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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Treppensteigen sowie dem zugehörigen Fahrwerk bestehend aus motorisierten Treppensteiger und einem Fahrgestell, welches alle weiterhin erforderlichen Komponenten trägt, um Treppen und treppenartige Barrieren überwinden zu können. Die Erfindung entlastet zudem den Benutzer auch beim Tragen und Transportieren von Lasten auf glatten und gewellten Ebenen. Vergleichbar einem Automobil dient das Fahrwerk hierbei zur Aufnahme von Aufbauten.
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Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungsansätze bekannt. Diese können in die folgenden Kategorien eingeteilt werden: a) Passive Treppensteiger, b) Sackkarrenartige Vorrichtungen, c) Hebel und hebelartige Vorrichtungen, d) Raupen- und Kettengetriebene, e) Vorrichtungen nach dem Ritzel-Zahnstangen Prinzip sowie f) Fahrzeuge nach dem Prinzip des inversen Pendels.
- a) Passive Treppensteiger: Passiv betriebene Treppensteiger, auch bekannt als Radkränze, mit drei Rädern pro Kranz sind aus dem Alltag bekannt. Dabei wird der Radkranz im Mittelpunkt rotierend gelagert und ermöglicht dem Bediener mit einer, gegenüber einrädrigen Lösungen, reduzierten Kraft das Fahrzeug, z.B. einen Trolley oder Karren, Treppen hinaufzuziehen und hinabzuschieben. Beim hinabschieben muss der Bediener das Fahrzeug in dessen Fall verzögern, um die Kontrolle zu behalten. Häufig ist es dafür notwendig sich an einem Geländer festzuhalten. Beim hinaufziehen wird die Drehbewegung des Kranzes dadurch ausgelöst, dass das sich in Bodenkontakt befindende, in Fahrtrichtung dem Mittelpunkt des Kranzes vorauseilende Rad durch Setzstufe und Trittfläche bzw. Setzstufe und Podest / Geschossdecke blockiert wird und so ein Moment um die vorauseilende Rollenachse gebildet werden kann.
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Gleichwohl ist der Bediener auf den Einsatz seiner eigenen Kraft angewiesen. Bei größeren Höhenunterschieden, wie z.B. eine Wohnhausetage, oder bei schweren Lasten kann die zu leistende Arbeit (Kraft x Weg) schnell an die menschliche Leistungsgrenze stoßen, insbesondere bei Menschen mit Behinderung oder in fortgeschrittenem Alter. In Fällen großer Treppenunterschneidungen, bei offenen Treppen und Hindernissen, die in ihrem Wesen einer offenen Treppe gleichen, kann ein passiver Treppensteiger nicht arbeiten, da die Setzstufe fehlt. Als Beispiel sei an dieser Stelle der Einstig von Niederflurbussen und Niederflurstraßenbahnen genannt.
- b) Sackkarrenartige Vorrichtung: Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungen bekannt für sackkarrenartige Vorrichtungen zum Heben von Rollstühlen oder Lasten ( AT000000413644B ; CA02312718A1 ; DE000019519109A1 ; DE 102012205204A1 ; DE202007008797U1 ; EP000002003039A2 ).
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Diese Lösungen setzen jedoch voraus, dass der Bediener nicht gezwungen ist sich beim Hebe- bzw. Absenkvorgang an der Vorrichtung abstützen muss. Zudem kann in keinem der Fälle der Bediener zeitgleich auch die zu hebende Last sein, d.h. der Bediener kann sich nicht selbst an den Lösungen hochziehen.
- c) Hebel und hebelartige Vorrichtungen: Um Treppen und treppenartige Hindernisse zu erklimmen, verwendet diese Kategorie Hebel und Stößel, welche ein Fahrzeug bei der Aufwärtsbewegung Anheben und dann Abrollen bzw. Abstoßen, während sie bei der Abwärtsbewegung das Fahrzeug abstützen. ( AT000000413644B ; CA02312718A1 ; DE000019519109A1 ; DE102012205204A1 ; DE202007008797U1 ; EP000002003039A2 ; Zeitungsartikel: Klaus Nonnenmacher, „Jugend-forscht-Rollator wird zum Messehit“, „Stuttgarter Nachrichten“, 12.05.2017; US3283839 )
- d) Raupen- und Kettengetriebene: In dieser Kategorie werden Riemen, Raupen und Ketten verwendet, um die Funktion des Treppensteigens zu erzielen. (Nur auf Rollstühle bezogen: AU002012216629B2 , CA02204093C , weitere: CA02312718A1 , DE000029805410U1 , DE102014103893A1 , DE102017006071A1 , EP03345811A1 , US6263989B1 )
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Diese Lösungen sind zwar technisch einfach und theoretisch in der Lage jegliche Hindernisse zu überwinden, jedoch sind sie aus energetischer Sicht nicht vorzuziehen und besitzen häufig eine Vielzahl an Elementen. Sie beanspruchen im Allgemeinen auch mehr Platz als andere Lösungen.
- e) Vorrichtungen nach dem Ritzel-Zahnstangen Prinzip: Eine weitere bekannte Ausführungsart ist der Einsatz von Rädern bzw. Rollen, die die Funktion von Zahnrädern auf einer festen Zahnstange imitieren, wobei die Treppe die Zahnstange darstellt ( AT000000513647A2 ; Bhole, A. et al.: „Design of a robust stairclimbing compliant modular robot to tackle overhang on stairs", Robotica (2019), Band 37, S. 428-444).
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Diese Antriebsform besitzt den Nachteil, dass beim Betrieb auf ebenen Flächen Vibrationen erzeugt werden. Es ist ebenfalls bekannt und nachgewiesen (z.B. Bhole et al.), dass diese Art der Fortbewegung energetisch weniger effizient ist als ein Rad. Ein mechanisches Vervollständigen eines solchen Rades im nicht treppensteigenden Betrieb, wie in
AT000000513647A2 vorgeschlagen, erscheint aufwendig.
- f) Fahrzeuge nach dem Prinzip des inversen Pendels: Hierbei handelt es sich um Fahrzeuge mit vier Rädern, bei denen die beiden vorderen Räder mit den jeweils hinteren Rädern über längs zur Fahrtrichtung angeordneten Lastaufnahmevorrichtungen verbunden sind. Die Lastaufnahmevorrichtungen sind schwenkbar an das Fahrgestell angebracht. Sowohl die Räderpaare als auch die Lastaufnahmevorrichtungen sind angetrieben und mit einer Steuerung verbunden. Dieser Aufbau ermöglicht dem Fahrzeug sich auf die vorderen oder hinteren Räder zu „stellen“ und zu stabilisieren. Dadurch kann das jeweils nicht in Kontakt befindliche Räderpaar auch auf Hindernissen abgesetzt werden. Eine Variation dieses Aufbaus ist die Einbringung von Verstellmechanismen in den Lastaufnahmevorrichtungen, um eine Variation der Achsabstände herbeizuführen. Zur Stabilisierung muss mit einem Gyroskop der Schwerpunkt des Fahrzeuges ermittelt werden. Dieses Verfahren entspricht dem Vorgehen eines inversen Pendels ( DE102014119270A1 ; W0002000054719A1 ; WO002000054720A1 ; WO002000073101A1 ; WO002000074623A2 ).
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Ein wesentlicher Nachteil dieser Fahrzeuge ist, dass sie keine kontinuierliche Treppenfahrt ermöglichen, da sie aus Ihren stabilen Lagen herausbewegt werden müssen indem der Bediener den Schwerpunkt des Fahrzeugs verlagert. Im Fall von Rollstuhlfahrern bedeutet dies, dass sie sich gar an Treppengeländern umständlich hoch- oder herabziehen müssen. Gekrümmte Treppen, z.B. Wendeltreppen, können damit nicht genommen werden. In der Praxis sind Fahrzeuge als Rollstühle ausgeführt. Diese Zielgruppe bevorzugt die Möglichkeit sich auf Augenhöhe mit stehenden Menschen aufrichten zu können und durch Schwerpunktverlagerung zu bewegen. (Zeitungsartikel: Bob Vogel, „The iBot is Back. Is the Second Time the Charm?“, New Mobility, 01.07.2019)
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Eine besonders interessante Lösung wird in dem Patent
US3283839 aus dem Jahr 1966 präsentiert. Bei dieser Lösung des Problems wird ein angetriebener Treppensteiger in Kombination mit einem Schieber verwendet, welches ein Rollenkreuz besitzt, um das Fahrzeug vorm Abstürzen zu sichern und den Hebe- bzw. Absenkvorgang zu unterstützen. Diese Lösung ähnelt der hier beschriebenen Erfindung insofern, als dass es mindestens einen angetriebenen Treppensteiger besitzt. Dabei erhebt das Patent Anspruch auf ein Gestell mit einer Welle an dessen Enden Getriebe oder Kettentriebe angebracht sind.
Eine Steuerungs- und Regeltechnik zur gezielten und individuellen Kontrolle des Treppensteigers ist nicht vorgesehen. Ebenfalls wird in dem Patent von geschlossenen Treppen mit Setzstufen ausgegangen. Offene Treppen oder Hindernisse, die einer offenen Treppe gleichen, können nicht überwunden werden.
Die Realisierbarkeit des Patentes zum Zeitpunkt der Offenlegung erscheint zudem unwahrscheinlich, da für den Betrieb in geschlossenen Räumen die genannten Verbrennungsmotoren keine Option sind und die damals erhältlichen Elektromotoren und Akkumulatoren nicht die nötige Leistungsdichte besaßen. Auch die im Patent genannten hydraulischen und pneumatischen Zylinder benötigen Pumpen / Kompressoren, welche zum Zeitpunkt der Offenlegung nur durch Verbrennungsmotoren geleistet werden konnten. Weiterhin müsste für ein mobiles Gerät eine Vielzahl von hydraulischen Elementen wie Tanks, Puffer und Leitungen vorgesehen werden, welche den Einsatz in einem Rollstuhl, so wie im Patent angegeben, unmöglich machen.
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Als Aufgabe der Erfindung wird es angesehen eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Fahrwerk darzustellen, mit der Fahrzeuge und Hilfsmittel gebaut werden können, die
- - selbsttätig fahren können
- - Treppen und treppenartige Hindernisse wie Bordsteinkanten, Türschwellen von Niederflurbussen, etc. überwinden können
- - Kurvenfahrten vollführen können
- - gewundene Treppen, z.B. Wendeltreppen, hinauf- und hinabsteigen können
- - in allen oben aufgeführten Situationen Personen stützen oder tragen können, sofern es die Aufgabe des Fahrzeugs oder Hilfsmittels ist, z.B. Rollatoren, Kinderwagen, Trolleys, Sackkarren, etc.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Treppensteiger, wie Sie von Trolleys und Sackkarren bekannt sind, in der Rotationsachse ihres Drehkranzes mit einem Antriebsstrang versehen werden. Dieser Antriebsstrang enthält neben dem Motor, welcher vorzugsweise ein Elektromotor ist, ein Getriebe. Sofern der Motor keine eingebaute Bremse besitzt und die rudimentäre Regelung des Motors über die Steuerung nicht ausreicht, können Bremse und Sensoren wie z.B. Drehgeber eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es einen Schrittmotor an dieser Stelle zu verwenden, da die Position der Antriebswelle so ohne Regelstrecke mit recht hoher Genauigkeit bekannt ist.
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Erfindungsgemäß ist ein weiterer Motor mit Übertragungselementen und Getrieben mit den Rädern des Treppensteigers verbunden. Vorteilhafterweise wird jedes Rad mit einem eigenen Motor versehen oder ein Motor mit einem Riementrieb oder einem Kettentrieb mit allen Rädern verbunden. Zur gezielten Steuerung und Regelung des Motors werden Bremsen und Sensoren wie Drehgeber eingesetzt.
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Beim Überwinden von Hindernissen und Treppensteigen müssen die Räder entgegengesetzt zum Drehkranz ein Moment aufbauen, damit eine Rotation des gesamten Treppensteigers möglich wird. Dies kann entweder durch blockieren der Räder erfolgen, z.B. durch Bremsen, oder durch eine auf die Drehung des Drehkranzes abgestimmte Drehung der Räder über die im vorherigen Abschnitt beschriebenen Radmotoren. Auf ebener Strecke übernimmt der Radmotor die Fahrt.
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Erfindungsgemäß ist ein Fahrgestell vorgesehen, das mindestens zwei angetriebene Treppensteiger zusammenfasst und weitere passive Räder oder passive Treppensteiger enthält. Weiterhin trägt das Gestell die Steuerung und Elemente zur Übertragung von Daten und Energie.
Besonders beim Abstützen und Tragen von Personen ist es vorteilhaft, wenn der lastaufnehmende Aufbau und die Bedienungselemente in eine für den Bediener angenehme Position gebracht werden können. Dies wird durch den Einsatz einer Nivelliervorrichtung erreicht, welches manuell oder automatisch eingestellt werden kann. Vorteilhafterweise kann diese Nivellierung am Übergang zwischen Fahrwerk und Aufbau erfolgen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.: Es zeigen:
- 1 und 2 stellen eine beispielhafte Ausführung eines motorisierten Treppensteigers (1) dar.
- 3 und 4 stellen eine beispielhafte Ausführung eines motorisierten Treppensteigers mit einem als Raupe ausgeführten Riemen (14) dar.
- 5a -5c zeigen eine beispielhafte Ausführung eines Rollators (15).
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Ausführung nach 1 und 2: Der Drehkranz (2) des Treppensteigers (1) kann in seiner Drehachse über ein Getriebe (3) durch einen Motor (4) rotatorisch bewegt werden. An dem Motor sind eine Bremse (5) und Sensoren (6) angebracht.
Die Räder (7a) des Treppensteigers sind mit einem zweiten Motor (8), hiernach zur besser Unterscheidung Radmotor (8) genannt, über ein Getriebe (9) und einem Kettentrieb (10a) verbunden. Der Einsatz eines Motors anstelle einer Mechanik verbunden mit dem Motor des Drehkranzes (4) bietet den Vorteil, dass die Räder (7a) sich in beiden Richtungen drehen können, ohne eine Rotation des Drehkranzes (2) auszulösen. Gegenüber dem Einsatz eines einzelnen Motors besitzt diese Ausführung also den Vorteil dem Benutzer eine größere Freiheit hinsichtlich der Bewegungsrichtung zu bieten.
Um eine Regelung der Räder (7a) zu ermöglichen, können weitere Sensoren (11) verwendet werden. Das Montageelemente (13) ermöglicht es den Treppensteiger (1) an andere Baugruppen zu montieren.
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Die in 3 und 4 dargestellte Ausführung eines motorisierten Treppensteigers (14) entspricht sofern nicht abweichend angegeben der Ausführung des Treppensteigers (1) aus 1 und 2. Der Radmotor (8) treibt über sein Getriebe (9) einen gespannten Riementrieb (10b) an. Die Räder (7a) sind hierbei als Rollen (7b) ausgestaltet. Außerhalb der gewöhnlichen urbanen Gebiete, z.B. Wanderwege und „Treppen“ an natürlichen Hängen, ist es vorteilhaft den Riemen- / Kettentrieb wie hier dargestellt einzusetzen. Dies ermöglicht es einem Fahrzeug auf unebenem Terrain und bei unstetigen Schrittlängen der Treppenstufen schneller voranzukommen als auf Rädern.
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5a zeigt einen Rollator(15) in waagerechter Position, der sich durch Drehung der Räder (7a) seiner motorisierten Treppensteiger (1) in Fahrtrichtung vorwärtsbewegt.
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Zur Erfüllung der Aufgabe besteht der Rollator aus einem Aufbau und dem Fahrwerk.
Die einzelnen Teile des Fahrwerks werden durch das mehrteile Fahrgestell (17) verbunden, das analog zu einem Fahrgestell im Automobilbau hier die Aufgabe besitz, Antrieb, Aufbau und Nutzlast zu tragen sowie dem Rollator (15) seine Stabilität zu verleihen. Der Aufbau wird über die Nivelliervorrichtung (16) mit dem Fahrwerk verbunden. Weiterhin besteht das Fahrwerk aus an das Fahrgestell (17) montierte, motorisierte Treppensteiger (1). Beispielhaft ist eine Ausführung nach 1 und 2 dargestellt. Weiterhin besteht das Fahrwerk aus passiven Treppensteigern (18), die an das Fahrgestell montiert sind. Weiterhin besteht das Fahrwerk aus Elementen am Fahrgestell (17), z.B. Schleifringe und Kabelführungen (nicht dargestellt), um eine Energie- und Datenleitung zwischen motorisierten Treppensteigern (1) und Steuerungselektronik (19) sowie zwischen Aufbau und Steuerungselektronik zu bewerkstelligen.
Teil des Aufbaus ist ein Einkaufskorb (20) mit einer Sitzgelegenheit (21) und verstellbaren Griffen (22) und Bedienelementen (23).
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5b zeigt den Rollator (15) bei der Aufwärtsbewegung. Die Vorwärtsbewegung auf die Stufen wird nun durch die Rotation des Drehkranzes (2) bewerkstelligt. Dies ist durch den großen Pfeil angedeutet. Die Räder (7a) bewegen sich hier beispielhaft entgegen der Vorwärtsbewegung, um die Position des Rollators (15) zu stabilisieren und dem aufgestützten Bediener einen angenehmeren Aufstieg zu ermöglichen.
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5c zeigt den Rollator (15) bei einer Abwärtsbewegung. Kinematisch entspricht sie der Aufwärtsbewegung auf den Stufen (5b), jedoch wird die Vorwärtsgeschwindigkeit des Rollators durch den Treppensteiger (1) bei Bedarf stabilisiert, um ein Abstürzen zu vermeiden und der Geschwindigkeit des Bedieners anzupassen, d.h. der Motor des Drehkranzes (4) kann bei Bedarf die Rotation des Drehkranzes (2) verzögern und beschleunigen, um die Geschwindigkeit des Abstiegs zu kontrollieren. Dies ist durch den großen beidseitigen Pfeil angedeutet. Die Räder (7a) bewegen sich hier beispielhaft entgegen der Vorwärtsbewegung, um die Position des Rollators (15) zu stabilisieren und dem aufgestützten Bediener einen angenehmeren Abstieg zu ermöglichen. Sie könnten aber auch stillstehen oder sich in die andere Richtung drehen. Ihre Drehrichtung ist von den Gegebenheiten abhängig und könnte vom Bediener oder von der Steuerung (19) mittels Sensoren vorgegeben werden.
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Der hier beschriebene Rollator besitzt den Vorteil gegenüber herkömmlichen Rollatoren größere Einkäufe zu ermöglichen und Treppen überwinden zu können. Vorteilhaft ist hier zudem, dass der Rollatorfahrer sich beim Treppensteigen abstützen kann. Der Einkaufskorb ist im Verhältnis zu herkömmlichen Rollatoren deutlich größer ausgestaltet und in der Lage größere Lasten aufzunehmen. Dies ist möglich, da anders als bei herkömmlichen Rollatoren der Bedarf das Gefährt zu heben nicht mehr gegeben ist. Ebenfalls muss keine Muskelkraft aufgewendet werden, um die größere Last zu schieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 000000413644 B [0003, 0004]
- CA 02312718 A1 [0003, 0004]
- DE 000019519109 A1 [0003, 0004]
- DE 102012205204 A1 [0003, 0004]
- DE 202007008797 U1 [0003, 0004]
- EP 000002003039 A2 [0003, 0004]
- US 3283839 [0004, 0008]
- AU 002012216629 B2 [0004]
- CA 02204093 C [0004]
- DE 000029805410 U1 [0004]
- DE 102014103893 A1 [0004]
- DE 102017006071 A1 [0004]
- EP 03345811 A1 [0004]
- US 6263989 B1 [0004]
- AT 000000513647 A2 [0005, 0006]
- DE 102014119270 A1 [0006]
- WO 002000054719 A1 [0006]
- WO 002000054720 A1 [0006]
- WO 002000073101 A1 [0006]
- WO 002000074623 A2 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Bhole, A. et al.: „Design of a robust stairclimbing compliant modular robot to tackle overhang on stairs“, Robotica (2019), Band 37, S. 428-444 [0005]
