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Die
Erfindung betrifft eine einhändig
geführte,
einrädrige
Karre zum Transportieren von Lasten mit kleinen Handführungskräften und
vernachlässigbaren
Handtragkräften.
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Bei
den bekannten einhandgeführten,
einrädrigen
Transportgeräten
muss der Schwerpunkt unterhalb der Indifferenzgeraden g liegen (vgl. 2), damit keine zu großen Quermomente
entstehen und die Handtragkräfte
die ergonomischen bzw. anthropometrischen Anforderungen nicht übersteigen.
Diese Geräte
eignen sich daher nur für
kleine kompakte Nutzlasten wie Längenmessgeräte, Sondenträger, Markierungsgeräte usw..
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Die
Erfindung sieht vor, durch eine Steuerung und einen elektrischen
Radantrieb, die Rahmenstrecke l soweit aufzurichten, dass die Indifferenzgerade
g und die Schwerpunktsenkrechte s nahezu identisch sind.
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Das
System bleibt im stabilen Gleichgewicht, wenn eine Hand des Bedieners
am Griffpunkt G den Transporter führt und dieser synchron der
Handführungsgeschwindigkeit
des Bedieners folgt (2). In diesem Zustand entstehen
praktisch keine Handkräfte.
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Das
Transportgerät
kann neben der Last auch Handstützkräfte von
leicht gehbehinderten Bedienern aufnehmen.
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Die
Last pendelt beim Anheben am Griffpunkt nicht in die Schwerpunktsenkrechte,
wie z.B. bei zweispurigen Karren mit einem Griffbügel.
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Es
ist wesentlich manövrierfähiger als
mehrspurige Karren und für
die Mitnahmen in öffentlichen
Verkehrsmitteln oder auf engen Wegen gut geeignet.
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Zwei
Versionen der erfindungsgemäßen Steuerung
können
in einer einachsigen zweirädrigen
Karre angewendet werden.
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Mit
zwei Handgriffen und der notwendigen Zuverlässigkeit eignen sich diese
Geräte
als Gehstützen und
Kleinlast-Transporter für
Behinderte.
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Die
Erfindung wird der Elektromaschinen-/Elektronikbranche bzw. der
Sanitätsgeräteindustrie
zugeordnet.
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Dem
Anmelder ist ein Transportgerät
der beschriebenen Art aus der einschlägigen Fachliteratur nicht bekannt.
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Ausführungsbeispiel 1
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Das
Kleinlasttransportgerät
(1) besteht aus einem Rohrrahmen 2 mit
einem Handgriff 3 und einem Rad 5 mit einem sensorgesteuertem
Nabenmotor 6.
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Der
Raddurchmesser, die Rahmenkonstruktion, die Gesamtmasse und die
Lage des Schwerpunktes sind konstruktiv zu optimieren um die Handkräfte- und
Momente sowie den Einfluss der Störgrößen. so gering wie möglich zu
halten.
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Der
Nabenmotor hat folgende Eigenschaften:
Die Drehzahl kann von
Null bis zu einem maximalen Wert in beiden Drehrichtungen und mit
dem erforderlichen Drehmoment durch das Ausgangssignal des Reglers
gestellt werden.
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Die
Bremsenergie wird in die Batterie zurückgespeist. Das Gehäuse des
Nabenmotors ist gleichzeitig Felge des Rades.
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Der
Neigungswinkel der Rahmenstrecke wird in der (z,x)-Ebene beschleunigungsfrei
durch einen Neigungssensor gemessen, dessen Ausgangssignal auf einen
PID-Regler geht, der den Radnabenmotor steuert (3).
Die Regeleinrichtung kann gerätetechnisch
analog oder digital mit zyklischem Programmablauf ausgeführt werden.
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Die
Führungsgröße des Reglers
ist auf den Neigungswinkel Null (konstanter Sollwert) eingestellt,
d.h. der Griffpunkt G und der Schwerpunkt S liegen über dem
Achsenpunkt A. Am Griffpunkt wird der Transporter geführt. Bei
entsprechender Dimensionierung stellt sich der Achsenpunkt bzw.
der Griffpunkt im Fahrzustand durch das integrale Verhalten des
Reglers auch so ein, ebenso im Stillstand. Die 2 veranschaulicht
qualitativ dieses Verhalten. Tatsächlich ist die Regelabweichung
so klein, dass sie vom Bediener nicht bemerkt wird.
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Die
Störungen
in der (z,x)-Ebene beziehen sich dabei auf die Geschwindigkeitsdifferenz
zwischen der Handführungs-
und der Achsenpunktgeschwindigkeit, die der Regler ausregeln muss.
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Die
Geschwindigkeitsdifferenz wird in dem betrachteten Bereich als Regelabweichung
des Neigungswinkels abgebildet.
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Ausführungsbeispiel 2
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Die
Steuerung kann auch von einem Fuzzy-Regler mit zwei unscharfen Eingangswerten übernommen werden
(4). Die Regeln lauten:
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Die
Eingangs- und Ausgangs-Zugehörigkeitsfunktionen
sind qualitativ dargestellt in 4.
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Die
unscharfen Ausgangswerte werden durch die Defuzzyfizierung für den Nabenmotor
aufbereitet.
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Die
Steuerungen der Ausführungsbeispiele
1 und 2 werden ein- und ausgeschaltet durch die Betätigung des
Ständers 1 (1)
beim Abstellen bzw. Starten des Transporters. Dabei werden Softstart
und Softstopp des Nabenmotors durch Sensoren realisiert.
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Die
Ausführungsbeispiele
1 und 2 sind gut geeignet für
konstante Lasten mit ortsfestem Schwerpunkt und annähernd waagerechten
Fahrbahnen.
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Diese
Regelungen eignen sich nicht, wenn mit dem Transporter Geländesteigungen-
bzw. Gefälle
Unebenheiten und Borde überwunden
werden sollen.
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Weiterhin
werden die Neigungen beim Start und beim Abstellen des Transporters,
die Fliehkräfte
bei Kurvenfahrten, die Beschleunigungskräfte sowie das Bedienerverhalten
durch diese Ausführungsbeispiele
unzureichend ausgeregelt.
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Es
entstehen sehr schnell quergerichtete Momente bzw. übergroße Handlenkkräfte am Griffpunkt
infolge von Querneigungen des Transportgerätes. Diese Momente können vom
Bediener je nach Größe der Nutzlast
nicht beherrscht wenden.
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Die
Ursache liegt in der Abweichung der Indifferenzgeraden g von der
Schwerpunktsenkrechten s (7. Die folgenden
Modifikationen der o. g. Ausführungsbeispiele
halten den Schwerpunkt S auf der Indifferenzgeraden solange die
Quermomente wirken. Es entstehen dabei steigungsabhängige Handtragkräfte.
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Die
Quermomentsignale werden zunächst
in die (z,x)-Ebene transformiert. Dazu wird der Betrag dieser Momente
mit einem Momentensensor 7 (1) gemessen.
Der Sensor kann z.B. aus einer Dehnungsmessstreifen-Schaltung bestehen,
die im Rahmen integriert ist.
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Die
Wirkungsrichtung (das Vorzeichen) des Momentensensor-Ausganges für die Steuerung
in der (z,x)-Ebene wird durch den Vergleich mit dem gespeicherten
Vorläuferwert
im zyklischen Programmablauf und dem Momentenbetrag erkannt. Wenn
die Differenz gleich Null und der Betrag ungleich Null ist, wird
die Wirkungsrichtung bis zum nächsten
Wert beibehalten (5).
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Modifikation 1 des Ausführungsbeispiels
1,
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Quermomentkompensation
durch den Radantrieb.
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Um
die Quermomente zu kompensieren werden die transformierten Signale
des Momentensensors als Störgröße auf den
Reglereingang (6) aufgeschaltet. Der Vergleicher
bildet die Regelabweichung aus dem Istwert des Neigungswinkels,
dem Quermoment und dem Sollwert. Dadurch neigt sich die Rahmenstrecke
l in der (z,x)-Ebene im Zeitverhalten des Reglers und des Radantriebes
bis diese mit der Indifferenzgeraden g identisch ist (7.
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Modifikation 2 des Ausführungsbeispiels
1
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Quermomentkompensation
durch Verschiebung des Griffpunktes.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht dann, die Quermomente durch die Verschiebung des Griffpunktes auszugleichen.
Das lässt
sich durch eine zweite Steuerung z.B. mit einem pulsbreitenmoduliertem
Dreipunktregler erreichen (8). Den
Istwert liefert wieder das transformierte Quermomentensignal. Das
Ausgangssignal des Reglers steuert einen Stellantrieb der den Griffpunkt
auf dem Rahmen verschiebt oder um den Punkt K schwenkt und dadurch
die Indifferenzgerade g durch den Schwerpunkt laufen lässt. Der
Schwerpunkt bleibt dabei über
dem Achsenpunkt stehen (7).
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In
der Start- und Stopp-Phase werden plötzlich auftretende Quermomente
durch die vordere Lage des Griffpunktes, die sich automatisch durch
die Ständerstellung
des Transporters einstellt, reduziert.
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Modifikation 1 des Ausführungsbeispiels
2
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Quermomentkompensation
durch den Radantrieb mittels einer Fuzzy-Steuerung.
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Die
transformierten Quermomentsignale werden wie in der o.g. Schaltung
(5) gebildet und die Fuzzy-Werte zyklisch abgefragt
(9).
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Die
Fuzzy-Regeln des Neigungswinkels (dieser entspricht der o.g. Geschwindigkeitsdifferenz)
und der Quermoment-Signale werden konjunktiv verknüpft:
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Der
weitere Ablauf ist durch aus der Fachliteratur bekannte Fuzzy-Programme
bestimmt, die auch die Defuzzyfizierung für den Nabenmotor (z.B. ein
pulsbreitenmoduliertes Signal) simulieren. Die Realisierung erfolgt
mit entsprechend fest programmierter Hardware.
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Modifikation 2 des Ausführungsbeispiels
2
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Quermomentkompensation
durch Verschiebung des Griffpunktes mittels einer 2. Fuzzy-Steuerung.
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Die
Defuzzyfizierung wird wesentlich vereinfacht und schneller, wenn
der Griffpunktsteller mit den drei Zuständen „Linkslauf-, Stillstand-,
Rechtslauf arbeitet.
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Ausführungsbeispiel 3
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Die
Eingänge
der o.g. Ausführungsbeispiele
werden ergänzt
durch einen zweiten Momentensensor 8 (1),
mit dem die Nutzlast erfasst wird.
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Der
Neigungssensor ist zweidimensional für die (z,x)- und die (z,y)-Ebene,
also für
die Längs-
und Querneigungen ausgeführt.
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Damit
stehen 4 analoge Eingangssignale und zwei Ausgangssignale für den Radantrieb
und die Griffpunktverschiebung zur Verfügung.
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Für dieses
Fuzzy-Kleinsystem stehen auf dem Markt Programme für den PC
bereit, die den Anwender automatisch durch die Entwicklungsschritte
führen
und die Simulation eines Fuzzy-Controllers
einschließlich der
Analog-Digitalwandler für
die Eingänge
erlauben. Die passenden Ausgangssignale für die Antriebe sind ebenfalls
enthalten.
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Das
eigentliche Microcontroller-Programm lässt sich anschließend mit
einem Codegenerator auf dem PC erstellen.
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Die
Anfahr- und Abstellneigung beim Start- und Stoppvorgang, die Transformation
der Quermomente in die (z,x)-Ebene und die Batterieladesteuerung
erfordern weitere Entwicklungsschritte.
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Ausführungsbeispiel 4
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Für kleine
Nutzlasten reicht es aus, das Ausscheren des Transporters auf der
Spurtangente in beiden Richtungen durch die folgende Steuerung zu
verhindern.
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Der
Vorteil liegt im geringeren Energieverbrauch und einer einfachen,
robusten Steuerung.
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Die
Rahmenstrecke l darf sich entsprechend der zulässigen Handkräfte und
Quermomente im Bereich der Ansprechwerte eines pulsbreitenmodulierten
Dreipunktreglers nach hinten neigen.
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Der
Transporter wird durch eine waagerechte Handschubkraft in diesem
Bereich geschoben. Zweckmäßigerweise
ist der Radantrieb wieder in der Nabe des Rades eingebaut und sensorgesteuert,
so dass er das erforderliche Drehmoment sowie die Drehrichtung erkennt.
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Das
Ausgangssignal des Reglers steuert den Radantrieb, der als Hilfsantrieb
anzusehen ist. Erhält
der Radnabenmotor negative Impulse z. B im Falle der Neigungsabweichung
der Rahmenstrecke l in Fahrtrichtung, bremst er soweit, dass sich
die Neigung bis zum unteren Ansprechwert der Steuerung verringert.
Die Bremsenergie wird zurückgeführt, das
ist gleichermaßen
sinnvoll z.B. bei Gefällestrecken.
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Erhält der Motor
positive Impulse, treibt er das Rad soweit an, bis die Neigung den
oberen Ansprechwert erreicht.
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Modifikation:
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Der
Dreipunktregler kann durch einen Fuzzy-Regler ersetzt werden, dessen
Inferenzregeln folgendermaßen
aussehen:
-
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Die
Defuzzylierung ist wieder auf die 3 Zustände Bremsen- Leerlauf-Beschleunigen
reduziert.
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Die
Quermomente können
(z.B. beim Anfahr-/Abstellvorgang) durch die manuelle Wahl des Griffpunktes
am Handgriff ausgeglichen werden.
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Modifikationen
der Steuerung für
eine zweispurige Version des Transportgerätes
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In
einer zweispurigen Version (11) werden
die quergerichteten Momente durch zwei nebeneinander laufende Räder abgefangen.
Die Räder
werden von sensorgesteuerten Nabenmotoren angetrieben. Eine Ausgleichsteuerung übernimmt
die Synchronisation beider Räder
und den Drehzahlausgleich bei Kurvenfahrten.
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Die
Neigungsabweichungen (Geschwindigkeitsdifferenzen) werden über einen
PID-Regler der Ausgleichssteuerung zugeleitet, der entsprechend
dem o. g. Ausführungsbeispiel
1 den Griffpunkt G über
dem Achsenpunkt A hält.
Der PID-Regler kann durch eine Fuzzy-Regelung wie Ausführungsbeispiel
2 ersetzt werden.
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Die
Kompensation der Quermomente entfällt.
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Mit
zwei Handgriffen und der notwendigen Zuverlässigkeit eignen sich diese
Geräte
als Gehstützen und
Kleinlast-Transporter für
Behinderte.
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1 Ausführungsbeispiel
(Ansichten)
- 1
- Ständer
- 2
- Rohrrahmen
- 3
- Handgriff
- 4
- Gehäuse für Steuerung,
Neigungssensor und Akkumulator
- 5
- Rad
- 6
- Radnabenmotor
- 7
- Quermomentensensor
- 8
- Lastensensor
- 9
- Stellglied
für den
Handgriff, entfällt
bei Modifikation 1
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2 Schematische
Darstellung einer einrädrigen,
einhandgeführten
Karre mit aufgerichteter Rahmenstrecke und einer Regelabweichung
in der (z,x)-Ebene
- g
- Indifferenzgerade
-
- Auf
der Indifferenzgeraden liegen der Griffpunkt G und der Berührungspunkt
B des
-
- Radkreises
mit der Spurtangente t.
- l
- Rahmenstrecke
-
- Die
Rahmenstrecke ist eine gedachte Strecke, die den Griffpunkt G mit
dem
-
- Achsenpunkt
A verbindet und die Eigenschaften des Rahmens und der Last
-
- hinsichtlich
der Gleichgewichtsbedingungen darstellt.
- t
- Spurtangente
- r
- Radius
des Rades
- h
- Griffpunkthöhe
-
- Die
ergonomische Griffpunkthöhe
beträgt
ca. 90 bis 100 cm bei angewinkeltem
-
- (führendem)
Arm.
- s
- Schwerpunktsenkrechte
- c
- Abstand
des Schwerpunktes von der Indifferenzgeraden g
- A
- Achsenpunkt
(Mittelpunkt des Rades bzw. der Achse)
- B
- Berührungspunkt
des Radkreises mit der Spurtangente.
- G
- Griffpunkt
der Führungshand
- S
- Schwerpunkt,
-
- dargestellt
ist die Lage des Schwerpunktes auf der Rahmenstrecke l.
- xw
- Regelabweichung
(Neigungswinkel in der (x,z)-Ebene), entspricht im betrachtetem
-
- Bereich
der der Geschwindigkeitsdifferenz von VG und Va.
- VG
- Handgeschwindigkeit
des Bedieners am Griffpunkt G
- VA
- Geschwindigkeit
des Achsenpunktes A
-
3 Steuerung
der Geschwindigkeitsdifferenz durch einen PID-Regler, Blockschaltbild
und Bauglieddarstellung
- w
- Führungsgröße (Sollwert
der Geschwindigkeitsdifferenz = 0)
- x
- Istwert
der Geschwindigkeitsdifferenz
-
4 Fuzzy-Steuerung
der Geschwindigkeitsdifferenz,
-
Blockschaltbild
- AD-Wandler
- bedeutet
Analog/Digital-Wandler.
-
5 Transformation
der Quermomentsignale in die (z,x)-Ebene
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6 Quermomentkompensation
durch den Radantrieb mit einer Störgrößenaufschaltung auf den Reglereingang
-
7 Kompensation
der Quermomente,
-
Geometrische Verhältnisse.
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- Dargestellt
sind jeweils 2 Phasen: Index 1 entspricht der 1., Index 2 der 2.
Phase. In der 2.
-
- Phase
liegt der Schwerpunkt auf der Indifferenzgeraden.
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- Die
Bezeichnungen entsprechen der Legende von 2.
- K
- Rahmengelenkstellpunkt
-
8 Quermomentkompensation
durch Verschiebung des Griffpunktes mit einem Dreipunktregler, Blockschaltbild
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9 Quermomentkompensation
durch den Radantrieb mit einer Fuzzy-Steuerung
-
10 Quermomentkompensation
durch Verschiebung des Griffpunktes mit einer Fuzzy-Steuerung
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11 Ansichtsskizze
der zweirädrigen
Version
-
- (Die
Bezeichnungen entsprechen der 1 bzw. 2.
Die Achse ist die gedachte Mittellinie
-
- der
beiden Antriebswellen.)
