控制模块被布置为控制所述多个车轮子组件中的所述旋转驱动模块，使得相应车轮关于相应旋转轴线的旋转使由所述多个车轮子组件支撑的车辆能够在所述阶梯地形上行进。

2.如权利要求1所述的车轮组件，其中，所述控制模块被布置为同时控制所述多个车轮子组件中的所述旋转驱动模块中的至少两个旋转驱动模块。

3.如权利要求1或2所述的车轮组件，其中，所述多个车轮子组件中的所述车轮包括由电动机提供动力的不可转向车轮和不由电动机提供动力的可转向车轮。

4.如权利要求3所述的车轮组件，包括用于对所述多个车轮子组件中的车轮到相应的可旋转臂的耦联进行控制的机构，以在所述车轮关于它们相应的旋转驱动模块的旋转轴线旋转时将所述车轮保持在相对于所述车轮组件的固定方位。

5.如权利要求3或4所述的车轮组件，包括驱动部件，所述驱动部件用于通过多个有动力的车轮中的至少一者围绕穿过所述有动力的车轮中的所述至少一者的中心的轴线旋转来线性驱动所述车轮组件。

6.如权利要求5所述的车轮组件，其中，所述控制模块被布置为：在所述多个车轮中的至少一者被布置在不接触所述地形的位置时，控制用于线性驱动所述车轮组件的所述驱动部件驱动所述车轮组件。

7.如权利要求5或6所述的车轮组件，其中，所述控制模块被布置为：控制所述多个车轮子组件中的所述旋转驱动模块中的每一者，使得耦联到所述旋转驱动模块的相应车轮按照表示步行步态的顺序移动，使得所述多个车轮子组件中的所述车轮中的至少两者被放置在所述地形上，并且所述多个车轮子组件中的所述车轮中的至少一者在所述顺序期间的时间点不接触所述地形。

8.如权利要求5至7中任一项所述的车轮组件，其中，所述控制模块包括用于确定由所述车轮组件支撑的车辆的质量中心的部件，并被布置为控制所述多个车轮子组件中的所述驱动模块中的每个驱动模块，使得随着所述车辆移动通过所述地形，所述车轮组件的质量中心的位置使得所述车辆平衡。

9.如任意权利要求中任一项所述的车轮组件，其中，所述多个车轮子组件的所述车轮中的每个车轮具有围绕其相应的旋转轴线进行一个或多个回转的自由。

10.如任意权利要求中任一项所述的车轮组件，其中，所述用于感测阶梯地形的部件包括红外和/或光学传感器。

11.如权利要求10所述的车轮组件，其中，所述控制模块存储地形轮廓并且响应于使用所述感测部件辨认出所存储的地形轮廓而提供控制。

12.如权利要求10或11所述的车轮组件，其中，所述控制模块存储与所述车轮组件和由所述车轮组件支撑的车辆的尺寸有关的信息，并且被布置为基于所存储的信息来确定并输出关于所述车辆在所感测的地形上是否能够行进的指示。

13.一种车辆，配备有如前述权利要求中任一项所述的车轮组件。

14.如权利要求13所述的车辆，所述车辆为轮椅并且包括超控机构，该超控机构用于允许所述轮椅的用户超越所述控制部件的控制，以实现对所述多个车轮子组件的手动控制。

15.如权利要求14所述的车辆，包括所述车辆的车架上的接触表面，以使所述车辆在所述多个车轮的移动顺序期间被支撑在所述地形上。