Titel

Transportvorrichtunq, insbesondere Kinderwagen, mit einer elektrischen An- triebseinheit

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transportvorrichtung, insbesondere einen Kinderwagen, mit einem Fahrgestell und mit einem Handgriff für einen Benutzer, wobei an dem Fahrgestell mindestens ein mittels einer elektrischen Antriebsein- heit antreibbares Antriebsrad zur zumindest teilweisen Unterstützung eines ma- nuellen Schiebe- oder Ziehbetriebs der Transportvorrichtung durch den Benutzer angeordnet ist und die elektrische Antriebseinheit mittels einer der Transportvor- richtung zugeordneten Steuervorrichtung ansteuerbar ist. Ferner betrifft die Er- findung ein Verfahren zur Ermittlung einer jeweiligen Beschaffenheit eines Unter- grunds, auf dem eine Transportvorrichtung bewegt wird.

Aus dem Stand der Technik sind unter anderem als Kinderwagen ausgebildete Transportvorrichtungen bekannt, die elektrische Antriebe zur aktiven Schiebeun- terstützung eines Benutzers aufweisen. Zur Optimierung einer entsprechenden elektronischen Regelung des elektrischen Antriebs derartiger Kinderwagen ist es wünschenswert, eine Beschaffenheit eines Untergrunds, auf dem sich der Kin- derwagen jeweils bewegt, möglichst genau zu detektieren. Zu diesem Zweck kommen vielfach optische Kamerasysteme zum Einsatz, deren Bilder mit Hilfe von Bildauswertealgorithmen zur Erkennung verschiedener Untergründe bevor- zugt in Echtzeit ausgewertet werden.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine Transportvorrichtung, insbesondere einen Kinderwagen, mit einem Fahrgestell und mit einem Handgriff für einen Benutzer bereit, wobei an dem Fahrgestell mindestens ein mittels einer elektrischen An- triebseinheit antreibbares Antriebsrad zur zumindest teilweisen Unterstützung ei- nes manuellen Schiebe- oder Ziehbetriebs der Transportvorrichtung durch den Benutzer angeordnet ist und die elektrische Antriebseinheit mittels einer der Transportvorrichtung zugeordneten Steuervorrichtung ansteuerbar ist. Die Steu- ervorrichtung ist dazu ausgebildet, durch ein Auswerten von Sensorsignalen, die von mindestens einem der Transportvorrichtung zugeordneten Beschleunigungs- sensor erfasst werden, eine Erkennung einer Beschaffenheit eines jeweiligen Un- tergrunds, auf dem d die Transportvorrichtung bewegt wird, zur Verbesserung ei- ner entsprechenden elektronischen Regelung der elektrischen Antriebseinheit mittels der Steuervorrichtung zu ermöglichen.

Aufgrund der robusten Erfassung der Beschaffenheit des Untergrunds kann die Regelung der elektrischen Antriebseinheit verbessert bzw. optimiert werden, wo raus ein hoher Bedienungskomfort für den Benutzer resultiert.

Bevorzugt ist die elektrische Antriebseinheit in das mindestens eine antreibbare Antriebsrad integriert. Infolgedessen ist ein besonders kompakter Aufbau der An- triebseinheit bei einer gleichzeitigen Verringerung der erforderlichen mechani- schen Komponenten möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind mindestens zwei jeweils einer Vorderachse und/oder einer Hinterachse des Fahrgestells zugeordnete Antriebs- räder jeweils mittels einer zugeordneten elektrischen Antriebseinheit unabhängig voneinander antreibbar. Hierdurch wirkt der elektrische Antrieb symmetrisch bzw. beidseitig auf der Transportvorrichtung.

Bevorzugt sind durch eine numerische Auswertung der von dem mindestens ei- nen Beschleunigungssensor erfassten Sensorsignale mit Hilfe der Steuervorrich- tung zumindest Untergründe voneinander unterscheidbar, deren Beschaffenheit zumindest ähnlich zur Beschaffenheit von Asphalt, Schotter, Pflaster, Estrich, Grünfläche, Sand, Eis und/oder Schnee ist. Hierdurch ist die Transportvorrich- tung auf praktisch sämtlichen vorkommenden Untergründen ohne Komforteinbu- ßen einsetzbar. Bei einer weiteren Ausbildung ermöglichen die von dem mindestens einen Be- schleunigungssensor erfassten Sensorsignale zumindest im Wesentlichen eine Bestimmung von Beschleunigungswerten senkrecht zu dem Untergrund über die Zeit (t). Infolgedessen ist eine hinreichende Zuverlässigkeit der Ermittlung der Beschaffenheit des Untergrunds möglich.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der mindestens eine Beschleunigungs- sensor ein 3D-Beschleunigungssensor zur Erfassung von Beschleunigungswer- ten in drei Richtungen des Raumes. Hierdurch können mittels des mindestens einen Beschleunigungssensors neben den Linearbeschleunigungen des Kinder- wagens entlang der x-, y- und der z-Achse auch die Drehbeschleunigungen des Kinderwagens um die x-, y- und die z-Achse ermittelt werden.

Darüber hinaus hat die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer jeweiligen Beschaffenheit eines Untergrunds, auf dem eine Transportvorrichtung, insbeson- dere ein Kinderwagen, insbesondere eine wie oben beschriebene Transportvor- richtung, bewegt wird, zum Gegenstand. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die folgenden Schritte vorgesehen:

a) Erfassen von Beschleunigungswerten, zumindest im Wesentlichen senk- recht zum Untergrund, mittels mindestens eines der Transportvorrichtung zugeordneten Beschleunigungssensors,

b) Zerlegen der Beschleunigungswerte in diskrete Einzelfrequenzen, c) Berechnen einer Amplitudensumme aus mindestens n Einzelfrequenzen, und

d) Zuordnen der im Schritt c) berechneten Amplitudensumme zu einer wer- temäßig möglichst naheliegenden, vorab empirisch ermittelten Refe- renzamplitudensumme verschiedener Reibungskräfte von unterschiedli- chen Untergründen zur Ermittlung eines Untergrunds, auf dem der Kin- derwagen aktuell bewegt wird.

Infolgedessen ist eine einfache und schnelle Zuordnung der rechnerisch ermittel- ten Amplitudensummen zu den vorab durch praktische Versuchsreihen ermittel- ten Reibungskräften der Transportvorrichtung auf verschiedenen Untergründen mittels einer in der Steuervorrichtung hinterlegten und aus der Informationstech- nik bekannten, so genannten "Look-Up"-Tabelle möglich. Diese Tabelle enthält ferner eine in der Regel konstante Masse m der Transportvorrichtung ohne eines zu transportierenden Gegenstands, beispielsweise ohne Kind, gegebenenfalls in Abhängigkeit von einem Neigungswinkel a des Untergrunds in Bezug zur Waa- gerechten gemäß der Beziehung F _g =F _N =m ^* g für a = 0° oder F _N =m ^* g ^* cos (a) für 0° < a < 90°.

Gemäß einer technisch vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Zerlegen der Be- schleunigungswerte in diskrete Einzelfrequenzen durch eine Fouriertransformati- on. Hierdurch steht ein heutzutage vergleichsweise schnell numerisch auswert- bares Berechnungsmodell zur Verfügung.

Bei einer weiteren Ausgestaltung wird die eine Amplitudensumme der Beschleu- nigungswerte durch das Summieren von n Quadraten von n Einzelamplituden der Einzelfrequenzen und anschließendes Teilen durch die Anzahl n berechnet. Hierdurch ergibt sich für jeden Untergrund ein charakteristischer Wert einer Amplitudensumme.

Nach Maßgabe einer Weiterbildung des Verfahrens sind zumindest die empirisch ermittelten Referenzsummenamplituden verschiedener Reibungskräfte von un- terschiedlichen Untergründen in einer Look-Up-Tabelle hinterlegt. Hierdurch ist eine besonders schnelle und präzise Erfassung der Beschaffenheit eines Unter- grunds möglich. Bei der in der Steuervorrichtung hinterlegten Look-Up-Tabelle handelt es sich bevorzugt um eine aus der Informationstechnik hinlänglich be- kannte Wertetabelle.

Bei einer weiteren technisch vorteilhaften Ausgestaltung werden zumindest Be- schleunigungswerte in drei Raumrichtungen erfasst. Hierdurch ist eine praktisch vollständige Bewegungserfassung des Kinderwagens über die Zeit möglich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei- spielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer als Kinderwagen ausgebildeten Transportvor- richtung mit einer Erkennung der Beschaffenheit eines Untergrunds, auf dem die Transportvorrichtung bewegt wird, und Fig. 2 ein stark vereinfachtes Blockdiagramm des Ablaufs des erfindungsge- mäßen Verfahrens zur Ermittlung der Beschaffenheit eines Untergrunds, auf dem eine Transportvorrichtung bewegt wird.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Transportvorrichtung 100, die illustrativ und beispielhaft als Kin- derwagen 100 ausgebildet ist und nachfolgend als„Kinderwagen 100“ bezeich- net wird. Der Kinderwagen 100 weist bevorzugt ein z.B. scherenartig zusammen- klappbares Fahrgestell 102 auf, auf dem illustrativ eine Liege- oder Sitzwanne 104 angeordnet ist. An dem Fahrgestell 102 ist im Allgemeinen ein Handgriff 110 angeordnet, der vorzugsweise als ein höhenverstellbarer, U-förmiger Bügel bzw. als eine Griffstange für einen Schiebe- oder Ziehbetrieb des Kinderwagens 100 in Richtung eines Doppelpfeils 112 auf einem Untergrund 1 14 durch einen in den Zeichnungen nicht dargestellten Benutzer ausgebildet ist. Ein Ziehbetrieb des Kinderwagens 100 ist beispielhaft durch einen gestrichelten Abschnitt des Dop- pelpfeils 112 gekennzeichnet, während ein entsprechender Schiebebetrieb des Kinderwagens 100 mit einem mit einer durchgezogenen Linie dargestellten Ab- schnitt des Doppelpfeils 1 12 gekennzeichnet ist.

Bevorzugt weist der Kinderwagen 100 mindestens drei Räder 120, 122, 124, 126 auf. Vorzugsweise sind dabei zwei Räder an einer Hinterachse 130 und ein Rad an einer Vorderachse 128 angeordnet, jedoch können auch zwei Räder an der Vorderachse 128 und ein Rad an der Hinterachse 130 angeordnet sein. An dem Fahrgestell 102 sind hier lediglich exemplarisch vier Räder 120, 122, 124, 126 vorgesehen, wobei die hier lediglich sichtbaren und in Bezug zur Zeichenebene weiter vorne liegenden Räder 120, 124 die beiden in Relation zur Zeichenebene weiter hinten liegenden Räder 122, 126 jeweils verdecken. Die Räder 120, 122 sind vorzugsweise beidseits an der Vorderachse 128 und die Räder 124, 126 sind an der Hinterachse 130 des Fahrgestells 102 des Kinderwagens 100 befes- tigt. Von den mindestens drei Rädern 120, 122, 124, 126 ist bevorzugt mindes- tens ein Rad als Antriebsrad 132, 134 ausgebildet. Das zumindest eine Antriebs- rad 132,134 ist vorzugsweise mittels mindestens einer elektrischen Antriebsein- heit 140, 142 elektromotorisch antreibbar. Dabei kann das zumindest eine An- triebsrad 132,134 an der Vorderachse 128 und/oder der Hinterachse 130 ange- ordnet sein. Bevorzugt sind mindestens zwei Räder als Antriebsräder 132, 134 ausgebildet. Die beiden der Hinterachse 130 zugeordneten Räder 124, 126 sind bevorzugt jeweils als Antriebsräder 132, 134 ausgeführt, die bevorzugt zur zu- mindest teilweisen Unterstützung des manuellen Schiebe- oder Ziehbetriebs des Kinderwagens 100 durch den Benutzer dienen. Die Antriebräder 132, 134 sind jeweils bevorzugt unabhängig voneinander mittels einer elektrischen Antriebs- einheit 140, 142 direkt oder mittelbar über ein nicht dargestelltes Getriebe an- treibbar und mittels einer beispielhaft im Bereich der Hinterachse 130 angeordne- ten Steuervorrichtung 200 bzw. Regelvorrichtung präzise regelbar.

Abweichend von der hier lediglich exemplarisch gezeigten Ausführungsform ei- nes klassischen Kinderwagens 100 kann dieser auch als Sportkarre bzw. Buggy oder als Twin- bzw. Tandem-Kinderwagen oder als zweisitziger Buggy ausge- führt sein. Ein rechtwinkliges Koordinatensystem 199 mit einer x-Achse, y-Achse und einer z-Achse mit jeweils einer zugeordneten Beschleunigung a _x , a _y , a _z ver- anschaulicht die Lage aller Komponenten im Raum. Der leere, unbesetzte Kin- derwagen verfügt über eine konstante Masse m, woraus im Fall des horizontalen Untergrunds 114, wobei ein Neigungswinkel a des Untergrunds 1 14 im Wesentli- chen gleich 0° ist, eine maximal wirksame Gewichtskraft von F _g = m ^* g resultiert.

Die der beim Einwirken einer Benutzerkraft Fu auf den Bügel 1 10 sich einstellen- den Bewegungsrichtung des Kinderwagens 100 entgegenwirkende Reibungs- kraft FR ist - wie mit dem durchgezogenen Doppelpfeil 1 12 angedeutet - im Fall des horizontal verlaufenden Untergrunds 1 14 gleich dem Produkt aus der Ge- wichtskraft F _g bzw. der in dieser Konstellation gleich großen Normalkraft F _N und dem Reibungskoeffizienten m des Untergrunds 114. Im Ergebnis ist die Rei- bungskraft zu einem erheblichen Teil von der mittels der Steuervorrichtung 200 und dem mindestens einen Beschleunigungssensor 150 zu ermittelnden Be- schaffenheit des Untergrunds 1 14 abhängig.

Ein Neigungswinkel a eines hier lediglich punktiert angedeuteten, geringfügig ge- neigten Untergrunds 114 beträgt hier etwa 7°. Die wirksame, in dieser Konstella- tion jedoch reduzierte Reibungskraft FR ist wiederum gleich dem Produkt aus dem Reibungskoeffizienten m des Untergrunds 114 und der Normalkraft FN, die aus der Gleichung FN = m ^* g ^* cos (a) folgt. Zur Ermittlung des Neigungswinkels a kann beispielsweise ein nicht dargestellter elektronischer Neigungssensor zum Einsatz kommen, dessen Messsignale gleichfalls an die Steuervorrichtung 200 ggfls. zur weiteren Auswertung sowie zur Berücksichtigung bei der Detektion der Beschaffenheit des Untergrunds 1 14 übermittelt werden können.

Der Kinderwagen 100 weist zur Detektion der Beschaffenheit des Untergrunds 1 14 bevorzugt mindestens einen Beschleunigungssensor 150 auf, der zumindest zur Erfassung von Beschleunigungswerten a _z entlang der z-Achse des Koordina- tensystems 199 ausgebildet ist. Darüber hinaus kann der Beschleunigungs- sensor 150 mit einem 3D-Beschleunigungssenor realisiert sein, der eine Erfas- sung von Beschleunigungswerten a _x , a _y , a _z jeweils entlang der x-Achse, der y- Achse sowie der z-Achse des Koordinatensystems 199 und gegebenenfalls zu- sätzlich auch die Messung von Drehbeschleunigungen um die x-Achse, y-Achse, z-Achse des Koordinatensystems 199 erlaubt, so dass eine vollständige Erfas- sung der Bewegung des Kinderwagens 100 im Raum während des elektromoto- risch unterstützten Schiebe- und Ziehbetriebs möglich wird.

Elektrische Messsignale 152 des mindestens einen Beschleunigungssensors 150 werden der Steuervorrichtung 200 zur weiteren Auswertung im Rahmen der Be- stimmung der Beschaffenheit des Untergrunds 1 14 zugeführt. Abweichend von der hier lediglich beispielhaft gezeigten Positionierung des Beschleunigungs- sensors 150 im Bereich des einen Antriebsrads 132 der Hinterachse 130 kann dieser auch an dem Fahrgestell 102, der Liege- oder Sitzwanne 104 oder an ei- ner anderen beliebigen Stelle des Kinderwagens 100 angeordnet sein.

Bei dem Untergrund 1 14 auf dem sich der Kinderwagen 100 bewegt, kann es sich beispielsweise um Asphalt, Schotter, Pflaster beliebiger Ausführung, Estrich, eine Grünfläche, eine Ackerfläche, Sand, Watt, Eis und/oder Schnee handeln.

Der Untergrund 114 kann zudem eine beliebige Oberflächentopographie aufwei- sen, das heißt z.B. plan, wellig, abschnittsweise geneigt, buckelig oder geriffelt sein.

All diese unterschiedlichen Beschaffenheiten des Untergrunds 114 lassen sich zuverlässig und unabhängig von äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel der Witte- rung und dem Benutzer, allein durch die verfahrensgemäße Auswertung der von dem mindestens einen Beschleunigungssensor 150 gelieferten Messsignale in Form der zumindest ermittelten Beschleunigungswerte az entlang der z-Achse des Koordinatensystems 199 durch die Steuervorrichtung 200 bestimmen. Hier- durch können die elektrischen Antriebseinheiten 140, 142 im elektrisch unter- stützten Schiebe- und Ziehbetrieb des Kinderwagens 100 in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Beschaffenheit des Untergrunds 114 so angesteuert bzw. geregelt werden, dass sich ein bestmögliches Fahrerlebnis bzw. ein höchstmög- licher Bedienungskomfort für ein im Kinderwagen 100 aufgenommenes Kind und den Benutzer einstellt.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausgestaltung der Transportvorrichtung 100 als Kinderwagen, lediglich beispielhaften Charakter hat und nicht als Ein- schränkung der Erfindung zu verstehen ist. So kann die Transportvorrichtung 100 auch nach Art einer beliebig anderen Transportvorrichtung ausgebildet sein, die eine erfindungsgemäße Untergrundermittlung aufweist, z.B. nach Art einer Schubkarre, einer Sackkarre, einer Mülltonne.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm des Ablaufs des erfindungsgemä- ßen Verfahrens zur Ermittlung der Beschaffenheit eines Untergrunds, auf dem eine Transportvorrichtung, insbesondere ein Kinderwagen, bewegt wird. Eine Messkurve 170 zeigt den nach Maßgabe eines ersten Verfahrensschritts a) be- vorzugt mittels des Beschleunigungssensors (vgl. Fig. 1 , Bezugsziffer 150) ermit- telten Verlauf der vertikalen Beschleunigung a _z des Kinderwagens entlang der z- Achse des Koordinatensystems (vgl. Fig. 1 ; Bezugsziffern 100, 199) über die Zeit t. In einem zweiten Verfahrensschritt b) wird der zeitliche Verlauf des Beschleu- nigungswertes a _z in Form der Messkurve 170 bevorzugt mittels einer schnellen Fouriertransformation 172 (s.g. "Fast Fourier Transformation" = "FFT") in eine Anzahl von n diskreten harmonischen Einzelfrequenzen aki ,..., _n über die Zeit t zer- legt, wobei hier lediglich beispielhaft n=5 gewählt ist. Die additive Überlagerung der Einzelfrequenzen AKI,...,5 ergibt wiederum die Messkurve A _z .

Bevorzugt ist n > 2 und ein maximaler Wert von n ist lediglich durch die innerhalb der Steuervorrichtung des Kinderwagens zur Verfügung stehende Rechenleis- tung limitiert. Im Allgemeinen erhält man für Werte von n zwischen 5 und 100 be- reits hinreichend genaue Ergebnisse hinsichtlich der Beschaffenheit des Unter- grunds, auf dem der Kinderwagen bewegt wird. In einem dritten Verfahrensschritt c) erfolgt das Berechnen einer Amplituden- summe As aus den hier lediglich beispielhaft fünf im Wege der schnellen Fourier- transformation 172 aus den Beschleunigungswerten a _z der Messkurve 170 ermit- telten Einzelfrequenzen aki,...,5 gemäß der Summenformel Ä _S ^ = ßj; mit der

Bezugsziffer 174. In einem letzten Verfahrensschritt d) wird der numerisch be- rechneten Amplitudensumme As eine nächstliegende Referenzamplitude ARI _,...,4 zugeordnet. Die Referenzamplituden ARI _,...,4 der Untergründe werden auf geeig- nete Art und Weise durch umfangreiche Versuche empirisch ermittelt und sind bevorzugt in einer Wertetabelle 180 bzw. einer "Look-Up-Tabelle" innerhalb der Steuervorrichtung 200 zusammen mit ebenfalls messtechnisch ermittelten und den Referenzamplituden ARI _,...,4 zeilenweise zugeordneten Reibungskräften

FRI _,...,4 hinterlegt. Ferner enthält die Wertetabelle 180 die Masse mw des Kinder- wagens, die im Allgemeinen konstant ist und sich auf den leeren Kinderwagen bezieht.

Die hier lediglich exemplarisch vier AR mit jeweils zugeordneten ermittelten Rei- bungskräften FRI _,...,4 können z.B. durch umfangreiche Fahrversuche mit dem Kin- derwagen auf Untergründen mit unterschiedlichen Beschaffenheiten empirisch ermittelt werden. Der Wert FRI steht zum Beispiel für Schotter, während FR ₂ zum Beispiel für Asphalt bzw. Teer steht, der Wert F _R3 gilt beispielsweise für einen gepflasterten Untergrund, während der Wert FR ₄ exemplarisch für einen im We- sentlichen glatten, insbesondere estrichartigen Untergrund steht. Entsprechend wird für alle weiteren in der Praxis auftretenden Beschaffenheiten von unter- schiedlichsten Untergründen verfahren.

In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich lediglich beispielhaft eine eindeutige maximale Übereinstimmung zwischen der numerisch mittels der ma- thematischen Beziehung 174 berechneten Amplitudensumme As und der empi- risch bestimmten Referenzamplitude AR ₂ aus der Tabelle 180, woraus mittels ei- nes geeigneten Programmalgorithmus innerhalb der Steuervorrichtung ableitbar ist, dass der Kinderwagen in diesem Fall auf einem Untergrund mit der Beschaf- fenheit von Asphalt bzw. Teer bewegt wird. Ist die Beschaffenheit des Unter- grunds auf dem der Kinderwagen im höchstens elektrisch unterstützten Schiebe- oder Ziehbetrieb bewegt wird eindeutig bestimmt, kann eine diesen Gegebenhei- ten angepasste, verbesserte und vorzugsweise optimale Ansteuerung bzw. Re- gelung der elektrischen Antriebseinheiten der Antriebsräder des Kinderwagens mittels der Steuervorrichtung erfolgen (vgl. Fig. 1 ; Bezugsziffern 100, 132, 134, 140, 142, 200), woraus ein optimaler Bedienungskomfort für ein im Kinderwagen befindliches Kind und den Benutzer resultiert. Die Berechnung der Amplitudensumme As und die Ermittlung des jeweils aktuel- len Untergrunds auf dem der Kinderwagen bewegt wird, erfolgt vorzugsweise in Echtzeit, sodass die Regelung der elektrischen Antriebseinheiten 140,142 mittels der Steuervorrichtung 200 auch auf sich zeitlich schnell ändernde Beschaffenhei- ten von Untergründen mit einer adäquaten Anpassung des durch die elektrischen Antriebseinheiten 140,142 vermittelten Fahrverhaltens des Kinderwagens reagie- ren kann.