很久就已经知道，轮子可以协助运送装置的运送。但是，具有传 统轮子的运送装置确实存在许多缺点，有时使得这类轮子不适用于专 门的用途。传统轮子有问题的一个例子是用于运送临时或永久残废人 的轮椅。采用传统的轮子，这种轮椅通常操作起来非常麻烦，往往不 能通过靠步行很容易通过的弯曲路径。
已经研制了多种轮子和有轮的装置，它们的确可以使得如轮椅之 类的运送装置通过用传统轮子不能通过的路径。在国际公布号WO 93/20791中描述了一种特殊装置例子。该申请描述了一个有轮底架， 底架至少具有一个驱动轮。用一个可转向的支承把轮子与底架连接， 转向支承从底架沿着垂直于地面(轮子被设计成在它上面行进)作延 伸。轮子本身包括一个装在转向支承上的轴承体，以及一个可相对于 轴承体转动的轮件。轮子具有一个轮面件，轮面件绕着轮子周边延伸， 它是轮子在地面上行进时轮子与地面接触的轮子部分。该申请中所述 轮子的特征在于：轮子的轮面与轮子在其上面行进的地面接触，它沿 纵向与转向支承的轴线对准。
尽管它对许多用途是一种合适的装置，但是当装置靠近实际障碍 物，例如靠近一件家具时，往往仍需要修正转向运动。
在欧洲专利说明书EP 0 414 671中描述了另一种装置，装置包括 一个驱动轮，驱动轮被设置成相对于地面(驱动轮被设计成在它上面 行进)为倾斜，并且在其周边上有一个为部分球形的轮面。为了推进 运送装置，装置包括一个第一驱动轴，环绕该驱动轴同心地安装了一 个驱动齿轮，用于使装置转向。在该装置中，不是把驱动轴的转动直 接传到轮子上，而是通过有三个齿轮组成的传动装置把转动传到与轮 子边缘连接的第二驱动轴上。该轮子的轮面也不与转向装置驱动齿轮 的轴线纵向对准。
本发明是指一种驱动轮和底架装置，它们可以替代上述驱动轮和 底架。
发明概述
按照第一方面的特性，本发明具有一个在地面上行进的驱动轮， 驱动轮包括一个支承件、一个轮件和一个驱动轴，驱动轴具有一个驱 动装置，驱动装置与轮件的驱动表面啮合，以便相对于支承件转动地 驱动着轮件，驱动轴具有一条纵轴，驱动装置和驱动表面的啮合在垂 直截面内确定了一条啮合线，啮合线与纵轴成一个锐角，驱动轮的特 征在于：轮件具有一个地面接触区，它沿着轮件的周边作延伸，并且 被定位成基本上在它与地面的接触处与啮合线相交。
支承件可具有基本上为半球形的外表面，轮件可绕着从半球形件 内表面垂直伸出的轮轴作转动。轮件可包括一个在第一和第二表面之 间延伸的截头球形区，第一表面具有大于第二表面的截面直径，并且 也是轮件的驱动表面。地面接触区也可以绕着邻接第一表面的截头球 形区周边作延伸。地面接触区可用如聚氨酯之类的合成橡胶材料制成， 并且可具有弯曲的外表面。
在一个实施例中，驱动轴可基本上垂直于地面(轮子要在它上面 行进)作延伸，并且依靠驱动装置相对于其纵轴作转动。
驱动装置可包括一个靠近驱动轴一端的齿轮件，在其上面设置的 齿适于与轮件第一表面或驱动表面上的齿啮合。
在一个优选的实施例中，齿轮件可包括一个小锥齿轮，它适于与 轮件上的齿啮合。在截面中，啮合线最好与驱动轴的纵轴成约10°到约 25°之间的角度。
在另一个实施例中，轮子的支承件可装在支承轴上。支承轴可绕 着其纵轴作转动，而支承轴绕着其纵轴的转动受到转向装置，如转向 电机的控制。在一个优选的实施例中，驱动轴可通过支承轴作延伸。
转向装置和驱动装置可构成轮子控制设备的一部分，或者受到控 制设备的控制。
因为本发明的轮子地面接触区不与支承轴的纵轴对准，在驱动轴 不动时，驱动轮的任何转向修正不会造成轮子相对于地面的有摩擦扭 转。相反地，地面接触区绕着驱动轴的纵轴沿着小圆的路径行进，由 此保持该轴线不动。这是本发明轮子的一个优点，因为它在地面(轮 子在其上面旋转)上，如在地毯上起到了减少磨损的作用。它也显著 地减轻了对转向电机扭矩性能的压力，从而降低了用于装置的任何电 源，如电池的损耗。
相对于上述的先前技术，本发明的轮子还具有许多优点，包括：
(i)不需要用中间齿轮(它具有一个用枢轴支在支承臂中的轮轴) 来使轮子相对于驱动轴作反转，以修正地补偿转向驱动齿轮的转动；
(ii)驱动轴轴线和轮子地面接触区之间的距离相当小，从而减少 了作用在装置的支承机械系统上的偏心载荷；以及最后
(iii)轮件驱动表面上的驱动齿轮直径可以占轮子有效直径的很 大比例，从而降低了在任何给定驱动力下对驱动装置的载荷。
按照第二方面的特性，本发明具有一个底架，底架至少有一个在 地面上行进的驱动轮，驱动轮包括一个支承件、一个轮件和一个驱动 轴，驱动轴具有一个驱动装置，驱动装置适于与轮件上的驱动表面啮 合，从而相对于支承件转动地驱动着轮件，驱动轴具有一条纵轴，驱 动装置和驱动表面的啮合在垂直截面内确定了一条啮合线，啮合线与 纵向轴线成一个锐角，底架的特征在于：轮件具有一个地面接触区， 它绕着轮件的周边作延伸，并且被定位成基本上在它与地面的接触处 与啮合线相交。
在第二方面的特性中，每个支承件最好还具有基本上为半球形的 外表面，轮件可绕着从半球形件内表面垂直伸出的轮轴作转动。每个 轮件最好还包括一个在第一和第二表面之间延伸的截头球形区，第一 表面具有大于第二表面的截面直径，并且也是轮件的驱动表面。地面 接触区最好绕着邻接第一表面的截头球形区周边作延伸。地面接触区 可用合成橡胶材料制成，并且具有弯曲的外表面。
在底架中，每个驱动轮的驱动轴可基本上垂直于地面(底架被设 计在其上面行进)作延伸。每个驱动轴也可以依靠驱动装置相对于其 纵轴作转动。
在第二方面特性的一个实施例中，底架上每个驱动轮的驱动轴通 过相应的一个支承轴伸出。
在第二方面的特性中，驱动装置可包括一个靠近驱动轴一端的齿 轮件，在其上面设置的齿适于与轮件第一表面或驱动表面上的齿啮合。 在一个优选的实施例中，齿轮件可包括一个小锥齿轮，它适于与轮件 第一表面或驱动表面上的齿啮合。在截面中，啮合线最好与驱动轴的 纵轴成10°到25°之间的角度。
底架上每个驱动轮的支承件可装在支承轴上，而支承轴最好可绕 着其相关的纵轴作转动。每个支承轴的转动最好受到其自身转向装置 的控制。
按照第二方面特性的底架最好也具有一个控制装置，用于控制转 向装置和驱动轴的操作。控制装置还可包括一个由操作者起动的装置， 用于控制底架的运动。在一个实施例中，操作者起动的装置可包括一 个操纵杆，它容许操作者控制底架在前后向和侧向的运动，需要时也 可旋转底架。
至少由三个信号传感器来控制按照本发明第二方面特性的底架运 动，它们包括：
-用于纵向指令的x-电位计；
-用于侧向指令的y-电位计；以及
-用于转动指令的ωP-电位计。
在该实施例中，最好把至少三个信号传感器组合在一个操纵杆上。
在另一个实施例中，底架可包括一个控制系统，其中，如果在底 架速度大于预定的最大速度时，从信号传感器收到的信号造成轮子速 度小于预定的最小速度，则对从信号传感器收到的信号上添加一个修 正系数，从而避免了由于轮子速度突然变向而发生的底架不稳定性。
按照本发明第二方面特性的底架最好用于适于承载的任何有轮运 送装置。有轮运送装置可从以下一组运送装置中选择：轮椅、病人升 降车、淋浴椅、洗脸椅、搬运椅、步行辅助装置、叉车、搬货车、工 作台、机器人、分发手推车、相机和照明设备的活动平台、行李和购 物手推车、医院病床和橱柜、医院废物箱、建筑车、运土车、矿车、 以及炸弹处理车。
在另一个方面的特性中，本发明包括一个底架，它至少具有两个 驱动轮，至少一个驱动轮装在第一驱动滑架上，以及至少一个驱动轮 装在底架的第二驱动滑架上，底架的特征在于：在相关的第一和第二 滑架上的驱动轮可以相互作靠近或分开的运动。
在这个另一个方面的特性中，每个驱动滑架具有侧向件，在驱动 轮相互作靠近或分开运动时，侧向件用套筒方式或其它方式相互配合。 侧向件可以用套筒方式或其它方式与位于驱动轮之间的座配合。在一 个实施例中，当驱动轮相互作靠近或分开运动时，座保持在两个驱动 轮的中间。
在另一个方面特性的一个优选实施例中，每个驱动轮可包括一个 已在本发明第一方面特性中确定的驱动轮。在另一个优选实施例中， 底架可包括一个在本发明第二方面特性中确定的底架。 附图简述
仅作为举例，现参照附图来描述本发明的一个优选实施例，其中：
图1是本发明驱动轮的简化的垂直剖视图，驱动轮装在底架上；
图2是具有两个本发明驱动轮的底架简化图；
图3和4是图2所示底架的驱动滑架的运动几何关系图；以及
图5和6是以框图形式表示的控制方案简图，它可用于图2所示 驱动底架。
实现本发明的优选模式
在图1中用10概括表示了本发明的一个驱动轮。驱动轮10包括 一个轮件11，它能绕着一个轮轴相对于支承体12作转动，轮轴用螺 钉15固定在支承体12上。轮件11具有截头球形外表面13，以及第 一表面16和第二表面17。相邻于第一表面16绕着轮件11周边延伸 的是一个合成橡胶轮面18，它具有一个确定了滚动线28的弯曲外表 面，弯曲外表面与地面19接触，在使用时轮件11在地面19上行进。
一个转向轴22装在底架21和支承体22之间，从在轴承20上的 底架21朝下延伸。在所示的实施例中可以看出，转向轴22和支承体 12作成了轮子的一个整体件。在轴22内同心装在轴承23上的是一个 驱动轴24，它可相对于转向轴22作转动。由已知技术的驱动电机(图 中未示)来控制驱动轴24的转动，驱动电机可装在底架21上。由已 知技术的转向装置(图中未示)来控制转向轴22的转动，转向装置也 可装在底架21上。驱动电机和转向装置均可作为装在底架上的驱动轮 10控制设备的一部分。以下将更详细地说明一个控制设备的操作情形， 它用于具有本发明驱动轮的底架。
相邻于轮件11的驱动轴24一端具有一个小锥齿轮25，它与相应 冠状齿轮26的齿啮合，冠状齿轮26位于轮件11的第一表面16上。 如图1中截面所示，小锥齿轮25和冠状齿轮26在啮合线27上相遇， 啮合线27与驱动轴24的纵轴24a成一个角度ψ1。因此，驱动轴24绕 其纵轴24a的转动产生轮件11相对于支承体12的转动，从而在地面 19上驱动着轮10。轮件11的轮面18弯曲外表面也在滚动线28上与 啮合线27相交。
把轮面18定位成使得它与啮合线27相交，轮10具有许多优点， 包括：
(i)当轴24不动时，转向轴22的转向运动不会引起底架21的任 何运动，因为底架21的运动仅在驱动轴24转动时发生；
(ii)当轴24不动时，转向轴22的转向运动使得轮面18沿着绕 纵轴24a的小圆路线行进，也就是说，它是一个滚动运动，而不是一 个粘附/滑移运动，使底架21基本上保持不动；
(iii)由于轮面18的点28在截面中相对于驱动轴24的纵轴24a 偏置了一个等于ψ1的角度，为了克服驱动阻力而从驱动轴24传到轮件 11的任何扭矩被作用在轮面周边(轮面18与地面19接触处)上相同 的驱动阻力所平衡；
(iv)不需要附加的齿轮来使转向轴22反向；
(v)冠状齿轮26的直径至少是轮面18有效直径的60-70％，形 成了驱动力和齿轮载荷之间更合理的关系；
(vi)轮件11轴线相对于地面19可以在约20-30°之间，从而大大 降低了当轮轴与地面不平行时，由轮件11在地面19上滚动运动必然 合成的扭转量，由此减少了在地面19上的磨损和减少了驱动功率的损 耗；以及
(vii)从滚动线28到纵轴24a的距离可以相当小，从而减少了载 荷在轮10上的偏心程度。
角度ψ1和ψ2受到这样的约束：在小锥齿轮25和冠状齿轮26上必 定是整数的齿。对于直齿，这意味着sinψ1/sinψ2必须是这两个整数 齿之比。如果从啮合线27和纵轴24a的交点计算轮件11的轮面18半 径为R，则地面和对着的小锥齿轮节锥表面相交的圆半径为R(sinψ1)。 驱动轴24的角速度表示为ωd，如果R以米计算和ωd以弧度/秒计算， 则轮件11在地面19上的行进速度将为ωdR(sinψ1)ms-1。
在直齿情形，角度可具有以下值： 例1：ψ1＝13°527，ψ2＝78°，和ψ3＝25°527 例2：ψ1＝13°421，ψ2＝78°，和ψ3＝25°421
在斜齿情形，角度可具有以下值： 例1：ψ1＝12°00052，ψ2＝77°99948，和ψ3＝24°00104
所示轮件的另一种变化形式可以采用平面冠状齿轮，而不是在第 一表面上具有齿的齿轮。
图2提供了底架的简化表示，它具有两个驱动轮10和两个标准的 非驱动轮30。简单地把相关的驱动轮作相互靠拢或相互分开的运动， 图2所示的底架能改变侧向的尺寸。在该实施例中，可把底架理解为 由两个具有侧向件32的副滑架31组成，侧向件32能以套筒方式或其 它方式相互作相对运动。简单地把驱动轮10作相互靠拢或相互分开的 运动，可以提供滑架的运动，从而容许调整底架的侧向尺寸。在图2 所示的布局中，侧向件32的运动可保证驱动轮10离中心连接座33的 相关距离相对于座33保持对称。当底架不得不通过如门之类狭窄开口 时，可调整其侧向尺寸的底架性能特别有用。尽管图2所示实施例被 理解为具有图1所示的驱动轮10，但对于熟悉该技术领域的人员易于 理解到：如果需要在底架上也可采用其它驱动轮。
在评价该底架上驱动轮10的驱动电机和转向装置的操作时，采用 在平行于地面的平面中坐标系是有益的，x-轴确定了底架相对于一个 任意参考点的前后运动，y-轴确定了侧向运动。在图示的布局中，从 参考点向前的运动被认为是沿x-轴的正方向运动，从参考点向右的侧 向运动被认为是沿y-轴的正方向运动。如果从上看转动是顺时针方向， 则绕参考点的任意转动被认为是正的。
为了理解驱动底架和转向装置的操作，将参照以下定义：    符号 说明     量纲    JX 操纵杆X-指令，已正规化     m/s    JY 操纵杆Y-指令，已正规化     m/s    ω 操纵杆旋转指令，已正规化     rad/s    U 操纵杆速度指令，已正规化     m/s    WX 轮子X-坐标     m    WY 轮子Y-坐标     m    VW 轮子速度指令     m/s    VWX 轮子速度X-指令     m/s    VWY 轮子速度Y-指令     m/s     操纵杆偏移方向     rad    ψ 轮子方向指令     rad     S’Y K1(WYi-WY0)，WX和WY的变位     m/s     K1 变位的时间常数     s-1     K2 比前馈     无量纲     K3 比例增益     s-1     K4 轮子偏置量     m
在任何给定时刻上驱动滑架31的一般运动可描述为绕着地面上某 个任意点的转动，或者可描述为纯移动运动和绕参考点转动的线性叠 加。由此并采用图3和4的运动几何关系，对每个滑架31的控制方程 如下：
VWX＝JX-ωWY
VWY＝JY+ωWX+S’Y
图5和6提供了一个以框图形式表示的简图，它是与图2所示驱 动底架相应的控制方案。图5提供了由操作者操纵装置的操纵杆运动 所产生的信号图。在图5上部标号A的区域中，图示了用于上述底架 的三轴操纵杆中的三个信号传感器，即：
-用于纵向指令的X-电位计；
-用于侧向指令的Y-电位计；
-用于转动指令的ωP电位计；
在图5右上角还可看到：
-用于手动设定WX-坐标的WX-电位计；
-用于实际Wy0-坐标反馈的Wy0-电位计，由图2底架的两个副滑 架31之间的套筒式运动测定。
所有值均经过模拟-数字转换(ADC)，然后针对预定的最大值连 续按比例换算，以得到可识别的有量纲值。在底架的电源断开时，把 用于比例换算步骤的比例系数贮存在存储器中。
在按比例作数字换算之后，相应的值JX，JY和ω成为正规化形式， 而与个别操纵杆容差无关。然后把操纵杆速度分量JX和JY组合成正规 化的操纵杆速度指令U。从这些值得到sin＝JY/U和cos＝JX/U， 其中U＞0。
然后通过另外的比例系数修改两个值U和ω，得到按操作者要求的 合适的全尺寸偏移速度。这些修改值为U’和ω’。
接着，采用保证两个矢量分量J’X和J’Y同时性的方法，得到修改 的指令分量J’X＝U’cos和J’Y＝U’sin。这些值与ω’，WX和Wy0一起， 被转移为图6所示框图形式的控制方案的输入值。
在图6的左上角中可以看出，控制方案包括一个具有输入值Wyi的 求积器，Wyi是每个驱动轮离中心线侧向距离Wy0的瞬时指令值。在起 动底架系统时，用Wy0＝Wyi来对这个积分器初始化，以保证系统的无 干扰起动。
在操纵时，求积器从两个按钮“变宽”和“变窄”(如图5所示) 接受输入指令，来增加或减少Wyi值。Wy0值代表了每个驱动轮离驱 动底架中心线的距离，并且对右边的驱动轮取正，对左边的驱动轮取 负。两个距离之差用于产生修正值S’Y＝K1(Wyi-Wy0)，把它添加到 沿侧向对轮子控制的操纵杆指令中。如果接续的控制系统带宽大于 1/K1，则以时间常数为K1的指数方式，使轮子趋向于它们之间所需的 距离。
其余的运动指令直接起源于操纵杆的操纵，产生两个矢量分量J’X 和J’Y以及ω’，它们与上述公式的变位指令组合一起，产生两个轮子 的指令矢量：
VWX＝J’X-ω’Wy(纵向)；以及
VWY＝J’X+ω’Wx+S’Y(侧向)
对每个轮子10分别产生这组轮子指令，由于轮子坐标不同，指令 对每个轮子是不同的。从这两个指令矢量平方和的开方根，导出轮子 的指令速度VWi，它总是正数。
对这些矢量的每一个除以VWi，这里VWi＞0，产生sinψi和cosψi， 其中ψi是轮驱动方向的输入指令角度。
图6所示控制方案采用了一个旋转轮子的数学模型，它由图6中B 区表示。该模型主要由实现两个关系式的两个积分器组成：
对于该模型的输入指令是 值(所需的模型旋转速率)，它在图 6标号A的角度差确定区中产生并讨论如下。被积分项由这个输入旋 转速率以及模型的输出值cosψm和sinψm分别产生。
采用输出值平方和的开方根来保持积分器的输出为单位半径值。 因此图6中标号B的区域构成了输入值 的不定圆积分器。
在需要时，特别是在通电时，两个积分器可用sinψ0和cosψ0来 初始化，它们代表了实际驱动轮的真实角度位置。
在区域B中制定的数学模型的目的是为了得到一个受控的实际驱 动轮的转动，它具有已知和无噪声的 值，而与实际驱动轮的任何外 界干扰无关。接着通过一个在当前技术中已知的伺服电机控制回路， 把实际驱动轮锁定在数学模型上。对该伺服电机的输入指令值是实际 驱动轮和数学模型之间角度差的正弦：
sin(ψm-ψ0)＝sinψmcosψ0-cosψm sinψ0
增益系数K3控制了该回路的带宽，通过系数K2的 前馈保证了 sin(ψm-ψ0)的动态值总是很小，K2具有的值与上述旋转速率所需的 伺服电机输入相匹配。由此实际驱动轮和数学模型之间的一致性总是 高达轮子旋转伺服电机的扭矩极限。
图6中标号A区或角度差确定区主要由计算以下各项的四个乘子 组成：
sin(ψi-ψm)＝sinψi cosψm-cosψi sinψm    以及
cos(ψi-ψm)＝cosψi cosψm+sinψi sinψm
它识别了在轮子旋转的模型方向ψm和实际轮子所需方向ψi之间 的角度差(ψi-ψm)。
依靠另外的一个乘法得到以下项：
1/2sin2(ψi-ψm)＝sin(ψi-ψm)cos(ψi-ψm)
它识别了两倍角度差。采用该值作为对轮子旋转模型的指令输入 ，可得到两个稳定的和两个不稳定的平衡条件。稳定条件是在(ψi -ψm)＝0和(ψi-ψm)＝π，两个不稳定条件是在(ψi-ψm)＝π/2和 (ψi-ψm)＝3π/2。结果是，数学模型并且因此也是实际轮子将与所需 方向ψi或者平行对齐，或者反平行对齐。这节省了轮子旋转运动中的 时间和能量，因为轮子永远不需要旋转大于角度π/2来达到任何新的 所需方向。接着用cos(ψi-ψm)项乘以所需的轮驱动速度VWi(它永 远为正值)，并采用cos(ψi-ψm)VWi作为轮驱动速度的指令值，可 以保证，总是得到驱动轮的运动沿着正确的方向而与两种对准的可能 性无关。
代替直接采用sin2(ψi-ψm)项来直接作为对轮旋转模型的指令输 入，也可采用一种修改的方式，它绕着两个稳定平衡条件产生线性的 变化直到一个明确的最大值为止，并且在不稳定条件下消零。
如上所述，把cos(ψi-ψm)VWi项用作输入指令。但是，由于轮面 不是沿着轮中心轴以其给定的坐标描出的轨迹运动，而是在对此偏置 了一个轮偏置量的轨迹上，因此要从轮速度指令中减去另一项ω’K4， 这里K4是轮的偏置值，单位为米。这补偿轮子描出了半径略有修改的 曲线轨迹。
轮速度指令可以经受某种程度的抑制和加速约束，以保证在操作 条件变动时的平滑操作。除了对有关控制伺服电机产生的速度、力和 力矩作明显的限制外，驱动系统可引入附加的性能。由于总系统的组 合驱动和旋转运动，任一个轮子可以进入从操纵杆接受驱动指令的状 态，它在数量上减到零，通过零，再在相反方向增加。如果的确通过 零，则上述控制方案能适应这种指令，因为驱动指令正好通过零，然 后再反向增加，不会改变轮座的位置。但是，在大多数情形下，指令 偏离实际零点有一个小量，此时由于系统的极坐标性质，轮子将被快 速旋转，以便能跟随着实际的旋转指令。如果超过轮子的角速度极限， 则在总系统的驱动运动中会发生一个冲撞运动。为此，最好对基本指 令组J’X，J’Y，ω’和S’Y建立限制条件，使得如果U’＞VWi时VWi不低于某 个值。可以用各种方式来建立这种条件，其细节涉及到驱动系统的实 际用途。
作为例子，一个约束条件可以如下：
如果(Vwi＜Vwi，min)同时(U’＞2Vwi，min)
则  [J’X+2Vwi，mincosψi，J’Y+2Vwi，minsinψi]
否则[J’X，J’Y]；
这里Vwi，min是Vwi的最小值，如果低于它，则在确定轮座位置时的 不确定性将变得不可接受。
对于熟悉该技术的人员，将易于明白本发明的其它变化方式。