Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors für eine erweiterte Balancierunterstützung eines Rollstuhls

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die erweiterte Balancierunterstützung eines Rollstuhls, ein Steuergerät, welches das Verfahren ausführt, und einen Rollstuhl, welcher ein erfindungsgemäßes Steuergerät aufweist.

Stand der Technik

Beim Balancieren wird der gemeinsame Schwerpunkt eines Rollstuhls und eines Rollstuhlfahrers durch ein Kippen des Rollstuhles um eine Achse eines Antriebsrades über der Achse gehalten. Ein typischerweise kleines, frei um eine Hochachse drehbares und somit weniger kontrollierbares Vorderrad des Rollstuhls kann durch das Anheben in die Balancierlage beispielsweise nicht verkanten. Das Balancieren ermöglicht deswegen beispielsweise das Überqueren von Hindernissen, wie einem unebenen Boden oder einem Bordstein. Das Balancieren stellt auch in weiteren Anwendungsfällen für den Rollstuhlfahrer eine gewünschte Rollstuhlposition dar, wie beispielsweise bei einer Hangabfahrt. Eine Balancierlage ist allerdings instabil, d.h. der Rollstuhl tendiert dazu beim Balancieren nach vorne auf die Vorderräder oder nach hinten zu kippen. Insbesondere ein Umkippen nach hinten ist gefährlich für den Rollstuhlfahrer. Ein Rollstuhlfahrer benötigt zum Balancieren hohe koordinative sowie physische Fähigkeiten, zudem fordert das Balancieren permanente Aufmerksamkeit.

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 Senso- ren gemessen. In Abhängigkeit der gemessenen Kraft wird mittels eines Elektromotors zusätzlich zum manuellen Antriebsmoment ein maschinelles Antriebsmoment auf die Antriebsräder des Rollstuhls aufgebracht.

In den Schriften US 5,701,965 und DE 600 21 709 T2 ist ein vollelektrischer Rollstuhl offenbart, welcher eine selbstständige Balancierfunktion durch Vorwärtsoder Rückwärtsfahrt realisiert.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die erweiterte Balancierunterstützung eines Rollstuhls und ein Steuergerät, welches dieses Verfahren ausführt. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem einen Rollstuhl, welcher ein erfindungsgemäßes Steuergerät aufweist. Die Erfindung erleichtert das Balancieren mit einer manuellen Kraft des Rollstuhlfahrers mittels einer Ansteuerung eines Elektromotors des Rollstuhls in Abhängigkeit des Kippwinkels des Rollstuhls.

Der Rollstuhl umfasst zumindest ein Antriebsrad mit einer Achse und einer Kraftübertragungseinrichtung, wie beispielsweise einem Greifring oder einer Hebeleinrichtung zur Übertragung einer manuellen Kraft des Rollstuhlfahrers auf das Antriebsrad. Der Rollstuhl weist auch mindestens ein Vorderrad auf. Des Weiteren weist der Rollstuhl mindestens einen zusätzlichen Elektromotor zum Aufbringen eines Drehmomentes auf das Antriebsrad beziehungsweise zum Antreiben des Antriebsrades auf. Der wenigstens eine Sensor des Rollstuhles erfasst mindestens ein Maß für eine aktuelle Kippgröße, d.h. insbesondere den aktuellen Kippwinkel des Rollstuhls. Optional kann auch eine aktuelle Drehrate um die Achse des Antriebsrades erfasst werden. Der mindestens eine Sensor am Rollstuhl kann beispielsweise einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor und/oder einen Abstandsensor umfassen. Ein Kippen des Rollstuhles liegt vor, wenn der Rollstuhl ohne oder mit Fahrt um die Achse des mindestens einen Antriebsrades gedreht wird, wobei die Vorderräder den Kontakt zum Boden verlieren. Außerdem umfasst der Rollstuhl ein elektronisches Steuergerät zur Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit der Kippgröße, d.h. insbesondere des aktuellen Kippwinkels des Rollstuhls. Die manuelle Antriebskraft und das Dreh- moment des Elektromotors wirken parallel auf das Antriebsrad. Durch diesen Rollstuhlaufbau wird mit wenigen Komponenten eine elektrische Unterstützung des manuellen Balancierens des Rollstuhles ermöglicht.

Bei der Drehung um die Achse des Antriebsrades definiert ein Kippwinkel die Kipplage des Rollstuhls. Der Kippwinkel liegt in einer orthogonalen Ebene zu einer Bezugsebene. Die Bezugsebene ist beispielsweise senkrecht zur Richtung der Gewichtskraft als horizontale Ebene aufgespannt. Der Kippwinkel liegt des Weiteren zwischen der Bezugsebene und einer durch das Kippen um die Achse des Antriebsrades gekippten Bezugsebene.

Zur Einnahme der Balancierlage als Kipplage wird der Rollstuhl so gekippt, dass der gemeinsame Schwerpunkt des Rollstuhls und eines Rollstuhlfahrers über der Achse des Antriebsrades liegt. Beim Balancieren wird der Schwerpunkt über der Achse des Antriebsrades in der Balancierlage gehalten. Der Kippwinkel in der Balancierlage wird Balancierwinkel genannt. Die Balancierlage umfasst auch Kippwinkel in einem engen Toleranzbereich um den Balancierwinkel, wobei die Kippwinkeltoleranz des Balancierwinkels insbesondere +/" 1° beträgt.

Eine Abweichung des Kippwinkels vom Balancierwinkel resultiert in einem Kipp- Drehmoment mit einer Kipprichtung nach vorne oder hinten. Die Kipprichtung sowie die Drehrate um die Achse des Antriebsrades werden durch Drehmomente um die Achse des Antriebsrades beeinflusst. Die Kräfte bzw. Drehmomente, welche die Kipprichtung und die Drehrate beeinflussen, sind die Schwerkraft des Rollstuhls inkl. dem Rollstuhlfahrer, die am Schwerpunkt durch eine Beschleunigung des Rollstuhls wirkende Kraft, die manuelle Kraft des Rollstuhlfahrers auf die Kraftübertragungsvorrichtung sowie ein Drehmoment des Elektromotors.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die erweiterte Balancierunterstützung eines Rollstuhls. In einem Schritt erfolgt die Erfassung eines aktuellen Kippwinkels des Rollstuhls um die Achse des Antriebsrades beim Kippen. In einem weiteren Schritt erfolgt eine Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit des Kippwinkels. Der Elektromotor erzeugt durch die Ansteuerung ein Drehmoment auf das Antriebsrad des Rollstuhls. Erfindungsgemäß erfolgt für Kippwinkel kleiner einem Minimalwinkel oder größer einem Maximalwinkel eine erste Ansteuerung des Elektromotors zur Drehung des Rollstuhls um die Achse des Antriebsrades in Richtung der Balancierlage. Der Winkelabstand des aktuellen Kippwinkels zum Balancierwinkel nimmt betragsmäßig durch die erste Ansteuerung ab. Das erzeugte Drehmoment des Elektromotors ist in diesem Kippwinkel-Bereich größer als das Kipp- Drehmoment.

Erfindungsgemäß erfolgt zwischen dem Minimal- und dem Maximalwinkel eine zweite Ansteuerung des Elektromotors, wobei eine reduzierte Drehrate des Rollstuhls bei gleichbleibender Kipprichtung aus der Balancierlage resultiert. Der Winkelabstand des aktuellen Kippwinkels zum Balancierwinkel nimmt betragsmäßig durch die zweite Ansteuerung zu. Das erzeugte Drehmoment des Elektromotors ist in diesem Kippwinkel-Bereich kleiner als das Kipp-Drehmoment.

Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren ein einfacheres und sichereres Balancieren eines Rollstuhls. Außerhalb des Minimal- und des Maximalwinkel wird für den Rollstuhl durch Ansteuerung des Elektromotors automatisiert wieder die Kippwinkellage des Minimal- bzw. Maximalwinkel realisiert. Im Bereich des Balancierwinkels, welcher zwischen dem Minimal- und dem Maximalwinkel liegt, muss der Rollstuhlfahrer den Rollstuhl mit zusätzlichem manuellem Eingriff auf die Kraftübertragungseinrichtung am Antriebsrad balancieren beziehungsweise stabilisieren. Das Balancieren am Balancierwinkel und in der Nähe des Balancierwinkels erfolgt demnach im Wesentlichen durch die manuelle Kraft des Rollstuhlfahrers. Durch das Verfahren werden eine geringere Koordinationsfähigkeit und ein weniger stark ausgeprägter Gleichgewichtssinn des Rollstuhlfahrers zum Balancieren benötigt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Elektromotor durch die erste Ansteuerung nur in einem vorgegebenen Wertebereich von Kippwinkeln angesteuert, wobei der Wertebereich insbesondere zwischen 5° bis 25° liegt. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird der Elektromotor beispielsweise bei einer steileren Hangauffahrt nicht angesteuert, sondern nur dann, wenn der Rollstuhl wirklich zum Balancieren angekippt wird. Vorzugsweise wird in einer weiteren, optionalen Erfassung eine Drehrate um die Achse des Antriebsrades erfasst. Die erste Ansteuerung und/oder die zweite Ansteuerung erfolgen in dieser Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich in Abhängigkeit der erfassten Drehrate. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass die erste Ansteuerung und/oder die zweite Ansteuerung für den Rollstuhlfahrer angenehmer und sicherer gestaltet werden können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird durch die erste und/oder zweite Ansteuerung des Elektromotors ein Drehmoment M gemäß einer Funktion der Form M = - ci * (Ψ(ί) - Ψο) in Abhängigkeit einer ersten Konstanten ci und des Kippwinkels Ψ(ί) erzeugt. Die erste Konstante ci liegt dabei bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich des Winkels in rad bevorzugt zwischen 50 und 300. Durch diese Ausgestaltung wird der Elektromotor in Abhängigkeit des Abstands des Kippwinkels vom Balancierwinkel Ψο angesteuert. Die Ansteuerung dieser Ausgestaltung kann auch als federnd beschrieben werden. Die erste Konstante ci ist in einer Weiterführung dieser Ausgestaltung abhängig von der Drehrate um die Achse des Antriebsrades.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzeugt der Elektromotor durch die Ansteuerung ein Drehmoment M gemäß einer Funktion der Form M = - k* ί(Ψ(ί)). Das Drehmoment ist demnach vom Kippdämpfungsfaktor k und einer Funktion ί(Ψ(ί)) abhängig. Die Funktion ί(Ψ(ί)) repräsentiert dabei eine Abhängigkeit vom Kippwinkel und/oder dem Balancierwinkel. Durch diese Ausgestaltung wird der Elektromotor in Abhängigkeit des Kippwinkels angesteuert, wobei eine Funktion ί(Ψ(ί)) an ein gewünschtes Fahrverhalten des Rollstuhls an- gepasst werden kann.

Vorzugsweise erzeugt die zweite Ansteuerung des Elektromotors ein Drehmoment (M) gemäß einer Funktion der Form M = - C2* (Ψ (t)) in Abhängigkeit einer erfassten Drehrate (Ψ (t)) und einer zweiten Konstanten (C2). Dadurch kann für den Rollstuhlfahrer eine direkt von der Drehrate abhängige Unterstützung des Balancierens an der Balancierlage erreicht und die Drehrate des Rollstuhls zwischen dem Minimal- und dem Maximalwinkel effektiv begrenzt werden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches das Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die Balancierunterstützung ausführt, und ein elektrisches Speichermedium mit dem Computerprogramm.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät, welches das Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors für die Balancierunterstützung ausführt. Das Steuergerät weist wenigstens eine Recheneinheit auf. Die Recheneinheit erfasst mindestens eine Kippgröße des Rollstuhls. Des Weiteren gibt die Recheneinheit ein Ausgangsignal zur Ansteuerung eines Elektromotors in Abhängigkeit der er- fassten Drehrate aus.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert.

Figur la: Skizze eines Rollstuhls mit Greifring in Seitenansicht

Figur lb: Skizze eines Rollstuhls mit Hebeleinrichtung in Seitenansicht

Figur 2: Sensorsystem umfassend mehrere Sensoren

Figur 3: Skizze eines Rollstuhls, welcher auf vier Rädern steht

Figur 4: Skizze eines Rollstuhls am Balancierwinkel

Figur 5: Skizze eines Rollstuhls bei einem Kippwinkel größer als dem Balancierwinkel

Figur 6: parallele Krafteinleitung von manueller Kraft und Motorkraft

Figur 7: Flussdiagramm zur parallelen Krafteinleitung

Figur 8: Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens Figur 9a: Beispielgraph der Funktion ί(Ψ(ί))

Figur 9b: Alternativer Graph der Funktion ί(Ψ(ί))

Figur 10: Weiterer, alternativer Graph der Funktion ί(Ψ(ί)) Figur 11: Beispiel für eine Abhängigkeit vom Kippwinkel Figur 12: Steuergerät Ausführungsbeispiele

In Figur la ist ein Rollstuhl 100 dargestellt, welcher geeignet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur erweiterten Balancierunterstützung eines 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 Figur la ist der Rollstuhl 100 in Seitenansicht abgebildet, d.h. es sind das rechte Antriebsrad 101 mit der rechten Kraftübertragungseinrichtung 102 und das rechte Vorderrad 103 sowie ein Rollstuhlgestell mit Sitz zu erkennen. Der Rollstuhl 100 weist des Weiteren ein Steuergerät 105 und einen Elektromotor 104 sowie 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 Figur lb ist ein ähnlicher Rollstuhl 100, wie in Figur la, dargestellt. Der Rollstuhl 100 in Figur lb unterscheidet sich vom Rollstuhl 100 aus Figur la dadurch, dass am Antriebsrad zur manuellen Kraftübertragung als Kraftübertragungseinrichtung 102 eine Hebeleinrichtung statt eines Greifringes angeordnet ist. Auch mit einem Rollstuhl 100 mit einer Hebeleinrichtung ist es möglich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Balancierunterstützung eines Rollstuhls 100 zu realisieren. Erfindungsgemäß wird vom Sensor 110 mindestens eine Kippgröße als Maß für eine Drehung um die Achse 106 erfasst. Der Sensor 110 kann einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor und/oder einen Abstandsensor aufweisen. Der Sensor 110 weist bevorzugt eine inertiale Messeinheit auf, welche mehrere Drehraten- und Beschleunigungssensoren umfasst.

In Figur 2 ist beispielhaft eine inertiale Messeinheit als Sensor 110 dargestellt. Mehrere Sensoren 110 bilden demnach in der inertialen Messeinheit ein Sensorsystem, welches als eine einzelne Baueinheit am Rollstuhl angebracht wird. Die inertiale Messeinheit wird bevorzugt am Rollstuhl 100 so angeordnet, dass die x- Achse parallel zur Achse 106 liegt und in dieselbe Richtung zeigt. In einem Koordinatensystem der Figur 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. Eine Drehrate Ψ (t) um eine parallele Achse zur Achse 106, welche das Kippen repräsentiert, wird durch die gezeigte inertiale Messeinheit erfasst. Mittels der Schwerkraft als Referenzwert wird eine orthogonal zur Schwerkraft aufgespannte Bezugsebene 300 definiert. Durch die von der inertialen Messeinheit erfassten Messgrößen wird eine Lageänderung relativ zur Bezugsebene 300 erfasst und die Lage des Sensorsystems 110 im Raum ermittelt. Damit wird beispielsweise ein Kippwinkel Ψ(ί) relativ zur Bezugsebene 300 bestimmt. Zur Berechnung der Lage im Steuergerät werden beispielsweise Gleichungen des Kaiman- Filters verwendet.

In Figur 3 ist der Rollstuhl 100 mit einem gemeinsamen Schwerpunkt 350 des Rollstuhls 100 und des Rollstuhlfahrers 360 sowie eine Wirkrichtung der Gewichtskraft am gemeinsamen Schwerpunkt 350 dargestellt. In Figur 3 ist darüber hinaus auch die senkrecht zur Gewichtskraft liegende Bezugsebene 300 des Sensors 110 bzw. des Sensorsystems abgebildet. Der Rollstuhl 100 ist nicht gekippt. Die Vorderräder 103 haben Kontakt zum Boden und der Rollstuhl 100 steht auf den Antriebsrädern 101 und den Vorderrädern 103. Das in Figur 3 gezeigte

Beispiel stellt den Rollstuhl auf einem horizontalen Boden stehend dar. In diesem Fall entspricht die Bezugsebene 300 dem Boden. Wenn der Rollstuhl einen Hang hinauf oder herab fährt, so weicht die Standfläche des Rollstuhles beziehungsweise der Boden von der horizontalen Bezugsebene ab. Bei einer Hangfahrt kann also ein Kippwinkel größer beziehungsweise kleiner Null resultieren, obwohl die Vorderräder des Rollstuhles den Kontakt zum Boden nicht verloren haben.

In Figur 4 ist der Rollstuhl 100 in gekippter Position dargestellt. Beim Kippen um die Achse 106 des Antriebsrades 101 verlieren die Vorderräder 103 den Bodenkontakt. Die gekippte Position des Rollstuhls 100 wird durch einen Kippwinkel Ψ(ί) repräsentiert. Der Kippwinkel Ψ(ί) liegt, wie in Figur 4 dargestellt, beispiels- wiese in der von der y-Achse und der z-Achse des Sensorsystems 110 aufgespannten Ebene zwischen der Bezugsebene 300 und der von der x-Achse und der y-Achse des Sensorsystems 110 aufgespannten Ebene 400 beziehungsweise der um die Achse 106 gekippten Bezugsebene 400.

In Figur 4 ist der gekippte Rollstuhl 100 am Balancierwinkel Ψο als Kippwinkel Ψ(ί) gezeigt. Der Balancierwinkel Ψο liegt vor, wenn der gemeinsame Schwer- punkt 350 des Rollstuhls 100 und des Rollstuhlfahrers 360 über der Achse 106 liegt.

Die abgebildete Lage des Rollstuhls 100 in Figur 4 am Balancierwinkel Ψο ist instabil. Leichte Änderungen des Kippwinkels Ψ(ί) resultieren aufgrund der Ge- wichtskraft am Schwerpunkt 350 in einem Kipp-Drehmoment um die Achse 106.

Um den Rollstuhl 100 am Balancierwinkel Ψο zu halten, müssen leichte Änderungen des Kippwinkels Ψ(ί) demnach vom Rollstuhlfahrer 360 durch einen manuelle Krafteingriff auf eine Kraftübertragungseinrichtung 102, wie z.B. auf die Greifringe, oder durch eine Gewichtsverlagerung des Rollstuhlfahrers 360 aus- geglichen werden.

In Figur 5 ist der Rollstuhl 100 an einem Kippwinkel Ψ(ί) größer dem Balancierwinkel Ψο dargestellt. Bei einem Kippwinkel Ψ(ί) größer dem Balancierwinkel Ψο kippt der Rollstuhl 100 ohne einen Krafteingriff um die Achse 106 nach hinten.

In Figur 6 ist ein Antriebsrad 101 des Rollstuhls 100 mit einem Greifring als Kraftübertragungseinrichtung 102 und dem Elektromotor 104 abgebildet. Das Antriebsrad 101 verfügt beispielsweise über einen mit Luft gefüllten und unter Druck stehenden Reifen 600. Die Achse 106 des Antriebsrades 101 ist dargestellt. 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 Drehmomente zum Antrieb überlagern sich also additiv. Der Rollstuhlfahrer 360 kann jederzeit mit einem aufgebrachten, manuellen Drehmoment den mindestens einen Elektromotor 104 überstimmen, das heißt das Antriebsrad 101 des Rollstuhles 100 entgegen eines durch den Elektromotor 104 aufgebrachten Drehmomentes M drehen.

In Figur 7 ist in einem Flussdiagramm die parallele Wirkung der manuellen Kraft des Rollstuhlfahrers 360 und der maschinellen Antriebskraft des Elektromotors 104 auf das Antriebsrad 101 dargestellt. Der Rollstuhlfahrer 360 prägt eine Kraft auf den Greifring 102 am Antriebsrad 101 auf und kann so den Rollstuhl 100 je nach Kraftrichtung nach vorne oder 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), d.h. auf der Stelle, möglich. Im erfindungsgemäßen Verfahren erfasst ein Sensor 110 mindestens eine Kippgröße als Maß der Drehung um eine parallele Achse zur Achse 106 des Antriebsrades 101, wobei die Achse auch parallel zur x-Achse, orthogonal zur Hochachse (z-Achse) und orthogonal zur y-Achse in Vorwärtsrichtung angeordnet ist. Der Sensor 110 gibt mindestens ein Sensorsignal aus, welches die Drehung um die Achse 106 repräsentiert. Das Steuergerät 105 erfasst das Sensorsignal und steuert in Abhängigkeit der mindestens einen Kippgröße den Elektromotor 104 an. Der Elektromotor 104 treibt durch die Ansteuerung vom

Steuergerät 105 das Antriebsrad 101 in Abhängigkeit der Drehrate Ψ (t) und/oder des Kippwinkels Ψ (t) an.

In Figur 8 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt 810 wird durch einen Sensor 110 am Rollstuhl 100 ein Maß für einen Kippwinkel Ψ(ί) erfasst. Der Kippwinkel Ψ(ί) repräsentiert das Kippen beziehungsweise eine Drehung des Rollstuhls 100 um die Achse 106. In einem zweiten Schritt 820 wird ein Kippwinkelbereich erkannt.

Ist der erfasste Kippwinkel Ψ(ί) kleiner als ein Minimalwinkel _mm oder größer als ein Maximalwinkel so erfolgt eine erste Ansteuerung 831 des Elektromotors 104. Der Elektromotor 104 erzeugt dadurch ein Drehmoment M auf das Antriebs- rad 101 des Rollstuhls 100. Das Drehmoment M erzeugt durch die erste Ansteuerung 831 eine Drehung um die Achse 106 des Antriebsrades 101 in Richtung der Balancierlage bzw. des Balancierwinkels Ψο.

Liegt der erfasste Kippwinkel Ψ(ί) dagegen zwischen dem Minimalwinkel Ψ,™ und dem Maximalwinkel so erfolgt eine zweite Ansteuerung 832 des Elektromotors 104. Die zweite Ansteuerung 832 erzeugt ein Drehmoment M, wodurch eine Drehrate Ψ (t) des Rollstuhls 100 um eine Achse 106 des Antriebsrades 101 betragsmäßig größer Null mit gleichbleibender Kipprichtung realisiert wird.

Die Verfahrensschritte wiederholen sich, so dass der Elektromotor 104 wiederholt in Abhängigkeit des Kippwinkels Ψ(ί) angesteuert wird.

Durch die erste Ansteuerung 831 des erfindungsgemäßen Verfahrens werden also beispielsweise die zwei Antriebsräder 101 in Figur 5 durch den Elektromotor 104 in Abhängigkeit des ermittelten Kippwinkels Ψ(ί) zur Rückwärtsfahrt des Rollstuhles 100 angetrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem optionalen Schritt 840 beendet werden. Die Beendigung des Verfahrens kann beispielsweise durch ein Kippen auf die Vorderräder 103 oder mittels einer manuell eingeleiteten Kraft des Rollstuhlfahrers 360 auf mindestens einen Greifring 102 oder durch das Erfassen einer manuellen Eingabe des Rollstuhlfahrers 360 erfolgen.

In einer erweiterten Ausführung des Verfahrens kann in einem optionalen Schritt das Steuergerät 105 den Balancierwinkel Ψο durch ein Balancierwinkelermittlungsverfahren ermitteln.

In einem weiteren, optionalen Schritt des Verfahrens kann die Drehrate Ψ (t), der Kippwinkel Ψ(ί), ein Abstand des Kippwinkels Ψ(ί) zu dem Balancierwinkel Ψο und/oder eine Gierrate dem Rollstuhlfahrer 360 angezeigt werden. Die Anzeige kann visuell an einem Anzeigegerät realisiert sein. Die Anzeige kann alternativ auch akustisch durch einen Signalton über den Lautsprecher oder alternativ auch haptisch durch mindestens einen Aktor an mindestens einem der Greifringe und/oder am Rollstuhlgestell erfolgen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird mindestens ein Antriebsrad 101 vom Elektromotor 104 in Abhängigkeit der Drehrate Ψ (t) mit einem durch das Steuergerät 105 ermittelten Drehmoment M gemäß einer linearen Funktion nach Gleichung (1) angetrieben, insbesondere bei der zweiten Ansteuerung 832 des Verfahrens. Als Dämpfungskonstante k wird dabei beispielsweise bezüglich des Drehmoments in Nm und bezüglich der Drehrate in rad/s ein Wert zwischen 10 und 100 gewählt. Besonders bevorzugt wird die Dämpfungskonstante k auf einen

Wert zwischen 30 bis 80 gesetzt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Elektromotor 104 nur in Abhängigkeit der Drehrate Ψ (t) angetrieben. Die zweite Ansteuerung 831 des Elektromotors 104 erfolgt für Kippwinkel Ψ(ί) zwischen dem Minimalwinkel Ψ,™ und dem Maximalwinkel zur Erzeugung eines Drehmo- ments M für den Antrieb des Rollstuhls 100 bevorzugt entsprechend Gleichung

(1).

M = -k - Ψ(ί) (1) In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Antriebsrad 101 durch den Elektromotor 104 in Abhängigkeit des Kippwinkels Ψ(ί) als Kippparameter angetrieben.

Erfindungsgemäß erfolgt die erste Ansteuerung 831 des Elektromotors 104 so, dass eine Drehung in Richtung des Balancierwinkels Ψο resultiert. Diese Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Elektromotor 104 das Antriebsrad 101 in Kipprichtung mit einem Drehmoment M gemäß einer Funktion umfassend Gleichung (2) antreibt. Diese Regelung kann auch als federnd beschrieben werden. Die Konstante c weist bezüglich eines Drehmo- mentes M in Nm und eines Kippwinkels Ψ(ί) in rad insbesondere Werte zwischen

50 bis 300 auf. Dies wird beispielsweise durch starke Vorwärts- und/oder Rückwärtsfahrt in Kipprichtung realisiert. Der Rollstuhl 100 lässt sich in dieser Ausgestaltung der Erfindung auch durch Gewichtsverlagerung des Rollstuhlfahrers 360 in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung antreiben. Μ = - - {ψ(ή - Ψ ₀ ) (2)

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der aktuelle Kippwinkel Ψ(ί) und die aktuelle Drehrate Ψ (t) erfasst. Außerdem erfolgt die erste Ansteuerung 831 oder die zweite Ansteuerung 832 des Elektromotors 104 in Abhängigkeit des er- fassten Kippwinkels Ψ(ί) und der erfassten Drehrate Ψ (t), wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Elektromotor 104 nur bei Kippwinkeln Ψ(ί) in einem definierten Wertebereich angesteuert wird, insbesondere bei Kippwinkeln Ψ(ί) zwischen 5° bis 25°. Damit würde also beispielsweise bei einem Kippwinkel Ψ(ί)= 3° kein Drehmoment des Elektromotors 104 realisiert. Dabei treibt der Elektromotor 104 das Antriebsrad 101 beispielsweise mit einem Drehmoment M gemäß einer Funktion nach Gleichung (3) an. Das Drehmoment M ist nach Gleichung (3) von der Dämpfungskonstante k, von der Drehrate Ψ (t) und von einer Funktion ί(Ψ(ί)) des Kippwinkels Ψ(ί) abhängig.

Die Funktion ί(Ψ(ΐ)) weist beispielsweise ein Maximum am Balancierwinkel Ψο auf, wobei die Bedingungen der zweiten Ansteuerung 832 im Bereich zwischen dem Minimalwinkel Ψ,™ und dem Maximalwinkel 4J _ma x gelten. Eine Ableitung der Funktion ί(Ψ(ΐ)) ist des Weiteren beispielsweise für Kippwinkel kleiner dem Balancierwinkel Ψο positiv und für Kippwinkel Ψ(ί) größer dem Balancierwinkel Ψο negativ. Beim Balancieren bei Kippwinkeln Ψ(ί) in der Nähe des Balancierwinkels Ψο wird also ein stärkeres Drehmoment M durch den Elektromotor 104 aufgebracht als bei einem Kippwinkel mit größerem Abstand zum Balancierwinkel Ψο.

In Figur 9a ist nach Gleichung (4) eine weiterführende Form der Funktion ί(Ψ(ΐ)) abgebildet. Demnach wird der Elektromotor 104 nur bei Kippwinkeln Ψ(ί) mit einem maximalen Winkelabstand ΔΨ vom Balancierwinkel Ψο angetrieben, wobei beispielsweise Ψο = 14° und ΔΨ = 6° sind. In dem in Figur 9a gezeigten Beispiel wird das Balancieren für Kippwinkel Ψ(ί) des Rollstuhls 100 also zwischen Ψ(ΐ)= 8° bis Ψ(ΐ)= 20° unterstützt. Der Elektromotor 104 treibt die Antriebsräder 101 dabei am Balancierwinkel Ψο = 14° mit einem maximalen Drehmoment an.

^■ (Ψ( - Ψ„)+ Ι wenn Ψ(ί) < Ψ ₀ und Ψ(ί) > Ψ ₀ - ΔΨ

ΔΨ

/(ψ( ) = ^■ (Ψ( - Ψ„) + 1 wenn Ψ(ί) > Ψ ₀ und Ψ(7) < Ψ ₀ + ΔΨ ( ⁴ )

ΔΨ

sonst

In Figur 9b ist nach Gleichung (4) eine Weiterbildung der weiterführenden Form der Funktion ί(Ψ(ΐ)) abgebildet. Demnach wird der Elektromotor 104, wie in Figur 9a, nur bei Kippwinkeln Ψ(ί) mit einem maximalen Winkelabstand ΔΨ vom Balancierwinkel Ψο angetrieben, wobei beispielsweise Ψο = 14° und ΔΨ = 6° sind. Am Balancierwinkel Ψο = 14° liegt in dieser Weiterführung zusätzlich ein relatives Minimum der Funktion ί(Ψ(ΐ)) vor. Die Unterstützung des Rollstuhlfahrers durch das Drehmoment M des Elektromotor zum Balancieren steigt damit ausgehend von Ψ(ΐ)= 0° zunächst an, so dass die Balancierlage leichter erreicht werden kann. Am Balancierwinkel Ψο = 14° nimmt die Unterstützung zumindest geringfügig ab, so dass um den Balancierwinkel Ψο = 14° zunehmend manuell balanciert wird. Dadurch erhält der Rollstuhlfahrer ein haptisches Feed-back durch ein zunehmendes Drehmoment des Elektromotors 104 bei steigender Abweichung vom Balancierwinkel Ψο ίη der Nähe des Balancierwinkels Ψο.

In einer Variante der möglichen, alternativen Ausgestaltung der Erfindung treibt der Elektromotor 104 das Antriebsrad 101 in Kipprichtung mit einem Drehmoment M gemäß einer Funktion der Gleichung (5) in quadratischer Abhängigkeit des Kippwinkels Ψ(ί) an, wobei eine Drehrate Ψ (t) um die Achse 106 entgegen der Kipprichtung resultiert.

M = -c (Ψ(ί) - Ψ ₀ ) - c ₂ · (Ψ(ί) - Ψ ₀ ) ² · _8§ η(Ψ( - Ψ ₀ ) (5)

In einer weiteren Variante der möglichen, alternativen Ausgestaltung der Erfindung treibt der Elektromotor 104 durch die Ansteuerung das Antriebsrad 101 in Kipprichtung mit einem Drehmoment M gemäß der Gleichung (6) in Abhängigkeit des Kippwinkels Ψ(ί) und einer nichtlinearen Funktion (Ψ(ί)) an. Ein möglicher Graph der Funktion (Ψ(ί)) ist in Figur 10 dargestellt.

M = -c ₃ - g( (t ) - ( (t) - ₀ ) (6)

Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in Figur 11 abgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel treibt der Elektromotor 104 das Antriebsrad 101 in Kipprichtung an, wobei für unterschiedliche Kippwinkelbereiche ein unterschiedliches Steuerverhalten resultiert. Wie in Figur 11 dargestellt, umfasst ein erster Bereich 1101 Kippwinkel Ψ(ί) kleiner einem Minimalwinkel Ψ,™. Im ersten Bereich 1101 wird durch die erste Ansteuerung 831 des Elektromotors 104 mittels des Drehmoments M des Elektromotors 104 eine Drehung um die Achse 106 des Antriebsrades 101 in Richtung der Balancierlage erzeugt. Dadurch erhöht sich der Kippwinkel Ψ(ί) bis als Kippwinkel Ψ(ί) der Minimalwinkel Ψ,™ erreicht ist. Ein zweiter Bereich 1102 umfasst, wie in Figur 11 dargestellt, Kippwinkel Ψ(ί) größer einem Maximalwinkel Im zweiten Bereich 1102 wird ebenfalls durch die erste Ansteuerung 831 des Elektromotors 104 mittels des Drehmoments M des Elektromotors 104 eine Drehung um die Achse 106 des Antriebsrades 101 in Richtung der Balancierlage erzeugt. Dadurch reduziert sich der Kippwinkel Ψ(ί) bis als Kippwinkel Ψ(ί) der Maximalwinkel erreicht ist. Für den Bereich 1101 und den Bereich 1102 erfolgt die erste Ansteuerung 831 des Elektromotors. Die erste Ansteuerung 831 weist im ersten Bereich 1101 und im zweiten Bereich

1102 allerdings ein unterschiedliches Vorzeichen auf. Ein dritter Bereich 1103 umfasst Kippwinkel Ψ(ί) größer oder gleich dem Minimalwinkel Ψ,™ oder kleiner oder gleich dem Maximalwinkel wie in Figur 11 visualisiert. Für den Bereich

1103 erfolgt die zweite Ansteuerung 832 des Elektromotors 104. Im dritten Bereich 1103 wird bevorzugt eine reduzierte Drehrate Ψ (t) in Kipprichtung um die Achse 106 realisiert, so dass im Bereich um den Balancierwinkel Ψο unterstützt balanciert wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung dieses alternativen Ausfüh- rungsbeispiels liegt der Balancierwinkel mittig im dritten Bereich 1103.

Diese Variante der Erfindung hat den Vorteil, dass ein ungewolltes Umkippen nach hinten oder auf die Vorderräder 103 vermieden wird, wobei am Balancierwinkel Ψο είηε manuelle und direkte Kontrolle des Rollstuhls 100 durch den Rollstuhlfahrer 360 vorliegt. In Figur 12 ist für die unterschiedlichen Kippwinkelbereiche ein möglicher Verlauf des Drehmoments M über den Kippwinkeln Ψ(ί) dargestellt, welcher durch die erste Ansteuerung 831 und durch zweite Ansteuerung 832 resultiert. Für Kippwinkel Ψ(ί) kleiner dem Minimalwinkel Ψ,™ oder größer dem Maximalwinkel d.h. in den Bereichen 1101 und 1102, wird durch die erste Ansteuerung 831 des Elektromotors 104 beispielsweise ein Drehmoment M nach Gleichung (2) erzeugt. Das Drehmoment M in Figur 12 ist für Kippwinkel Ψ(ί) kleiner dem Minimalwinkel Ψπιίη positiv, d.h. es wird ein Fahrt des Rollstuhls 100 in Vorwärtsrichtung realisiert, wodurch eine Drehung des Rollstuhls 100 um die Achse 106 des Antriebsrades 101 in Richtung der Balancierlage erfolgt. Das Drehmoment M in Figur 12 ist für Kippwinkel Ψ(ί) größer dem Minimalwinkel Ψ,™ negativ, d.h. es wird eine Fahrt des Rollstuhls 100 in Rückwärtsrichtung realisiert. Daraus resultiert eine Drehung des Rollstuhls 100 um die Achse 106 des Antriebsrades 101 in Richtung der Balancierlage. Für Kippwinkel Ψ(ί) zwischen dem Minimalwinkel Ψπιίη und dem Maximalwinkel d.h. im Bereich 1103, wird durch die zweite Ansteuerung 832 des Elektromotors 104 in diesem Beispiel kein Drehmoment M erzeugt.

Alternativ kann im Bereich 1103, wie in Figur 13 gezeigt, d.h. zwischen dem Minimalwinkel Ψπιίη und dem Maximalwinkel durch die zweite Ansteuerung 832 des Elektromotors 104 ein Drehmoment M nach Gleichung (1) in Abhängigkeit der Drehrate Ψ (t) und der einer Dämpfungskonstante k erfolgen. Dadurch wird eine Drehrate Ψ (t) des Rollstuhls 100 um eine Achse 106 des Antriebsrades 101 betragsmäßig größer Null mit gleichbleibender Kipprichtung in der Nähe des Balancierwinkels Ψο realisiert. Der Rollstuhlfahrer 360 balanciert in diesem Bereich durch manuellen Krafteinwirkung auf die Kraftübertragungsvorrichtung 102, wobei er durch die zweite Ansteuerung 832 des Elektromotors 104 unterstützt wird.

In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung wird ein Balancieren bei seitlichem Gefälle, z.B. schräg am Hang, unterstützt. Dafür weist ein Rollstuhl 100 zwei Antriebsräder 101 und pro Antriebsrad 101 jeweils einen separat ansteuerbaren Elektromotor 104 auf. Außerdem erfasst das Sensorsystem 110 auch ein Maß für eine Drehung um die Hochachse beziehungswiese um die z- Achse, d.h. die Gierrate des Rollstuhls 100. Die Ansteuerung der Elektromotoren 104 erfolgt zusätzlich in Abhängigkeit erfassten Gierrate. Dadurch werden ein linkes Antriebsrad 101 und ein rechtes Antriebsrad 101 unterschiedlich stark mit jeweils einem Elektromotor 104 in Kipprichtung angetrieben, so dass die Gierrate mindestens reduziert wird.

In Figur 14 ist ein erfindungsgemäßes Steuergerät 105 zur Ansteuerung eines Elektromotors 104 abgebildet. Das Steuergerät umfasst wenigstens eine Recheneinheit 1402. Die Recheneinheit erfasst ein Sensorsignal eines Sensors. Das Sensorsignal repräsentiert eine Drehrate um die Achse des Antriebsrades 101 des Rollstuhls 100. Außerdem gibt die Recheneinheit 1402 ein Ausgangssignal zur Ansteuerung eines Elektromotors 104 eines Rollstuhls 100 in Abhängigkeit der erfassten Kippgröße aus. Dadurch erzeugt der Elektromotor 104 durch die Ansteuerung ein Drehmoment entgegen des Kipp-Drehmomentes. Das Steuergerät kann zusätzlich eine Empfangseinheit 1401 und/oder eine Ausgabeeinheit 1403 aufweisen.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung wird zusätzlich oder als Ersatz für das Steuergerät 105 ein tragbarer Computer am Rollstuhl befestigt. Ein solcher tragbarer Computer kann beispielsweise ein Smartphone sein. Der Computer kann auch wenigstens einen Sensor 110 für das erfindungsgemäße Verfahren aufweisen.