DE102016204762A1

DE102016204762A1 - Method and device for controlling an electric motor for the balancing support of a wheelchair

Info

Publication number: DE102016204762A1
Application number: DE102016204762.0A
Authority: DE
Inventors: Holger Breuing; Klaus Marx; Christoph Koch; Andre Meyer; Richard Schoenleber; Timo Wildhage
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die Balancierunterstützung eines Rollstuhls, ein Steuergerät, welches dieses Verfahren ausführt, und einen Rollstuhl, welcher ein erfindungsgemäßes Steuergerät aufweist. Der Rollstuhl umfasst zumindest ein Antriebsrad mit einer Achse und einer Kraftübertragungseinrichtung zur Übertragung einer manuellen Kraft des Rollstuhlfahrers auf das Antriebsrad. Im Verfahren wird eine aktuelle Drehrate um die Achse des Antriebsrades beim Kippen erfasst. Außerdem erfolgt die Ansteuerung eines Elektromotors in Abhängigkeit der erfassten Drehrate, wodurch der Elektromotor ein Drehmoment auf das Antriebsrad des Rollstuhls beim Kippen liefert. Dabei wird erfindungsgemäß die Drehrate um die Achse des Antriebsrades reduziert, wobei eine Drehrate betragsmäßig größer Null mit gleichbleibender Kipprichtung resultiert. Das Kippen aus der Balancierlage wird durch das Drehmoment des Elektromotors auf das Antriebsrad also nur verlangsamt, d.h. nicht gestoppt. Die Rückstellung in die Balancierlage wird durch manuellen Krafteingriff des Rollstuhlfahrers erreicht.The present invention relates to a method for controlling an electric motor for the Balancierunterstützung a wheelchair, a control unit which performs this method, and a wheelchair having a control device according to the invention. The wheelchair comprises at least one drive wheel with an axle and a power transmission device for transmitting a manual force of the wheelchair user to the drive wheel. In the process, a current rate of rotation about the axis of the drive wheel during tilting is detected. In addition, the control of an electric motor in response to the detected rotation rate, whereby the electric motor provides torque to the drive wheel of the wheelchair when tilting. In this case, according to the invention, the rotation rate is reduced about the axis of the drive wheel, wherein a rotation rate results in an amount greater than zero with the same tilting direction. The tilting from the balancing position is therefore only slowed down by the torque of the electric motor on the drive wheel, i. not stopped. The provision in the balance position is achieved by manual intervention of the wheelchair user.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die Balancierunterstützung eines Rollstuhls, ein Steuergerät, welches dieses Verfahren ausführt, und einen Rollstuhl, welcher ein erfindungsgemäßes Steuergerät aufweist. The present invention relates to a method for controlling an electric motor for the Balancierunterstützung a wheelchair, a control unit which performs this method, and a wheelchair having a control device according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Beim Balancieren wird der gemeinsame Schwerpunkt eines Rollstuhls und eines Rollstuhlfahrers durch ein Kippen des Rollstuhles um eine Achse eines Antriebsrades über der Achse gehalten. Ein typischerweise kleines, frei um eine Hochachse drehbares und somit weniger kontrollierbares Vorderrad des Rollstuhls kann durch das Anheben in die Balancierlage beispielsweise nicht verkanten. Das Balancieren ermöglicht deswegen beispielsweise das Überqueren von Hindernissen, wie einem unebenen Boden oder einem Bordstein. Das Balancieren stellt auch in weiteren Anwendungsfällen für den Rollstuhlfahrer eine gewünschte Rollstuhlposition dar, wie beispielsweise bei einer Hangabfahrt. Eine Balancierlage ist allerdings instabil, d.h. der Rollstuhl tendiert dazu beim Balancieren nach vorne auf die Vorderräder oder nach hinten zu kippen. Insbesondere ein Umkippen nach hinten ist gefährlich für den Rollstuhlfahrer. Ein Rollstuhlfahrer benötigt zum Balancieren hohe koordinative sowie physische Fähigkeiten, zudem fordert das Balancieren permanente Aufmerksamkeit.When balancing the common center of gravity of a wheelchair and a wheelchair user is held by tilting the wheelchair about an axis of a drive wheel above the axis. A typically small, freely rotatable about a vertical axis and thus less controllable front wheel of the wheelchair can not tilt, for example, by lifting in the balancing position. For this reason, balancing, for example, makes it possible to cross obstacles, such as uneven ground or a curb. Balancing is also in other applications for the wheelchair user a desired wheelchair position, such as during a downhill. However, a balance position is unstable, i. the wheelchair tends to tilt forward on the front wheels or backward when balancing. In particular, tipping over to the rear is dangerous for the wheelchair user. A wheelchair user requires high levels of coordination and physical ability to balance, and balancing requires constant attention.

Ein Rollstuhl mit einem Elektromotor ist beispielsweise durch die Schrift DE 10 2008 002 993 B3 offenbart. Bei dem Rollstuhl wird eine von einem Rollstuhlfahrer manuell in einen Greifring eines Antriebsrades eingeleitete Kraft durch Sensoren gemessen. In Abhängigkeit der gemessenen Kraft wird mittels eines Elekt romotors zusätzlich zum manuellen Antriebsmoment ein maschinelles Antriebsmoment auf die Antriebsräder des Rollstuhls aufgebracht. A wheelchair with an electric motor is, for example, by writing DE 10 2008 002 993 B3 disclosed. In the wheelchair, a force manually introduced by a wheelchair user into a gripping ring of a drive wheel is measured by sensors. Depending on the measured force, a machine drive torque is applied to the drive wheels of the wheelchair by means of a Elekt romotors in addition to the manual drive torque.

In den Schriften US 5,701,965 und DE 600 21 709 T2 ist ein vollelektrischer Rollstuhl offenbart, welcher eine selbstständige Balancierfunktion durch Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt realisiert. In the scriptures US 5,701,965 and DE 600 21 709 T2 discloses a fully electric wheelchair, which realizes a self-balancing function by forward or reverse drive.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die Balancierunterstützung eines Rollstuhls, ein Steuergerät, welches dieses Verfahren ausführt, und einen Rollstuhl, welcher ein erfindungsgemäßes Steuergerät aufweist. Die Erfindung erleichtert das Balancieren mit einer manuellen Kraft des Rollstuhlfahrers mittels einer Ansteuerung eines Elektromotors des Rollstuhls in Abhängigkeit mindestens einer durch einen Sensor erfassten Größe.The present invention relates to a method for controlling an electric motor for the Balancierunterstützung a wheelchair, a control unit which performs this method, and a wheelchair having a control device according to the invention. The invention facilitates the balancing with a manual force of the wheelchair user by means of a control of an electric motor of the wheelchair in dependence on at least one detected by a sensor size.

Der Rollstuhl umfasst zumindest ein Antriebsrad mit einer Achse und einer Kraftübertragungseinrichtung, wie beispielsweise einem Greifring oder einer Hebeleinrichtung zur Übertragung einer manuellen Kraft des Rollstuhlfahrers auf das Antriebsrad. Der Rollstuhl weist auch mindestens ein Vorderrad auf. Des Weiteren weist der Rollstuhl zusätzlich mindestens einen Elektromotor zum Aufbringen eines Drehmomentes auf das Antriebsrad beziehungsweise zum Antreiben des Antriebsrades auf. Wenigstens ein am Rollstuhl angeordneter Sensor erfasst mindestens ein Maß für die Drehrate, das heißt für die Geschwindigkeit des Kippens. Ein Kippen des Rollstuhles liegt vor, wenn der Rollstuhl ohne oder mit Fahrt um die Achse des mindestens einen Antriebsrades gedreht wird, wobei die Vorderräder den Kontakt zum Boden verlieren. Außerdem umfasst der Rollstuhl ein elektronisches Steuergerät zur Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit der erfassten Drehrate. Die manuelle Antriebskraft und das Drehmoment des Elektromotors wirken parallel auf das Antriebsrad. Durch diesen Rollstuhlaufbau wird mit wenigen Komponenten eine elektrische Unterstützung des manuellen Balancierens des Rollstuhles ermöglicht.The wheelchair comprises at least one drive wheel with an axle and a power transmission device, such as a gripping ring or a lever device for transmitting a manual force of the wheelchair user to the drive wheel. The wheelchair also has at least one front wheel. Furthermore, the wheelchair additionally has at least one electric motor for applying a torque to the drive wheel or for driving the drive wheel. At least one sensor arranged on the wheelchair detects at least one measure of the rate of rotation, that is to say for the speed of the tilting. Tilting of the wheelchair is when the wheelchair is rotated without or with driving about the axis of the at least one drive wheel, wherein the front wheels lose contact with the ground. In addition, the wheelchair comprises an electronic control unit for controlling the electric motor as a function of the detected rotation rate. The manual driving force and the torque of the electric motor act in parallel on the drive wheel. This wheelchair construction enables electrical support for the manual balancing of the wheelchair with just a few components.

Der mindestens eine Sensor am Rollstuhl kann einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor und/oder einen Abstandsensor umfassen. Der Rollstuhl umfasst in einer weiterführenden Ausgestaltung zusätzlich wenigstens einen weiteren Sensor, welcher ein Maß für einen Kippwinkel (Ψ(t)) erfasst. Dies ergibt den Vorteil, dass durch eine genauere Lageerkennung des Rollstuhls mittels des Sensors bzw. der Sensoren eine präzisere und besonders angenehme Ansteuerung des Elektromotors zur Unterstützung des Balancierens erfolgen kann.The at least one sensor on the wheelchair may include an acceleration sensor, a rotation rate sensor and / or a distance sensor. In a further embodiment, the wheelchair additionally comprises at least one further sensor which detects a measure of a tilt angle (Ψ (t)). This results in the advantage that by a more accurate position detection of the wheelchair by means of the sensor or the sensors a more precise and particularly pleasant control of the electric motor can be done to support the balancing.

Bei der Drehung um die Achse des Antriebsrades definiert ein Kippwinkel die Kipplage des Rollstuhls. Der Kippwinkel liegt in einer orthogonalen Ebene zu einer Bezugsebene. Die Bezugsebene ist beispielsweise senkrecht zur Richtung der Gewichtskraft als horizontale Ebene aufgespannt. Der Kippwinkel liegt des Weiteren zwischen der Bezugsebene und einer durch das Kippen um die Achse des Antriebsrades gekippten Bezugsebene. Die Kipprichtung beim Kippen ist die Richtung der Drehung des Rollstuhls um die Achse des Antriebsrades.When turning around the axis of the drive wheel, a tilt angle defines the tilting position of the wheelchair. The tilt angle is in an orthogonal plane to a reference plane. The reference plane is spanned, for example, perpendicular to the direction of the weight as a horizontal plane. The tilt angle is further between the reference plane and tilted by the tilting about the axis of the drive wheel Reference plane. The tipping direction when tilting is the direction of rotation of the wheelchair about the axis of the drive wheel.

Zur Einnahme der Balancierlage wird der Rollstuhl so gekippt, dass der gemeinsame Schwerpunkt des Rollstuhls und eines Rollstuhlfahrers über der Achse des Antriebsrades liegt. Beim Balancieren wird der Schwerpunkt über der Achse des Antriebsrades, d.h. in der Balancierlage gehalten. Der Kippwinkel in der Balancierlage wird Balancierwinkel genannt. Die Balancierlage umfasst Kippwinkel in einem engen Toleranzbereich um den Balancierwinkel, wobei die Kippwinkeltoleranz des Balancierwinkels insbesondere +/–1° beträgt.To take the Balancierlage the wheelchair is tilted so that the common center of gravity of the wheelchair and a wheelchair user is above the axis of the drive wheel. When balancing, the center of gravity is centered over the axis of the drive wheel, i. held in the balancing position. The tilt angle in the balance position is called the balance angle. The balancing position comprises tilt angles in a narrow tolerance range around the balancing angle, the tilt angle tolerance of the balancing angle being in particular +/- 1 °.

Eine Abweichung des Kippwinkels vom Balancierwinkel resultiert in einem Kipp-Drehmoment mit einer Kipprichtung nach vorne oder hinten. Die Kipprichtung sowie die Drehrate um die Achse des Antriebsrades werden durch Drehmomente um die Achse des Antriebsrades beeinflusst. Die Kräfte bzw. Drehmomente, welche die Kipprichtung und die Drehrate beeinflussen, sind die Schwerkraft des Rollstuhls inkl. dem Rollstuhlfahrer, die am Schwerpunkt durch eine Beschleunigung des Rollstuhls wirkende Kraft, die manuelle Kraft des Rollstuhlfahrers auf die Kraftübertragungsvorrichtung sowie ein Drehmoment des Elektromotors. Beispielsweise wird die Drehrate beim Kippen des Rollstuhles um die Achse des Antriebsrades durch eine Ansteuerung des Elektromotors zur Fahrt des Rollstuhls in Kipprichtung wenigstens verlangsamt.A deviation of the tilt angle from the Balancierwinkel results in a tilting torque with a tilt direction forward or backward. The tilting direction and the rate of rotation about the axis of the drive wheel are influenced by torques about the axis of the drive wheel. The forces or torques which influence the tilting direction and the rate of rotation are the wheelchair's gravity incl. The wheelchair user, the force acting on the center of gravity by an acceleration of the wheelchair, the manual force of the wheelchair user on the power transmission device and a torque of the electric motor. For example, the rate of rotation when tilting the wheelchair about the axis of the drive wheel by a control of the electric motor for driving the wheelchair in the tilting direction is at least slowed down.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die Balancierunterstützung eines Rollstuhls. In einem Schritt erfolgt die Erfassung einer aktuellen Drehrate um die Achse des Antriebsrades beim Kippen. In einem weiteren Schritt wird die Ansteuerung eines Elektromotors in Abhängigkeit der erfassten Drehrate durchgeführt, wodurch der Elektromotor ein Drehmoment auf das Antriebsrad des Rollstuhls beim Kippen liefert. Dabei wird erfindungsgemäß die Drehrate um die Achse des Antriebsrades reduziert, wobei eine Drehrate betragsmäßig größer Null mit gleichbleibender Kipprichtung resultiert. Das erzeugte Drehmoment des Elektromotors ist kleiner als das Kipp-Drehmoment. D.h. der Winkelabstand des aktuellen Kippwinkels zum Balancierwinkel nimmt ohne Eingriff des Rollstuhlfahrers weiterhin betragsmäßig zu. Das Kippen aus der Balancierlage wird durch das Drehmoment des Elektromotors auf das Antriebsrad also nur verlangsamt, d.h. nicht gestoppt. Die Rückstellung in die Balancierlage kann nur durch manuellen Krafteingriff des Rollstuhlfahrers erreicht werden. Durch das Verfahren hat der Rollstuhlfahrer mehr Zeit zum Balancieren durch manuellen Krafteingriff. Der Rollstuhl verbleibt länger nahe der Balancierlage. Mit dem beschriebenen Verfahren wird das Balancieren einfacher und sicherer. Durch das Verfahren werden des Weiteren eine geringere Koordinationsfähigkeit und ein weniger stark ausgeprägter Gleichgewichtssinn des Rollstuhlfahrers zum Balancieren benötigt. Das Verfahren vermittelt dem Rollstuhlfahrer und einem Zuschauer zusätzlich eine größere Selbständigkeit und physische Stärke als dies beispielsweise durch einen vollelektrischen Rollstuhl mit Joystick-Ansteuerung realisiert wird.The invention further relates to a method for controlling an electric motor for the Balancierunterstützung a wheelchair. In one step, the detection of a current rate of rotation about the axis of the drive wheel during tilting takes place. In a further step, the control of an electric motor is performed as a function of the detected rotation rate, whereby the electric motor provides torque to the drive wheel of the wheelchair when tilting. In this case, according to the invention, the rotation rate is reduced about the axis of the drive wheel, wherein a rotation rate results in an amount greater than zero with the same tilting direction. The generated torque of the electric motor is smaller than the tilting torque. That the angular distance of the current tilt angle to Balancierwinkel continues to increase without intervention of the wheelchair user in terms of amount. The tilting from the balancing position is therefore only slowed down by the torque of the electric motor on the drive wheel, i. not stopped. The provision in the balance position can only be achieved by manual intervention of the wheelchair user. The procedure gives the wheelchair user more time to balance by manual power intervention. The wheelchair stays near the balancing position for a longer time. The described method makes balancing easier and safer. The method also requires a lower ability to coordinate and a less pronounced sense of balance of the wheelchair user to balance. The procedure also provides the wheelchair user and a spectator with greater autonomy and physical strength than, for example, this is achieved by a fully electric wheelchair with joystick control.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Elektromotor mit einem durch das Steuergerät ermittelten Drehmoment M gemäß einer Funktion der Form M = –k·Ψ .(t) in Abhängigkeit der Drehrate Ψ .(t) angetrieben. Der Kippdämpfungsfaktor k liegt bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich der Drehrate in rad/s bevorzugt zwischen 10 bis 100 und besonders bevorzugt zwischen 30 und 80. Durch diese Ansteuerung des Elektromotors wird dem Rollstuhlfahrer in Abhängigkeit der Drehrate eine kalkulierbare und angenehme Art der Balancierunterstützung zur Verfügung gestellt.In one embodiment of the invention, the electric motor is driven with a torque M determined by the control unit in accordance with a function of the form M = -k · Ψ · (t) as a function of the rotation rate Ψ (t). The tilting damping factor k is in terms of torque in Nm and with respect to the rate of rotation in rad / s preferably between 10 to 100 and more preferably between 30 and 80. By this control of the electric motor, the wheelchair user depending on the rotation rate is a calculable and pleasant way of Balancierunterstützung to Provided.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt zusätzlich die Erfassung mindestens eines Maßes für einen Kippwinkel, wobei der Kippwinkel in Abhängigkeit des erfassten Maßes für den Kippwinkel ermittelt wird. Die Ansteuerung des Elektromotors erfolgt in der weiteren Ausgestaltung zusätzlich in Abhängigkeit des Kippwinkels. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die genaue Lage des Rollstuhles erfasst und der Elektromotor in Abhängigkeit der Rollstuhllage angesteuert wird.In a further embodiment of the invention, there is additionally the detection of at least one measure for a tilt angle, wherein the tilt angle is determined as a function of the detected measure for the tilt angle. The control of the electric motor is carried out in the further embodiment additionally in dependence of the tilt angle. This results in the advantage that the exact position of the wheelchair is detected and the electric motor is controlled as a function of wheelchair position.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Elektromotor nur in einem vorgegebenen Wertebereich von Kippwinkeln angesteuert, wobei der Wertebereich insbesondere zwischen 5° bis 25° liegt. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird der Elektromotor beispielsweise bei einer steileren Hangauffahrt nicht angesteuert, sondern nur dann, wenn der Rollstuhl wirklich zum Balancieren angekippt wird. In a preferred embodiment, the electric motor is driven only in a predetermined range of tilt angles, wherein the range of values is in particular between 5 ° to 25 °. By this embodiment of the invention, the electric motor is not driven, for example, a steeper uphill drive, but only if the wheelchair is actually tipped to balance.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzeugt der Elektromotor durch die Ansteuerung ein Drehmoment M gemäß einer Funktion der Form M = –k·f(Ψ(t))·Ψ .(t). Das Drehmoment ist demnach vom Kippdämpfungsfaktor k, einer Funktion f(Ψ(t)) und der Drehrate Ψ .(t) abhängig. Die Funktion f(Ψ(t)) repräsentiert dabei eine Abhängigkeit vom Kippwinkel und/oder dem Balancierwinkel. Durch diese Ausgestaltung wird der Elektromotor in Abhängigkeit des Kippwinkels und der Drehrate angesteuert. Dies weist den Vorteil auf, dass eine direkte und lineare Abhängigkeit von der Drehrate vorliegt, wobei auch die aktuelle Kippwinkel-Lage des Rollstuhls, wie beispielsweise der Abstand zum Balancierwinkel, berücksichtigt wird.In a particularly preferred embodiment of the invention, the electric motor generates a torque M in accordance with a function of the form M = -k * f (Ψ (t)) · Ψ · (t). The torque is therefore dependent on the tilting damping factor k, a function f (Ψ (t)) and the rotation rate Ψ. (T). The function f (Ψ (t)) represents a dependence on the tilt angle and / or the Balancierwinkel. By this embodiment, the electric motor is controlled in dependence of the tilt angle and the rotation rate. This indicates the Advantage that there is a direct and linear dependence on the rate of rotation, whereby the current tilt angle position of the wheelchair, such as the distance to the balance angle, is taken into account.

Vorteilhafterweise weist die Funktion f(Ψ(t)) am Balancierwinkel ein absolutes Maximum auf. Dadurch wird am Balancierwinkel das Balancieren durch die Ansteuerung des Elektromotors maximal unterstützt, so dass ein Kippen aus der Balancierlage stark verlangsamt ist. Advantageously, the function f (Ψ (t)) has an absolute maximum at the balancing angle. As a result, the Balancierwinkel the maximum supported by the control of the electric motor, so that a tilting from the balancing position is slowed down.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ableitung der Funktion f(Ψ(t)) für Kippwinkel kleiner dem Balancierwinkel positiv und für Kippwinkel größer dem Balancierwinkel negativ. Beziehungsweise nimmt das Drehmoment M in Abhängigkeit der Drehrate für Kippwinkel bis zum Balancierwinkel betragsmäßig zu und für Kippwinkel größer dem Balancierwinkel betragsmäßig ab. Damit erhöht sich langsam zunehmend die Balancierunterstützung je näher sich der Kippwinkel dem Balancierwinkel nähert, wodurch für den Rollstuhlfahrer ein angenehmes Fahrgefühl ohne abrupte Beschleunigungen entsteht.In one embodiment of the invention, the derivative of the function f (Ψ (t)) for tilt angle is smaller than the Balancierwinkel positive and for tilt angle greater than the Balancierwinkel negative. Respectively decreases the amount of torque M as a function of the rotation rate for tilt angle up to the Balancierwinkel amount and for tilt angle greater than the Balancierwinkel amount. This gradually increases the balance support the closer the tilt angle approaches the balance angle, creating a comfortable ride without abrupt accelerations for the wheelchair user.

In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung weist die Funktion f(Ψ(t)) am Balancierwinkel zusätzlich ein relatives Minimum auf. Dadurch erfährt der Rollstuhlfahrer bei einer Abweichung vom Balancierwinkel aus der Balancierlage ein haptisches Feed-back mittels eines zunehmenden Drehmoments M des Elektromotors. In dieser Weiterbildung ist in der Nähe des Balancierwinkels die Ableitung der Funktion f(Ψ(t)) für Kippwinkel kleiner dem Balancierwinkel negativ und für Kippwinkel größer dem Balancierwinkel positiv. In a further development of this embodiment of the invention, the function f (Ψ (t)) additionally has a relative minimum at the balancing angle. As a result, the wheelchair user experiences a haptic feedback in the event of a deviation from the balancing angle from the balancing position by means of an increasing torque M of the electric motor. In this development, in the vicinity of the balancing angle, the derivative of the function f (Ψ (t)) for tilt angles is smaller than the balancing angle and positive for tilt angles greater than the balancing angle.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches das Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die Balancierunterstützung ausführt, und ein elektrisches Speichermedium mit dem Computerprogramm.In addition, the invention relates to a computer program, which executes the method for controlling an electric motor for the Balancierunterstützung, and an electrical storage medium with the computer program.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät, welches das Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die Balancierunterstützung ausführt. Das Steuergerät weist wenigstens eine Recheneinheit auf. Die Recheneinheit erfasst mindestens eine die Drehrate des Rollstuhls repräsentierende Größe. Des Weiteren gibt die Recheneinheit ein Ausgangsignal zur Ansteuerung eines Elektromotors in Abhängigkeit der erfassten Drehrate aus.The invention further relates to a control unit, which executes the method for controlling an electric motor for the Balancierunterstützung. The control unit has at least one arithmetic unit. The arithmetic unit detects at least one variable representing the rate of rotation of the wheelchair. Furthermore, the arithmetic unit outputs an output signal for controlling an electric motor as a function of the detected yaw rate.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert.The present invention will be explained below with reference to preferred embodiments and accompanying drawings.

1a: Skizze eines Rollstuhls mit Greifring in Seitenansicht 1a : Sketch of a wheelchair with grab ring in side view

1b: Skizze eines Rollstuhls mit Hebeleinrichtung in Seitenansicht 1b : Sketch of a wheelchair with lever device in side view

2: Sensorsystem umfassend mehrere Sensoren 2 : Sensor system comprising several sensors

3: Skizze eines Rollstuhls, welcher auf vier Rädern steht 3 : Sketch of a wheelchair standing on four wheels

4: Skizze eines Rollstuhls in Balancierlage, d.h. am Balancierwinkel 4 : Sketch of a wheelchair in balancing position, ie at the balance angle

5: Skizze eines Rollstuhls bei einem Kippwinkel größer als dem Balancierwinkel 5 : Sketch of a wheelchair at a tilt angle greater than the balance angle

6: parallele Krafteinleitung von manueller Kraft und Motorkraft 6 : parallel force transmission of manual power and engine power

7: Flussdiagramm zur parallelen Krafteinleitung 7 : Flow diagram for parallel force application

8: Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens 8th : Flowchart of the method according to the invention

9a: Beispielgraph der Funktion f(Ψ(t)) 9a : Example graph of the function f (Ψ (t))

9b: Weiterer Graph der Funktion f(Ψ(t)) 9b : Further graph of the function f (Ψ (t))

10: Alternativer Graph der Funktion g(Ψ(t)) 10 : Alternative graph of the function g (Ψ (t))

11: Beispiel für Kippwinkelbereiche mit unterschiedlicher Ansteuerung 11 : Example of tilt angle ranges with different control

12: Steuergerät 12 : Control unit

Ausführungsbeispieleembodiments

In 1a ist ein Rollstuhl 100 dargestellt, welcher geeignet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Balancierunterstützung eines Rollstuhls 100 zu realisieren. Der Rollstuhl 100 umfasst zwei Antriebsräder 101 mit jeweils einer Kraftübertragungseinrichtung 102. In diesem Fall ist die Kraftübertragungseinrichtung 102 ein Greifring. Am Rollstuhl 100 sind außerdem zwei Vorderräder 103 angeordnet. In 1a ist der Rollstuhl 100 in Seitenansicht dargestellt, d.h. es sind das rechte Antriebsrad 101 mit der rechten Kraftübertragungseinrichtung 102 und das rechte Vorderrad 103 sowie ein Rollstuhlgestell mit Sitz zu erkennen. Der Rollstuhl 100 weist des Weiteren ein Steuergerät 105 und einen Elektromotor 104 sowie einen Sensor 110 auf. Außerdem ist eine Achse 106 zu erkennen. Die Achse 106 kommt senkrecht aus der Zeichenebene heraus und ist parallel zur x-Achse, d.h. sie ist orthogonal zur y-Achse in Vorwärtsrichtung und orthogonal zur z-Achse, welche auch Hochachse genannt wird.In 1a is a wheelchair 100 which is suitable a method according to the invention for balancing support of a wheelchair 100 to realize. The wheelchair 100 includes two drive wheels 101 each with a power transmission device 102 , In this case, the power transmission device 102 a gripping ring. On the wheelchair 100 are also two front wheels 103 arranged. In 1a is the wheelchair 100 shown in side view, ie it is the right drive wheel 101 with the right power transmission device 102 and the right front wheel 103 and to recognize a wheelchair frame with seat. The wheelchair 100 further includes a controller 105 and an electric motor 104 as well as a sensor 110 on. There is also an axis 106 to recognize. The axis 106 is perpendicular to the plane of the drawing and is parallel to the x-axis, ie it is orthogonal to the y-axis in the forward direction and orthogonal to the z-axis, which is also called the vertical axis.

In 1b ist ein ähnlicher Rollstuhl 100, wie in 1a, dargestellt. Der Rollstuhl 100 in 1b unterscheidet sich vom Rollstuhl 100 aus 1a dadurch, dass am Antriebsrad zur manuellen Kraftübertragung als Kraftübertragungseinrichtung 102 eine Hebeleinrichtung statt eines Greifringes angeordnet ist. Auch mit einem Rollstuhl 100 mit einer Hebeleinrichtung ist es möglich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Balancierunterstützung eines Rollstuhls 100 zu realisieren.In 1b is a similar wheelchair 100 , as in 1a represented. The wheelchair 100 in 1b is different from the wheelchair 100 out 1a in that on the drive wheel for manual power transmission as a power transmission device 102 a lever device instead of a gripping ring is arranged. Also with a wheelchair 100 With a lever device, it is possible an inventive method for Balancierunterstützung a wheelchair 100 to realize.

Erfindungsgemäß wird vom Sensor 110 mindestens eine Drehrate Ψ .(t) als Maß für eine Drehung um die Achse 106 erfasst. Der Sensor 110 kann einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor und/oder einen Abstandsensor aufweisen. Der Sensor 110 weist bevorzugt eine inertiale Messeinheit auf, welche mehrere Drehraten- und Beschleunigungssensoren umfasst.According to the invention of the sensor 110 at least one yaw rate Ψ. (t) as a measure of rotation about the axis 106 detected. The sensor 110 may include an acceleration sensor, a rotation rate sensor and / or a distance sensor. The sensor 110 preferably has an inertial measuring unit, which comprises a plurality of rotation rate and acceleration sensors.

In 2 ist beispielhaft eine inertiale Messeinheit als Sensor 110 dargestellt. Mehrere Sensoren 110 bilden demnach in der inertialen Messeinheit ein Sensorsystem, welches als eine einzelne Baueinheit am Rollstuhl angebracht wird. Die inertiale Messeinheit wird bevorzugt am Rollstuhl 100 so angeordnet, dass die x-Achse parallel zur Achse 106 liegt und in dieselbe Richtung zeigt. In einem Koordinatensystem der 2 ist zu erkennen, dass von der inertialen Messeinheit Beschleunigungen in drei Raumrichtungen sowie eine Drehrate Ψ .(t) um die x-Achse und eine Drehrate um die z-Achse erfasst werden. Die erfindungsgemäß benötigte Drehrate Ψ .(t) um eine parallele Achse zur Achse 106 wird damit durch die gezeigte inertiale Messeinheit erfasst. Mittels der Schwerkraft als Referenzwert wird eine orthogonal zur Schwerkraft aufgespannte Bezugsebene 300 definiert. Durch die von der inertialen Messeinheit erfassten Messgrößen wird eine Lageänderung relativ zur Bezugsebene 300 erfasst und die Lage des Sensorsystems 110 im Raum ermittelt. Damit wird beispielsweise ein Kippwinkel Ψ(t) relativ zur Bezugsebene 300 bestimmt. Zur Berechnung der Lage im Steuergerät werden beispielsweise Gleichungen des Kalman-Filters verwendet.In 2 is an example of an inertial measuring unit as a sensor 110 shown. Several sensors 110 Accordingly, in the inertial measuring unit form a sensor system, which is attached as a single unit to the wheelchair. The inertial measuring unit is preferred on the wheelchair 100 arranged so that the x-axis is parallel to the axis 106 lies and points in the same direction. In a coordinate system of 2 It can be seen that the inertial measuring unit detects accelerations in three spatial directions as well as a rate of rotation Ψ (t) about the x-axis and a rate of rotation about the z-axis. The rotation rate Ψ (t) required according to the invention about a parallel axis to the axis 106 is thus detected by the inertial measuring unit shown. By means of gravity as a reference value, a reference plane spanned orthogonally to gravity becomes 300 Are defined. The measured variables detected by the inertial measuring unit cause a change in position relative to the reference plane 300 recorded and the location of the sensor system 110 determined in the room. Thus, for example, a tilt angle Ψ (t) relative to the reference plane 300 certainly. To calculate the position in the control unit, for example, equations of the Kalman filter are used.

In 3 ist der Rollstuhl 100 mit einem gemeinsamen Schwerpunkt 350 des Rollstuhls 100 und des Rollstuhlfahrers 360 sowie eine Wirkrichtung der Gewichtskraft am gemeinsamen Schwerpunkt 350 dargestellt. In 3 ist darüber hinaus auch die senkrecht zur Gewichtskraft liegende Bezugsebene 300 des Sensorsystems 110 bzw. des Sensorsystems abgebildet. Der Rollstuhl 100 ist nicht gekippt. Die Vorderräder 103 haben Kontakt zum Boden und der Rollstuhl 100 steht auf den Antriebsrädern 101 und den Vorderrädern 103. Das in 3 gezeigte Beispiel stellt den Rollstuhl auf einem horizontalen Boden stehend dar. In diesem Fall entspricht die Bezugsebene 300 dem Boden. Wenn der Rollstuhl einen Hang hinauf oder herab fährt, so weicht die Standfläche des Rollstuhles beziehungsweise der Boden von der horizontalen Bezugsebene ab. Bei einer Hangfahrt kann also ein Kippwinkel größer beziehungsweise kleiner Null resultieren, obwohl die Vorderräder des Rollstuhles den Kontakt zum Boden nicht verloren haben.In 3 is the wheelchair 100 with a common focus 350 of the wheelchair 100 and the wheelchair user 360 and an effective direction of the weight at the common center of gravity 350 shown. In 3 is also the reference plane perpendicular to the weight 300 of the sensor system 110 or the sensor system. The wheelchair 100 is not tilted. The front wheels 103 have contact with the ground and the wheelchair 100 stands on the drive wheels 101 and the front wheels 103 , This in 3 The example shown illustrates the wheelchair standing on a horizontal ground. In this case, the reference plane corresponds 300 the floor. If the wheelchair moves up or down a slope, the base of the wheelchair or the floor deviates from the horizontal reference plane. When driving on a slope, therefore, a tilt angle greater or less than zero can result, although the front wheels of the wheelchair have not lost contact with the ground.

In 4 ist der Rollstuhl 100 in gekippter Position dargestellt. Beim Kippen um die Achse 106 des Antriebsrades 101 verlieren die Vorderräder 103 den Bodenkontakt. Die gekippte Position des Rollstuhls 100 wird durch einen Kippwinkel Ψ(t) repräsentiert. Der Kippwinkel Ψ(t) liegt, wie in 4 dargestellt, beispielswiese in der von der y-Achse und der z-Achse des Sensorsystems 110 aufgespannten Ebene zwischen der Bezugsebene 300 und der von der x-Achse und der y-Achse des Sensorsystems 110 aufgespannten Ebene 400 beziehungsweise der um die Achse 106 gekippten Bezugsebene 400. In 4 is the wheelchair 100 shown in tilted position. When tilting around the axis 106 of the drive wheel 101 lose the front wheels 103 the ground contact. The tilted position of the wheelchair 100 is represented by a tilt angle Ψ (t). The tilt angle Ψ (t) is as in 4 represented, for example, in the y-axis and the z-axis of the sensor system 110 spanned plane between the reference plane 300 and that of the x-axis and the y-axis of the sensor system 110 spanned level 400 or the one around the axis 106 tilted reference plane 400 ,

In 4 ist der gekippte Rollstuhl 100 am Balancierwinkel Ψ₀ als Kippwinkel Ψ(t) gezeigt. Der Balancierwinkel Ψ₀ liegt vor, wenn der gemeinsame Schwerpunkt 350 des Rollstuhls 100 und des Rollstuhlfahrers 360 über der Achse 106 liegt. In 4 is the tilted wheelchair 100 at the balance angle Ψ ₀ as a tilt angle Ψ (t) shown. The balance angle Ψ ₀ is present when the common center of gravity 350 of the wheelchair 100 and the wheelchair user 360 above the axis 106 lies.

Die dargestellte Lage des Rollstuhls 100 in 4 am Balancierwinkel Ψ₀ ist instabil. Leichte Änderungen des Kippwinkels Ψ(t) resultieren aufgrund der Gewichtskraft am Schwerpunkt 350 in einem Kipp-Drehmoment um die Achse 106. Um den Rollstuhl 100 am Balancierwinkel Ψ₀ zu halten, müssen leichte Änderungen des Kippwinkels Ψ(t) demnach vom Rollstuhlfahrer 360 durch einen manuelle Krafteingriff auf eine Kraftübertragungseinrichtung 102, wie z.B. auf die Greifringe, oder durch eine Gewichtsverlagerung des Rollstuhlfahrers 360 ausgeglichen werden. The illustrated position of the wheelchair 100 in 4 at the balance angle Ψ ₀ is unstable. Slight changes in the tilt angle Ψ (t) result due to the weight at the center of gravity 350 in a tilting torque around the axis 106 , To the wheelchair 100 At the balance angle Ψ ₀ , slight changes in the tilt angle Ψ (t) must therefore be made by the wheelchair user 360 by a manual force intervention on a power transmission device 102 , such as on the handrims, or by a weight transfer of the wheelchair user 360 be compensated.

In 5 ist der Rollstuhl 100 an einem Kippwinkel Ψ(t) größer dem Balancierwinkel Ψ₀ dargestellt. Bei einem Kippwinkel Ψ(t) größer dem Balancierwinkel Ψ₀ kippt der Rollstuhl 100 ohne einen Krafteingriff um die Achse 106 nach hinten.In 5 is the wheelchair 100 at a tilt angle Ψ (t) greater than the Balancierwinkel Ψ ₀ shown. At a tilt angle Ψ (t) greater than the balance angle Ψ ₀ , the wheelchair tilts 100 without a force engagement about the axis 106 to the rear.

In 6 ist ein Antriebsrad 101 des Rollstuhls 100 mit einem Greifring als Kraftübertragungseinrichtung 102 und dem Elektromotor 104 dargestellt. Das Antriebsrad 101 verfügt beispielsweise über einen mit Luft gefüllten und unter Druck stehenden Reifen 600. Die Achse 106 des Antriebsrades 101 ist dargestellt. Es wird deutlich, dass eine manuelle Kraft des Rollstuhlfahrers 360 auf den Greifring 102 parallel zur maschinellen Antriebskraft des Elektromotors 104 auf das Antriebsrad 101 wirkt. Die beiden resultieren Drehmomente zum Antrieb überlagern sich also additiv. Der Rollstuhlfahrer 360 kann jederzeit mit einem aufgebrachten, manuellen Drehmoment den mindestens einen Elektromotor 104 überstimmen, das heißt das Antriebsrad 101 des Rollstuhles 100 entgegen eines durch den Elektromotor 104 aufgebrachten Drehmomentes M drehen.In 6 is a drive wheel 101 of the wheelchair 100 with a gripping ring as a power transmission device 102 and the electric motor 104 shown. The drive wheel 101 For example, it has an air-filled and pressurized tire 600 , The axis 106 of the drive wheel 101 is presented, layed out. It becomes clear that a manual force of the wheelchair user 360 on the grip ring 102 parallel to the mechanical driving force of the electric motor 104 on the drive wheel 101 acts. The two resulting torques for the drive are thus superimposed additively. The wheelchair user 360 can at any time with an applied, manual torque the at least one electric motor 104 override, that is the drive wheel 101 of the wheelchair 100 against one by the electric motor 104 torque applied M turn.

In 7 ist in einem Flussdiagramm zur parallelen Wirkung der manuellen Kraft des Rollstuhlfahrers 360 und der maschinellen Antriebskraft des Elektromotors 104 auf das Antriebsrad 101 dargestellt. Der Rollstuhlfahrer 360 prägt eine Kraft auf den Greifring 102 am Antriebsrad 101 auf und kann so den Rollstuhl 100 je nach Kraftrichtung nach vorne oder nach hinten antreiben. Bei unterschiedlichen Kräften am rechten und linken Antriebsrad 101 ist eine Kurvenfahrt beziehungsweise ein Drehen des Rollstuhles 100 um die Hochachse (z-Achse), d.h. auf der Stelle, möglich. Im erfindungsgemäßen Verfahren erfasst ein Sensor 110 mindestens eine Drehrate als Maß der Drehung um eine parallele Achse zur Achse 106 des Antriebsrades 101, wobei die Achse auch parallel zur x-Achse, orthogonal zur Hochachse (z-Achse) und orthogonal zur y-Achse in Vorwärtsrichtung angeordnet ist. Der Sensor 110 gibt mindestens ein Sensorsignal aus, welches die Drehung um die Achse 106 repräsentiert. Das Steuergerät 105 erfasst das Sensorsignal und steuert mindestens in Abhängigkeit der Drehrate Ψ .(t) den Elektromotor 104 an. Der Elektromotor 104 treibt durch die Ansteuerung vom Steuergerät 105 das Antriebsrad 101 in Abhängigkeit der Drehrate Ψ .(t) und/oder des Kippwinkels Ψ(t) an.In 7 is a flow chart for the parallel action of the manual power of the wheelchair user 360 and the driving force of the electric motor 104 on the drive wheel 101 shown. The wheelchair user 360 imposes a force on the grip ring 102 on the drive wheel 101 and so can the wheelchair 100 drive forwards or backwards depending on the direction of the force. At different forces on the right and left drive wheel 101 is a cornering or turning the wheelchair 100 around the vertical axis (z-axis), ie on the spot, possible. In the method according to the invention, a sensor detects 110 at least one yaw rate as a measure of the rotation about a parallel axis to the axis 106 of the drive wheel 101 wherein the axis is also arranged parallel to the x-axis, orthogonal to the vertical axis (z-axis) and orthogonal to the y-axis in the forward direction. The sensor 110 outputs at least one sensor signal representing the rotation about the axis 106 represents. The control unit 105 detects the sensor signal and controls the electric motor at least as a function of the rotation rate Ψ (t) 104 at. The electric motor 104 drives by the control of the control unit 105 the drive wheel 101 depending on the rate of rotation Ψ (t) and / or the tilt angle Ψ (t).

In 8 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt 810 wird durch einen Sensor 110 am Rollstuhl 100 mindestens ein Maß für die Drehrate Ψ .(t) um die Achse 106 erfasst. In einem zweiten Schritt 820 erfolgt eine Ansteuerung des Elektromotors 104. Dadurch erzeugt der Elektromotor 104 ein Drehmoment M auf das Antriebsrad 101 des Rollstuhls 100 in Abhängigkeit der Drehrate Ψ .(t) und/oder des Kippwinkels Ψ(t). Die Drehrate Ψ .(t) um die Achse 106 wird durch das Drehmoment M des Elektromotors 104 reduziert beziehungsweise das Kippen des Rollstuhles 100 um die Achse 106 verlangsamt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt keine Drehung in Richtung des Balancierwinkels Ψ₀. D.h. das erzeugte Drehmoment des Elektromotors 104 ist kleiner als das Kipp-Drehmoment. Der Winkelabstand des aktuellen Kippwinkels Ψ(t) zum Balancierwinkel Ψ₀ nimmt betragsmäßig zu. Das Kippen aus der Balancierlage wird durch das Drehmoment des Elektromotors auf das Antriebsrad also nur verlangsamt, d.h. nicht gestoppt. Eine manuelle Kraft des Rollstuhlfahrers 360 auf die Kraftübertragungseinrichtung 102 beziehungsweise die Greifringe 102 und damit ein manueller Antrieb der Antriebsräder 101 ist zur Vermeidung eines Kippens des Rollstuhls 100 nötig. Das Kippen aus der Balancierlage bzw. dem Balancierwinkel Ψ₀ wird durch das Verfahren zeitlich verzögert. In 8th a flowchart of the method according to the invention is shown. In a first step 810 is through a sensor 110 on the wheelchair 100 at least one measure of the rate of rotation Ψ (t) about the axis 106 detected. In a second step 820 there is a control of the electric motor 104 , This generates the electric motor 104 a torque M on the drive wheel 101 of the wheelchair 100 as a function of the rate of rotation Ψ (t) and / or of the tilt angle Ψ (t). The rate of rotation Ψ. (T) about the axis 106 is determined by the torque M of the electric motor 104 reduced or tilting the wheelchair 100 around the axis 106 slowed down. The inventive method does not rotate in the direction of the balancing angle Ψ ₀ . That is, the generated torque of the electric motor 104 is smaller than the tilting torque. The angular distance of the current tilt angle Ψ (t) to the balance angle Ψ ₀ increases in terms of amount. The tilting from the balance position is therefore only slowed down by the torque of the electric motor to the drive wheel, that is not stopped. A manual force of the wheelchair user 360 on the power transmission device 102 or the handrims 102 and thus a manual drive of the drive wheels 101 is to avoid tipping the wheelchair 100 necessary. The tilting out of the balancing position or the balancing angle Ψ ₀ is delayed in time by the method.

Durch den zweiten Schritt 820 werden also beispielsweise die zwei Antriebsräder 101 in 5 durch den Elektromotor 104 in Abhängigkeit der ermittelten Drehrate Ψ .(t) und/oder des ermittelten Kippwinkels Ψ(t) zur Rückwärtsfahrt des Rollstuhles 100 angetrieben. Die Schritte 810 bis 820 wiederholen sich, so dass der Elektromotors bei sich verändernder Drehrate Ψ .(t) wiederholt angesteuert wird. Through the second step 820 So for example, the two drive wheels 101 in 5 through the electric motor 104 as a function of the determined rotation rate Ψ (t) and / or of the determined tilting angle Ψ (t) for reversing the wheelchair 100 driven. The steps 810 to 820 Repeat, so that the electric motor is repeatedly driven with changing rate of rotation Ψ. (t).

Das Verfahren kann in einem optionalen Schritt 830 beendet werden. Die Beendigung des Verfahrens kann durch ein Kippen auf die Vorderräder 103 oder mittels einer manuell eingeleiteten Kraft des Rollstuhlfahrers 360 auf mindestens einen Greifring 102 oder durch das Erfassen einer manuellen Eingabe des Rollstuhlfahrers 360 erfolgen. The method may be in an optional step 830 to be ended. The termination of the procedure can be achieved by tilting the front wheels 103 or by means of a manually introduced force of the wheelchair user 360 on at least one gripping ring 102 or by detecting a manual entry of the wheelchair user 360 respectively.

In einer erweiterten Ausführung des Verfahrens kann in einem optionalen Schritt das Steuergerät 105 den Balancierwinkel Ψ₀ durch ein Balancierwinkelermittlungsverfahren ermitteln. In an expanded embodiment of the method, in an optional step, the controller 105 determine the balance angle Ψ ₀ by a balance angle determination method.

In einem weiteren, optionalen Schritt des Verfahrens kann die Drehrate Ψ .(t), der Kippwinkel Ψ(t), ein Abstand des Kippwinkels Ψ(t) zu dem Balancierwinkel Ψ₀ und/oder eine Gierrate dem Rollstuhlfahrer 360 angezeigt werden. Die Anzeige kann visuell an einem Anzeigegerät realisiert sein. Die Anzeige kann alternativ auch akustisch durch einen Signalton über den Lautsprecher oder alternativ auch haptisch durch mindestens einen Aktor an mindestens einem der Greifringe und/oder am Rollstuhlgestell erfolgen.In a further, optional step of the method, the rate of rotation Ψ (t), the tilt angle Ψ (t), a distance of the tilt angle Ψ (t) from the balance angle Ψ ₀ and / or a yaw rate to the wheelchair user 360 are displayed. The display can be realized visually on a display device. Alternatively, the display can also be acoustically by a signal tone on the speaker or alternatively haptically by at least one actuator on at least one of the gripping rings and / or on the wheelchair frame.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird mindestens ein Antriebsrad 101 vom Elektromotor 104 in Abhängigkeit der Drehrate Ψ .(t) mit einem durch das Steuergerät 105 ermittelten Drehmoment M gemäß einer linearen Funktion nach Gleichung (1) angetrieben. Als Dämpfungskonstante k wird dabei beispielsweise bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich der Drehrate in rad/s ein Wert zwischen 10 und 100 gewählt. Besonders bevorzugt wird die Dämpfungskonstante k auf einen Wert zwischen 30 bis 80 gesetzt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Elektromotor nur in Abhängigkeit der Drehrate Ψ .(t) angetrieben, wobei das Drehmoment des Elektromotors entgegen der Drehung des Kippens wirkt und somit die Drehrate reduziert. M = –k·Ψ .(t) (1) In a further embodiment, at least one drive wheel 101 from the electric motor 104 as a function of the rate of rotation Ψ (t) with one by the control unit 105 determined torque M according to a linear function according to equation (1) driven. As the damping constant k, a value between 10 and 100 is selected, for example, with respect to the torque in Nm and with respect to the rotation rate in rad / s. Particularly preferably, the damping constant k is set to a value between 30 and 80. In this exemplary embodiment, the electric motor is driven only as a function of the rotation rate Ψ (t), wherein the torque of the electric motor counteracts the rotation of the tilting and thus reduces the rotation rate. M = -k · Ψ. (T) (1)

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Antriebsrad 101 durch den Elektromotor 104 in Abhängigkeit des Kippwinkels Ψ(t) als Kippparameter angetrieben. In another embodiment, the drive wheel 101 through the electric motor 104 in response to the tilt angle Ψ (t) driven as Kippparameter.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zur Drehrate mindestens ein Maß für einen Kippwinkel von einem Sensor erfasst. Die Ermittlung des Kippwinkels in Abhängigkeit des erfassten Maßes für den Kippwinkel erfolgt durch das Steuergerät. Die Ansteuerung des Elektromotors erfolgt zusätzlich in Abhängigkeit des ermittelten Kippwinkels, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Elektromotor nur bei Kippwinkeln Ψ(t) in einem definierten Wertebereich angesteuert wird, insbesondere bei Kippwinkeln Ψ(t) zwischen 5° bis 25°. Damit würde also beispielsweise bei einem Kippwinkel Ψ(t) = 3° kein Drehmoment des Elektromotors realisiert. Dabei treibt der Elektromotor 104 das Antriebsrad 101 beispielsweise mit einem Drehmoment M gemäß einer Funktion nach Gleichung (2) an. Das Drehmoment M ist nach Gleichung (2) von der Dämpfungskonstante k, von der Drehrate Ψ .(t) und von einer Funktion f(Ψ(t)) des Kippwinkels Ψ(t) abhängig. M = –k·f(Ψ(t))·Ψ .(t) (2) In a preferred embodiment, at least one measure of a tilt angle is detected by a sensor in addition to the rotation rate. The determination of the tilt angle as a function of the detected measure for the tilt angle is carried out by the control unit. The control of the electric motor is additionally carried out as a function of the determined tilt angle, wherein in this embodiment, the electric motor is driven only at tilt angles Ψ (t) in a defined range of values, in particular at tilt angles Ψ (t) between 5 ° to 25 °. Thus, for example, at a tilt angle Ψ (t) = 3 ° no torque of the electric motor would be realized. It drives the electric motor 104 the drive wheel 101 For example, with a torque M according to a function of equation (2). The torque M depends on the damping constant k, on the yaw rate Ψ (t) and on a function f (Ψ (t)) of the tilt angle Ψ (t) according to equation (2). M = -k · f (Ψ (t)) · Ψ. (T) (2)

Die Funktion f(Ψ(t)) weist beispielsweise ein Maximum am Balancierwinkel Ψ₀ auf. Eine Ableitung der Funktion f(Ψ(t)) ist des Weiteren beispielsweise für Kippwinkel kleiner dem Balancierwinkel Ψ₀ positiv und für Kippwinkel Ψ(t) größer dem Balancierwinkel Ψ₀ negativ. Beim Balancieren bei Kippwinkeln Ψ(t) in der Nähe des Balancierwinkels Ψ₀ wird also ein betragsmäßig stärkeres Drehmoment M durch den Elektromotor 104 aufgebracht als bei Kippwinkel mit größerem Abstand zum Balancierwinkel Ψ₀. Damit wird die Drehrate Ψ .(t) im Bereich des Balancierwinkels Ψ₀ stärker reduziert. For example, the function f (Ψ (t)) has a maximum at the balance angle Ψ ₀ . A derivative of the function f (Ψ (t)) is furthermore, for example, tilt angle smaller than the Balancierwinkel Ψ ₀ and a positive tilt angle for Ψ (t) greater than the Balancierwinkel Ψ ₀ negative. When balancing at tilt angles Ψ (t) in the vicinity of the balancing angle Ψ ₀ so a magnitude stronger torque M by the electric motor 104 applied as at tilt angle with a greater distance to the balance angle Ψ ₀ . Thus, the rate of rotation Ψ (t) is reduced more in the range of the balance angle Ψ ₀ .

In 9a ist nach Gleichung (3) eine weiterführende Form der Funktion f(Ψ(t)) abgebildet. Demnach wird der Elektromotor 104 nur bei Kippwinkeln Ψ(t) mit einem maximalen Winkelabstand ΔΨ vom Balancierwinkel Ψ₀ angetrieben, wobei beispielsweise Ψ₀ = 14° und ΔΨ = 6° sind. In dem in 9 gezeigten Beispiel wird das Balancieren für Kippwinkel Ψ(t) des Rollstuhls 100 also zwischen Ψ(t) = 8° bis Ψ(t) = 20° unterstützt. Der Elektromotor 104 treibt die Antriebsräder 101 dabei am Balancierwinkel Ψ₀ = 14° mit einem maximalen Drehmoment an.

In 9a according to equation (3) a further form of the function f (Ψ (t)) is shown. Accordingly, the electric motor 104 only at tilt angles Ψ (t) with a maximum angular distance ΔΨ driven by the balancing angle Ψ ₀ , for example, Ψ ₀ = 14 ° and ΔΨ = 6 °. In the in 9 shown example, the balance for tilt angle Ψ (t) of the wheelchair 100 thus supported between Ψ (t) = 8 ° to Ψ (t) = 20 °. The electric motor 104 drives the drive wheels 101 at the balancing angle Ψ ₀ = 14 ° with a maximum torque.

In 9b ist nach Gleichung (4) eine Weiterbildung der weiterführenden Form der Funktion f(Ψ(t)) abgebildet. Demnach wird der Elektromotor 104, wie in 9a, nur bei Kippwinkeln Ψ(t) mit einem maximalen Winkelabstand ΔΨ vom Balancierwinkel Ψ₀ angetrieben, wobei beispielsweise Ψ₀ = 14° und ΔΨ = 6° sind. Am Balancierwinkel Ψ₀ = 14° liegt in dieser Weiterführung zusätzlich ein relatives Minimum der Funktion f(Ψ(t)) vor. Die Unterstützung des Rollstuhlfahrers durch das Drehmoment M des Elektromotor zum Balancieren steigt damit ausgehend von Ψ(t) = 0° zunächst an, so dass die Balancierlage leichter erreicht werden kann. Am Balancierwinkel Ψ₀ = 14° nimmt die Unterstützung zumindest geringfügig ab, so dass um den Balancierwinkel Ψ₀ = 14° zunehmend manuell balanciert wird. Dadurch erhält der Rollstuhlfahrer ein haptisches Feed-back durch ein zunehmendes Drehmoment des Elektromotors 104 bei steigender Abweichung vom Balancierwinkel Ψ₀ in der Nähe des Balancierwinkels Ψ₀.In 9b according to equation (4), a development of the further form of the function f (Ψ (t)) is shown. Accordingly, the electric motor 104 , as in 9a , only at tilt angles Ψ (t) with a maximum angular distance ΔΨ driven by the balancing angle Ψ ₀ , for example, Ψ ₀ = 14 ° and ΔΨ = 6 °. At the balancing angle Ψ ₀ = 14 °, in this continuation there is additionally a relative minimum of the function f (Ψ (t) ) in front. The support of the wheelchair user by the torque M of the electric motor for balancing thus increases starting from Ψ (t) = 0 °, so that the balancing position can be more easily achieved. At the balancing angle Ψ ₀ = 14 °, the support decreases at least slightly, so that the balancing angle Ψ ₀ = 14 ° increasingly balances manually. This gives the wheelchair user a haptic feedback through an increasing torque of the electric motor 104 with increasing deviation from the balance angle Ψ ₀ in the vicinity of the balance angle Ψ ₀ .

Durch die Ansteuerung nach Gleichung (1), Gleichung (2) oder Gleichung (3) wird dem Rollstuhlfahrer 100 und einem Zuschauer analog zum Elektrofahrrad eher ein Eindruck eines manuell betriebenen Rollstuhls 100 statt eines vollelektrischen Rollstuhls vermittelt. Dies weißt psychologisch große Vorteile für den Rollstuhlfahrer 360 auf. By driving according to equation (1), equation (2) or equation (3) is the wheelchair user 100 and a viewer analogous to the electric bike rather an impression of a manually operated wheelchair 100 instead of a fully electric wheelchair. This knows psychologically great benefits for the wheelchair user 360 on.

In einer weiteren Variante der möglichen, alternativen Ausgestaltung der Erfindung treibt der Elektromotor 104 durch die Ansteuerung das Antriebsrad 101 in Kipprichtung mit einem Drehmoment M gemäß der Gleichung (4) in Abhängigkeit des Kippwinkels Ψ(t) und einer nichtlinearen Funktion g(Ψ(t)) an. Ein möglicher Graph der Funktion g(Ψ(t)) ist in 10 dargestellt. Die Konstante c liegt dabei bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich des Winkels in rad bevorzugt zwischen 50 und 300. M = –c·g(Ψ(t))·Ψ(t) – Ψ₀) (4) In a further variant of the possible, alternative embodiment of the invention drives the electric motor 104 by driving the drive wheel 101 in the tilt direction with a torque M according to equation (4) as a function of the tilt angle Ψ (t) and a nonlinear function g (Ψ (t)). A possible graph of the function g (Ψ (t)) is in 10 shown. The constant c is in terms of torque in Nm and with respect to the angle in rad preferably between 50 and 300. M = -c · g (Ψ (t)) · Ψ (t) - Ψ ₀ ) (4)

Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist in 11 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel treibt der Elektromotor 104 das Antriebsrad 101 in Kipprichtung an, wobei für unterschiedliche Kippwinkelbereiche ein unterschiedliches Regelverhalten resultiert. Wie in 11 dargestellt, umfasst ein erster Bereich 1101 Kippwinkel Ψ(t) kleiner einem Minimalwinkel Ψ_min. Im ersten Bereich 1101 wird durch die Ansteuerung des Elektromotors 104 mittels des Drehmoments M des Elektromotors 104 eine Drehung um die Achse 106 des Antriebsrades 101 in Richtung der Balancierlage erzeugt. Dadurch erhöht sich der Kippwinkel Ψ(t) bis als Kippwinkel Ψ(t) der Minimalwinkel Ψ_min erreicht ist. Ein zweiter Bereich 1102 umfasst, wie in 11 dargestellt, Kippwinkel Ψ(t) größer einem Maximalwinkel Ψ_max. Im zweiten Bereich 1102 wird durch die Ansteuerung des Elektromotors 104 mittels des Drehmoments M des Elektromotors 104 eine Drehung um die Achse 106 des Antriebsrades 101 in Richtung der Balancierlage erzeugt. Dadurch reduziert sich der Kippwinkel Ψ(t) bis als Kippwinkel Ψ(t) der Maximalwinkel Ψ_max erreicht ist. Ein dritter Bereich 1103 umfasst Kippwinkel Ψ(t) größer oder gleich dem Minimalwinkel Ψ_min und kleiner oder gleich dem Maximalwinkel Ψ_max, wie in 11 visualisiert. Im dritten Bereich 1103 wird beispielsweise eine reduzierte Drehrate Ψ .(t) in Kipprichtung um die Achse (106) realisiert, so dass im Bereich um den Balancierwinkel Ψ₀ unterstützt balanciert wird. Diese Variante der Erfindung hat den Vorteil, dass ein ungewolltes Umkippen nach hinten oder auf die Vorderräder 103 vermieden wird, wobei am Balancierwinkel Ψ₀ eine manuelle und direktere Kontrolle des Rollstuhls 100 durch den Rollstuhlfahrer 360 vorliegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung dieses alternativen Ausführungsbeispiels liegt der Balancierwinkel mittig im dritten Bereich 1103. An alternative embodiment is in 11 shown. In this embodiment, the electric motor drives 104 the drive wheel 101 in the tilting direction, whereby different control behavior results for different tilting angle ranges. As in 11 shown includes a first area 1101 Tilt angle Ψ (t) smaller than a minimum angle Ψ _min . In the first area 1101 is controlled by the electric motor 104 by means of the torque M of the electric motor 104 a turn around the axis 106 of the drive wheel 101 generated in the direction of the balance. As a result, the tilt angle Ψ (t) increases until the minimum angle Ψ _{min is} reached as the tilt angle Ψ (t). A second area 1102 includes, as in 11 shown, tilt angle Ψ (t) greater than a maximum angle Ψ _max . In the second area 1102 is controlled by the electric motor 104 by means of the torque M of the electric motor 104 a turn around the axis 106 of the drive wheel 101 generated in the direction of the balance. This reduces the tilt angle Ψ (t) until the tilt angle Ψ (t) of the maximum angle Ψ _{max is} reached. A third area 1103 includes tilt angle Ψ (t) greater than or equal to the minimum angle Ψ _min and less than or equal to the maximum angle Ψ _max , as in 11 visualized. In the third area 1103 For example, a reduced rate of rotation Ψ. (t) in the tilt direction about the axis ( 106 ) realized, so that in the area around the balance angle Ψ ₀ supported balanced. This variant of the invention has the advantage that an accidental overturning to the rear or to the front wheels 103 is avoided, with the Balancierwinkel Ψ ₀ a manual and more direct control of the wheelchair 100 by the wheelchair user 360 is present. In a preferred embodiment of this alternative embodiment, the Balancierwinkel is centered in the third area 1103 ,

In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung wird ein Balancieren bei seitlichem Gefälle, z.B. schräg am Hang, unterstützt. Dafür weist ein Rollstuhl 100 zwei Antriebsräder 101 und pro Antriebsrad 101 jeweils einen separat ansteuerbaren Elektromotor 104 auf. Außerdem erfasst das Sensorsystem 110 auch ein Maß für eine Drehung um die Hochachse beziehungswiese um die z-Achse, d.h. die Gierrate des Rollstuhls 100. Die Ansteuerung der Elektromotoren 104 erfolgt zusätzlich in Abhängigkeit der erfassten Gierrate. Dadurch werden ein linkes Antriebsrad 101 und ein rechtes Antriebsrad 101 unterschiedlich stark mit jeweils einem Elektromotor 104 in Kipprichtung angetrieben, so dass die Gierrate mindestens reduziert wird.In a further embodiment of the invention, a balancing on lateral slopes, eg obliquely on a slope, supported. This is indicated by a wheelchair 100 two drive wheels 101 and per drive wheel 101 each a separately controllable electric motor 104 on. In addition, the sensor system detects 110 also a measure of a rotation about the vertical axis or meadow around the z-axis, ie the yaw rate of the wheelchair 100 , The control of the electric motors 104 additionally takes place depending on the detected yaw rate. This will be a left drive wheel 101 and a right drive wheel 101 different degrees each with an electric motor 104 driven in the tilting direction, so that the yaw rate is at least reduced.

In 12 ist ein erfindungsgemäßes Steuergerät 105 zur Ansteuerung eines Elektromotors 104 abgebildet. Das Steuergerät umfasst wenigstens eine Recheneinheit 1202. Die Recheneinheit erfasst ein Sensorsignal eines Sensors. Das Sensorsignal repräsentiert eine Drehrate um die Achse des Antriebsrades 101 des Rollstuhls 100. Außerdem gibt die Recheneinheit 1202 ein Ausgangssignal zur Ansteuerung eines Elektromotors 104 eines Rollstuhls 100 in Abhängigkeit der erfassten Kippgröße aus. Dadurch erzeugt der Elektromotor 104 durch die Ansteuerung ein Drehmoment. Das Steuergerät kann zusätzlich eine Empfangseinheit 1201 und/oder eine Ausgabeeinheit 1203 aufweisen.In 12 is an inventive control device 105 for controlling an electric motor 104 displayed. The control unit comprises at least one arithmetic unit 1202 , The arithmetic unit detects a sensor signal of a sensor. The sensor signal represents a rate of rotation about the axis of the drive wheel 101 of the wheelchair 100 , In addition, the arithmetic unit gives 1202 an output signal for controlling an electric motor 104 a wheelchair 100 depending on the detected tilt size. This generates the electric motor 104 by driving a torque. The control unit can additionally have a receiving unit 1201 and / or an output unit 1203 exhibit.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung wird zusätzlich oder als Ersatz für das Steuergerät 105 ein tragbarer Computer am Rollstuhl befestigt. Ein solcher tragbarer Computer kann beispielsweise ein Smartphone sein. Der Computer kann auch wenigstens einen Sensor 110 für das erfindungsgemäße Verfahren aufweisen.In an alternative embodiment of the invention, in addition or as a replacement for the control unit 105 a portable computer attached to a wheelchair. Such a portable computer may be, for example, a smartphone. The computer can also have at least one sensor 110 for the inventive method.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008002993 B3 [0003]
US 5701965 [0004]
DE 60021709 T2 [0004]

Claims

Method for controlling an electric motor ( 104 ) for the balancing support of a wheelchair ( 100 ), comprising at least the steps of • detecting a current rate of rotation (Ψ (t)) of the wheelchair ( 100 ) when tilting the wheelchair, and • controlling an electric motor ( 104 ) as a function of the detected rotation rate (Ψ (t)), so that the electric motor ( 104 ) a torque (M) on the drive wheel ( 101 ) of the wheelchair ( 100 ), whereby the rate of rotation (Ψ (t)) is reduced, the rate of rotation (Ψ (t)) resulting in absolute value greater than zero with the same tilting direction.

A method according to claim 1, characterized in that the control of the electric motor ( 104 ) a torque (M) on the drive wheel ( 101 ) of the wheelchair ( 100 ) according to a function of the shape

M = -k · Ψ. (T)

k, where k is a Kippdämpfungsfaktor, wherein the Kippdämpfungsfaktor (k) in particular with respect to the torque in Nm and with respect to the rotation rate in rad / s between 10 to 100 and more preferably between 30 to 80.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that • additionally a detection of at least one measure for a tilt angle (Ψ (t)) is performed, and • a determination of the tilt angle (Ψ (t)) as a function of the detected measure of the tilt angle (Ψ (t)) occurs, and • the control of the electric motor ( 104 ) additionally in dependence of the tilt angle (Ψ (t)) takes place.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control of the electric motor ( 104 ) occurs only at tilt angles (Ψ (t)) in a predetermined value range, in particular at tilt angles (Ψ (t)) between 5 ° to 25 °.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control of the electric motor ( 104 ) a torque (M) on the drive wheel ( 101 ) of the wheelchair ( 100 ) as a function of the tilting damping factor (k), a function f (Ψ (t)) and the rotation rate (Ψ (t)) according to a function of the shape

M = -k · f (Ψ (t) · Ψ. (T)

the function f (Ψ (t)) represents a function value as a function of the tilt angle (Ψ (t)) and / or of the balance angle (Ψ ₀ ), the balance angle (Ψ ₀ ) representing a tilt angle (Ψ (t)) is where one focus ( 350 ) of the wheelchair ( 100 ) including a wheelchair user ( 360 ) over an axis ( 106 ) of the at least one drive wheel ( 101 ) lies.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the function f (Ψ (t)) at the Balancierwinkel (Ψ ₀ ) has an absolute maximum.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the derivative of the function f (Ψ (t)) for tilt angle smaller than the Balancierwinkel (Ψ ₀ ) _positive and for tilt angle greater than the Balancierwinkel (Ψ ₀ ) is negative.

Computer program, which carries out a method according to one of claims 1 to 7.

Electric storage medium with a computer program according to claim 8.

Control unit ( 105 ), which carries out a method according to one of claims 1 to 7, comprising at least one arithmetic unit ( 1202 ), which • at least one of the rate of rotation (Ψ (t)) of the wheelchair ( 100 ), and • an output signal for controlling an electric motor ( 104 ) as a function of the detected rate of rotation (Ψ (t)).

Wheelchair ( 100 ) with balancing support, which carries out a method according to one of claims 1 to 7, wherein the wheelchair ( 100 ) at least one drive wheel ( 101 ) with an axis ( 106 ) and one Power transmission device ( 102 ) for manual power transmission and at least one front wheel ( 103 ), characterized in that the wheelchair has the following components • at least one sensor ( 110 ), which has at least one yaw rate (Ψ (t)) about the axis ( 106 ) as a measure of tilting the wheelchair ( 100 ), and • an electronic control unit ( 105 ) according to claim 10, which detects a variable representing the rate of rotation (Ψ (t)) and an electric motor ( 104 ) as a function of the detected rate of rotation (Ψ (t)), and • at least one electric motor ( 104 ), which generates a torque (M) on the drive wheel ( 101 ) of the wheelchair ( 100 ).

Wheelchair according to claim 11, comprising in addition at least one further sensor which detects a measure of a tilt angle (Ψ (t)).

Wheelchair according to one of claims 11 or 12, characterized in that the at least one sensor ( 110 ) comprises an acceleration sensor, a rotation rate sensor and / or a distance sensor.