WO2021083868A1 - Bewegungssitz - Google Patents

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WO2021083868A1
WO2021083868A1 PCT/EP2020/080136 EP2020080136W WO2021083868A1 WO 2021083868 A1 WO2021083868 A1 WO 2021083868A1 EP 2020080136 W EP2020080136 W EP 2020080136W WO 2021083868 A1 WO2021083868 A1 WO 2021083868A1
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WO
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movement
seat surface
seat
target
user
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/080136
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Friedrich Wilhelm Gerhard Sönke WAPPENSCHMIDT
Original Assignee
Wappenschmidt Johannes Friedrich Wilhelm Gerhard Soenke
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wappenschmidt Johannes Friedrich Wilhelm Gerhard Soenke filed Critical Wappenschmidt Johannes Friedrich Wilhelm Gerhard Soenke
Priority to EP20803450.4A priority Critical patent/EP4051056B1/de
Publication of WO2021083868A1 publication Critical patent/WO2021083868A1/de

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47C—CHAIRS; SOFAS; BEDS
    • A47C9/00—Stools for specified purposes
    • A47C9/002—Stools for specified purposes with exercising means or having special therapeutic or ergonomic effects

Definitions

  • the invention relates to a moving seat, in particular an office chair, comprising a frame and a seat surface which can be moved by machine with respect to the frame by means of a drive mechanism.
  • the drive mechanism moves the seat surface at an actual speed along an actual movement path with respect to the frame.
  • the motion seat is intended to help the user vary their sitting posture in order to avoid remaining in the same posture for a long time.
  • the user's metabolism should be stimulated.
  • Science defines sitting behavior as problematic if the user remains in the same position and the metabolism is ⁇ 1.5 metabolic equivalents (METs) (cf. https: // www .sedentarybehaviour.org / what-is-sedentary-behavior, accessed on October 25, 2019).
  • Ergonomic office chairs which promote the movement of the user through an unstable design of the seat.
  • a massage chair with motor-driven elements is known, for example, from US2008 0167 587 A1.
  • a chair provided as a training aid which has a seat surface which rotates eccentrically about a vertical axis and which can be adjusted in speed.
  • a seat with an electric motor-driven seat surface is known from WO 00/22964 and EP 1457 14 1 B9, a drive mechanism being set up in such a way that the seat surface performs a U-shaped, side-alternating back and forth movement.
  • the user's body follows the back and forth movement of the seat passively.
  • the desirable muscle work is ensured in the known seat in that the user changes his posture in response to the passive movement.
  • US 2017/0095 088 A1 discloses a movable seat module of an office chair for activating the spine.
  • the seat module is based on a tilting device for the seat surface and comprises a fixed surface that is connected to the base of the office chair as well as a movable surface connected via tilting axes running parallel to the seat surface.
  • the movable surface is connected to the fixed surface via at least a biaxial joint.
  • the movable surface of the seat module is tilted around the two axes via actuators in order to change the seated position of the user.
  • the module has a motion control to control the operation of the at least two actuators for pivoting the seat surface.
  • the device can have a load cell which informs the movement control of the weight of the user and whether a user is sitting on the seat surface.
  • the weight distribution on the seat can be determined.
  • a gyrometer can be provided to determine the sitting position of the user. The determined sitting position can be used to control the tilting device.
  • a fixed movement pattern is activated for the tilting mechanism.
  • the motion controller uses the sensor signals to determine the duration for which the user remains in the same position. Depending on the duration, the motion control activates tilting of the seat by one of the actuators in order to cause the user to change his or her seated position.
  • the object of the invention is to propose a movement seat, in particular an office chair, which Avoids problematic sitting behavior, especially during office work, which improves the health effects against inactivity and at the same time enables movement of the seat surface, which distracts the user less from other activities, especially office work.
  • the invention is based on the idea of combining the passive movement of the user on the seat surface known from the prior art and the resulting posture corrections with an active movement of the user, which has an influence on the movement of the seat surface.
  • the additional, at least temporary, active movement of the user changes the applied forces.
  • the useful forces are the useful forces applied by the user to the seat surface, the useful forces including a passive component resulting from the user's mass and an active component resulting from the active movement of the user.
  • the active part is caused by the active muscle work of the user.
  • the useful forces acting on the seat surface change continuously.
  • the useful forces acting on the seat surface are recorded by means of a measuring device.
  • a processing unit supports or dampens the active movement and / or changes the movement path through targeted movement control of the seat surface and thus stimulates the user to further, the health effects improving active exercise.
  • a closed target movement path of the machine-driven seat surface is specified by the processing unit.
  • the closed target movement path enables a calm and even movement of the seat surface.
  • the seat surface which can be made up of one or more parts, is moved by machine by a drive mechanism which is arranged between the frame of the moving seat and the seat surface.
  • the drive mechanism preferably has a positioning system, the electrical drives of which are controlled by the processing unit for controlling the movement of the seat surface.
  • the specified closed target movement path of the seat surface is in particular a closed curve.
  • the closed target movement path can also be a closed three-dimensional curve.
  • the seat surface preferably moves in a translatory manner along the target movement path, ie all points of the seat surface experience the same displacement when moving along the target movement path.
  • the target movement path can also be superimposed on the translational movement with a rotation of the seat surface about its vertical axis in order to ensure that the seat surface is always oriented towards a reference point.
  • the calm and uniform movement of the seat surface is preferably further supported by the fact that the specified target speed of the seat surface does not assume the value 0 at any point on the closed target movement path.
  • the vector of the specified target speed of the seat surface at each point of the closed target movement path points to the next location of the closed target movement path in the direction of movement, i.e. the direction of movement is not reversed.
  • Such a reversal always requires a complete braking of the seat surface before reversing the direction of movement and a subsequent acceleration, which results in a considerable restlessness of the seat movement, which runs counter to distraction-free work on an office chair.
  • the invention pursues the further idea of enabling a selection of target movement paths as long as these ensure a calm and uniform movement of the seat surface.
  • the respective user can therefore decide for himself which closed target movement path is suitable for him; he can select this himself, for example, via an input device, such as a mobile phone (smartphone) with a corresponding software (app), and individually, in particular with regard to the target Adjust speed.
  • the target movement path can be changed by a control pulse applied to the seat surface by the user.
  • the control impulse can be a short-term, high useful force that is above the usual level of useful forces.
  • those target movement paths of the seat are preferred in which the head and hands of the user of the seat remain largely at rest for the operation of a PC workstation.
  • a target movement path imitates the movement pattern of the human gait
  • such a target movement path is particularly suitable for use as an office chair because the corresponding movement of the seat primarily leads to a movement of the pelvic girdle, while the shoulder girdle is hardly moved.
  • the processing unit of the moving seat is set up to control the movement of the seat surface at an actual speed along a closed actual movement path by means of the drive mechanism, taking into account the direction and amount of the useful forces detected.
  • the actual speed of the seat surface is changed from a predetermined target speed of the seat surface by the useful forces acting on the seat surface and / or the actual movement path is changed from a predetermined closed target movement path by the useful forces acting on the seat surface .
  • the motion seat In order to record the useful forces acting on the seat surface, the motion seat has a measuring device. On the The driving forces of the drive mechanism and the useful forces applied to the seat by the user act on the seat. The useful forces allow the user's sitting behavior to be recognized.
  • the measuring device can be a force sensor or an acceleration sensor for recording the useful forces, e.g. flanged under the seat surface.
  • the useful forces can also be recorded without a separate transducer.
  • the forces of the electromotive drives of the drive mechanism, in particular the power consumption are evaluated by the measuring device, which, as indirect signals, also allow the useful force acting on the seat to be determined because the forces of the electromotive drives are the opposing forces to the useful forces.
  • the processing unit is designed in such a way that a) a useful force vector, which results from the direction and the amount of the detected useful forces, is continuously compared with the direction of a target speed vector at a point on the target trajectory where the useful force vector refers to the same point or one of the neighboring points on the target movement path and a component of the useful force vector in or against the direction of the target speed vector causes a change in the actual speed of the seat surface compared to the target speed of the seat surface and / or b) that a point on the target movement path is shifted in the direction and by a scaled amount of the useful force vector, the useful force vector referring to the same point or one of the neighboring points on the target movement path, around the actual movement path to change the seat surface compared to the target trajectory as soon as the amount of the useful force vector exceeds a predetermined threshold value.
  • the threshold value can be constant and / or changed by the user in the input device and / or designed as functions depending on various input parameters.
  • the basic mode of the moving seat comprises a support mode and / or a resistance mode and / or a deformation mode.
  • the component of the useful force vector in the direction of the target speed vector leads to an increase in the actual speed of the seat surface compared to the predetermined target speed.
  • the component of the useful force vector contrary to the direction of the target speed vector, leads to a reduction in the actual speed of the seat surface compared to the predetermined target speed.
  • the deformation mode offers the possibility of deviating from the specified closed target movement path by applying useful force. For this purpose, a point on the target trajectory is shifted in the direction and by a scaled amount of the useful force vector. The moved point is one of the points that make up the actual trajectory.
  • the scaling which can also include the value 1, is required in order to determine the length of the displacement path from the amount of the useful force vector.
  • the actual trajectory only deviates from the target trajectory when the amount of the useful force vector exceeds a predetermined threshold value.
  • This threshold value can be extremely low, so that practically every application of useful force leads to a change in the actual movement path compared to the target movement path.
  • the threshold value By raising the threshold value, when sitting largely inactive, the user can passively move on the seat surface along the target movement path, so that the user only causes a change in the actual movement path through active movements that go beyond postural corrections.
  • the user can "scale" the actual trajectory (e.g. a circle) through the targeted active introduction of useful forces, i.e. make it larger or smaller than is intended by the specified target trajectory.
  • the processing unit is further set up in such a way that the scaled amount of the useful force vector is determined by means of a constant in order to determine the useful force-dependent amount To determine the displacement of the actual trajectory.
  • the processing unit is set up such that the scaled amount of the useful force vector is determined by means of a variable that depends on one or more input parameters, for example the level of the actual speed or the direction of the target speed vector.
  • a deflection of the actual movement path in the direction of an outer or inner movement limit depending on the distance to the specified target movement path generates an increasingly larger return component of the driving forces in the direction of the specified target movement path. Trajectory. At the outer and inner movement limits, the returning components of the drive forces run towards infinity in the direction of the specified target movement path.
  • the processing unit is further set up in such a way that the movement of the seat surface is optionally controlled in at least one further operating mode beyond the basic mode.
  • the actual movement path and the actual speed of the seat surface are not changed by the useful forces acting on the seat surface compared to the specified closed target movement path and target speed of the seat surface.
  • the user is moved passively on the seat surface on the target movement path at the target speed. However, he changes his posture in response to the passive movement on the target Trajectory.
  • the actual trajectory and the actual speed of the seat surface correspond to the specified target trajectory and the target speed, regardless of the useful forces applied.
  • the shape of the target movement path and the target movement speed of the seat surface can be constant or follow a variable profile.
  • the processing unit is preferably programmed in such a way that the basic mode, taking into account the useful forces, and the aforementioned further operating mode alternate automatically. This is event-driven or possible at defined intervals.
  • a change between the operating modes can be triggered by the processing unit in an event-controlled manner if, for example, the useful forces applied by the user to the seat surface change.
  • the processing unit automatically changes to the basic mode if the user begins to apply a higher useful force to the seat surface during the passive movement.
  • the processing unit switches back to the further operating mode with passive movement if the user only applies low useful forces, e.g. as a result of posture corrections, to the seat surface.
  • the change should benefit the user in the Support movement execution in order to have a higher range of motion at the end of a working day without overwhelming the user.
  • the damping mode in addition to the deformation mode, the damping mode according to claim 8, driving forces acting against the direction of movement of the seat surface along the actual movement path dampen the movement of the seat surface.
  • the processing unit provides the training program in addition to the basic mode and, if necessary, any further operating mode.
  • the training program can be activated if regular operation is interrupted for a few minutes during a work break.
  • the distraction-free possibility of using the exercise seat is not the focus of this training program.
  • To train the sensorimotor system the seat surface is moved along a movement path by the movement mechanics and controlled by the processing unit, the processing unit constantly applying unpredictable movements to the seat surface (perturbations). The user has to balance these externally stimulated imbalances. This trains its sensorimotor system, which is beneficial for relieving or preventing back pain.
  • the drive mechanism of the moving seat includes a positioning system, in particular an XY moving unit which can be used to generate all forms of closed actual movement paths of the seat surface in one plane.
  • the two curved guides are arranged at an angle different from 0 °, preferably at right angles to one another, and the curvature of both guides preferably coincides, the actual movement paths of the seat surface can be expanded, in particular not only two-dimensional actual movement paths, but also actual movement paths designed as space curves can be generated.
  • the curvature of the guides can, but does not have to be, constant over their entire length. If the radius of curvature is not constant, spherical bearings would have to be provided in the sliding elements of the carriages so that they can slide on the varying radii of curvature.
  • the use of curved guides can be used, for example, to keep the height of the user's shoulder girdle at a constant height during movement, which is particularly important for office chairs.
  • the positioning system is additionally set up for a mechanical rotation of the seat surface about its vertical axis (Z-axis).
  • Z-axis vertical axis
  • the seat surface With a target movement path of the seat surface along a figure eight lying in one plane, for example, the seat surface is rotated during the movement, depending on the position, to such an extent that the legs of the person being moved are always in the direction of a fixed point, such as a desk or a desk Show computer workstation.
  • the rotation around the vertical axis can be done by means of a turntable which is arranged on the XY traversing unit and is therefore moved with it.
  • the positioning system can additionally have a seat tilt adjustment with a mechanical adjustment drive.
  • Manual seat tilt adjustments are known for office chairs and allow the tilt angle of the seat to be adjusted.
  • the slightly sloping seat counteracts a backward displacement of the pelvis.
  • a small pelvic angle caused by the rearward displacement favors the health-stressing posture with a rounded back.
  • the seat tilt adjustment compensates for incorrect posture when working forward and is suitable for users who work a lot on the computer.
  • permanent sitting in an inclined seat is not comfortable, so it makes sense to continuously adjust the angle of inclination.
  • the machine drive of the seat inclination adjustment allows the automated, situation-dependent adjustment of the seat inclination by the processing unit of the moving seat according to the invention.
  • a backrest In an advantageous embodiment of the invention, several independent, at least partially movable segments of a backrest are mounted on the frame of a seat designed as a chair, in particular an office chair.
  • the segments support the user's back during active and passive movement.
  • the task of the backrest is to support the user when the seat is moving and when the movement function is deactivated. Because the user's shoulder girdle is also used during movement should remain as calm as possible while the lower body is moving, the backrest consists of at least two segments, which are preferably arranged one above the other. The upper segment of the backrest is located in the area of the shoulder girdle; it should stabilize the user at this point and keep them at rest as much as possible, since movement should be minimal here. The lower segment or segments of the backrest are intended to support the user in active and passive movement.
  • the starting position of at least one movably mounted segment can be adjustable in relation to the frame by means of a mechanical drive.
  • the processing unit can specifically change the movement control of the seat surface and / or activate the seat tilt adjustment and / or the starting position of the at least one depending on the detected sitting behavior change movably mounted segment.
  • the processing unit can automatically change the inclination of the seat surface with the aid of the seat tilt adjustment, so that the user's pelvic angle increases. This encourages the user to sit upright. If the sensors detect that the user is back in a correct posture, the inclination can be reduced again, possibly with a time delay.
  • Pressure / force sensors that detect contact between the back and the segments and / or the pressure intensity between the back and the segments of the backrest can be used as sensors for detecting the sitting behavior of the user.
  • the sensors can be integrated into the cushions or arranged on the bearings of the segments.
  • the backrest consists only of an upper, frame-fixed segment and a lower, movable segment.
  • the movable segment of the backrest supports the lumbar spine during movement and rests against the back during movement.
  • the lower segment is driven by the existing drive mechanism for the seat surface, i.e. without its own drive.
  • the lower segment is connected, for example, via a two-axis joint to the output side of the drive mechanism for the seat surface carrying the seat surface and via a further two-axis joint displaceable in the Z direction to the part of the frame carrying the backrest.
  • the processing unit for controlling the movement of the movement seat can be accommodated on the frame, for example in a housing for accommodating the drive mechanism.
  • the processing unit can, however, also be wired or wirelessly connected to the drive mechanism, for example via a radio link.
  • the useful force applied to the seat surface can partially be used, in particular in the damping mode, to generate energy, in particular to charge an accumulator for supplying the drives of the drive mechanism and the processing unit.
  • FIGS 1 A), 1 B) show the essential components of a first embodiment of a movement seat 1 according to the invention.
  • the movement seat 1 comprises a frame 2, a backrest 3 arranged on the frame 2 and a seat surface 4.
  • a movement module 5 accommodates a drive mechanism 6, which is set up to execute a movement of the seat surface 4 in the XY direction with respect to the frame 2.
  • the frame 2 is supported on the contact surface via a base with rollers and brakes.
  • the drive mechanism 6 has an XY displacement unit 7.
  • the XY moving unit 7 comprises a first and a second slide 8, 9, which can be moved at right angles to one another.
  • the first carriage 8 is slidably guided along a first set of guide rails 11 by means of slide bushings 10.
  • the first set of guide rails 11 is arranged on a base plate 12 of a housing 13 of the movement module 5.
  • the drive of the first carriage 8 takes place via a first belt 14 which is driven by a first electric motor 15 arranged on the base plate 12.
  • a second set of guide rails 16 is located on the first slide 8 at right angles to the first set of guide rails 11 arranged.
  • the second carriage 9 is slidably guided along the second set of guide rails 16 by means of slide bushings 10.
  • the second slide 9 is driven via a second belt 17 which is driven by a second electric motor 18 arranged on the first slide 8.
  • the second carriage 9 is connected to a flange 21 for fastening the seat surface 4 with the interposition of a force sensor 19.
  • the XY travel unit 7 is housed in the housing 13, the base plate 12 of the housing 13 being fastened to a horizontal section of the frame 2.
  • the backrest 3 of the moving seat 1 is attached to a vertical section of the frame 2.
  • the force sensor 19 can be dispensed with if the motor signals are evaluated instead.
  • the processing unit and the input device for controlling the movement of the seat surface 4 are not shown in Figures 1 A), 1 B) for the sake of clarity.
  • the drive mechanism 6 can additionally enable a mechanical rotation of the seat surface 4 about its vertical axis (Z-axis).
  • Components that correspond to the drive mechanism according to FIG. 1 have the same reference numerals.
  • a rotary drive is arranged on the second slide 9.
  • the rotary drive comprises a worm wheel 23 which is rotatable about the vertical axis and is mounted in an axial bearing and which engages with an output-side worm 24 of an electric motor 25 fastened on the upper side of the second slide 9.
  • the force sensor is rotationally fixed with the worm wheel 23 19 attached, to which in turn the flange 21 for attaching the seat 2 is screwed. Due to its high gear ratio, the worm gear allows a precise rotation of the seat surface 4 by small angles and, due to its self-locking mechanism, at the same time prevents the seat surface 4 from being rotated by useful forces applied by the user.
  • the drive mechanism 6 can execute three-dimensional actual movement paths. Components that correspond to the drive mechanism according to FIG. 1 have the same reference numerals.
  • the drive mechanism 6 also has a moving unit 7.
  • the moving unit 7 comprises a first and a second slide 8, 9 which can be moved at right angles to one another.
  • the first carriage 8 is slidably guided along a first set of guide rails 11 by means of slide bushings 10.
  • the first set of curved guide rails 11 is arranged on a base plate 12 of a housing 13 of the movement module 5.
  • the drive of the first carriage 8 takes place via a first belt 14 which is driven by a first electric motor 15 arranged on the base plate 12.
  • a second set of curved guide rails 16 is arranged on the first carriage 8 at right angles to the first set of guide rails 11.
  • the second carriage 9 is slidably guided along the second set of curved guide rails 16 by means of slide bushings 10.
  • the second slide 9 is driven via a second belt 17 which is driven by a second electric motor 18 arranged on the first slide 8.
  • the second carriage 9 is connected to a flange 21 for fastening the seat surface 4 with the interposition of a force sensor 19.
  • the main difference to the The embodiment according to FIG. 1 consists in that the first set and the second set of guide rails 11, 16 have a matching curvature.
  • the pivot point means the origin for the radius of curvature that defines the curvature of the guide rails.
  • slight periodic fluctuations in height of the seat surface 2 occur when the seat surface 2 moves along a circular path. These slight fluctuations in height can be used specifically to stimulate movement of the user as well as for cyclical relief of the spine.
  • the drive mechanism 6 can additionally have a seat tilt adjustment 26 with a mechanical adjustment drive 27.
  • the seat inclination adjustment 26 makes it possible to adjust the inclination angle of the seat surface 4.
  • the seat tilt adjustment 26 comprises two swivel joints 28 arranged on the frame 2, aligned with one another, which pivotably connects the base plate 12 of the housing 13 to the frame 2.
  • the pivot axis is located on the front edge of the base plate 12.
  • the mechanical adjustment drive 27 is formed by two linear drives 29 which are arranged on the frame 2 and which are placed on the output side on the rear edge of the base plate 12.
  • the drive mechanism 6 and the processing unit for movement control include the electrical and electronic components listed below and shown in Figure 9:
  • the battery supplies the electric motors 15, 18 and the processing unit with electricity.
  • the measuring device 19, here in the form of the force sensor 19, transmits a signal with the detected force in the x and y directions to the microelectronics of the processing unit at each time cycle of the control.
  • the algorithm calculates the position for the electric motors 15, 18 and thus the actual position of the seat surface 2 and sends these actual values to the motor driver.
  • the motor drivers control the motor movement by means of corresponding electrical currents in order to approach the actual positions.
  • the motor drivers have their own control that receives the actual position (from the microelectronics) and the current position (from the motors' encoders) as input signals and controls the motor current as an output.
  • FIG. 6 shows a block diagram on the basis of which the movement control according to the invention by means of the processing unit and the drive mechanism is explained in more detail using the example of the movement seat 1 according to FIG. 1.
  • the seat surface 4 and thus the user are initially moved in a further operating mode on a predetermined target movement path at a predetermined constant or variable target speed. Both values are preprogrammed and can be set by the user, for example can be changed by the input device. A circular, predetermined target movement path is assumed below.
  • the x- and y-position of the initially set target trajectory result from the formulas:
  • the seat 4 first travels on the circular path as a target movement path with the initial target radius ro and the initial target speed from the further operating mode, i.e. with a passive movement of the user. In all operating modes, the movement is automatically stopped when the user gets up from the moving seat 1.
  • the software control automatically switches between the further operating mode with passive and the basic mode with active movement.
  • the user can be activated to active movements and still remain in movement for as long as possible.
  • the user is initially in the further operating mode, for example on a circular path with the radius ro and the driving speed vo.
  • the uniform movement on the target trajectory can now be carried out by the user in the Speed on the circular path and / or the shape of the trajectory can be changed.
  • the user has to apply an additional useful force to the seat surface 4 that goes beyond mere posture corrections. This is possible, for example, because the user has his feet on the floor and can transfer a force through them.
  • the useful forces that the user also applies to the seat surface 4 are detected by the force sensor 19 under the seat surface 4.
  • the sensor 19 measures the useful forces between the seat surface 4 and the drive mechanism 6.
  • the control consists of two functional units.
  • One unit of the speed adjustment is responsible for changing the actual speed on the specified target movement path (in our example the circular path).
  • a shape change unit is responsible for the deviation of the actual movement path from the specified target movement path.
  • the results of both functional units are merged and passed on to the motor drivers.
  • the algorithms behind these functional units and their design can be varied as required.
  • the entire control system uses the useful forces acting on the seat surface 4 detected by the force sensor 19 as well as the target movement path and target speed predetermined by the input device.
  • Functional unit of speed adjustment :
  • the useful force values measured by the force sensor 19 in the x and y directions result in a useful force vector.
  • the target speed in the x and y directions is determined from the inputs of the target speed and the target trajectory.
  • the target speed vector is formed from both values.
  • the set speed vector is first normalized for the further calculation. If a directional component of the useful force vector points in the desired direction of movement, the user would like to accelerate by applying his useful force in the direction of movement, if a directional component of the useful force vector points in a direction opposite to the desired direction of movement, braking is caused.
  • the scalar product is formed from the useful force vector and the normalized setpoint speed vector.
  • the value of the scalar product is scaled with a factor VI.
  • the factor VI can be set by the user (via the input device) and influences the response behavior of the controller. It indicates the extent to which the user reacts to a given application of utility. With a higher value, the same amount of useful force can be accelerated by the user.
  • the factor VI can be constant or it can be designed as a function depending on various input parameters.
  • the control described would be unstable if it were to react immediately to the smallest changes in utility power by the user.
  • damping elements such as low-pass filters are built into the control.
  • the processing unit does not react immediately in that the actual Speed is increased to a maximum in this direction, but the low-pass filters cause a time-delayed build-up of the speed (damped acceleration). The same is true when braking or when a higher actual speed drops to the target speed if the user does not apply a force again as before.
  • the actual speed results in the functional unit of the speed adjustment from the sum of the set speed and the result of the scaling with the factor VI and the adjustment by the low-pass filter.
  • the second functional unit determines the shape of the actual path of movement on which the seat surface 4 moves. It enables a shape change mode. To do this, the measured force value is multiplied (scaled) by a factor.
  • the change in shape takes place in the direction in which the useful force is applied by the user by adding the scaled force components to the target movement path. It is possible in all spatial directions (360 °), but the software can also limit it to certain spatial directions.
  • the actual positions of the seat surface 4 to be approached by the motor drivers in the x and y directions are calculated from the actual movement path of the functional unit of the change in shape and the actual speed of the functional unit of the speed adjustment (see Figure 6).
  • changes in the actual movement path and the actual speed compared to the target movement path and target speed are limited by the software by a minimum radius r min (r min ⁇ r 0) and a minimum travel speed v min .
  • three independently movable segments 30 of the backrest 3 are mounted on the frame 2 of a seat 1 designed as a chair, in particular an office chair.
  • the upper segment 30.1 of the backrest is located in the area of the shoulder girdle; it aims to keep the user at this Stabilize the spot and keep it as calm as possible.
  • the two lower-lying segments 30.2, 30.3 of the backrest 3 are intended to support the user in passive and active movement.
  • the starting position of the two lower movably mounted segments 30.2, 30.3 in relation to the frame 2 can also be adjusted by means of a mechanical drive.
  • the segments 30.2, 30.3 can be adjusted in the direction of the seat depth in the manner of a lumbar support.
  • a sensor 32 for detecting the sitting behavior of the user is arranged on each of the segments 30 of the backrest 3.
  • Pressure sensors that detect the pressure intensity between the back and the individual segments 30 are provided as sensors.
  • the sensors 32 are arranged between the frame 2 and the movably mounted segments 30.
  • the processing unit is set up in such a way that, depending on the seat behavior detected by the sensors 32, it selectively activates one of the operating modes for controlling the movement of the seat surface and / or the seat tilt adjustment 26 and / or changes the starting position of the two movably mounted segments 30.2, 30.3.
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Abstract

Um ein problematisches Sitzverhalten zu vermeiden, die gesundheitlichen Wirkungen gegen Bewegungsmangel zu verbessern und zugleich eine maschinelle Bewegung einer Sitzfläche eines Bewegungssitzes, insbesondere eines Bürostuhls, zu ermöglichen, die den Nutzer von anderen Tätigkeiten, insbesondere der Büroarbeit, weniger ablenkt, wird ein Bewegungssitz vorgeschlagen, der die aus dem Stand der Technik bekannte passive Bewegung des Nutzers auf der maschinell bewegten Sitzfläche und die daraus resultierenden Haltungskorrekturen mit einer aktiven Bewegung des Nutzers kombiniert. Durch die zumindest zeitweilige aktive Bewegung des Nutzers ändern sich die auf die Sitzfläche (4) wirkenden Nutzkräfte, die mittels einer Messeinrichtung (19) erfasst werden. Unter Berücksichtigung der erfassten Nutzkräfte unterstützt oder dämpft eine Verarbeitungseinheit durch gezielte Bewegungssteuerung der Sitzfläche die aktive Bewegung und regt den Nutzer damit zu weiterer, die gesundheitlichen Wirkungen verbessernder aktiver Bewegung an.

Description

Bewegungssitz
Die Erfindung betrifft einen Bewegungssitz, insbesondere einen Bürostuhl, umfassend ein Gestell und eine Sitzfläche, die gegenüber dem Gestell mittels einer Antriebsmechanik maschinell bewegbar ist. Die Antriebsmechanik führt die Bewegung der Sitzfläche mit einer Ist-Geschwindigkeit entlang einer Ist-Bewegungsbahn gegenüber dem Gestell aus.
Evolutionär ist der Mensch darauf ausgelegt, den ganzen Tag in Bewegung zu sein und stundenlang zu gehen. Unsere modernen Lebens- und Arbeitswelten finden stattdessen vornehmlich in der sitzenden Körperhaltung und ohne Bewegung statt. Diese einseitige Belastung und die körperliche Inaktivität im Sitzen sind Ursache für Volkskrankheiten wie Rückenschmerzen, Diabetes, Herz- Kreislauferkrankungen, Übergewicht und Depressionen .
Um die evolutionär begründeten Bedürfnisse des menschlichen Körpers mit den modernen Lebens- und Arbeitswelten zusammenzubringen werden Bewegungssitze, insbesondere auch Bürostühle, entwickelt, bei denen durch gezielte Bewegung der Sitzfläche die einseitige Belastung beim Sitzen reduziert werden soll.
Der Bewegungssitz soll dazu beitragen, dass der Nutzer seine Sitzhaltung variiert, um das Verharren in der gleichen Haltung für längere Zeit zu vermeiden. Außerdem soll der Stoffwechsel des Nutzers angeregt werden. Die Wissenschaft definiert ein Sitzverhalten als problematisch, wenn der Nutzer in der gleichen Position verharrt und der Stoffwechsel <1.5 metabolische Äquivalente (METs) beträgt (vgl. https://www .sedentarybehaviour.org/what-is-sedentary- behaviour, abgerufen am 25.Oktober 2019).
Bekannt sind ergonomische Bürostühle, welche die Bewegung des Nutzers durch ein instabiles Design der Sitzfläche fördern.
In der Praxis sitzen die Nutzer selten in der vorgesehenen Haltung auf den Bürostühlen und sie bewegen sich trotz der Bewegungsmöglichkeiten zu wenig. Um beispielsweise eine Synchronmechanik eines Bürostuhls zu nutzen, muss der Nutzer die Bewegung aktiv ausführen. Bei der Konzentration auf die Arbeit kann die aktive Bewegung schnell außer Acht gelassen werden.
Ein Massagestuhl mit motorisch angetriebenen Elementen ist beispielsweise aus der US2008 0167 587 Al bekannt.
Aus der US 20080096 723 Al ist ein als Trainingshilfe vorgesehener Stuhl bekannt, der eine um eine Vertikalachse exzentrisch drehende Sitzfläche aufweist, die in der Geschwindigkeit eingestellt werden kann.
Aus der WO 00/22964 und der EP 1457 14 1 B9 ist ein Sitz mit elektromotorisch angetriebener Sitzfläche bekannt, wobei eine Antriebsmechanik derart eingerichtet ist, dass die Sitzfläche eine U-förmige, seitenalternierende Hin- und Herbewegung ausführt. Der Körper des Nutzers folgt der Hin- und Herbewegung der Sitzfläche passiv. Die wünschenswerte Muskelarbeit wird bei dem bekannten Sitz dadurch gewährleistet, dass der Nutzer seine Haltung als Reaktion auf die passive Bewegung ändert. Die US 2017 / 0095 088 Al offenbart ein bewegliches Sitzmodul eines Bürostuhls zur Aktivierung der Wirbelsäule. Das Sitzmodul basiert auf einer Kippvorrichtung für die Sitzfläche und umfasst eine feste Oberfläche, die mit der Basis des Bürostuhls verbunden ist sowie eine über parallel zur Sitzfläche verlaufende Kippachsen verbundene bewegliche Oberfläche. Die bewegliche Oberfläche ist mit der festen Oberfläche über ein mindestens zweiachsiges Gelenk verbunden. Über Aktoren wird die bewegliche Oberfläche des Sitzmoduls um die zwei Achsen gekippt, um die Sitzposition des Nutzers zu verändern. Des Weiteren verfügt das Modul über eine Bewegungssteuerung um den Betrieb der mindestens zwei Aktuatoren zum Verschwenken der Sitzfläche zu steuern. Schließlich kann die Vorrichtung eine Wägezelle aufweisen, die der Bewegungsteuerung das Gewicht des Nutzers bekannt gibt und ob ein Nutzer auf der Sitzfläche sitzt. Ferner kann die Gewichtsverteilung auf der Sitzfläche festgestellt werden. Schließlich kann ein Gyrometer vorgesehen sein, um die Sitzposition des Nutzers festzustellen. Die festgestellte Sitzposition kann zur Steuerung der Kippvorrichtung verwendet werden. Nachdem die Bewegungssteuerung festgestellt hat, dass ein Nutzer auf dem Arbeitsstuhl sitzt, wird ein festes Bewegungsschema für den Kippmechanismus aktiviert. In einer Ausgestaltung stellt die Bewegungssteuerung mit Hilfe der Sensorsignale die Dauer fest, in der der Nutzer in der gleichen Position verharrt. Die Bewegungssteuerung aktiviert abhängig von der Dauer ein Kippen des Sitzes durch einen der Aktoren, um den Nutzer zu einer Veränderung seiner Sitzposition zu veranlassen .
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Bewegungssitz, insbesondere einen Bürostuhl, vorzuschlagen, der das problematische Sitzverhalten , insbesondere bei der Büroarbeit vermeidet, der die gesundheitlichen Wirkungen gegen Bewegungsmangel verbessert und zugleich eine Bewegung der Sitzfläche ermöglicht, die den Nutzer von anderen Tätigkeiten, insbesondere der Büroarbeit, weniger ablenkt.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, die aus dem Stand der Technik bekannte passive Bewegung des Nutzers auf der Sitzfläche und die daraus resultierenden Haltungskorrekturen mit einer aktiven Bewegung des Nutzers zu kombinieren, die einen Einfluss auf die Bewegung der Sitzfläche hat.
Im Einzelnen wird die Aufgabe durch einen Bewegungssitz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die zusätzliche, zumindest zeitweilige aktive Bewegung des Nutzers ändern sich die aufgebrachten Nutzkräfte. Die Nutzkräfte sind die von dem Nutzer auf die Sitzfläche aufgebrachten Nutzkräfte, wobei die Nutzkräfte einen aus der Masse des Nutzers resultierenden passiven Anteil und einem aus der aktiven Bewegung des Nutzers resultierenden aktiven Anteil umfassen. Der aktive Anteil wird durch die aktive Muskelarbeit des Nutzers hervorgerufen.
Durch den aktiven Anteil ändern sich fortlaufend die auf die Sitzfläche wirkenden Nutzkräfte. Die auf die Sitzfläche wirkenden Nutzkräfte werden mittels einer Messeinrichtung erfasst. Unter Berücksichtigung der erfassten Nutzkräfte unterstützt oder dämpft eine Verarbeitungseinheit durch gezielte Bewegungssteuerung der Sitzfläche die aktive Bewegung und/oder ändert die Bewegungsbahn und regt den Nutzer damit zu weiterer, die gesundheitlichen Wirkungen verbessernder aktiver Bewegung an.
Trotz der Nutzung des maschinellen Antriebs der Sitzfläche bei aktiver Bewegung werden Ablenkungen des Nutzers von anderen Tätigkeiten, wie der Büroarbeit, wirksam dadurch vermieden, dass von der Verarbeitungseinheit eine geschlossene Soll-Bewegungsbahn der maschinell angetrieben Sitzfläche vorgegeben wird. Die geschlossene Soll- Bewegungsbahn ermöglicht eine ruhige und gleichmäßige Bewegung der Sitzfläche. Die Sitzfläche, die ein- oder mehrteilig sein kann, wird von einer Antriebsmechanik, die zwischen dem Gestell des Bewegungssitzes und der Sitzfläche angeordnet ist, maschinell bewegt. Für die maschinelle Bewegung weist die Antriebsmechanik vorzugsweise ein Positioniersystem auf, dessen elektrische Antriebe von der Verarbeitungseinheit zur Bewegungssteuerung der Sitzfläche angesteuert werden. Der Einsatz des maschinellen Antriebs ist erforderlich, um eine automatisierte Bewegung der Sitzfläche und damit des Nutzers zu ermöglichen.
Die vorgegebene geschlossene Soll-Bewegungsbahn der Sitzfläche ist insbesondere eine geschlossene Kurve. In Betracht kommen einfache geschlossene Kurven ohne Selbstschnittpunkte, wie Kreise oder Ellipsen, jedoch auch geschlossene Kurven mit Selbstschnittpunkten, wie beispielsweise eine liegende Acht. Des Weiteren kann die geschlossene Soll-Bewegungsbahn, je nach Ausgestaltung der Antriebsmechanik auch eine geschlossene Raumkurve sein. Entlang der Soll-Bewegungsbahn bewegt sich die Sitzfläche vorzugsweise translatorisch, d.h. sämtliche Punkte der Sitzfläche erfahren bei der Bewegung entlang der Soll- Bewegungsbahn dieselbe Verschiebung. Je nach Ausprägung der Soll-Bewegungsbahn kann die translatorische Bewegung jedoch auch mit einer Rotation der Sitzfläche um deren Hochachse überlagert sein, um eine stets gleichbleibende Orientierung der Sitzfläche zu einem Bezugspunkt zu gewährleisten.
Die ruhige und gleichmäßige Bewegung der Sitzfläche wird vorzugsweise weiter dadurch unterstützt, dass die vorgegebene Soll-Geschwindigkeit der Sitzfläche an keinem Punkt der geschlossenen Soll-Bewegungsbahn den Wert 0 annimmt. Vorzugsweise zeigt der Vektor der vorgegebenen Sollgeschwindigkeit der Sitzfläche an jedem Punkt der geschlossenen Soll-Bewegungsbahn zum in Bewegungsrichtung nächsten Ortspunkt der geschlossenen Soll-Bewegungsbahn, d.h. die Bewegungsrichtung wird nicht umgekehrt. Eine derartige Umkehr setzt stets ein vollständiges Abbremsen der Sitzfläche vor der Bewegungsrichtungsumkehr und ein anschließendes Beschleunigen voraus, wodurch eine erhebliche Unruhe der Sitzbewegung entsteht, die einem ablenkungsfreien Arbeiten auf einem Bürostuhl zuwiderläuft.
Da weder unter Gesundheitsexperten noch unter den Nutzern von Bewegungssitzen eine Soll-Bewegungsbahn als ideal identifiziert werden kann, verfolgt die Erfindung den weiteren Gedanken, eine Auswahl an Soll-Bewegungsbahnen zu ermöglichen, soweit diese eine ruhige und gleichmäßige Bewegung der Sitzfläche gewährleisten. Der jeweilige Nutzer kann daher in einer Ausgestaltung der Erfindung selbst entscheiden, welche geschlossene Soll-Bewegungsbahn für ihn geeignet ist; er kann diese beispielsweise über ein Eingabegerät, wie z.B. einem Mobiltelefon (Smartphone) mit einer korrespondierenden Software (-App), selbst auswählen und individuell, insbesondere hinsichtlich der Soll- Geschwindigkeit anpassen. Alternativ kann die Soll- Bewegungsbahn durch einen vom Nutzer auf die Sitzfläche aufgebrachten Steuerungsimpuls geändert werden. Der Steuerungsimpuls kann eine kurzzeitig aufgebrachte, hohe Nutzkraft sein, die über dem üblichen Niveau der Nutzkräfte liegt.
Für einen Bürostuhl sind solche Soll-Bewegungsbahnen der Sitzfläche bevorzugt, bei denen der Kopf und die Hände des Nutzers der Sitzfläche für die Bedienung eines PC- Arbeitsplatzes weitgehend in Ruhe verbleiben. Soweit die Sollbewegungsbahn das Bewegungsmuster des menschlichen Gangs imitiert, ist eine solche Soll-Bewegungsbahn für die Anwendung als Bürostuhl besonders geeignet, weil die entsprechende Bewegung der Sitzfläche in erster Linie zu einer Bewegung des Beckengürtels führt, während der Schultergürtel kaum bewegt wird.
Die Verarbeitungseinheit des Bewegungssitzes ist eingerichtet zur Bewegungssteuerung der Sitzfläche mit einer Ist- Geschwindigkeit entlang einer geschlossenen Ist-Bewegungsbahn mittels der Antriebsmechanik unter Berücksichtigung von Richtung und Betrag der erfassten Nutzkräfte. In einem Grundmodus des Bewegungssitzes wird die Ist-Geschwindigkeit der Sitzfläche gegenüber einer vorgegebenen Soll- Geschwindigkeit der Sitzfläche durch die auf die Sitzfläche wirkenden Nutzkräfte verändert und/oder die Ist-Bewegungsbahn gegenüber einer vorgegebenen geschlossenen Soll-Bewegungsbahn durch die auf die Sitzfläche wirkenden Nutzkräfte verändert.
Um die auf die Sitzfläche wirkenden Nutzkräfte zu erfassen verfügt der Bewegungssitz über eine Messeinrichtung. Auf die Sitzfläche wirken die Antriebskräfte der Antriebsmechanik und die von dem Nutzer auf die Sitzfläche aufgebrachten Nutzkräfte. Die Nutzkräfte erlauben die Erkennung des Sitzverhaltens des Nutzers.
Bei der Messeinrichtung kann es sich um einen Kraftsensor oder einen Beschleunigungssensor zur Erfassung der Nutzkräfte handeln, z.B. angeflanscht unter der Sitzfläche. Die Nutzkräfte lassen sich jedoch auch ohne einen gesonderten Messwertaufnehmer erfassen. Dazu werden von der Messeinrichtung die Kräfte der elektromotorischen Antriebe der Antriebsmechanik, insbesondere die Stromaufnahme ausgewertet, die als indirekte Signale ebenfalls eine Ermittlung der auf die Sitzfläche wirkenden Nutzkraft zulassen, weil die Kräfte der elektromotorischen Antriebe die Gegenkräfte zu den Nutzkräften sind.
Die Verarbeitungseinheit ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 derart ausgebildet, a) dass ein Nutzkraftvektor, der sich aus der Richtung und dem Betrag der erfassten Nutzkräfte ergibt, fortlaufend mit der Richtung eines Soll-Geschwindigkeitsvektors an einem Punkt der Soll-Bewegungsbahn verglichen wird, wobei sich der Nutzkraftvektor auf denselben Punkt oder einen der benachbarten Punkte auf der Soll-Bewegungsbahn bezieht und eine Komponente des Nutzkraftvektors in oder entgegen der Richtung des Soll-Geschwindigkeitsvektors eine Änderung der Ist-Geschwindigkeit der Sitzfläche gegenüber der Soll-Geschwindigkeit der Sitzfläche bewirkt und/oder b) dass ein Punkt auf der Soll-Bewegungsbahn in die Richtung und um einen skalierten Betrag des Nutzkraftvektors verschoben wird, wobei sich der Nutzkraftvektor auf denselben Punkt oder einen der benachbarten Punkte auf der Soll-Bewegungsbahn bezieht, um die Ist-Bewegungsbahn der Sitzfläche gegenüber der Soll-Bewegungsbahn zu verändern, sobald der Betrag des Nutzkraftvektor einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Der Schwellwert kann konstant sein, und/oder durch den Nutzer im Eingabegerät verändert werden, und/oder als Funktionen in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangsparametern gestaltet werden.
Der Grundmodus des Bewegungssitzes umfasst einen Unterstützungsmodus und/oder einen Widerstandsmodus und/oder einen Formänderungsmodus.
In dem Unterstützungsmodus nach Anspruch 4 führt die Komponente des Nutzkraftvektors in Richtung des Soll- Geschwindigkeitsvektors zu einer Erhöhung der Ist- Geschwindigkeit der Sitzfläche gegenüber der vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit .
In dem Widerstandsmodus nach Anspruch 5 führt die Komponente des Nutzkraftvektors entgegen der Richtung des Soll- Geschwindigkeitsvektors zu einer Reduktion der Ist- Geschwindigkeit der Sitzfläche gegenüber der vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit . Der Formänderungsmodus bietet zusätzlich oder alternativ zu dem Unterstützungs- und/oder Widerstandsmodus die Möglichkeit, von der vorgegebenen geschlossenen Soll- Bewegungsbahn durch Nutzkraftaufbringung abzuweichen. Hierzu wird ein Punkt auf der Soll-Bewegungsbahn in die Richtung und um einen skalierten Betrag des Nutzkraftvektors verschoben. Der verschobene Punkt ist einer der Punkte, aus denen sich die Ist-Bewegungsbahn zusammensetzt. Die Skalierung, die auch den Wert 1 umfassen kann, ist erforderlich, um aus dem Betrag des Nutzkraftvektors die Länge des Verschiebwegs zu ermitteln. Die Ist-Bewegungsbahn weicht jedoch erst dann von der Soll-Bewegungsbahn ab, wenn der Betrag des Nutzkraftvektors einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Dieser Schwellwert kann außerordentlich gering sein, so dass praktisch jede Aufbringung von Nutzkraft zu einer Änderung der Ist-Bewegungsbahn gegenüber der Soll- Bewegungsbahn führt. Durch Anheben des Schwellwertes kann bei weitgehend inaktivem Sitzen eine passive Bewegung des Nutzers auf der Sitzfläche entlang der Soll-Bewegungsbahn bewirkt werden, so dass der Nutzer erst durch aktive, über Haltungskorrekturen hinausgehende Bewegungen eine Änderung der Ist-Bewegungsbahn hervorruft.
Der Nutzer kann durch die gezielte aktive Einleitung von Nutzkräften die Ist-Bewegungsbahn (z.B. einen Kreis) „skalieren", also größer oder kleiner ausführen, als es durch die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn vorgesehen ist.
In dem Formänderungsmodus nach Anspruch 6 ist die Verarbeitungseinheit weiter derart eingerichtet, dass der skalierte Betrag des Nutzkraftvektors mittels einer Konstanten ermittelt wird, um die nutzkraftabhängige Verschiebung der Ist-Bewegungsbahn zu ermitteln. Alternativ ist in dem Formänderungsmodus nach Anspruch 6 die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet, dass der skalierte Betrag des Nutzkraftvektors mittels einer Variablen ermittelt wird, die von einem oder mehreren Eingangsparametern abhängt, beispielsweise der Höhe der Ist-Geschwindigkeit oder der Richtung des Soll-Geschwindigkeitsvektors.
In dem in Abbildung 8 dargestellten Beispiel einer kreisförmigen Soll-Bewegungsbahn erzeugt eine Auslenkung der Ist-Bewegungsbahn in Richtung zu einer äußeren oder inneren Bewegungsgrenze in Abhängigkeit von dem Abstand zur vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn eine zunehmend größere rückführende Komponente der Antriebskräfte in Richtung der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn. An der äußeren und der inneren Bewegungsgrenze laufen die rückführenden Komponenten der Antriebskräfte in Richtung der vorgegebenen Soll- Bewegungsbahn gegen unendlich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verarbeitungseinheit weiter derart eingerichtet, dass die Bewegungssteuerung der Sitzfläche über den Grundmodus hinaus wahlweise in mindestens einem weiteren Betriebsmodus erfolgt.
In mindestens einem weiteren Betriebsmodus werden die Ist- Bewegungsbahn und die Ist-Geschwindigkeit der Sitzfläche gegenüber der vorgegebenen geschlossenen Soll-Bewegungsbahn und Soll-Geschwindigkeit der Sitzfläche durch die auf die Sitzfläche wirkenden Nutzkräfte nicht verändert. Der Nutzer wird auf der Sitzfläche passiv auf der Soll-Bewegungsbahn mit Soll-Geschwindigkeit bewegt. Er verändert jedoch seine Haltung als Reaktion auf die passive Bewegung auf der Soll- Bewegungsbahn. In diesem weiteren Betriebsmodus entsprechen die Ist-Bewegungsbahn und die Ist-Geschwindigkeit der Sitzfläche unabhängig von den aufgebrachten Nutzkräften der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn und der Soll-Geschwindigkeit. Die Form der Soll-Bewegungsbahn und die Soll- Bewegungsgeschwindigkeit der Sitzfläche können konstant sein oder einem veränderlichen Profil folgen.
Die Verarbeitungseinheit ist vorzugsweise derart programmiert, dass sich der Grundmodus unter Berücksichtigung der Nutzkräfte und der vorgenannte weitere Betriebsmodus automatisch abwechseln. Dies ist ereignisgesteuert oder in festgelegten Intervallen möglich.
Ereignisgesteuert kann ein Wechsel zwischen den Betriebsmodi von der Verarbeitungseinheit ausgelöst werden, wenn sich z.B. die von dem Nutzer auf die Sitzfläche aufgebrachten Nutzkräfte ändern. Aus dem weiteren Betriebsmodus wechselt die Verarbeitungseinheit automatisch in den Grundmodus, wenn der Nutzer während der passiven Bewegung beginnt, eine höhere Nutzkraft auf die Sitzfläche aufzubringen. Die Verarbeitungseinheit wechselt in den weiteren Betriebsmodus mit passiver Bewegung zurück, wenn der Nutzer nur noch geringe Nutzkräfte, z.B. in Folge von Haltungskorrekturen, auf die Sitzfläche aufbringt. In Abhängigkeit des Nutzerverhaltens kann es zu häufigen und schnellen Wechseln zwischen den Betriebsmodi während eines Umlaufes der Sitzfläche auf der Ist-Bewegungsbahn kommen.
Unabhängig davon, ob nun ereignisorientiert oder zyklisch zwischen dem Grundmodus und dem weiteren Betriebsmodus gewechselt wird, soll der Wechsel den Nutzer in der Bewegungsausführung unterstützen, um damit einen höheren Bewegungsumfang am Ende eines Arbeitstages ermöglicht zu haben, ohne den Nutzer zu überfordern.
In einem zusätzlich zu dem Formänderungsmodus vorgesehenen weiteren Betriebsmodus, dem Dämpfungsmodus nach Anspruch 8 dämpfen entgegen der Bewegungsrichtung der Sitzfläche entlang der Ist-Bewegungsbahn wirksame Antriebskräfte die Bewegung der Sitzfläche.
Um das gesundheitliche Ziel, Rückenschmerzen zu lindern oder vorzubeugen, noch besser erreichen zu können, ist es mit dem beschriebenen Bewegungssitz möglich, das sensomotorische System des Nutzers zu trainieren. Ein solches
Trainingsprogramm stellt die Verarbeitungseinheit zusätzlich zu dem Grundmodus und ggf. jedem weiteren Betriebsmodus bereit. Das Trainingsprogramm kann aktiviert werden, wenn der reguläre Betrieb in einer Arbeitspause für wenige Minuten unterbrochen wird. Die ablenkungsfreie Nutzungsmöglichkeit des Bewegungssitzes steht bei diesem Trainingsprogramm nicht im Vordergrund. Zum Training des sensomotorischen Systems wird durch die Bewegungsmechanik und gesteuert durch die Verarbeitungseinheit die Sitzfläche entlang einer Bewegungsbahn bewegt, wobei die Verarbeitungseinheit ständig unvorhersehbare Bewegungen auf die Sitzfläche aufbringt (Perturbationen). Der Nutzer muss diese von außen angeregten Gleichgewichtsstörungen ausbalancieren. Dadurch wird sein sensomotorisches System trainiert, was förderlich ist zur Linderung oder Vorbeugung von Rückenschmerzen.
Die Antriebsmechanik des Bewegungssitzes umfasst ein Positioniersystem, insbesondere eine X-Y-Verfahreinheit mit der sich in einer Ebene sämtliche Formen von geschlossenen- Ist-Bewegungsbahnen der Sitzfläche erzeugen lassen.
Wenn das Positioniersystem eine erste gekrümmte Führung und eine zweite gekrümmte Führung aufweist, die beiden gekrümmten Führungen in einem von 0° verschiedenen Winkel, vorzugsweise rechtwinklig zueinander angeordnet sind und die Krümmung beider Führungen vorzugsweise übereinstimmt, lassen sich die Ist-Bewegungsbahnen der Sitzfläche erweitern, insbesondere lassen sich nicht nur zweidimensionale Ist-Bewegungsbahnen, sondern auch als Raumkurven ausgebildete Ist-Bewegungsbahnen erzeugen. Die Krümmung der Führungen kann, muss jedoch nicht über deren gesamte Länge konstant sein. Ist der Krümmungsradius nicht konstant, müssten Gelenklager in den Gleitelementen der Schlitten vorgesehen werden, damit diese auf den variierenden Krümmungsradien gleiten können. Die Verwendung gekrümmter Führungen kann beispielsweise genutzt werden, um die Höhe des Schultergürtels des Nutzers während der Bewegung auf einer konstanten Höhe zu halten, was insbesondere für Bürostühle von besonderer Bedeutung ist.
Das Positioniersystem ist in einer Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich für eine maschinelle Verdrehung der Sitzfläche um ihre Hochachse (Z-Achse) eingerichtet. Damit kann z.B. bei einer Soll-Bewegungsbahn der Sitzfläche entlang einer in einer Ebene liegenden Acht ermöglicht werden, dass die Sitzfläche bei der Bewegung positionsabhängig soweit verdreht wird, dass die Beine der bewegten Person immer in Richtung eines festen Punktes, wie beispielsweise eines Schreibtisches oder eines Computerarbeitsplatzes zeigen. Die Drehung um die Hochachse kann mittels eines Drehtisches ausgeführt werden, der auf der XY-Verfahreinheit angeordnet ist und daher mit bewegt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Positioniersystem zusätzlich eine Sitzneigeverstellung mit einem maschinellen Verstellantrieb aufweisen. Manuelle Sitzneigeverstellungen sind für Bürostühle bekannt und erlauben es, den Neigewinkel der Sitzfläche einzustellen. Die leicht abfallende Sitzfläche wirkt einer rückwärtigen Verlagerung des Beckens entgegen.
Ein durch die rückwärtige Verlagerung bedingter kleiner Beckenwinkel begünstigt die gesundheitlich belastende Körperhaltung mit rundem Rücken. Die Sitzneigeverstellung gleicht somit Fehlhaltungen beim nach vorne gerichteten Arbeiten aus und eignet sich für Nutzer, die viel am Computer arbeiten. Allerdings ist das permanente Sitzen in einer geneigten Sitzfläche nicht bequem, deshalb ist eine fortlaufende Einstellung des Neigewinkels sinnvoll. Der maschinelle Antrieb der Sitzneigeverstellung erlaubt die automatisierte, situationsbedingte Einstellung der Sitzneigung durch die Verarbeitungseinheit des erfindungsgemäßen Bewegungssitzes.
An dem Gestell eines als Stuhl, insbesondere Bürostuhl, ausgeführten Bewegungssitzes sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mehrere unabhängig voneinander, zumindest teilweise bewegliche Segmente einer Rückenlehne gelagert. Die Segmente unterstützen den Rücken des Nutzers bei der aktiven und passiven Bewegung.
Aufgabe der Rückenlehne ist es, den Nutzer zu stützen, bei bewegter Sitzfläche und bei deaktivierter Bewegungsfunktion. Da der Schultergürtel des Nutzers auch während der Bewegung möglichst in Ruhe verbleiben soll, während sich der Unterkörper bewegt, besteht die Rückenlehne aus mindestens zwei Segmenten, die vorzugsweise übereinander angeordnet sind. Das obere Segment der Rückenlehne befindet sich im Bereich des Schultergürtels; es soll den Nutzer an dieser Stelle stabilisieren und möglichst in Ruhe halten, da die Bewegung hier minimal sein soll. Das oder die tieferliegenden Segmente der Rückenlehne sollen den Nutzer bei der aktiven und passiven Bewegung unterstützen.
Um die Körperhaltung des Nutzers beim Sitzen zu korrigieren, insbesondere um einen Rundrücken beim Sitzen zu verhindern, kann die Ausgangslage mindestens eines beweglich gelagerten Segments in Bezug auf das Gestell mittels eines maschinellen Antriebs einstellbar sein.
Wenn an der Rückenlehne oder mindestens einem Segment der Rückenlehne mindestens ein Sensor zur Erkennung des Sitzverhaltens des Nutzers angeordnet ist, kann die Verarbeitungseinheit abhängig von dem detektierten Sitzverhalten gezielt die Bewegungssteuerung der Sitzfläche ändern und/oder die Sitzneigeverstellung aktivieren und/oder die Ausgangslage des mindestens einen beweglich gelagerten Segmentes ändern.
Detektieren die Sensoren beispielsweise, dass der Nutzer mit rundem Rücken sitzt, kann die Verarbeitungseinheit mit Hilfe der Sitzneigeverstellung automatisch die Neigung der Sitzfläche ändern, sodass sich der Beckenwinkel des Nutzers vergrößert. Dies fördert das aufrechte Sitzen des Nutzers. Detektieren die Sensoren, dass der Nutzer wieder in einer korrekten Haltung ist, kann die Neigung, ggf. zeitversetzt, wieder verringert werden.
Als Sensoren zur Erkennung des Sitzverhaltens des Nutzers kommen Druck-/Kraftsensoren in Betracht, die einen Kontakt zwischen Rücken und den Segmenten und/oder die Druckintensität zwischen Rücken und den Segmenten der Rückenlehne detektieren.
Die Sensoren können in die Polster integriert sein, oder an den Lagerungen der Segmente angeordnet sein.
Alternativ besteht die Rückenlehne nur aus einem oberen, gestellfesten Segment und einem unteren, beweglichen Segment. Das bewegliche Segment der Rückenlehne stützt die Lendenwirbelsäule bei der Bewegung und liegt während der Bewegung durchgehend am Rücken an. Das untere Segment wird durch die vorhandene Antriebsmechanik für die Sitzfläche mit angetrieben, d.h. ohne einen eigenen Antrieb. Das untere Segment ist hierzu beispielsweise über ein zweiachsiges Gelenk an die die Sitzfläche tragende Abtriebsseite der Antriebsmechanik für die Sitzfläche und über ein weiteres zweiachsiges und in Z-Richtung verschiebliches Gelenk an den die Rückenlehne tragenden Teil des Gestells angebunden.
Die Verarbeitungseinheit zur Bewegungssteuerung des Bewegungssitzes kann an dem Gestell, beispielsweise in einem Gehäuse zur Aufnahme der Antriebsmechanik untergebracht sein. Die Verarbeitungseinheit kann jedoch auch kabelgebunden oder drahtlos, z.B. über eine Funkstrecke mit der Antriebsmechanik verbunden sein. Schließlich kann die auf die Sitzfläche aufgebrachte Nutzkraft insbesondere im Dämpfungsmodus teilweise zur Erzeugung von Energie, insbesondere zum Laden eines Akkumulators für die Versorgung der Antriebe der Antriebsmechanik und der Verarbeitungseinheit genutzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Abbildungen 1 - 9 näher erläutert:
Abbildungen 1 A), 1 B) zeigen die wesentlichen Komponenten eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bewegungssitzes 1. Der Bewegungssitz 1 umfasst ein Gestell 2, eine an dem Gestell 2 angeordnete Rückenlehne 3 und eine Sitzfläche 4. Ein Bewegungsmodul 5 nimmt eine Antriebsmechanik 6 auf, die eingerichtet ist, um eine Bewegung der Sitzfläche 4 in XY-Richtung gegenüber dem Gestell 2 auszuführen. Das Gestell 2 stützt sich auf der Aufstandsfläche über ein Fußkreuz mit Rollen und Bremsen ab.
Die Antriebsmechanik 6 weist eine XY-Verfahreinheit 7 auf.
Die XY-Verfahreinheit 7 umfasst einen ersten und einen zweiten Schlitten 8,9, die rechtwinklig zueinander verfahrbar sind. Der erste Schlitten 8 ist mittels Gleitbuchsen 10 entlang einem ersten Satz Führungsschienen 11 gleitend geführt. Der erste Satz Führungsschienen 11 ist auf einer Bodenplatte 12 eines Gehäuses 13 des Bewegungsmoduls 5 angeordnet. Der Antrieb des ersten Schlittens 8 erfolgt über einen ersten Riemen 14, der von einem auf der Bodenplatte 12 angeordneten ersten Elektromotor 15 angetrieben wird. Auf dem ersten Schlitten 8 ist rechtwinklig zu dem ersten Satz Führungsschienen 11 ein zweiter Satz Führungsschienen 16 angeordnet. Der zweite Schlitten 9 ist mittels Gleitbuchsen 10 entlang des zweiten Satzes der Führungsschienen 16 gleitend geführt. Der Antrieb des zweiten Schlittens 9 erfolgt über einen zweiten Riemen 17, der von einem auf dem ersten Schlitten 8 angeordneten zweiten Elektromotor 18 angetrieben wird. Der zweite Schlitten 9 ist unter Zwischenschaltung eines Kraftsensors 19 mit einem Flansch 21 zur Befestigung der Sitzfläche 4 verbunden. Die XY- Verfahreinheit 7 wird von dem Gehäuse 13 eingehaust, wobei die Bodenplatte 12 des Gehäuses 13 an einem horizontalen Abschnitt des Gestells 2 befestigt ist. An einem senkrechten Abschnitt des Gestells 2 ist die Rückenlehne 3 des Bewegungssitzes 1 befestigt.
Alternativ kann auf den Kraftsensor 19 verzichtet werden, wenn stattdessen die Motorsignale ausgewertet werden. Die Verarbeitungseinheit und das Eingabegerät zur Bewegungssteuerung der Sitzfläche 4 ist in der Abbildung 1 A), 1 B) der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Antriebsmechanik 6 kann in einer Ausgestaltung nach Abbildung 2 zusätzlich eine maschinelle Verdrehung der Sitzfläche 4 um ihre Hochachse (Z-Achse) ermöglichen. Mit der Antriebsmechanik nach Abbildung 1 übereinstimmende Bauteile weisen übereinstimmende Bezugszeichen auf.
Auf dem zweiten Schlitten 9 ist ein Drehantrieb angeordnet. Der Drehantrieb umfasst ein um die Hochachse drehbares, in einem Axiallager gelagertes Schneckenrad 23, dass mit einer abtriebsseitigen Schnecke 24 eines auf der Oberseite des zweiten Schlittens 9 befestigten Elektromotors 25 in Eingriff steht. Drehfest mit dem Schneckenrad 23 ist der Kraftsensor 19 befestigt, an dem wiederum der Flansch 21 zur Befestigung der Sitzfläche 2 angeschraubt ist. Das Schneckengetriebe erlaubt aufgrund seiner hohen Übersetzung eine präzise Verdrehung der Sitzfläche 4 um kleine Winkel und verhindert aufgrund seiner Selbsthemmung zugleich eine Verdrehung der Sitzfläche 4 durch vom Nutzer aufgebrachte Nutzkräfte.
Die Antriebsmechanik 6 kann in einer Ausgestaltung nach Abbildungen 3 und 4 dreidimensionale Ist-Bewegungsbahnen ausführen. Mit der Antriebsmechanik nach Abbildung 1 übereinstimmende Bauteile weisen übereinstimmende Bezugszeichen auf. Die Antriebsmechanik 6 weist ebenfalls eine Verfahreinheit 7 auf. Die Verfahreinheit 7 umfasst einen ersten und einen zweiten Schlitten 8,9, die rechtwinklig zueinander verfahrbar sind. Der erste Schlitten 8 ist mittels Gleitbuchsen 10 entlang einem ersten Satz Führungsschienen 11 gleitend geführt. Der erste Satz gekrümmter Führungsschienen 11 ist auf einer Bodenplatte 12 eines Gehäuses 13 des Bewegungsmoduls 5 angeordnet. Der Antrieb des ersten Schlittens 8 erfolgt über einen ersten Riemen 14, der von einem auf der Bodenplatte 12 angeordneten ersten Elektromotor 15 angetrieben wird. Auf dem ersten Schlitten 8 ist rechtwinklig zu dem ersten Satz Führungsschienen 11 ein zweiter Satz gekrümmter Führungsschienen 16 angeordnet. Der zweite Schlitten 9 ist mittels Gleitbuchsen 10 entlang des zweiten Satzes der gekrümmten Führungsschienen 16 gleitend geführt. Der Antrieb des zweiten Schlittens 9 erfolgt über einen zweiten Riemen 17, der von einem auf dem ersten Schlitten 8 angeordneten zweiten Elektromotor 18 angetrieben wird. Der zweite Schlitten 9 ist unter Zwischenschaltung eines Kraftsensors 19 mit einem Flansch 21 zur Befestigung der Sitzfläche 4 verbunden. Der wesentliche Unterschied zur Ausführungsform nach Abbildung 1 besteht darin, dass der erste Satz und der zweite Satz der Führungsschienen 11, 16 eine übereinstimmende Krümmung aufweisen. Stimmt die Krümmung des ersten und zweiten Satzes der Führungsschienen 11, 16 überein und fallen die Drehpunkte der beiden gekrümmten Führungsschienen 11,16 auf den gleichen Ortspunkt können bei einer kreisförmigen Soll-Bewegungsbahn Höhenschwankungen der Sitzfläche 2 vermieden werden. Mit dem Drehpunkt ist der Ursprung für den Krümmungsradius gemeint, der die Krümmung der Führungsschienen definiert. Fallen die Drehpunkte indes nicht auf den gleichen Ortspunkt kommt es zu geringfügigen periodischen Höhenschwankungen der Sitzfläche 2, wenn sich die Sitzfläche 2 entlang einer Kreisbahn bewegt. Diese geringfügigen Höhenschwankungen können zur Bewegungsanregung des Nutzers sowie zur zyklischen Entlastung der Wirbelsäule gezielt eingesetzt werden.
Die Antriebsmechanik 6 kann in einer Ausgestaltung nach Abbildungen 5A, 5B zusätzlich eine Sitzneigeverstellung 26 mit einem maschinellen Verstellantrieb 27 aufweisen. Mit der Antriebsmechanik nach Abbildungen 1,2,3 und 4 übereinstimmende Bauteile weisen übereinstimmende Bezugszeichen auf. Die Sitzneigeverstellung 26 erlaubt es, den Neigewinkel der Sitzfläche 4 einzustellen. Die Sitzneigeverstellung 26 umfasst zwei an dem Gestell 2 angeordnete, miteinander fluchtende Drehgelenke 28, die die Bodenplatte 12 des Gehäuses 13 schwenkbar mit dem Gestell 2 verbindet. Die Schwenkachse befindet sich an der Vorderkante der Bodenplatte 12. Den maschinellen Verstellantrieb 27 bilden zwei an dem Gestell 2 angeordnete Linearantriebe 29, die abtriebsseitig an der hinteren Kante der Bodenplatte 12 angelegt sind. In der Ausführungsform nach Abbildung 1 umfassen die Antriebsmechanik 6 und die Verarbeitungseinheit zur Bewegungssteuerung die nachfolgend aufgelisteten und in Abbildung 9 dargestellten elektrischen bzw. elektronischen Komponenten:
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Der Akku versorgt die Elektromotoren 15,18 und die Verarbeitungseinheit mit Strom. Die Messeinrichtung 19, hier in Form des Kraftsensors 19, überträgt zu jedem Zeittakt der Steuerung ein Signal mit der erfassten Kraft in x- und y- Richtung an die Mikroelektronik der Verarbeitungseinheit. Der Algorithmus berechnet mit diesen Signalen und der durch das Eingabegerät vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn und Soll- Geschwindigkeit die Position für die Elektromotoren 15, 18 und damit die Ist-Position der Sitzfläche 2 und sendet diese Ist-Werte an die Motortreiber. Die Motortreiber steuern durch entsprechende elektrische Ströme die Motorbewegung, um die Ist-Positionen anzufahren. In den Motortreibern ist eine eigene Regelung, die als Eingangssignal die Ist-Position (aus der Mikroelektronik) und die Aktuelle-Position (aus den Encodern der Motoren) erhält und als Ausgang den Motorstrom regelt.
Eine Software wird auf der Verarbeitungseinheit (z.B. der Mikroelektronik) betrieben. Die Software dient der Bewegungssteuerung der Sitzfläche. In Abbildung 6 ist ein Blockdiagramm dargestellt anhand dessen am Beispiel des Bewegungssitzes 1 nach Abbildung 1 die erfindungsgemäße Bewegungssteuerung mittels der Verarbeitungseinheit und der Antriebsmechanik näher erläutert wird.
Setzt sich der Nutzer auf den Bewegungssitz 1 und aktiviert die Verarbeitungseinheit, dann werden die Sitzfläche 4 und damit der Nutzer zunächst in einem weiteren Betriebsmodus auf einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit einer vorgegebenen konstanten oder variablen Soll-Geschwindigkeit bewegt. Beide Werte sind vorprogrammiert und können durch den Nutzer z.B. durch das Eingabegerät verändert werden. Nachfolgend wird von einer kreisförmigen, vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn ausgegangen. Die x- und y-Position der zunächst eingestellten Soll-Bewegungsbahn ergibt sich damit aus den Formeln:
• x=sin(t)
• y=sin (t+n/2)
Startet der Nutzer die Bewegung fährt die Sitzfläche 4 zunächst auf der Kreisbahn als Sollbewegungsbahn mit dem Anfangs-Soll-radius ro und mit der Anfangs-Soll geschwindigkeit voin dem weiteren Betriebsmodus, also mit einer passiven Bewegung des Nutzers. In allen Betriebsmodi wird die Bewegung automatisch gestoppt, wenn der Nutzer von dem Bewegungssitz 1 aufsteht.
Durch die Softwaresteuerung findet ein automatischer Wechsel zwischen dem weiteren Betriebsmodus mit passiver und dem Grundmodus mit aktiver Bewegung statt. Durch den automatisierten Wechsel zwischen aktiven Bewegungen des Nutzers und einer Unterstützung durch passive Bewegungszeiten, kann der Nutzer zu aktiven Bewegungen aktiviert werden und dennoch möglichst lange Zeit in Bewegung bleiben. Dieser vorteilhafte funktionelle Ansatz für einen automatisierten Wechsel zwischen aktiver und passiver Bewegung wird im Folgenden beschrieben:
Der Nutzer befindet sich zunächst im weiteren Betriebsmodus, beispielsweise auf einer Kreisbahn mit dem Radius ro und der Fahrgeschwindigkeit vo. Die gleichförmige Bewegung auf der Soll-Bewegungsbahn kann nun durch den Nutzer in der Geschwindigkeit auf der Kreisbahn und/oder der Form der Bewegungsbahn verändert werden. Dazu muss der Nutzer eine über bloße Haltungskorrekturen hinausgehende zusätzliche Nutzkraft auf die Sitzfläche 4 aufbringen. Möglich wird dies z.B., da der Nutzer seine Füße auf dem Boden stehen hat und darüber eine Kraft übertragen kann. Die Nutzkräfte, die der Nutzer auf die Sitzfläche 4 zusätzlich aufbringt, werden von dem Kraftsensor 19 unter der Sitzfläche 4 erfasst. Der Sensor 19 misst die Nutzkräfte zwischen Sitzfläche 4 und der Antriebsmechanik 6.
Die Steuerung besteht aus zwei funktionellen Einheiten. Eine Einheit der Geschwindigkeitsanpassung ist für die Änderung der Ist-Geschwindigkeit auf der vorgegebenen Soll- Bewegungsbahn (in unserem Beispiel die Kreisbahn) zuständig. Eine Einheit der Formänderung ist für die Abweichung der Ist- Bewegungsbahn von der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn zuständig. Die Ergebnisse beider funktioneller Einheiten werden zusammengeführt und an die Motortreiber weitergegeben. Die Algorithmen hinter diesen funktionellen Einheiten und ihre Ausgestaltung können beliebig variiert werden.
Unabhängig von der genauen Ausgestaltung beeinflussen sie die Ist-Geschwindigkeit und die Ist-Bewegungsbahn, also die Form der Bewegungsbahn auf der sich die Sitzfläche 4 tatsächlich bewegt und deren tatsächliche Geschwindigkeit.
Die gesamte Steuerung verwendet als Eingangssignal die von dem Kraftsensor 19 erfassten auf die Sitzfläche 4 wirkenden Nutzkräfte sowie die durch das Eingabegerät vorgegebene Soll- Bewegungsbahn und Soll-Geschwindigkeit. Funktionelle Einheit der Geschwindigkeitsanpassung:
Die von dem Kraftsensor 19 gemessenen Nutzkraftwerte in x- und y-Richtung ergeben einen Nutzkraftvektor. Aus den Eingaben der Soll-Geschwindigkeit und der Soll-Bewegungsbahn wird die Soll-Geschwindigkeit in x- und y-Richtung bestimmt. Aus beiden Werten wird der Soll-Geschwindigkeitsvektor gebildet. Der Soll-Geschwindigkeitsvektor wird für die weitere Berechnung zunächst normiert. Zeigt ein Richtungsanteil des Nutzkraftvektors in die Soll- Bewegungsrichtung, möchte der Nutzer durch seine Nutzkraftaufbringung in Bewegungsrichtung beschleunigen, zeigt ein Richtungsanteil des Nutzkraftvektors in eine zur Soll-Bewegungsrichtung entgegengesetzte Richtung, wird eine Abbremsung verursacht.
In der Einheit der Geschwindigkeitsanpassung wird aus dem Nutzkraftvektor und dem normierten Soll- Geschwindigkeitsvektor das Skalarprodukt gebildet.
• Ist das Skalarprodukt > 0, dann bringt der Nutzer Nutzkraftanteile in Bewegungsrichtung auf. Die Steuerung beschleunigt in einem Unterstützungsmodus daraufhin auf der Bewegungsbahn. Die Ist-Geschwindigkeit ist höher als die vorgegebene Soll-Geschwindigkeit.
• Ist das Skalarprodukt = 0, dann sinkt die Ist- Geschwindigkeit, bedingt durch den Tiefpassfilter, langsam wieder auf die Soll-Geschwindigkeit vo, wenn der Nutzer nicht vorher wieder eine Kraft aufbringt. Die Steuerung wechselt ggf. in den weiteren Betriebsmodus. • Ist das Skalarprodukt < 0, dann bringt der Anwender Kraftanteile entgegen der Bewegungsrichtung auf. Die Steuerung bremst in diesem Widerstandsmodus daraufhin auf der vorgegebenen Bewegungsbahn. Durch das „Abbremsen" des Nutzers kann die anfängliche Soll- Geschwindigkeit o auf eine geringere Ist- Geschwindigkeit Viin der Sitzfläche 4 sinken. Dabei bildet vmin den unteren Wert der Geschwindigkeit (vmin < o), der auch durch eine zusätzliche Nutzkraftaufbringung des Nutzers nicht mehr unterschritten werden kann.
Der Wert des Skalarprodukts wird mit einem Faktor VI skaliert. Der Faktor VI kann durch den Nutzer eingestellt werden (über das Eingabegerät) und beeinflusst das Ansprechverhalten der Steuerung. Er gibt an mit welchem Ausmaß auf eine gegebene Nutzkraftaufbringung des Nutzers reagiert wird. Durch einen höheren Wert kann mit der gleichen Nutzkraftaufbringung des Nutzers also stärker beschleunigt werden. Der Faktor VI kann konstant sein oder auch als Funktion in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangsparametern gestaltet werden.
Die beschriebene Steuerung wäre instabil, wenn sie auf kleinste Nutzkraftänderungen des Nutzers sofort reagieren würde. Mit dem Ziel schlagartige Bewegungen der Sitzfläche 4 zu vermeiden, die durch schnelle Bewegungen des Nutzers hervorgerufen werden können, werden dämpfende Elemente, wie Tiefpassfilter in die Steuerung eingebaut.
Bringt ein Nutzer schlagartig eine maximale Nutzkraft in Bewegungsrichtung auf die Sitzfläche 4 auf, dann reagiert die Verarbeitungseinheit nicht unmittelbar, indem die Ist- Geschwindigkeit in diese Richtung auf ein Maximum angehoben wird, sondern die Tiefpassfilter bewirken einen zeitlich verzögerten Aufbau der Geschwindigkeit (gedämpfte Beschleunigung) . Genauso verhält es sich beim Abbremsen oder dem Absinken einer höheren Ist-Geschwindigkeit auf die Soll- Geschwindigkeit, wenn der Nutzer nicht wie vorher wieder eine Kraft aufbringt.
Die Ist-Geschwindigkeit ergibt sich in der funktionellen Einheit der Geschwindigkeitsanpassung aus der Summe der Soll- Geschwindigkeit und dem Ergebnis der Skalierung mit dem Faktor VI und der Anpassung durch den Tiefpassfilter.
Funktionelle Einheit der Formänderung:
Die zweite funktionelle Einheit bestimmt die Form der Ist- Bewegungsbahn, auf der sich die Sitzfläche 4 bewegt. Sie ermöglicht einen Formänderungsmodus. Dazu wird der gemessene Kraftwert mit einem Faktor multipliziert (skaliert). Der Kraftanteil in x-Richtung mit X2, der Kraftanteil in y- Richtung mit Y2. Auch diese beiden Faktoren können konstant sein, durch den Nutzer mit dem Eingabegerät verändert werden oder als Funktionen gestaltet werden, die in Abhängigkeit unterschiedlicher Eingangsparameter variieren. Um den in Abbildung 8 dargestellten, progressiv zunehmenden Widerstand in Abhängigkeit von der Auslenkung von der vorgegebenen Soll- Bewegungsbahn zu realisieren, müssen X2 und Y2 als Funktionen abgebildet werden und können nicht konstant sein. Damit lässt sich ein „elastisches" Verhalten realisieren, wodurch der Nutzer bei einer Auslenkung der Ist-Bewegungsbahn von der ursprünglich vorgesehenen Soll-Bewegungsbahn umso stärker auf die Soll-Bewegungsbahn zurückgeführt wird, desto weiter er davon entfernt ist. Dazu können die Faktoren X2 und Y2 umso kleiner werden, je weiter die Ist-Bewegungsbahn von der Soll- Bewegungsbahn abweicht. Diese optionale Ausgestaltung ist in Abbildung 6 nicht dargestellt.
Die Formänderung findet in die Richtung der Nutzkraftaufbringung durch den Nutzer statt, indem die skalierten Kraftanteile zu der Soll-Bewegungsbahn hinzugefügt werden. Sie ist in alle Raumrichtungen (360°) möglich, kann softwareseitig aber auch auf bestimmte Raumrichtungen begrenzt werden.
Aus der Ist-Bewegungsbahn der funktionellen Einheit der Formänderung und der Ist-Geschwindigkeit der funktionellen Einheit der Geschwindigkeitsanpassung werden die von den Motortreibern anzufahrenden Ist-Positionen der Sitzfläche 4 in x- und y-Richtung ausgerechnet (vgl. Abbildung 6). In dem Beispiel der Kreisbahn als Soll-Bewegungsbahn werden Änderungen der Ist-Bewegungsbahn und der Ist-Geschwindigkeit gegenüber der Soll-Bewegungsbahn und Soll-Geschwindigkeit softwareseitig durch einen minimalen Radius rmin (rmin < r0) und eine minimale Fahrtgeschwindigkeit vmin eingeschränkt.
An dem Gestell 2 eines als Stuhl, insbesondere Bürostuhl, ausgeführten Bewegungssitzes 1 sind in einer in Abbildung 7 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung drei unabhängig voneinander bewegliche Segmente 30 der Rückenlehne 3 gelagert .
Das obere Segment 30.1 der Rückenlehne befindet sich im Bereich des Schultergürtels; es soll den Nutzer an dieser Stelle stabilisieren und möglichst in Ruhe halten. Die beiden tieferliegenden Segmente 30.2, 30.3 der Rückenlehne 3 sollen den Nutzer bei der passiven und aktiven Bewegung unterstützen. Die beiden tieferliegenden Segmente 30.2.,
30.3. sind aus einer Ausgangslage zu den Seitenrändern der Sitzfläche beweglich. Um die Körperhaltung des Nutzers beim Sitzen zu korrigieren, insbesondere um einen Rundrücken beim Sitzen zu verhindern, ist zudem die Ausgangslage der beiden unteren beweglich gelagerten Segmente 30.2, 30.3 in Bezug auf das Gestell 2 mittels eines maschinellen Antriebs einstellbar. Die Segmente 30.2, 30.3 lassen sich insbesondere in Richtung der Sitztiefe nach Art einer Lordosenstütze einstellen.
An sämtlichen Segmenten 30 der Rückenlehne 3 ist jeweils ein Sensor 32 zur Erkennung des Sitzverhaltens des Nutzers angeordnet. Als Sensoren sind Drucksensoren vorgesehen, die die Druckintensität zwischen dem Rücken und den einzelnen Segmenten 30 detektieren. Die Sensoren 32 sind zwischen dem Gestell 2 und den beweglich gelagerten Segmenten 30 angeordnet .
Die Verarbeitungseinheit ist derart eingerichtet, dass sie abhängig von dem durch die Sensoren 32 detektierten Sitzverhalten gezielt einen der Betriebsmodi zur Bewegungssteuerung der Sitzfläche und/oder die Sitzneigeverstellung 26 aktiviert und/oder die Ausgangslage der beiden beweglich gelagerten Segmente 30.2, 30.3 ändert. Bezugszeichenliste
1 Bewegungssitz
2 Gestell
3 Rückenlehne
4 Sitzfläche
5 Bewegungsmodul
6 Antriebsmechanik
7 Verfahreinheit
8 erster Schlitten
9 zweiter Schlitten
10 Gleitbuchsen
11 erster Satz Führungsschienen
12 Bodenplatte
13 Gehäuse
14 erster Riemen
15 erster Elektromotor
16 zweiter Satz Führungsschienen
17 zweiter Riemen
18 zweiter Elektromotor
19 Kraftsensor / Messeinrichtung
20
21 Flansch
22
23 Schneckenrad
24 Schnecke
25 Elektromotor
26 Sitzneigeverstellung
27 Verstellantrieb
28 Drehgelenk
29 Linearantrieb
30 Segment
31 Anbindung der Rückenlehnensegmente
32 Sensor

Claims

Patentansprüche :
1. Bewegungssitz (1) umfassend ein Gestell (2), eine Sitzfläche (4), eine Antriebsmechanik (6), eingerichtet um eine maschinell angetriebene Bewegung der Sitzfläche (4) mit einer Ist-Geschwindigkeit entlang einer geschlossenen Ist-Bewegungsbahn gegenüber dem Gestell (2) auszuführen, eine Messeinrichtung (19), eingerichtet zumindest zur Erfassung von Richtung und Betrag der von einem Nutzer auf die Sitzfläche (4) aufgebrachten Nutzkräfte, eine Verarbeitungseinheit, eingerichtet zur Bewegungssteuerung der Sitzfläche (4) mit der Ist- Geschwindigkeit entlang der geschlossenen Ist- Bewegungsbahn mittels der Antriebsmechanik (6) unter Berücksichtigung von Richtung und Betrag der erfassten Nutzkräfte, wobei sich die Ist- Geschwindigkeit der Sitzfläche (4) gegenüber einer vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit der Sitzfläche (4) durch die auf die Sitzfläche (4) wirkenden Nutzkräfte verändert und/oder sich die Ist-Bewegungsbahn gegenüber einer vorgegebenen geschlossenen Soll- Bewegungsbahn durch die auf die Sitzfläche (4) wirkenden Nutzkräfte verändert.
2. Bewegungssitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit weiter derart eingerichtet ist, dass a) ein Nutzkraftvektor, der sich aus der Richtung und dem Betrag der erfassten Nutzkräfte ergibt, fortlaufend mit der Richtung eines Soll- Geschwindigkeitsvektors an einem Punkt der Soll- Bewegungsbahn verglichen wird, wobei sich der Nutzkraftvektor auf denselben Punkt oder einen der benachbarten Punkte auf der Soll-Bewegungsbahn bezieht, und eine Komponente des Nutzkraftvektors in oder entgegen der Richtung des Soll- Geschwindigkeitsvektors eine Änderung der Ist- Geschwindigkeit der Sitzfläche (4) gegenüber der Soll-Geschwindigkeit der Sitzfläche (4) bewirkt und/oder b) ein Punkt auf der Soll-Bewegungsbahn in die Richtung und um einen skalierten Betrag des Nutzkraftvektors verschoben wird, wobei sich der Nutzkraftvektor auf denselben Punkt oder einen der benachbarten Punkte auf der Soll-Bewegungsbahn bezieht, um die Ist- Bewegungsbahn der Sitzfläche gegenüber der Soll- Bewegungsbahn zu verändern, sobald der Betrag des Nutzkraftvektor einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
3. Bewegungssitz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Sitzfläche (4) die Antriebskräfte der Antriebsmechanik (6) und die von dem Nutzer auf die Sitzfläche (4) aufgebrachten Nutzkräfte wirken, wobei die Nutzkräfte einen aus der Masse des Nutzers resultierenden passiven Anteil und einem aus der aktiven Bewegung des Nutzers resultierenden aktiven Anteil umfassen.
4. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit weiter derart eingerichtet ist, dass die Komponente des Nutzkraftvektors in Richtung des Geschwindigkeitsvektors zu einer Erhöhung der Ist-Geschwindigkeit der Sitzfläche (4) gegenüber der vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit führt.
5. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit weiter derart eingerichtet ist, dass die Komponente des Nutzkraftvektors entgegen der Richtung des Geschwindigkeitsvektors zu einer Reduktion der Ist- Geschwindigkeit der Sitzfläche (4) gegenüber der vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit führt.
6. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit weiter derart eingerichtet ist, dass der skalierte Betrag des Nutzkraftvektors mittels einer Konstanten oder Variablen ermittelt wird, die von einem oder mehreren der Bewegungsparameter der Sitzfläche (4) und/oder weiteren Eingangsparametern abhängt.
7. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit weiter derart eingerichtet ist, dass eine rückführende Komponente der Antriebskraft mit zunehmendem Abstand der Ist-Bewegungsbahn von der geschlossenen Soll- Bewegungsbahn zunimmt.
8. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass entgegen der Richtung des Geschwindigkeitsvektors wirksame Antriebskräfte die Bewegung der Sitzfläche (4) dämpfen.
9. Bewegungssitz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit weiter derart eingerichtet ist, dass die Bewegungssteuerung der Sitzfläche (4) mit der Ist- Geschwindigkeit entlang der Ist-Bewegungsbahn mittels der Antriebsmechanik (6) wahlweise in mindestens einem weiteren Betriebsmodus erfolgt, wobei sich in dem mindestens einen weiteren Betriebsmodus die Ist- Geschwindigkeit der Sitzfläche (4) gegenüber einer vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit der Sitzfläche (4) durch die auf die Sitzfläche (4) wirkenden Nutzkräfte nicht verändert und die Ist-Bewegungsbahn gegenüber einer vorgegebenen geschlossenen Soll-Bewegungsbahn durch die auf die Sitzfläche (4) wirkenden Nutzkräfte nicht verändert.
10. Bewegungssitz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit weiter derart eingerichtet ist, dass sich unterschiedliche Betriebsmodi ereignisgesteuert oder in festgelegten Intervallen automatisch ändern.
11. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass die vorgegebene geschlossene Soll- Bewegungsbahn der Sitzfläche (4) eine geschlossene Kurve, vorzugsweise eine glatte geschlossene Kurve ist.
12. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass die vorgegebene Soll- Geschwindigkeit der Sitzfläche (4) an keinem Punkt der geschlossenen Soll-Bewegungsbahn den Wert "0" annimmt und /oder der Soll-Geschwindigkeitsvektor der Sitzfläche an jedem Punkt der geschlossenen Soll-Bewegungsbahn in Richtung des nächsten Punktes in Bewegungsrichtung auf der Soll-Bewegungsbahn zeigt.
13. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmechanik (6) ein Positioniersystem umfasst.
14. Bewegungssitz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniersystem eine X-Y-Verfahreinheit (7) aufweist.
15. Bewegungssitz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniersystem eine erste gekrümmte Führung und/oder eine zweite gekrümmte Führung aufweist und die beiden Führungen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
16. Bewegungssitz nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniersystem zusätzlich für eine maschinelle Verdrehung der Sitzfläche (4) um ihre Hochachse eingerichtet ist.
17. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrachsige Positioniersystem zusätzlich eine Sitzneigeverstellung (26) mit einem maschinellen Verstellantrieb (27) aufweist.
18. Bewegungssitz nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gestell (2) eine mehrere Segmente (30) aufweisende Rückenlehne (3) angeordnet ist und mindestens eines der Segmente (30) beweglich in Bezug auf das Gestell gelagert ist.
19. Bewegungssitz nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangslage des mindestens einen beweglich gelagerten Segments (30) in Bezug auf das Gestell (2) mittels eines maschinellen Antriebs einstellbar ist.
20. Bewegungssitz nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückenlehne (3) oder mindestens einem Segment (30) der Rückenlehne (3) mindestens ein Sensor (32) zur Erkennung des Sitzverhaltens des Nutzers angeordnet und die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass sie abhängig von dem detektierten Sitzverhalten die Bewegungssteuerung der Sitzfläche (4) ändert und/oder die
Sitzneigeverstellung (26) aktiviert und/oder die Ausgangslage des mindestens einen beweglich gelagerten Segmentes (30) ändert.
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