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Patente

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VeröffentlichungsnummerDE19820059 A1
PublikationstypAnmeldung
AnmeldenummerDE1998120059
Veröffentlichungsdatum18. Nov. 1999
Eingetragen6. Mai 1998
Prioritätsdatum6. Mai 1998
Veröffentlichungsnummer1998120059, 98120059, DE 19820059 A1, DE 19820059A1, DE-A1-19820059, DE19820059 A1, DE19820059A1, DE1998120059, DE98120059
ErfinderWerner Bernhard, Dirk Brunner
AntragstellerWerner Bernhard, Dirk Brunner
Zitat exportierenBiBTeX, EndNote, RefMan
Externe Links: DPMA, Espacenet
Einrad zur Beförderung einer Last und Verfahren zu dessen Lage-Regelung
DE 19820059 A1
Zusammenfassung
Ein Einrad zur Beförderung einer Last (22) weist ein mit einem Stützmedium (28) zusammenarbeitendes Rad (10), einen Radträger (12) an welchem das Rad (10) gelagert ist und einen Rahmen (18), an dem der Radträger (12) angebracht ist, auf. Der Radträger (12) ist über eine Führungseinrichtung (14) beweglich mit dem Rahmen (18) verbunden. Eine Sensoreinrichtung, welche die Abweichung der Einrad-Hochachse von einer Soll-Lage mißt und eine Regeleinrichtung sind vorgesehen. Die Regeleinrichtung steuert mindestens einen Stellmotor, der gegeneinander bewegbare Teile aufweist, die mit dem Rahmen (18) bzw. dem beweglich gelagerten Radträger (12) verbunden sind.
Ansprüche(31)
1. Einrad zur Beförderung einer Last (22) mit einem mit einem Stützmedium (28; 104; 116) zusammenarbeitenden Rad (10; 32; 80; 100; 110), mit einem Radträger (12; 56; 78; 98; 112) an welchem das Rad (10; 32; 80; 100; 110) gelagert ist und mit einem Rahmen (18; 40; 86; 94; 108), an dem der Radträger (12; 56; 78; 98; 112) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Radträger (12; 56; 78; 98; 112) über eine Führungseinrichtung (14; 38; 174) beweglich mit dem Rahmen (18; 40; 86; 94; 108) verbunden ist, daß mindestens eine Sensoreinrichtung (144) vorgesehen ist, die die Ist-Lage der Einrad-Hochachse erfaßt, und einen Soll-Lagegeber aufweist, und daß eine in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen von Sensor und Soll-Lagegeber arbeitende Regeleinrichtung (160) vorgesehen ist, die mindestens einen Stellmotor (48, 52; 62, 84; 142; 166, 168, 170, 172) steuert, der gegeneinander bewegbare Teile aufweist, die mit dem Rahmen (18; 40; 86; 94; 108) bzw. dem beweglich gelagerten Radträger (12; 56; 78; 98; 112) verbunden sind.
2. Einrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung (14; 38; 174) eine Bewegung des Radträgers (12; 56; 78; 98; 112) um zwei im wesentlichen zueinander senkrechte Achsen gestattet.
3. Einrad nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung (14; 38; 174) mindestens eine Geradführung (176) aufweist.
4. Einrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung (14; 38; 174) mindestens eine Schwenkführung (16; 34, 36) aufweist.
5. Einrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung (14; 38; 174) mindestens eine Schwenkführung (16; 34, 36) mit einer horizontalen Achse aufweist.
6. Einrad nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung (38) zwei Schwenkführungen (34, 36) mit zwei horizontalen Achsen aufweist.
7. Einrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung mindestens eine Schwenkführung (88, 90) mit einer vertikalen Achse aufweist.
8. Einrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung mindestens einen Neigungsmesser (120; 144, 146) aufweist.
9. Einrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung mindestens einen Beschleunigungsaufnehmer aufweist.
10. Einrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Neigungsmesser und/oder zwei Beschleunigungsaufnehmer oder einen Neigungs­ messer und einen Beschleunigungsaufnehmer zum Messen der Abweichung der Einrad-Hochachse von der Soll-Lage bezüglich zweier im wesentlichen zueinander senkrechten Ebenen aufweist.
11. Einrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen Antriebs­ motor (62; 142; 172) aufweist, der auf das Rad (10; 32; 80; 100; 110) arbeitet.
12. Einrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Antriebsmotor (62; 142; 172) ein Elektromotor ist.
13. Einrad nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Antriebsmotor (62) ein Verbrennungsmotor ist.
14. Einrad nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Einrichtung zur manuellen Geschwindigkeitswahl (138; 156) aufweist.
15. Einrad nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Einrichtung zur manuellen Richtungswahl (138; 154) aufweist.
16. Einrad nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es eine fernbedienbare Einrich­ tung zur Geschwindigkeitswahl aufweist.
17. Einrad nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es fernbedienbare Einrichtung zur Richtungswahl aufweist.
18. Einrad nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zur Messung seiner Geschwindigkeit (140; 150) aufweist.
19. Einrad nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens ein in Eingriff mit dem Stützmedium (28; 104; 116) bringbares Stützmittel (26; 114) aufweist.
20. Einrad nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützmittel (26; 114) in der Länge verstellbar sind.
21. Einrad nach einem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche mindestens eines Stützmittels (26) in der Fahrspur des Rades (10) liegt.
22. Einrad nach einem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche mindestens eines Stützmittels (102; 114) seitlich der Fahrspur des Rades (100; 110) liegt.
23. Einrad nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens zwei Stützmittel (26; 102; 114) aufweist und die Auflageflächen der Stütz­ mittel (26; 102; 114) mit der Auflagefläche (24; 106) des Rades (10; 100; 110) auf dem Stützmedium (28; 104; 116) eine Ebene definieren.
24. Einrad nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Auflageflächen der Stützmittel (102; 114) und die Auflagefläche (106) des Rades (100; 110) auf dem Stützmedium (104; 116) definierte Ebene zur Oberfläche des Stützmediums (104; 116) geneigt ist, wenn der Gesamtschwerpunkt von Einrad und Last im wesentlichen über der Auflagefläche (106) des Rades (100; 110) auf einem Stützmedium (104; 116) liegt.
25. Einrad nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Stützmittel ein Stützrad (114) ist.
26. Einrad nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen an der Sensoreinrichtung angeschlossenen Sensor (136) zur Erken­ nung von Hindernissen aufweist.
27. Verfahren zur Regelung der Stabilität eines Einrads nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch folgende, im Anschluß an einen ersten Initialisie­ rungsschritt der Regeleinheit (124) ablaufende Verfahrens­ schritte:
  • a) Erzeugen eines Ist-Lagesignals;
  • b) Erzeugen eines Fehlersignals, welches der Abweichung des Ist-Lagesignals von einem Soll-Lagesignal ent­ spricht;
  • c) Berechnen der zum Erreichen der Soll-Lage notwendigen Steuersignale ausgehend vom Fehlersignal und Ansteuern des Stellmotors oder der Stellmotoren (48, 52; 62, 84; 142; 166, 168, 170, 172) gemäß diesen;
  • d) Wiederholen von Verfahrensschritt a) - c).
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Lagesignal unter Berücksichtigung der Signale des Sensors zum Erkennen von Hindernissen (136; 152) berechnet wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 und 28, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verfahrensschritt a) folgende Verfahrensschritte vorausgehen:
  • - Erzeugen eines die Geschwindigkeit des anfahrenden Einrades darstellenden Geschwindigkeitssignals;
  • - Vergleichen des Geschwindigkeitssignals mit einem Referenzwert;
  • - Aktivieren der Regeleinheit (124), wenn das Geschwin­ digkeitssignal eine Geschwindigkeit darstellt, die größer als eine vorher festgelegte Referenzgeschwin­ digkeit ist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, gekenn­ zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Erzeugen eines Fahrtrichtungs-Sollwertsignals durch den Aufnehmer der Richtungswahleinrichtung (138; 154) des Einrades;
  • - Messen eines Fahrtrichtungs-Istwertsignals;
  • - Erzeugen eines Fehlersignals, welches der Abweichung des Fahrtrichtungs-Sollwertsignals vom Fahrtrichtungs- Istwertsignal entspricht;
  • - Berechnen der zum Erreichen der gewünschten Fahrt­ richtung notwendigen Steuersignale ausgehend vom Fehlersignal und Ansteuern des Stellmotors (84) gemäß diesen.
31. Verfahren zur Einregelung der Lage der Hochachse eines Einrads auf die Vertikale nach einem der Ansprüche 1 bis 30, gekennzeichnet durch folgende, im Anschluß an einen ersten Initialisierungsschritt der Regeleinheit (124) ablaufende Verfahrensschritte:
  • - laufendes Messen eines Ist-Lagesignals;
  • - laufendes Erzeugen eines Fehlersignals, welches der Abweichung der Ist-Lage des Einrads von einer Soll-Lage mit vertikaler Hochachse proportional ist;
  • - laufendes Minimieren des Fehlersignals mittels An­ steuern der Stellmotoren (48, 52; 62, 84; 166, 168, 142; 172, 170).
Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Einrad zur Beförderung einer Last gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Einräder sind seit langem als Gebrauchsartikel für Berufs- und Hobbyartisten, sowie als Werkzeuge zum Trainieren des Gleichgewichtssinns und der Motorik des Bewegungsapparates bekannt. Derartige Einräder bedürfen einer besonderen Ge­ schicklichkeit, um sich mit ihnen fortzubewegen. Der Fahrer eines solchen Einrads muß mit Hilfe seines Gleich­ gewichtssinns nicht nur, wie beim Fahrrad, das seitliche Verkippen der Hochachse des aus Fahrer und Fortbewegungs­ mittel bestehenden Systems bezogen auf die Fahrspur durch geeignete Lenkmanöver vermeiden, er muß, um in der Balance zu bleiben, darüber hinaus auch Kippbewegungen um eine zweite, zur Fahrspur transversale, horizontale Achse durch geeignete Ausgleichsbewegungen eindämmen und zurück­ stellen. Die damit verbundenen Anforderungen an die das Einrad benutzende Person sind als Hauptursache dafür anzusehen, warum sich derartige Einräder als Fortbewegungs­ mittel für eine breitere Bevölkerungsschicht nicht durch­ gesetzt haben.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Einrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weitergebildet werden, daß die Beförderung der Last bei geringerer Mitwirkung eines Bedieners erfolgen kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Einrad mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Durch die bewegliche Verbindung des das Rad lagernden Radträgers mit dem Rahmen des Einrads über eine Führungs­ einrichtung ist die Möglichkeit geschaffen, daß durch eine laufende Bewegung des Radträgers relativ zum Rahmen und die dadurch erfolgende Verlagerung des Aufstandspunkts bzw. der Auflagefläche des Systems aus Einrad und beför­ derter Last eine resultierende Bewegung der Einrad-Hoch­ achse erfolgt und dadurch für die Lage des Systems quasi­ stabile Verhältnisse geschaffen werden.

Die Einrad-Hochachse wird hier definiert als die Achse, die durch das Zentrum der Auflagefläche des Einrads auf einem Stützmedium und seinen Schwerpunkt definiert ist. Mindestens eine Sensoreinrichtung ist zur Messung der Abweichung der Einrad-Hochachse von einer ggf. von den Fahrtbedingun­ gen abhängig vorgegebenen Soll-Lage vorgesehen. Diese Abwei­ chungsdaten/Fehlersignale können dann an eine Steuereinrich­ tung übermittelt werden, die ihrerseits mindestens einen Stellmotor so steuert, daß er über gegeneinander bewegbare Teile den Radträger relativ zum Rahmen bewegt und damit die Einrad-Hochachse wieder im wesentlichen in die Soll-Lage zurückbringt. Die beförderte Last, welche z. B. ein beweg­ liches Gut, ein Gepäckteil oder eine Person sein kann bleibt mitsamt dem Einrad auf diese Weise immer im Gleich­ gewicht.

Auf diese Weise können beispielsweise Flüssigkeiten in offenen Behältern transportiert werden, ohne daß die Gefahr des Überschwappens der Flüssigkeit über den Behäl­ terrand besteht.

Lasten mit einem hohen Schwerpunkt lassen sich besonders vorteilhaft transportieren, da an die Stabilitätsregelung eines instabilen Systems mit hohem Schwerpunkt über dem Stützmedium naturgemäß geringere Anforderungen gestellt werden.

Wird das erfindungsgemäße Einrad zur Personenbeförderung verwendet, so werden an die motorische Geschicklichkeit der Person nur ähnliche Anforderungen wie an einen Fahr­ radfahrer gestellt, da die Person höchstens noch die Stabilität bezüglich einer Kipprichtung (insbesondere der seitlichen) der Hochachse des Systems aus Person und Einrad aktiv selber regeln muß.

Durch die Erfindung können weiterhin die inhärenten Vorteile des Einrads genutzt werden. Diese sind unter anderem die Wendigkeit des Einrads mit geringem notwendigem Manövrierspielraum. Weiterhin ist ein solches Beför­ derungseinrad relativ kompakt ausführbar und benötigt eine geringe Grundfläche. Die beim Transport verwendete Spur ist schmal, was an die Qualität des Weges, der bei der Beförderung benutzt wird, entsprechend niedrige Anforderungen stellt. Hier sind daher erhebliche Kosten­ einsparungen möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben. Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 führt dazu, daß die oben beschriebene Stabilisierung der Soll-Lage des Einrads an Flexibilität gewinnt. Bei einer Personenbeförderung kann nun auch die Anforderung an den Benutzer, im wesentlichen das Fahrrad­ fahren zu beherrschen, wegfallen. Die Möglichkeiten der Bewegung des Radträgers gegenüber dem Rahmen sind nun um eine Achse erweitert, was eine direktere und schnellere Reaktion des Einrads auf Abweichungen von der Soll-Lage ermöglicht.

Bei der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist die Führungseinrichtung so ausgeführt, daß zur Stabili­ sierung der Soll-Lage des Einrads notwendige Bewegungen der Führungseinrichtung nicht zu einer Änderung der Höhe des Systems aus Einrad und beförderter Last führen. Darüber hinaus können mit dieser Weiterbildung auch große Ablagen korrigiert werden, da die Bewegungsamplitude bei der Geradführung einen linearen Einfluß auf die Verlagerung des Aufstandspunktes des Einrads (d. h. des Zentrums der Auflagefläche auf dem Stützmedium) relativ zum Schwerpunkt des Systems hat.

Die Weiterbildung des Anspruchs 4 zeichnet sich durch die einfache und kostengünstige Realisierung einer erfindungs­ gemäßen Schwenkführung aus. Zusätzlich hat sie einen vergleichsweise geringen Platzbedarf bei der Bewegung des Radträgers über die Führungseinrichtung relativ zum Rahmen während des Lage-Regelvorgangs. Damit kann auf eine entsprechend aufwendige Ausführung der Rahmenbestandteile verzichtet werden.

Dabei gewährleistet die Weiterbildung gemäß Anspruch 5, daß die Bewegung des Radträgers relativ zum Rahmen mit größtmöglicher Komponente für die Schwerpunkts-Stabi­ lisierung genutzt wird.

Diese Funktionalität wird durch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 weiter verbessert.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 führt zu einer einfachen Lenkbarkeit des Einrads, in dem der Rahmen relativ zum Radträger über die Führungseinrich­ tung mit der vertikalen Schwenkführung verdreht wird und sich in der Folge der Radträger mit samt dem Rad aufgrund der Drehimpulserhaltung gegensinnig verdreht, und die Fahrspur des Einrads danach in eine andere Richtung als vor der Verdrehung weist.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 8 ist eine Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, in der das Messen der Neigung des Einrads und damit der Abweichung der Einrad-Hochachse von einer Soll-Lage als momentane Absolutmessung durchgeführt wird, so daß man keine sich fortschreibenden Integrationsfehler hat, wie sie sich bei Verwendung von Beschleunigungsfühlern ergeben können.

Eine Realisierungsvariante der Sensoreinrichtung wird in der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 angegeben. Durch die Verwendung mindestens eines Be­ schleunigungsaufnehmers läßt sich erreichen, daß das Einrad auch bei Kurvenfahrten, in denen die stabile Lage des Einrads nicht mit einer vertikalen Einrad-Hoch­ achse einhergeht, stabile Verhältnisse einregelt.

Bei der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 ist eine besonders effiziente Realisierung einer Sensor­ einrichtung zum Messen der Abweichung der Einrad-Hochachse von der Soll-Lage gegeben. Durch das Messen dieser Ab­ weichung durch zwei Sensoren bezüglich zweier im we­ sentlichen zueinander senkrechten Ebenen ist die Lage der Einrad-Hochachse auf einfache Weise eindeutig bestimmt.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 gewähr­ leistet neben der Stabilisierung des Einrads auch die motorisierte Beförderung von Lasten.

Die Verwendung eines Elektromotors gemäß der Weiterbil­ dung der Erfindung nach Anspruch 12 kann gerade bei häufiger Kurzzeitnutzung eines Einrads zur Beförderung einer Last von wirtschaftlichem Vorteil sein.

Andererseits bringt eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 13 den Vorteil eines großen Aktionsradius eines derartigen Einrads mit sich.

Durch die Weiterbildung der Erfindung nach den Ansprüchen 14 und 15 ist eine Geschwindigkeits- und Richtungswahl des Einrads und damit eine Anpassung der Beförderungsge­ schwindigkeit und -richtung an die Wünsche der beförderten Person oder an Geländeeinflüsse möglich.

Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 16 und 17 ermöglichen die Steuerung eines Einrads zur Beförderung einer Last über entfernte Einrichtungen zur Geschwindigkeits- bzw. Richtungswahl. Derartig ausge­ rüstete Einräder können also unbemannte Beförderungs­ einrichtungen bilden. Gleichzeitig können mehrere Einräder über eine Steuerzentrale gesteuert werden. Dies erhöht die Rentabilität eines solchen Beförderungskonzepts.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 18 ermög­ licht die Aufnahme der Momentangeschwindigkeit des Einrads zu Regelungs- oder Steuerungszwecken.

Durch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 19 ist gewährleistet, daß ein derartiges Einrad in Ruhe­ positionen nicht ständig in seiner Lage bzw. Stabilität geregelt werden muß. Durch die Verwendung eines Stützmit­ tels kann das Einrad so abgestützt werden, daß die Stabi­ litätsregelung in der Ruheposition abgeschaltet werden kann.

Durch die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 20 kann die Ruheposition eines derartigen Einrads an Unebenheiten oder wechselnde Bedingungen des Stützmediums, an das die Auflageflächen des Stützmittels angreifen, angepaßt werden.

Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 21 bis 23 geben verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten der Stützmittel bezüglich der Auflagefläche des Rades auf dem Stützmedium wieder. Hier werden vorteilhafte Positionen des Angreifens eines derartigen Stützmittels am Stützmedium angegeben, um eine sichere und effizient abgestützte Ruheposition des Einrads zu ermöglichen.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 24 führt dazu, daß das Einrad nicht in der Position ruht, in der sich seine Hochachse in der Soll-Lage befindet. Dies hat den Vorteil, daß ein derartiges Einrad beim Beladen mit der zu befördernden Last in einer leichter zugänglichen Position vorliegt, als es später in der Soll-Position der Fall ist. Gerade bei Einrädern zur Beförderung von Personen kann so der Aufstieg auf das Einrad zum Erreichen der Sitzposition erleichtert werden.

Die Verwendung eines Stützrades gemäß der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 25 ist dann von Vorteil, wenn der Einsatz der Stützmittel nicht nur auf die Situation des ruhenden Einrads beschränkt ist. Soll das Stützmittel auch Extrempositionen während der Fahrt des Einrads verhindern, wird so eine unerwünschte Reibung zwischen Stützmittel und Stützmedium beim Abstützen weitgehend verhindert.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 26 gewähr­ leistet, daß Hindernisse automatisch und frühzeitig in die Lage-Stabilisierung des Einrads einbezogen werden.

Eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Lage- Regelung eines Einrads.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Ver­ fahren mit den in Anspruch 27 angegebenen Merkmalen und unabhängig davon durch ein Verfahren mit den in Anspruch 31 angegebenen Merkmalen.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 27 erzeugt ein Fehlersignal aus den Ausgangssignalen der Sensorein­ richtung des Einrads und vorgegebenen, z. B. von einem Sollwertrechner erstellten oder gespeicherten Lage-Soll­ werten. Diese Sensoreinrichtung kann die beschriebenen Neigungsmesser oder Beschleunigungsaufnehmer, sowie Mittel zur Messung der Geschwindigkeit enthalten. Ausgehend vom Fehlersignal werden die zum Erreichen der Soll-Lage notwendigen Steuersignale berechnet, und diese dienen dann der Lagesteuerung.

Das zyklische Wiederholen dieser Verfahrensschritte entspricht einem geschlossenen Regelungskreislauf zur Stabilisierung des Einrads.

Die Weiterbildung des Verfahrens gemäß Anspruch 28 be­ zieht zusätzlich das Signal des Sensors zum Erkennen von Hindernissen zur Kursberechnung des Einrads ein. Damit ist gewährleistet, daß das Einrad zukünftige Abweichungen von der Soll-Lage entweder durch dynamische Vorgabe einer geänderten Soll-Lage quasi antizipiert oder um auftretende Hindernisse einfach herumfährt. Der Betrag der zur Lage- Regelung notwendigen Bewegungsamplituden der Führungsein­ richtung kann dadurch vermindert werden. Gerade bei einem unebenen Stützmedium ist dies ein erheblicher Vorteil.

Bei der Weiterbildung des Verfahrens gemäß Anspruch 29 wird die Lage-Regelung geschwindigkeitsabhängig aktiviert.

Da, wie oben ausgeführt, die Lage eines auf Stützmittel ruhenden Einrads (d. h. die Ruheposition) in der Regel mit der zu stabilisierenden Soll-Lage nicht identisch ist, ist es notwendig, daß beim Anfahren des Einrads die Lage­ regelung nicht schlagartig einsetzt und so durch Über­ schwingen bei niedriger Geschwindigkeit die Stabilität des Einrads gefährdet. Insbesondere in Verbindung mit Stützrädern als Stützmitteln ist dieses Verfahren zum Anfahren eines erfindungsgemäßen Einrads vorteilhaft.

Gemäß der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 30 wird bei der Stabilitätsregelung die jeweils gewählte Fahrtrichtung berücksichtigt.

Das Verfahren nach Anspruch 31 mißt in einem sich ständig wiederholendem Zyklus ein Ist-Lagesignal. Sensoren, die das Ist-Lagesignal aufnehmen, können hierbei wieder Neigungsmesser oder Beschleunigungsaufnehmer sein; für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich allerdings bevorzugt Aufnehmer von Absolutwerten, also beispielsweise Neigungs­ messer. Aus dem Ist-Lagesignal wird ein Fehlersignal erzeugt, welches die Abweichung der Lage des Einrads von der Vertikalen darstellt. Diese Abweichung wird dann durch das Ansteuern der entsprechenden Stellmotoren des Einrads minimiert. Bei diesem Verfahren ist die Soll-Lage auf einfache Weise definiert und der Vergleich Ist-Lage/Soll- Lage kann dementsprechend mit geringem Aufwand durchgeführt werden.

Weitere Verwendungen des erfindungsgemäßen Einrads neben den oben beschriebenen sind die Verwendung als Einkaufs­ wagen, als Fun-Fahrzeug oder als bewegter Werbeträger auf Ausstellungen. Der Einsatz auf verschiedensten Stützmedium, also neben festem Untergrund beispielsweise auch auf Wasser oder Sand, ist denkbar. Hierbei ist das Rad natürlich entsprechend auszubilden, um die Wechselwirkung mit dem Stützmedium in geeigneter Weise zu gestalten, z. B. für Auftrieb zu sorgen und/oder eine ausreichende Antriebs­ wirkung zu gewährleisten.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine teilgeschnittene schematische Seitenansicht eines Einrads zur Beförderung einer Last, das mittels Stützen in einer Ruheposition abgestellt ist;

Fig. 2 die Seitenansicht eines Teils eines Einrads mit einer Radaufhängung, die zwei horizontale Schwenkführungen aufweist;

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt der Ansicht von Fig. 2 gemäß Linie III-III von Fig. 4;

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV von Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt durch Teile einer weiteren Aus­ führungsform eines Einrads mit einer vertika­ len Schwenkführung gemäß Linie V-V von Fig. 6;

Fig. 6 einen Schnitt gemäß Linie VI-VI von Fig. 5;

Fig. 7 ein Einrad zur Personenbeförderung mit zwei seitlichen Stützrädern;

Fig. 8 eine weitere Ausführung eines Einrads zur Personenbeförderung mit Lagestabilisierung;

Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild zur Funktion der Lageregelung des Einrads; und

Fig. 10 die Seitenansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform des Einrads mit einer Gerad- und einer Schwenkführung.

Ein Einrad zur Beförderung einer Last aus Fig. 1 hat ein 10, das mit einem Radträger 12 über ein zur Radlaufrichtung transversales, horizontales Schwenklager 14 eine Schwenk­ führungseinrichtung 16 bildet und mit einem Rahmen 18 des Einrads verbunden ist. Das Schwenklager 14 ist ein kon­ ventionelles Schwenklager, wie es auch bei Schwingen von Motorrädern verwendet wird. Der Rahmen 18 ist nur sche­ matisch angedeutet. Er trägt eine Reihe weiterer Einzel­ teile, von denen hier stellvertretend nur eine Batterie 20 eines in Fig. 1 nicht dargestellten Antriebsmotors gezeigt ist. Der Rahmen 18 trägt eine schematisch ange­ deutete Last 22.

Das Einrad ist in einer Ruheposition gezeigt und stützt sich mit dem Rad 10 auf einer Standfläche 24 und mit zwei Stützplatten 26 auf Stufen einer Treppe 28 ab. Die Stützplatten 26 sind mit in Fig. 1 schematisch angedeuteten Teleskopstreben 30 am Rahmen 18 des Einrads befestigt.

Eine andere Ausführungsform eines Einrads, die in Fig. 2 dargestellt ist, zeigt ein schematisch angedeutetes Rad 32, dessen Radträger 56 durch ein zwei Lagerbügel 34, 36 aufweisendes Kardangelenk 38 mit einem Rahmen 40 verbunden ist. Der erste mittels eines oberen Lagers 42 um eine horizontale, senkrecht zur Rad-Laufrichtung verlaufende Achse (Nickachse) drehbare Lagerbügel 34 lagert seinerseits in einem unteren Lager 44 (Rollachse) eine horizontal und in Rad-Laufrichtung verlaufende Welle 46, die durch einen am Lagerbügel 34 angebrachten Stellmotor 48 angetrieben ist. Die Welle 46 ist mit dem zweiten drehbaren Lagerbügel 36 verbunden, der das Rad 32 lagert.

Der Lagerbügel 34 sitzt auf einer Welle 50. Aus der Schnitt­ darstellung von Fig. 4 wird deutlich, daß die Welle 50 durch einen Stellmotors 52 angetrieben ist, der an dem Rahmen 40 des Einrads angebracht ist.

Den Fig. 3 und 4 ist ebenfalls zu entnehmen, daß der Rahmen 40 eine Ausnehmung 54 aufweist, innerhalb der sich der Lagerbügel 34 mit ausreichend großen Spiel bewegen kann, ohne an den Rahmen 40 anzustoßen.

Der zweite Lagerbügel 36 ist durch den Stellmotor 48 angetrieben, der auf die mit dem Lagerbügel 36 verbundene Welle 46 arbeitet. Damit ist der Radträger 56 über die beiden Lagerbügel 34 und 36 und die Wellen 46, 50 kardanisch um zwei zueinander senkrechte horizontale Achsen drehbar.

Fig. 4 ist zu entnehmen, wie der Radträger 56 durch ein Radlager 58 eine Radwelle 60 aufnimmt. Am Radträger 56 ist ein Antriebsmotor 62 befestigt, dessen Welle 64 ein Ritzel 66 trägt, das mit einem entsprechenden Ritzel 68 der Radwelle 60 kämmt. Die Radwelle 60 ist dreh­ schlüssig mit einer Nabe 70 verbunden, an der eine Felgenscheibe 72 und eine Felge 74 angebracht sind. Die Felge 74 dient zur Aufnahme eines Reifens 76.

Der Stellmotor 52 und das Lager 44 sind soweit beabstandet, daß der Lagerbügel 36 mit ausreichendem Winkelhub um das Lager 44 verschwenken kann.

Eine weitere Ausführung des beweglichen Radträgers 78 zeigen die Fig. 5 und 6. Hier ist ein Rad 80 (das in Fig. 5 nur teilweise abgebildet ist) in gleicher Weise im Radträger 78 befestigt, wie in den Fig. 3 und 4 dar­ gestellt. Der Radträger 78 ist seinerseits mit einer Welle 82 drehfest verbunden, die durch einen Stellmotor 84 angetrieben ist, und ist so um eine vertikale Achse drehbar am Rahmen 86 des Einrads angebracht.

Zur Lagerung des Radträgers 78 am Rahmen 86 dient ein ringförmiges Lager, das durch eine ringförmige Lagernut 88 in der Oberseite des Radträger 78 und eine passende ringförmige Rippe 90 an der Unterseite des Rahmens 86 gebildet ist. Durch das Betätigen des Stellmotors 84 läßt sich der Radträger 78 um 360° bezogen auf den Rahmen 86 drehen, ohne daß diese Drehung durch vorstehende Bauteile des Rahmens 86 bzw. des Radträgers 78 behindert wird.

Fig. 7 zeigt ein Einrad zur Personenbeförderung, an dessen Rahmen 94 ein Sitz 96 für die zu befördernde Person befestigt ist. Ein Radträger 98 sowie ein Rad 100 sind in dieser Darstellung stilisiert wiederge­ geben. Schematisch dargestellt sind zwei Stützräder 102, die in der gezeigten Fahrposition nicht in Kontakt mit einer Lauffläche 104 (fester Untergrund) stehen. Das Rad 100 liegt auf der Lauffläche 104 mit einer Auflagefläche 106 auf. Eine Seitenansicht des Einrads nach Fig. 7 ähnelt der in Fig. 8 dargestellten Seitenansicht eines Einrads.

Fig. 8 zeigt Sensor-, Regel- und Steuereinrichtungen dieser weiteren Ausführungsform eines Einrads zur Personenbeför­ derung. Auch hier ist, wie in Fig. 7, ein Rahmen 108 sitzförmig ausgebildet. Ein Rad 110 ist über einen stili­ siert dargestellten Radträger 112 mit dem Rahmen 108 verbunden. Dieses Einrad weist zwei Stützräder 114 auf, die beidseitig der Längsmittelebene des Fahrzeugs vor dem Rad 110 liegen und in der dargestellten Fahrsituation des Einrads nicht in Kontakt mit einer Lauffläche 116 stehen. Die Stützräder 114 sind über Lagerarme 118 am Rahmen 108 des Einrads befestigt.

Am Rahmen 108 ist weiterhin eine Neigungs-Sensoreinheit 120 angebracht, in der sich Neigungssensoren befinden, die in der Zeichnung schematisch als Pendel dargestellt sind. Ebenso am Rahmen 108 angebracht sind die folgenden sche­ matisch dargestellten Einheiten: ein Fahrt-Richtungsmesser 122 und eine Regeleinheit 124, die eine Neigungs-Regelein­ heit 126, eine Fahrtrichtungs-Regeleinheit 128, eine Geschwindigkeits-Regeleinheit 130 und einen Sollwert- Rechner 132 beinhaltet. Am oberen Ende einer Lehne eines Sitzes 134 ist ein als Kamera ausgeführter Sensor 136 zur Hinderniserkennung angebracht.

Das Einrad ist über eine Wahleinrichtung 138 steuerbar, die es ermöglicht, sowohl die Fahrtrichtung des Einrads, als auch seine Geschwindigkeit durch den Benutzer des Einrads zu wählen. Die Geschwindigkeit des Einrads wird durch einen Geschwindigkeitsmesser 140 aufgenommen, der an einem Antriebsmotor 142 angebracht ist. Die Vorder­ ansicht des Einrads von Fig. 8 ähnelt der in Fig. 7 dargestellten Vorderansicht.

Fig. 9 zeigt in einem Blockschaltbild, wie die Stabilisie­ rung des Einrads durch die Sensoren und Regeleinheiten erfolgt.

Zwei Neigungsmesser 144, 146 für Roll- und Nickwinkel des Einwads, ein Fahrtrichtungsmesser 148, ein Geschwin­ digkeitsmesser 150 und ein Sensor 152 zur Hinderniser­ kennung ermitteln die Ist-Fahrbedingungen des Einrads.

Sollwerte für die Fahrtrichtung und die Geschwindigkeit des Einrades können an Sollwertgebern 154 und 156 einge­ stellt werden. Es kann sich hierbei um manuell oder drahtlos gestellte Sollwertgeber handeln.

Ein Sollwert-Rechner 158 erzeugt aus den ihm übermittelten Ist-Wertsignalen für die Fahrtbedingungen nach einem vorge­ gebenen Algorithmus (unter Berücksichtigung von Kreuzwir­ kungen) Sollwertsignale für Rollwinkel und Nickwinkel des Einrades, die auf eine Lage-Regeleinheit 160 gegeben werden, die im übrigen die Ausgangssignale der Neigungs­ messer 144, 146 erhält.

Ferner sind eine Fahrtrichtungs-Regeleinheit 162, die mit dem Fahrtrichtungsmesser 148 und dem Sollwertgeber 154 zusammenarbeitet, und eine Geschwindigkeits-Regeleinheit 164, die mit dem Geschwindigkeitsmesser 150 und dem Sollwertgeber 156 zusammenarbeitet, vorgesehen.

Die Lage-Regeleinheit 160 steuert entsprechend zwei Stellmotoren 166 und 168, deren Betätigung das Einrad in die Soll-Lage (= Soll-Nickwinkel und Soll-Rollwinkel) bringt. Die Fahrtrichtungs-Regeleinheit 162 steuert ihrerseits einen Motor 170 an, dessen Betätigung das Einrad in die gewünschte Richtung lenkt. Die Geschwindig­ keits-Regeleinheit 164 wiederum steuert einen auf das Rad arbeitenden Antriebsmotor 172 und bringt das Einrad auf die gewünschte Geschwindigkeit.

In einer alternativen Ausführungsform (gestrichelt in Fig. 9 dargestellt) steuert die Lage-Regeleinheit 160 die Geschwindigkeits-Regeleinheit 164 an, damit ein vom Sollwert-Rechner 158 anhand des Fehlersignals (aus der Abweichung der Ist- von der Soll-Lage) erzeugtes Sollwert­ signal eine entsprechende Betätigung des Antriebsmotors 172 zur Beeinflussung des Nickwinkels des Einrads über die Geschwindigkeits-Regeleinheit 164 bewirkt.

Fig. 10 zeigt in einer zu Fig. 2 alternativen Ausfüh­ rungsform des Einrads, wie statt des verschwenkbaren unteren Lagerbügels 36 von Fig. 2 in einer Führungs­ einheit 174 eine Linearführung 176 verwendet werden kann. Die Linearführung 176 ist als Schwalbenschwanz­ führung ausgebildet. Abgesehen von dieser geänderten Verbindung durch die Linearführung 176 bezüglich der Verbindung der Bauteile 34 und 36 von Fig. 2 sind die weiteren, in Fig. 10 dargestellten Elemente denen von Fig. 2 gleich und werden hier nicht mehr gesondert beschrieben.

Referenziert von
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Klassifizierungen
Internationale KlassifikationB62K1/00, B62K17/00, B62B5/00, B62B5/02
UnternehmensklassifikationB62B2301/00, B62B5/0083, B62K1/00, B62B5/02, B62K17/00, B62K11/007
Europäische KlassifikationB62B5/02, B62K1/00, B62B5/00S, B62K17/00, B62K3/00D
Juristische Ereignisse
DatumCodeEreignisBeschreibung
18. Nov. 1999OP8Request for examination as to paragraph 44 patent law
17. März 20058139Disposal/non-payment of the annual fee