DE102017216355B4

DE102017216355B4 - Elektrisch angetriebene Transportvorrichtung für wenigstens eine Person sowie Steuerungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102017216355B4
Application number: DE102017216355.0A
Authority: DE
Inventors: David THOENNESSEN; Martin SCHWEIGLER; Oliver NEY; Mirko KUGELMEIER
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-09-16
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2037-09-15
Also published as: CN107823873A; DE102017216355A1

Abstract

Elektrisch angetriebene Transportvorrichtung für wenigstens eine Person, mit:- einer Plattform (10), die zu einem Aufenthalt der wenigstens einen zu transportierenden Person ausgebildet ist,- einer Mehrzahl von Rollen (12a,b; 14a,b), die an einem Rollenträger (18) unterhalb der Plattform (10) angebracht sind, wobei von den Rollen (12a,b; 14a,b) wenigstens zwei Rollen (12a,b) elektrisch angetrieben sind, wodurch im Zusammenspiel mit den nicht angetriebenen Rollen (14a,b) Vorwärts-, Rückwärts oder Kurvenfahrten der Transportvorrichtung möglich sind,- wenigstens drei Gewichtssensoren (16a-d), die voneinander beabstandet zwischen Plattform (10) und Rollenträger (18) angeordnet sind, und- einer elektronischen Steuerungsvorrichtung, die die Signale der Gewichtssensoren (16a-d) empfängt und wenigstens in Abhängigkeit von diesen Signalen die Antriebe der Rollen (12a,b) derart ansteuert, dass Fahrtgeschwindigkeit und Fahrtrichtung durch eine Schwerpunktverlagerung der wenigstens einen zu transportierenden Person steuerbar sind wobei die Steuerungsvorrichtung dahingehend ausgebildet ist, vor einer Fahrt einen Ruheschwerpunkt der wenigstens einen zu transportierenden Person einzulernen, von dem ausgehend Schwerpunktverlagerungen während der Fahrt erkannt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Transportvorrichtung für wenigstens eine Person, die sich insbesondere für eine besonders kompakte Bauweise eignet und daher im Nichtgebrauchszustand platzsparend - beispielsweise in der Mulde für ein Ersatzrad im Kofferraum eines Kraftfahrzeuges - transportiert werden kann.
Mit derartigen Transportvorrichtungen können typischerweise kurze Distanzen von einigen Kilometern mit moderater Geschwindigkeit überwunden werden, was insbesondere dazu prädestiniert ist, Distanzen von einem Parkplatz eines Kraftfahrzeuges zu einem Ziel bzw. umgekehrt zu überwinden, wobei aufgrund der moderaten Fahrtgeschwindigkeiten ggf. abhängig von den rechtlichen Rahmenbedingungen auch Gehsteige od. dgl. befahren werden können. Dabei wird die Transportvorrichtung bevorzugt von einer einzelnen Person benutzt, die aber zusätzlich Lasten am Körper (z.B. in einer Umhängetasche) tragen kann. Es ist aber auch - je nach Dimensionierung der Vorrichtung - grundsätzlich auch ein Transport von mehreren Personen denkbar.
Für vergleichbare Einsatzprofile sind elektrisch angetriebene Einpersonen-Transportmittel mit nur zwei auf derselben Achse liegenden Rädern (sog. Segway-Personal Transporter; Segway stellt eine eingetragene Marke der Segway Inc., USA dar) bekannt. Diese haben jedoch u.a. den Nachteil, dass ein Lenker vorzusehen ist, der aufgrund seiner an die Körpergröße angepassten Mindestdimensionen keine ausgesprochen platzsparende Unterbringung in einem Kraftfahrzeug ermöglicht.
Eine kompakte Transportvorrichtung mit einer elliptisch konturierten Grundplatte und vier Rollen, von denen zwei elektrisch angetrieben sind und zwei als Freilaufrollen ausgebildet sind, ist aus der WO 2011/098935 A2 bekannt. Die Steuerung der bekannten Transportvorrichtung erfolgt über Drucksensoren, von denen jeweils sechs an zwei vorgegebenen Auflagepositionen für die Füße einer auf der Grundplatte stehenden Person vorgesehen sind, womit eine Gewichtsverlagerung der Person erkannt werden soll. Diese Art der Steuerung funktioniert allerdings nur dann zufriedenstellend, wenn die Person hinreichend genau auf den Fuß-Auflagepositionen steht und sich hinreichend frei ausbalancieren kann. Trägt die Person eine Last, wie z.B. einen Rucksack, die die übliche Gewichtsverteilung verändert, so kann dies zu Problemen bei der Steuerung der bekannten Transportvorrichtung führen.
Aus der US 9 022 154 B2 ist ein elektrisch betriebene plattformartige Personen-Transporteinrichtung bekannt, bei der die Plattform vorzugsweise vier Rollen aufweist, die wenigstens teilweise elektrisch angetrieben sind, und bei der die Steuerung der Antriebsmotoren sowie zusätzlich vorgesehener Vibrationsgeneratoren - Letztere zur haptischen Vermittlung der detektierten Steuersignale - über eine Erkennung einer Verlagerung des Schwerpunktes über Gewichtssensoren erfolgt, wobei Kalibrierungsmaßnahmen für einen Ruheschwerpunkt od. dgl. nicht beschrieben sind.
Aus der DE 295 02 855 U1 ist ein plattformartiges Spiel- und Sportbrett unter Verwendung nicht aktiv elektrisch angetriebener Gelenkrollen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine intuitiv und sicher bedienbare und dabei kompakte Transportvorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu deren Steuerung zu schaffen, bei der Position und Schwerpunktlage einer auf der Transportvorrichtung stehenden Position variabel.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt durch eine Transportvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Steuerungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Eine erfindungsgemäße elektrisch angetriebene Transportvorrichtung zum Transport wenigstens einer Person weist auf:

- eine Plattform, die zu einem Aufenthalt der wenigstens einen zu transportierenden Person ausgebildet ist,
- eine Mehrzahl von Rollen, die an einem Rollenträger unterhalb der Plattform angebracht sind, wobei von den Rollen wenigstens zwei Rollen elektrisch angetrieben sind, wodurch im Zusammenspiel mit den nicht angetriebenen Rollen Vorwärts-, Rückwärts oder Kurvenfahrten der Transportvorrichtung möglich sind,
- wenigstens drei Gewichtssensoren, die voneinander beabstandet zwischen Plattform und Rollenträger angeordnet sind, und
- eine elektronische Steuerungsvorrichtung, die die Signale der Gewichtssensoren empfängt und wenigstens in Abhängigkeit von diesen Signalen die Antriebe der Rollen derart ansteuert, dass Fahrtgeschwindigkeit und Fahrtrichtung durch eine Schwerpunktverlagerung der wenigstens einen zu transportierenden Person steuerbar sind.

Dabei ist die die Steuerungsvorrichtung dahingehend ausgebildet, vor einer Fahrt einen Ruheschwerpunkt der wenigstens einen zu transportierenden Person einzulernen, von dem ausgehend Schwerpunktverlagerungen während der Fahrt erkannt werden.
Bevorzugt kann die Plattform kreisförmig ausgebildet sein und am Rande ihres Umfangs - bezogen auf die Fahrtrichtung - bei etwa -90° und etwa +90° angetriebene Rollen und bei etwa 0° und bei etwa 180° nicht angetriebene Rollen aufweisen.
Bevorzugt sind die nicht angetriebenen Rollen als omnidirektionale Rollen bzw. Allseitenräder ausgebildet. Bei diesen besteht die Lauffläche des Rades aus Rollen, deren Drehachsen quer zur Drehachse des Hauptrades verlaufen, was ein reibungsärmeres Verschieben des Rades in axialer Richtung ermöglicht.
Obwohl die Erfindung grundsätzlich auch bereits mit drei Gewichtssensoren realisierbar ist, sind aus konstruktionstechnischen Gründen bevorzugt vier Gewichtssensoren vorgesehen, die in Winkelabständen von etwa 90° - also in etwa an den Eckpunkten eines gedachten Quadrats, das in die bevorzugt runde Kontur der Vorrichtung eingeschrieben ist - zwischen der Plattform und dem Rollenhalter symmetrisch angebracht, wobei Plattform und Rollenhalter bevorzugt nur über die Gewichtssensoren mechanisch miteinander verbunden sind. Diese Verbindung muss allerdings nicht starr sein, sondern kann auch eine zusätzliche Federung aufweisen.
Weiterhin kann die Steuerungsvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform dahingehend ausgebildet sein, anhand der Signale der Gewichtssensoren den aktuellen Schwerpunkt der wenigstens einen zu transportierenden Person zu berechnen und bei Erkennen einer Schwerpunktverlagerung die Solldrehzahlen der angetriebenen Rollen derart zu bestimmen und diese entsprechend anzusteuern, dass dieser Schwerpunktverlagerung durch die Bewegung der Transportvorrichtung entgegengewirkt wird, so dass die wenigstens eine Person daran gehindert wird, von der Plattform zu fallen.
Weiterhin kann die Steuerungsvorrichtung eine PID-Regeleinheit aufweisen, die die zweidimensionale Abweichung des Schwerpunktes zur Bestimmung der Solldrehzahlen der angetriebenen Rollen verwendet.
Bei einem Verfahren zur Steuerung einer elektrisch angetriebenen Transportvorrichtung zum Transport wenigstens einer Person weist die Transportvorrichtung auf:

- eine Plattform, die zu einem Aufenthalt der wenigstens einen zu transportierenden Person ausgebildet ist,
- einer Mehrzahl von Rollen, die an einem Rollenträger unterhalb der Plattform angebracht sind, wobei von den Rollen wenigstens zwei Rollen elektrisch angetrieben sind,
- wenigstens drei Gewichtssensoren, die voneinander beabstandet zwischen Plattform und Rollenträger angeordnet sind.

Im Rahmen des Verfahrens sind folgende Schritte vorgesehen:

a) Einlernen eines Ruheschwerpunkts der wenigstens einen zu transportierenden Person vor dem Beginn einer Fahrt anhand der Signale der Gewichtssensoren, und
b) Ansteuern der Antriebe der Rollen wenigstens abhängig von den Signalen der Gewichtssensoren derart, dass Fahrtgeschwindigkeit und Fahrtrichtung durch eine Schwerpunktverlagerung der wenigstens einen zu transportierenden Person gegenüber dem Ruheschwerpunkt steuerbar sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Unteransicht einer erfindungsgemäßen Transportvorrichtung mit angetriebenen und nicht angetriebenen Rollen; und
2 eine schematische Unteransicht der Plattform mit den Gewichtssensoren.

Eine erfindungsgemäße Transportvorrichtung weist, wie aus den Figuren ersichtlich, eine allgemein runde Form auf mit einem bevorzugten Durchmesser (z.B. 70 cm) dahingehend, dass auf einer Plattform 10 eine zu transportierende Person stehend Platz findet. Da die Vorrichtung - wie weiter unten beschrieben - inhärent dafür sorgt, dass die zu transportierende Person ihr Gleichgewicht hält und die Vorrichtung grundsätzlich ohne Betätigung von Bedienelementen fahrbar ist, sind weitere Abstützungen für die Person, insbesondere ein Lenker mit Bedienelementen, nicht obligatorisch, so dass die Vorrichtung kompakt und flach gebaut werden kann und somit in einem Fahrzeug - beispielsweise in einer Mulde für den Reservereifen - untergebracht werden kann, wo die (nicht dargestellten) Akkumulatoren zur Versorgung der elektrischen Motoren der Transportvorrichtung ggf. über in der Aufbewahrungsstellung automatisch fluchtende Kontakte (ebenfalls nicht dargestellt) aus dem Fahrzeugnetz aufgeladen werden können.
Wie in 1 dargestellt, weist eine bevorzugte Ausführungsform der Transportvorrichtung vier Rollen 12a,b und 14 a,b auf, von denen zwei Rollen 12a,b elektromotorisch unabhängig voneinander angetrieben sind. Die erforderlichen Antriebsmotoren mit Getriebe sowie deren Versorgungseinrichtungen (Akkus, Leistungselektronik, mikroprozessorbasierte Steuerung) sind nicht dargestellt. Durch individuelle Ansteuerung der Rollen 12a und 12b kann die Vorrichtung entweder bei gleichsinniger Ansteuerung mit gleicher Drehzahl vorwärts oder rückwärts (in der Zeichnungen nach oben oder unten) gefahren werden. Bei gegensinniger Ansteuerung oder Ansteuerung mit unterschiedlicher Drehzahl können Kurven gefahren werden oder die Vorrichtung kann sich wie ein Raupenfahrzeug um ihren Mittelpunkt drehen. Die nicht angetriebenen Rollen 14a,b stützen die Vorrichtung ab und sind als omnidirektionale Rollen ausgebildet, die auch eine Bewegung quer zu ihrer Orientierung zulassen. Alternativ können beispielsweise auch Lenkrollen eingesetzt werden.
Die Rollen 12a,b und 14a,b sind auf einem Rollenträger 18 befestigt, der im Beispiel als ebenfalls runde Platte dargestellt ist, es kann sich aber auch um eine Träger- oder Gestellkonstruktion handeln. Zwischen dem Rollenträger 18 und der Plattform 10, auf der die zu transportierende Person sich bevorzugt stehend aufhält, befinden sich gemäß 2 insgesamt vier Gewichtssensoren oder engl. „load cells“ 16a-d, die symmetrisch näherungsweise in 90°-Winkelabständen angeordnet sind.
Bei den Gewichtssensoren 16a-d handelt es sich um Kraftaufnehmer, die beispielsweise mittels eines Dehnungsmessstreifens die Gewichtskraft in ein elektrisches Signal umsetzen können. Da das Gewicht der zu transportierenden Person somit insgesamt auf diesen Gewichtssensoren lastet - es ist keine sonstige mechanische Verbindung zwischen dem Rollenträger 18 und der Plattform 10 vorgesehen - messen die Sensoren 16a-d in der Summe das Gewicht der zu transportierenden Person (einschließlich des Gewichts der Plattform). Für die nachfolgende Fahrdynamikregelung kommt es dabei weniger auf die absoluten Messwerte als auf die relativen Verhältnisse an, so dass an die Kalibrierung der Sensoren relativ geringe Anforderungen gestellt werden.
Die schwerpunktabhängige Fahrzeugdynamikregelung basiert grundlegend auf den Messwerten der vier Gewichtssensoren 16a-d. Für die Fahrzeugdynamikregelung, bestehend aus Längs- und Querdynamikregelung, sind die Messwerte der Sensoren 16a-d durch eine Steuerungseinheit mit einem Regler in Solldrehzahlen für zwei elektrische Motoren umzusetzen. Diese Motoren treiben jeweils eine Rolle 12a bzw. 12b an.
Die Messwerte der Gewichtssensoren 16a-d werden aufgenommen, wie in 2 veranschaulicht. Das Gesamtgewicht der auf der Plattform stehenden Person von im Beispiel 77kg teilt sich auf die (mit größerer Strichstärke in den Mittelpunkt der Sensoranordnung eingezeichneten) Vektoren. Damit kann aus der Summe aller Vektoren der jeweilige Schwerpunkt bestimmt werden, vgl. im Beispiel den gestrichelten Pfeil 18, wobei die Darstellung in 2 nicht maßstäblich ist.
Das Konzept der Fahrzeugdynamikregelung basiert darauf, dass die Person auf der Plattform 10 stehend ihr Gewicht in die Richtung verlagert, in die sie mit dem Fahrzeug fahren möchte. Das entstehende Ungleichgewicht der fahrenden Person wird von der Regelung durch eine Bewegung des Fahrzeugs in diese Richtung kompensiert. Die Regelung bringt die Person somit wieder ins Gleichgewicht und hindert sie daran, von der Plattform 10 zu fallen.
Die technische Umsetzung nutzt als Eingabesignal die Messwerte der Gewichtssensoren 16a-d. Daraus wird, wie vorstehend erläutert, der Schwerpunkt der darauf befindlichen Person berechnet.
Testmessungen haben ergeben, dass auf der Plattform stehende Personen individuelle Schwerpunkte als Ruhelage bzw. Normalhaltung aufweisen. Es ist somit sehr zweckmäßig, eine Korrekturrechnung zu Beginn einer Fahrt durchzuführen, um diese Normalhaltung in die Regelung einzulernen. Anderenfalls würde das Fahrzeug die darauf befindlichen Personen in eine für sie unintuitive Haltung bringen, was den Fahrkomfort in hohem Maße beeinträchtigen würde. Basierend auf dieser kalibrierten Normalhaltung wird die Regelung aufgesetzt. Dieser nutzt die zweidimensionale Abweichung des Schwerpunktes der fahrenden Person und verwendet diese als Eingabe für einen PID-Regler (Proportional-Integral-Derivative Regler), welcher die Drehzahlen der beiden antreibenden Motoren für die Rollen 12a und 12b berechnet.
Der anfängliche Einlernvorgang des Ruheschwerpunkts wird vorzugsweise automatisch bei jedem Betreten der Plattform 10 im Ruhezustand durchgeführt. Der Abschluss dieser Lernphase und damit die Betriebsbereitschaft kann dem Benutzer durch ein akustisches Signal gemeldet werden.
Während des Betriebs sind die Signale der Gewichtssensoren entsprechend zu filtern und zu glätten, um Ausreißer aufgrund dynamischer Effekte (z.B. aufgrund von Bodenunebenheiten) zu eliminieren.

Claims

Elektrisch angetriebene Transportvorrichtung für wenigstens eine Person, mit: - einer Plattform (10), die zu einem Aufenthalt der wenigstens einen zu transportierenden Person ausgebildet ist, - einer Mehrzahl von Rollen (12a,b; 14a,b), die an einem Rollenträger (18) unterhalb der Plattform (10) angebracht sind, wobei von den Rollen (12a,b; 14a,b) wenigstens zwei Rollen (12a,b) elektrisch angetrieben sind, wodurch im Zusammenspiel mit den nicht angetriebenen Rollen (14a,b) Vorwärts-, Rückwärts oder Kurvenfahrten der Transportvorrichtung möglich sind, - wenigstens drei Gewichtssensoren (16a-d), die voneinander beabstandet zwischen Plattform (10) und Rollenträger (18) angeordnet sind, und - einer elektronischen Steuerungsvorrichtung, die die Signale der Gewichtssensoren (16a-d) empfängt und wenigstens in Abhängigkeit von diesen Signalen die Antriebe der Rollen (12a,b) derart ansteuert, dass Fahrtgeschwindigkeit und Fahrtrichtung durch eine Schwerpunktverlagerung der wenigstens einen zu transportierenden Person steuerbar sind wobei die Steuerungsvorrichtung dahingehend ausgebildet ist, vor einer Fahrt einen Ruheschwerpunkt der wenigstens einen zu transportierenden Person einzulernen, von dem ausgehend Schwerpunktverlagerungen während der Fahrt erkannt werden.
Elektrisch angetriebene Transportvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform kreisförmig ausgebildet ist und am Rande ihres Umfangs - bezogen auf die Fahrtrichtung - bei etwa -90° und etwa +90° angetriebene Rollen (12a,b) und bei etwa 0° und bei etwa 180° nicht angetriebene Rollen (14a,b) aufweist.
Elektrisch angetriebene Transportvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht angetriebenen Rollen (14a,b) als omnidirektionale Rollen ausgebildet sind.
Elektrisch angetriebene Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese vier Gewichtssensoren (16a-d) aufweist, die in Winkelabständen von etwa 90° zwischen der Plattform (10) und dem Rollenhalter (18) angebracht sind, wobei Plattform (10) und Rollenhalter (18) nur über die Gewichtssensoren (16a-d) mechanisch miteinander verbunden sind.
Elektrisch angetriebene Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung derart ausgebildet ist, anhand der Signale der Gewichtssensoren (16a-d) den aktuellen Schwerpunkt der wenigstens einen zu transportierenden Person zu berechnen und bei Erkennen einer Schwerpunktverlagerung die Solldrehzahlen der angetriebenen Rollen (12a,b) derart zu bestimmen und diese entsprechend anzusteuern, dass dieser Schwerpunktverlagerung durch die Bewegung der Transportvorrichtung entgegengewirkt wird, so dass die wenigstens eine Person daran gehindert wird, von der Plattform (10) zu fallen.
Elektrisch angetriebene Transportvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung eine PID-Regeleinheit aufweist, die die zweidimensionale Abweichung des Schwerpunktes zur Bestimmung der Solldrehzahlen der angetriebenen Rollen (12a,b) verwendet.
Verfahren zur Steuerung einer elektrisch angetriebenen Transportvorrichtung für wenigstens eine Person, insbesondere einer Transportvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transportvorrichtung aufweist: - eine Plattform (10), die zu einem Aufenthalt der wenigstens einen zu transportierenden Person ausgebildet ist, - eine Mehrzahl von Rollen (12a,b; 14a,b), die an einem Rollenträger (18) unterhalb der Plattform (10) angebracht sind, wobei von den Rollen wenigstens zwei Rollen (12a,b) elektrisch angetrieben sind, - wenigstens drei Gewichtssensoren (16a-d), die voneinander beabstandet zwischen Plattform (10) und Rollenträger (18) angeordnet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Einlernen eines Ruheschwerpunkts der wenigstens einen zu transportierenden Person vor dem Beginn einer Fahrt anhand der Signale der Gewichtssensoren (16a-d), und b) Ansteuern der Antriebe der Rollen (12a,b) wenigstens abhängig von den Signalen der Gewichtssensoren (16a-d) derart, dass Fahrtgeschwindigkeit und Fahrtrichtung durch eine Schwerpunktverlagerung der wenigstens einen zu transportierenden Person gegenüber dem Ruheschwerpunkt steuerbar sind.