WO2017162488A1 - Method and device for predicatively actuating an electric motor in order to reduce the risk of a wheelchair overturning - Google Patents

Method and device for predicatively actuating an electric motor in order to reduce the risk of a wheelchair overturning Download PDF

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WO2017162488A1
WO2017162488A1 PCT/EP2017/056006 EP2017056006W WO2017162488A1 WO 2017162488 A1 WO2017162488 A1 WO 2017162488A1 EP 2017056006 W EP2017056006 W EP 2017056006W WO 2017162488 A1 WO2017162488 A1 WO 2017162488A1
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WO
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wheelchair
energy
electric motor
torque
movement
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/056006
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German (de)
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Inventor
Klaus Marx
Christoph Koch
Richard Schoenleber
Timo Wildhage
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61G—TRANSPORT, PERSONAL CONVEYANCES, OR ACCOMMODATION SPECIALLY ADAPTED FOR PATIENTS OR DISABLED PERSONS; OPERATING TABLES OR CHAIRS; CHAIRS FOR DENTISTRY; FUNERAL DEVICES
    • A61G5/00—Chairs or personal conveyances specially adapted for patients or disabled persons, e.g. wheelchairs
    • A61G5/10—Parts, details or accessories
    • A61G5/1086—Anti-roll-back devices
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61G—TRANSPORT, PERSONAL CONVEYANCES, OR ACCOMMODATION SPECIALLY ADAPTED FOR PATIENTS OR DISABLED PERSONS; OPERATING TABLES OR CHAIRS; CHAIRS FOR DENTISTRY; FUNERAL DEVICES
    • A61G5/00—Chairs or personal conveyances specially adapted for patients or disabled persons, e.g. wheelchairs
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61G—TRANSPORT, PERSONAL CONVEYANCES, OR ACCOMMODATION SPECIALLY ADAPTED FOR PATIENTS OR DISABLED PERSONS; OPERATING TABLES OR CHAIRS; CHAIRS FOR DENTISTRY; FUNERAL DEVICES
    • A61G2203/00—General characteristics of devices
    • A61G2203/30—General characteristics of devices characterised by sensor means
    • A61G2203/42—General characteristics of devices characterised by sensor means for inclination

Definitions

  • the present invention relates to a method for the predictive control of an electric motor for reducing the risk of tipping over a wheelchair.
  • the invention relates to a control device and a computer program that perform the method, as well as a wheelchair with inventive control device.
  • a tilting torque is generated about the axis of the drive wheel in response to a center of gravity.
  • This tilting torque can lead to tipping over of the wheelchair.
  • the tilting torque results from the position of the common center of gravity of the wheelchair including the wheelchair user and a sum of the following forces or torques: The gravity of the wheelchair including the wheelchair user, the force acting on the center of gravity by an acceleration of the wheelchair, the manual force the wheelchair user on the power transmission device and / or optionally a torque of an electric motor. The farther back and the higher the wheelchair user sits, as well as the faster the wheelchair is in reverse, the greater, for example, the tipping torque and the more likely a tipping over.
  • a wheelchair with an electric motor is disclosed by the document DE 10 2008 002 993 B3.
  • a force manually introduced by a wheelchair user into a gripping ring of a drive wheel is measured by sensors.
  • a machine drive torque is applied to the drive wheels of the wheelchair by means of an electric motor in addition to the manual drive torque.
  • the present invention relates to a method for the predictive control of an electric motor for reducing the risk of tipping over a wheelchair.
  • the invention relates to a control device and a computer program that perform the method, as well as a wheelchair with inventive control device.
  • the present invention claims a wheelchair with a control unit for the predictive control of an electric motor for reducing the risk of tipping over a wheelchair.
  • the wheelchair according to the invention comprises at least one drive wheel with an axis about which the drive wheel rotates for locomotion, and at least one front wheel.
  • the drive wheel also has a power transmission device for manual power transmission.
  • the power transmission device may be configured, for example, as a gripping ring or as a lever device.
  • the wheelchair has at least one actuator for braking the drive wheel and / or an electric motor for applying a torque to the drive wheel of the wheelchair.
  • an electronic control unit is arranged on the wheelchair.
  • the wheelchair has at least one sensor.
  • the sensor is, for example, an acceleration sensor, a rotation rate sensor, a distance sensor and / or a location sensor.
  • the location sensor may be, for example, a GPS sensor.
  • the at least one sensor detects a movement amount representing the movement of the wheelchair.
  • the wheelchair according to the invention is adapted to carry out the method according to the invention. The wheelchair advantageously reduces the risk of overturning by means of a torque generated by an electric motor.
  • Tilting of the wheelchair occurs when the wheelchair is rotated about the axis of the drive wheel with or without drive.
  • a front wheel loses contact with the ground.
  • a complete overturning occurs when the wheelchair tilts backwards so far around the axis of the drive wheel that the wheelchair frame touches the ground. For example, the backrest and / or the touch
  • the present invention further claims a control device which is adapted to carry out the method according to the invention.
  • the control unit comprises at least one arithmetic unit.
  • the arithmetic unit detects at least one variable representing a movement amount of the wheelchair.
  • the arithmetic unit generates an output signal as a function of the detected movement variables or as a function of a comparison of a determined energy of the wheelchair with a limit value. If the limit is exceeded, the output signal causes a control of the electric motor, whereby a torque is generated on a drive wheel.
  • the control unit may have a receiving unit and an output unit.
  • the present invention also claims the method of predictively driving an electric motor to reduce the risk of tipping over a wheelchair.
  • At least one current movement size of the wheelchair is detected.
  • a current energy of the wheelchair is determined as a function of the detected amount of movement.
  • the determined energy of the wheelchair is compared in a further step with a limit.
  • At an energy greater than or equal to the limit there is a control of the electric motor for generating a torque to the drive wheel of the wheelchair, wherein the torque of the electric motor reduces the energy of the wheelchair.
  • the electric motor generates a torque for braking a forward journey.
  • the method has the advantage that the current energy of the wheelchair is limited, so that the risk of tipping over of the wheelchair is reduced. The safety of the wheelchair user is thus increased, whereby the wheelchair user can continue to perform all typical driving maneuvers of a wheelchair, such as tipping to overcome smaller obstacles.
  • a manual torque of the wheelchair user is additionally detected in a further step of the method.
  • the manual torque is created by a force of the wheelchair user on a power transmission device.
  • the control of the electric motor for generating a torque takes place in this embodiment depending on the detected manual torque of the wheelchair user. For example, the torque of the electric motor is reduced by the detected torque of the wheelchair user in terms of amount by the control of the electric motor, whereby a more manual feel is created.
  • a tilt angle of the wheelchair about the axis of the drive wheel is detected as a movement variable.
  • the energy of the wheelchair is determined as a function of the detected tilt angle.
  • the determined energy comprises a potential energy.
  • the determined potential energy must be applied in order to tilt or raise the wheelchair to the detected tilt angle.
  • the detection of the tilt angle has the advantage that the tilting position of the wheelchair is considered as a potential energy for driving the electric motor.
  • a tilt angle of the wheelchair is in an orthogonal plane to a reference plane and between the reference plane and a reference plane tilted about an axis.
  • the reference plane is preferably a vertical plane to the direction of the weight.
  • the axis of rotation of a sensor for detecting the tilt angle is advantageously parallel to the axis of the drive wheel of the wheelchair, because the rotation takes place when tilting about the axis of the drive wheel.
  • the reference plane and the axis of rotation can be defined by the arrangement of an inertial measuring unit on the wheelchair.
  • a rate of rotation of the wheelchair is detected about the axis of the drive wheel.
  • a determination of the energy of the wheelchair as a function of the detected rotation rate takes place as a rotational energy.
  • the rotational energy is a kinetic energy. The determination of the energy as a function of a detected rotation rate has the advantage that the
  • Electric motor is driven at too fast rotation of the wheelchair, so that generates a torque of the electric motor against the overturning torque and the rotation rate is thus reduced.
  • a speed of the electric motor is driven at too fast rotation of the wheelchair, so that generates a torque of the electric motor against the overturning torque and the rotation rate is thus reduced.
  • Wheelchair detected in the forward or reverse direction The determination of the energy of the wheelchair takes place depending on the detected speed.
  • the determined energy comprises in particular a translatory energy.
  • the translational energy is a kinetic energy.
  • the control of the electric motor leads in this embodiment to a braking of the drive of the wheelchair.
  • Embodiment therefore has the advantage that the translational energy is limited by the method.
  • the current energy of the wheelchair is determined as the sum of the potential energy and the kinetic energy.
  • the kinetic energy comprises a sum of the determined translational energy and the determined rotational energy of the wheelchair.
  • the potential energy is to raise the wheelchair to the current tilt angle.
  • the translational energy represents the energy that is realized by a drive of the wheelchair at a speed forward or backward.
  • the rotational energy represents the energy generated by a rotation of the wheelchair about the axis of the drive wheel to the rear, i. a tilting, is realized.
  • the individual energy summands can also be zero. For example, this is the case for the potential energy when driving straight on four wheels.
  • these embodiment of the invention are at least two
  • Sensors arranged on the wheelchair At least three sensors or a sensor system, such as an inertial measuring unit, are preferably arranged on the wheelchair and at least three different quantities of motion are detected.
  • the consideration of different movement quantities or different energies and their summation for the determination of the total energy the wheelchair to control the electric motor reduce the risk of tipping over the wheelchair particularly effective.
  • a weight of the wheelchair user is detected by at least one further sensor or by means of an input device.
  • the determination of the energy of the wheelchair takes place in this continuation of the invention as a function of the detected weight of the wheelchair user.
  • the advantage is a more accurate determination of the energy of the wheelchair including the wheelchair user.
  • the weight of the wheelchair user can be recorded once and stored in an electronic memory of the control unit.
  • the energy limit is equal to the potential energy at the balance angle.
  • the balance angle is a tilt angle. At the balancing angle is a focus of the wheelchair including the wheelchair user on the axis of the at least one drive wheel.
  • the threshold is equal to the potential energy at the balance angle, the electric motor is driven to generate torque against the forward drive direction.
  • the balance angle can be detected with an optional balance angle determination method.
  • the limit value of the energy of the wheelchair comprises a sum of the potential energy at the balancing angle and an excess energy.
  • the excess energy is preferably only so high that the tilting backwards takes place very slowly after exceeding the balancing angle.
  • the wheelchair user has therefore time to avoid tipping over by manual force on the power transmission device.
  • the allowable excess energy may be for this purpose, for example, 0.1 to 3 joules.
  • the control of the electric motor takes place as a function of an angular distance of the current tilt angle to the balancing angle and / or a difference of the energy of the wheelchair to the limit value.
  • the wheelchair is driven by the electric motor at high energies of the wheelchair or only when tilting.
  • the control of the electric motor can also take place in such a way that, for example, a force assistance of the wheelchair user, as described in DE 10 2008 002 993 B3, for example, is deactivated in the vicinity of the Balancierwinkels.
  • a good compromise is advantageously realized for the wheelchair user from a reduction in the tip-over risk and an agile driving behavior of the wheelchair.
  • the control of the electric motor takes place only at an angular distance of the current tilt angle to Balancierwinkel smaller than a threshold value, the so-called drive distance.
  • the drive distance as a threshold is in particular between 5 ° to 10 °.
  • the control distance can optionally be set manually by the wheelchair user.
  • an energy difference from the energy of the wheelchair and the associated limit value is determined.
  • a quotient of the determined energy difference and the angular distance of the current tilt angle to the balance angle is determined.
  • the control of the electric motor then takes place as a function of the determined quotient.
  • the present invention also relates to a computer program implementing the method according to the invention and to an electrical storage medium with the computer program.
  • Figure la sketch of a wheelchair with gripping ring in side view
  • Figure lb sketch of a wheelchair with lever device in side view
  • FIG. 2 sensor system of an inertial measuring unit comprising a plurality
  • Figure 3 Sketch of a wheelchair standing on all four wheels
  • Figure 4 Sketch of a wheelchair at Balancierwinkel
  • Figure 5 Sketch at a tilt angle greater than the Balancierwinkel
  • FIG. 6 parallel introduction of force of manual force and engine power on
  • FIG. 7 Flow chart of the parallel introduction of force
  • FIG. 8 flow chart of the method
  • FIG. 9 Control unit according to the invention
  • FIG. 1 a shows a wheelchair 100 which carries out a method according to the invention of the predictive tilt-monitoring operating mode of a wheelchair 100.
  • the wheelchair 100 includes two drive wheels 101 each having a power transmission device 102.
  • the power transmission device 102 is a gripping ring.
  • On the wheelchair 100 also two front wheels 103 are arranged.
  • the wheelchair 100 is shown in side view, ie it is the right Drive wheel 101 with the right power transmission device 102 and the right front wheel 103 and a wheelchair frame with seat to recognize.
  • the wheelchair 100 further includes a controller 105 and an electric motor 104 and at least one sensor 110.
  • an axis 106 can be seen.
  • the axis 106 is perpendicular to the plane of the drawing and is parallel to the x-axis, ie, the axis 106 is orthogonal to the y-axis and orthogonal to the z-axis.
  • the z-axis represents the vertical axis and the y-axis represents the forward direction for the wheelchair in the mathematical legal system.
  • FIG. 1b a similar wheelchair 100, as shown in Figure la, is shown.
  • the wheelchair 100 in FIG. 1b differs from the wheelchair 100 of FIG. 1a in that a lever device instead of a gripping ring is arranged on the drive wheel 101 for manual power transmission as a power transmission device 102. Even with a wheelchair 100 with a lever device as a power transmission device 102, a method according to the invention of the predictive tilt-monitoring operating mode of a wheelchair 100 is realized.
  • a backrest 107 and a handle 108 for pushing the wheelchair are shown in Figure lb. The backrest and / or the handles for pushing the wheelchair touch when completely overturning the wheelchair, i. to the back, the floor.
  • the at least one sensor 110 may include an acceleration sensor, a rotation rate sensor, a distance sensor and / or a location sensor, wherein the location sensor is, for example, a GPS sensor.
  • a weight sensor and / or a pressure sensor can be arranged as additional sensors.
  • at least one movement variable is detected by the at least one sensor 110.
  • the amount of movement represents a movement of the wheelchair 100.
  • the movement of the wheelchair 100 may be a forward or reverse travel and / or a rotation about the axis of the drive wheel for tilting the wheelchair.
  • the sensor 110 may preferably comprise an inertial measuring unit which has a plurality of rotation rate and acceleration sensors in one component.
  • FIG. 2 shows an inertial measuring unit as sensor 110.
  • the sensor 110 is preferably arranged on the wheelchair 100 so that the x-axis is parallel to the axis 106 of the at least one drive wheel 101 of the wheelchair 100 is located.
  • accelerations in three spatial directions as well as a rate of rotation of the inertial measuring unit are preferably arranged on the wheelchair 100 so that the x-axis is parallel to the axis 106 of the at least one drive wheel 101 of the wheelchair 100 is located.
  • Rate of rotation ⁇ (t) and also a rotational acceleration ⁇ (t) about a parallel axis to the axis 106 are thus detected by the shown inertial measuring unit.
  • the position of the sensor 110 in space can be determined.
  • equations of the Kalman filter can be used to calculate the position.
  • FIG. 3 shows the wheelchair 100 with wheelchair user 360 as well as the common center of gravity 350 of the wheelchair 100 including the wheelchair user 360. In addition, an effective direction of the weight FG at the center of gravity 350 is shown.
  • FIG. 3 also shows a reference plane 300 of the sensor 110 that is perpendicular to the weight FG.
  • the wheelchair 100 is not tilted.
  • the front wheels 103 are in contact with the ground, and the wheelchair 100 stands on the driving wheels 101 and the front wheels 103 on one plane, for example, on a horizontal plane.
  • the wheelchair 100 is shown in tilted position.
  • tilting i. a rotation of the wheelchair 100 about the axis 106 of the drive wheels
  • the tilted position of the wheelchair 100 is represented by a tilt angle ⁇ ( ⁇ ).
  • the tilt angle ⁇ ( ⁇ ) is time-dependent and lies for example in an orthogonal plane spanned by the y-axis and the z-axis of the sensor 110 to the reference plane 300 and between a reference plane 300 and the reference plane 400 tilted about the axis 106.
  • An inertial measurement unit the wheelchair frame detects, for example, a rotation about an axis parallel to the axis 106, wherein from the detected
  • Rotation of the tilt angle ⁇ ( ⁇ ) of the wheelchair 100 and the rate of rotation ⁇ (t) of the wheelchair 100 when tilting about the axis 106 of the drive wheel 101 can be determined.
  • the tilted wheelchair 100 is shown at a tilting position, the tilting angle ⁇ ( ⁇ ) of the balancing angle ⁇ being realized.
  • the balance angle ⁇ occurs when the center of gravity 350 of the wheelchair 100 including the wheelchair user 360 is above the axis 106.
  • the wheelchair 100 at a tilt angle ⁇ ( ⁇ ) is greater than the Balancierwinkel ⁇ shown.
  • the wheelchair 100 tilts due to a resulting tilting torque about the axis 106 to the rear.
  • the wheelchair 100 threatens to tip over to the rear, which is a dangerous situation for the wheelchair user 360.
  • FIG. 6 illustrates a drive wheel 101 of the wheelchair 100 with a gripping ring as a force transmission device 102 in cross-section.
  • the drive wheel 101 may have an air-filled and pressurized tire 600.
  • the axis 106 of the drive wheel 101 can be seen. It can be seen that a manual force of the wheelchair user 360 acts on the grip ring 102 in parallel to the driving force of the electric motor 104 on the drive wheel 101. The two drive torques are superimposed additively. The wheelchair user 360 can therefore also counter to the mechanical torque of the electric motor 104, a force on the gripping ring 102, i. a manual torque on the drive wheel 101, apply.
  • FIG. 7 shows in a flow chart the parallel effect of the manual force of the wheelchair user 360 and the mechanical drive force of the electric motor 104 on the drive wheel 101.
  • the wheelchair user 360 imposes a force on the grip ring 102 on the drive wheel 101 and can thus drive the wheelchair 100 forwards and backwards, depending on the direction of the force.
  • With different forces on the right and left drive wheel 101 is a cornering or rotation of the wheelchair 100 about the vertical axis (z-axis) possible.
  • an inertial measuring unit as a sensor 110 detects a rate of rotation ⁇ (t) about the axis 106 of the drive wheel 101, the x-axis of the sensor 110 being parallel to the axis 106 of the drive wheel. 101, orthogonal to the z-axis and orthogonal to the y-axis.
  • a speed v (t) is detected by another sensor.
  • the z axis represents the vertical axis and the y axis represents the forward direction of the wheelchair 100 in the mathematical legal system.
  • the controller 105 receives the sensor signals and detects the speed v (t) and yaw rate ⁇ (t) about the axis 106
  • Control unit 105 determines a kinetic energy Ekin as energy E of the wheelchair 100.
  • the kinetic energy Ekin is calculated as the sum of a rotational energy E ro , which is determined as a function of the rotation rate ⁇ (t), and a translatory energy E tr ans is determined as a function of the speed v (t).
  • the controller 105 compares the detected energy E with a threshold value EGrenzwert.
  • the limit value EGrenzwert summarizes the potential energy E po t, which is required for tilting the wheelchair 100 from the state or the current tilting bar in the balancing angle ⁇ .
  • the controller 105 When the determined energy E reaches or exceeds the threshold value EGrenzwert, the controller 105 generates an output signal for driving the electric motor 104. Thereby, the electric motor 104 delivers a torque M to the drive wheel 101 of the wheelchair 100. The torque M thereby reduces the energy E of Wheelchair 100.
  • the wheelchair user 360 can thereby influence the movement of the wheelchair 100 by manual force intervention on the power transmission device 102. For example, the wheelchair user 360 can additionally brake the wheelchair 100 by manual force intervention or counteract the torque M of the electric motor 104.
  • an applied by the wheelchair user 360 torque on the power transmission device MRoiistuhipos is detected.
  • the electric motor 104 supplies by the control 860 a torque M which corresponds to the detected torque MRoist driver of the wheelchair user 360 is increased or reduced in amount.
  • FIG. 8 shows a flow diagram of the method according to the invention.
  • a first step 810 when tilting the wheelchair 100 by means of the sensor Sors 110 detected at least one movement amount, such as a
  • a detected amount of movement represents a movement of the wheelchair.
  • a weight is detected nriRoiistuhi entitled of the wheelchair user 360 and 100 as a common weight determined by the controller 105, the sum of the weight of the wheelchair user nriRoiistuhi convinced 360 and the weight of the roll nriRoiistuhi ⁇ chair m.
  • the optional detection of the weight of the wheelchair user 360 of the wheelchair user can be achieved by entering the
  • Wheelchair user 360 on an input device on the wheelchair 100 (not shown) or by an additional sensor.
  • the weight nriRoiistuhi of the wheelchair 100, the detected weight nriRoiistuhimother the wheelchair user 360 and / or the determined common weight m of the wheelchair 100 may be stored in a memory of the control unit 105.
  • the energy E of the wheelchair 100 is determined as a function of the at least one movement variable.
  • the energy E comprises a sum according to equation (1) from the potential energy E po t of the wheelchair and the kinetic energy Ekin of the wheelchair, the kinetic energy Eki n a
  • Sum of a translatory energy Etrans and a rotational energy E ro t includes.
  • the potential energy E po t, the translational energy Etrans and / or the rotational energy E ro t can be zero.
  • the determination of the energy E of the wheelchair 100 additionally takes place as a function of a detected or determined weight.
  • Equation (2) contains a height ⁇ ( ⁇ ( ⁇ )) of a common center of gravity
  • the height ⁇ ( ⁇ ( ⁇ )) is determined as a function of the tilt angle ⁇ ( ⁇ ) and two constants ki, k2.
  • the two constants ki and k2 and the weight nriRoiistuhi of the wheelchair 100 are stored in a memory of the control unit 105.
  • a calculation of the translational energy E tra ns of the wheelchair 100 with respect to the speed v (t) of the wheelchair 100 includes equation (3).
  • a calculation of the rotational energy E ro t of the wheelchair 100 as a function of the rate of rotation ⁇ (t) comprises equation (4), wherein an inertia moment Js of the wheelchair 100 with respect to the center of gravity 350, a mass nriRoiistuhi the roll ⁇ chair 100 and a mass nriRoiistuhimother of wheelchair user 360 as well as two Kon ⁇ constants are stored in a memory of the control unit 105 k3, and k. 4
  • a fourth step 840 the determined energy E is compared with a limit value EGrenzwert. If the determined energy E exceeds the limit value EGrenzwert, in a sixth step 860 of the electric motor 104 is driven by the control unit 105 with a torque M.
  • a manual torque of the wheelchair user is detected in a step 850 and the control 860 of the electric motor 104 additionally takes place as a function of the detected torque MRoistuhimother of the wheelchair user 360.
  • the limit value EGrenzwert can correspond to the potential energy E po t at the balancing angle ⁇ , see equation (5).
  • the balancing angle ⁇ o is a tilt angle ⁇ ( ⁇ ) in which the center of gravity 350 of the wheelchair 100 including a wheelchair user 360 lies above the axis 106 of the at least one drive wheel 101.
  • control unit (105) can determine the balancing angle ⁇ by means of a balancing angle determination method.
  • the limit E limit value comprises a sum of the potential energy E po t at the balance angle l J 0 and an excess energy E a , see equation 6.
  • the allowable excess energy E a can be, for example, between 0.5 to 3 joules be. If the threshold value EGrenzwert is a sum of the potential energy E po t at the balancing angle l J o and an excess energy E a , then a good compromise is advantageously realized from the reduction of the tip-over risk and an agile driving behavior for the wheelchair user 360.
  • the torque generated by the control acts in this direction with the direction of rotation forward and against the positive tilting torque of the wheelchair, i. the torque M of the electric motor is always negative in this document.
  • the control 860 of the electric motor 104 to generate a torque M for energy reduction or against the movement of the Wheelchair 100 as a function of the energy difference ⁇ from the determined energy E of the wheelchair 100 and the limit value EGrenzwert, see equation (7.1) and equation (7.2). It can be provided constants ci and C2.
  • the derivative of the torque M generated by the control 860 after the energy difference ⁇ is negative.
  • the negative torque M of the electric motor 104 is increased in magnitude with increasing energy difference ⁇ of the current energy E to the limit value EGrenzwert.
  • the dependence of the torque M generated by the electric motor by means of the control 860 on the energy difference ⁇ can be implemented linearly or alternatively quadratically or, for example, also in higher polynomials.
  • the control 860 of the electric motor 104 to generate a torque M for energy reduction or against the movement of the wheelchair 100 in response to an angular distance ⁇ of the current tilt angle ⁇ ( ⁇ ) to the Balancierwinkel ⁇ , see equation (8.1) and equation (8.2).
  • constants ci and C3 can be provided.
  • the derivative of the torque M generated by the control 860 of the electric motor 104 after the angular distance ⁇ is negative.
  • the negative torque M of the electric motor 104 is increased as the angular distance ⁇ of the actual tilt angle ⁇ ( ⁇ ) with respect to the balance angle ⁇ increases.
  • the dependence of the torque M generated by the electric motor by means of the control 860 of the angular distance ⁇ can be realized linearly or alternatively quadratically or for example also in higher polynomials.
  • control unit 105 determines a quotient Q as a function of the energy difference ⁇ and the angular separation ⁇ , as described for example in equation (9.1).
  • the control 860 of the electric motor 104 for generating a torque M for energy reduction or against the movement of the wheelchair 100 takes place in this continuation depending on the determined quotient Q, see equation (9.2).
  • constants ci and c 4 can be provided.
  • the first threshold Si for the energy difference ⁇ and / or when exceeding a second threshold value S2 for the angular distance ⁇ .
  • the control 860 of the electric motor 104 to generate a torque M2 for energy reduction or against the movement of the wheelchair 100 also takes place in response to a detected, manually applied by the wheelchair user 360 torque MRoiistuhiposed, see equation (10).
  • the generated torque M2 is thus determined as a function of the torque Mi, which is determined, for example, according to equation (7.2), (8.2) or (9.2), and depending on the torque applied manually by the wheelchair user 360 MRoiistuhi restroom.
  • the torque MRoist driver of the wheelchair ⁇ driver 360 can be positive or negative.
  • a positive torque of the wheelchair user MRI taxi driver 360 accelerates the wheelchair 100 in the forward direction and can, among other things, lead to a rearward tilting or tipping over of the wheelchair 100.
  • a negative torque MRoist driver of the wheelchair user 360 accelerates the wheelchair 100 in the reverse direction and counteracts a wheelchair 100 tipping over.
  • FIG. 9 shows a control unit according to the invention which carries out the method according to the invention.
  • the control unit 105 comprises at least one arithmetic unit 902.
  • the arithmetic unit 902 detects a sensor signal of a sensor 110.
  • the sensor signal represents a movement variable of the wheelchair 100.
  • the arithmetic unit 902 generates an output signal for controlling an electric motor 104 of a wheelchair 100 as a function of the detected amount of movement , wherein by driving the electric motor 104, a torque M or M2 to the drive wheel 101 of the wheelchair 100 supplies.
  • the control unit may additionally have a receiving unit 901 and / or an output unit 903 and / or a memory 904.
  • a portable computer is attached to the wheelchair 100.
  • a portable computer as control unit 105 may be, for example, a smartphone.
  • the computer as a control unit 105 can also have at least one sensor 110 for the method according to the invention.
  • the display can be realized visually on a display device. Alternatively, the display can also be acoustically sounded by a signal tone via a loudspeaker or alternatively by haptic means by at least one actuator on at least one of the power transmission device 102 and / or on the wheelchair frame.

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Abstract

The invention relates to a method and a device for predicatively actuating an electric motor in order to reduce the risk of a wheelchair overturning. An overturning occurs if the wheelchair is rotated about the axis of the drive wheel. In the method, at least one movement variable is detected. Furthermore, the energy of the wheelchair is ascertained on the basis of the at least one movement variable, and the ascertained energy is compared with a threshold. If the ascertained energy is greater than the threshold, a controller of the wheelchair actuates an electric motor against the movement of the wheelchair such that the energy of the wheelchair, and thus the risk of the wheelchair overturning, is reduced.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Verfahren und Vorrichtung zur prädiktiven Ansteuerung eines Elektromotors zur Risikoreduzierung des Umkippens eines Rollstuhls  Method and device for the predictive control of an electric motor to reduce the risk of tipping over a wheelchair
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur prädiktiven Ansteuerung eines Elektromotors zur Risikoreduzierung des Umkippens eines Rollstuhls. Außerdem betrifft die Erfindung ein Steuergerät und ein Computerprogramm, welche das Verfahren ausführen, sowie einen Rollstuhl mit erfindungsgemäßem Steuergerät. The present invention relates to a method for the predictive control of an electric motor for reducing the risk of tipping over a wheelchair. In addition, the invention relates to a control device and a computer program that perform the method, as well as a wheelchair with inventive control device.
Stand der Technik State of the art
Es ist bekannt, dass beispielsweise beim Bremsen eines Rollstuhls in Rückwärtsfahrt ein Kipp-Drehmoment um die Achse des Antriebsrades in Abhängigkeit einer Schwerpunktlage erzeugt wird. Dieses Kipp-Drehmoment kann zum Umkippen des Rollstuhls führen. Das Kipp-Drehmoment resultiert aus der Lage des gemeinsamen Schwerpunktes des Rollstuhls inkl. dem Rollstuhlfahrer sowie einer Summe der folgenden Kräfte bzw. Drehmomente: Die Schwerkraft des Rollstuhls inkl. dem Rollstuhlfahrer, die am Schwerpunkt durch eine Beschleunigung des Rollstuhls wirkende Kraft, die manuelle Kraft des Rollstuhlfahrers auf die Kraftübertragungsvorrichtung und/oder gegebenenfalls ein Drehmoment eines Elektromotors. Je weiter hinten und je höher der Rollstuhlfahrer sitzt, sowie je schneller der Rollstuhl in Rückwärtsfahrt ist, desto größer wird beispielsweise das Kipp-Drehmoment und desto wahrscheinlicher ist ein Umkippen. Auch in Vorwärtsfahrt kann ein Rollstuhl durch abrupte Beschleunigung nach vorne und Gewichtsverlagerung des Oberkörpers nach hinten umkippen. Die Umkippgefahr nach hinten steigt außerdem bei einer Auffahrt am Hang, weil die Lage des Schwerpunktes vom Rollstuhl inklusive dem Rollstuhlfahrer durch die Schrägstellung des Rollstuhls am Hang nach hinten verschoben ist. Ein Rollstuhl mit einem Elektromotor ist durch die Schrift DE 10 2008 002 993 B3 offenbart. Bei dem Rollstuhl wird eine von einem Rollstuhlfahrer manuell in einen Greifring eines Antriebsrades eingeleitete Kraft durch Sensoren gemessen. In Abhängigkeit der gemessenen Kraft wird mittels eines Elektromotors zusätzlich zum manuellen Antriebsmoment ein maschinelles Antriebsmoment auf die Antriebsräder des Rollstuhls aufgebracht. It is known that, for example, when braking a wheelchair in reverse, a tilting torque is generated about the axis of the drive wheel in response to a center of gravity. This tilting torque can lead to tipping over of the wheelchair. The tilting torque results from the position of the common center of gravity of the wheelchair including the wheelchair user and a sum of the following forces or torques: The gravity of the wheelchair including the wheelchair user, the force acting on the center of gravity by an acceleration of the wheelchair, the manual force the wheelchair user on the power transmission device and / or optionally a torque of an electric motor. The farther back and the higher the wheelchair user sits, as well as the faster the wheelchair is in reverse, the greater, for example, the tipping torque and the more likely a tipping over. Even when driving forward, a wheelchair can tip over due to abrupt acceleration forward and weight shift of the upper body to the rear. The risk of tipping over to the rear also increases in a driveway on a slope, because the position of the center of gravity of the wheelchair including the wheelchair user is displaced by the inclination of the wheelchair on the slope to the rear. A wheelchair with an electric motor is disclosed by the document DE 10 2008 002 993 B3. In the wheelchair, a force manually introduced by a wheelchair user into a gripping ring of a drive wheel is measured by sensors. Depending on the measured force, a machine drive torque is applied to the drive wheels of the wheelchair by means of an electric motor in addition to the manual drive torque.
In den Schriften US 5,701,965 und DE 600 21 709 T2 ist ein elektrischer Rollstuhl offenbart, welcher eine selbstständiges Balancierfunktion durch Vorwärtsoder Rückwärtsfahrt realisiert. In the documents US 5,701,965 and DE 600 21 709 T2 an electric wheelchair is disclosed which realizes an independent balancing function by forward or reverse travel.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur prädiktiven Ansteuerung eines Elektromotors zur Risikoreduzierung des Umkippens eines Rollstuhls. Außerdem betrifft die Erfindung ein Steuergerät und ein Computerprogramm, welche das Verfahren ausführen, sowie einen Rollstuhl mit erfindungsgemäßem Steuergerät. The present invention relates to a method for the predictive control of an electric motor for reducing the risk of tipping over a wheelchair. In addition, the invention relates to a control device and a computer program that perform the method, as well as a wheelchair with inventive control device.
Die vorliegende Erfindung beansprucht einen Rollstuhl mit einem Steuergerät zur prädiktiven Ansteuerung eines Elektromotors zur Risikoreduzierung des Umkippens eines Rollstuhls. Der erfindungsgemäße Rollstuhl umfasst zumindest ein Antriebsrad mit einer Achse, um die sich das Antriebsrad zur Fortbewegung dreht, sowie mindestens ein Vorderrad. Das Antriebsrad weist außerdem eine Kraftübertragungsvorrichtung zur manuellen Kraftübertragung auf. Die Kraftübertragungsvorrichtung kann beispielsweise als Greifring oder als Hebelvorrichtung ausgestaltet sein. Des Weiteren weist der Rollstuhl mindestens einen Aktor zum Bremsen des Antriebsrades und/oder einen Elektromotor zum Aufbringen eines Drehmomentes auf das Antriebsrad des Rollstuhls auf. Außerdem ist ein elektronisches Steuergerät am Rollstuhl angeordnet. Zusätzlich weist der Rollstuhl mindestens einen Sensor auf. Der Sensor ist beispielsweise ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor, ein Abstandssensor und/oder ein Ortssensor. Der Ortsensor kann beispielsweise ein GPS-Sensor sein. Der mindestens eine Sensor erfasst eine Bewegungsgröße, welche die Bewegung des Rollstuhls repräsentiert. Es können zusätzlich weitere Sensoren, wie ein Gewichtssensor und/oder ein Drucksensor am Rollstuhl angeordnet sein. Der erfindungsgemäße Rollstuhl ist dazu eingerichtet das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Der Rollstuhl reduziert vorteilhafterweise das Risiko eines Umkippens mittels eines durch einen Elektromotor erzeugten Drehmoments. The present invention claims a wheelchair with a control unit for the predictive control of an electric motor for reducing the risk of tipping over a wheelchair. The wheelchair according to the invention comprises at least one drive wheel with an axis about which the drive wheel rotates for locomotion, and at least one front wheel. The drive wheel also has a power transmission device for manual power transmission. The power transmission device may be configured, for example, as a gripping ring or as a lever device. Furthermore, the wheelchair has at least one actuator for braking the drive wheel and / or an electric motor for applying a torque to the drive wheel of the wheelchair. In addition, an electronic control unit is arranged on the wheelchair. In addition, the wheelchair has at least one sensor. The sensor is, for example, an acceleration sensor, a rotation rate sensor, a distance sensor and / or a location sensor. The location sensor may be, for example, a GPS sensor. The at least one sensor detects a movement amount representing the movement of the wheelchair. There may be additional sensors, such as a weight sensor and / or a pressure sensor to be arranged on the wheelchair. The wheelchair according to the invention is adapted to carry out the method according to the invention. The wheelchair advantageously reduces the risk of overturning by means of a torque generated by an electric motor.
Ein Kippen des Rollstuhls liegt vor, wenn der Rollstuhl um die Achse des Antriebsrades mit oder ohne Fahrt gedreht wird. Dabei verliert ein Vorderrad den Kontakt zum Boden. Ein vollständiges Umkippen liegt vor, wenn der Rollstuhl soweit um die Achse des Antriebsrades nach hinten kippt, dass das Rollstuhlge- stell den Boden berührt. Beispielsweise berühren die Rückenlehne und/oder dieTilting of the wheelchair occurs when the wheelchair is rotated about the axis of the drive wheel with or without drive. A front wheel loses contact with the ground. A complete overturning occurs when the wheelchair tilts backwards so far around the axis of the drive wheel that the wheelchair frame touches the ground. For example, the backrest and / or the touch
Handgriffe zum Anschieben des Rollstuhls beim vollständigen Umkippen den Boden. Das Umkippen ist gefährlich, weil dabei beispielsweise der Kopf des Rollstuhlfahrers am Boden aufschlagen kann. Die vorliegende Erfindung beansprucht des Weiteren ein Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Das Steuergerät umfasst wenigstens eine Recheneinheit. Die Recheneinheit erfasst mindestens eine Größe, welche eine Bewegungsgröße des Rollstuhls repräsentiert. Außerdem erzeugt die Recheneinheit ein Ausgangssignal in Abhängigkeit der er- fassten Bewegungsgrößen bzw. in Abhängigkeit eines Vergleichs einer ermittelten Energie des Rollstuhls mit einem Grenzwert. Bei Überschreitung des Grenzwerts bewirkt das Ausgangssignal eine Ansteuerung des Elektromotors, wodurch ein Drehmoment auf ein Antriebsrad erzeugt wird. Des Weiteren kann das Steuergerät eine Empfangseinheit und eine Ausgabeeinheit aufweisen. Handles to push the wheelchair when completely overturning the floor. The tipping is dangerous, because for example, the head of the wheelchair user can hit the ground. The present invention further claims a control device which is adapted to carry out the method according to the invention. The control unit comprises at least one arithmetic unit. The arithmetic unit detects at least one variable representing a movement amount of the wheelchair. In addition, the arithmetic unit generates an output signal as a function of the detected movement variables or as a function of a comparison of a determined energy of the wheelchair with a limit value. If the limit is exceeded, the output signal causes a control of the electric motor, whereby a torque is generated on a drive wheel. Furthermore, the control unit may have a receiving unit and an output unit.
Die vorliegende Erfindung beansprucht außerdem das Verfahren zur prädiktiven Ansteuerung eines Elektromotors zur Risikoreduzierung des Umkippens eines Rollstuhls. Dabei wird mindestens eine aktuelle Bewegungsgröße des Rollstuhls erfasst. Außerdem wird eine aktuelle Energie des Rollstuhls in Abhängigkeit der erfassten Bewegungsgröße ermittelt. Die ermittelte Energie des Rollstuhls wird in einem weiteren Schritt mit einem Grenzwert verglichen. Bei einer Energie größer oder gleich dem Grenzwert, erfolgt eine Ansteuerung des Elektromotors zur Erzeugung eines Drehmoments auf das Antriebsrad des Rollstuhls, wobei das Drehmoment des Elektromotors die Energie des Rollstuhls reduziert. Beispiels- weise erzeugt der Elektromotor ein Drehmoment zum Bremsen einer Vorwärts- fahrt. Damit weist das Verfahren den Vorteil auf, dass die aktuelle Energie des Rollstuhls begrenzt wird, so dass das Risiko eines Umkippens des Rollstuhls reduziert wird. Die Sicherheit des Rollstuhlfahrers wird also erhöht, wobei der Rollstuhlfahrer alle typischen Fahrmanöver eines Rollstuhls weiterhin durchführen kann, wie beispielsweise ein Ankippen zum Überwinden kleinerer Hindernisse. The present invention also claims the method of predictively driving an electric motor to reduce the risk of tipping over a wheelchair. At least one current movement size of the wheelchair is detected. In addition, a current energy of the wheelchair is determined as a function of the detected amount of movement. The determined energy of the wheelchair is compared in a further step with a limit. At an energy greater than or equal to the limit, there is a control of the electric motor for generating a torque to the drive wheel of the wheelchair, wherein the torque of the electric motor reduces the energy of the wheelchair. For example, the electric motor generates a torque for braking a forward journey. Thus, the method has the advantage that the current energy of the wheelchair is limited, so that the risk of tipping over of the wheelchair is reduced. The safety of the wheelchair user is thus increased, whereby the wheelchair user can continue to perform all typical driving maneuvers of a wheelchair, such as tipping to overcome smaller obstacles.
In einer Ausführung der Erfindung wird in einem weiteren Schritt des Verfahrens zusätzlich ein manuelles Drehmoment des Rollstuhlfahrers erfasst. Das manuelle Drehmoment entsteht durch eine Krafteinwirkung des Rollstuhlfahrers auf eine Kraftübertragungsvorrichtung. Die Ansteuerung des Elektromotors zur Erzeugung eines Drehmoments erfolgt in dieser Ausführung in Abhängigkeit des erfassten manuellen Drehmoments des Rollstuhlfahrers. Beispielsweise wird durch die Ansteuerung des Elektromotors das Drehmoment des Elektromotors um das erfasste Drehmoment des Rollstuhlfahrers betragsmäßig reduziert, wodurch ein manuelleres Fahrgefühl entsteht. In one embodiment of the invention, a manual torque of the wheelchair user is additionally detected in a further step of the method. The manual torque is created by a force of the wheelchair user on a power transmission device. The control of the electric motor for generating a torque takes place in this embodiment depending on the detected manual torque of the wheelchair user. For example, the torque of the electric motor is reduced by the detected torque of the wheelchair user in terms of amount by the control of the electric motor, whereby a more manual feel is created.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird als Bewegungsgröße ein Kippwinkel des Rollstuhls um die Achse des Antriebsrades erfasst. Die Energie des Rollstuhls wird in Abhängigkeit des erfassten Kippwinkels ermittelt. Die ermittelte Energie umfasst dabei insbesondere eine potentielle Energie. Die ermittelte potentielle Energie ist aufzubringen um den Rollstuhl in den erfassten Kippwinkel zu kippen bzw. anzuheben. Die Erfassung des Kippwinkels weist den Vorteil auf, dass die Kipplage des Rollstuhls als eine potentielle Energie zur Ansteuerung des Elektromotors berücksichtigt wird. In a preferred embodiment, a tilt angle of the wheelchair about the axis of the drive wheel is detected as a movement variable. The energy of the wheelchair is determined as a function of the detected tilt angle. In particular, the determined energy comprises a potential energy. The determined potential energy must be applied in order to tilt or raise the wheelchair to the detected tilt angle. The detection of the tilt angle has the advantage that the tilting position of the wheelchair is considered as a potential energy for driving the electric motor.
Ein Kippwinkel des Rollstuhls liegt beispielsweise in einer orthogonalen Ebene zu einer Bezugsebene und zwischen der Bezugsebene und einer um eine Achse gekippten Bezugsebene. Die Bezugsebene ist bevorzugt eine senkrechte Ebene zur Richtung der Gewichtskraft. Die Drehachse eines Sensors zum Erfassen des Kippwinkels liegt vorteilhafterweise parallel zur Achse des Antriebsrades des Rollstuhls, weil die Drehung beim Kippen um die Achse des Antriebsrades erfolgt. Die Bezugsebene und die Drehachse können durch die Anordnung einer inertialen Messeinheit am Rollstuhl definiert werden. In einer anderen, bevorzugten Ausgestaltung wird eine Drehrate des Rollstuhls um die Achse des Antriebsrades erfasst. Außerdem erfolgt eine Ermittlung der Energie des Rollstuhls in Abhängigkeit der erfassten Drehrate als rotatorische Energie. Die rotatorische Energie ist eine kinetische Energie. Die Ermittlung der Energie in Abhängigkeit einer erfassten Drehrate weist den Vorteil auf, dass derFor example, a tilt angle of the wheelchair is in an orthogonal plane to a reference plane and between the reference plane and a reference plane tilted about an axis. The reference plane is preferably a vertical plane to the direction of the weight. The axis of rotation of a sensor for detecting the tilt angle is advantageously parallel to the axis of the drive wheel of the wheelchair, because the rotation takes place when tilting about the axis of the drive wheel. The reference plane and the axis of rotation can be defined by the arrangement of an inertial measuring unit on the wheelchair. In another preferred embodiment, a rate of rotation of the wheelchair is detected about the axis of the drive wheel. In addition, a determination of the energy of the wheelchair as a function of the detected rotation rate takes place as a rotational energy. The rotational energy is a kinetic energy. The determination of the energy as a function of a detected rotation rate has the advantage that the
Elektromotor bei einer zu schnellen Drehung des Rollstuhls angesteuert wird, so dass ein Drehmoment des Elektromotors entgegen des Kipp-Drehmomentes erzeugt und die Drehrate somit reduziert wird. In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung wird eine Geschwindigkeit desElectric motor is driven at too fast rotation of the wheelchair, so that generates a torque of the electric motor against the overturning torque and the rotation rate is thus reduced. In a further preferred embodiment, a speed of
Rollstuhls in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung erfasst. Die Ermittlung der Energie des Rollstuhls erfolgt in Abhängigkeit der erfassten Geschwindigkeit. Die ermittelte Energie umfasst insbesondere eine translatorische Energie. Die translatorische Energie ist eine kinetische Energie. Die Ansteuerung des Elektromotors führt in dieser Ausgestaltung zu einem Bremsen der Fahrt des Rollstuhls. DieseWheelchair detected in the forward or reverse direction. The determination of the energy of the wheelchair takes place depending on the detected speed. The determined energy comprises in particular a translatory energy. The translational energy is a kinetic energy. The control of the electric motor leads in this embodiment to a braking of the drive of the wheelchair. These
Ausgestaltung weist demnach den Vorteil auf, dass die translatorische Energie durch das Verfahren begrenzt wird. Embodiment therefore has the advantage that the translational energy is limited by the method.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die aktuelle Energie des Rollstuhls als Summe aus der potentiellen Energie und der kinetischen Energie ermittelt. Die kinetische Energie umfasst dabei eine Summe aus der ermittelten translatorischen Energie und der ermittelten rotatorischen Energie des Rollstuhls. Die potentielle Energie ist aufzubringen um den Rollstuhl in den aktuellen Kippwinkel zu drehen. Die translatorische Energie repräsentiert die Energie die durch eine Fahrt des Rollstuhls mit einer Geschwindigkeit nach vorne oder hinten realisiert wird. Die rotatorische Energie repräsentiert die Energie die durch eine Drehung des Rollstuhls um die Achse des Antriebsrades nach hinten, d.h. ein Kippen, realisiert wird. Die einzelnen Energie-Summanden können dabei auch Null sein. Beispielsweise ist dies für die potentielle Energie bei gerader Fahrt auf vier Rädern der Fall. Für diese Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zweiIn a particularly preferred embodiment, the current energy of the wheelchair is determined as the sum of the potential energy and the kinetic energy. The kinetic energy comprises a sum of the determined translational energy and the determined rotational energy of the wheelchair. The potential energy is to raise the wheelchair to the current tilt angle. The translational energy represents the energy that is realized by a drive of the wheelchair at a speed forward or backward. The rotational energy represents the energy generated by a rotation of the wheelchair about the axis of the drive wheel to the rear, i. a tilting, is realized. The individual energy summands can also be zero. For example, this is the case for the potential energy when driving straight on four wheels. For this embodiment of the invention are at least two
Sensoren am Rollstuhl angeordnet. Bevorzugt sind mindestens drei Sensoren bzw. ein Sensorsystem, wie eine inertiale Messeinheit, am Rollstuhl angeordnet und es werden wenigstens drei unterschiedliche Bewegungsgrößen erfasst. Die Berücksichtigung verschiedener Bewegungsgröße beziehungsweise verschiede- ner Energien und deren Aufsummierung zur Ermittlung der gesamten Energie des Rollstuhls zur Ansteuerung des Elektromotors reduzieren das Risiko eines Umkippens des Rollstuhls besonders effektiv. Sensors arranged on the wheelchair. At least three sensors or a sensor system, such as an inertial measuring unit, are preferably arranged on the wheelchair and at least three different quantities of motion are detected. The consideration of different movement quantities or different energies and their summation for the determination of the total energy the wheelchair to control the electric motor reduce the risk of tipping over the wheelchair particularly effective.
In einer Weiterführung der Erfindung wird ein Gewicht des Rollstuhlfahrers durch mindestens einen weiteren Sensor oder mittels eines Eingabegerätes erfasst. Die Ermittlung der Energie des Rollstuhls erfolgt in dieser Weiterführung der Erfindung in Abhängigkeit des erfassten Gewichtes des Rollstuhlfahrers. Der Vorteil ist eine genauere Ermittlung der Energie des Rollstuhls inklusive dem Rollstuhlfahrer. Das Gewicht des Rollstuhlfahrers kann dabei einmalig erfasst und in einem elektronischen Speicher des Steuergerätes gespeichert werden. In a further development of the invention, a weight of the wheelchair user is detected by at least one further sensor or by means of an input device. The determination of the energy of the wheelchair takes place in this continuation of the invention as a function of the detected weight of the wheelchair user. The advantage is a more accurate determination of the energy of the wheelchair including the wheelchair user. The weight of the wheelchair user can be recorded once and stored in an electronic memory of the control unit.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Grenzwert der Energie gleich der potentiellen Energie am Balancierwinkel. Der Balancierwinkel ist ein Kippwinkel. Am Balancierwinkel liegt ein Schwerpunkt des Rollstuhls inklusive dem Rollstuhlfahrer über der Achse des mindestens einen Antriebsrades. Wenn der Grenzwert gleich der potentiellen Energie am Balancierwinkel ist, wird der Elektromotor zur Erzeugung eines Drehmoments entgegen der Vorwärtsfahrtrichtung angesteuert. Somit ist das Risiko einer Überschreitung der Energie des Rollstuhls über die potentielle Energie am Balancierwinkel, welche aufzubringen ist um den Rollstuhl in den Balancierwinkel zu kippen, wesentlich reduziert. Der Balancierwinkel kann mit einem optionalen Balancierwinkelermittlungsverfahren erfasst werden. In an alternative embodiment of the invention, the energy limit is equal to the potential energy at the balance angle. The balance angle is a tilt angle. At the balancing angle is a focus of the wheelchair including the wheelchair user on the axis of the at least one drive wheel. When the threshold is equal to the potential energy at the balance angle, the electric motor is driven to generate torque against the forward drive direction. Thus, the risk of exceeding the energy of the wheelchair over the potential energy at the balance angle which is to be applied to tilt the wheelchair into the balancing angle is substantially reduced. The balance angle can be detected with an optional balance angle determination method.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung umfasst der Grenzwert der Energie des Rollstuhls eine Summe aus der potentiellen Energie am Balancierwinkel und einer Überschussenergie. Bevorzugt ist die Überschussenergie allerdings nur so hoch, dass das Kippen nach hinten nach dem Überschreiten des Balancierwinkels sehr langsam erfolgt. Der Rollstuhlfahrer hat demnach Zeit durch manuelle Krafteinwirkung auf die Kraftübertragungsvorrichtung ein Umkippen zu vermeiden. Die erlaubte Überschussenergie kann zu diesem Zwecke beispielsweise 0,1 bis 3 Joule betragen. Dadurch wird vorteilhafterweise ein guter Kompromiss aus einer Risikoreduzierung des Umkippens des Rollstuhls und einem agilen Fahrverhalten für den Rollstuhlfahrer realisiert. Gemäß eines weiteren Aspekts kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit eines Winkelabstands des aktuellen Kippwinkels zum Balancierwinkel und/oder einer Differenz der Energie des Rollstuhls zum Grenzwert erfolgt. Dadurch wird der Rollstuhl durch den Elektromotor bei hohen Energien des Rollstuhls bzw. erst beim Kippen angesteuert. Die Ansteuerung des Elektromotors kann dabei auch derart erfolgen, dass beispielsweise eine Kraftunterstützung des Rollstuhlfahrers, wie in DE 10 2008 002 993 B3 beschrieben, z.B. in der Nähe des Balancierwinkels deaktiviert wird. Dadurch wird für den Rollstuhlfahrer vorteilhafterweise ein guter Kompromiss aus einer Reduzierung des Umkipprisikos und einem agilen Fahrverhalten des Rollstuhls realisiert. In a preferred refinement of the invention, the limit value of the energy of the wheelchair comprises a sum of the potential energy at the balancing angle and an excess energy. However, the excess energy is preferably only so high that the tilting backwards takes place very slowly after exceeding the balancing angle. The wheelchair user has therefore time to avoid tipping over by manual force on the power transmission device. The allowable excess energy may be for this purpose, for example, 0.1 to 3 joules. As a result, a good compromise is advantageously realized from a risk reduction of tipping over the wheelchair and an agile driving behavior for the wheelchair user. According to a further aspect, it may be provided that the control of the electric motor takes place as a function of an angular distance of the current tilt angle to the balancing angle and / or a difference of the energy of the wheelchair to the limit value. As a result, the wheelchair is driven by the electric motor at high energies of the wheelchair or only when tilting. The control of the electric motor can also take place in such a way that, for example, a force assistance of the wheelchair user, as described in DE 10 2008 002 993 B3, for example, is deactivated in the vicinity of the Balancierwinkels. As a result, a good compromise is advantageously realized for the wheelchair user from a reduction in the tip-over risk and an agile driving behavior of the wheelchair.
Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung des Elektromotors nur bei einem Winkelabstand des aktuellen Kippwinkels zum Balancierwinkel kleiner einem Schwellenwert, dem so genannten Ansteuerabstand. Der Ansteuerabstand als Schwellenwert liegt insbesondere zwischen 5° bis 10°. Der Ansteuerabstand kann optional vom Rollstuhlfahrer manuell eingestellt werden. Preferably, the control of the electric motor takes place only at an angular distance of the current tilt angle to Balancierwinkel smaller than a threshold value, the so-called drive distance. The drive distance as a threshold is in particular between 5 ° to 10 °. The control distance can optionally be set manually by the wheelchair user.
Vorteilhafterweise wird in einer Weiterführung dieses Aspektes eine Energiedifferenz aus der Energie des Rollstuhls und dem zugeordneten Grenzwert ermittelt. Außerdem wird ein Quotient aus der ermittelten Energiedifferenz und dem Winkelabstand des aktuellen Kippwinkels zum Balancierwinkel ermittelt. Die Ansteuerung des Elektromotors erfolgt dann in Abhängigkeit des ermittelten Quotienten. Diese Weiterführung erlaubt beispielsweise ein leichtes Ankippen der Vorderräder mit einer schnellen Drehrate und einem selbstständigen, manuellen Abbremsen ohne dass der Elektromotor angesteuert wird. Ein solches Ankippen ist zum Überwinden von Hindernissen erforderlich. Diese Weiterführung erlaubt beispielsweise auch eine schnellere Rückwärtsfahrt, solange dabei der Kippwinkel niedrig ist. Advantageously, in a continuation of this aspect, an energy difference from the energy of the wheelchair and the associated limit value is determined. In addition, a quotient of the determined energy difference and the angular distance of the current tilt angle to the balance angle is determined. The control of the electric motor then takes place as a function of the determined quotient. This continuation allows, for example, a slight tilting of the front wheels with a fast rotation rate and an independent, manual braking without the electric motor is driven. Such tilting is required to overcome obstacles. This continuation allows, for example, a faster reverse drive, as long as the tilt angle is low.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm, welches das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, und ein elektrisches Speichermedium mit dem Computerprogramm. Kurze Beschreibung der Zeich The present invention also relates to a computer program implementing the method according to the invention and to an electrical storage medium with the computer program. Short description of the character
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungs- formen und beigefügter Zeichnungen erläutert. The present invention will be explained below with reference to preferred embodiments and attached drawings.
Figur la: Skizze eines Rollstuhls mit Greifring in Seitenansicht Figure la: sketch of a wheelchair with gripping ring in side view
Figur lb: Skizze eines Rollstuhls mit Hebelvorrichtung in Seitenansicht Figure lb: sketch of a wheelchair with lever device in side view
Figur 2: Sensorsystem einer inertialen Messeinheit umfassend mehrere FIG. 2: sensor system of an inertial measuring unit comprising a plurality
Sensoren  sensors
Figur 3: Skizze eines Rollstuhls auf allen vier Rädern stehend Figure 3: Sketch of a wheelchair standing on all four wheels
Figur 4: Skizze eines Rollstuhls am Balancierwinkel Figure 4: Sketch of a wheelchair at Balancierwinkel
Figur 5: Skizze bei einem Kippwinkel größer dem Balancierwinkel Figure 5: Sketch at a tilt angle greater than the Balancierwinkel
Figur 6: parallele Krafteinleitung von manueller Kraft und Motorkraft am FIG. 6: parallel introduction of force of manual force and engine power on
Antriebsrad  drive wheel
Figur 7: Flussdiagramm der parallelen Krafteinleitung FIG. 7: Flow chart of the parallel introduction of force
Figur 8: Flussdiagramm des Verfahrens FIG. 8: flow chart of the method
Figur 9: Erfindungsgemäßes Steuergerät FIG. 9: Control unit according to the invention
Ausführungsbeispiele In Figur la ist ein Rollstuhl 100 dargestellt, welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren des prädiktiven Kippwächter-Betriebsmodus eines Rollstuhls 100 ausführt. Der Rollstuhl 100 umfasst zwei Antriebsräder 101 mit jeweils einer Kraftübertragungseinrichtung 102. In diesem Fall ist die Kraftübertragungseinrichtung 102 ein Greifring. Am Rollstuhl 100 sind außerdem zwei Vorderräder 103 angeordnet. In Figur la ist der Rollstuhl 100 in Seitenansicht abgebildet, d.h. es sind das rechte Antriebsrad 101 mit der rechten Kraftübertragungseinrichtung 102 und das rechte Vorderrad 103 sowie ein Rollstuhlgestell mit Sitz zu erkennen. Der Rollstuhl 100 weist des Weiteren ein Steuergerät 105 und einen Elektromotor 104 sowie mindestens einen Sensor 110 auf. Außerdem ist eine Achse 106 zu erkennen. Die Achse 106 kommt senkrecht aus der Zeichenebene heraus und ist parallel zur x- Achse, d.h. die Achse 106 ist orthogonal zur y-Achse und orthogonal zur z- Achse. Die z-Achse stellt die Hochachse und die y-Achse stellt die Vorwärtsrichtung für den Rollstuhl im mathematischen Rechtssystem dar. EXEMPLARY EMBODIMENTS FIG. 1 a shows a wheelchair 100 which carries out a method according to the invention of the predictive tilt-monitoring operating mode of a wheelchair 100. The wheelchair 100 includes two drive wheels 101 each having a power transmission device 102. In this case, the power transmission device 102 is a gripping ring. On the wheelchair 100 also two front wheels 103 are arranged. In Figure la, the wheelchair 100 is shown in side view, ie it is the right Drive wheel 101 with the right power transmission device 102 and the right front wheel 103 and a wheelchair frame with seat to recognize. The wheelchair 100 further includes a controller 105 and an electric motor 104 and at least one sensor 110. In addition, an axis 106 can be seen. The axis 106 is perpendicular to the plane of the drawing and is parallel to the x-axis, ie, the axis 106 is orthogonal to the y-axis and orthogonal to the z-axis. The z-axis represents the vertical axis and the y-axis represents the forward direction for the wheelchair in the mathematical legal system.
In Figur lb ist ein ähnlicher Rollstuhl 100, wie in Figur la, dargestellt. Der Rollstuhl 100 in Figur lb unterscheidet sich vom Rollstuhl 100 aus Figur la dadurch, dass am Antriebsrad 101 zur manuellen Kraftübertragung als Kraftübertragungseinrichtung 102 eine Hebelvorrichtung statt eines Greifringes angeordnet ist. Auch mit einem Rollstuhl 100 mit einer Hebelvorrichtung als Kraftübertragungseinrichtung 102 wird ein erfindungsgemäßes Verfahren des prädiktiven Kippwächter-Betriebsmodus eines Rollstuhls 100 realisiert. Außerdem sind in Figur lb eine Rückenlehne 107 und ein Handgriff 108 zum Anschieben des Rollstuhls dargestellt. Die Rückenlehne und/oder die Handgriffe zum Anschieben des Rollstuhls berühren beim vollständigen Umkippen des Rollstuhls, d.h. nach hinten, den Boden. In Figure lb, a similar wheelchair 100, as shown in Figure la, is shown. The wheelchair 100 in FIG. 1b differs from the wheelchair 100 of FIG. 1a in that a lever device instead of a gripping ring is arranged on the drive wheel 101 for manual power transmission as a power transmission device 102. Even with a wheelchair 100 with a lever device as a power transmission device 102, a method according to the invention of the predictive tilt-monitoring operating mode of a wheelchair 100 is realized. In addition, a backrest 107 and a handle 108 for pushing the wheelchair are shown in Figure lb. The backrest and / or the handles for pushing the wheelchair touch when completely overturning the wheelchair, i. to the back, the floor.
Der mindestens eine Sensor 110 kann einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor, einen Abstandsensor und/oder einen Ortssensor umfassen, wobei der Ortssensor beispielsweise ein GPS-Sensor ist. Optional können als zusätzliche Sensoren ein Gewichtssensor und/oder einen Drucksensor angeordnet sein. Erfindungsgemäß wird von dem wenigstens einen Sensor 110 mindestens eine Bewegungsgröße erfasst. Die Bewegungsgröße repräsentiert eine Bewegung des Rollstuhls 100. Die Bewegung des Rollstuhls 100 kann eine Vorwärts- oder eine Rückwärtsfahrt und/oder eine Drehung um die Achse des Antriebsrad zum Kippen des Rollstuhls sein. Der Sensor 110 kann bevorzugt eine inertiale Messeinheit umfassen, welche in einem Bauteil mehrere Drehraten- und Beschleunigungssensoren aufweist. The at least one sensor 110 may include an acceleration sensor, a rotation rate sensor, a distance sensor and / or a location sensor, wherein the location sensor is, for example, a GPS sensor. Optionally, a weight sensor and / or a pressure sensor can be arranged as additional sensors. According to the invention, at least one movement variable is detected by the at least one sensor 110. The amount of movement represents a movement of the wheelchair 100. The movement of the wheelchair 100 may be a forward or reverse travel and / or a rotation about the axis of the drive wheel for tilting the wheelchair. The sensor 110 may preferably comprise an inertial measuring unit which has a plurality of rotation rate and acceleration sensors in one component.
In Figur 2 ist eine inertiale Messeinheit als Sensor 110 dargestellt. Der Sensor 110 wird bevorzugt am Rollstuhl 100 so angeordnet, dass die x-Achse parallel zur Achse 106 des mindestens einen Antriebsrades 101 des Rollstuhls 100 liegt. In einem Koordinatensystem der Figur 2 ist zu erkennen, dass von der inertialen Messeinheit Beschleunigungen in drei Raumrichtungen, sowie eine DrehrateFIG. 2 shows an inertial measuring unit as sensor 110. The sensor 110 is preferably arranged on the wheelchair 100 so that the x-axis is parallel to the axis 106 of the at least one drive wheel 101 of the wheelchair 100 is located. In a coordinate system of FIG. 2, it can be seen that accelerations in three spatial directions as well as a rate of rotation of the inertial measuring unit
Ψ (t) um die x-Achse und eine Drehrate um die z-Achse erfasst werden. DieΨ (t) around the x axis and a yaw rate around the z axis. The
Drehrate Ψ (t) und auch eine Drehbeschleunigung Ψ (t) um eine parallele Achse zur Achse 106 werden damit durch die gezeigte inertiale Messeinheit erfasst. Mittels der Schwerkraft als Referenzwert, welche eine Bezugsebene 300 definiert, und den von der inertialen Messeinheit erfassten Bewegungsgrößen kann die Lage des Sensors 110 im Raum ermittelt werden. Zur Berechnung der Lage können beispielsweise Gleichungen des Kaiman-Filters zur Anwendung kommen. Rate of rotation Ψ (t) and also a rotational acceleration Ψ (t) about a parallel axis to the axis 106 are thus detected by the shown inertial measuring unit. By means of gravity as a reference value, which defines a reference plane 300, and the movement quantities detected by the inertial measuring unit, the position of the sensor 110 in space can be determined. For example, equations of the Kalman filter can be used to calculate the position.
In Figur 3 ist der Rollstuhl 100 mit Rollstuhlfahrer 360 sowie der gemeinsame Schwerpunkt 350 des Rollstuhls 100 inklusive dem Rollstuhlfahrer 360 abgebildet. Es ist außerdem eine Wirkrichtung der Gewichtskraft FG am Schwerpunkt 350 dargestellt. In Figur 3 ist darüber hinaus auch eine senkrecht zur Gewichtskraft FG liegende Bezugsebene 300 des Sensors 110 abgebildet. Der Rollstuhl 100 ist nicht gekippt. Die Vorderräder 103 haben Kontakt zum Boden und der Rollstuhl 100 steht auf den Antriebsrädern 101 und den Vorderrädern 103 auf einer Ebene, beispielweise auf einer horizontalen Ebene. FIG. 3 shows the wheelchair 100 with wheelchair user 360 as well as the common center of gravity 350 of the wheelchair 100 including the wheelchair user 360. In addition, an effective direction of the weight FG at the center of gravity 350 is shown. FIG. 3 also shows a reference plane 300 of the sensor 110 that is perpendicular to the weight FG. The wheelchair 100 is not tilted. The front wheels 103 are in contact with the ground, and the wheelchair 100 stands on the driving wheels 101 and the front wheels 103 on one plane, for example, on a horizontal plane.
In Figur 4 ist der Rollstuhl 100 in gekippter Position dargestellt. Beim Kippen, d.h. einer Drehung des Rollstuhls 100 um die Achse 106 der Antriebsräder, verlieren die Vorderräder 103 den Kontakt zum Boden. Die gekippte Position des Rollstuhls 100 wird durch einen Kippwinkel Ψ(ί) repräsentiert. Der Kippwinkel Ψ(ί) ist zeitabhängig und liegt beispielswiese in einer von der y-Achse und der z-Achse des Sensors 110 aufgespannten orthogonalen Ebene zur Bezugsebene 300 und zwischen einer Bezugsebene 300 und der um die Achse 106 gekippten Bezugsebene 400. Eine inertiale Messeinheit am Rollstuhlgestell erfasst beispielsweise eine Drehung um eine zur Achse 106 parallelen Achse, wobei aus der erfasstenIn Figure 4, the wheelchair 100 is shown in tilted position. When tilting, i. a rotation of the wheelchair 100 about the axis 106 of the drive wheels, the front wheels 103 lose contact with the ground. The tilted position of the wheelchair 100 is represented by a tilt angle Ψ (ί). The tilt angle Ψ (ί) is time-dependent and lies for example in an orthogonal plane spanned by the y-axis and the z-axis of the sensor 110 to the reference plane 300 and between a reference plane 300 and the reference plane 400 tilted about the axis 106. An inertial measurement unit the wheelchair frame detects, for example, a rotation about an axis parallel to the axis 106, wherein from the detected
Drehung der Kippwinkel Ψ(ΐ) des Rollstuhls 100 und die Drehrate Ψ (t) des Rollstuhls 100 beim Kippen um die Achse 106 des Antriebsrads 101 ermittelt werden kann. In Figur 4 ist der gekippte Rollstuhl 100 an einer Kippposition gezeigt, wobei als Kippwinkel Ψ(ί) der Balancierwinkel Ψο realisiert ist. Der Balancierwinkel Ψο liegt vor, wenn der Schwerpunkt 350 des Rollstuhls 100 inklusive dem Rollstuhlfahrer 360 über der Achse 106 liegt. Rotation of the tilt angle Ψ (ΐ) of the wheelchair 100 and the rate of rotation Ψ (t) of the wheelchair 100 when tilting about the axis 106 of the drive wheel 101 can be determined. In FIG. 4, the tilted wheelchair 100 is shown at a tilting position, the tilting angle Ψ (ί) of the balancing angle Ψο being realized. The balance angle Ψο occurs when the center of gravity 350 of the wheelchair 100 including the wheelchair user 360 is above the axis 106.
In Figur 5 ist der Rollstuhl 100 an einem Kippwinkel Ψ(ί) größer dem Balancierwinkel Ψο dargestellt. Bei einem Kippwinkel Ψ(ί) größer dem Balancierwinkel Ψο kippt der Rollstuhl 100 aufgrund eines resultierenden Kipp-Drehmomentes um die Achse 106 nach hinten. Dadurch droht der Rollstuhl 100 nach hinten umzukippen, was für den Rollstuhlfahrer 360 eine gefährliche Situation ist. In Figure 5, the wheelchair 100 at a tilt angle Ψ (ί) is greater than the Balancierwinkel Ψο shown. At a tilt angle Ψ (ί) greater than the Balancierwinkel Ψο the wheelchair 100 tilts due to a resulting tilting torque about the axis 106 to the rear. As a result, the wheelchair 100 threatens to tip over to the rear, which is a dangerous situation for the wheelchair user 360.
In Figur 6 ist ein Antriebsrad 101 des Rollstuhls 100 mit einem Greifring als Kraftübertragungsvorrichtung 102 im Querschnitt abgebildet. Außerdem ist eine mögliche Anordnung des Elektromotors 104 abgebildet. Das Antriebsrad 101 kann über einen mit Luft gefüllten und unter Druck stehenden Reifen 600 verfügen. Des Weiteren ist die Achse 106 des Antriebsrades 101 zu erkennen. Es wird deutlich, dass eine manuelle Kraft des Rollstuhlfahrers 360 auf den Greifring 102 parallel zur maschinellen Antriebskraft des Elektromotors 104 auf das Antriebsrad 101 wirkt. Die beiden Antriebsmomente überlagern sich additiv. Der Rollstuhlfahrer 360 kann also auch entgegen des maschinellen Drehmomentes des Elektromotors 104 eine Kraft auf den Greifring 102, d.h. ein manuelles Drehmoment auf das Antriebsrad 101, aufbringen. FIG. 6 illustrates a drive wheel 101 of the wheelchair 100 with a gripping ring as a force transmission device 102 in cross-section. In addition, a possible arrangement of the electric motor 104 is shown. The drive wheel 101 may have an air-filled and pressurized tire 600. Furthermore, the axis 106 of the drive wheel 101 can be seen. It can be seen that a manual force of the wheelchair user 360 acts on the grip ring 102 in parallel to the driving force of the electric motor 104 on the drive wheel 101. The two drive torques are superimposed additively. The wheelchair user 360 can therefore also counter to the mechanical torque of the electric motor 104, a force on the gripping ring 102, i. a manual torque on the drive wheel 101, apply.
In Figur 7 ist in einem Flussdiagramm die parallele Wirkung der manuellen Kraft des Rollstuhlfahrers 360 und der maschinellen Antriebskraft des Elektromotors 104 auf das Antriebsrad 101 dargestellt. Der Rollstuhlfahrer 360 prägt eine Kraft auf den Greifring 102 am Antriebsrad 101 auf und kann so den Rollstuhl 100 je nach Kraftrichtung nach vorne und nach hinten antreiben. Bei unterschiedlichen Kräften am rechten und linken Antriebsrad 101 ist eine Kurvenfahrt beziehungsweise ein Drehen des Rollstuhls 100 um die Hochachse (z-Achse) möglich. FIG. 7 shows in a flow chart the parallel effect of the manual force of the wheelchair user 360 and the mechanical drive force of the electric motor 104 on the drive wheel 101. The wheelchair user 360 imposes a force on the grip ring 102 on the drive wheel 101 and can thus drive the wheelchair 100 forwards and backwards, depending on the direction of the force. With different forces on the right and left drive wheel 101 is a cornering or rotation of the wheelchair 100 about the vertical axis (z-axis) possible.
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfasst beispielsweise eine inertiale Messeinheit als Sensor 110 eine Drehrate Ψ (t) um die Achse 106 des Antriebsrades 101, wobei die x-Achse des Sensors 110 parallel zur Achse 106 des Antriebsra- des 101, orthogonal zur z-Achse und orthogonal zur y-Achse angeordnet ist. Außerdem wird von einem weiteren Sensor eine Geschwindigkeit v(t) erfasst. Die z- Achse stellt die Hochachse und die y-Achse stellt die Vorwärtsrichtung des Rollstuhls 100 im mathematischen Rechtssystem dar. Das Steuergerät 105 empfängt die Sensorsignale und erfasst die Geschwindigkeit v(t) und die Drehrate Ψ (t) um die Achse 106. Das Steuergerät 105 ermittelt eine kinetische Energie Ekin als Energie E des Rollstuhls 100. Die kinetische Energie Ekin wird als Summe aus einer rotatorischen Energie Erot, welche in Abhängigkeit der Drehrate Ψ (t) bestimmt wird, und einer translatorischen Energie Etrans, welche in Abhängigkeit der Geschwindigkeit v(t) bestimmt wird, ermittelt. Das Steuergerät 105 vergleicht die ermittelte Energie E mit einem Grenzwert EGrenzwert. Der Grenzwert EGrenzwert um - fasst die potentielle Energie Epot, welche zum Kippen des Rollstuhls 100 aus dem Stand beziehungsweise der aktuellen Kipplange in den Balancierwinkel Ψο benötigt wird. Wenn die ermittelte Energie E den Grenzwert EGrenzwert erreicht bzw. überschreitet, erzeugt das Steuergerät 105 ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Elektromotors 104. Dadurch liefert der Elektromotor 104 ein Drehmoment M auf das Antriebsrad 101 des Rollstuhls 100. Das Drehmoment M reduziert dabei die Energie E des Rollstuhls 100. Der Rollstuhlfahrer 360 kann die Bewegung des Rollstuhls 100 dabei durch manuellen Krafteingriff auf die Kraftübertragungseinrichtung 102 beeinflussen. Beispielsweise kann der Rollstuhlfahrer 360 den Rollstuhl 100 noch zusätzlich durch manuellen Krafteingriff abbremsen oder dem Drehmoment M des Elektromotors 104 entgegenwirken. In the method according to the invention, for example, an inertial measuring unit as a sensor 110 detects a rate of rotation Ψ (t) about the axis 106 of the drive wheel 101, the x-axis of the sensor 110 being parallel to the axis 106 of the drive wheel. 101, orthogonal to the z-axis and orthogonal to the y-axis. In addition, a speed v (t) is detected by another sensor. The z axis represents the vertical axis and the y axis represents the forward direction of the wheelchair 100 in the mathematical legal system. The controller 105 receives the sensor signals and detects the speed v (t) and yaw rate Ψ (t) about the axis 106 Control unit 105 determines a kinetic energy Ekin as energy E of the wheelchair 100. The kinetic energy Ekin is calculated as the sum of a rotational energy E ro , which is determined as a function of the rotation rate Ψ (t), and a translatory energy E tr ans is determined as a function of the speed v (t). The controller 105 compares the detected energy E with a threshold value EGrenzwert. The limit value EGrenzwert summarizes the potential energy E po t, which is required for tilting the wheelchair 100 from the state or the current tilting bar in the balancing angle Ψο. When the determined energy E reaches or exceeds the threshold value EGrenzwert, the controller 105 generates an output signal for driving the electric motor 104. Thereby, the electric motor 104 delivers a torque M to the drive wheel 101 of the wheelchair 100. The torque M thereby reduces the energy E of Wheelchair 100. The wheelchair user 360 can thereby influence the movement of the wheelchair 100 by manual force intervention on the power transmission device 102. For example, the wheelchair user 360 can additionally brake the wheelchair 100 by manual force intervention or counteract the torque M of the electric motor 104.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein durch den Rollstuhlfahrer 360 auf die Kraftübertragungsvorrichtung aufgebrachtes Drehmoment MRoiistuhifahrer erfasst. Die Ansteuerung des Elektromotors 104 erfolgt dann zusätzlich in Abhängigkeit des erfassten Drehmoments MRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360. Je nach Richtung der Krafteinwirkung des Rollstuhlfahrers 360 auf die Kraftübertragungsvorrichtung 102 liefert der Elektromotors 104 durch die Ansteuerung 860 ein Drehmoment M, welches um das erfasste Drehmoment MRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360 betragsmäßig erhöht oder reduziert ist. In one embodiment of the invention, an applied by the wheelchair user 360 torque on the power transmission device MRoiistuhifahrer is detected. Depending on the direction of the force exerted by the wheelchair user 360 on the power transmission device 102, the electric motor 104 supplies by the control 860 a torque M which corresponds to the detected torque MRoist driver of the wheelchair user 360 is increased or reduced in amount.
In Figur 8 ist ein Flussdiagramm des erfindungsmäßigen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt 810 wird beim Kippen des Rollstuhls 100 mittels des Sen- sors 110 mindestens eine Bewegungsgröße erfasst, wie beispielsweise einFIG. 8 shows a flow diagram of the method according to the invention. In a first step 810, when tilting the wheelchair 100 by means of the sensor Sors 110 detected at least one movement amount, such as a
Kippwinkel Ψ(ί), eine Drehrate Ψ (t) und/oder eine DrehratenbeschleunigungTilt angle Ψ (ί), a rotation rate Ψ (t) and / or a rotation rate acceleration
Ψ (t). Eine erfasste Bewegungsgröße repräsentiert eine Bewegung des Rollstuhls. Ψ (t). A detected amount of movement represents a movement of the wheelchair.
In einem optionalen zweiten Schritt 820 wird ein Gewicht nriRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360 erfasst und durch das Steuergerät 105 die Summe aus dem Gewicht nriRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360 und dem Gewicht nriRoiistuhi des Roll¬ stuhls 100 als gemeinsames Gewicht m ermittelt. Die optionale Erfassung des Gewichtes nriRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360 kann dabei durch Eingabe desIn an optional second step 820 a weight is detected nriRoiistuhifahrer of the wheelchair user 360 and 100 as a common weight determined by the controller 105, the sum of the weight of the wheelchair user nriRoiistuhifahrer 360 and the weight of the roll nriRoiistuhi ¬ chair m. The optional detection of the weight of the wheelchair user 360 of the wheelchair user can be achieved by entering the
Rollstuhlfahrers 360 an einem Eingabegerät am Rollstuhl 100 (nicht dargestellt) oder durch einen zusätzlichen Sensor erfolgen. Das Gewicht nriRoiistuhi des Rollstuhls 100 , das erfasste Gewicht nriRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360 und/oder das ermittelte, gemeinsame Gewicht m des Rollstuhls 100 können in einem Speicher des Steuergerätes 105 gespeichert sein. Wheelchair user 360 on an input device on the wheelchair 100 (not shown) or by an additional sensor. The weight nriRoiistuhi of the wheelchair 100, the detected weight nriRoiistuhifahrer the wheelchair user 360 and / or the determined common weight m of the wheelchair 100 may be stored in a memory of the control unit 105.
In einem dritten Schritt 830 wird die Energie E des Rollstuhls 100 in Abhängigkeit der mindestens einen Bewegungsgröße ermittelt. Die Energie E umfasst eine Summe nach Gleichung (1) aus der potentiellen Energie Epot des Rollstuhls und der kinetischen Energie Ekin des Rollstuhls, wobei die kinetische Energie Ekin eineIn a third step 830, the energy E of the wheelchair 100 is determined as a function of the at least one movement variable. The energy E comprises a sum according to equation (1) from the potential energy E po t of the wheelchair and the kinetic energy Ekin of the wheelchair, the kinetic energy Eki n a
Summe aus einer translatorischen Energie Etrans und einer rotatorischen Energie Erot umfasst. Der potentielle Energie Epot, der translatorische Energie Etrans und/oder der rotatorische Energie Erot können Null sein. Optional erfolgt die Ermittlung der Energie E des Rollstuhls 100 zusätzlich in Abhängigkeit eines er- fassten oder ermittelten Gewichtes. Sum of a translatory energy Etrans and a rotational energy E ro t includes. The potential energy E po t, the translational energy Etrans and / or the rotational energy E ro t can be zero. Optionally, the determination of the energy E of the wheelchair 100 additionally takes place as a function of a detected or determined weight.
E = Epot + Ekin = Epot + Etrans + Erot (1) E = E pot + E kin = E pot + E trans + E red (1)
Die Ermittlung der potentiellen Energie Epot des Rollstuhls 100 umfasst Gleichung (2). Gleichung (2) enthält eine Höhe Ιι(Ψ(ί)) eines gemeinsamen SchwerpunktesThe determination of the potential energy E po t of the wheelchair 100 includes equation (2). Equation (2) contains a height Ιι (Ψ (ί)) of a common center of gravity
350 des Rollstuhls 100 und des Rollstuhlfahrers 360. Die Höhe ή(Ψ(ΐ)) wird in Abhängigkeit des Kippwinkels Ψ(ί) und zweier Konstanten ki, k2 bestimmt. Die zwei Konstanten ki und k2 sowie das Gewicht nriRoiistuhi des Rollstuhls 100 sind in einem Speicher des Steuergerätes 105 gespeichert. 'Rollstuhl + /;/ 'Rollstuhlfahrer ■h( (t)) 350 of the wheelchair 100 and the wheelchair user 360. The height ή (Ψ (ΐ)) is determined as a function of the tilt angle Ψ (ί) and two constants ki, k2. The two constants ki and k2 and the weight nriRoiistuhi of the wheelchair 100 are stored in a memory of the control unit 105. ' Wheelchair + /; / ' wheelchair user ■ h ((t))
(2)  (2)
/;/ 'Rollstuhl + m 'Rollstuhlfahrer •(^ 8ΐη(Ψ( ) + ^2 cos^O)) /; / ' Wheelchair + m ' wheelchair user • (^ 8ΐ η (Ψ () + ^ 2 cos ^ O))
Eine Berechnung der translatorischen Energie Etrans des Rollstuhls 100 in gigkeit der Geschwindigkeit v(t) des Rollstuhls 100 umfasst Gleichung (3). A calculation of the translational energy E tra ns of the wheelchair 100 with respect to the speed v (t) of the wheelchair 100 includes equation (3).
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
Eine Berechnung der rotatorischen Energie Erot des Rollstuhls 100 in Abhängigkeit der Drehrate Ψ (t) umfasst Gleichung (4), wobei ein Trägheitsmoment Js des Rollstuhls 100 bezüglich des Schwerpunktes 350, eine Masse nriRoiistuhi des Roll¬ stuhls 100 und eine Masse nriRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360 sowie zwei Kon¬ stanten k3 und k4 in einem Speicher des Steuergerätes 105 hinterlegt sind.
Figure imgf000016_0002
A calculation of the rotational energy E ro t of the wheelchair 100 as a function of the rate of rotation Ψ (t) comprises equation (4), wherein an inertia moment Js of the wheelchair 100 with respect to the center of gravity 350, a mass nriRoiistuhi the roll ¬ chair 100 and a mass nriRoiistuhifahrer of wheelchair user 360 as well as two Kon ¬ constants are stored in a memory of the control unit 105 k3, and k. 4
Figure imgf000016_0002
In einem vierten Schritt 840 wird die ermittelte Energie E mit einem Grenzwert EGrenzwert verglichen. Wenn die ermittelte Energie E den Grenzwert EGrenzwert überschreitet, wird in einem sechsten Schritt 860 der Elektromotor 104 durch das Steuergerät 105 mit einem Drehmoment M angesteuert. Optional wird ein manuelles Drehmoment des Rollstuhlfahrers in einem Schritt 850 erfasst und die An- steuerung 860 des Elektromotors 104 erfolgt zusätzlich in Abhängigkeit des er- fassten Drehmoments MRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360. In a fourth step 840, the determined energy E is compared with a limit value EGrenzwert. If the determined energy E exceeds the limit value EGrenzwert, in a sixth step 860 of the electric motor 104 is driven by the control unit 105 with a torque M. Optionally, a manual torque of the wheelchair user is detected in a step 850 and the control 860 of the electric motor 104 additionally takes place as a function of the detected torque MRoistuhifahrer of the wheelchair user 360.
Der Grenzwert EGrenzwert kann der potentiellen Energie Epot am Balancierwinkel Ψο entsprechen, siehe Gleichung (5). Der Balancierwinkel Ψο ist ein Kippwinkel Ψ(ί) bei dem der Schwerpunkt 350 des Rollstuhls 100 inklusive einem Rollstuhlfahrer 360 über der Achse 106 des mindestens einen Antriebsrades 101 liegt. ^Grenzwert ^ pot i? (f) Ψ0) The limit value EGrenzwert can correspond to the potential energy E po t at the balancing angle Ψο, see equation (5). The balancing angle Ψ o is a tilt angle Ψ (ί) in which the center of gravity 350 of the wheelchair 100 including a wheelchair user 360 lies above the axis 106 of the at least one drive wheel 101. ^ Limit ^ pot i? (f) Ψ 0 )
— ^P1 Rollstuhl + m Rollstuhlfahrer )' § ' ^(^θ) (^) = Wollstuhl +™ Rollstuhlfahrer \ g ' [ SUl^) + k2 COS( Q)) - ^ P 1 wheelchair + m wheelchair user) ' § ' ^ (^ θ) (^) = Wool chair + ™ wheelchair user \ g ' [SUl ^) + k 2 COS ( Q ))
In einer erweiterten Ausführung des Verfahrens kann in einem weiteren optionalen Schritt das Steuergerät (105) den Balancierwinkel Ψο durch ein Balancierwinkelermittlungsverfahren ermitteln. In an expanded embodiment of the method, in a further optional step, the control unit (105) can determine the balancing angle Ψο by means of a balancing angle determination method.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung umfasst der Grenzwert E- Grenzwert eine Summe aus der potentiellen Energie Epot am Balancierwinkel l J 0 und einer Überschussenergie Ea, siehe Gleichung 6. Die erlaubte Überschussenergie Ea kann beispielsweise zwischen 0,5 bis 3 Joule betragen. Wenn der Grenzwert EGrenzwert eine Summe der potentiellen Energie Epot am Balancierwinkel l J o und einer Überschussenergie Ea ist, so wird vorteilhafterweise ein guter Kompromiss aus der Reduzierung des Umkipprisikos und einem agilen Fahrverhalten für den Rollstuhlfahrer 360 realisiert. In a preferred further development of the invention, the limit E limit value comprises a sum of the potential energy E po t at the balance angle l J 0 and an excess energy E a , see equation 6. The allowable excess energy E a can be, for example, between 0.5 to 3 joules be. If the threshold value EGrenzwert is a sum of the potential energy E po t at the balancing angle l J o and an excess energy E a , then a good compromise is advantageously realized from the reduction of the tip-over risk and an agile driving behavior for the wheelchair user 360.
Grenzwert ^ pot i? (t) Ψ0) + Ε£ι Limit ^ pot i? (t) Ψ 0 ) + Ε ι
— {mRollstuhl + m Rollstuhlfahrer ) ' S ' ^(^θ) + Ea (6) = Wollstuhl +™Rollstuhlfahrer g ' [Κ
Figure imgf000017_0001
+ Ea - {m + m wheelchair wheelchairs) 'S' ^ (^ θ) + E a (6) = Wool chair + ™ wheelchairs g '[Κ
Figure imgf000017_0001
+ E a
Es erfolgt nur dann eine Ansteuerung 860 des Elektromotors 104 zur Erzeugung eines Drehmoments M auf die Achse 106 des Antriebsrades 101, wenn die ermittelte Energie E den Grenzwert EGrenzwert überschreitet bzw. die Energiedifferenz ΔΕ zwischen der ermittelten Energie E des Rollstuhls 100 und dem GrenzwertThere is only a control 860 of the electric motor 104 for generating a torque M on the axis 106 of the drive wheel 101 when the determined energy E exceeds the limit EGrenzwert or the energy difference ΔΕ between the determined energy E of the wheelchair 100 and the limit
EGrenzwert pOSltlV ISt. Limit pOSltlV ISt.
Das durch die Ansteuerung erzeugte Drehmoment M wirkt in dieser Schrift mit Drehrichtung nach vorne und entgegen des positiven Kipp-Drehmoments des Rollstuhls, d.h. das Drehmoment M des Elektromotors ist in dieser Schrift immer negativ. The torque generated by the control acts in this direction with the direction of rotation forward and against the positive tilting torque of the wheelchair, i. the torque M of the electric motor is always negative in this document.
Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung 860 des Elektromotors 104 zur Erzeugung eines Drehmoments M zur Energiereduzierung bzw. entgegen der Bewegung des Rollstuhls 100 in Abhängigkeit der Energiedifferenz ΔΕ aus der ermittelten Energie E des Rollstuhls 100 und dem Grenzwert EGrenzwert, siehe Gleichung (7.1) und Gleichung (7.2). Dabei können Konstanten ci und C2 vorgesehen sein. Die Ableitung des durch die Ansteuerung 860 erzeugten Drehmoments M nach der Energiedifferenz ΔΕ ist negativ. Anders ausgedrückt wird das negative Drehmoment M des Elektromotors 104 mit zunehmender Energiedifferenz ΔΕ der aktuellen Energie E zum Grenzwert EGrenzwert betragsmäßig erhöht. Die Abhängigkeit des durch den Elektromotor mittels der Ansteuerung 860 erzeugten Drehmoments M von der Energiedifferenz ΔΕ kann linear oder alternativ quadratisch oder beispielsweise auch in höheren Polynomen realisiert sein. Preferably, the control 860 of the electric motor 104 to generate a torque M for energy reduction or against the movement of the Wheelchair 100 as a function of the energy difference ΔΕ from the determined energy E of the wheelchair 100 and the limit value EGrenzwert, see equation (7.1) and equation (7.2). It can be provided constants ci and C2. The derivative of the torque M generated by the control 860 after the energy difference ΔΕ is negative. In other words, the negative torque M of the electric motor 104 is increased in magnitude with increasing energy difference ΔΕ of the current energy E to the limit value EGrenzwert. The dependence of the torque M generated by the electric motor by means of the control 860 on the energy difference ΔΕ can be implemented linearly or alternatively quadratically or, for example, also in higher polynomials.
Δ£ = E - EGrenzwert (7.1) f c, - c · AE für c, - c9 · Δ < 0 Δ £ = E - E limit value (7.1) fc, - c · AE for c, - c 9 · Δ <0
M = 1 2 1 2 (7.2) M = 1 2 1 2 (7.2)
0 sonst  0 otherwise
Alternativ erfolgt die Ansteuerung 860 des Elektromotors 104 zur Erzeugung eines Drehmoments M zur Energiereduzierung bzw. entgegen der Bewegung des Rollstuhls 100 in Abhängigkeit eines Winkelabstands ΔΨ des aktuellen Kippwinkels Ψ(ΐ) zum Balancierwinkel Ψο, siehe Gleichung (8.1) und Gleichung (8.2). Dabei können Konstanten ci und C3 vorgesehen sein. Die Ableitung des durch die Ansteuerung 860 erzeugten Drehmoments M des Elektromotors 104 nach dem Winkelabstands ΔΨ ist negativ. Anders ausgedrückt wird das negative Drehmoment M des Elektromotors 104 mit zunehmendem Winkelabstand ΔΨ des aktuellen Kippwinkels Ψ(ΐ) zum Balancierwinkel Ψο betragsmä ig erhöht. Die Abhängigkeit des durch den Elektromotor mittels der Ansteuerung 860 erzeugten Drehmoments M von dem Winkelabstand ΔΨ kann linear oder alternativ quadratisch oder beispielsweise auch in höheren Polynomen realisiert sein. Alternatively, the control 860 of the electric motor 104 to generate a torque M for energy reduction or against the movement of the wheelchair 100 in response to an angular distance ΔΨ of the current tilt angle Ψ (ΐ) to the Balancierwinkel Ψο, see equation (8.1) and equation (8.2). In this case, constants ci and C3 can be provided. The derivative of the torque M generated by the control 860 of the electric motor 104 after the angular distance ΔΨ is negative. In other words, the negative torque M of the electric motor 104 is increased as the angular distance Δθ of the actual tilt angle Ψ (ΐ) with respect to the balance angle Ψο increases. The dependence of the torque M generated by the electric motor by means of the control 860 of the angular distance ΔΨ can be realized linearly or alternatively quadratically or for example also in higher polynomials.
ΔΨ = Ψ - Ψ(ί) (8.1)
Figure imgf000018_0001
ΔΨ = Ψ - Ψ (ί) (8.1)
Figure imgf000018_0001
In einer Weiterführung der Erfindung ermittelt das Steuergerät 105 einen Quotienten Q in Abhängigkeit der Energiedifferenz ΔΕ und des Winkelabstandes ΔΨ, wie beispielsweise in Gleichung (9.1) beschrieben. Die Ansteuerung 860 des Elektromotors 104 zur Erzeugung eines Drehmoments M zur Energiereduzierung bzw. entgegen der Bewegung des Rollstuhls 100 erfolgt in dieser Weiterführung in Abhängigkeit des ermittelten Quotienten Q, siehe Gleichung (9.2). Dabei können Konstanten ci und c4 vorgesehen sein. In a further development of the invention, the control unit 105 determines a quotient Q as a function of the energy difference ΔΕ and the angular separation ΔΨ, as described for example in equation (9.1). The control 860 of the electric motor 104 for generating a torque M for energy reduction or against the movement of the wheelchair 100 takes place in this continuation depending on the determined quotient Q, see equation (9.2). In this case, constants ci and c 4 can be provided.
Q = ^- (9Q = ^ - (9
ΔΨ .D
Figure imgf000019_0001
ΔΨ .D
Figure imgf000019_0001
Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung 860 des Elektromotors 104 zur Erzeugung eines Drehmoments M zur Energiereduzierung bzw. entgegen der Bewegung des Rollstuhls 100 nach einer der obigen Gleichungen (7.2), (8.2) oder (9.2) des Weiteren erst bei einer Überschreitung eines ersten Schwellenwerts Si für die Energiedifferenz ΔΕ und/oder bei einer Überschreitung eines zweiten Schwellenwerts S2 für den Winkelabstand ΔΨ. Der erste Schwellenwert Si Preferably, the control 860 of the electric motor 104 for generating a torque M for energy reduction or against the movement of the wheelchair 100 according to one of the above equations (7.2), (8.2) or (9.2) further only when exceeding a first threshold value Si for the energy difference ΔΕ and / or when exceeding a second threshold value S2 for the angular distance ΔΨ. The first threshold Si
Repräsentiert damit die Überschussenergie Ea. Represents the excess energy E a .
Vorteilhafterweise erfolgt die Ansteuerung 860 des Elektromotors 104 zur Erzeugung eines Drehmoments M2 zur Energiereduzierung bzw. entgegen der Bewegung des Rollstuhls 100 außerdem in Abhängigkeit eines erfassten, manuell vom Rollstuhlfahrer 360 aufgebrachten Drehmoments MRoiistuhifahrer, siehe Gleichung (10). Das erzeugte Drehmoment M2 wird damit in Abhängigkeit des Drehmoments Mi, welches beispielsweise nach Gleichung (7.2), (8.2) oder (9.2) ermitteltet wird, und in Abhängigkeit des manuell vom Rollstuhlfahrer 360 aufgebrachten Drehmoments MRoiistuhifahrer ermittelt. Das Drehmoment MRoiistuhifahrer des Rollstuhl¬ fahrers 360 kann dabei positiv oder negativ sein. Ein positives Drehmoment MRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360 beschleunigt den Rollstuhl 100 in Vorwärtsrichtung und kann zudem unter anderem zu einem Kippen bzw. Umkippen des Rollstuhls 100 nach hinten führen. Ein negatives Drehmoment MRoiistuhifahrer des Rollstuhlfahrers 360 beschleunigt den Rollstuhl 100 in Rückwärtsrichtung und wirkt einem Umkippen des Rollstuhls 100 entgegen. M2— M ' RoUstuhlfahrer (10) Advantageously, the control 860 of the electric motor 104 to generate a torque M2 for energy reduction or against the movement of the wheelchair 100 also takes place in response to a detected, manually applied by the wheelchair user 360 torque MRoiistuhifahrer, see equation (10). The generated torque M2 is thus determined as a function of the torque Mi, which is determined, for example, according to equation (7.2), (8.2) or (9.2), and depending on the torque applied manually by the wheelchair user 360 MRoiistuhifahrer. The torque MRoist driver of the wheelchair ¬ driver 360 can be positive or negative. A positive torque of the wheelchair user MRI taxi driver 360 accelerates the wheelchair 100 in the forward direction and can, among other things, lead to a rearward tilting or tipping over of the wheelchair 100. A negative torque MRoist driver of the wheelchair user 360 accelerates the wheelchair 100 in the reverse direction and counteracts a wheelchair 100 tipping over. M2- M 'RoUstuh lf Ahrer (10)
In Figur 9 ist ein erfindungsgemäßes Steuergerät, welches das erfindungsgemä- ße Verfahren ausführt, abgebildet. Das Steuergerät 105 umfasst wenigstens eine Recheneinheit 902. Die Recheneinheit 902 erfasst ein Sensorsignal eines Sensors 110. Das Sensorsignal repräsentiert eine Bewegungsgröße des Rollstuhls 100. Außerdem erzeugt die Recheneinheit 902 ein Ausgangssignal zur Ansteue- rung eines Elektromotors 104 eines Rollstuhls 100 in Abhängigkeit der erfassten Bewegungsgröße, wobei durch die Ansteuerung der Elektromotor 104 ein Drehmoment M beziehungsweise M2 auf das Antriebsrad 101 des Rollstuhls 100 liefert. Das Steuergerät kann zusätzlich eine Empfangseinheit 901 und/oder eine Ausgabeeinheit 903 und/oder einen Speicher 904 aufweisen. FIG. 9 shows a control unit according to the invention which carries out the method according to the invention. The control unit 105 comprises at least one arithmetic unit 902. The arithmetic unit 902 detects a sensor signal of a sensor 110. The sensor signal represents a movement variable of the wheelchair 100. In addition, the arithmetic unit 902 generates an output signal for controlling an electric motor 104 of a wheelchair 100 as a function of the detected amount of movement , wherein by driving the electric motor 104, a torque M or M2 to the drive wheel 101 of the wheelchair 100 supplies. The control unit may additionally have a receiving unit 901 and / or an output unit 903 and / or a memory 904.
In einer alternativen Ausführung der Erfindung wird zusätzlich oder als Ersatz für das Steuergerät 105 ein tragbarer Computer am Rollstuhl 100 befestigt. Ein solcher tragbarer Computer als Steuergerät 105 kann beispielsweise ein Smartpho- ne sein. Der Computer als Steuergerät 105 kann auch wenigstens einen Sensor 110 für das erfindungsgemäße Verfahren aufweisen. In an alternative embodiment of the invention, in addition to or as a replacement for the controller 105, a portable computer is attached to the wheelchair 100. Such a portable computer as control unit 105 may be, for example, a smartphone. The computer as a control unit 105 can also have at least one sensor 110 for the method according to the invention.
In einem weiteren, optionalen Schritt des Verfahrens kann der aktuelle Kippwinkel Ψ(ί), die Energie E des Rollstuhls 100, die Differenz ΔΕ aus der Energie E des Rollstuhls 100 und dem Grenzwert EGrenzwert und/oder der Winkelabstand ΔΨ des aktuellen Kippwinkels Ψ(ί) zum Balancierwinkel Ψο dem Rollstuhlfahrer 360 angezeigt werden. Die Anzeige kann visuell an einem Anzeigegerät realisiert sein. Die Anzeige kann alternativ auch akustisch durch einen Signalton über einen Lautsprecher oder alternativ auch haptisch durch mindestens einen Aktor an mindestens einer der Kraftübertragungseinrichtung 102 und/oder am Rollstuhlgestell erfolgen. In a further, optional step of the method, the current tilt angle Ψ (ί), the energy E of the wheelchair 100, the difference ΔΕ from the energy E of the wheelchair 100 and the limit value EGrenzwert and / or the angular distance ΔΨ of the current tilt angle Ψ (ί ) to the balance angle demof the wheelchair user 360. The display can be realized visually on a display device. Alternatively, the display can also be acoustically sounded by a signal tone via a loudspeaker or alternatively by haptic means by at least one actuator on at least one of the power transmission device 102 and / or on the wheelchair frame.

Claims

Anspruchssatz set of claims
1. Verfahren zur prädiktiven Ansteuerung eines Elektromotors zur Risikoreduzierung des Umkippens eines Rollstuhls, umfassend wenigstens folgender Schritte 1. A method for the predictive control of an electric motor for reducing the risk of tipping over a wheelchair, comprising at least the following steps
· Erfassung (810) mindestens einer Bewegungsgröße des Rollstuhls (100), und · Detection (810) of at least one movement variable of the wheelchair (100), and
• Ermittlung (830) einer Energie (E) des Rollstuhls (100) in Abhängigkeit der mindestens einen Bewegungsgröße, und  Determining (830) an energy (E) of the wheelchair (100) as a function of the at least one movement variable, and
• Vergleich (840) der Energie (E) mit einem Grenzwert (EGrenzwert),  Comparison (840) of the energy (E) with a limit value (limit value),
dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Energie (E) größer dem Grenzwert characterized in that at an energy (E) greater than the limit
(EGrenzwert) eine (Limit) one
• Ansteuerung (860) eines Elektromotors (104) erfolgt, so dass der Elektromotor (104) ein Drehmoment (M) auf das Antriebsrad (101) des Rollstuhls (100) liefert, wobei das Drehmoment (M) die Energie (E) des Rollstuhls (100) re- duziert.  • Actuation (860) of an electric motor (104) takes place so that the electric motor (104) delivers a torque (M) to the drive wheel (101) of the wheelchair (100), wherein the torque (M) is the energy (E) of the wheelchair (100) reduced.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 2. The method according to claim 1, characterized in that
• in einem weiteren Schritt (850) ein manuelles Drehmoment (MRoiistuhifahrer) des Rollstuhlfahrers (360) auf eine Kraftübertragungsvorrichtung (102) erfasst wird, und  • In a further step (850), a manual torque (MRoi driver) of the wheelchair user (360) is detected on a power transmission device (102), and
• die Ansteuerung (860) des Elektromotors (104) zusätzlich in Abhängigkeit des erfassten Drehmoments (MRoiistuhifahrer) des Rollstuhlfahrers (360) erfolgt.  • The control (860) of the electric motor (104) in addition depending on the detected torque (MRoiistuhifahrer) of the wheelchair user (360).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass 3. The method according to any one of claims 1 or claim 2, characterized in that
• bei der Erfassung (810) ein Kippwinkel (Ψ(ί)) des Rollstuhls (100) und/oder eine Drehrate (Ψ (t)) um eine Achse (106) eines Antriebsrades (101) des Rollstuhls (100) und/oder eine Geschwindigkeit (v(t)) des Rollstuhls (100) als Bewegungsgröße erfasst wird, und • die Ermittlung (830) der Energie (E) in Abhängigkeit des Kippwinkels (Ψ(ί)) und/oder der Drehrate (Ψ (t)) und/oder der Geschwindigkeit (v(t)) erfolgt. Upon detection (810), a tilt angle (Ψ (ί)) of the wheelchair (100) and / or a rate of rotation (Ψ (t)) about an axis (106) of a drive wheel (101) of the wheelchair (100) and / or a speed (v (t)) of the wheelchair (100) is detected as a movement amount, and • the determination (830) of the energy (E) as a function of the tilt angle (Ψ (ί)) and / or the rotation rate (Ψ (t)) and / or the speed (v (t)) takes place.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung (830) die ermittelte Energie (E) des Rollstuhls (100) eine Summe aus der potentiellen Energie (Epot), der translatorischen Energie (Etrans) und der rotatorischen Energie (Erot) aufweist. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the determination (830) the determined energy (E) of the wheelchair (100) is a sum of the potential energy (E po t), the translational energy (E tra ns) and the rotational energy (E ro t).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung (830) die Energie (E) in Abhängigkeit eines Gewichtes (nriRoiistuhifahrer) eines Rollstuhlfahrers (360) ermittelt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the determination (830), the energy (E) in dependence on a weight (nriRoiistuhifahrer) of a wheelchair user (360) is determined.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich (840) der Grenzwert (EGrenzwert) eine potentielle Energie (Epot) des Rollstuhls (100) an einem Kippwinkel (Ψ(ί)) repräsentiert, insbesondere am Balancierwinkel (Ψο). 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the comparison (840) of the limit (EGrenzwert) represents a potential energy (E po t) of the wheelchair (100) at a tilt angle (Ψ (ί)), in particular at Balancierwinkel (Ψο).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich (840) der Grenzwert (EGrenzwert) eine Summe aus einer potentiellen Energie (Epot) am Balancierwinkel (Ψο) und einer erlaubten Überschussenergie (Ea) umfasst. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the comparison (840) of the limit (EGrenzwert) comprises a sum of a potential energy (E po t) at the Balancierwinkel (Ψο) and an allowable excess energy (E a ).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überschussenergie (Ea) bis zu 3 Joule betragen darf. 8. The method according to claim 7, characterized in that the excess energy (E a ) may be up to 3 joules.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung (860) des Elektromotors (104) in Abhängigkeit eines Winkelabstands (ΔΨ) des aktuellen Kippwinkels (Ψ(ί)) zum Balancierwinkel (Ψο) und/oder einer Differenz (ΔΕ) der Energie (E) des Rollstuhls (100) zum Grenzwert (EGrenzwert) erfolgt. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the control (860) of the electric motor (104) in dependence of an angular distance (ΔΨ) of the current tilt angle (Ψ (ί)) for Balancierwinkel (Ψο) and / or a difference ( ΔΕ) of the energy (E) of the wheelchair (100) to the limit (EGrenzwert) takes place.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung (860) des Elektromotors (104) nur bei einem Winkelabstand (ΔΨ) kleiner einem Ansteuerabstand erfolgt, wobei der Ansteuerabstand insbesondere auf einen Wert zwischen 5° bis 10° gesetzt wird und/oder vom Rollstuhlfahrer (360) eingestellt werden kann. 10. The method according to claim 9, characterized in that the control (860) of the electric motor (104) takes place only at an angular distance (ΔΨ) smaller than a drive distance, wherein the drive distance in particular a value between 5 ° to 10 ° is set and / or can be set by the wheelchair user (360).
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass 11. The method according to any one of claims 9 or 10, characterized in that
• eine Energiedifferenz (ΔΕ) von der Energie (E) des Rollstuhls (100) und dem Grenzwert (EGrenzwert) ermittelt wird, und/oder  • an energy difference (ΔΕ) of the energy (E) of the wheelchair (100) and the limit (EGrenzwert) is determined, and / or
• ein Winkelabstand (ΔΨ) des Kippwinkels (Ψ(ί)) zum Balancierwinkel (Ψο) ermittelt wird, und/oder  • an angular distance (ΔΨ) of the tilt angle (Ψ (ί)) to the balance angle (Ψο) is determined, and / or
• ein Quotienten (Q) aus der Energiedifferenz (ΔΕ) und/oder dem Winkelabstand (ΔΨ) ermittelt wird, und  A quotient (Q) is determined from the energy difference (ΔΕ) and / or the angular separation (ΔΨ), and
• die Ansteuerung (860) des Elektromotors (104) mit einem Drehmoment (M) entgegen der Bewegung des Rollstuhls (100) in Abhängigkeit der Energiedifferenz (ΔΕ) und/oder dem Winkelabstand (ΔΨ) und/oder dem Quotienten (Q) erfolgt.  • the control (860) of the electric motor (104) with a torque (M) against the movement of the wheelchair (100) in dependence of the energy difference (ΔΕ) and / or the angular distance (ΔΨ) and / or the quotient (Q).
12. Computerprogramm, welches ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführt. 12. Computer program, which carries out a method according to one of claims 1 to 11.
13. Elektrisches Speichermedium mit einem Computerprogramm nach Anspruch 12. 13. Electrical storage medium with a computer program according to claim 12.
14. Steuergerät (105), welches ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführt, umfassend wenigstens eine Recheneinheit (902), welche14. Control unit (105), which carries out a method according to one of claims 1 to 11, comprising at least one arithmetic unit (902), which
• mindestens eine Bewegungsgröße des Rollstuhls (100) erfasst, und• detects at least one movement variable of the wheelchair (100), and
• ein Ausgangsignal zur Ansteuerung eines Elektromotors (104) in Abhängigkeit der erfassten Bewegungsgröße ausgibt. • Outputs an output signal for controlling an electric motor (104) as a function of the detected amount of movement.
15. Rollstuhl (100) mit Risikoreduzierung des Umkippens, wobei der Rollstuhl (100) folgende Komponenten aufweist 15. Wheelchair (100) with risk of tipping over, the wheelchair (100) comprising the following components
• einen Sensor (110) zum Erfassen mindestens einer Bewegungsgröße, und A sensor (110) for detecting at least one movement quantity, and
• ein Steuergerät (105) nach Anspruch 14 zur Ansteuerung eines Elektromotors (104) in Abhängigkeit einer erfassten Bewegungsgröße, und • mindestens einen Elektromotor (104) zum Aufbringen eines Drehmomentes (M), wobei das Drehmoment (M) die Energie (E) des Rollstuhls (100) reduziert. A control device (105) according to claim 14 for controlling an electric motor (104) as a function of a detected amount of movement, and • at least one electric motor (104) for applying a torque (M), wherein the torque (M) reduces the energy (E) of the wheelchair (100).
PCT/EP2017/056006 2016-03-22 2017-03-14 Method and device for predicatively actuating an electric motor in order to reduce the risk of a wheelchair overturning WO2017162488A1 (en)

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