Muskelkraftbetriebenes Radfahrzeug mit einem elektrischen Hilfsantrieb
Die Erfindung bezieht sich auf ein muskelkraftbetriebenes Radfahrzeug mit einem elektrischen Hilfsantrieb und einer Steuerungseinrichtung, mit der in Abhängigkeit von der auf das jeweilige Rad wirkenden, mit einer Sensoreinrichtung erfaßten Muskelkraft der Hilfsantrieb zum Abgeben eines zusätzlichen Drehmoments an¬ steuerbar ist.
Ein Radfahrzeug dieser Art ist in dem Artikel von G.B. Croniers in Journal of Medical Engineering and Technology, Volume 13, 1989, Seiten 142 bis 148 beschrieben. Bei diesem Radfahrzeug handelt es sich um einen Rollstuhl. Zum Erzeugen des von dem Hilfsantrieb beizusteuernden Drehmoments wird vorge¬ schlagen, ein Steuersignal aus zwei Komponenten zu bilden, nämlich der Zeitdauer der auf die Antriebsräder aufgebrachten Handkraft und dem Trägheitsmoment des
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Antriebssystems. Aufgrund mehrerer Nachteile wird ein der Handkraft propor¬ tionales Steuersignal abgelehnt. Die Regelung des Hilfsantriebs auf der Grundlage des Zweikomponenten-Steuersignals wird anhand eines Simulationsmodells unter¬ sucht, wobei zwischen einem Gleichstrommotor und einem Handrad eine Getriebe¬ box vorgesehen ist.
Andere bisher bekannte Rollstühle werden über ein Steuerungspult mit Steuerhebel oder dergleichen bedient, wobei ein kombinierter Antrieb mit Unterstützung durch den Bediener nicht möglich ist. Ein wesentlicher Nachteil hierbei ist, daß die körperliche Betätigung des Benutzers und damit eine wichtige Therapiewirkung entfällt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein muskelkraftbetriebenes Radfahrzeug der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, bei dem der Aufbau gegenüber einem reinen muskelkraftbetriebenen Radfahrzeug optisch vom äußeren Aufbau her möglichst wenig abweicht und die Bedienungsabläufe beim Gebrauch weitgehend erhalten bleiben, übertriebener Kraftaufwand des Benutzers jedoch vermieden wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Hiernach ist also vorgesehen, daß der Hilfsantrieb getriebelos zwischen einer Radaufnahmeeinrichtung und dem jeweiligen Rad gekoppelt ist. Hierdurch ist das Radfahrzeug bereits ohne zugeschalteten Hilfsantrieb gegenüber einem entspre¬ chenden reinen muskelkraftbetriebenen Radfahrzeug in der Bewegbarkeit kaum beeinträchtigt, und der Hilfsantrieb kann auch sehr gut proportional der aufge¬ brachten Muskelkraft und in direkter Reaktion auf diese gesteuert werden. Dabei sind durch einfache Maßnahmen je nach körperlicher Konstitution des Benutzers einfache Regulierungsmöglichkeiten für das durch den Hilfsantrieb beizusteuernde Drehmoment möglich. Außerdem verändert der Hilfsantrieb den äußeren Aufbau
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optisch kaum, und die Handhabbarkeit des Fahrzeugs, beispielsweise beim Zu¬ sammenlegen und Abnehmen der Räder, ist leicht möglich, ähnlich wie bei einem rein mit Muskelkraft betriebenen entsprechenden Radfahrzeug.
Hinsichtlich einer kompakten Ausbildung und einfachen Unterbringung sowie eines einfachen Aufbaus ist es vorteilhaft, daß der Hilfsantrieb als getriebeloser Außen¬ läufer-Synchronmotor ausgebildet ist. Mit einem solchen Hilfsantrieb sind sehr gute Freilaufeigenschaften und Reaktionsgeschwindigkeiten sowie ein Vier-Quadranten¬ betrieb bei hohen Momenten möglich, insbesondere wenn eine hohe Polzahl vorgesehen ist.
Denkbar sind dagegen auch mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren oder Asynchronmotoren, bei denen aber der Steuerungsaufwand bzw. die Kompaktheit zumindest derzeit noch nachteilig gegenüber dem Außenläufer-Synchronmotor sind.
Der Aufbau des Antriebs ist günstig z.B. derart realisiert, daß die Radaufnahme¬ einrichtung ein mittelbar oder unmittelbar an einem Rahmen des Radfahrzeugs festgelegter Stator ist, und daß das Rad einen als Rotor ausgebildeten Abschnitt aufweist. Dabei ist eine vorteilhafte Bauform so ausgebildet, daß der Stator einen bezüglich des Rahmens nach außen offenen napfförmigen Stator-Gehäuseabschnitt runden Querschnitts aufweist, der auf seiner Umfangsseite Ständerwicklungen trägt, daß der Rotor als napfförmiger Rotor-Gehäuseabschnitt ausgebildet ist, der auf der Innenseite seines umlaufenden Randes, den Ständerwicklungen unter Bildung eines schmalen Luftspaltes gegenüberliegend, Außenläufermagnete auf¬ weist, und daß die radiale Ausdehnung eines mit dem Stator-Gehäuseabschnitt und dem Rotor-Gehäuseabschnitt gebildeten, weitgehend geschlossenen Gehäuses um ein Vielfaches größer ist als seine axiale Ausdehnung. Mit diesen Maßnahmen läßt sich ein flacher Aufbau bei großer Polzahl von z. B. 72 Polen auf kompakte
Weise erzielen, wodurch die guten Eigenschaften hinsichtlich Freilauf und Re¬ aktionsgeschwindigkeit begünstigt werden.
Eine einfache Lagerung des Rades ist derart, daß das Rad an einem zentralen Aufnahmezapfen des Stators und/oder in einer Hülse gelagert ist. Infolge des Aufbaus ergibt sich auch der Vorteil, daß in dem Gehäuse die Steue¬ rungseinrichtung geschützt und optisch unauffällig unterbringbar ist.
Ein geeignetes Sensorsignal für die Steuerungseinrichtung des Hilfsantriebs wird durch die Maßnahmen erhalten, daß mittels der Sensoreinrichtung die mittels Muskelkraft bewirkte Beschleunigungskraft allein oder zusätzlich die Bremskraft erfaßbar ist, die entweder direkt auf das Rad oder das Fahrgestellt ausgeübt wird (werden), und daß die Sensoreinrichtung an einem Koppelglied, mit dem die Kraft auf das Fahrgestell oder das Rad übertragen wird, angeordnet ist.
Das mittels Muskelkraft aufgebrachte Drehmoment kann vorteilhaft dadurch erfaßt werden, daß die Sensoreinrichtung ein Wegmeßglied zum Messen der Auslenkung des Koppelgliedes aufweist, und daß zum Rückstellen des Koppelgiiedes in die Ausgangslage ein Federmechanismus vorgesehen ist. Hierdurch kommen eine Vielzahl von Sensorelementen für den Einsatz in Betracht, die beispielsweise optisch, induktiv, kapazitiv, mechanisch, magnetisch, über dem Piezo-Effekt oder über Ultraschall wirkende Sensorelemente aufweisen. Als geeignete Sensorelemen¬ te haben sich beispielsweise ein Hallelement oder ein Dehnmeßstreifen erwiesen.
Das Signal der Sensoreinrichtung wird störungsfrei an die Steuerungseinrichtung abgegeben, wenn vorgesehen ist, daß das von dem Sensorelement der Sensorein¬ richtung erzeugte Signal moduliert und optisch, magnetisch oder elektrostatisch oder mittels Ultraschall oder über Schleifringe an einen Signalempfänger der Steuerungseinrichtung übertragen wird.
Eine für den Benutzer angenehme und ihn gut unterstützende Steuerung des Hilfsantriebs ist derart ausgebildet, daß die Steuereinrichtung einen Regler aufweist und daß das von dem Hilfsantrieb aufgebrachte Drehmoment in einem festen, vorgebbaren Verhältnis zu dem mittels der Muskelkraft aufgebrachten Drehmoment steht oder daß das von dem Hilfsantrieb aufgebrachte Drehmoment derart geregelt ist, daß das mittels Muskelkraft vorgegebene Drehmoment einen fest vorgebbaren Wert nicht überschreitet oder daß eine Kombination beider Regelarten vorgesehen ist.
Die Maßnahme, daß mehrere Räder des Radfahrzeuges individuell steuerbar sind, wobei von parallel zueinander angeordneten Rädern beide vorwärts oder beide rückwärts antreibbar sind oder eines vorwärts antreibbar ist, während das andere rückwärts angetrieben ist, entsprechend dem Betrag und der Richtung der aufge¬ brachten Muskelkraft, ermöglicht eine uneingeschränkte, von dem Hilfsantrieb unterstützte Manövrierfähigkeit des Radfahrzeugs, wie z. B. eines Rollstuhls.
Zur Leistungsversorgung ist vorteilhaft vorgesehen, daß ein Transformator vor¬ gesehen ist, über den die auf dem Rad angebrachte Sensoreinrichtung von einer Batterie her mit elektrischer Leistung versorgbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be¬ zugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Ein Radfahrzeug in Form eines Rollstuhls mit Hilfsantrieb in
Seitenansicht,
Figur 2 das in Figur 1 dargestellte Radfahrzeug in Rückansicht, wobei das linke Rad teilweise geschnitten dargestellt ist,
Figur 3 das in Figur 2 teilweise geschnittene Rad in vergrößerter Dar¬ stellung, wobei die Komponenten des Hilfsantriebs ersichtlich sind und
Figur 4 eine Blockdarstellung der wesentlichen Elemente einer
Steuerungseinrichung des Hilfsantriebs.
Die Figur 1 zeigt ein Radfahrzeug 20 in Form eines Rollstuhls mit einem Handgriff 1 , einem Antriebs-Rad 2, einem an diesem mittels Verbindungsstangen 3.1 zur Kraftübertragung angebrachten Handiauf 3 sowie einem Hilfsantrieb 5, der im Zentrum des Rads 2 angeordnet ist.
In Figur 2 ist der in Figur 1 dargstellte Rollstuhi von hinten gezeigt, wobei das linke Rad 2 teilweise im Schnitt gezeigt ist. Die Räder 2 sind mittels einer Achse 6 an einem Rahmen 7 angebracht. Wie aus Figur 3 ersichtlich, ist dabei das Rad 2 mittels der Achse 6 in einer an dem Rahmen 7 angebrachten Hülse 7.1 mit einem Stator- Gehäuseabschnitt 8 unverdrehbar festgelegt, und mit einer Verdrehsiche¬ rung 7.2, die beispielsweise auch als elektrischer Steckkontakt ausgelegt sein kann, unverdrehbar festgelegt. Auf einem mittleren zentralen Zapfen des Stators ist der drehbare Teil des Rads 2 in Form eines Rotor-Gehäuseabschnitts 9 mittels einer Lagerung 2.1 drehbar gelagert.
Der Stator-Gehäuseabschnitt 8 ist im wesentlichen napfartig ausgebildet und mit seiner offenen Seite vom Fahrgestell weg gerichtet und trägt auf der Außenseite seines umlaufenden Randes Ständerwicklungen 5.3. Der Rotor-Gehäuseabschnitt 9 ist im wesentlichen ebenfalls napfartig ausgebildet und trägt auf der Innenseite seines äußeren umlaufenden Randes Außenläufermagnete 5.2, die unter Freilassen eines schmalen Luftspalts den Ständerwicklungen 5.3 gegenüberliegen. Die offene Seite des Rotor-Gehäuseabschnitts 9 ist dem Stator-Gehäuseabschnitt 8 zuge¬ kehrt, so daß ein im wesentlichen geschlossenes Gehäuse 8.1 gebildet wird. In
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dem Gehäuse 8.1 kann eine Steuerungseinrichtung 10 und, wenn gewünscht, auch eine Batterie zur Spannungsversorgung geschützt untergebracht werden.
An der Verbindungsstange 3.1 zwischen dem Handlauf 3 und dem Rotor-Gehäuse¬ abschnitt 9 ist eine Sensoreinrichtung 4, wie z.B. ein Dehnmeßstreifen oder ein Wegmeßelement in Form eines Hallelements angebracht, um die über den Handlauf 3 in den Rotor eingeleitete Kraft zu messen und ein ensprechendes Sensorsignal zu bilden. Bei einem Wegmeßelement wirkt der relativ geringen Auslenkung der Verbindungsstange 3.1 durch die aufgebrachte Muskelkraft ein Federmechanismus aus Metall, einem Gummiteil und/odereinem Kunststoff entgegen, die die Verbin¬ dungsstange 3.1 in die Ausgangslage zurückführt, wenn die aufgebrachte Muskel¬ kraft nachläßt. Als weitere Sensorelemente kommen auch optische, induktive oder kapazitive Elemente und dgl. in Frage.
In Figur 4 ist in Blockdarstellung die Steuerungseinrichtung 10 für den Hilfsantrieb näher dargestellt. Die schon genannte Sensoreinrichtung 4 kann in dem beschrie¬ benen Handlauf-Sensor 10.1 oder in einem Handgriff-Sensor 10.4 bestehen, der beispielsweise zwischen dem Handgriff 1 und dem Rahmen 7 angeordnet sein kann. Das von der Sensoreinrichtung 4 gelieferte Signal wird einem Regler 10.6 zugeführt, der ein Regelsignal an eine Motorsteuerung 10.7 abgibt, die ihrerseits beispielsweise unter Frequenzumrichtung einen Synchronmotor 5 steuert, der gemäß Figur 3 als getriebeloser Außenläufer-Synchronmotor ausgestaltet sein kann.
Das Signal des Handgriff-Sensors 10.4 ist dabei unmittelbar dem Regler 10.6 zugeführt, während das Signal des Handlauf-Sensors 10.1 über einen Signalüber¬ trager vorzugsweise moduliert einem Signalempfänger 10.5 gesendet wird und von dort aus dem Regier 10.6 zugeführt wird. Die Signalübertragung von dem Signal¬ übertrager 10.2 zu dem Signalempfänger 10.5 geschieht zwischen dem Rotor und dem Stator berührungslos, beispielsweise optisch, induktiv oder kapazitiv.
Die Versorgung sowohl des bezüglich des Fahrgestells bzw. des Stators fest angeordneten Abschnitts der Steuerungseinrichtung 10 als auch der an dem Rotor angeorndeten Sensoreinrichtung 4 erfolgt mittels einer wiederaufladbaren Batterie 10.9. Dabei wird die erforderliche Versorgungsspannung für die an dem Rotor- Gehäuseabschnitt 9 angeordnete Sensoreinrichtung 4 über eine Spannungsüber- tragungsstufe 10.8 und einen Transformator 10.3 vorgenommen.
Für die Regelung haben sich drei verschiedene Vorgehensweisen als geeignet erwiesen. Bei der ersten Regelmöglichkeit wird die Steuerung des Hilfsantriebs 5 derart vorgenommen, daß das von dem Benutzer mittels Muskelkraft abgegebene Drehmoment und das von dem Hilfsantrieb 5 aufgebrachte Drehmoment in einem festen Verhältnis zueinander stehen, wobei dieses Verhältnis vorgebbar ist. Da¬ durch wird das Radfahrzeug durch den Benutzer entsprechend leichter fortbeweg¬ bar. Wird kein Drehmoment von dem Benutzer aufgebracht, erzeugt auch der Motor kein Drehmoment. Das Radfahrzeug steht oder rollt, d.h. es beschleunigt bergab und verlangsamt seine Geschwindigkeit bergauf, wie ohne Antrieb. Lenkbe¬ wegungen werden durch unterschiedliche Kraftaufwendung des Benutzers bei¬ spielsweise am Handlauf eines Rollstuhls ermöglicht. Geschwindigkeitsbegrenzun¬ gen nach geltenden gesetzlichen Regelungen begrenzen die Endgeschwindigkeit.
Eine weitere Regelmöglichkeit besteht darin, daß das von dem Benutzer aufzubrin¬ gende Drehmoment ab einer bestimmten Schwelle konstant gehalten wird, wobei diese Schwelle vorgebbar ist. Bei Überschreiten der Schwelle beschleunigt der Hilfsantrieb das Radfahrzeug im entsprechenden Maß, wirkt ein negatives Drehmo¬ ment durch den Benutzer, so wird die Geschwindigkeit reduziert. Wirkt kein Drehmoment, wird die Geschwindigkeit konstant gehalten bzw. ständig leicht reduziert, um ein Ausrollverhalten zu simulieren. Mit dieser Regelung reagiert der Rollstuhl auf der Ebene ähnlich wie gemäß der ersten Regelung; der Unterschied zeigt sich am Berg. Das Radfahrzeug verhält sich bei dieser Regelung an Steigun¬ gen und Gefällen genauso wie in der Ebene, d.h. an Gefällen muß das Radfahrzeug
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vom Benutzer nicht gebremst, sondern "abwärts geschoben" werden. Die immer vorhandene mechanische Bremse muß bei dieser Regelung zusätzlich kontoliiert werden. Wird die Bremse betätigt, kann der Antrieb drehmomentlos werden oder er leitet eine elektrische Bremsung ein, unterstützt durch die mechanische Brem¬ sung, um die Geschwindigkeit Null zu erreichen.
Eine dritte Regelmöglichkeit besteht in der Kombination der ersten und der zweiten Regelung, wobei das Verhältnis der Einwirkung der beiden Regelungen experimen¬ tell optimiert werden kann.
Für die Regelungen ist es gleich, ob die Kraft durch den Benutzer an den Handläu¬ fen 3 oder durch einen Helfer an den Handgriffen 1 aufgebracht wird.
Als aufladbare Batterien eignen sich vor allem Nickel-Cadmium-Batterien, die nicht nur hinsichtlich der vorliegend benötigten kurzen, hohen Stromentnahme geeignet sind (wegen des geringen Innenwiederstandes), sondern auch ein gutes Gewicht- /Leistungsverhältnis aufweisen. Ein entsprechendes Ladegerät kann am Rollstuhl angebracht bzw. stationär betrieben werden und ist vom restlichen System un¬ abhängig.
Die mit dem Hilfsantrieb ausgestatteten Räder 2 können bei einem herkömmlichen Rollstuhl leicht anstelle der antriebslosen Räder eingesetzt werden.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen kann die Kraft des Benutzers definiert justierbar kombiniert werden mit der Untestützung durch den Hilfsantrieb. Geeignet ist der Hilfsantrieb insbesondere für einen Rollstuhl, wobei es das Ziel ist, den Behinderten, der zu schwach ist, um zum Beispiel Steigungn oder längere Strecken zu bewältigen, eine Unterstützung zu bieten, wobei ihm aber die Möglichkeit der körperlichen Bewegung nicht genommen wird. Da der komplette Hilfsantrieb in den Rädern 2 integriert ist, können auch mit dem Hilfsantrieb versehene Klapprollstühle
verwirklicht werden, die häufig in einem Pkw transportiert werden, ohne zusätzli¬ chen Verkabelungs- und Raumbdarf zu erfordern. Auch ist dem Rollstuhl optisch nicht sofort anzusehen, daß er elektrisch angetrieben wird. Im Vergleich zu einer Bedienung über Steuerhebel ist eine genauere Positionierung und Lenkung durch den Benutzer in allen Geschwindigkeitsbereichen möglich.