DE102016204765A1

DE102016204765A1 - Method and device for controlling an electric motor to reduce the risk of tipping over a wheelchair

Info

Publication number: DE102016204765A1
Application number: DE102016204765.5A
Authority: DE
Inventors: Klaus Marx; Holger Breuing; Richard Schoenleber; Timo Wildhage; Christoph Koch; Andre Meyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2017-09-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors zum Verlangsamen eines Kippens eines Rollstuhls sowie ein Steuergerät und ein Computerprogramm, welche dazu eingerichtet sind dieses Verfahren durchzuführen, sowie ein Rollstuhl mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät. Im beanspruchten Verfahren wird durch das Steuergerät mindestens eine Kippgröße in Abhängigkeit eines Sensorsignals des Sensors erfasst. Die Kippgröße repräsentiert das Kippen, wobei ein Kippen vorliegt, wenn der Rollstuhl um die Achse des Antriebsrades gedreht wird. Die Kippgröße wird mit mindestens einem zugeordneten Grenzwert verglichen. Bei Überschreitung des Grenzwerts wird zur Vermeidung des Umkippens der Elektromotor so angesteuert, dass das erzeugte Drehmoment des Elektromotors den Rollstuhl bei einer Vorwärtsfahrt abbremst beziehungsweise der Rollstuhl nach hinten beschleunigt wird.The present invention relates to a method for controlling an electric motor for slowing down tilting of a wheelchair, and to a control device and a computer program, which are set up to perform this method, as well as a wheelchair with a control device according to the invention. In the claimed method, the control unit detects at least one tilt variable as a function of a sensor signal of the sensor. The tilt size represents the tilting, which is a tilt when the wheelchair is rotated about the axis of the drive wheel. The tilting amount is compared with at least one associated limit value. If the limit value is exceeded, the electric motor is controlled in such a way that the generated torque of the electric motor decelerates the wheelchair when driving forwards or the wheelchair is accelerated backwards to avoid tipping over.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors zur Reduzierung des Risikos eines Umkippens eines Rollstuhls sowie ein Steuergerät und ein Computerprogramm, welche dazu eingerichtet sind dieses Verfahren durchzuführen, sowie ein Rollstuhl mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät.The present invention relates to a method for controlling an electric motor for reducing the risk of tipping over of a wheelchair as well as a control device and a computer program, which are adapted to perform this method, as well as a wheelchair with a control device according to the invention.

Stand der TechnikState 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. Das Kipp-Drehmoment setzt sich im allgemein zusammen aus Kräften bzw. Drehmomenten, unter anderem resultierend aus der Schwerkraft des Rollstuhls inkl. dem Rollstuhlfahrer, die am Schwerpunkt durch eine Beschleunigung des Rollstuhls wirkende Kraft, die manuelle Kraft des Rollstuhlfahrers auf die Kraftübertragungsvorrichtung sowie gegebenenfalls ein Drehmoment des Elektromotors. Dieses Kipp-Drehmoment kann zum Umkippen des Rollstuhls führen. Je weiter hinten und je höher der Rollstuhlfahrer sitzt, sowie je schneller der Rollstuhl in Rückwärtsfahrt ist, desto größer wird das Kipp-Drehmoment und desto wahrscheinlicher wird 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 zumindest nach hinten verschoben ist.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. The tilting torque is generally composed of forces or torques, inter alia, resulting from the gravity of the wheelchair incl. The wheelchair user, the force acting on the center of gravity by an acceleration of the wheelchair, the manual force of the wheelchair user on the power transmission device and optionally Torque of the electric motor. This tilting torque can lead to tipping over of the wheelchair. The farther back, and the higher the wheelchair user sits, and the faster the wheelchair is in reverse, the greater the tipping torque becomes and the more likely it will tip 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 at least pushed backwards.

Ein Rollstuhl mit einem Elektromotor ist beispielsweise 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.A wheelchair with an electric motor is, for example, by writing DE 10 2008 002 993 B3 disclosed. 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 selbstständige Balancierfunktion durch Vorwärtsoder Rückwärtsfahrt realisiert.In the scriptures 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 ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors zum Verlangsamen eines Kippens eines Rollstuhls sowie ein Steuergerät und ein Computerprogramm, welche dazu eingerichtet sind dieses Verfahren durchzuführen, sowie ein Rollstuhl mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät. Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert das Risiko eines Umkippens nach hinten durch Ansteuerung des Elektromotors.The present invention relates to a method for controlling an electric motor for slowing down tilting of a wheelchair, and to a control device and a computer program, which are set up to perform this method, as well as a wheelchair with a control device according to the invention. The method according to the invention reduces the risk of overturning backwards by activating the electric motor.

Der erfindungsgemäße Rollstuhl umfasst zumindest ein Antriebsrad mit einer Achse und einer Kraftübertragungseinrichtung zur manuellen Kraftübertragung, wie beispielsweise einen Greifring oder eine Hebelvorrichtung, sowie mindestens ein Vorderrad. Des Weiteren weist der Rollstuhl mindestens einen Aktor zum Bremsen des Antriebsrades und/oder einen Elektromotor zum Aufbringen eines Drehmomentes auf das Antriebsrad entgegen der Bewegung des Rollstuhls auf. Außerdem sind ein elektronisches Steuergerät zur Ansteuerung des Elektromotors und mindestens ein Sensor am Rollstuhl angeordnet. Der Sensor ist beispielsweise ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor und/oder ein Abstandsensor.The wheelchair according to the invention comprises at least one drive wheel with an axle and a power transmission device for manual power transmission, such as a gripping ring or a lever device, and at least one front wheel. 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 counter to the movement of the wheelchair. In addition, an electronic control unit for controlling the electric motor and at least one sensor are arranged on the wheelchair. The sensor is for example an acceleration sensor, a rotation rate sensor and / or a distance sensor.

Im beanspruchten Verfahren wird mindestens eine Kippgröße durch den Sensor erfasst. Die Kippgröße repräsentiert das Kippen, wobei ein Kippen vorliegt, wenn der Rollstuhl um die Achse des Antriebsrades gedreht wird und das Vorderrad den Kontakt zum Boden verliert. Die Kippgröße wird außerdem mit mindestens einem zugeordneten Grenzwert verglichen. Jeder Grenzwert für eine Kippgröße repräsentiert ein drohendes Umkippen nach hinten. Mit hinten ist dabei die Richtung des Rückens des Rollstuhlfahrers gemeint. Beim Erreichen des Grenzwertes wird der Elektromotor in Abhängigkeit der erfassten Kippgröße angesteuert, wodurch der Elektromotor ein Drehmoment auf das Antriebsrad des Rollstuhls liefert. Das Drehmoment des Elektromotors wirkt dem Kipp-Drehmoment entgegen. Dadurch wird ein Umkippen des Rollstuhls nach hinten mindestens verlangsamt.In the claimed method, at least one amount of tilt is detected by the sensor. The tilt amount represents tilting, with tilting when the wheelchair is rotated about the axis of the drive wheel and the front wheel loses contact with the ground. The amount of tilt is also compared to at least one associated limit. Each threshold for a tilt size represents a threatening overturning backwards. With back it means the direction of the back of the wheelchair user. When the limit value is reached, the electric motor is actuated as a function of the detected tilting quantity, whereby the electric motor supplies a torque to the drive wheel of the wheelchair. The torque of the electric motor counteracts the tilting torque. This will at least slow down the wheelchair from tipping over backwards.

Zweckmäßigerweise umfasst die mindestens eine Kippgröße einen Kippwinkel, eine Drehrate und/oder eine Drehbeschleunigung um die Achse des Antriebsrades. Dabei liegt der Kippwinkel in einer orthogonalen Ebene zur Bezugsebene und zwischen einer Bezugsebene und der um die Achse des Antriebsrades gekippten Bezugsebene. Außerdem ist die Bezugsebene bevorzugt eine senkrechte Ebene zur Richtung der Gewichtskraft, d.h. die horizontale Ebene. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung werden geeignete physikalische Werte als Kippgrößen für die Ansteuerung des Elektromotors zum Verlangsamen des Kippens erfasst.Expediently, the at least one tilting variable comprises a tilt angle, a rotation rate and / or a rotational acceleration about the axis of the drive wheel. In this case, the tilt angle is in an orthogonal plane to the reference plane and between a reference plane and tilted about the axis of the drive wheel Reference plane. In addition, the reference plane is preferably a vertical plane to the direction of the weight force, that is, the horizontal plane. By means of this embodiment of the invention, suitable physical values are detected as tilt values for the control of the electric motor for slowing the tilting.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Antriebsrad beziehungsweise der Elektromotor nur so angetrieben, dass gerade noch eine Drehrate des Rollstuhls um die Achse des Antriebsrades nach hinten resultiert. Das Umkippen wird zeitlich verlangsamt. Ein Umkippen nach hinten wird damit in dieser Ausgestaltung nicht vermieden. Dies hat den Vorteil, dass der Rollstuhlfahrer weiterhin eine manuelle Kraft auf die Kraftübertragungseinrichtung ausüben muss, was beispielsweise psychologische Vorteile hat.In a particularly preferred embodiment of the invention, a drive wheel or the electric motor is only driven so that just a rate of rotation of the wheelchair around the axis of the drive wheel results to the rear. The overturning is slowed down. Tipping backwards is thus not avoided in this embodiment. This has the advantage that the wheelchair user must continue to exert a manual force on the transmission, which has psychological benefits, for example.

Bevorzugt wird der Elektromotor in Abhängigkeit eines Kippwinkels als Kippgröße angesteuert. Als Grenzwert wird ein Maximalwinkel vorgegeben. D.h. erreicht der Kippwinkel den Wert des Maximalwinkels wird der Elektromotor angesteuert. Der Maximalwinkel liegt insbesondere zwischen 0,15 bis 0,4 rad. Je größer der Maximalwinkel beispielsweise ist, desto später steuert das Steuergerät den Elektromotor an und desto größer muss das aufgebrachte Drehmoment zur Vermeidung des Umkippens sein.Preferably, the electric motor is controlled as a function of a tilt angle as Kippgröße. The limit value specified is a maximum angle. That reaches the tilt angle, the value of the maximum angle of the electric motor is driven. The maximum angle is in particular between 0.15 to 0.4 rad. For example, the larger the maximum angle, the later the controller will drive the electric motor and the greater the torque applied to avoid tipping over.

Weiterhin bevorzugt wird der Elektromotor in Abhängigkeit einer Drehrate als Kippgröße angesteuert. Als Grenzwert wird eine maximale Drehrate vorgegeben. D.h. erreicht die Drehrate den Wert der maximalen Drehrate wird der Elektromotor angesteuert. Die maximale Drehrate liegt dabei bevorzugt zwischen 0,1 bis 1,0 rad/s. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die maximale Drehrate eine Funktion des Kippwinkels. Bevorzugt ist die Ableitung der Funktion negativ, so dass die maximale Drehrate bei kleinen Kippwinkeln größer als bei größeren Kippwinkeln ist. Dies erlaubt beispielsweise das Ankippen des Rollstuhls zum Überqueren einer Stufe mit hohen Drehraten ohne Ansteuerung des Elektromotors. Further preferably, the electric motor is controlled in dependence of a rotation rate as Kippgröße. The limit value specified is a maximum rotation rate. That If the yaw rate reaches the value of the maximum yaw rate, the electric motor is activated. The maximum rate of rotation is preferably between 0.1 to 1.0 rad / s. In an alternative embodiment of the invention, the maximum rate of rotation is a function of the tilt angle. Preferably, the derivative of the function is negative, so that the maximum rate of rotation is greater for small tilt angles than for larger tilt angles. This allows, for example, the tilting of the wheelchair to cross a stage with high rotation rates without driving the electric motor.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird der Elektromotor in Abhängigkeit einer Drehbeschleunigung als Kippgröße angesteuert. Als Grenzwert wird eine maximale Drehbeschleunigung vorgegeben. D.h. erreicht die Drehbeschleunigung den Wert der maximalen Drehbeschleunigung wird der Elektromotor angesteuert. Die maximale Drehbeschleunigung liegt dabei insbesondere zwischen 2 bis 20 rad/s².In another preferred embodiment, the electric motor is controlled as a function of a rotational acceleration as Kippgröße. As a limit, a maximum spin is specified. That is, the spin reaches the value of the maximum spin, the electric motor is driven. The maximum spin is in particular between 2 to 20 rad / s ² .

Wenn einer der oben beschriebenen Grenzwerte einer Kippgröße erreicht wird, steuert der Elektromotor das Antriebsrad bevorzugt mit einem maschinellen Drehmoment M an. Das Drehmoment des Elektromotors wirkt dem Kipp-Drehmoment entgegen, d.h. das maschinelle Drehmoment wirkt beispielsweise bremsend oder beschleunigt den Rollstuhl zur Rückwärtsfahrt. Das Drehmoment M wird in einer möglichen Ausgestaltung vom Steuergerät nach Gleichung (1) in linearer Abhängigkeit eines Abstandes ΔΨ des aktuellen Kippwinkels Ψ(t) vom Maximalwinkel Ψ_max ermittelt, wobei für Kippwinkel kleiner dem Maximalwinkel Ψ_max keine Ansteuerung erfolgt. Dabei ist ein Faktor k₁ vorgesehen. Der Faktor k₁ liegt dabei bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich des Winkels in rad bevorzugt zwischen 150 bis 1000 und besonders bevorzugt zwischen 300 bis 600.

When one of the above-described limit values of a tilt amount is reached, the electric motor preferably drives the drive wheel with a machine torque M. The torque of the electric motor counteracts the tilting torque, ie the machine torque acts as a brake, for example, or accelerates the wheelchair to reverse. The torque M is determined in a possible embodiment of the control unit according to equation (1) in linear dependence of a distance .DELTA.Ψ of the current tilt angle Ψ (t) of the maximum angle Ψ _max , for tilt angle smaller than the maximum angle Ψ _max no control occurs. In this case, a factor k _{1 is} provided. The factor k ₁ is in relation to the torque in Nm and with respect to the angle in rad preferably between 150 to 1000 and more preferably between 300 to 600.

Alternativ steuert der Elektromotor das Antriebsrad mit einem Drehmoment M gemäß einer Funktion mit linearer und quadratischer Abhängigkeit vom Abstand ΔΨ des aktuellen Kippwinkels Ψ(t) vom Maximalwinkel Ψ_max nach Gleichung (2) an. Die zwei Faktoren k₂, k₃ gewichten die lineare und die quadratische Abhängigkeit des Drehmoments M vom Kippwinkel Ψ(t) beziehungsweise vom Abstand ΔΨ. Der Faktor k₂ liegt dabei bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich des Winkels in rad bevorzugt zwischen 150 bis 1000 und besonders bevorzugt zwischen 300 bis 600. Der Faktor k₃ liegt bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich des Winkels in rad bevorzugt zwischen 10 bis 100 und besonders bevorzugt zwischen 20 bis 50.

Alternatively, the electric motor controls the drive wheel with a torque M according to a function with linear and quadratic dependence on the distance ΔΨ of the actual tilt angle Ψ (t) from the maximum angle Ψ _max according to equation (2). The two factors k ₂ , k ₃ weight the linear and the quadratic dependence of the torque M on the tilt angle Ψ (t) or on the distance ΔΨ. The factor k ₂ is in this case with respect to the torque in Nm and in terms of the angle in rad, preferably between 150 to 1000 and particularly preferably between 300 to 600. The factor k ₃ is in terms of torque in Nm and with respect to the angle in rad preferably between 10 to 100 and particularly preferably between 20 to 50.

In einer weiteren Variante steuert der Elektromotor das Antriebsrad mit einem Drehmoment M gemäß einer Funktion nach Gleichung (3) in Abhängigkeit zweier Faktoren k₄, k₅, eines Abstandes ΔΨ des aktuellen Kippwinkels Ψ(t) vom Maximalwinkel Ψ_max und der Drehrate Ψ . (t) an. Die zwei Faktoren k₄, k₅ gewichten die Abhängigkeit des Drehmoments M vom Kippwinkel Ψ(t) und die Abhängigkeit von der Drehrate Ψ . (t). Der Faktor k₄ liegt dabei bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich des Winkels in rad bevorzugt zwischen 150 bis 1000 und besonders bevorzugt zwischen 300 bis 600. Der Faktor k₅ liegt bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich des Winkels in rad bevorzugt zwischen 10 bis 100 und besonders bevorzugt zwischen 30 bis 80.

In a further variant, the electric motor controls the drive wheel with a torque M according to a function according to equation (3) as a function of two factors k ₄ , k ₅ , a distance ΔΨ of the current tilt angle Ψ (t) from the maximum angle Ψ _max and the rotation rate Ψ. (t) on. The two factors k ₄ , k ₅ weight the dependence of the torque M on the tilt angle Ψ (t) and the dependence on the rotation rate Ψ. (T). The factor k ₄ is in terms of torque in Nm and with respect to the angle in rad preferably between 150 to 1000 and more preferably between 300 to 600. The factor k ₅ is in terms of torque in Nm and with respect to the angle in rad preferably between 10 to 100 and more preferably between 30 to 80.

In einer weiteren Alternative steuert der Elektromotor den Rollstuhl mit einem am Grenzwert sprunghaften Drehmoment M an. In a further alternative, the electric motor controls the wheelchair with a torque M which jumps at the limit value.

Die vorliegende Erfindung beansprucht außerdem ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Rollstuhls. Das Steuergerät umfasst wenigstens eine Recheneinheit. Die Recheneinheit erfasst mindestens eine Kippgröße und vergleicht die erfasste Kippgröße mit einem zugeordneten Grenzwert. Ist die Kippgröße größer als der Grenzwert, erzeugt die Recheneinheit ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Elektromotors, wodurch der Elektromotor ein Drehmoment auf ein Antriebsrad aufbringt. Des Weiteren kann das Steuergerät eine Empfangseinheit und eine Ausgabeeinheit aufweisen.The present invention also claims a control device for controlling an electric motor of a wheelchair. The control unit comprises at least one arithmetic unit. The arithmetic unit detects at least one amount of tilt and compares the detected amount of tilt with an associated limit value. If the amount of tilt is greater than the limit value, the arithmetic unit generates an output signal for driving the electric motor, whereby the electric motor applies torque to a drive wheel. Furthermore, the control unit may have a receiving unit and an output unit.

Die Erfindung betrifft außerdem einen Rollstuhl. Der Rollstuhl weist zumindest ein Antriebsrad mit einer Achse und einer Kraftübertragungseinrichtung zur manuellen Kraftübertragung und mindestens ein Vorderrad auf. Der Rollstuhl weißt außerdem mindestens einen Sensor auf. Der Sensor erfasst mindestens eine Kippgröße, welche ein Maß für das Kippen des Rollstuhls ist. Der Rollstuhl umfasst außerdem mindestens einen Elektromotor und ein elektronisches Steuergerät. Das Steuergerät erfasst die mindestens eine Kippgröße. Außerdem vergleicht das Steuergerät die mindestens eine Kippgröße mit einem Grenzwert. Beim Erreichen des Grenzwertes steuert das Steuergerät den Elektromotor an. D.h. das Steuergerät erzeugt ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Elektromotors des Rollstuhls. Der wenigstens eine Sensor umfasst wenigstens einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehratensensor und/oder einen Abstandssensor.The invention also relates to a wheelchair. The wheelchair has at least one drive wheel with an axle and a power transmission device for manual power transmission and at least one front wheel. The wheelchair also has at least one sensor. The sensor detects at least one tilt amount, which is a measure of the tilting of the wheelchair. The wheelchair also includes at least one electric motor and an electronic control unit. The control unit detects the at least one tilt amount. In addition, the controller compares the at least one tilt amount with a threshold. When the limit value is reached, the control unit activates the electric motor. That the control unit generates an output signal for controlling the electric motor of the wheelchair. The at least one sensor comprises at least one acceleration sensor and / or one yaw rate sensor and / or one distance sensor.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert.The present invention will be explained below with reference to preferred embodiments and accompanying drawings.

1a: Skizze eines Rollstuhls mit Greifring in Seitenansicht 1a : Sketch of a wheelchair with grab ring in side view

1b: Skizze eines Rollstuhls mit Hebelvorrichtung in Seitenansicht 1b : Sketch of a wheelchair with lever device in side view

2: Sensor 2 : Sensor

3: Skizze eines Rollstuhls auf allen vier Rädern stehend 3 : Sketch of a wheelchair standing on all four wheels

4: Skizze eines Rollstuhls am Balancierwinkel 4 Image: Sketch of a wheelchair at the balance angle

5: Skizze bei einem Kippwinkel größer dem Balancierwinkel 5 : Sketch at a tilt angle greater than the balance angle

6: parallele Krafteinleitung von manueller Kraft und Motorkraft am 6 : parallel force transmission of manual power and engine power at

Antriebsraddrive wheel

7: Flussdiagramm der parallelen Krafteinleitung 7 : Flow chart of the parallel force application

8: Flussdiagramm des Verfahrens 8th : Flowchart of the procedure

9: Umkippschutzfunktion, technische Wirkung der Drehmomente 9 : Tipping protection function, technical effect of torques

10: Mögliche Abhängigkeit des Drehmoments M vom Kippwinkel 10 : Possible dependence of the torque M on the tilt angle

11: Andere Abhängigkeit des Drehmoments M vom Kippwinkel 11 : Other dependence of the torque M on the tilt angle

12: Alternative Abhängigkeit des Drehmoments M vom Kippwinkel 12 : Alternative dependence of the torque M on the tilt angle

13: Steuergerät 13 : Control unit

Ausführungsbeispieleembodiments

In 1a ist ein Rollstuhl 100 abgebildet, welcher geeignet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors zur Reduzierung des Risikos eines Umkippens des Rollstuhls 100 zu realisieren. 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 1a 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 die rechte Seite eines Rollstuhlgestells mit Sitz zu erkennen. Der Rollstuhl 100 weist des Weiteren ein Steuergerät 105 und einen Elektromotor 104 sowie 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. sie ist orthogonal zur y-Achse in Vorwärtsrichtung und orthogonal zur z-Achse, welche auch Hochachse genannt wird. In 1a is a wheelchair 100 which is suitable, a method according to the invention for controlling an electric motor to reduce the risk of tipping over the wheelchair 100 to realize. The wheelchair 100 includes two drive wheels 101 each with a power transmission device 102 , In this case, the power transmission device 102 a gripping ring. On the wheelchair 100 are also two front wheels 103 arranged. In 1a is the wheelchair 100 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 the right side of a wheelchair frame with seat to recognize. The wheelchair 100 further includes a controller 105 and an electric motor 104 as well as a sensor 110 on. There is also an axis 106 to recognize. The axis 106 is perpendicular to the plane of the drawing and is parallel to the x-axis, ie it is orthogonal to the y-axis in the forward direction and orthogonal to the z-axis, which is also called the vertical axis.

In 1b ist ein ähnlicher Rollstuhl 100 wie in 1a abgebildet. Der Rollstuhl 100 in 1b unterscheidet sich vom Rollstuhl 100 aus 1a dadurch, dass am Antriebsrad zur manuellen Kraftübertragung als Kraftübertragungseinrichtung 102 eine Hebelvorrichtung statt eines Greifringes angeordnet ist. Auch mit einem Rollstuhl 100 mit einer Hebelvorrichtung als Kraftübertragungseinrichtung 102 ist es möglich ein erfindungsgemäßes Verfahren, d.h. einen Kippwächter-Betriebsmodus für einen Rollstuhl 100, zu realisieren.In 1b is a similar wheelchair 100 as in 1a displayed. The wheelchair 100 in 1b is different from the wheelchair 100 out 1a in that on the drive wheel for manual power transmission as a power transmission device 102 a lever device is arranged instead of a gripping ring. Also with a wheelchair 100 with a lever device as a power transmission device 102 is it possible a method according to the invention, ie a Kippwächter operating mode for a wheelchair 100 , to realize.

Der wenigstens eine Sensor 110 kann einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor einen Abstandsensor, einen Gewichtssensor und/oder einen Drucksensor aufweisen. Erfindungsgemäß wird vom Sensor 110 mindestens eine Kippgröße als Maß für eine Drehung um die Achse 106 erfasst. 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, a weight sensor and / or a pressure sensor. According to the invention of the sensor 110 at least one tilt size as a measure of rotation about the axis 106 detected. The sensor 110 may preferably comprise an inertial measuring unit, which has a plurality of rotation rate and acceleration sensors in one component.

In 2 ist beispielhaft eine inertiale Messeinheit als möglicher Sensor 110 dargestellt. Der Sensor 110 wird bevorzugt am Rollstuhl 100 so angeordnet, dass die x-Achse parallel zur Achse 106 liegt. In einem Koordinatensystem der 2 ist zu erkennen, dass von der inertialen Messeinheit Beschleunigungen in drei Raumrichtungen sowie eine Drehrate Ψ . (t) um die x-Achse und eine Drehrate um die z-Achse erfasst werden. Die Drehrate Ψ . (t) um die x-Achse, welche parallel zur Achse 106 liegt, wird damit durch die gezeigte inertiale Messeinheit erfasst. Mittels der Schwerkraft als Referenzwert und den von der inertialen Messeinheit erfassten Größen kann die Lage des Sensors 110 im Raum bzw. die Kipplage des Rollstuhls 100 ermittelt werden. Zur Berechnung der Lage können beispielsweise Gleichungen des Kalman-Filters zur Anwendung kommen.In 2 is an example of an inertial measuring unit as a possible sensor 110 shown. The sensor 110 is preferred on the wheelchair 100 arranged so that the x-axis is parallel to the axis 106 lies. In a coordinate system of 2 It can be seen that acceleration of the inertial measuring unit in three spatial directions as well as a rate of rotation Ψ. (t) about the x-axis and a yaw rate about the z-axis are detected. The rate of rotation Ψ. (t) around the x-axis, which is parallel to the axis 106 is thus detected by the inertial measuring unit shown. By means of gravity as a reference value and the variables detected by the inertial measuring unit, the position of the sensor 110 in the room or the tilting position of the wheelchair 100 be determined. Equations of the Kalman filter, for example, can be used to calculate the position.

In 3 ist der Rollstuhl 100 mit einem Schwerpunkt 350 des Rollstuhls 100 inklusive dem Rollstuhlfahrer 360 sowie eine Wirkrichtung der Gewichtskraft am Schwerpunkt 350 abgebildet. In 3 ist darüber hinaus auch die senkrecht zur Gewichtskraft liegende Bezugsebene 300 des Sensors 110 abgebildet. In 3 ist der Rollstuhl 100 nicht gekippt. Die Vorderräder 103 haben Kontakt zum Boden und der Rollstuhl 100 steht auf den Antriebsrädern 101 und den Vorderrädern 103 auf einer horizontalen Ebene.In 3 is the wheelchair 100 with a focus 350 of the wheelchair 100 including the wheelchair user 360 and an effective direction of the weight at the center of gravity 350 displayed. In 3 is also the reference plane perpendicular to the weight 300 of the sensor 110 displayed. In 3 is the wheelchair 100 not tilted. The front wheels 103 have contact with the ground and the wheelchair 100 stands on the drive wheels 101 and the front wheels 103 on a horizontal plane.

In 4 ist der Rollstuhl 100 in gekippter Position abgebildet. Beim Kippen verlieren die Vorderräder 103 den Bodenkontakt. Die gekippte Position des Rollstuhls 100 wird in 4 durch einen Kippwinkel Ψ(t) als Kippgröße repräsentiert. Der Kippwinkel Ψ(t) 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. Die Bezugsebene 300 ist in diesem bevorzugten Beispiel eine senkrechte Ebene zur Richtung der Gewichtskraft, wie in 4 dargestellt. Der Kippwinkel Ψ(t) ist zeitabhängig.In 4 is the wheelchair 100 shown in tilted position. When tilting lose the front wheels 103 the ground contact. The tilted position of the wheelchair 100 is in 4 represented by a tilt angle Ψ (t) as Kippgröße. The tilt angle Ψ (t) is, for example, in one of the y-axis and the z-axis of the sensor 110 spanned orthogonal plane to the reference plane 300 and between a reference plane 300 and the one around the axis 106 tilted reference plane 400 , The reference plane 300 In this preferred example, it is a vertical plane to the direction of gravity, as in FIG 4 shown. The tilt angle Ψ (t) is time-dependent.

In 4 ist der gekippte Rollstuhl 100 gezeigt, wobei als Kippwinkel Ψ(t) der Balancierwinkel Ψ₀ realisiert ist. Der Balancierwinkel Ψ₀ liegt vor, wenn der Schwerpunkt 350 des Rollstuhls 100 inklusive dem Rollstuhlfahrer 360 über der Achse 106 liegt, wie in 4 dargestellt. In 4 is the tilted wheelchair 100 shown, as a tilt angle Ψ (t) of the Balancierwinkel Ψ _{0 is} realized. The balance angle Ψ ₀ is present when the center of gravity 350 of the wheelchair 100 including the wheelchair user 360 above the axis 106 lies, as in 4 shown.

In 5 ist der Rollstuhl 100 an einem Kippwinkel Ψ (t) größer dem Balancierwinkel Ψ₀ abgebildet. Bei einem Kippwinkel Ψ (t) größer dem Balancierwinkel Ψ₀ 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 5 is the wheelchair 100 at a tilt angle Ψ (t) greater than the Balancierwinkel Ψ ₀ mapped. At a tilt angle Ψ (t) greater than the balance angle Ψ ₀ , the wheelchair tilts 100 due to a resulting tilting torque about the axis 106 to the rear. This threatens the wheelchair 100 tip over to the rear, which is for the wheelchair user 360 a dangerous situation.

In 6 ist ein Antriebsrad 101 des Rollstuhls 100 mit einem Greifring 102 abgebildet. Außerdem ist eine mögliche Anordnung des Elektromotors 104 dargestellt. Das Antriebsrad 101 verfügt beispielsweise über einen mit Luft gefüllten und unter Druck stehenden Reifen 600. 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 resultieren Antriebsmomente des Rollstuhlfahrers und des Elektromotors überlagern sich additiv. Der Rollstuhlfahrer 360 kann entgegen der maschinellen Antriebskraft des Elektromotors 104 eine Kraft auf den Greifring 102 beziehungsweise ein Drehmoment auf das Antriebsrad 101 aufbringen und somit den Elektromotor ist seiner Wirkungsweise überstimmen. In 6 is a drive wheel 101 of the wheelchair 100 with a gripping ring 102 displayed. In addition, a possible arrangement of the electric motor 104 shown. The drive wheel 101 For example, it has an air-filled and pressurized tire 600 , Furthermore, the axis 106 of the drive wheel 101 to recognize. It becomes clear that a manual force of the wheelchair user 360 on the grip ring 102 parallel to the mechanical driving force of the electric motor 104 on the drive wheel 101 acts. The two resulting drive torques of the wheelchair user and the electric motor are superimposed additively. The wheelchair user 360 can counteract the mechanical driving force of the electric motor 104 a force on the grip ring 102 or a torque on the drive wheel 101 Apply and thus the electric motor is out of tune its operation.

In 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 Rollstuhles 100 um die Hochachse (z-Achse) möglich. Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für den Kippwächter-Betriebsmodus erfasst ein Sensor 110 mindestens ein Maß der Drehung um die Achse 106 des Antriebsrades 101, wobei die x-Achse des Sensors bevorzugt parallel zur Achse 106 des Antriebsrades, orthogonal zur z-Achse und orthogonal zur y-Achse in Vorwärtsrichtung angeordnet ist. Das Maß der Drehung um die Achse 106 des Antriebsrades 101 wird Kippgröße genannt. Die Kippgröße repräsentiert das Kippen des Rollstuhles 100. Der Sensor 110 gibt mindestens ein zugehöriges Sensorsignal aus, welches die Kippgröße repräsentiert. Das Steuergerät 105 erfasst die Kippgröße als Sensorsignal des Sensors 110, wie in 7 dargestellt. Der Grenzwert für eine Kippgröße repräsentiert ein drohendes Umkippen des Rollstuhls. Das Steuergerät 105 vergleicht die mindestens eine Kippgröße mit einem zugeordneten Grenzwert. Jeder Grenzwert für eine Kippgröße repräsentiert ein drohendes Umkippen nach hinten. Mit hinten ist dabei die Richtung des Rückens des Rollstuhlfahrers 360 gemeint. Beim Erreichen des Grenzwertes wird der Elektromotor 104 in Abhängigkeit der erfassten Kippgröße angesteuert, wodurch der Elektromotor 104 ein Drehmoment auf das Antriebsrad 101 des Rollstuhls 100 liefert. Das Drehmoment des Elektromotors wirkt dem Kipp-Drehmoment entgegen. Beispielsweise bremst der Elektromotor 104 die Fahrt des Rollstuhls 100 oder der Elektromotor 104 treibt das Antriebsrad 101 zur Rückwärtsfahrt des Rollstuhls 100 an. Die Ansteuerung des Elektromotors 104 zum maschinellen Drehmoment M erfolgt also in Abhängigkeit der mindestens einen erfassten Kippgröße, wie beispielsweise einer Drehrate Ψ .(t) und/oder eines Kippwinkels Ψ(t). Der Rollstuhlfahrer 360 kann die Fahrt durch manuellen Krafteingriff auf die Greifringe 102 jederzeit beeinflussen.In 7 is in a flow chart the parallel effect of the manual power of the wheelchair user 360 and the driving force of the electric motor 104 on the drive wheel 101 shown. The wheelchair user 360 imposes a force on the grip ring 102 on the drive wheel 101 and so can the wheelchair 100 drive forwards and backwards depending on the direction of the force. At different forces on the right and left drive wheel 101 is a cornering or turning the wheelchair 100 around the vertical axis (z-axis) possible. In the method according to the invention for controlling an electric motor for the tilting monitor operating mode, a sensor detects 110 at least one measure of rotation about the axis 106 of the drive wheel 101 , wherein the x-axis of the sensor is preferably parallel to the axis 106 of the drive wheel, orthogonal to the z-axis and orthogonal to the y-axis in the forward direction is arranged. The amount of rotation around the axis 106 of the drive wheel 101 is called tilt size. The tilt size represents the tilting of the wheelchair 100 , The sensor 110 outputs at least one associated sensor signal representing the amount of tilt. The control unit 105 detects the amount of tilt as the sensor signal of the sensor 110 , as in 7 shown. The limit value for a tipping size represents a threatening overturning of the wheelchair. The control unit 105 compares the at least one tilt amount with an associated limit value. Each threshold for a tilt size represents a threatening overturning backwards. With the back is the direction of the back of the wheelchair user 360 meant. When reaching the limit, the electric motor 104 triggered in dependence of the detected tilting size, whereby the electric motor 104 a torque on the drive wheel 101 of the wheelchair 100 supplies. The torque of the electric motor counteracts the tilting torque. For example, the electric motor brakes 104 the ride of the wheelchair 100 or the electric motor 104 drives the drive wheel 101 for reversing the wheelchair 100 at. The control of the electric motor 104 to the mechanical torque M thus takes place as a function of the at least one detected tilting variable, such as, for example, a yaw rate Ψ (t) and / or a tilt angle Ψ (t). The wheelchair user 360 The ride can be done by manual force engagement on the handrims 102 influence at any time.

In 8 ist ein Flussdiagramm des erfindungsmäßigen Verfahrens zur Ansteuerung eines Elektromotors für den Kippwächter-Betriebsmodus eines Rollstuhls dargestellt. In einem ersten Schritt 810 wird beim Kippen des Rollstuhls 100 mittels des wenigstens einen Sensors 110 mindestens ein Maß für eine Kippgröße erfasst, wie beispielsweise für einen Kippwinkel Ψ(t), eine Drehrate Ψ . (t) und/oder eine Drehratenbeschleunigung Ψ .. (t). In einem zweiten Schritt 820 wird die erfasste Kippgröße mit einem Grenzwert verglichen. Wenn eine erfasste Kippgröße einen zugeordneten Grenzwert erreicht, wird in einem dritten Schritt 830 der Elektromotor 104 durch das Steuergerät 105 zur Erzeugung eines Drehmoments M angesteuert, wodurch der Elektromotor 104 ein Drehmoment auf das Antriebsrad 101 des Rollstuhls 100 liefert. Das Drehmoment des Elektromotors wirkt dem Kipp-Drehmoment entgegen. In 8th a flowchart of the erfindungsmäßigen method for controlling an electric motor for the Kippwächter operating mode of a wheelchair is shown. In a first step 810 is when tilting the wheelchair 100 by means of the at least one sensor 110 detects at least one measure of a Kippgröße, such as for a tilt angle Ψ (t), a rotation rate Ψ. (t) and / or a rotation rate acceleration Ψ .. (t). In a second step 820 the detected tilt amount is compared to a threshold value. When a detected amount of tilt reaches an associated limit, in a third step 830 the electric motor 104 through the control unit 105 driven to generate a torque M, whereby the electric motor 104 a torque on the drive wheel 101 of the wheelchair 100 supplies. The torque of the electric motor counteracts the tilting torque.

Zum Beispiel wird der Rollstuhl beim drohenden Umkippen nach hinten aufgrund einer Drehrate Ψ . (t) größer einem zugeordneten Grenzwert zur Rückwärtsfahrt angetrieben.For example, when the wheelchair is about to tip over, the wheelchair becomes aufgrund due to a turning rate. (t) driven greater than an associated limit value for reversing.

In einem weiteren Beispiel wird der Elektromotor 104 im dritten Schritt 830 bei einem Kippwinkel Ψ(t) als Kippgröße größer einem Maximalwinkel Ψ_max als zugeordneter Grenzwert zur Rückwärtsfahrt des Rollstuhles 100 angesteuert. Der Maximalwinkel Ψ_max liegt bevorzugt zwischen 0,15 bis 0,4 rad und besonders bevorzugt zwischen 0,2 bis 0,3 rad.In another example, the electric motor 104 in the third step 830 at a tilt angle Ψ (t) as a tipping size greater than a maximum angle Ψ _max as an assigned limit value for reversing the wheelchair 100 driven. The maximum angle Ψ _max is preferably between 0.15 to 0.4 rad and more preferably between 0.2 to 0.3 rad.

In einer alternativen Ausgestaltung wird im dritten Schritt 830 bei einer Drehrate Ψ .(t) nach hinten größer einer maximalen Drehrate Ψ . _max der Elektromotor 104 angesteuert. Die maximale Drehrate Ψ . max liegt bevorzugt zwischen 0,1 bis 1,0 rad/s und besonders bevorzugt zwischen 0,2 bis 0,5 rad/s.In an alternative embodiment, in the third step 830 at a rate of rotation Ψ (t) to the rear greater than a maximum rate of rotation Ψ. _max the electric motor 104 driven. The maximum rotation rate Ψ. max is preferably between 0.1 to 1.0 rad / s and more preferably between 0.2 to 0.5 rad / s.

In einer Variante der alternativen Ausgestaltung ist die maximale Drehrate Ψ . max als Grenzwert nicht konstant sondern eine Funktion des Kippwinkels Ψ(t). Die Ableitung der maximale Drehrate Ψ . _max als Funktion des Kippwinkels Ψ(t) ist bevorzugt negativ, so dass bei kleinen Kippwinkeln Ψ(t) eine größere maximale Drehrate Ψ . _max als bei größeren Kippwinkeln Ψ(t) resultiert. Dies ermöglicht beispielsweise ein Ankippen bei einem kleinen Kippwinkel Ψ(t) mit hoher Drehrate ohne, dass dabei ein dagegen wirkendes Drehmoment M des Elektromotors 104 durch einen erfindungsgemäße Ansteuerung erzeugt wird.In a variant of the alternative embodiment, the maximum rate of rotation Ψ. max as a limit not constant but a function of the tilt angle Ψ (t). The derivative of the maximum rate of turn Ψ. _max as a function of the tilt angle Ψ (t) is preferably negative, so that at small tilt angles Ψ (t) a larger maximum Rate of turn Ψ. _max than at larger tilt angles Ψ (t) results. This allows, for example, a tilting at a small tilt angle Ψ (t) with a high rotation rate without, in doing so, a counteracting torque M of the electric motor 104 is generated by a control according to the invention.

In einer weiteren Ausgestaltung wird im dritten Schritt 830 bei einer Drehbeschleunigung Ψ .. (t) nach hinten größer einer maximalen Drehbeschleunigung Ψ .. _max als Grenzwert der Elektromotor 104 mit einem Drehmoment M angesteuert. Besonders bevorzugt liegt die maximale Drehratenbeschleunigung Ψ .. _max zwischen 2 bis 20 rad/s².In a further embodiment, in the third step 830 at a rotational acceleration Ψ .. (t) to the rear greater than a maximum rotational acceleration Ψ .. _max as the limit value of the electric motor 104 controlled with a torque M. Particularly preferably, the maximum angular rate acceleration Ψ .. _{max is} between 2 and 20 rad / s ² .

Durch die oben beschriebenen Beispiele eines erzeugten Drehmoments M entgegen des Kipp-Drehmomentes wird ein Umkippen des Rollstuhls 100 zumindest verlangsamt bzw. verhindert. In 9 ist die technische Wirkweise dargestellt. Um ein Umkippen zu verhindern, müssen sich ein Gegenmoment M_Anti und das Kipp-Drehmoment M_Kipp mindestens aufheben. Das Gegenmoment M_Anti wird durch das Drehmoment M des Elektromotors 104 entgegen der Vorwärtsfahrtrichtung des Rollstuhles 100 realisiert und wirkt entgegen des Kipp-Drehmomentes M_Kipp. Dabei kann der Rollstuhlfahrer 360 parallel ein zusätzliches manuelles Drehmoment M_{Rollstuhlfahrer} durch Krafteinwirkung auf mindestens einen Greifring 103 realisieren. Die Kraft 920 wirkt dabei am Bodenkontaktpunkt 930 des Antriebsrades 101, das heißt der Hebelarm 902 des Gegenmomentes entspricht einem Radius 940 des Antriebsrades 101. Das Gegenmoment M_Anti wirkt auf das Antriebsrad 101 als auch entgegengesetzt auf den Rollstuhlrahmen des Rollstuhls 100. Das Gegenmoment M_Anti lässt sich auch als Summe des Drehmomentes M des Elektromotors 104 und des manuellen Drehmomentes M_{Rollstuhlfahrer} beschreiben, wobei das manuelle Drehmoment M_{Rollstuhlfahrer} aus der eingeleiteten Kraft des Rollstuhlfahrers 360 auf den Greifring resultiert. Das Kipp-Drehmoment M_Kipp umfasst verschiedene Anteile. Ein Anteil des Kipp-Drehmoments wird durch die gemeinsame Gewichtskraft 910 aus Rollstuhl 100 und Rollstuhlfahrer 360 erzeugt. Die Gewichtskraft wirkt am Schwerpunkt 350 senkrecht nach unten. Der Hebelarm 901 eines Anteils des Kipp-Drehmomentes M_Kipp ist der horizontale Anteil der radialen Strecke zwischen dem Schwerpunkt 350 und der Achse 106. Ein weiterer Anteil des Kipp-Drehmoments wird durch eine manuelle Kraftwirkung des Rollstuhlfahrers 360 und ein anderer Anteil aus einer Beschleunigung des Schwerpunkts 350 nach hinten, welche beim Bremsen des Rollstuhls auftreten kann, erzeugt.By the examples described above of a generated torque M against the tilting torque is a tipping over of the wheelchair 100 at least slowed down or prevented. In 9 the technical mode of action is shown. In order to prevent overturning, a counter-moment M _Anti and the tilting torque M _tilt must at least cancel each other out. The counter-torque M _anti is due to the torque M of the electric motor 104 against the forward direction of travel of the wheelchair 100 realized and counteracts the tilting torque M _tilt . This is where the wheelchair user 360 parallel an additional manual torque M _{wheelchair user} by applying force to at least one gripping ring 103 realize. The power 920 acts at the ground contact point 930 of the drive wheel 101 that is the lever arm 902 the counter-moment corresponds to a radius 940 of the drive wheel 101 , The counter-torque M _Anti acts on the drive wheel 101 as well as opposite to the wheelchair frame of the wheelchair 100 , The counter-moment M _Anti can also be expressed as the sum of the torque M of the electric motor 104 and the manual torque M describing _{wheelchair users} , wherein the manual torque M _{wheelchair user} from the introduced force of the wheelchair user 360 results on the gripping ring. The tilting torque M _tilt comprises various portions. A proportion of the tilting torque is due to the common weight 910 out of a wheelchair 100 and wheelchair users 360 generated. The weight acts on the center of gravity 350 vertically down. The lever arm 901 a proportion of the tilting torque M _tilt is the horizontal portion of the radial distance between the center of gravity 350 and the axis 106 , Another part of the tilting torque is caused by a manual force of the wheelchair user 360 and another part of an acceleration of the center of gravity 350 to the rear, which can occur when braking the wheelchair generated.

Der Elektromotor 104 steuert das Antriebsrad 101 bevorzugt mit einem maschinellen Drehmoment M an. Dies kann gemäß einer Funktion nach Gleichung (1) in Abhängigkeit eines Faktors k₁ und eines Abstandes ΔΨ des aktuellen Kippwinkels Ψ(t) vom Maximalwinkel Ψ_max erfolgen. Ein Graph des Drehmomentverlaufes dieser Form der Ansteuerung des Elektromotors 104 ist in 10 abgebildet.The electric motor 104 controls the drive wheel 101 preferably with a machine torque M on. This can be done according to a function according to equation (1) as a function of a factor k ₁ and a distance ΔΨ of the current tilt angle Ψ (t) from the maximum angle Ψ _max . A graph of the torque curve of this form of driving the electric motor 104 is in 10 displayed.

Alternativ steuert der Elektromotor 104 das Antriebsrad 101 mit einem Drehmoment M gemäß einer Funktion nach Gleichung (2) in Abhängigkeit zweier Faktoren k₂, k₃ und eines quadratischen Abstandes ΔΨ des aktuellen Kippwinkels Ψ(t) vom Maximalwinkel Ψ_max an. Alternatively, the electric motor controls 104 the drive wheel 101 with a torque M according to a function according to equation (2) as a function of two factors k ₂ , k ₃ and a quadratic distance ΔΨ of the actual tilt angle Ψ (t) from the maximum angle Ψ _max .

In einer weiteren Variante steuert der Elektromotor 104 das Antriebsrad 101 mit einem Drehmoment M gemäß einer Funktion nach Gleichung (3) in Abhängigkeit zweier Faktoren k₄, k₅, eines Abstandes ΔΨ des aktuellen Kippwinkels Ψ(t) vom Maximalwinkel Ψ_max und in Abhängigkeit der Drehrate Ψ . (t) an. In a further variant, the electric motor controls 104 the drive wheel 101 with a torque M according to a function according to equation (3) as a function of two factors k ₄ , k ₅ , a distance ΔΨ of the actual tilt angle Ψ (t) from the maximum angle Ψ _max and in dependence on the rotation rate Ψ. (t) on.

In einer weiteren Alternative steuert der Elektromotor 104 den Rollstuhl 100 mit einem am Grenzwert sprunghaften Drehmoment M an. Ein Graph des Drehmomentverlaufes dieser Form der Ansteuerung des Elektromotors 104 ist in 11 abgebildet.In another alternative, the electric motor controls 104 the wheelchair 100 with an abrupt torque M at the limit. A graph of the torque curve of this form of driving the electric motor 104 is in 11 displayed.

In einer Variante steuert der Elektromotor 104 den Rollstuhl 100 verzögert mit einem am Grenzwert sprunghaften Drehmoment M an. Ein Graph des Drehmomentverlaufes dieser Form der Ansteuerung des Elektromotors 104 ist in 12 abgebildet.In one variant, the electric motor controls 104 the wheelchair 100 decelerates with a torque M which jumps at the limit value. A graph of the torque curve of this form of driving the electric motor 104 is in 12 displayed.

In einer weiteren Variante der Erfindung kann in einem optionalen vierten Schritt 840 mittels eines zusätzlichen elektromechanischen Aktors eine mechanische Stütze zum Umkippschutz nach hinten ausgefahren werden. In a further variant of the invention, in an optional fourth step 840 be extended by means of an additional electromechanical actuator, a mechanical support for Umkippschutz backwards.

In einer erweiterten Ausführung des Verfahrens kann in einem weiteren optionalen Schritt das Steuergerät (105) den Balancierwinkel Ψ₀ durch ein Balancierwinkelermittlungsverfahren ermitteln.In an expanded embodiment of the method, in a further optional step, the control unit ( 105 ) determine the balance angle Ψ ₀ by a balance angle determination method.

In einer weiteren Variante der Erfindung wird der Rollstuhlfahrer in einem optionalen Schritt vor dem dritten Schritt 830 vor der Gefahr eines Umkippens gewarnt. Die Warnung erfolgt dabei vor dem Erreichen eines Grenzwertes, d.h. des Maximalwinkels Ψ_max, der Maximalrate Ψ . _max und/oder der Maximalbeschleunigung Ψ .. _max. Bevorzugt erfolgt die Warnung beim Erreichen eines Schwellwertes (Ψ_Schwellwert, Ψ . _Schwellwert, Ψ .. _Schwellwert) der jeweiligen Kippgröße. Die Warnung erfolgt visuell an einem Anzeigegerät, akustisch durch einen Signalton über einen Lautsprecher und/oder haptisch durch mindestens einen Aktor am oder in der Kraftübertragungseinrichtung (z.B. Greifring) und/oder durch die Antriebsmotoren. Der Rollstuhlfahrer hat nach der Warnung noch Zeit um durch manuelle Antriebskraft ein Ansteuern des Elektromotors zu verhindern.In a further variant of the invention, the wheelchair user is in an optional step before the third step 830 warned of the danger of tipping over. The warning is given before reaching a limit value, ie the maximum angle Ψ _max , the maximum rate Ψ. _max and / or the maximum acceleration Ψ .. _max . The warning preferably takes place when a threshold value (Ψ _{threshold value,} Ψ _{threshold value} , Ψ .. _{threshold value} ) of the respective tilting variable is reached. The warning occurs visually on a display device, acoustically by a signal tone via a loudspeaker and / or haptically by at least one actuator on or in the power transmission device (eg gripping ring) and / or by the drive motors. The wheelchair user still has time after the warning to prevent a driving of the electric motor by manual driving force.

In 13 ist ein erfindungsgemäßes Steuergerät 105 zur Ansteuerung eines Elektromotors 104 für den Kippwächter-Betriebsmodus eines Rollstuhls 100 abgebildet. Das Steuergerät 105 weist wenigstens eine Recheneinheit 1302 zur Erfassung einer Kippgröße des Rollstuhls 100 auf, wobei die Kippgröße das Kippen des Rollstuhls repräsentiert. Das Steuergerät kann außerdem eine Empfangseinheit 1301 zur Erfassung des Sensorsignals des Sensors 110 umfassen. Die Recheneinheit 1302 vergleicht die erfasste Kippgröße mit einem Grenzwert. Erreicht die Kippgröße den Grenzwert erzeugt die Recheneinheit 1302 ein Ausgangsignal. Das Ausgangssignal bewirkt die Ansteuerung des Elektromotors 104, wodurch der Elektromotor 104 ein Drehmoment erzeugt. Das Steuergerät weist zusätzlich eine Ausgabeeinheit 1303 auf. In 13 is an inventive control device 105 for controlling an electric motor 104 for the tilt monitor operating mode of a wheelchair 100 displayed. The control unit 105 has at least one arithmetic unit 1302 for detecting a tilting size of the wheelchair 100 on, wherein the Kippgröße represents the tilting of the wheelchair. The controller may also include a receiving unit 1301 for detecting the sensor signal of the sensor 110 include. The arithmetic unit 1302 compares the detected tilt amount with a limit value. If the amount of tilt reaches the limit, the arithmetic unit generates 1302 an output signal. The output signal causes the control of the electric motor 104 , causing the electric motor 104 generates a torque. The control unit additionally has an output unit 1303 on.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung wird zusätzlich ein tragbarer Computer am Rollstuhl befestigt. Der tragbare Computer kann in dieser Ausführung auch das Steuergerät 105 zur Ansteuerung des Elektromotors 104 ersetzten. Ein solcher tragbarer Computer kann beispielsweise ein Smartphone sein. Der Computer kann auch wenigstens einen Sensor 110 für das erfindungsgemäße Verfahren aufweisen.In an alternative embodiment of the invention, a portable computer is additionally attached to the wheelchair. The portable computer may also be the controller in this embodiment 105 for controlling the electric motor 104 replaced. Such a portable computer may be, for example, a smartphone. The computer can also have at least one sensor 110 for the inventive method.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008002993 B3 [0003]
US 5701965 [0004]
DE 60021709 T2 [0004]

Claims

Method for controlling an electric motor of a wheelchair ( 100 ) to reduce the risk of wheelchair tipping over ( 100 ) comprising at least the following steps: • detecting at least one current tilting amount of the wheelchair ( 100 ), wherein the Kippgröße a tilting about the axis ( 106 ) of a drive wheel ( 101 ), and • Comparison of the detected tilting amount of the wheelchair ( 100 ) with an assigned limit value, characterized in that upon reaching the limit value, a control of an electric motor ( 104 ) takes place as a function of the detected tilting variable, so that the electric motor ( 104 ) a torque (M) on the drive wheel ( 101 ) of the wheelchair ( 100 ), wherein the torque (M) of the electric motor ( 104 ) counteracts the tilting torque.

A method according to claim 1, characterized in that the torque (M) of the electric motor ( 104 ) a rate of rotation (Ψ. (t)) of the wheelchair ( 100 ) reduced when tilting backwards.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one detected Kippgröße a tilt angle (Ψ) and / or a rate of rotation (Ψ.) And / or a rotational acceleration (Ψ ..) about the axis ( 106 ) of the drive wheel ( 101 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor ( 104 ) is driven at a tilt angle (Ψ (t)) greater than a maximum angle (Ψ _max ) as a limit value with a torque (M), wherein the maximum angle (Ψ _max ) is in particular between 0.15 to 0.4 rad.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor ( 104 ) is driven at a rate of rotation (Ψ (t)) to the rear greater than a maximum rotation rate (Ψ _max ) as the limit value, wherein the maximum rotation rate (Ψ _max ) is in particular between 0.1 to 1.0 rad / s.

A method according to claim 5, characterized in that the maximum rate of rotation (Ψ _max ) is a function of the tilt angle (Ψ (t)), wherein the derivative of the function is negative, so that at small tilt angles (Ψ (t)) a larger maximum rate of turn (Ψ _max .) is realized as with larger tilt angles (Ψ (t)).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor ( 104 ) at a rotational acceleration (Ψ .. (t)) to the rear greater than a maximum rotational acceleration (Ψ .. max) is controlled as a limit, the maximum rotational acceleration (Ψ .. max) is in particular between 2 to 20 rad / s ² .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control of the electric motor ( 104 ) for the torque (M) as a function of a distance (ΔΨ) of the current tilt angle (Ψ (t)) from the maximum angle (Ψ _max ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control of the electric motor ( 104 ) for the torque (M) as a function of a quadratic distance (ΔΨ) of the current tilt angle (Ψ (t)) from the maximum angle (Ψ _max ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control of the electric motor ( 104 ) for the torque (M) as a function of a distance (ΔΨ) of the current tilt angle (Ψ (t)) from the maximum angle (Ψ _max ) and the rotation rate (Ψ. (t)).

Control unit which carries out a method according to one of claims 1 to 10, comprising at least one arithmetic unit ( 1302 ) for detecting a tilting amount of the wheelchair ( 100 ) and for generating an output signal in response to a comparison of the determined Kippgröße with a limit value, wherein the output signal is a control of an electric motor ( 104 ) causes a torque against the overturning torque.

Wheelchair ( 100 ), whereby the wheelchair ( 100 ) at least one drive wheel ( 101 ) with an axis ( 106 ) and a power transmission device ( 102 ) for manual power transmission and at least one front wheel ( 103 ), characterized in that the wheelchair comprises at least the following components • a sensor ( 110 ), which has at least one tipping size as a measure for tilting the wheelchair ( 100 ), wherein a tilting about the axis ( 106 ) takes place when the front wheel ( 103 ) loses contact with the ground, and • at least one electric motor ( 104 ), and • an electronic control unit ( 105 ) according to claim 11 for detecting the at least one tilt amount and for comparing the at least one tilt amount with a limit value and for controlling the electric motor ( 104 ) when reaching a limit value.

Wheelchair according to claim 12, characterized in that the sensor ( 110 ) comprises an acceleration sensor and / or a rotation rate sensor and / or a distance sensor.