-
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem umfassend zwei Radmodule zur Montage an einer fahrbaren Gehhilfe sowie eine mit dem Antriebssystem ausgestattete fahrbare Gehhilfe.
-
Fahrbare Gehhilfen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie haben meist drei oder vier Räder und werden eingesetzt, um Menschen in höherem Alter oder mit körperlichen Einschränkungen beim aufrechten Gehen zu stützen und ihnen eine verbesserte Mobilität zu ermöglichen. Anders als Gehstöcke oder Gehgestelle ohne Räder, müssen fahrbare Gehhilfen während des Gehens nicht vom Boden gehoben werden, was für eine höhere Stabilität und verringerte Sturzgefahr sorgt. Fahrbare Gehhilfen können auch als Rollatoren oder Gehwagen bezeichnet werden.
-
Zur Unterstützung des Benutzers sind auch fahrbare Gehhilfen bekannt, die einen elektrischen Antrieb aufweisen, so dass der Benutzer keine oder kaum Kraft aufwenden muss, um die Gehhilfe in Bewegung zu versetzen. Solche Gehhilfen weisen eine Antriebseinheit, Steuerelektronik und einen Energiespeicher auf. Dabei müssen normalerweise zwei Hinterräder der Gehhilfe angetrieben werden, so dass für den Antrieb dieser Räder eine entsprechende Bewegungssteuerung nötig ist. Jeder der Antriebsmotoren ist auf die Befehle einer Einrichtung zur Bewegungssteuerung angewiesen. Sie kann für jeden Antriebsmotor mit Hilfe einer entsprechenden Steuerelektronik realisiert werden, jedoch ist eine derartige Steuerelektronik gegebenenfalls kompliziert und kostenaufwändig.
-
Diesen Nachteil zu überwinden und entsprechend eine kostengünstigere bzw. aufwandsarme Lösung bereitzustellen, die eine antriebsgestützte Hilfe beim Gehen erlaubt, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Durch ausdrückliche Bezugnahme werden die Ansprüche an dieser Stelle zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Antriebssystem zwei Radmodule zur Montage an einer fahrbaren Gehhilfe, jeweils jedes der Radmodule umfassend ein Rad, einen als Radnabenmotor ausgebildeten elektrischen Motor, an dessen drehbar gelagertem Rotor das Rad befestigt ist. Der Rotor des Motors ist entsprechend mit dem Rad mechanisch verbunden und der Stator des Motors kann an dem Gestell bzw. der Radhalterung der Gehhilfe befestigt werden. Es bietet sich an, einen bürstenlosen Gleichstrommotor, auch BLDC zu verwenden. Die Kommutierung kann in bekannter Weise mit Hilfe einer B6-Brücke auf Grundlage der mittels Hallsensor erkannten Rotorlage erfolgen.
-
Zur Ansteuerung des Motors dient eine elektrische Steuereinrichtung. Diese regelt bevorzugt das Drehmoment bzw. die Drehzahl des Motors, beispielsweise durch ein PWM-Signal, das etwa von einem Microcontroller, der einen Leistungstransistor ansteuert, ausgegeben wird. Um die Motordrehzahl bei Laständerung zu regeln und eine Sollwertänderung der Drehzahl durchzusetzen, ist an dem Motor zumindest ein Hallsensor angebracht, der die Position an den steuernden Mikrocontroller übergibt.
-
Die Radmodule umfassen jeweils auch einen Energiespeicher zur Versorgung des elektrischen Motors mit Energie. Bei dem Energiespeicher kann es sich beispielsweise um einen Lithium-Ionen-Akkumulator handeln, der dem Motor eine elektrische Spannung bereitstellt. Vorzugsweise ist der Energiespeicher so ausgeführt, dass er sich induktiv aufladen lässt.
-
Weiterhin umfasst jedes der Radmodule eine Schnittstelle zur Montage an der fahrbaren Gehhilfe. Die Schnittstelle ist bevorzugt so ausgebildet, dass der feststehende Teil des Radmoduls, also alles außer dem Rotor und dem Rad, starr mit der Gehhilfe verbunden werden kann. Die Rotorachse kann an der Gehhilfe an der gleichen Stelle drehbar gelagert werden, an der sonst die Achse eines herkömmlichen, nicht angetriebenen Rades gelagert ist.
-
Eines der Radmodule ist als Slave-Radmodul und das andere Radmodul als Master-Radmodul ausgebildet. Mit anderen Worten gibt es eine hierarchische Form der Verwaltung des Zugriffs auf eine gemeinsame Ressource in Form eines gemeinsamen Datenkanals, in diesem Fall bezüglich der Regelung bzw. Steuerung der Antriebsmotoren.
-
Die Steuereinrichtung des Master-Radmoduls weist daher eine Bewegungssteuereinheit zum Berechnen der jeweiligen Motorunterstützung des Master-Radmoduls sowie des Slave-Radmoduls auf. Die Bewegungssteuerung kann also zentral bzw. singulär durchgeführt und für beide Radmodule genutzt werden. Eine eigene Bewegungssteuereinheit des Slave-Radmoduls ist somit nicht nötig, daher weist das Slave-Radmodul eine solche vorzugsweise nicht auf.
-
Es ist bevorzugt, dass jedes der Radmodule ein drahtloses Verbindungsmodul aufweist, das jeweils dazu ausgebildet ist, mit dem anderen Verbindungsmodul bidirektional zu kommunizieren. Zweckmäßigerweise ist das das Verbindungsmodul des Master-Radmoduls dazu ausgebildet, zumindest die von der Bewegungssteuereinheit berechnete Motorunterstützung des Slave-Radmoduls, also vorzugsweise Drehmoment und / oder Drehzahl, an das Verbindungsmodul des Slave-Radmoduls zu senden.
-
Das Slave-Radmodul ist vorzugsweise dazu ausgebildet, über sein Verbindungsmodul ein Signal an das Verbindungsmodul des Master-Radmoduls zu übertragen, das eine Antriebseingabe eines Benutzers, einen Batteriestatus, einen Istwert der Motordrehzahl und / oder einen Funktionsstatus wiedergibt. Indem diese Signale drahtlos übertragen werden, sind alle Informationen vorhanden, um mit nur einer Bewegungssteuereinheit eine sichere Bewegungssteuerung der Gehhilfe zu gewährleisten.
-
Es ist bevorzugt, dass die Verbindungsmodule jeweils mehrere Kommunikationskanäle zum gleichzeitigen Senden und Empfangen von Daten aufweisen, um einen zügigen und zuverlässigen Datenaustausch zu ermöglichen.
-
Vorzugsweise umfassen die Verbindungsmodule jeweils einen WLAN-Kommunikationschip. Der WLAN-Kommunikationschip ist vorzugsweise zur Realisierung mehrerer WLAN-Standards bzw. IEEE 802.11-Standards ausgebildet.
-
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt, dass die Verbindungsmodule jeweils einen Bluetooth-Kommunikationschip umfassen.
-
Vorzugsweise umfasst eines oder umfassen beide Radmodule einen oder mehrere Inertialsensoren zur Bewegungserfassung. Die Lage des Antriebssystems bzw. der Gehhilfe im Raum lässt sich somit feststellen und die Ansteuerung des Antriebs entsprechend anpassen.
-
Es ist bevorzugt, dass die Bewegungssteuereinheit dazu ausgebildet ist, das Drehmoment und / oder die Drehzahl des jeweiligen Motors abhängig von den über die Leitung übertragenen Signalen, vorzugsweise zusätzlich abhängig von Messdaten zumindest eines Inertialsensors, anzupassen.
-
Das Antriebssystem weist vorzugsweise zwei Benutzerschnittstellen zur Aufnahme menschlicher Steuereingaben auf sowie eine Verbindungseinrichtung zum Übertragen der Steuereingaben an die Radmodule. Die Benutzerschnittstellen sind vorzugsweise durch ergonomisch angepasste Griffteile realisiert.
-
Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt umfasst eine fahrbare Gehhilfe eine auf Rädern getragene Stützstruktur zum Stützen eines Menschen sowie ein Antriebssystem wie beschrieben.
-
Ein Radmodul zur Montage an einer fahrbaren Gehhilfe umfasst vorzugsweise ein Rad und einen als Radnabenmotor ausgebildeten elektrischen Motor, an dessen drehbar gelagertem Rotor das Rad befestigt ist. Der Rotor des Motors ist entsprechend mit dem Rad mechanisch verbunden und der Stator des Motors kann an dem Gestell bzw. der Radhalterung der Gehhilfe befestigt werden. Es bietet sich an, einen bürstenlosen Gleichstrommotor, auch BLDC zu verwenden. Die Kommutierung kann in bekannter Weise mit Hilfe einer B6-Brücke auf Grundlage der mittels Hallsensor erkannten Rotorlage erfolgen.
-
Zur Ansteuerung des Motors dient vorzugsweise eine elektrische Steuereinrichtung. Diese regelt bevorzugt das Drehmoment bzw. die Drehzahl des Motors, beispielsweise durch ein PWM-Signal, das etwa von einem Microcontroller, der einen Leistungstransistor ansteuert, ausgegeben wird. Um die Motordrehzahl bei Laständerung zu regeln und eine Sollwertänderung der Drehzahl durchzusetzen, ist an dem Motor zumindest ein Hallsensor angebracht, der die Position an den steuernden Mikrocontroller übergibt.
-
Das Radmodul umfasst vorzugsweise auch einen Energiespeicher zur Versorgung des elektrischen Motors mit Energie. Bei dem Energiespeicher kann es sich beispielsweise um einen Lithium-Ionen-Akkumulator handeln, der dem Motor eine elektrische Spannung bereitstellt.
-
Weiterhin umfasst das Radmodul vorzugsweise eine Schnittstelle zur Montage an der fahrbaren Gehhilfe. Die Schnittstelle ist bevorzugt so ausgebildet, dass der feststehende Teil des Radmoduls, also alles außer dem Rotor und dem Rad, starr mit der Gehhilfe verbunden werden kann. Die Rotorachse kann an der Gehhilfe an der gleichen Stelle drehbar gelagert werden, an der sonst die Achse eines herkömmlichen, nicht angetriebenen Rades gelagert ist.
-
Das Rad, der Motor, die Steuereinrichtung und der Energiespeicher, gegebenenfalls auch Sensoren oder weitere Komponenten, bilden bevorzugt eine kompakte Einheit. Dies hat zur Folge, dass die Erweiterung von einer herkömmlichen zu einer angetriebenen Gehhilfe deutlich vereinfacht wird.
-
Die Kompaktheit der Einheit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass alle oder einige der genannten Komponenten unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind. Bevorzugt sind sie dabei mechanisch miteinander verbunden, wobei sich Temperaturprobleme durch eine geeignete thermische Isolierung vermeiden lassen. Einer bevorzugten Ausführungsform zufolge sind die Komponenten an einer gemeinsamen Tragstruktur befestigt und / oder von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen bzw. darin eingebettet. Anders als bei einer bisher schon im Vorentwicklungs- bzw. Entwicklungsprozess üblichen gezielten Platzierung von Antriebskomponenten als Grundlage für die Entwicklung einer elektrisch angetriebenen fahrbaren Gehhilfe, erlaubt die Ausführung als kompakte Einheit eine einfache Nachrüstung einer bisher nicht motorunterstützten Gehhilfe, so dass auf eine völlige Neuanschaffung verzichtet werden kann.
-
Es ist bevorzugt, dass die Schnittstelle ein Befestigungselement zur Befestigung des Radmoduls an der Radhalterung der fahrbaren Gehhilfe umfasst. Zur Entlastung von Gelenken und zur Mobilitätssteigerung weist eine fahrbare Gehhilfe allgemein eine Stützstruktur auf, meist als Rahmen aus Aluminium oder aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, mit Öffnungen zur drehbaren Lagerung der Räder. Unter der Radhalterung wird bevorzugt diese Stützstruktur bzw. ein radtragendes Bein bzw. der Bereich um die Öffnungen verstanden.
-
Das Befestigungselement umfasst vorzugsweise eine Klemmvorrichtung zum Festklemmen des Radmoduls an der Radhalterung. Mit Hilfe von Schrauben kann die nötige Klemmkraft erzeugt werden. Die Klemmvorrichtung kann ein elastisches Element umfassen, das sich an verschiedene Formen einer Radhalterung anpasst und diese zumindest teilweise umschließt. Somit kann das Radmodul als kompakte Einheit an beliebige Ausführungen einer herkömmlichen Gehhilfe montiert werden.
-
Motor, Steuereinrichtung und Energiespeicher sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet oder zumindest auf einer gemeinsamen Trägerstruktur befestigt. Somit müssen nicht mehrere Einzelkomponenten montiert werden.
-
Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, dass das Gehäuse umlaufend um die Drehachse des Rades ausgebildet ist. Mit anderen Worten umschließt das Gehäuse einen Raum in allen radialen Richtungen um die Drehachse. Auf diese Weise lässt sich eine besonders platzsparende und bezüglich verschiedener Gehhilfentypen flexible Montage verwirklichen.
-
Bevorzugt umfasst das Rad ein integriertes Wälz- oder Gleitlager. Dies erlaubt zum einen eine Anpassung des Lagers an die Bedingungen einer angetriebenen Gehhilfe und ermöglicht andererseits den Austausch eines herkömmlichen mit einem hier beschriebenen Radmodul auch in Fällen, in denen ein Austausch nur zusammen mit Lager möglich ist.
-
Es ist bevorzugt, dass das Radmodul einen oder mehrere Inertialsensoren zur Bewegungserfassung umfasst. Die Inertialsensoren sind vorzugsweise ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet. Unter den Begriff Inertialsensor fällt neben einem einzelnen Drehraten- oder Beschleunigungssensor in diesem Zusammenhang vorzugsweise ebenso eine inertiale Messeinheit, auch IMU genannt, die durch eine räumliche Kombination mehrerer Inertialsensoren wie Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren, auch gyroskopische Sensoren genannt, gebildet wird. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen bzw. mehrere Inertialsensoren, die zur Erfassung von Beschleunigungen in drei Raumrichtungen sowie zur Erfassung von Drehbewegung um diese drei Achsen ausgebildet sind, so dass eine sehr präzise Lageerfassung möglich ist.
-
Das Radmodul ist gemäß einem weiteren Aspekt Teil eines Systems zum Nachrüsten einer fahrbaren Gehhilfe, die außerdem eine Benutzerschnittstelle, auch HMI genannt, zur Aufnahme menschlicher Steuereingaben sowie eine Verbindungseinrichtung zum Übertragen der Steuereingaben an das Radmodul umfasst. Ein solches System enthält alle Komponenten, die für die Elektrifizierung einer fahrbaren Gehhilfe von Nöten sind, kann aber dennoch an einer bestehenden Gehhilfe montiert werden, ohne dass diese modifiziert werden muss. Die Komponenten können einfach an der Stützstruktur der Gehhilfe befestigt werden, beispielsweise mit schellenartigen Klemmvorrichtungen, so dass eine Eingabe an der Benutzerschnittstelle über die Verbindungseinrichtung die Steuereinrichtung des Motors erreichen und den Benutzer beim Gehen unterstützen kann.
-
Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, dass die Benutzerschnittstelle einen Handgriff umfasst, wobei der Handgriff einen Verschiebekörper umfasst, der zur Aufnahme von Kräften, insbesondere ausschließlich, in einer axialen Richtung ausgebildet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass keine unbeabsichtigten Steuereingaben erfolgen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindungseinrichtung als Leitung zur Übertragung elektrischer Signale ausgebildet. Eine solche Leitung in Form eines Elektrokabels kann entlang der Stützstruktur verlegt werden und in beiden Richtungen verschiedenste Signale übertragen. Alternativ ist die Verbindungseinrichtung zur kabellosen Übertragung der Signale ausgebildet.
-
Die elektrische Steuereinrichtung des Radmoduls ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das Drehmoment und / oder die Drehzahl des Motors abhängig von den über die Leitung übertragenen Signalen, vorzugsweise zusätzlich abhängig von Messdaten zumindest eines Inertialsensors, anzupassen. Der Motor ist vorzugsweise für einen 4-Quadranten-Betrieb ausgelegt, also zur Einstellung von Drehgeschwindigkeit und von Drehmoment in positiven und negativen Richtungen.
-
Alternativ ist die Verbindungseinrichtung als Bowdenzug ausgebildet. Dabei handelt es sich bevorzugt um ein bewegliches Maschinenelement zur Übertragung einer mechanischen Bewegung sowie von Druck- und Zugkräften mittels einer biegsamen Kombination aus einem Drahtseil und einer in Verlaufsrichtung druckfesten Hülle. Dies erlaubt eine flexible Anpassung der Verbindungseinrichtung an verschiedene Gehhilfen und stellt eine besonders zuverlässige Möglichkeit der Signalübertragung dar.
-
Bevorzugt weist das Radmodul eine Vorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, über den Bowdenzug übertragene Kräfte in elektrische Signale zu übersetzen, wobei die elektrische Steuereinrichtung des Radmoduls dazu ausgebildet ist, das Drehmoment und / oder die Drehzahl des Motors abhängig von den elektrischen Signalen, vorzugsweise zusätzlich abhängig von Messdaten zumindest eines Inertialsensors, anzupassen. Die Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, über den Bowdenzug übertragene Kräfte in elektrische Signale zu übersetzen, kann beispielsweise ein durch das Zugseil des Bowdenzugs bewegliches Hebelelement umfassen, dessen Bewegung von einem Sensor erfasst wird.
-
Gemäß einer weiteren Alternative umfasst die Verbindungseinrichtung sowohl eine Leitung zur Übertragung elektrischer Signale als auch einen Bowdenzug. Bevorzugt ist der Bowdenzug mit einer Bremse und die Leitung mit einem Beschleunigungsschieber, bzw. -griff, bzw. -knopf funktional verbunden. Diese Aufteilung erlaubt eine sichere und unkomplizierte Bedienung, wobei trotzdem eine einfache Nachrüstung der fahrbaren Gehhilfe gewährleistet ist.
-
Das System umfasst gemäß einer vor allem bei Gehhilfen mit zwei Hinterrädern vorteilhaften Ausführungsform zwei Radmodule, zwei Benutzerschnittstellen zur Aufnahme menschlicher Steuereingaben sowie zwei Verbindungseinrichtung zum Übertragen der Steuereingaben an das Radmodul. Dabei ist bevorzugt je ein Radmodul, eine Benutzerschnittstelle und eine Verbindungseinrichtung einer Seite der Gehhilfe zugeordnet.
-
Ein weiterer Vorteil liegt in einer fahrbaren Gehhilfe, die eine auf Rädern getragene Stützstruktur zum Stützen eines Menschen sowie ein System wie beschrieben umfasst. Das System lässt sich auf Grund seiner Einfachheit auf unkomplizierte Weise von der Gehhilfe demontieren bzw. wieder auf dieser oder einer Gehhilfe eines anderen Herstellers montieren.
-
Die Benutzerschnittstelle des Systems wird vorzugsweise durch ein Griffteil zur Aufnahme menschlicher Steuereingaben für eine fahrbare Gehhilfe mit einem elektrischen Antrieb gebildet bzw. umfasst dieses. Das Griffteil soll nachfolgend näher erläutert werden. Es umfasst einen Grundkörper mit einer länglichen Form, der eine mechanische Schnittstelle zur Befestigung an der Gehhilfe aufweist, einen Verschiebekörper, der in Richtung der länglichen Form des Grundkörpers entlang einer Schiene oder Nut auf diesem verschiebbar gelagert ist sowie einen Sensor zum Messen der Verschiebung des Verschiebekörpers. Unter einem Verschiebekörper wird hierbei vorzugsweise ein Element verstanden, das nur durch laterale Verschiebung bewegt werden kann - ein drehbar gelagertes Element bzw. Hebel fällt also beispielsweise nicht unter den Begriff. Die längliche Form des Grundkörpers erstreckt sich vorzugsweise in Fahrtrichtung der fahrbaren Gehhilfe, insbesondere horizontal, wenn er daran montiert ist. Das Griffteil dient vorzugsweise der Erkennung einer Schubkraft durch den Nutzer in Axialrichtung. Dies ist beispielsweise durch einen Potentialsensor oder mit Hilfe eines Dehnmessstreifens möglich.
-
Der Verschiebekörper erlaubt beispielsweise gegenüber einem herkömmlichen Knopf oder Hebel eine intuitive Bedienung, so dass Nutzer die gleiche Funktionalität erfahren, wie mit jeder anderen nicht unterstützten fahrbaren Gehhilfe. Gleichzeitig müssen Nutzer aber nur wenige neue Fähigkeiten zur Nutzung der elektrisch angetriebenen Gehhilfe erwerben. Die mechanische Schnittstelle zur Befestigung an der Gehhilfe ist vorzugsweise so gestaltet bzw. dimensioniert, dass das Griffteil bei fahrbaren Gehhilfen verschiedener Art bzw. von verschiedenen Herstellern nachgerüstet werden kann. Dazu kann das System vorzugsweise Gummiringe umfassen, die je nach verwendeter Anzahl und Dicke als variierbare Unterlage dienen.
-
Es ist bevorzugt, dass die Beweglichkeit des Verschiebekörpers auf eine axiale Verschiebung in Richtung der länglichen Form des Grundkörpers beschränkt ist. Ein seitliches Abrutschen mit der Hand oder eine Verdrehung, insbesondere bei einem Sturz des Benutzers, wird somit nicht fälschlicherweise als Fahrwunsch erkannt. Die Beschränkung dient somit der Sicherheit. Vorzugsweise erfolgt eine Limitierung der ersten und / oder zweiten zeitlichen Ableitung der Kraft, um daraus eine ungewöhnliche Situation, wie einen Sturz zu erkennen und gegebenenfalls die Motoren zu bremsen.
-
Die Sicherheit wird vorzugsweise dadurch noch weiter erhöht, dass der Sensor so ausgebildet ist, dass eine Verschiebung des Verschiebekörpers nur in eine Richtung, insbesondere Druckrichtung, vom Sensor gemessen wird. Mit der Druckrichtung ist vorzugsweise die Vorwärtsrichtung der fahrbaren Gehhilfe gemeint bzw. die vom Benutzer hinwegführende Richtung. Weil der Sensor nur eine positive Wegstrecke misst und keine Zugkräfte erkennt, wird insbesondere verhindert, dass der Abstand zwischen Benutzer und Gehhilfe und damit die Sturzgefahr zu groß wird.
-
Es ist bevorzugt, dass der Verschiebekörper stufenlos verschiebbar ist, wobei der Sensor die Verschiebung in ein stufenloses Signal umwandelt. Durch die stufenlose Eingabe und Umsetzung des Fahrerwunsches ist keine Anpassung der Gehgeschwindigkeit des Nutzers an die Gehhilfe notwendig und eine besonders intuitive Bedienung wird ermöglicht.
-
Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, dass der Verschiebekörper mit dem Grundkörper über eine Rückstellfeder verbunden ist, die so ausgebildet ist, dass der Verschiebekörper ohne äußere Krafteinwirkung in eine Nullposition verschoben wird. Somit ist gewährleistet, dass die Gehhilfe nicht beschleunigen kann, wenn der Benutzer seine Hand nicht am Griffteil hat.
-
Einer bevorzugten Ausführungsform entsprechend weist der Verschiebekörper eine Form auf, die an einen Handbereich zwischen Daumen und Zeigefinger angepasst ist, insbesondere als Negativform eines solchen Handbereichs ausgebildet ist. Es versteht sich, dass eine solche Negativform vorzugsweise auch grob angenähert sein kann. Der Verschiebekörper ist mit anderen Worten vorzugsweise ergonomisch an eine Hand angepasst.
-
Es ist bevorzugt, dass an dem Grundkörper ein Bremshebel befestigt oder in diesen integriert ist. Dieser Bremshebel ist vorzugweise über einen Bowdenzug mit einer Radbremse und / oder einer Steuerelektronik verbunden.
-
Weiterhin ist bevorzugt, dass das Griffteil eine Schaltvorrichtung, insbesondere Knopf oder Schalter, aufweist, mit der der Sensor und / oder der elektrische Antrieb aktiviert und deaktiviert werden kann. Die Gehhilfe lässt sich somit auch ohne Hilfsantrieb wie eine herkömmliche Gehhilfe verwenden.
-
Vorzugsweise weist das Griffteil eine Anzeigevorrichtung, insbesondere ein Display, auf, das einen Ladezustand eines Energiespeichers und / oder eine Verfügbarkeit des elektrischen Antriebs anzeigt.
-
Einer bevorzugten Ausführungsform nach ist die mechanische Schnittstelle zur Befestigung an der Gehhilfe als Klemmverbindung ausgebildet. Beispielsweise kann die Schnittstelle eine hohlzylinderförmige, gegebenenfalls innen leicht konische Form, aufweisen, mit der sich das Griffteil durch eine Presspassung am Gegenstück der Gehhilfe befestigen lässt. Zusätzlich ist beispielsweise eine Sicherung durch eine mit Schrauben festziehbare Schelle denkbar.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein System zum Nachrüsten einer fahrbaren Gehhilfe ein Griffteil, wie beschrieben, als Benutzerschnittstelle zur Aufnahme menschlicher Steuereingaben, ein Radmodul mit einem als Radnabenmotor ausgebildeten elektrischen Motor, an dessen drehbar gelagertem Rotor ein Rad befestigt ist sowie eine Verbindungseinrichtung zum Übertragen der Steuereingaben an das Radmodul.
-
Bevorzugt umfasst das System zwei der Radmodule,
zwei der Griffteile sowie zwei Verbindungseinrichtungen zum Übertragen der Steuereingaben an das Radmodul.
-
Es ist bevorzugt, dass nur eines der beiden Griffteile mit der Anzeigevorrichtung und der Schaltvorrichtung ausgebildet ist. Dadurch wird die Bedienung der Gehhilfe übersichtlicher und es können Kosten gespart werden.
-
Das Radmodul umfasst vorzugsweise neben einem Rad, einen als Radnabenmotor ausgebildeten elektrischen Motor, an dessen drehbar gelagertem Rotor das Rad befestigt ist, eine elektrische Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Motors und eine Bewegungssteuereinheit zum Berechnen der Motorunterstützung des Radmoduls sowie einen oder mehrere Inertialsensoren zur Bewegungserfassung. Das System umfasst vorzugsweise außerdem eine Benutzerschnittstelle zur Aufnahme menschlicher Steuereingaben sowie eine Verbindungseinrichtung zum Übertragen der Steuereingaben an das Radmodul, wobei die Bewegungssteuereinheit dazu ausgebildet ist, abhängig von den über die Verbindungseinrichtung übertragenen Signalen und von Messdaten des zumindest einen Inertialsensors das Drehmoment und / oder die Drehzahl des Motors anzupassen. Die Motorunterstützung ist somit nicht nur von der Eingabe des Benutzers über die Benutzerschnittstelle abhängig, sondern auch von den Messdaten des Inertialsensors. Somit lassen sich auf einfache Weise verschiedene Anwendungsfälle so in das Bedienkonzept integrieren, dass die Benutzung der Gehhilfe stets komfortabel ist. Bezüglich dieses Konzepts werden nachfolgend weitere bevorzugte Ausführungsformen erläutert.
-
Es ist bevorzugt, dass die Bewegungssteuereinheit dazu ausgebildet ist, einen von dem zumindest einen Inertialsensor erfassten positiven oder negativen Neigungswinkel des Systems zu unterscheiden und das Drehmoment und / oder die Drehzahl des Motors und / oder deren Richtung abhängig davon anzupassen. Ein positiver Neigungswinkel bezieht sich vorzugsweise auf eine horizontale Ebene und beschreibt eine Aufwärtsneigung in Fahrtrichtung. Ein negativer Neigungswinkel beschreibt vorzugsweise entsprechend eine Abwärtsneigung. Durch die Unterscheidung zwischen bergauf- und bergabfahrt, kann das Drehmoment bzw. die Drehzahl dem Wunsch des Benutzers entsprechend reguliert werden.
-
Vorzugsweise ist die Bewegungssteuereinheit dazu ausgebildet, einen von dem zumindest einen Inertialsensor erfassten positiven oder negativen Neigungswinkel des Systems zu unterscheiden und das Drehmoment und / oder die Drehzahl des Motors mit einer davon abhängigen Änderungsrate anzupassen. Mit anderen Worten wird somit ein Beschleunigungs- bzw. Bremsgradient an die Fahrsituation angepasst.
-
Es ist bevorzugt, dass die Bewegungssteuereinheit so ausgebildet ist, dass im Fall eines positiven Neigungswinkels der Motor mit einem Drehmoment in einer beschleunigenden Drehrichtung angesteuert wird und im Fall eines negativen Neigungswinkels in einer bremsenden Drehrichtung, jeweils bezogen auf das gleiche über die Verbindungseinrichtung übertragene Signal. Mit anderen Worten verläuft der Anstieg des unterstützenden Drehmoments - aufgetragen über die Kraft der Benutzereingabe bzw. Verschiebung des Verschiebekörpers am Griffteil - steiler, wenn eine Bergauffahrt erkannt wird und weniger steil, wenn eine Bergabfahrt erkannt wird. Dass der Motor in einer bremsenden Drehrichtung angesteuert wird, ist bevorzugt so zu verstehen, dass der Motor in einen Generatorbetrieb versetzt wird. Dabei entsteht eine Bremswirkung und es wird Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, die vorzugsweise zum Laden des Energiespeichers verwendet wird.
-
Die Bewegungssteuereinheit ist vorzugsweise so ausgebildet ist, dass der Motor mit einem Drehmoment in einer bremsenden Drehrichtung angesteuert wird, wenn die Drehzahl einen festgelegten Maximalwert erreicht bzw. überschreitet. Für das Szenario des bergaufwärts Laufens kann bevorzugt eine andere, insbesondere höhere, maximale Geschwindigkeit definiert werden als für das bergab Laufen.
-
Vorzugsweise umfasst das System eine Bremse für das Rad, wobei die Bewegungssteuereinheit so ausgebildet ist, dass der Motor mit einem Drehmoment in einer bremsenden Drehrichtung angesteuert wird, wenn die Bremse betätigt wird. Der Motor wird bevorzugt im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb betrieben, kann also in beiden Richtungen sowohl beschleunigen als auch bremsen.
-
Es ist bevorzugt, dass die Bewegungssteuereinheit im Fall eines negativen Neigungswinkels den Motor in einer der Drehrichtungen, insbesondere einer rückwärtsgewandten Drehrichtung, blockiert. Somit kann ein ungewolltes Zurückrollen der Gehhilfe am Hang und somit gegebenenfalls ein Unfall verhindert werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Inertialsensor dazu ausgebildet, Beschleunigungen in allen drei Achsen des Raumes sowie Drehbeschleunigungen um jede dieser Achsen zu messen. Ein solcher Inertialsensor wird auch 6-Achsen-Sensor genannt. Er kann beispielsweise durch eine Anzahl verteilter Sensoren oder durch eine kompakte inertiale Messeinheit realisiert werden.
-
Eine Fahrbare Gehhilfe umfasst gemäß einem Aspekt eine auf Rädern getragene Stützstruktur zum Stützen eines Menschen sowie ein hier beschriebenes System.
-
Die Bewegungssteuereinheit führt vorzugsweise das Verfahren aus, wonach abhängig von den über die Verbindungseinrichtung übertragenen Signalen und von Messdaten des zumindest einen Inertialsensors das Drehmoment und / oder die Drehzahl des Motors angepasst wird. Es versteht sich, dass auch weitere Merkmale in Verfahrensschritte umformuliert und für ein solches Verfahren ebenfalls ein oder mehrere Schutzansprüche formuliert werden können.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
-
Figurenliste
-
- 1 eine erfindungsgemäße fahrbare Gehhilfe mit einem angedeuteten erfindungsgemäßen System nach einem Ausführungsbeispiel
- 2 eine elektrisch-elektronische Architektur nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
- 3 ein Griffteil als Schnittstelle zum Benutzer und ein Diagramm, das die Signalumsetzung der Eingabe wiedergibt,
- 4 eine Kennlinie zur Ermittlung der Motorunterstützung in Abhängigkeit von Gefälle oder Steigung,
- 5 eine Aufteilung der Steuereinrichtungen innerhalb der Radmodule,
- 6 bis 12 verschiedene beispielhafte Anwendungsfälle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Die in 1 gezeigte fahrbare Gehhilfe 1 entspricht einer herkömmlichen Gehhilfe, die durch ein erfindungsgemäßes System nachgerüstet wurde und dadurch einen elektrischen Antrieb aufweist, der einen Benutzer beim Gehen mit der Gehhilfe 1 unterstützt. Das System umfasst zu diesem Zweck jeweils für die linke und die rechte Seite der Gehhilfe 1 ein Radmodul 4, eine Benutzerschnittstelle 2 zur Aufnahme menschlicher Steuereingaben sowie eine Verbindungseinrichtung 3 zum Übertragen der Steuereingaben an das Radmodul 4.
-
Die Benutzerschnittstelle 2 wird durch einen rechten und linken Griff der Gehhilfe 1 gebildet, der jeweils einen Verschiebekörper 25 als verschiebbares Aufnahmeelement umfasst, das zur Aufnahme von Kräften in einer axialen Richtung ausgebildet ist. Bezeichnet man die Seite der Gehhilfe 1 mit den Griffen als Rückseite, so zeigt die gegenüberliegende Seite nach vorne und der Gehhilfe 1 kann entsprechend eine Vorwärtsrichtung zugeordnet werden. Unabhängig von den Griffen sollte es dem Fachmann auch bei anderen Gehhilfetypen möglich sein, eine Vorwärtsrichtung zuordnen zu können. Die Verschiebekörper 25 sind so ausgebildet, dass sie nur in der Vorwärtsrichtung eine Eingabe des Benutzers aufnehmen können, die sich auf eine gewünschte Antriebsunterstützung bezieht.
-
Die vom Verschiebekörper 25 aufgenommene axiale Kraft wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Über ein Kabel, das Teil der Verbindungseinrichtung 3 ist, wird das elektrische Signal zum jeweiligen Radmodul 4 geleitet. Dieses verfügt über eine elektrische Steuereinrichtung 50 zur Ansteuerung eines als BLDC ausgeführten elektrischen Motors 41. Der Motor 41 ist als Radnabenmotor in das Radmodul 4 integriert und weist einen Hallsensor zum Erfassen der Drehstellung des Rotors auf. Die elektrische Steuereinrichtung 50 umfasst als Untereinheit eine Motorsteuerung 51, die abhängig von Befehlen einer Bewegungssteuereinheit 52 mittels Pulsweitenmodulation die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Motors 41 regelt. Nur die Steuereinrichtung 50 eines der Radmodule 4 - die des Master-Radmoduls 4a - umfasst die Bewegungssteuereinheit 52, mit der die jeweilige Motorunterstützung des Master-Radmoduls 4a sowie des Slave-Radmoduls 4b berechnet wird.
-
Die Komponenten des Systems sind so ausgeführt, dass sie mit einfachen Mitteln, wie Klemmverbindern, an der Gehhilfe 1 befestigt werden können. Da das System nur mit Linien angedeutet ist, sind die Klemmverbinder in 1 nicht dargestellt. Auch die Radmodule 4 umfassen jeweils eine derartige Schnittstelle 43 zur Montage an der fahrbaren Gehhilfe 1.
-
Weiterhin umfasst jedes der Radmodule 4 einen Energiespeicher 42 in Form einer Batterie sowie ein induktives Ladesystem 44 und einen Inertialsensor 45 zum Erfassen der Lage der Gehhilfe 1.
-
Ein Ausführungsbeispiel für eine elektrisch-elektronische Architektur ist in 2 dargestellt. Dabei sind Energieverbindungen 8, also Versorgungen mit elektrischer Energie, und Signalverbindungen 9 jeweils durch dicke Pfeile dargestellt.
-
Über eine Ladestation ist es möglich, die Gehhilfe 1 induktiv zu laden. Dies ist gerade für ältere Nutzer sehr komfortabel und ermöglicht so eine bessere Bedienbarkeit des Gesamtsystems. Die Ladestation enthält einen AC/DC-Wandler und überträgt induktiv die benötigte Ladeenergie für die beiden Radmodule 4 bzw. Energiesspeicher.
-
Die Aufnahme menschlicher Steuereingaben erfolgt über die beiden als Griffteile ausgebildeten Benutzerschnittstellen 2 mit Hilfe eines Kraftsensors 21. Die mit dem Master-Radmodul 4a verbundene Benutzerschnittstelle 2 weist außerdem eine einzelne Schaltvorrichtung 22 als An- und Ausknopf sowie eine Anzeigevorrichtung 23 auf.
-
Die menschlichen Steuereingaben werden zusammen mit den Daten des Inertialsensors 45 sowie der Motorsteuerung 51 in der Bewegungssteuereinheit 52 verarbeitet, um die benötigte Motorunterstützung zu bestimmen und an die Motorsteuerung 51 weiterzugeben. Jedes der Radmodule 4 weist ein drahtloses Verbindungsmodul 46 auf. Vom Master-Radmodul 4a wird über dessen Verbindungsmodul 46 die vom Motor 41 des Slave-Radmoduls 4b benötigte Motorunterstützung übermittelt und vom Slave-Radmodul 4b über dessen Verbindungsmodul 46 die für die Bewegungssteuereinheit 52 relevanten Daten, wie die aktuelle Drehstellung des Rotors im Motor 41.
-
Der Energiespeicher 42 kann mittels des induktiven Ladesystems 44 aufgeladen werden. Zu dem Energiespeicher 42 gehören im Master-Radmodul 4a weiterhin eine Batteriesicherung 42a, eine Batterieüberwachungseinheit 42d, ein Master-Energiehauptschalter 42c und eine Statusleuchte 42b. Im Slave-Radmodul 4b handelt es sich entsprechend um einen Slave-Energiehauptschalter 42e.
-
Für das Aufladen über das induktive Ladesystem 44 wird eine externe Ladestation 70 verwendet, die zu diesem Zweck über eine Energieversorgung 71 und je Radmodul 4 eine Ladeeinheit 72 aufweist.
-
3 zeigt die Benutzerschnittstelle 2, die in erster Linie durch ein Griffteil für eine Hand des Benutzers gebildet wird. Das Griffteil umfasst einen auf einem Grundkörper 24 axial verschiebbaren Verschiebekörper 25, der zur Aufnahme von Kräften in Richtung der Verschiebeachse ausgebildet und ergonomisch an eine Hand angepasst ist. Damit der Verschiebekörper 25 ohne äußere Krafteinwirkung stets in seine Nullposition zurückkehrt, ist er mit einem geeigneten Rückstellmechanismus, wie beispielsweise einer Rückstellfeder ausgestattet.
-
Die Verschiebekraft wird mittels des Kraftsensors 21 gemessen - der Kraftsensor 21 kann dazu beispielsweise als Federkörper-Kraftaufnehmer mit Dehnmessstreifen ausgebildet sein oder als Hallsensor - und die Kraft in ein Signal umgewandelt, das über die Verbindungseinrichtung 3 die Steuereinrichtungen 50 der Radmodule 4 erreicht. Mit dem Signal auf der Ordinate und der vom Benutzer ausgeübten Kraft auf der Abszisse ist auf der rechten Seite von 3 der Zusammenhang von Signal und Kraft in einem Diagramm aufgetragen.
-
Die Motorunterstützung kann mittels der an den Kraftsensoren 21 gemessenen Schubkraft sowie unter Berücksichtigung des in sechs Achsen messenden Inertialsensors 45 berechnet werden. Das unterstützende Motormoment ergibt sich demnach aus der Schubkraft am Griff, dem Steigungswinkel der Gehhilfe 1 sowie der definierten Höchstgeschwindigkeit. In 4 ist dies als Diagramm dargestellt.
-
Dabei ist das unterstützende Drehmoment auf der Ordinate und die am Griffteil aufgenommene Kraft auf der Abszisse für den Fall einer sich in Vorwärtsrichtung bewegenden Gehhilfe 1 aufgetragen. Der steilere Anstieg des Drehmoments über die Kraft entspricht der Situation, dass die Gehhilfe 1 bergaufwärts geneigt ist, während der flachere Anstieg einer Situation entspricht, in der die Gehhilfe 1 bergab geneigt ist. Die Neigung der Gehhilfe 1 wird mit Hilfe des Inertialsensors 45 erfasst.
-
Die Motorunterstützung wird immer dann null oder negativ, wenn die der Benutzereingabe entsprechend angeforderte Geschwindigkeit kleiner als die aktuelle Geschwindigkeit ist oder wenn die aktuelle Geschwindigkeit die definierte Höchstgeschwindigkeit erreicht oder wenn der Benutzer die Betriebsbremse aktiviert hat.
-
Eine mögliche Partitionierung des in 2 dargestellten Systems in Softwaremodule zeigt 5. In geeigneter Weise überträgt das Slave-Radmodul 4b mittels Funkverbindung über das Verbindungsmodul 46 Daten an das Master-Radmodul 4a bzw. dessen Verbindungsmodul 46. Relevante Daten sind hier insbesondere die aufgenommene Kraft an der mit dem Slave-Radmodul 4b über die Verbindungseinrichtung 3 verbundenen Benutzerschnittstelle 2 sowie der Status der Energiequelle 42, der Istwert der Motordrehzahl und der aktuelle Status von Inertialsensor 45, Motor 41 und Energiequelle 42.
-
In 6 ist ein Anwendungsfall gezeigt, bei dem die Gehhilfe 1 auf einer horizontalen Ebene vom Benutzer bewegt wird. Beide Bewegungsrichtungen, sowohl Schieben als auch Ziehen, sind möglich, jedoch erfolgt nur in Vorwärtsrichtung eine Unterstützung durch die elektrischen Motoren 41. In 6 sowie in den 7 bis 12 ist jeweils sowohl eine Eingabe des Benutzers als auch eine Gewichtskraft, dargestellt als Pfeile, eingezeichnet. Im Anwendungsfall der 6 erhalten die Steuereinrichtungen 50 der Radmodule 4 in Folge der Eingabe des Benutzers den Befehl, eine Beschleunigung der Gehhilfe 1 zu bewirken, bis die Eingabe des Benutzers endet oder die Maximalgeschwindigkeit erreicht ist.
-
Bei dem Anwendungsfall der 7 wird zusätzlich durch den Inertialsensor 45 eine Bergauf-Neigung und bei 8 eine Bergab-Neigung der Gehhilfe 1 erkannt und das Drehmoment entsprechend angepasst.
-
Im Anwendungsfall der 9 wird durch beide Kraftsensoren 21 eine starke Krafteinwirkung des Benutzers auf die Griffteile und somit ein drohender Sturz erkannt. Die Steuereinrichtungen 50 der Radmodule 4 erhalten darauf hin den Befehl zum Blockieren der Motoren 41, so dass ein Sturz durch ein Wegrollen der Gehhilfe 1 verhindert wird. Die Sturzgefahr wird außerdem dadurch weiter gesenkt, dass eine korrekte Bedienung der Griffteile eine aufrechte Körperhaltung des Benutzers erfordert.
-
Wird durch den Inertialsensor 45 ein Kippen der Gehhilfe 1 an einem Bordstein erkannt, so beschleunigt der Motor 41 nur bis auf eine für diesen Anwendungsfall vordefinierte Geschwindigkeit. Dieser Anwendungsfall ist in 10 dargestellt.
-
Um Lenkbewegungen zu ermöglichen, wird bei einer asymmetrischen Eingabe des Benutzers das Rad des kurvenäußeren Radmoduls 4 gegenüber dem Rad des inneren Radmoduls 4 beschleunigt, um die Kurvenfahrt zu erleichtern.
-
In dem in 12 gezeigten Anwendungsfall aktiviert der Benutzer die Bremse und setzt sich auf eine Sitzvorrichtung der Gehhilfe 1. Die über den Bowdenzug aktivierte Bremse hat Vorrang gegenüber einer eventuellen Eingabe über die Griffteile und die Motoren 41 bleiben deaktiviert.
-
In den dargestellten und in weiteren Anwendungsfällen wird somit die Geschwindigkeit der Gehhilfe 1 an den Benutzer sowie an die Situation bzw. Neigung der Gehhilfe 1 angepasst.
