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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl, der Drehrichtung sowie der Position eines rotierenden Rades, insbesondere zur Verwendung an einem Rollstuhl, umfassend eine an dem Rad befestigbare Sensoreinrichtung, welche ein mit dem rotierenden Rad gleichermaßen rotierendes Sensorprofil sowie ein Pendelprofil umfasst, wobei die Position des Rades durch mindestens einen Permanentmagneten markiert wird, dessen Anwesenheit durch Magnetsensoren angezeigt wird.
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Stand der Technik
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Die Messung und die Auswertung von Fahrtdaten eines Rades haben das Ziel, Aktivitätsdaten zu erfassen und den Nutzern zur Verfügung zu stellen. In der Fahrrad-Branche sind in den vergangenen Jahren zahlreiche innovative Systeme auf dem Markt gebracht worden, Aktivitätsmessung, Sicht und Sicherheit sind schon längst ein „Muss“ geworden. Speziell für den Bereich von Rollstühlen sind aktuell jedoch keine Systeme bekannt, die die Anwender motivieren könnten, Rollstühle auch als tägliches Fitnessgerät zu nutzen und damit ihre Mobilität zu verbessern.
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Aus dem Stand der Technik sind Drehzahlsensoren unlängst und in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt.
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Aus den Offenlegungsschriften
DE 10062296 A1 und
EP 1215466 A2 ist ein Neigungsgeber mit Pendelgewicht bekannt. Das Pendel ist mit einer Wirbelstrom-Dämpfungsvorrichtung und mit einer Codierscheibe verbunden. Der optische Winkelgeber wird von der Codierscheibe gesteuert und liefert einen digitalen Wert für den Neigungswinkel. Der Neigungsgeber ist ein inkrementeller Drehgeber und benötigt eine Referenzbewegung, um in die „Nullposition“ zu kommen. Benutzt wird dieser Neigungsgeber für Kräne und Kranfahrzeuge. Zum Einsatz in mobilen Fortbewegungsmitteln wie Rollstühlen ist der Neigungsgeber allerdings zu breit, zu sperrig und zu schwer und funktioniert nur in Bereichen von +-90°.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 19538114 A1 ist ein Neigungssensor mit Drehpendel und Wirbelstromdämpfung sowie einer Flüssigkeitsdämpfung bekannt. Da die Dämpfung zu stark ist und das Pendel überdrehen würde, kann dieser Neigungssensor allerdings nicht als Drehzahlgeber genutzt werden. Erfasst wird hierbei ein Drehwinkel bis +-90°. Der großvolumiger starke Magnet am Pendel ist darüber hinaus empfindlich für magnetische Metalle und äußere Magnetfelder.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 102007039842 A1 ist ein Neigungssensor mit Messpendel, Ausgleichspendel und Getriebe bekannt. Dieser ist ebenfalls konstruktionsbedingt zu sperrig und kann aufgrund des Getriebes nicht als Drehzahlgeber genutzt werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 4019144 A1 ist ferner ein Neigungsgeber mit Pendelgewicht und mit Öldämpfung bekannt. Dieser ist ebenfalls zu sperrig gebaut und ist aufgrund der Öldämpfung nicht als Drehzahlgeber geeignet.
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Speziell die Patentschrift
EP 195737 B1 betrifft einen Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl, der Drehrichtung sowie der Position eines rotierenden Rades, welcher einen an einem Gehäuse angeordneten Permanentmagneten und einen Magnetsensor aufweist, welcher an einem Pendelrahmen angeordnet ist. Der Pendelrahmen trägt eine Leiterplatte, die in fester Beziehung zum Rahmen befestigt ist. Die Winkeldrehung des Rades resultiert daraus, dass der Permanentmagnet und der magnetische Reedschalter seriell für eine magnetische Wechselwirkung für jede Umdrehung des Gehäuses und mithin des Rades ausgerichtet sind. Der Nachteil dieses Drehzahlsensors besteht allerdings darin, dass er die aktuelle Winkelposition des Rades nicht erfassen kann.
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Aus der Patentschrift
CH 705142 B1 ist überdies ein Drehzahlsensor Modul zum Erfassen der Drehzahl eines KFZ Rades mit Beschleunigungssensor bekannt. Sehr effektiv zum Ermitteln der Motorleistung eines KFZ. Funktioniert leider nur über 20-30km/h. Der Sensor muss in der geometrischen Mitte des Rades befestigt werden und kann die aktuelle Winkelposition des Rades nicht messen. Kann Drehzahlwerte in einer Messungszeit von maximal 15 min aufnehmen.
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Aus der Offenlegungsschrift
CH 681931 A ist auch ein Drehzahlsensor-Modul zur Erfassung der Radumdrehungszahl von KFZ mit Beschleunigungssensor bekannt. Hier wird die momentane Drehzahl aus der zyklischen Veränderungen der Erdbeschleunigung ermittelt. Bei starken Vibrationen, wie bei einem Rollstuhlrad oft zu sehen ist, können Fehlmessungen entstehen. Dieses Modul ist geeignet für Höchstgeschwindigkeiten oder maximale Drehzahlen, kann aber die Winkelgeschwindigkeits-Differenzen innerhalb einer Umdrehung nicht messen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10012458 A1 ist weiters ein Sensor zum Bestimmen der Drehzahl eines Rades an einem Fahrzeug mit Beschleunigunksensor bekannt. Hier wird die Drehzahl des Rades nach einer Berechnung von der am Beschleunigungssensor wirkenden Tangentialbeschleunigung, der Erdbeschleunigung und der Zeit ermittelt. Der Sensor funktioniert bei höherer Drehzahl, z.B. Maximum 40 Umdrehungen pro Sekunde, ist also zur Verwendung speziell an Rollstühlen mit 1 bis 2 Umdrehungen pro Sekunde nicht geeignet.
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Aus der Offenlegungsschrift
US 5031455 A ist ein Drehzahlsensor für ein Fahrradrad mit zwei verzahnten Geberscheiben und einem am Rahmen fixierten Hall-Effekt-Sensor bekannt. Er kann genau die Drehzahl und die Drehrichtung messen. Weil er als Inkrementalgeber arbeitet, muss er eine Referenzdrehung durchführen, um die Radposition zu ermitteln und ist an eine ganz bestimmte Radnabe und Rahmenkonstruktion gebunden.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Sensormodule sind nicht anwendbar bei einem relativ langsam rollenden Rad, wie bei einem Rollstuhl, dessen Winkelgeschwindigkeit, sogar innerhalb einer Umdrehung stark schwankt. Der für die Rollstühle typische „Zickzackkurs“ erschwert die Arbeit der Beschleunigungssensoren und der typischen Drehzahlsensoren.
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Für die zum Festeinbau gedachten Sensoren sind erhebliche Veränderungen am Rollstuhl und am Rollstuhlrad nötig, wie Zahnscheiben, Lochscheiben, Sensorhalter und Verkabelung Einbauten. Die starken radialen Stöße, die durch die schmale Bereifung nicht absorbiert werden können, sind auch ein großer Störfaktor für die meisten Beschleunigungssensoren. Auch der schnelle Richtungswechsel bringt viele Sensoren durcheinander. Die bekannten Neigungssensoren mit Pendelgewicht sind zu sperrig und zu schwer, um an einem Rollstuhlrad benutzt zu werden. Diese sind auch sehr anfällig für die verschiedene Störungsbewegungen, die bei Rollstuhl fahren entstehen.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Drehzahlsensor zu schaffen, welcher die vorgenannten Probleme ausräumt und der als Drehzahlgeber und als Positionsgeber gleichzeitig funktioniert und an die speziellen Bedienungen eines Rollstuhls angepasst ist.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Drehzahlsensors sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Drehzahlsensor der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Permanentmagnet an dem Pendelprofil angeordnet ist und an dem Sensorprofil mehrere unipolare Magnetsensoren kreisförmig und gleichmäßig derart verteilt angeordnet sind, dass bei Rotation des Sensorprofils die Magnetsensoren einer nach dem anderen von dem Pendelprofil mit dem mindestens einen Permanentmagneten aktiviert wird.
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Erfindungsgemäß wird der Drehzahlsensor vorzugsweise als Drehzahlgeber und als Positionsgeber genutzt. Das mitrotierende Sensorprofil übernimmt die Rolle des Rotors, das Pendelprofil die Rolle des Stators.
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Unabhängig von der Zahl den eingebauten Impulsgebern misst der Drehzahlsensor den Zeitabstand zwischen zwei Impulsen, d.h. den Kehrwert der Frequenz. Dieses durch den erfindungsgemäßen Drehzahlsensor ermöglichte Verfahren eignet sich besonders gut für niedere Frequenzen bzw. kleine Drehzahlen und ist bestens für den in der Aufgabe der Erfindung genannten spezifischen Zweck geeignet.
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Der Drehzahlsensor umfasst vorzugsweise (zwölf) digitale, unipolaren Magnetsensoren, die vorteilhaft nur bei Nordpol eines Magneten reagieren. Jeder Magnetsensor besitzt vorzugsweise seinen eigenen Eingang im Mikrocontroller und seine Impulse werden zur Drehzahlberechnung und als Positionsstellung benutzt.
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Durch die ständige Messung der Zeitabständen zwischen zwei nebeneinander liegenden Magnetsensor-Impulsen wird die momentane Drehgeschwindigkeit und die Drehgeschwindigkeitsdifferenz sogar innerhalb einer Umdrehung berechnet (erfasst). Die letzten Daten können später vorzugsweise für die Ermittlung der Handschübe genutzt werden.
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Das Pendelprofil ist vorzugsweise ein drehbar gelagertes Schwerependel, dessen Achse senkrecht und mittig zu Magnetsensor-Kreis-Ebene verläuft. Es ist vorzugsweise aus Messing gefertigt und präzise gelagert.
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Figurenliste
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Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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In den Zeichnungen zeigen
- 1 das Sensorprofil mit dem Pendelprofil in der Draufsicht;
- 2 das Sensorprofil mit dem Pendelprofil in perspektivischer Explosionsansicht;
- 3a und 3b das Sensorprofil in der Frontansicht (3a) und in der Rückansicht (3b);
- 4a und 4b den Drehzahlsensor in perspektivischer Explosionsansicht, frontseitig (4a) und rückseitig (4a);
- 5 einen stehenden Rollstuhl mit aktiver Beleuchtung;
- 6 einen rollenden Rollstuhl mit aktiver Beleuchtung;
- 7a einen vorwärts fahrenden Rollstuhl mit aktiver Beleuchtung; der Rollstuhl fängt hier an zu fahren oder bewegt sich kurz; Stroboskopeffektsignal, Warnsignal;
- 7b einen rückwärts fahrenden Rollstuhl mit aktiver Beleuchtung;
- 8 ein Display des Drehzahlsensors.
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Ausführung der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich, sind am Pendelprofil 101 vorzugsweise drei axial magnetisierte Permanentmagnete 11, 11a so angeordnet, dass ihre Magnetpole antiparallel zugeordnet sind, wobei der Permanentmagnet 11 auf der Sensorseite des Pendelprofils 101 für die Aktivierung der Magnetsensoren 12 zuständig ist und die Permanentmagnete 11a zusammen mit dem Permanentmagneten 11 für die Erzeugung von Wirbelstrom in der mindestens einen Bremsscheibe 13 zuständig ist.
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Die Permanentmagnete 11a mit ihren anti-parallel an den Permanentmagnet 11 orientierten Feldlinien bilden auf der Sensorseite des Pendelprofils 101 einen wirksamen Magnetfeldschutz gegen Fehlschaltungen bei dem nächstliegenden unipolaren Magnetsensor 12.
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Funktion: Das Pendelprofil 101 bleibt unter dem Einfluss der Schwerkraft in seiner vertikalen Ruhelage. Bei einer Rotationsbewegung des ganzen Drehsensors 1 rotiert auch das Sensorprofil 100 mit den Magnetsensoren 12 des Drehzahlsensor 1 mit, aber das Pendelprofil 101 bleibt bezüglich der rotierenden Magnetsensoren 12 weiter in seiner vertikalen Ruhelage. Der axial magnetisierte Permanentmagnet 11 hat die Hauptaufgabe, die mitrotierenden, kreisförmig geordneten Magnetsensor 12 einzeln und ein nach dem anderen ein- und aus zu schalten. So erzeugt der Drehzahlsensor 1 seine Signale und funktioniert so gleichzeitig als Drehzahlgeber als auch als Positionsgeber.
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Eine Pendelachse 1010 und Distanzscheiben 1011 halten das Pendelprofil 101 in seiner Arbeitsstellung. Auf dem Sensorprofil 100 (vorzugsweise eine Leiterplatte) sind alle elektronischen Bauelemente verbaut.
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Die Permanentmagnete 11 und 11a sind im konkreten Ausführungsbeispiel axial magnetisierte Neodymmagnete und weisen ein Durchmesserverhältnis von 6/4 auf.
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Der erfindungsgemäße Drehzahlsensor 1 ist vorzugsweise scheibenförmig oder mehrkantförmig, handgroß und leicht abnehmbar. Er wird an der Seite eines Antriebrades eines handbetriebenen Rollstuhls in Armlänge greifbar befestigt.
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Wirbelstromdämpfung: Im vorgezeigten Ausführungsbeispiel ist die Positionen der Magnetsensoren 12 auf dem Sensorprofil 100 pro Umdrehung mit der Masse des Pendelprofils 101 und/oder mit der freie Schwingungsamplitude des Pendelprofils 101 und/oder der Stärke der Wirbelstromdämpfung genau abgestimmt, so dass die Permanentmagnete 11 die kreisförmig geordneten Magnetsensoren 12 nur einzeln aktivieren. Trotzdem werden durch Softwarefilter eventuelle verfälschte Impulse gefiltert.
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Die Permanentmagneten 11 und 12a induzieren bei Rotationsbewegungen des Pendelprofils 101 je nach Winkelgeschwindigkeit entsprechende Wirbelströme in der Bremsscheibe 13. Diese erzeugen ihrerseits nach der Lenzschen Regel entsprechend entgegengesetzte Magnetfelder, die folglich die Rotationsbewegungen des Pendelprofils 101 abbremsen.
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Die ständige Balance zwischen den Magnetfeldern der Permanentmagneten 11 und 11a und die durch dieselben Permanentmagneten 11, 11a in der Bremsscheibe 13 erzeugten Wirbelströme entgegengesetzten Magnetfelder sind der Grund für die automatische Dämpfung der Schwingungen des Pendelprofils 101.
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Die optimale Form und Masse des vorzugsweise aus Messing hergestellten Pendelprofils 101, die Stärke der Permanentmagneten 11, 11a sowie auch die Stärke der vorzugsweise aus Aluminium gefertigten Bremsscheibe 13 sowie die Zahl der Magnetsensor 12 und deren Kreisdurchmesser auf dem Sensorprofil 100 wurden durch zahlreichen Versuche und Tests unterzogen. D.h., die Auflösung des Drehzahlsensors 1 (die Zahl der Magnetsensoren 12) und die Stärke der Wirbelstromdämpfung sind angepasst an die maximale Amplitude der Schwingungen des Pendelprofils 101, welche durch plötzliche Translationsbewegung der Achse und an der maximale Auslenkungswinkel des Pendelprofils 101 sowie durch die höhere Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Drehzahlsensors 1 verursacht werden.
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Vorzugsweise in Abhängigkeit des durch Button 16a, 16b gewählten Modus beginnt der erfindungsgemäße Drehzahlsensor 1 mit der Erfassung der über die gefahrene Strecke ermittelbaren Daten, bearbeitet diese und speichert diese ab, ähnlich einem Fahrradtacho. Der Drehzahlsensor 1 weist vorzugsweise ein Display 25 auf, welches die aktuellen Daten grafisch ausgibt.
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Vor Inbetriebnahme des Drehzahlsensors 1 ist der Durchmesser des angetriebenen Rades in einem Einstellungsdialogfenster im Display 25 durch die Buttons anzugeben, damit die berechneten Daten richtig sind.
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I/O Licht-Ton() Baustein besteht vorzugsweise aus 24 zweifarbigen LEDs 190 und einem Buzzer 31. Die LEDs 190 leuchten je nach Programm in verschiedenen „beweglichen“ Lichtmuster entsprechend der Winkelposition und die Geschwindigkeit des Rades (siehe 5 bis 7b).
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Wie aus den 4a, 4b ersichtlich, besteht das Gehäuse der Sensoreinrichtung 10 des Drehzahlsensors 1 aus einer Frontplatte 18, einem LED Ring 19 mit LEDs 190 sowie einem Deckel 20.
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Der Mikrocontroller 17 erfasst die Eingangssignale der Magnetsensoren 12. Nach eine Bearbeitung und Analyse werden die Daten in einem Datenspeicher 21 gespeichert und je nach Steuersignale der Buttons 16c, 16d, 16e 16f, 16g über einen UART 22 an die entsprechende I/O Bausteine geleitet. I/O USB 23 dient der Übertragung der gespeicherten Daten auf einen PC und zum Aufladen des Akkus. Mit einem I/O Bluetooth - WLAN Baustein können die Daten auch auf ein Smartphone oder auf andere mobile Geräte übertragen werden. Die aufladbare Batterie 24 versorgt den erfindungsgemäßen Drehzahlsensor mit elektrischem Strom.
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Eine Magnetkupplung 15 ist vorteilhaft vorgesehen, welches eine schnelle und einfache Montage des Drehzahlsensors 1 an einer beliebigen Stelle eines Rades, bspw. an einem Rollstuhl, erlaubt.
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Der beschriebene Drehzahlsensor 1 ist vorzugsweise speziell entwickelt für die Eigenschaften eines handbetriebenen Rollstuhlrades und angepasst für die Anwendung zur Steuerung eines Aktivitätsmessgeräts für Rollstühle. Das Gerät besitzt ähnliche Funktionen wie ein Fahrtenschreiber oder ein Fahrradtacho oder ein Aktivitätstracker, aber auch zusätzliche spezielle Funktionen wie die Ermittlung der Zahl der Handschube bei einem Fahrt, deren Frequenz und Intensität.
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Ein weiteres Problem bei Rollstühlen betrifft darüber hinaus der Umstand, dass Rollstuhlfahrer im Dunklen oft übersehen werden. Hier ist eine Not für eine spezifische Rollstuhlbeleuchtung nicht zu übersehen.
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Deshalb legt die Erfindung ferner die Aufgabe zugrunde, ein passendes Aktivitätsmessgerät mit integriertem Rollstuhl-Radlichtmodul zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Unteranspruch 8 gelöst.
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Danach umfasst der Drehzahlsensor 1 ein (teil-) kreisförmiges Radlichtmodul 14 mit einem oder mehreren Leuchtmitteln, vorzugsweise LEDs 190 und/oder ein Lichtleiter, welche in Umfangsrichtung an dem Drehzahlsensor 1 Licht erzeugen, wobei die Frequenz und/oder die Leichtintensität und/oder die Farbe und/oder die Anzahl aktiver Leuchtmittel und/oder des aktivierten Lichtleiters und/oder die Position aktivierter Leuchtmittel und/oder des aktivierten Lichtleiters am Umfang des Drehzahlsensors 1 in Abhängigkeit der Bewegung des Rades durch eine Schaltung, vorzugsweise einen Mikrocontroller, geschaltet sind.
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Das mitrotierende Rollstuhl-Radlichtmodul 14 ist radial am Rand montiert und soll je nach Drehbeschleunigung, Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit den Fahrweg kurz vor dem Rollstuhl beleuchten und seitlich verschiedene stehende oder bewegliche Lichtmuster erzeugen, z.B. blau weiße Farben des Rollstuhl-Symbols gemäß dem Motto: „Sehen und gesehen werden auch für Rollstuhlfahrer!“
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Anwendung
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Nach dem Starten des Gerätes erkennt der Mikrocontroller, welcher von den Magnetsensoren 10 durch das Pendelprofil 101 aktiviert ist. Es wird sofort das für diese Stellung des Drehzahlsensors 1 bzw. des Rades entsprechende Unterprogramm aktiviert und ein blinkendes Muster fängt an zu leuchten. Es werden vorzugsweise nur die unteren Leuchtmittel aktiviert, um keine Menschen in der Nähe zu stören. Entsprechend des gewählten Lichtmodus können die blinkenden Lichtmuster langsam abschwächen, bis nach eine gewisser Zeit nur ein oder zwei LEDs noch leuchten um Akkuleistung zu sparen.
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Bei einem plötzlichen Start des Rollstuhls oder bei einer kurzen gezielten Bewegung des Antriebsrades werden ein oder mehrere kurze Stroboskopeffektsignal, Warnsignale von alle Leuchtmitteln erzeugt, um die nah stehende Menschen zu warnen.
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Fahrt nach Vorne: Je nach gewähltem Lichtmodus leuchten die weiße Leuchtmittel in der Fahrtrichtung. Die Leuchtmittel werden je nach Umdrehung einer nach dem anderen in einer vorbestimmten Reihenfolge ein und ausgeschaltet und bilden durch die Drehung beleuchtete Streifen vor dem Rollstuhl. So wird die Beleuchtung sehr effektiv für kurze und etwas weite Entfernungen. Bei einer Fahrt nach hinten wiederholt sich alles in entgegengesetzter Richtung.
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Erfindungsgemäß macht es der LED-Ring 19 mit Lichtleiter möglich, die Lichtmuster auch seitlich des Rades zu erkennen, so dass der Rollstuhl auch seitlich sehr gut sichtbar wird. So kann der Drehzahlsensor an dem rechten und an dem linken Rad des Rollstuhls benutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehzahlsensor
- 2
- Rollstuhl
- 10
- Sensoreinrichtung
- 11, 11a
- Permanentmagnet
- 12
- Magnetsensoren
- 13
- Bremsscheibe
- 14
- Radlichtmodul
- 15
- Magnetkupplung
- 16a-f
- Buttons (Button Ein/Aus, u.w.)
- 17
- Mikrocontroller
- 18
- Frontplatte
- 19
- LED Ring
- 20
- Deckel
- 21
- Datenspeicher
- 22
- UART
- 24
- Batterie
- 25
- Display
- 26
- Achse
- 27
- Kugellager
- 28
- Distanzscheibe
- 29
- Mutter
- 30
- Akku
- 31
- Buzzer
- 32
- USB
- 33
- Spannungsregler
- 34
- Kupplungsscheibe
- 35
- Antriebsscheibe
- 100
- Sensorprofil
- 101
- Pendelprofil
- 190
- LEDs
- 191
- LED-Treiber
- 192
- LiPo Lade Controller
- 193
- LED-Ring
- 194
- austretende Lichtstrahlen
- 1000
- Magnetsensor-Kreis-Ebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10062296 A1 [0004]
- EP 1215466 A2 [0004]
- DE 19538114 A1 [0005]
- DE 102007039842 A1 [0006]
- DE 4019144 A1 [0007]
- EP 195737 B1 [0008]
- CH 705142 B1 [0009]
- CH 681931 A [0010]
- DE 10012458 A1 [0011]
- US 5031455 A [0012]
