DE102020001401B4

DE102020001401B4 - Beförderungsmittel für die Fortbewegung oder den Transport von Personen oder Waren, insbesondere als Rollstuhl

Info

Publication number: DE102020001401B4
Application number: DE102020001401.1A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Gerster; Felix Biemüller; Johannes Geisler
Original assignee: Freemotion Systems GmbH
Current assignee: FREEMOTION SYSTEMS GMBH, DE
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2040-03-04
Also published as: DE102020001401A1; WO2021175355A1

Abstract

Beförderungsmittel und Verfahren, insbesondere für die Fortbewegung oder den Transport von Personen oder Waren, auch als Vorrichtung zur Personenbeförderung in der Art eines mit Sitzfläche, Rückenlehne, Fußstütze und Eingabemodul versehenen Rollstuhls, mit einem Basisrahmen (1), an welchem wenigstens vier, bevorzugt acht, für ein lineares Voranschreiten eingerichtete Beine (2) angeschlossen sind, die mittels eines Gelenks (3) schwenkbar und/oder mittels eines Linearlagers (4) in Bewegungsrichtung linear verfahrbar am Basisrahmen (1) angeschlossen und durch Antriebselemente (5) bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Bewegungsparametern und ggf. weiteren Steuergrößen Sensoren vorgesehen sind und die auf die Beine (2) einwirkenden Kräfte durch einen oder mehrere Kraftsensor(en), insbesondere durch eine Kombination aus Hallsensor(en) und Magnet(en) unter Berücksichtigung der Kennlinie des oder der federnden Elemente (6) in einem seriell elastischen Aktor (SEA) in der Hubachse oder vorzugsweise durch einen oder mehrere piezoresistive(n) Kraftsensoren) wie z.B. Dehnungsmessstreifen gemessen werden und mittels einer oder mehrerer Steuereinheit(en) eine darauf basierende Verstellung der Sitz- bzw. Transportfläche (11) und ggf. der Fußstütze(n) (13) und ggf. der Rückenlehne (12) sowie die Ansteuerung der Antriebselemente (5) der Beine (2) autonom bzw. teilautonom erfolgt. Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht im Wesentlichen darin, dass bei einem vergleichsweise geringen technischen Aufwand ein Beförderungsmittel geschaffen wird, das eine weitgehend uneingeschränkte Bewegungsmöglichkeit bietet, die nicht nur eine freie Beweglichkeit in der Ebene, sondern auch die sichere Überwindung von Unebenheiten, Treppen und dergleichen ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beförderungsmittel, insbesondere für die Fortbewegung oder den Transport von Personen oder Waren, auch als Vorrichtung zur Personenbeförderung in der Art eines mit Sitzfläche, Rückenlehne, Fußstütze und Eingabemodul versehenen Rollstuhls, mit einem Basisrahmen, an welchem wenigstens vier, bevorzugt acht, für ein lineares Voranschreiten eingerichtete Beine angeschlossen sind, die mittels eines Gelenks schwenkbar und/oder mittels eines Linearlagers in Bewegungsrichtung linear verfahrbar am Basisrahmen angeschlossen und durch Antriebselemente bewegbar sind.
Derartige Beförderungsmittel sind in der Literatur vorbeschrieben. So ist aus der WO 2018/ 010 551 A1 ein Rollstuhl bekannt, der mit mehreren längs verstellbaren Beinen versehen ist, an welchen unten kettenartig ausgebildete Antriebsfüße vorgesehen sind. Der Vortrieb erfolgt hier nicht durch Schreiten, wie bei der vorliegenden Erfindung, sondern durch die motorisierten Raupen an den Beinenden. Die Fußstützen sind nicht autonom in die Bewegung eingebunden und zur Vermeidung des Neigens von Sitz und Rückenlehne beim Treppensteigen ist der hintere Teil mitsamt den vier hinteren Beinen über eine senkrechte Lineareinheit in der Höhe relativ zum vorderen Teil verstellbar.
Ein weiterer rollstuhlartiger Roboter ist aus der CN 105 711 677 Abekannt geworden, der zur Lenkung über seitlich ausschwenkbare Beine verfügt. Hierfür sind jedoch, im Gegensatz zur hier vorliegenden Erfindung, zusätzliche Motoren erforderlich, wodurch die Gesamtanordnung technisch aufwendig und teuer wird. Auf die Herausforderungen des Personentransports wird nicht weiter eingegangen.
Eine weitere derartige Anordnung ist aus der US 2018 / 0 104 982 A1 bekannt. Diese benennt im Text zwar die Möglichkeit elastischer Elemente am Fußende, zeigt jedoch nicht auf, wie unerwünschte Bewegungen dieser elastischen Elemente in den Bewegungsabläufen verhindert werden können. Ein einfaches elastisches Element wird sich jedoch nicht nur beim Richtungswechsel biegen, sondern auch bei der linearen Geradeausbewegung. Durch diese Elastizitäten kommt es in der Folge zu unerwünschten Bewegungen, so dass die Komplexität der Regelung zunimmt, um die Kontrollierbarkeit und Sicherheit der Vorrichtung sicherzustellen. Auf die Herausforderungen des Personentransports wird nicht weiter eingegangen.
Aus US 2015 / 0 196 439 A1 ist ein Beförderungsmittel für die Fortbewegung von Waren oder Personen bekannt welches durch sich drehende Radsterne Treppen überwinden kann. Es werden Fühler zum Detektieren von Stufen eingesetzt, die bei Kollision mit einer Stufe ein elektrisches Signal geben, eine Kraftsensorik zur Messung der auf die Beine einwirkenden Kräfte ist jedoch nicht vorgesehen.
Aus dem Projekt „Walking Chair“ (URL https://phys.org/pdf226574937.pdf [abgerufen am 06.02.2021]) ist ein Beförderungsmittel für die Fortbewegung von Personen bekannt, welches sich auf zwölf Beinen in der flachen Ebene bewegen kann. Der Sitz ist nicht neigbar und es ist keine Kraftsensorik in den Fußstücken vorgesehen.
Die Schrift CN 103 434 581 A beschreibt ein Fußelement für einen Roboter mit federgelagertem, horizontal arbeitendem Ausgleichselement. Allerdings ist dieses in alle Richtungen beweglich und nicht primär orthogonal oder schräg zur Bewegungsrichtung.
Die Schrift US 2019 / 0 298 594 A1 benennt ein Beförderungsmittel für die Fortbewegung von Personen das Umfeldsensoren zur Erfassung der Umgebung verwendet, den Sitz abkoppeln und danach autonom z.B. über eine Rampe in den Kofferraum eines Kraftfahrzeugs rollen kann. Beine und Kraftsensoren in diesen sowie das Neigen des Sitzes sind nicht vorgesehen. Die Überwindung von Treppen ist damit nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Beförderungsmittel der eingangs genannten Art so auszubilden, dass bei konstruktiv vergleichsweise einfachem Aufbau eine Vorrichtung geschaffen wird, die auch bei unterschiedlichsten und schwierigen Bedingungen des zu begehenden Untergrundes eine zuverlässige und sichere Betriebsweise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass zur Erfassung von Bewegungsparametern und ggf. weiteren Steuergrößen Sensoren vorgesehen sind und die auf die Beine (2) einwirkenden Kräfte durch einen oder mehrere Kraftsensor(en), insbesondere durch eine Kombination aus Hallsensor(en) und Magnet(en) unter Berücksichtigung der Kennlinie des oder der federnden Elemente (6) in einem seriell elastischen Aktor (SEA) in der Hubachse oder vorzugsweise durch einen oder mehrere piezoresistive(n) Kraftsensoren) wie z.B. Dehnungsmessstreifen gemessen werden und mittels einer oder mehrerer Steuereinheit(en) eine darauf basierende Verstellung der Sitz- bzw. Transportfläche (11) und ggf. Fußstütze(n) und ggf. der Rückenlehne sowie die Ansteuerung der Antriebselemente der Beine autonom bzw. teilautonom erfolgt.
Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht im Wesentlichen darin, dass bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand ein Beförderungsmittel geschaffen wird, das eine weitgehend uneingeschränkte Bewegungsmöglichkeit bietet, die nicht nur eine freie Beweglichkeit in der Ebene, sondern auch die Überwindung von Unebenheiten, Treppen und dergleichen ermöglicht.
Die Eingabeeinheit ermöglicht es, die vielfältigen Bewegungsmöglichkeiten des Beförderungsmittels gezielt beeinflussen zu können. Die Nutzereingaben beschränken sich vornehmlich auf die Wahl der Fahrtrichtung und der Geschwindigkeit. Bevorzugte Mensch-/Technik-Schnittstelle hierfür ist ein Joystick oder ein vergleichbares Eingabegerät.
Die richtige Schrittfolge legt die Steuereinheit fest. Basis dafür sind die Nutzer- bzw. Missionseingaben, die erfassten Bewegungs- und Umgebungsparameter sowie ggf. weitere Steuergrößen, so dass die Ansteuerung der Antriebselemente der Beine, der Sitz- bzw. Transportfläche, ggf. der Fußstütze und ggf. der Rückenlehne autonom bzw. teilautonom erfolgen kann.
Bei der Beförderung von Personen oder Waren ist es nämlich notwendig, dass die am Basisrahmen angeordnete Sitz- oder Transportfläche und ggf. die Rückenlehne in ihrer Lage und Neigung unter Berücksichtigung der Lauf- bzw. Steigbewegungen, mittels eines oder mehrerer von der Steuereinheit gesteuerten Antriebs/en, autonom in ihrer Position relativ zum Grundkörper verstellbar ist/sind. Dadurch wird das Herunterrutschen des Tranportguts, bzw. der beförderten Person vermieden.
Bei der Benutzung des Beförderungsmittels für den Transport von Personen ist es weiterhin zweckmäßig, dass die zur Abstützung der Beine einer Person vorgesehene(n) Fußstütze(n) beweglich angebracht und zur Anpassung an Lauf- bzw. Steigbewegungen bzw. zur Überwindung von Kollisionsvermeidung mit Hindernissen wie Treppenstufen, durch einen von der Steuereinheit gesteuerten Antrieb, autonom in ihrer Position relativ zum Grundkörper verstellbar ist/sind.
In vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung weisen einzelne oder sämtliche der Beine ein zusätzliches, mindestens einen weiteren Freiheitsgrad ermöglichendes mechanisches Element auf, welches durch konstruktive Einschränkungen primär eine Auslenkung orthogonal oder schräg zur Bewegungsrichtung ermöglicht und bevorzugt entweder im Fußbereich oder aber im Gelenk oder Linearlager des Beins angeordnet ist, gegebenenfalls aber auch beliebig im Längsbereich des Beins vorgesehen sein kann und vorzugsweise ohne aktive Antriebsmittel ausgebildet ist.
Dadurch wird unter anderem erreicht, dass die auf eine lineare Fortbewegung eingerichteten Antriebselemente durch geeignete Steuerung der Beine über die mechanischen Elemente eine zur Linearbewegung schräge Bewegungskomponente hervorrufen, wodurch eine Drehbewegung eingeleitet wird. Beim Geradeauslaufen, was durch gleichgerichtete und gleichförmige Bewegungen der Beine erzielt wird, werden dagegen keine zusätzlichen Bewegungen bewirkt. Diese kommen durch die konstruktiven Einschränkungen der Bewegungsrichtungen nur bei ungleichförmigen oder gegenläufigen Bewegungen der Beine zum Tragen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mechanische Element von einem oder mehreren elastischen Verformungselementen und/oder Scharnieren gebildet ist, die zumindest in horizontaler Ebene gegenüber dem Bein beweglich bzw. verformbar sind und/oder das Schrägstellen des Beins oder Teilen davon ermöglichen.
Stattdessen kann jedoch in einer bevorzugten Ausgestaltung das mechanische Element durch jeweils ein Fußmodul gebildet sein, das am dem Basisrahmen abgewandten Ende eines oder mehrerer Beine angeordnet ist.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft und daher im Rahmen der Erfindung als bevorzugt erwiesen, wenn die Fußmodule jeweils aus einem am Bein fest angeschlossenen oberen Fußelement und einem zur Auflage auf dem Untergrund eingerichteten unteren Fußelement bestehen und das untere Fußelement mit dem oberen Fußelement über Führungsmittel insbesondere in Form von Gleitführungen und/oder über elastische Verformungselemente verbunden ist und in vorwiegend horizontaler Ebene diesem gegenüber beweglich sowie ggf. feststellbar angeordnet ist. Hierbei kann es weiter vorteilhaft sein, wenn das untere Fußelement zu Wartungszwecken und dergl. austauschbar ist. Ferner kann es günstig sein, wenn die Beine bezüglich der Bewegungsrichtung vorzugsweise paarweise gegenüber angeordnet sind.
Um eine möglichst flexible Umsetzung der seitlichen Bewegungskomponenten zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das mechanische Element durch entgegengesetzte bzw. ungleichmäßige Bewegungen von einem, mehreren oder allen Beinen der linken und/oder der rechten Seite in einer oder mehreren, wähl- und feststellbaren Vorzugsrichtungen linear verschieb- bzw. biegbar ist, bzw. sich die Beine entsprechend aus der Vertikalen neigen.
Eine für den vorgesehenen Anwendungsbereich bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass die Beine als Teleskopbeine, vorzugsweise bestehend aus drei Teleskopelementen, ausgebildet sind, die einen Hubantrieb aufweisen, der bauartbedingt entweder ein sequentielles oder synchrones Verstellen, also gleichzeitiges Ein- bzw. Ausfahren der einzelnen Teleskopelemente ermöglicht. Hierdurch lassen sich unter anderem sehr einfach Bodenunebenheiten ausgleichen.
Es besteht jedoch ebenso die Möglichkeit, dass die Beine von einzelnen, primär durch Gelenke verschwenkbar miteinander verbundenen Elementen gebildet sind.
Um eine optimale Ansteuerung der Beine zu erreichen, ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass die auf die Beine einwirkenden Kräfte durch einen Kraftsensor, insbesondere durch eine Kombination aus Hallsensor und Magnet unter Berücksichtigung der Kennlinie der federnden Elemente in einem seriell elastischen Aktor (SEA) in der Hubachse oder vorzugsweise durch Dehnungsmessstreifen gemessen werden.
Um darüber hinaus die Position bzw. Ausrichtung der Beine überwachen zu können, sieht die Erfindung weiter vor, dass zur Erfassung der Schwenklage und/oder des linearen Bewegungshubs der Beine Absolutencoder sowie zur Erfassung der allgemeinen räumlichen Ausrichtung des Basisrahmens und/oder der Beschleunigung Sensoren, vorzugsweise eine oder mehrere inertiale Messeinheit (IMU) verwendet werden.
Um eine bedarfsweise autonome Bewegung des Beförderungsmittels zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass zur Steuerung und/oder Überwachung des Bewegungsablaufs Umfeldsensoren, vorzugsweise in Form von 3D-Kameras oder LIDAR zur räumlichen Erfassung und Bewertung der Umgebungsparameter vorgesehen sind und dass das auf Basis dieser Daten erstellte virtuelle Modell der Umgebung durch Abgleich mit den Daten der weiteren Sensoren wie z.B. den Absolutencodern und Kraftsensoren der Beine zusammengeführt und/oder korrigiert wird.
Eine weitere Möglichkeit, die Fortbewegung mittels der Beine zu bewerkstelligen, besteht darin, dass die Beine über Lineareinheiten mit Kurbeltrieben verschwenkbar sind.
Um auch einen konventionellen Betrieb des Beförderungsmittels, wie er mit Rädern gegeben ist, zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass zusätzlich zu den Beinen ein oder mehrere Rollantrieb(e) vorgesehen ist/sind. Der Rollantrieb kann dabei sowohl ohne als auch mit zusätzlicher Unterstützung der Beine Anwendung finden.
Aus konstruktiven Gesichtspunkten hat es sich als eine vorteilhafte Ausgestaltung erwiesen, wenn jeweils alle der im vorderen bzw. hinteren Bereich des Basisrahmens angeordneten Beine vorwiegend auf jeweils einer gemeinsamen, zumindest gedachten, Achse nebeneinander angeordnet sind.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Auslegung der Steuereinheit ist dabei, dass die Ansteuerung der Beine derart erfolgt, dass bei mehr als vier Beinen immer mindestens vier der Beine Bodenkontakt haben, so dass zu jeder Zeit selbst dann ein sicherer Stand gewährleistet ist, wenn alle Motoren abgeschaltet bzw. stromlos geschaltet werden.
Unaktuierte Freiheitsgrade in Bewegungsvorrichtungen bzw. Teilen davon sind in der Regelung robotischer Systeme eine Herausforderung. Deshalb kann das den Freiheitsgrad ermöglichende mechanische Element einen aktuierten Sperrmechanismus für den zusätzlichen Freiheitsgrad des Beins aufweisen, beispielsweise in der Ausgestaltung mit einem per Elektromagnet betätigten bzw. freigegebenen Sperrmechanismus. Dazu kann ein Hubmagnet im Fußmodul verbaut werden, dessen Federelement im stromlosen Zustand einen Verriegelungsbolzen in das untere Fußelement drückt. Dadurch wird der Freiheitsgrad im stromlosen Zustand gesperrt, so dass keine ungewollten Drehbewegungen möglich sind. Wird der Elektromagnet bestromt, dann wird der magnetische Verriegelungsbolzen aus dem unteren Fußelement in den Hubmagnet eingezogen, so dass der Freiheitsgrad wieder freigegeben wird. Vorteilhaft ist es die Bestromung und damit die Freigabe des Freiheitsgrads nur dann vorzunehmen, wenn tatsächlich Drehbewegungen durch nicht gleichförmige oder gegenläufige Bewegungen der Beine erzeugt werden sollen.
Im Folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:

1 den Gegenstand nach der Erfindung in perspektivischer Darstellung, bei der Überwindung von Treppen, von vorne,
2 den Gegenstand der Erfindung nach 1 von hinten,
3 in den Teilfiguren a bis c eine Detaildarstellung eines der Beine mit seriell elastischem Aktor (SEA) und einem mechanischen Element im Fußbereich zur Ermöglichung mindestens eines weiteren Freiheitsgrads,
4 a + b eine Schnittdarstellung einer möglichen Ausführungsform des mechanischen Elements vor (Teilfigur a.) und nach Durchführung (Teilfigur b.) einer ungleichförmigen bzw. gegengerichteten Bewegung der Beine rechter und linker Seite der Vorrichtung,
5a + b + c + d eine Darstellung des Beförderungsmittels, bzw. des mechanischen Elements vor, bzw. nach ungleichförmiger Bewegung von rechten und/oder linken Beinen mit Blickrichtung von der linken Seite (a + b) bzw. von unten (c + d) mit Details,
6 ein Schnitt durch eine alternative Ausführungsform, bei der der Basisrahmen der Steigung der Treppe primär folgt und der Sitz und ggf. auch die Fußstütze des Insassen automatisch als Teil des Bewegungsablaufs angepasst werden,
7 eine alternative Ausführungsform, bei der die Beine nicht über eine Achse verschwenkt, sondern linear in horizontaler Richtung verschoben werden.
8 a + b eine Schnittdarstellung einer möglichen Ausführungsform des mechanischen Elements mit Sperrmechanismus vor (Teilfigur a.) und nach Durchführung (Teilfigur b.) einer ungleichförmigen bzw. gegengerichteten Bewegung der Beine rechter und linker Seite der Vorrichtung.

Das in den Zeichnungen dargestellte Beförderungsmittel dient der Fortbewegung oder dem Transport von Personen oder Waren, insbesondere über Treppen. Bevorzugt kann es eingesetzt werden als Vorrichtung zur Personenbeförderung in der Art eines Rollstuhls. Dazu weist es zunächst gemäß 1 und 2 einen Basisrahmen 1 auf, an welchem wenigstens vier, bevorzugt aber acht Beine 2 angeschlossen sind, die für ein lineares Voranschreiten eingerichtet sind.
In einer bevorzugten Ausführung sind diese Beine 2 vorne und hinten jeweils primär auf einer, zumindest gedachten, Achse 16 angeordnet und entweder mittels eines Gelenks 3 schwenkbar (z.B. 1) und/oder aber mittels eines Linearlagers 4 in Bewegungsrichtung linear verfahrbar am Basisrahmen 1 angeschlossen (7). Weiter sind Antriebselemente 5 vorgesehen, mittels derer die Beine 2 bewegbar sind.
Um das Lenken zu den Seiten zu ermöglichen, weisen einzelne oder sämtliche der Beine 2 gemäß 3 ein zusätzliches mechanisches Element 6 auf, welches mindestens einen weiteren Freiheitsgrad ermöglicht. Dieses mechanische Element 6 begrenzt die Bewegungsrichtung(en) des Freiheitsgrads durch konstruktive Einschränkungen primär für eine Auslenkung orthogonal oder schräg zur Bewegungsrichtung. Dieses in den 4a, 4b näher dargestellte mechanische Element 6 ist dazu bevorzugt entweder im Fußbereich oder aber im Gelenk 3 oder Linearlager 4 des Beins 2 angeordnet. Gegebenenfalls kann es aber auch beliebig im Längsbereich des Beins 2 vorgesehen sein. Entscheidend ist hierbei, dass das mechanische Element 6 ohne aktive Antriebsmittel ausgebildet ist, also ausschließlich mittelbar über die Antriebselemente 5 der Beine 2 bewegt wird.
Dabei kann das mechanische Element 6 durch jeweils ein Fußmodul 7 gebildet sein, das am dem Basisrahmen 1 abgewandten Ende eines oder mehrerer Beine 2 angeordnet ist. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass die Fußmodule 7 jeweils aus einem am Bein 2 fest angeschlossenen oberen Fußelement 7.1 und einem zur Auflage auf dem Untergrund eingerichteten unteren Fußelement 7.2 bestehen. Das untere Fußelement 7.2 ist dabei mit dem oberen Fußelement 7.1 über Führungsmittel insbesondere in Form von Gleitführungen oder über elastische Verformungselemente 8 verbunden. Diese sind so ausgeführt bzw. angeordnet, dass sie in vorwiegend horizontaler Ebene beweglich sowie ggf. feststellbar sind.
Dazu ist in den 5a + b + c + d dargestellt, wie der Bewegungsablauf bei Abweichung von linearer Fortbewegung erfolgt. Es resultiert daraus eine geringfügige Drehbewegung um die vertikale Achse im Zentrum des Beförderungsmittels, genauso wie dies gegenläufige Bewegungen der linken und rechten Raupen eines Raupenfahrzeugs bewirken.
Das mechanische Element 6 kann dabei auch von einem oder mehreren elastischen Verformungselementen 8 gebildet sein; zusätzlich oder alternativ kann es jedoch auch Achsen oder Scharniere aufweisen. Wichtig ist hierbei eine Ausbildung derart, dass sie zumindest in horizontaler Ebene gegenüber dem Bein 2 beweglich bzw. verformbar sind. Das mechanische Element 6 und/oder das elastische Verformungselement 8 als solches kann auch durch entgegengesetzte bzw. ungleichmäßige Bewegungen von einem, mehreren oder allen Beinen 2 der linken und/oder der rechten Seite in einer oder mehreren Vorzugsrichtungen linear verschieb- bzw. biegbar sein, wobei diese Richtungen wähl- und feststellbar sein können. Gleiches lässt sich jedoch auch dadurch erreichen, dass sich die Beine 2 entsprechend aus der Vertikalen neigen lassen.
Auf diese Art und Weise ist nur eine kleine Drehung bewirkbar, wie 5d zeigt. Bei dieser Bauart, wie auch bei den anderen Bauarten mit Fußmodul 7 am unteren Beinende, wird deshalb folgendes Vorgehen bzw. Verfahren aufgezeigt, um größere Drehbewegungen zu bewirken. Wenn nach der ersten gegenläufigen Bewegung die nicht auf dem Boden aufgestellten Beine 2 aufsetzen (siehe 5a + 5b) und die Beine 2 mit den gerade ausgelenkten Freiheitsgraden angehoben werden, dann führen die elastischen Elemente 8 in der Vorrichtung für den zusätzlichen Freiheitsgrad dieser Beine 2 das untere Fußelement 7.2 wieder in die mittige Ausgangslage zurück, bzw. entspannt sich das verformte elastische Element 8, das beispielsweise aus Gummi oder einer einzelnen geführten Feder bestehen kann und geht in die Ausgangslage zurück. Die Drehbewegung kann jetzt auf gleiche Art und Weise mit den nun den Boden berührenden Beinen 2 über das Drehzentrum Z erfolgen. Werden nun noch die jeweils gerade angehobenen Beine 2 motorisiert über die Schwenkachse wieder komplett in die Vertikale zurückgeführt, ist es dem Beförderungsmittel durch stetigen Wechsel der Abläufe durch dieses mechanische Element 6 und diese Vorgehensweise nun möglich, um die eigene Achse zu kreisen. Das kann in beengten Umgebungen hilfreich sein, die standardmäßige Anwendung ist jedoch, durch wenige ungleichförmige Bewegungen der Beinseiten in einem Bewegungsablauf z.B. einer nicht gerade verlaufenden Treppe folgen zu können oder Kurskorrekturen durchzuführen.
Ein herausragendes Merkmal der hier vorgestellten Erfindung liegt also darin, auch gewendelte Treppen überschreiten zu können, so wie dies beim Stand der Technik zumeist nicht oder nur mit erheblich höherem Aufwand möglich ist.
Wie sich aus der Zeichnung ersehen lässt, sind die Beine 2 in vorteilhafter Gestaltung als Teleskopbeine ausgebildet und bestehen bevorzugt aus drei Teleskopelementen. Die Teleskopbeine weisen einen nicht näher dargestellten Hubantrieb auf, der bauartbedingt entweder ein sequentielles oder synchrones Verstellen, also gleichzeitiges Ein- bzw. Ausfahren der einzelnen Teleskopelemente ermöglicht.
Grundsätzlich können dabei die Beine 2 auch von einzelnen primär durch Gelenke 3 verschwenkbar miteinander verbundenen Elementen gebildet sein.
Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Beförderungsmittels ist es notwendig, die auf die Beine 2 einwirkenden Kräfte durch einen Kraftsensor zu ermitteln. Dies kann insbesondere durch eine Kombination aus Hallsensor und Magnet unter Berücksichtigung der Kennlinie der federnden Elemente 15 in einem seriell elastischen Aktor 14 (SEA) erfolgen (3) und in der Hubachse oder vorzugsweise durch Dehnungsmessstreifen gemessen werden.
Zusätzlich zu diesen Kraftmessungen ist es erforderlich, die aktuelle geometrische Ausrichtung des Beförderungsmittels selbst als auch des umgebenden Raums zu bestimmen. Dazu dient zur Erfassung der Schwenklage und/oder des linearen Bewegungshubs der Beine 2 ein Absolutencoder, während zur Erfassung der allgemeinen räumlichen Ausrichtung des Basisrahmens 1 und/oder der Beschleunigung Sensoren, vorzugsweise eine oder mehrere inertiale Messeinheit(en) (IMU) vorgesehen sind.
Des Weiteren kommen zur Steuerung und/oder Überwachung des Bewegungsablaufs Umfeldsensoren zum Einsatz, die vorzugsweise in Form von 3D-Kameras oder LIDAR zur räumlichen Erfassung und Bewertung der Umgebungsparameter vorgesehen sind. Das so auf Basis dieser Daten erstellte virtuelle Modell der Umgebung wird dann durch Abgleich mit den Daten der weiteren Sensoren wie z.B. den Absolutencodern und Kraftsensoren der Beine 2 zusammengeführt und/oder korrigiert.
Wie sich weiter aus der Zeichnung in 6 ergibt, können bei dem Beförderungsmittel die Beine 2 über Lineareinheiten 9 mit Kurbeltrieben 16 verschwenkbar sein.
Weiter ist aus den 1 und 2 ersichtlich, dass zusätzlich zu den Beinen 2 zwei oder mehr Rollantriebe 10, ggf. motorisierte Räder vorgesehen sind. Damit ist bedarfsweise auch ein rollender Vortrieb möglich. In einer favorisierten Ausführung sind zwei motorisierte Räder vorgesehen, deren Regelung eine gewünschte Sollposition und - orientierung sicherstellt. Ggf. können zusätzlich Stützräder eingesetzt werden.
Bei dem in der 6 dargestellten Beförderungsmittel sind am Basisrahmen 1 eine Sitzfläche 11, eine Rückenlehne 12 und eine oder zwei Fußstütze(n) 13 angebracht, die in ihrer Lage und Neigung unter Berücksichtigung der Lauf- bzw. Steigbewegungen, mittels eines von der Steuereinheit gesteuerten Antriebs, autonom in ihrer Position relativ zum Grundkörper verstellbar ist. So lässt sich sicherstellen, dass die beförderte Person sich stets in geeigneter Körperhaltung und bezüglich des Beförderungsmittels in geeigneter Schwerpunktslage befindet, auch wenn der Basisrahmen 1 nicht in horizontaler Lage gehalten wird, sondern z.B. der Steigung der Treppe folgt. Dieses erfindungsgemäße Vorgehen ist vorteilhaft, da der maximal notwendige Hub der Beine 2 dadurch reduziert und der Schwerpunkt gesenkt wird. Die Fußstütze(n) 13 können ebenfalls autonom den Bedürfnissen angepasst werden, z.B. in ihrer Position zum Grundkörper verstellt werden, um Treppenkanten oder anderen Hindernissen auszuweichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind jeweils alle der im vorderen bzw. hinteren Bereich des Basisrahmens 1 angeordneten Beine 2 vorwiegend auf jeweils einer gemeinsamen, zumindest gedachten, Achse 16 nebeneinander angeordnet. Dies ermöglicht eine vorteilhafte, konstruktive Vereinfachung und erhöhte Stabilität in der Fortbewegung über Hindernisse. Es ist jedoch auch möglich, wie 5 zeigt, die Beine 2 einer Seite in einer Linie parallel zur Fortbewegungsachse zu positionieren.
8 a + b zeigen eine Schnittdarstellung einer möglichen Ausführungsform des mechanischen Elements 6 mit Sperrmechanismus 18, vor (Teilfigur a.) und nach Durchführung (Teilfigur b.) einer ungleichförmigen bzw. gegengerichteten Bewegung der Beine rechter und linker Seite der Vorrichtung. Der Sperrmechanismus 18 für den zusätzlichen Freiheitsgrad des Beins ist aktuiert und kann so beliebig aktiviert werden.
Als Antrieb kommen z.B. Elektromotor, Hydraulik, Pneumatik oder andere Ansätze in Frage. Die in der Zeichnung dargestellte Lösung ist die Ausgestaltung als elektronisch aktuierter Hubmagnet. Im Stator 21 wird ein Hubbolzen 19 durch eine mechanische Feder 20 nach unten in das untere Fußelement 7.2 gedrückt. Dadurch wird der Freiheitsgrad gesperrt, so dass keine ungewollten (Dreh-)bewegungen möglich sind (8a). Wird der Stator 21 bestromt, so wird der magnetische Hubbolzen 19 aus dem unteren Fußelement 7.2 zurück in den Stator 21 eingezogen, so dass der Freiheitsgrad wieder freigegeben wird und Bewegungen von oberem 7.1 und unterem Fußelement 7.2 gegeneinander wieder ermöglicht werden.
Schließlich weist das Beförderungsmittel eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuereinheit auf, durch die die Ansteuerung der Antriebselemente 5 der Beine 2 sowie deren Verstellungen vorgenommen werden. Diese Ansteuerung ist abhängig von einem - vom Nutzer z.B. per Joystick - vorgegebenen, auszuführenden Bewegungsablauf, ferner von den erfassten Bewegungsparametern und ggf. weiteren Steuergrößen.
Dabei erfolgt die Ansteuerung der Beine 2 durch die Steuereinheit derart, dass bei mehr als vier Beinen 2 immer mindestens vier der Beine 2 Bodenkontakt haben. So ist sichergestellt, dass zu jeder Zeit selbst dann ein sicherer Stand gewährleistet ist, wenn alle Motoren abgeschaltet bzw. stromlos geschaltet sind.
Bezugszeichenliste

1: Basisrahmen
2: Beine
3: Gelenk
4: Linearlager
5: Antriebselement
6: mechanisches Element
7: Fußmodul
7.1: oberes Fußelement
7.2: unteres Fußelement
8: elastisches Element
9: Lineareinheit
10: Rollantrieb
11: Sitz- bzw. Transportfläche
12: Rückenlehne
13: Fußstütze
14: seriell elastischer Aktor (SEA)
15: Federelement
16: zumindest gedachte Achse
16.1: zumindest gedachte Achse vorne
16.2: zumindest gedachte Achse hinten
17: Kurbeltrieb
18: Sperrmechanismus
19: Hubbolzen
20: mechanische Feder
21: Stator

Claims

Beförderungsmittel, insbesondere für die Fortbewegung oder den Transport von Personen oder Waren, auch als Vorrichtung zur Personenbeförderung in der Art eines mit Sitzfläche, Rückenlehne, Fußstütze und Eingabemodul versehenen Rollstuhls, mit einem Basisrahmen (1), an welchem wenigstens vier, bevorzugt acht, für ein lineares Voranschreiten eingerichtete Beine (2) angeschlossen sind, die mittels eines Gelenks (3) schwenkbar und/oder mittels eines Linearlagers (4) in Bewegungsrichtung linear verfahrbar am Basisrahmen (1) angeschlossen und durch Antriebselemente (5) bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Bewegungsparametern und ggf. weiteren Steuergrößen Sensoren vorgesehen sind und die auf die Beine (2) einwirkenden Kräfte durch einen oder mehrere Kraftsensor(en), insbesondere durch eine Kombination aus Hallsensor(en) und Magnet(en) unter Berücksichtigung der Kennlinie des oder der federnden Elemente (6) in einem seriell elastischen Aktor (SEA) in der Hubachse oder vorzugsweise durch einen oder mehrere piezoresistive(n) Kraftsensoren) wie z.B. Dehnungsmessstreifen gemessen werden und mittels einer oder mehrerer Steuereinheit(en) eine darauf basierende Verstellung der Sitz- bzw. Transportfläche (11) und ggf. der Fußstütze(n) (13) und ggf. der Rückenlehne (12) sowie die Ansteuerung der Antriebselemente (5) der Beine (2) autonom bzw. teilautonom erfolgt.
Beförderungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abstützung der Beine einer Person vorgesehene Fußstütze(n) (13) beweglich angebracht und zur Anpassung an Lauf- bzw. Steigbewegungen bzw. zur Kollisionsvermeidung mit Hindernissen wie Treppenstufen, durch einen oder mehrere von der Steuereinheit gesteuerte(n) Antrieb(e) autonom in ihrer Position relativ zum Grundkörper verstellbar ist/sind.
Beförderungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Basisrahmen (1) angeordnete Sitz- bzw. Transportfläche (11) und/oder Rückenlehne (12) in ihrer Lage und Neigung unter Berücksichtigung der Lauf- bzw. Steigbewegungen, mittels eines oder mehrerer von der Steuereinheit gesteuerten Antriebs/Antrieben, autonom in ihrer Position relativ zum Grundkörper verstellbar ist/sind.
Beförderungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne oder sämtliche der Beine (2) ein zusätzliches, mindestens einen weiteren Freiheitsgrad ermöglichendes mechanisches Element (6) aufweisen, welches durch konstruktive Einschränkungen primär eine Auslenkung orthogonal oder schräg zur Bewegungsrichtung ermöglicht und bevorzugt entweder im Fußbereich oder aber im Gelenk (3) oder Linearlager (4) des Beins (2) angeordnet ist, gegebenenfalls aber auch beliebig im Längsbereich des Beins (2) vorgesehen sein kann und ohne aktive Antriebsmittel ausgebildet ist.
Beförderungsmittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Element (6) von einem oder mehreren elastischen Verformungselementen (8) und/oder Scharnieren gebildet ist, die zumindest in horizontaler Ebene gegenüber dem Bein (2) beweglich bzw. verformbar sind und/oder das Schrägstellen des Beins (2) oder Teilen davon ermöglichen.
Beförderungsmittel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Element (6) durch jeweils ein Fußmodul (7) gebildet ist, das am dem Basisrahmen (1) abgewandten Ende eines oder mehrerer Beine (2) angeordnet ist.
Beförderungsmittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fußmodule (7) jeweils aus einem am Bein (2) fest angeschlossenen oberen Fußelement (7.1) und einem zur Auflage auf dem Untergrund eingerichteten unteren Fußelement (7.2) bestehen und das untere Fußelement (7.2) mit dem oberen Fußelement (7.1) über Führungsmittel insbesondere in Form von Gleitführungen oder über elastische Verformungselemente (8) verbunden ist und in vorwiegend horizontaler Ebene diesem gegenüber beweglich sowie ggf. feststellbar angeordnet und in einer bevorzugten Ausführung das untere Fußelement (7.2) zu Wartungszwecken austauschbar ist.
Beförderungsmittel nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Element (6) durch entgegengesetzte bzw. ungleichmäßige Bewegungen von einem, mehreren oder allen Beinen (2) der linken und/oder der rechten Seite in einer oder mehreren, wähl- und feststellbaren Vorzugsrichtungen linear verschieb- bzw. biegbar ist, bzw. sich die Beine (2) entsprechend aus der Vertikalen neigen.
Beförderungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine (2) von einzelnen primär durch Gelenke (3) verschwenkbar miteinander verbundenen Elementen gebildet sind.
Beförderungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Schwenklage und/oder des linearen Bewegungshubs der Beine (2) Absolutencoder sowie zur Erfassung der allgemeinen räumlichen Ausrichtung des Basisrahmens (1) und/oder der Beschleunigung Sensoren, vorzugsweise eine oder mehrere inertiale Messeinheit(en) (IMU) vorgesehen ist/sind.
Beförderungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und/oder Überwachung des Bewegungsablaufs Umfeldsensoren, vorzugsweise in Form von 3D-Kameras oder LIDAR zur räumlichen Erfassung und Bewertung der Umgebungsparameter vorgesehen sind und dass das auf Basis dieser Daten erstellte virtuelle Modell der Umgebung durch Abgleich mit den Daten der weiteren Sensoren wie z.B. den Absolutencodern und Kraftsensoren der Beine (2) zusammengeführt und/oder korrigiert wird.
Beförderungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine (2) über Lineareinheiten (9) mit Kurbeltrieben (17) verschwenkbar sind, wobei diese primär senkrecht neben dem jeweiligen Bein (2) angeordnet sein können.
Beförderungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Beinen (2) ein oder mehrere Rollantrieb(e) (10) vorgesehen ist/sind.
Beförderungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Beine (2) durch eine Steuereinheit derart erfolgt, dass bei mehr als vier Beinen (2) immer mindestens vier der Beine (2) Bodenkontakt haben, so dass zu jeder Zeit selbst dann ein sicherer Stand gewährleistet ist, wenn alle Motoren abgeschaltet bzw. stromlos geschaltet sind.
Beförderungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das einen weiteren Freiheitsgrad ermöglichende mechanische Element (6) einen aktuierten Sperrmechanismus (18) für den zusätzlichen Freiheitsgrad des Beins aufweist, beispielsweise in der Ausgestaltung mit einem per Elektromagnet betätigtem bzw. freigegebenem Sperrmechanismus.
Verfahren zum Drehen und Lenken eines Beförderungsmittels nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Durchführung ungleichmäßiger oder gegenläufiger Bewegungen der aktuell auf dem Boden aufsetzenden Beine der linken und rechten Seite, des Wechsels der Standbeine durch Absenken der nicht den Boden berührenden Beine in zweckmäßiger Stellung und Ausrichtung auf den Boden und Anheben der zuvor auf dem Boden aufsetzenden Beine und der nochmaligen Durchführung ungleichmäßiger oder gegenläufiger Bewegungen der nun auf dem Boden aufsetzenden linken und rechten Standbeine sowie die beliebig häufige Wiederholung dieses Ablaufs.
Verfahren zur Steuerung eines Beförderungsmittels über Hindernisse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die autonome Integration der Bewegung der Sitz- bzw. Transportfläche (11) und/oder Rückenlehne (12) und/oder Fußstütze(n)(13), in die Laufbewegung.