DE102017222036A1

DE102017222036A1 - Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Betätigungsgröße, Sensorsystem, Rollstuhl und Verfahren zur Ermittlung einer Vortriebskraft eines Rollstuhlfahrers

Info

Publication number: DE102017222036A1
Application number: DE102017222036.8A
Authority: DE
Inventors: Richard Schoenleber; Lars Alter; Andre Meyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-06-06

Abstract

Sensorvorrichtung (100) zur Erfassung einer Betätigungsgröße, insbesondere einer Dehnung, welche aus einer Vortriebskraft (F) eines Rollstuhlfahrers auf einen Greifring (220) eines Rollstuhls (300) resultiert, wobei die Sensorvorrichtung (100) die folgenden Komponenten aufweist: ein erstes Fixierelement (110) zur Fixierung einer Sensoreinrichtung (130) an einem Antriebsrad (210) eines Rollstuhls, ein zweites Fixierelement (120) zur Fixierung der Sensoreinrichtung (130) an einem Greifring (220) des Rollstuhls, und die Sensoreinrichtung (130), wobei die Sensoreinrichtung (130) folgende Komponenten aufweist: mindestens ein Dehnelement (131), wobei das Dehnelement (131) zwischen dem ersten Fixierelement (110) und dem zweiten Fixierelement (120) angeordnet ist, und wenigstens einen Sensor (150) zur Erfassung einer Dehnung des Dehnelementes (131), wobei der Sensor (150) unmittelbar an dem Dehnelement (131) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Betätigungsgröße, insbesondere einer Dehnung, ein Sensorsystem mit dieser Sensorvorrichtung sowie einen Rollstuhl mit diesem Sensorsystem. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Vortriebskraft eines Rollstuhlfahrers.
Stand der Technik
Die Schrift EP 2 277 487 B1 offenbart eine Sensoranordnung für ein Rollstuhlrad.
Die Schrift DE 10 2010 037 705 B4 offenbart eine Hilfsantriebsvorrichtung für einen Rollstuhl mit einer Sensoreinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine manuell in das Laufrad eingeleitete Antriebskraft zu erfassen.
Das Dokument EP 0 945 113 A2 offenbart einen Rollstuhl mit einem Greifring, wobei der Greifring an einer Stütze befestigt ist. An der Stütze ist ein Druck- oder Kraftsensor angeordnet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung einer Vortriebskraft eines Rollstuhlfahrers zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Betätigungsgröße. Die Sensorvorrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Dehnung, welche aus einer Vortriebskraft eines Rollstuhlfahrers auf einen Greifring eines Rollstuhls als Betätigungsgröße resultiert, zu erfassen. Die Sensorvorrichtung weist ein erstes Fixierelement zur Fixierung einer Sensoreinrichtung an einem Antriebsrad eines Rollstuhls, insbesondere zur Fixierung unmittelbar an einer Felge und/oder Speichen des Antriebsrads, und ein zweites Fixierelement zur Fixierung der Sensoreinrichtung an einem Greifring des Antriebsrads des Rollstuhls auf. Die Sensorvorrichtung mit der Sensoreinrichtung ist somit dazu eingerichtet, zwischen dem Greifring und dem Antriebsrad des Rollstuhls angeordnet zu sein. Die Sensoreinrichtung der Sensorvorrichtung weist mindestens ein Dehnelement auf, wobei das Dehnelement zwischen dem ersten Fixierelement und dem zweiten Fixierelement angeordnet ist. Des Weiteren weist die Sensoreinrichtung wenigstens einen Sensor zur Erfassung einer Dehnung des Dehnelementes auf, wobei der Sensor unmittelbar an dem Dehnelement angeordnet ist. Der Sensor ist beispielsweise ein Dehnmessstreifen, welcher an dem Dehnelement aufgeklebt wird. Die Sensorvorrichtung ist durch die Anordnung der Sensoreinrichtung beziehungsweise die Ausrichtung des Dehnelements vorteilhafterweise dazu eingerichtet, durch eine Verschiebung des zweiten Fixierelements gegenüber dem ersten Fixierelement, welche bevorzugt nur in einer vorgegebenen Verschiebungsrichtung möglich ist, verformt zu werden. Die Verformung resultiert durch eine Vortriebskraft eines Rollstuhlfahrers des Rollstuhls auf den Greifring. Dadurch entsteht der Vorteil, dass ein einfacher und kostengünstiger sowie kompakter Aufbau der Sensorvorrichtung resultiert. Des Weiteren entsteht der Vorteil, dass gegenüber dem Stand der Technik die relative Verschiebung zwischen dem ersten Fixierelement und dem zweiten Fixierelement reduziert wird, so dass die Sensorvorrichtung für den Rollstuhlfahrer als spielfrei und hochwertig wahrgenommen wird. Des Weiteren resultiert im Betrieb bei Aufbringung der Vortriebskraft durch den Rollstuhlfahrer eine direkt wirkende Kraftübertragung zwischen dem Greifring und dem Antriebsrad.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind das erste Fixierelement, das zweite Fixierelement und das Dehnelement als ein zusammengehöriger einteiliger Sensorkörper ausgestaltet. Mit anderen Worten umfasst der einteilige beziehungsweise einstückige Sensorkörper das erste Fixierelement, das zweite Fixierelement und das Dehnelement. Der Sensorkörper ist vorteilhafterweise stofflich zusammengehörig und beispielsweise mittels Kunststoffspritzguss oder Pulverspritzgießen, insbesondere Metallpulverspritzgießen, oder spanend aus einem Stahlblock hergestellt. Besonders vorteilhaft weist der Sensorkörper Stahl oder Aluminium auf, da Stahl ein bekanntes Schwingverhalten zeigt beziehungsweise Aluminium leicht durch Metallpulverspritzgießen hergestellt und Aluminium nachträglich leicht verarbeitet werden kann. Aluminium weist darüber hinaus ein leichtes Gewicht auf. Vorteilhafterweise ist das Dehnelement lediglich in einer Sensierrichtung elastisch beziehungsweise flexibel. Mit anderen Worten weist das Dehnelement eine anisotrope Elastizität auf. Um diese anisotrope Elastizität zu verstärken, sind beispielsweise im Sensorkörper, welcher einen elastischen Kunststoff oder Aluminium aufweist, zusätzlich nicht elastische metallische Einlageplatten quer zur Sensierrichtung angeordnet. Der Sensor, insbesondere ein Dehnmessstreifen, ist so angeordnet, dass der Sensor Dehnungen bevorzugt in der Sensierrichtung des Dehnelements erfasst. Durch diesen Aufbau können unerwünschte Störeinflüsse minimiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführung weist die Sensorvorrichtung zwei Sensoreinrichtungen beziehungsweise Dehnelemente zwischen dem ersten Fixierelement und dem zweiten Fixierelement auf. Mit anderen Worten ist die Sensorvorrichtung in dieser Ausführung als ein Doppelbiegebalken ausgestaltet, wobei das zweites Fixierelement dazu eingerichtet ist, durch die Vortriebskraft gegenüber dem ersten Fixierelement in der vorgegebenen Verschiebungsrichtung verschoben zu werden. Durch die Verschiebung werden die zwei Dehnelemente gedehnt beziehungsweise der Doppelbiegebalken gebogen. Durch diese Ausgestaltung können doppelt so viele Sensoren angeordnet werden, wodurch die Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung erhöht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Dehnelement zwei elastische Dehnbereiche und einen gegenüber den Dehnbereichen weniger elastischen Steifigkeitsbereich auf. Der Steifigkeitsbereich ist zwischen den zwei Dehnbereichen angeordnet. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass an den zwei elastischen Dehnbereichen eine starke relative Dehnung und/oder eine starke relative Stauchung erfolgt, welche leicht mittels des Sensors, insbesondere eines Dehnungsmessstreifens, erfasst werden kann.
In einer Weiterführung der eben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Sensor unmittelbar an einem der zwei Dehnbereiche angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung wird die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber der Dehnung beziehungsweise der Betätigungsgröße erhöht.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass an jedem der zwei Dehnbereiche unmittelbar mindestens ein Sensor angeordnet ist. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber der Betätigungsgröße weiter erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist an der Sensorvorrichtung eine Überlastsicherung angeordnet, insbesondere ein Anschlagselement. Die Überlastsicherung ist dazu eingerichtet, eine maximale Verschiebung des zweiten Fixierelements gegenüber dem ersten Fixierelement auf kleiner 50 µm, insbesondere kleiner 10 µm, zu begrenzen.
In einer weiteren Ausführungsform ist an dem zweiten Fixierelement ein Federelement, insbesondere ein Schaumstoff und/oder ein Elastomer, angeordnet. Das Federelement ist dazu eingerichtet, in radialer Richtung des Greifrings zwischen dem zweiten Fixierelement und dem Greifring angeordnet zu sein und insbesondere eine radial wirkende Kraftkomponente der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers auf den Greifring des Antriebsrades abzufedern. Vorteilhafterweise weist das Federelement eine Ausformung zur Aufnahme und/oder Ausnehmungen zur Durchführung von Fixierelementen, wie beispielsweise Schrauben, auf. Durch die Anordnung eines Federelements wird die Fahrt mit dem Rollstuhl für den Rollstuhlfahrer komfortabler. Auch Stöße auf den Rollstuhl beziehungsweise den Greifring, welche durch eine unebene Fahrtstrecke resultieren, werden in dieser Ausgestaltung abgefedert.
Der Sensor der Sensorvorrichtung ist vorteilhafterweise ein Dehnmessstreifen und/oder ein Hall-Sensor. Alternativ kann der Sensor ein optischer Sensor sein, welcher die Dehnung beispielsweise durch eine optische Abstandsmessung erfasst. Diese Sensorarten können die Dehnung des Dehnelements sehr genau erfassen, beispielsweise im µm-Bereich.
Die Sensorvorrichtung weist darüber hinaus vorteilhafterweise eine Auswerteelektronik und/oder eine Funkeinheit zur Übertragung einer erfassten Dehnung an ein Steuergerät des Rollstuhls auf, insbesondere wird die Funkeinheit gemäß des Bluetooth-Standards betrieben. Des Weiteren umfasst die Sensorvorrichtung vorteilhafterweise ein Gehäuse und eine Batterie zur Leistungsversorgung des Sensors, der Auswerteelektronik und/oder der Funkeinheit.
Die Erfindung betrifft auch ein Sensorsystem für den Rollstuhl, aufweisend wenigstens zwei erfindungsgemäße Sensorvorrichtungen sowie ein Steuergerät. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, die Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers in Abhängigkeit mindestens einer mittels einer der Sensorvorrichtungen erfassten Dehnung zu ermitteln. Das Steuergerät ist beispielsweise mittels einer Funkverbindung, insbesondere betrieben gemäß des Bluetooth-Standards, mit den Sensorvorrichtungen verbunden.
Die Erfindung betrifft auch den Rollstuhl mit diesem erfindungsgemäßen Sensorsystem.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Vortriebskraft eines Rollstuhlfahrers auf einen Greifring eines Antriebsrads eines Rollstuhls, wobei der Greifring mittels wenigstens zwei Sensorvorrichtungen, insbesondere mittels genau drei Sensorvorrichtungen, mit dem Antriebsrad des Rollstuhls verbunden ist. Vorteilhafterweise sind die Sensorvorrichtungen für die Durchführung des Verfahrens in einem in Umlaufrichtung liegenden Winkelabstand von 90° bis 180° zueinander an dem Antriebsrad angeordnet, insbesondere sind genau drei Sensorvorrichtungen in einem Winkelabstand von jeweils 120° zueinander in Umlaufrichtung des Antriebsrades an dem Antriebsrad angeordnet. Das Verfahren umfasst eine Erfassung mindestens einer Dehnung mittels wenigstens einer der Sensorvorrichtungen, wobei die Dehnung eine tangentiale Kraftkomponente der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers an der jeweiligen Sensorvorrichtung repräsentiert. Anschließend wird der Betrag der Vortriebskraft und/oder eine Richtung der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers in Abhängigkeit der wenigstens einen erfassten Dehnung ermittelt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Ermittlung der Vortriebskraft, insbesondere des Betrags der Vortriebskraft und/oder der Richtung der Vortriebskraft, zusätzlich in Abhängigkeit einer vorgegebenen Verschiebungsrichtung an der jeweiligen Sensorvorrichtung. Dadurch können die Richtung der Vortriebskraft und/oder der Betrag der Vortriebskraft vorteilhafterweise sehr genau bestimmt werden.
In einer weiterführenden Ausführung erfolgt die Ermittlung der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers zusätzlich in Abhängigkeit einer Überschreitung eines Schwellenwertes für eine erfasste Dehnung an einer Sensorvorrichtung. Dadurch werden beispielsweise auf einem unebenen Fahrbahnbelag, wie beispielsweise einem Kopfsteinpflaster, Fehlinterpretationen der Dehnung beziehungsweise der Betätigungsgröße durch Dehnungsschwankungen vermieden.
In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Ermittlung eines Nullpunktes einer Dehnung eines Dehnelementes einer Sensorvorrichtung nach jeder erfassten Dehnung, insbesondere nach jeder erfassten Dehnung oberhalb des Schwellenwertes, beziehungsweise nach jedem erfassten Krafteingriff des Rollstuhlfahrers beziehungsweise nach jeder ermittelten Vortriebskraft. Anschließend erfolgt die Ermittlung des Betrags der Vortriebskraft und/oder der Richtung der Vortriebskraft zusätzlich in Abhängigkeit des Nullpunktes der Dehnung jeder Sensorvorrichtung. Anschließend wird dadurch eine Genauigkeit der erfassten Dehnung und/oder eine Genauigkeit einer aus in Abhängigkeit der erfassten Dehnungen ermittelten Richtung der ermittelten Vortriebskraft erhöht.
Es kann in einer Weiterführung vorgesehen sein, dass das Verfahren eine Ansteuerung wenigstens eines Antriebsmotors des Rollstuhls in Abhängigkeit der ermittelten Vortriebskraft zur motorischen Unterstützung der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers aufweist. Vorteilhafterweise werden in dem Verfahren ein Betrag und/oder eine Richtung einer rechte Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers auf ein rechtes Antriebsrad in Abhängigkeit der in Abhängigkeit der wenigstens einen erfassten Dehnung der an dem rechten Antriebsrad angeordneten Sensorvorrichtung und/oder ein Betrag und/oder eine Richtung einer linken Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers auf ein linkes Antriebsrad in Abhängigkeit der in Abhängigkeit der wenigstens einen erfassten Dehnung der an dem linken Antriebsrad angeordneten Sensorvorrichtung ermittelt, wobei die Ansteuerung des wenigstens einen Antriebsmotors des Rollstuhls in Abhängigkeit der ermittelten rechten Vortriebskraft und/oder der ermittelten linken Vortriebskraft erfolgt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren.

1: Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Betätigungsgröße
2: Antriebsrad eines Rollstuhls mit Sensorvorrichtungen
3: Rollstuhl mit Sensorsystem
4: Verfahren zur Ermittlung einer Vortriebskraft eines Rollstuhlfahrers

Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Sensorvorrichtung 100 zur Erfassung einer Betätigungsgröße dargestellt. Die Betätigungsgröße resultiert insbesondere aus einer Vortriebskraft F eines Rollstuhlfahrers auf einen Greifring 220 eines Antriebsrads 200 eines Rollstuhls 300. Die Sensorvorrichtung 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Sensorkörper 101 auf, welcher als ein einteiliger beziehungsweise einstückiger Block mit einer in einer Richtung durchgehenden Ausnehmung 140 durch den Sensorkörper 101 ausgestaltet ist. Die Sensorvorrichtung 100 ist beispielsweise durch ein Pulverspritzverfahren, insbesondere durch ein Metallpulverspritzverfahrens (MIM) mit Aluminiumpulver, oder durch einen Kunststoffspritzguss oder durch beispielsweise eine spanende Bearbeitung eines Stahlkörpers hergestellt. Die Sensorvorrichtung 100 weist einen ersten Bereich 110 beziehungsweise einen ersten Fixierbereich 110 beziehungsweise ein erstes Fixierelement 110 auf. Das erste Fixierelement 110 ist dazu eingerichtet, an einem Antriebsrad 200 eines Rollstuhls, insbesondere unmittelbar an einer Felge 210 und/oder Speichen 240 des Antriebsrads 200, fixiert zu werden. Die Sensorvorrichtung 100 weist des Weiteren einen zweiten Bereich 120 beziehungsweise einen zweiten Fixierbereich 120 beziehungsweise ein zweites Fixierelement 120 auf. Das zweite Fixierelement 120 ist dazu eingerichtet, an einem Greifring 220 des Antriebsrades 200 des Rollstuhls 300 angeordnet zu sein. Zwischen dem ersten Fixierelement 110 und dem zweiten Fixierelement 120 sind zwei dritte Bereiche 131 beziehungsweise zwei Dehnbereiche 131 beziehungsweise zwei Dehnelemente 131 ausgestaltet, welche das erste Fixierelement 110 und das zweite Fixierelement 120 unmittelbar verbinden. Insbesondere ist jedes Dehnelement 131, wie in 1 dargestellt, mit dem ersten Fixierelement 110 und dem zweiten Fixierelement 120 stofflich verbunden. Das Dehnelement 131 ist vorteilhafterweise in einer Richtung elastisch und in zwei Richtungen steif ausgestaltet. In einem Gussverfahren können Einlegeteile in dem ersten Fixierelement 110 und/oder dem zweite Fixierelement 120 und/oder dem Dehnelement 131 vorgesehen sein, insbesondere nicht elastische metallische Einlegeteile. Durch die Einlegeteile und/oder die Form der durchgehenden Ausnehmung 140 in dem Sensorkörper 101 und/oder des Materials des Sensorkörpers 101 entstehen steife Bereiche und elastische Bereiche des Sensorkörpers 101. Eine Sensoreinrichtung 130 der Sensorvorrichtung 100 weist das Dehnelement 131 beziehungsweise einen elastischen Bereich 131 des Sensorkörpers 101 der Sensorvorrichtung 100 auf. Das Dehnelement 131 beziehungsweise die zwei Dehnelemente 131 der in 1 dargestellten Sensorvorrichtung 100 sind dazu eingerichtet, in Abhängigkeit einer relativen Verschiebung 190 zwischen dem ersten Fixierelement 110 und dem zweiten Fixierelement 120 in einer vorgegebenen Verschiebungsrichtung 180 elastisch verformt zu werden, wobei die vorgegebene Verschiebungsrichtung 180 der Sensorvorrichtung 100 beziehungsweise des Dehnelements 131 insbesondere senkrecht zur Richtung der Ausnehmung 140 des Sensorkörpers 101 verläuft. Die relative Verschiebung 190 zwischen dem ersten Fixierelement 110 und dem zweiten Fixierelement 120 erfolgt in Abhängigkeit einer Vortriebskraft F des Rollstuhlfahrers. In dieser Ausgestaltung weist das Dehnelement 131 zwei Dehnbereiche 132, das heißt einen ersten Dehnbereich 132' und einen zweiten Dehnbereich 132", und einen Steifigkeitsbereich 133 auf. An den zwei Dehnbereichen 132 sind an der Außenseite des Sensorkörpers 101 beziehungsweise an der Außenseite des Dehnelements 131 jeweils zwei Sensoren 150 angeordnet. Die Sensoren 150 sind jeweils dazu eingerichtet, eine Dehnung beziehungsweise eine Streckung beziehungsweise eine Stauchung des Dehnelements 131 zu erfassen. Bei der relativen Verschiebung 190 zwischen dem ersten Fixierelement 110 und dem zweiten Fixierelement 120 in der vorgegebenen Verschiebungsrichtung 180 erfassen die zwei Sensoren 150 am ersten Dehnbereich 132' eine Streckung als Dehnung des ersten Dehnbereichs 132' und die zwei Sensoren 150 am zweiten Dehnbereichs 132" eine Stauchung als Dehnung des zweiten Dehnbereichs 132". Die Ausgestaltung des Dehnelements 131 mit dem Steifigkeitsbereich 133 resultiert in einer verstärkten als Dehnung beziehungsweise einer verstärkten Streckung beziehungsweise einer verstärkten Stauchung in den Dehnbereichen 132'und 132".
Die Sensorvorrichtung kann optional ein Federelement 160 aufweisen, wobei das Federelement 160 dazu eingerichtet ist, Kräfte, welche im Betrieb in radialer Richtung auf einen mit dem zweiten Fixierelement verbundenen Greifring 220 wirken, abzufedern.
In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist das Dehnelement 131 ein zu dem ersten Fixierelement 110 und/oder dem zweite Fixierelement 120 separates Bauteil, wobei das Dehnelement 131 mittels mindestens eines Befestigungsmittels, beispielsweise mittels einer Schraube, oder mittels einer stofflichen Verbindungstechnik, beispielsweise mittels Ultraschallschweißen, an das erste Fixierelement 110 und das zweite Fixierelement 120 fixiert wird.
Des Weiteren kann es vorgesehen, sein, dass die Sensorvorrichtung 100 eine Überlastsicherung 197 aufweist. Die Überlastsicherung 197 umfasst insbesondere ein zweiteiliges Anschlagselement 198 und 199, wobei das erste Anschlagselementteil 198 und das zweite Anschlagselementteil 199 beispielsweise ineinandergreifen und bei einer Dehnung des Dehnelements 131 die Verschiebung des ersten Fixierelements 110 gegenüber dem zweiten Fixierelement 120 begrenzen. Beispielsweise ist das erste Anschlagselementteil 198 ein Langloch 198 im zweiten Fixierelement 120, wobei das Langloch 198 in Richtung der vorgegebenen Verschiebungsrichtung 180 der Sensorvorrichtung 100 ausgeführt ist. Das zweite Anschlagselementteil 199 ist beispielsweise eine stabförmige Ausformung in der Ausnehmung 140, welche mit dem ersten Fixierelement 110 verbunden ist und in das Langloch 198 eingreift (siehe 1). Bei einer Dehnung des Dehnelements 131 in Richtung der vorgegebenen Verschiebungsrichtung 180 begrenzt das Langloch 198 somit die Dehnung des Dehnelements 131 durch einen Anschlag am Ende des Langlochs 198. Dadurch wird eine plastische Verformung beziehungsweise ein Bruch des Dehnelements 131, das heißt eine Überlastung des Dehnelements 131, beziehungsweise der Sensoreinrichtung 130 beziehungsweise der Sensorvorrichtung 100 vermieden.
Zusätzlich kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtung 100 optional ein Außengehäuse aufweist. Das Außengehäuse kann beispielsweise den Sensorkörper 101 und den mindestens einen Sensor 150 aufnehmen beziehungsweise umhausen. Des Weiteren kann die Sensorvorrichtung 100 eine Recheneinheit und/oder eine Funkeinrichtung aufweisen, welche zum Schutz dieser Komponenten insbesondere in dem Außengehäuse angeordnet sind (nicht dargestellt). Die Funkeinrichtung ist beispielsweise dazu eingerichtet, eine Dehnung zu einem Steuergerät kabellos übertragen, beispielsweise wird die Funkeinrichtung gemäß eines Bluetooth-Funkstandards betrieben. Das Steuergerät des Sensorsystems kann ein Steuergerät eines kraftunterstützten Rollstuhls sein, welches zusätzlich zur Ermittlung einer Vortriebskraft in Abhängigkeit mindestens einer erfassten Dehnung dazu eingerichtet ist, mindestens einen Antriebsmotor des Rollstuhls anzusteuern. Die Ansteuerung kann zum Zwecke unterschiedlicher Fahrfunktionen erfolgen, beispielsweise zur Kraftunterstützung des Rollstuhlfahrers und/oder zum Balancieren des Rollstuhls auf zwei Rädern und über einer Achse der Antriebsräder.
In 2 ist ein Antriebsrad 200 eines Rollstuhls mit drei Sensorvorrichtungen 100 dargestellt. Die Sensorvorrichtungen 100 sind in diesem Ausführungsbeispiel gleichmäßig verteilt und zueinander in einem Winkelabstand von 120° in Umlaufrichtung 250 des Antriebsrades 200 angeordnet, wobei die jeweils vorgegebene Verschiebungsrichtung 180 einer Sensorvorrichtung 100 tangential zum Greifring 220 gerichtet ist. Dadurch weisen die Sensorvorrichtungen 100a, 100b, 100c an dem Greifring jeweils unterschiedliche vorgegebene Verschiebungsrichtungen 180a, 180b und 180c auf. Eine auf den Greifring aufgebrachte Vortriebskraft F des Rollstuhlfahrers auf den Greifring 220 resultiert demnach in Dehnungen des jeweiligen Dehnelements 131 in Richtung der jeweiligen vorgegebenen Verschiebungsrichtung 180a, 180b und 180c an der jeweiligen Sensorvorrichtung 100a, 100b und 100c. Mit anderen Worten wird an einer Sensorvorrichtung 100 beziehungsweise 100a, 100b und 100c jeweils nur die tangential gerichtete Kraftkomponente der Vortriebskraft F an einer Sensorvorrichtung 100 durch die Dehnung des Dehnelements 131 der jeweiligen Sensorvorrichtung 100a, 100b und 100c erfasst. Mittels der Sensorvorrichtung 100a, 100b und 100c beziehungsweise eines Sensorsystems 310, welches mindestens zwei Sensorvorrichtungen 100 und ein Steuergerät 360 umfasst, kann die Vortriebskraft F eines Rollstuhlfahrers vollständig in Abhängigkeit der erfassten Dehnungen der Sensorvorrichtungen 100 ermittelt werden. Insbesondere wird durch das Sensorsystem 310 sowohl der Betrag der Vortriebskraft F als auch die Richtung der Vortriebskraft F an einem Antriebsrad 200a oder 200b ermittelt. Alternativ wird durch das Sensorsystem 310 der Betrag der Vortriebskraft F und/oder die Richtung der Vortriebskraft F an beiden Antriebsrädern erfasst. Das Antriebsrad umfasst des Weiteren eine Radnabe 230, Speichen 240, die Felge 210 und den Greifring 220 sowie die drei Sensorvorrichtungen 100 beziehungsweise 100a, 100b und 100c. Auf der Felge 210 ist typischerweise ein luftgefüllter Reifen angeordnet (nicht dargestellt). Die Sensorvorrichtungen 100 können mittels des ersten Fixierelements 110 statt an der Felge 210 des Antriebsrads 200 alternativ und/oder zusätzlich an den Speichen 240 des Antriebsrads 200 angeordnet sein.
In 3 ist ein Rollstuhl 300 mit einem Sensorsystem 310 dargestellt. Das Sensorsystem 310 weist ein Steuergerät 360 und drei Sensorvorrichtungen 100 beziehungsweise 100a, 100b und 100c am rechten Antriebsrad 200a des Rollstuhls 300 und drei Sensorvorrichtungen 100 beziehungsweise 100a, 100b und 100c am linken Antriebsrad 200b des Rollstuhls 300 auf, wobei jede Sensorvorrichtung 100a, 100b, 100c an dem jeweiligen Antriebsrads 200a oder 200b zwischen beispielsweise der Felge 210 und dem Greifring 220 angeordnet ist. Die Sensorvorrichtungen 100 sind jeweils dazu eingerichtet, eine Dehnung am Ort der jeweiligen Sensorvorrichtung 100 zu erfassen, wobei die Dehnung durch eine Kraftkomponente der Vortriebskraft eines Rollstuhlfahrers in tangentialer Richtung des jeweiligen Antriebsrads auf den Greifring 220 des jeweiligen Antriebsrads resultiert. Jedes Antriebsrad 200a und 200b weist des Weiteren in diesem Ausführungsbeispiel einen Radnabenmotor beziehungsweise einen Antriebsmotor 350 auf. Die Antriebsmotoren 350 werden bevorzugt mittels des Steuergeräts 360 in Abhängigkeit einer ermittelten rechten Vortriebskraft und einer ermittelten linken Vortriebskraft angesteuert.
In 4 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers auf den Greifring 220 des Antriebsrads 200 eines Rollstuhls dargestellt. Das Verfahren weist eine Erfassung 410 mindestens einer Dehnung mittels wenigstens einer der Sensorvorrichtungen 100 beziehungsweise 100a, 100b und 100c auf, wobei die Dehnung eine tangentiale Kraftkomponente der Vortriebskraft F des Rollstuhlfahrers an der jeweiligen Sensorvorrichtung 100 repräsentiert. Anschließend wird in dem Schritt 420 die Vortriebskraft F des Rollstuhlfahrers in Abhängigkeit der wenigstens einen erfassten Dehnung ermittelt. Es kann vorgesehen sein, dass die Ermittlung 420 der Vortriebskraft F des Rollstuhlfahrers zusätzlich in Abhängigkeit der jeweiligen Dehnungsrichtung der Dehnung an der jeweiligen Sensorvorrichtung 100 gemäß Gleichung 1 und demnach als Kraftvektor $\vec{F}$
erfolgt. Demnach wird die Vortriebskraft in einer bevorzugten Ausgestaltung als Kraftvektor $\vec{F}$
ermittelt, wodurch sowohl der Betrag als auch die Richtung der Vortriebskraft $\vec{F}$
ermittelt werden. Der Kraftvektor $\vec{F}$
wird beispielsweise aus einer Summe einer erfassten ersten Dehnung x1 an einer ersten Sensorvorrichtung 100a multipliziert mit einem ersten Richtungsvektor $\vec{a},$
einer erfassten zweiten Dehnung x2 an einer zweiten Sensorvorrichtung 100b multipliziert mit einem zweiten Richtungsvektor $\vec{b}$
und einer erfassten dritten Dehnung x3 an einer dritten Sensorvorrichtung 100c multipliziert mit einem dritten Richtungsvektor $\vec{c}$
gemäß Gleichung 1 ermittelt. Die Richtung der Richtungsvektoren $\vec{a}, \vec{b} und \vec{c}$
entsprechen den vorgegebenen Verschiebungsrichtungen 180 einer Sensorvorrichtung 100a, 100b und 100c an der jeweiligen Anbauposition. Der Betrag der Richtungsvektoren $\vec{a}, \vec{b} und \vec{c}$
entspricht insbesondere einer Umrechnung einer Dehnung in einer Kraft, wobei insbesondere zur Bestimmung des Betrags eines der Richtungsvektoren die Materialwerte des Dehnelements 131 berücksichtigt werden. Insbesondere sind die Beträge der Richtungsvektoren $\vec{a}, \vec{b} und \vec{c}$
gleich. $\vec{a} \cdot x 1 + \vec{b} \cdot x 2 + \vec{c} \cdot x 3 = \vec{F}$
Es kann, beispielsweise bei der Ermittlung 420 gemäß Gleichung 1, vorgesehen sein, das die Ermittlung 420 der Vortriebskraft F des Rollstuhlfahrers zusätzlich in Abhängigkeit einer Überschreitung eines Schwellenwertes S für die Dehnung beziehungsweise die Dehnungen x1, x2 und/oder x3 erfolgt. Mit anderen Worten wird eine erfasste Dehnung x1, x2 und/oder x3 nur dann berücksichtigt, wenn sie den Schwellenwert S übersteigt. So werden Dehnungen eines Dehnelements 131 einer Sensorvorrichtung 100 aufgrund eines Handauflegens des Rollstuhlfahrers und/oder aufgrund eines Abdrückens des Rollstuhlfahrers von einem der Greifringe und/oder aufgrund äußerer Kräfte, beispielsweise durch Vibrationen des Rollstuhls bei einer Fahrt auf einem Kopfsteinpflaster, nicht berücksichtigt.
In einer optionalen Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass in einem anschließenden Schritt 430 eine Ansteuerung eines Antriebsmotors 350 eines Rollstuhls in Abhängigkeit der ermittelten Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers erfolgt. Bevorzugt werden eine rechte Vortriebskraft, welche durch den rechten Arms des Rollstuhlfahrers auf den Greifring 220 des rechten Antriebsrads 200a wirkt, und eine linke Vortriebskraft, welche durch den linken Arm des Rollstuhlfahrers auf den Greifring 220 des rechten Antriebsrads 200b wirkt, jeweils in Betrag und Richtung in Abhängigkeit der erfassten Dehnungen der Sensorvorrichtungen 100 an dem jeweiligen Antriebsrad 200a oder 200b ermittelt. Die Ansteuerung 430 erfolgt dann in Abhängigkeit des Betrags der rechten Vortriebskraft und/oder der Richtung der rechten Vortriebskraft und in Abhängigkeit des Betrags der linken Vortriebskraft und/oder der Richtung der linken Vortriebskraft. Durch diese Ausführungsform ist es vorteilhafterweise möglich eine Fahrsituation und/oder einen Richtungswunsch des Rollstuhlfahrers gut zu erkennen und die Vortriebskraft F beziehungsweise die Vortriebskräfte eines Rollstuhlfahrers mittels wenigstens eines motorischen Drehmoments eines Antriebsmotors 350 zu unterstützen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2277487 B1 [0002]
DE 102010037705 B4 [0003]
EP 0945113 A2 [0004]

Claims

Sensorvorrichtung (100) zur Erfassung einer Betätigungsgröße, insbesondere einer Dehnung, welche aus einer Vortriebskraft (F) eines Rollstuhlfahrers auf einen Greifring (220) eines Rollstuhls (300) resultiert, wobei die Sensorvorrichtung (100) die folgenden Komponenten aufweist • ein erstes Fixierelement (110) zur Fixierung einer Sensoreinrichtung (130) an einem Antriebsrad (210) eines Rollstuhls, • ein zweites Fixierelement (120) zur Fixierung der Sensoreinrichtung (130) an einem Greifring (220) des Rollstuhls, und • die Sensoreinrichtung (130), wobei die Sensoreinrichtung (130) folgende Komponenten aufweist i. mindestens ein Dehnelement (131), wobei das Dehnelement (131) zwischen dem ersten Fixierelement (110) und dem zweiten Fixierelement (120) angeordnet ist, und ii. wenigstens einen Sensor (150) zur Erfassung einer Dehnung des Dehnelementes (131), wobei der Sensor (150) unmittelbar an dem Dehnelement (131) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fixierelement (110), das zweite Fixierelement (120) und das Dehnelement (131) als ein zusammengehöriger einteiliger Sensorkörper (101) ausgestaltet sind.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (100) zwei Sensoreinrichtungen (130) aufweist, insbesondere ist die Sensorvorrichtung (100) als ein Doppelbiegebalken ausgestaltet, wobei die Dehnelemente (131) jeweils einen Biegebalken repräsentieren.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnelement (131) zwei elastische Dehnbereiche (132', 132'') und einen gegenüber den Dehnbereichen (132', 132'') weniger elastischen Steifigkeitsbereich (133) aufweist, wobei der Steifigkeitsbereich (133) zwischen den zwei Dehnbereichen (132', 132'') angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (150) unmittelbar an einem der zwei Dehnbereiche (132', 132") des Dehnelements (131) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (100) eine Überlastsicherung (197) aufweist, insbesondere ein Anschlagselement (198, 199), wobei die Überlastsicherung (197) dazu eingerichtet ist, eine maximale Verschiebung des zweiten Fixierelements (120) gegenüber dem ersten Fixierelement (110) auf kleiner 50 µm, insbesondere kleiner 10 µm, zu begrenzen.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Fixierelement (120) ein Federelement (160) angeordnet ist, wobei das Federelement (160) dazu eingerichtet ist, in radialer Richtung des Greifrings (220) zwischen dem zweiten Fixierelement (120) und dem Greifring (210) angeordnet zu sein.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (150) ein Dehnmessstreifen und/oder ein Hall-Sensor ist.
Sensorsystem (310) für einen Rollstuhl (300), aufweisend die folgenden Komponenten • wenigstens zwei Sensorvorrichtungen (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, und • ein Steuergerät (360), welches dazu eingerichtet ist, die Vortriebskraft (F) eines Rollstuhlfahrers in Abhängigkeit mindestens einer mittels einer der Sensorvorrichtungen (100) erfassten Betätigungsgröße zu ermitteln.
Rollstuhl (300) mit einem Sensorsystem (310) nach Anspruch 9.
Verfahren zur Ermittlung einer Vortriebskraft (F) eines Rollstuhlfahrers auf einen Greifring (220) eines Antriebsrads (200) eines Rollstuhls (300), wobei der Greifring (220) mittels wenigstens zwei Sensorvorrichtungen (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit dem Antriebsrad (210) des Rollstuhls verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist • Erfassung (410) mindestens einer Dehnung mittels wenigstens einer der Sensorvorrichtungen (100), wobei die Dehnung eine tangentiale Kraftkomponente der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers an der jeweiligen Sensorvorrichtung (100) repräsentiert, und • Ermittlung (420) der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers in Abhängigkeit der wenigstens einen erfassten Dehnung.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung (420) der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers zusätzlich in Abhängigkeit der jeweiligen Dehnungsrichtung der Dehnung an der jeweiligen Sensorvorrichtung (100) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung (420) der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers zusätzlich in Abhängigkeit einer Überschreitung eines Schwellenwertes für die Dehnung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung (420) eines Betrags der Vortriebskraft und einer Richtung der Vortriebskraft des Rollstuhlfahrers erfolgt.