DE60026522T2

DE60026522T2 - Individuelles mobilitätsfahrzeug und verfahren

Info

Publication number: DE60026522T2
Application number: DE60026522T
Authority: DE
Inventors: Dean L. Bedford Kamen; Robert R. Manchester Ambrogi; Robert J. Strafford Duggan; Douglas J. Bedford Field; Richard Kurt Francestown Heinzmann; Burl Boulder Amsbury; Christopher C. Nashua Langenfeld
Original assignee: Deka Products LP
Current assignee: Deka Products LP
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-06-01
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: KR100707932B1; CA2375645C; JP5309071B2; US20040055804A1; ATE319608T1; US20020063006A1; EP1181187B1; US6302230B1; US7023330B2; KR20020010152A; CA2683099A1; US7479872B2; US6651763B1; AU5313700A; US20060061460A1; JP2010188998A; CA2375645A1; AU766736B2; EP1181187A1; DE60026522D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrzeuge und Verfahren zum Transport von Personen, und insbesondere zur Ausbalancierung von Fahrzeugen und Verfahren zum Transport von Personen über eine Oberfläche, welche ungleichmäßig sein kann.
Ein weiter Bereich von Fahrzeugen und Verfahren sind für den Transport von Menschen bzw. Personen bekannt. Typischer Weise verlassen sich solche Fahrzeuge auf statische Stabilität, wobei sie gestaltet sind, um in allen voraussehbaren Bedingungen der Anordnung ihrer bodenberührenden Elemente stabil zu sein. Somit läuft zum Beispiel der Schwerkraftsvektor, welcher auf den Schwerkraftsmittelpunkt eines Automobils wirkt, zwischen den Punkten der Bodenberührung der Autoreifen hindurch, wobei die Aufhängung alle Räder zu jedem Zeitpunkt auf dem Boden hält, und das Automobil ist somit stabil. Ein anderes Beispiel eines auf statische Weise stabilen Fahrzeuges ist das Treppen hinauffahrende Fahrzeug, welches in dem U.S. Patent Nr. 4.790.548 (Decelles et al) beschrieben ist.
Das japanische Patent JP 01-316810 beschreibt eine Beförderungsmaschine mit länglicher Form mit Rädern an einem Ende, welche durch eine Antriebsbewegung angetrieben werden, die durch einen Gleichgewichtssensor gesteuert wird.
Entsprechend der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Tragen eines Benutzers bzw. einer Bedienperson nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Tragen einer Bedienperson nach Anspruch 3 geschaffen.
Vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 4 festgelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann man am Besten mit Bezug zu der folgenden detaillierten Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen verstehen, wobei folgendes gilt:
1 ist eine Seitenansicht eines Personenfahrzeuges ohne stabile statische Position, entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zum Tragen oder Befördern einer Person, welche darauf in einer stehenden Position verbleibt;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Personenfahrzeuges ohne stabile statische Position, entsprechend einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 stellt die Steuerungsstrategie einer vereinfachten Version der 1 dar, um eine Balance bzw. ein Gleichgewicht unter Verwendung eines Räderdrehmoments zu erreichen;
4 stellt als Diagramm den Betrieb der Steuerknüppel- bzw. Joysticksteuerung der Räder der Ausführungsform der 1 dar;
5 ist ein Blockdiagramm, welches im Allgemeinen die Beschaffenheit von Sensoren, Antrieb und Steuerung der Ausführungsform der 1 zeigt;
6 ist ein Blockdiagramm, welches detailliert den Antriebsschnittstellenaufbau zeigt;
7 ist ein Schema der Radmotorsteuerung während dem Ausbalancieren und normaler Fortbewegung, entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt ein sich ausbalancierendes Fahrzeug mit einem einzelnen Rad, welches zentral zu der Lagerplattform des Fahrzeugs liegt und mit einem gelenkigen Griff entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt ein sich ausbalancierendes Fahrzeug mit einem einzelnen Rad, welches zentral zu der Lager- bzw. Aufnahmeplattform des Fahrzeugs liegt und mit einem Griff mit Gelenk entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt ein sich ausbalancierendes Fahrzeug mit zwei koaxialen Rädern, welche zentral zu der Plattform des Fahrzeugs liegen und mit einem Griff mit Gelenk entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt ein sich ausbalancierendes Fahrzeug mit einem einzelnen Rad, welches zentral zu der Plattform des Fahrzeugs liegt und ohne Griff entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 zeigt eine alternative Ausführungsform eines sich ausbalancierenden Fahrzeugs mit einem einzelnen Rad, welches zentral zu der Plattform des Fahrzeugs liegt und ohne Griff entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 zeigt ein sich ausbalancierendes Fahrzeug mit einem einzelnen Rad, welches quer und zentral an die Plattform des Fahrzeugs montiert ist und ohne Griff entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 zeigt ein sich ausbalancierendes Fahrzeug mit einem einzelnen Rad, welches quer und zentral an die Plattform des Fahrzeugs montiert ist und mit einem Griff entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 zeigt ein sich ausbalancierendes Fahrzeug mit einer Einzelkugel, welche zentral an die Plattform des Fahrzeugs montiert ist und mit einem Griff entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 zeigt ein illustratives Diagramm eines idealisierten sich ausbalancierenden Fahrzeugs mit einem steifen Rad in Bewegung mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit über eine flache Oberfläche.
Detaillierte Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen
Eine Alternative zum Betrieb eines auf statische Weise stabilen Fahrzeugs ist das Erreichen einer dynamischen Stabilität durch den Benutzer, wie im Falle eines Fahrrades oder Motorrades oder Rollers, oder, entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, durch einen Steuerkreis, wie im Falle des Personenbeförderungsmittels, welches in dem U.S. Patent Nr. 5.701.965 beschrieben ist. Die Erfindung kann in einem weiten Rahmen von Ausführungsformen verwirklicht werden. Ein Kennzeichen vieler dieser Ausführungsformen ist die Verwendung eines Paares von seitlich angeordneten bodenberührenden Elementen, um den Gegenstand über der Fläche zu halten, über welche der Gegenstand transportiert wird. Hiermit wird im Allgemeinen der Boden oder andere Oberflächen, wie z.B. ein Fußboden, auf welchem ein Fahrzeug entsprechend der Erfindung verwendet wird, als der „Boden" bezeichnet. Die bodenberührenden Elemente sind üblicherweise motorangetrieben. Bei vielen Ausführungsformen fehlt es der Konfiguration, in welcher der Gegenstand während der Fortbewegung gehalten wird, an Eigenstabilität, zumindest über eine Zeitspanne mit Bezug zu einer Vertikalen in der Vorwärts-Rückwärts-Ebene, sie ist aber mit Bezug zu einer Vertikalen in der Seitenebene relativ stabil.
Einige Ausführungsformen der Erfindung berufen sich auf das Konzept von Haupträdern. Der Begriff „Haupträder", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird und in jedem der anhängenden Ansprüche, bezieht sich auf einen minimalen Satz von Fahrzeugrädern, mit welchem das Fahrzeug fähig ist, auf stabile Weise zu arbeiten. Allgemeiner gesagt ermöglicht der Begriff „primäres bodenberührendes Element" eine allgemeinere Elementklassifizierung, welche Räder einschließt, aber nicht darauf beschränkt ist. Somit bezieht sich „primäres bodenberührendes Element", wie es in dieser Beschreibung und in allen anhängenden Ansprüchen verwendet wird, auf einen minimalen Satz von bodenberührenden Elementen eines Fahrzeugs, mit welchem das Fahrzeug fähig ist, auf stabile Weise zu arbeiten. Andere bodenberührenden Elemente können ohne Einschränkung folgendes einschließen: bogenförmige Abschnitte eines Rades, Gruppen von Rädern, Laufflächen bzw. Profile, etc.
Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Vorwärts-Rückwärts-Stabilität durch die Anordnung eines Steuerkreises erreicht werden, in welchem einer oder mehrere Motoren beinhaltet sind, zum Betrieb eines motorisierten Antriebs in Verbindung zu den bodenberührenden Elementen. Wie unten beschrieben, kann ein Paar bodenberührender Elemente zum Beispiel ein Radpaar oder ein Paar Radgruppen sein. Im Falle von Radgruppen kann jede Gruppe eine Vielzahl von Rädern beinhalten. Jedes bodenberührende Element jedoch kann stattdessen eine Vielzahl (üblicher Weise ein Paar) von axial benachbarten, radial gelagerten und drehbar montierten bogenförmigen Elementen sein. Bei diesen Ausführungsformen werden die bodenberührenden Elemente durch den motorisierten Antrieb in dem Steuerkreis auf solch eine Weise angetrieben, damit der Massenschwerpunkt des Fahrzeugs über den Bereichen des Kontaktes der bodenberührenden Elemente mit dem Boden verbleibt, unabhängig von Störungen und auf das Fahrzeug wirkenden Kräften.
Ein bodenberührendes Element besitzt üblicher Weise einen „Punkt" (tatsächlich einen Bereich) des Kontakts oder Tangentialität mit der Oberfläche, über welche das Fahrzeug sich bewegt oder auf welcher es steht. Aufgrund der Nachgiebigkeit des bodenberührenden Elements, ist der „Punkt" des Kontaktes tatsächlich ein Bereich, bei welchem der Kontaktbereich auch als Kontaktstück bezeichnet werden kann. Das Gewicht des Fahrzeugs wird über den Kontaktbereich verteilt, wobei ein Anstieg der Druckverteilung über den Bereich erzeugt wird, und wobei das Zentrum des Drucks während einer Bewegung nach vorne auch nach vorne verlagert ist. Die Verteilung der Drücke ist sowohl eine Funktion der Zusammensetzung als auch des Aufbaus des Rades, der Drehgeschwindigkeit des Rades, des auf das Rad aufgebrachten Drehmoments, und somit der auf das Rad wirkenden Reibungskräfte.
Eine Kraft in die Bewegungsrichtung ist erforderlich, um die Rollreibung (und andere Reibungskräfte, einschließlich dem Luftwiderstand) zu überwinden. Die Schwerkraft kann entsprechend den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung benutzt werden, um ein Drehmoment um den Kontaktpunkt mit der Oberfläche in einer Richtung zu schaffen, welche eine Komponente in Richtung der gewünschten Bewegung aufweist.
In 16 ist zur Darstellung dieser Prinzipien ein Diagramm der Kräfte gezeigt, welche auf das Fahrzeug wirken, welches sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit v auf einem einzelnen Rad über eine flache Oberfläche fortbewegt. Die jetzt erläuterten Prinzipien können verallgemeinert werden als Betrieb auf einer geneigten Oberfläche und um allen externen Kräften entgegenzuwirken, die vorhanden sein könnten. Das Rad 160 mit dem Radius R_w dreht sich mit Bezug zum Chassis bzw. dem Fahrgestell 162 um die Achse 164 und kommt mit der darunter liegenden Oberfläche an dem Punkt P in Kontakt. Nur zum Zweck der Darstellung, wird angenommen, dass das Rad 160 die Fläche an einem Punkt kontaktiert.
Das Rad wird mit Bezug zu dem Fahrzeug durch ein Drehmoment T angetrieben (durch zum Beispiel einen Motor erzeugt), welches wiederum ein Reaktionsdrehmoment –T auf das Fahrzeug ausübt. Da das Drehmoment um die Achse 164 wirkt, entspricht das Reaktionsdrehmoment einer Kraft F_b, welche auf den Schwerkraftmittelpunkt (CG) des Systems wirkt, einschließlich dem Fahrzeug und der Nutzlast, wobei F_b = T/R_cg, wobei R_cg der Abstand zwischen der Achse und dem Schwerkraftmittelpunkt des Systems ist. Die Linie 170 von dem Schwerkraftmittelpunkt zu dem Punkt P besitzt einen Winkel θ_s relativ zu der Vertikalen 172.
Die Rollreibung f, welche an dem Punkt P auf das Rad wirkt, ist proportional zu der Geschwindigkeit v der Felge des Rades, wobei die Proportionalität ausgedrückt wird als f = μv. Um eine gleichförmige Bewegung beizubehalten, muss dieser Kraft f auf exakte Weise entgegengewirkt werden. Folglich ist die Bedingung, die erfüllt werden muss, wobei die Schwerkraft die Kraft bildet: fb cosθs = f, (Gleichung 1)wobei f_b die Komponente der Reaktionskraft ist, die quer zu der Achse 174 zwischen dem Schwerkraftmittelpunkt und dem Punkt P wirkt. Um zu verhindern, dass das Fahrzeug umfällt, muss auch eine Stabilitätsbedingung bestehen, nämlich dass keine Nettokraft (effektive Kraft) auf den Schwerkraftmittelpunkt in einer Richtung quer zu der Linie 170 wirkt, zum Beispiel gibt es kein Nettodrehmoment um den Kontaktpunkt P während der Bewegung mit gleichförmiger Geschwindigkeit (z.B. in einem Trägheitsbezugsrahmen bzw. -system, bei welchem der Punkt P feststeht). Diese Bedingung kann ausgedrückt werden als: Fgsinθs = fb, (Gleichung 2)wobei F_gsinθ_s die „Kipp"- Komponente der Schwekraft ist, und f_b ist die Gegenkipp- Komponente der Reaktionskraft auf dem Fahrzeug, welche durch die Raddrehung (f_b = F_bcosγ) verursacht ist, und wobei γ der Winkel zwischen der Linie 170 und 174 ist.
Die Gleichungen 1 und 2 können kombiniert werden, um F_gsinθ_s-cosθs = f = μv zu ergeben, somit ist bei der Begrenzung auf kleine Winkel (wobei sinθ ≈ θ), θs ≈ μ/Fg)v, (Gleichung 3)
Dies zeigt, dass ein Erhöhen der Geschwindigkeit ein erhöhtes Neigen erfordert, um den Effekt der Reibung zu überwinden. Zusätzlich wird ein Steuerkreis, welcher dem System Stabilität gibt, auf eine erhöhte Neigung durch die Erhöhung der Systemgeschwindigkeit reagieren. Während die vorangehende Erläuterung eine gleichmäßige Geschwindigkeit annahm, resultiert ein zusätzliches Neigen bzw. Lehnen über das erforderliche Neigen zum Überwinden der Reibungseffekte hinaus in einer Beschleunigung, da eine zusätzliche Vorwärts-Rückwärts-Kraft auf den Schwerkraftmittelpunkt wirkt. Im Gegensatz dazu, um eine Beschleunigung (oder Verlangsamung) des Fahrzeugs zu erreichen, muss ein zusätzliches Neigen (nach vorne oder hinten) auf eine im weiteren Detail unten beschriebene Weise durchgeführt werden.
1 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung. Ein Personentransporter wird gezeigt und im Allgemeinen mit der Bezugsnummer 18 bezeichnet. Eine Person 10 steht auf einer Trägerplattform 12 und hält den Griff 14 auf der Handhabe 16, welche an der Plattform 12 befestigt ist, so dass das Fahrzeug 18 dieser Ausführungsform auf eine Weise analog zu einem Scooter bzw. Roller bedient werden kann. Ein Steuerkreis kann an geordnet sein, so dass ein Neigen der Person in der Aufbringung eines Drehmoments auf das Rad 20 über die Achse 22 resultiert, wobei eine Beschleunigung des Fahrzeugs verursacht wird. Das Fahrzeug 18 jedoch ist statisch instabil, und fehlender Betrieb des Steuerkreises, um die dynamische Stabilität beizubehalten, führt dazu, dass die Person 10 nicht mehr weiter in einer stehenden Position getragen wird, und von der Plattform 12 fallen wird. Unterschiedliche Anzahl von Rädern oder bodenberührenden Elementen können vorteilhaft in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, da sie insbesondere für alternative Anmeldungen geeignet sind. Somit, wie unten detaillierter beschrieben, kann die Anzahl der bodenberührenden Elemente jede Zahl größer gleich Eins sein. Für viele Anmeldungen sind die Ausmaße der Plattform 12, und tatsächlich auch des gesamten bodenberührenden Moduls, im Allgemeinen bezeichnet durch die Bezugsnummer 6, auf vorteilhafte Weise vergleichbar mit den Ausmaßen des Fußabdrucks und der Schulterbreite des Benutzers. Somit kann der Transporter 18 auf vorteilhafte Weise als mobile Arbeitsplattform oder Erholungsfahrzeug, wie z.B. ein Golf- Cart bzw. -wagen, oder als Liefer- bzw. Zustellfahrzeug benutzt werden.
Der Transporter 18 kann in einem Positionsbeibehaltungsmodus betrieben werden, wobei die Balance im Wesentlichen in einer bestimmten Position behalten wird. Zusätzlich kann der Transporter 18, auf welchen hier ohne Beschränkung als „Fahrzeug" Bezug genommen werden kann, auch eine feste Position und Orientierung beibehalten, wenn der Benutzer bzw. die Bedienperson 10 nicht auf der Plattform 12 steht. Diese Betriebsart, auf welche sich als „Ständer" -Modus bezogen wird, verhindert ein Wegfahren des Fahrzeugs und liefert dadurch Sicherheit für den Benutzer und andere Personen. Eine auf der Plattform 12 angeordnete Kraftplatte 8 oder ein anderer Sensor, ermittelt die Anwesenheit eines Benutzers auf dem Fahrzeug.
Eine andere Ausführungsform eines sich ausbalancierenden Fahrzeugs entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt, und im Allgemeinen mit der Bezugsnummer 24 bezeichnet. Das Personenfahrzeug 24 teilt die Merkmale des Fahrzeugs 18 der 1, nämlich die Trägerplattform 12 zum Tragen einer Person 10, einen Griff 14 an einer Handhabe 16, welche an der Plattform 12 befestigt ist, so dass das Fahrzeug 18 dieser Ausführungsform auch auf die Weise analog zu einem Scooter bzw. Roller betrieben werden kann. 2 zeigt, dass obwohl das Fahrzeug 24 Gruppen 26 haben kann, wobei jede Gruppe 26 eine Vielzahl von Rädern 28 besitzt, das Fahrzeug statisch instabil bleibt und fehlender Betrieb eines Steuerkreises, um dynamische Stabilität beizubehalten, dazu führt, dass die Person nicht länger in einer stehenden Position unterstützt und fällt von der Plattform 12. In der Ausführungsform der 2, wie in der Ausführungsform der 1 sind die primären bodenberührenden Elemente ein Paar Räder. Ergänzende bodenberührende Elemente können beim hinauf- oder hinabfahren von Treppen oder beim Überqueren von anderen Hindernissen benutzt werden. In einem Betriebsmodus ist es zum Beispiel möglich, Gruppen 26 zu rotieren, so dass zwei Räder einer jeden Gruppe simultan in Kontakt mit dem Boden sind. Stufensteigen bzw. -befahren und Fortbewegung in flachem Terrain können jedoch beide mit dem auf nur einem einzelnen Satz von bodenberührenden Hauptelementen getragenen Fahrzeug erreicht werden.
Der Betrieb des sich ausbalancierenden Transporters bzw. Beförderers wird mit Bezug auf die Koordinatenachsen in 1 beschrieben. Die Schwerkraft definiert die senkrechte Achse z, während die mit der Räderachse 22 übereinstimmende Achse verwendet werden kann, um eine seitliche Achse y zu definieren, und eine Vorwärts-Rückwärtsachse x wird durch die Vorwärtsrichtung der Fahrzeugbewegung definiert. Auf die durch die senkrechte Achse z und die seitliche Achse y definierte Ebene wird manchmal als die "seitliche Ebene" Bezug genommen, und auf die Ebene, die durch die Vorwärts-Rückwärtsachse x und die senkrechte Achse z definiert ist, wird manchmal als die "Vorwärts-Rückwärtsebene" Bezug genommen. Richtungen, die zu den Achsen x und y parallel sind, werden jeweils die Vorwärts-Rückwärts- und seitlichen Richtungen genannt. Es ist deutlich, dass das Fahrzeug, wenn es das Paar Räder 20 lagert, um mit dem Boden in Kontakt zu kommen, an sich instabil ist in Bezug auf eine Vertikale in der Vorwärts-Rückwärtsrichtung, aber relativ stabil ist in Bezug auf eine Vertikale in der seitlichen Richtung. Bei anderen Ausführungsformen der unten beschriebenen Erfindung kann es sein, dass das Fahrzeug auch instabil ist in Bezug auf Gieren bzw. Scheren über die x Achse.
Die Achsen können auch in Bezug auf die Plattform 12 definiert werden, in Fällen bei welchen zum Beispiel das bodenberührende Element ein einzelner Ball ist, wie unten mit Bezug zu 15 beschrieben.
Ein vereinfachter Steuerungsalgorithmus für das Erreichen des Gleichgewichts bei der Ausführungsform der Erfindung entsprechend 1, wenn die Räder aktiv für Fortbewegung sind, wird im Blockdiagramm der 3 gezeigt. Die Anlage 61 ist äquivalent den Bewegungsgleichungen von einem System mit einem bodenberührenden Modul, welches durch einen einzelnen Motor angetrieben wird, bevor der Steuerkreis angewandt wird. T bezeichnet das Räderdrehmoment. Der übrige Teil der Abbildung ist die Steuerung, die verwendet wird, um eine Balance bzw. ein Gleichgewicht zu erreichen. Die Kästen 62 und 63 zeigen Differenzierung an. Um dynamische Steuerung zu erreichen, um Stabilität des Systems zu versichern und das System in der Nachbarschaft eines Bezugspunkts auf der Oberfläche zu behalten, wird das Räderdrehmoment T in dieser Ausführungsform von der folgenden vereinfachten Steuerungsgleichung gesteuert: T = K1(θ + θ0) + K2θ° + K3 (x + x0) + K4 x°, (Gleichung 4),wobei folgendes gilt:

– T bezeichnet ein auf ein bodenberührendes Element über seine Rotationsachse angewandtes Drehmoment;
– θ ist eine Menge, die das Neigen des ganzen Systems über den Bodenkontakt, wobei θ₀ der Magnitude eines Systemsteigungsversatzes entspricht, wie unten detailliert beschrieben;
– x bezeichnet die Vorwärts-Rückwärtsverschiebung entlang der Oberfläche verglichen mit einem Bezugspunkt, wobei x₀ die Magnitude eines bestimmten Bezugspunktversatzes darstellt;
– ein Punkt (°) über einem Symbol bzw. Buchstaben bezeichnet eine auf die Zeit differenzierte Variable; und
– eine tiefgesetzte Variable bezeichnet einen bestimmten Versatz, welcher dem System wie unten beschrieben eingegeben werden kann; und
– K₁, K₁, K₃ und K₄ sind Steigerungs- bzw. Verstärkungskoeffizienten, die konfiguriert werden können, entweder in der Gestaltung des Systems oder in Echtzeit, auf Basis sowohl einer gegenwärtigen Betriebsart und den Einsatzbedingungen als auch den Vorlieben eines Benutzers. Es kann sein, dass die Steigerungskoeffizienten eine positive, eine negative oder eine Null- Magnitude besitzen und dadurch den Betriebsmodus vom

Fahrzeug beeinflussen, wie unten beschrieben. Die Verstärkungsplattformen K₁, K₁, K₃ und K₄ sind von den physischen Parametern des Systems und anderen Effekten wie der Schwerkraft abhängig. Der vereinfachte Steuerungsalgorithmus der 3 behält das Gleichgewicht bei und auch Nähe zum Bezugspunkt auf der Oberfläche, bei der Anwesenheit von Störungen wie Änderungen am Massenzentrum des Systems in Bezug auf den Bezugspunkt auf der Oberfläche aufgrund von Körperbewegung der Person oder Kontakt mit anderen Personen oder Objekten.
Der Effekt von θ₀ in der obigen Steuerungsgleichung (Gleichung 4) wird verwendet, um einen bestimmten Versatz –θ₀ von der nicht geneigten Position zu erzeugen, bei welcher θ = 0 ist. Die Einstellung von θ₀ stellt den Versatz des Fahrzeugs einer nicht geneigten Position ein. Wie im weiteren Detail unten bei verschiedenen Ausführungsformen besprochen, kann der Neigungsversatz vom Benutzer zum Beispiel mittels einer in 1 gezeigten Stellschraube 32 eingestellt werden. Ein einstellbarer Neigungsversatz ist unter einer Vielfalt von Umständen nützlich. Zum Beispiel kann es, wenn das Fahrzeug auf einem Gefälle betrieben wird, für die Bedienperson wünschenswert sein, aufrecht in Bezug auf die Schwerkraft zu stehen, wenn das Fahrzeug steht oder sich mit gleichförmigen Maß bewegt. Auf einer Steigung ist ein vorderes Drehmoment auf die Räder erforderlich, um die Räder am Ort zu behalten. Dies erfordert, dass der Benutzer den Handgriff weiter nach vorne schiebt, was wiederum erfordert, dass der Benutzer eine unangenehme Position einnehmen muss. Umgekehrt muss der Handgriff auf einem Abwärtsgefälle zurückgezogen werden, um stehen zu bleiben. Unter diesen Umständen kann θ₀ vorteilhaft manuell ausgeglichen werden, um eine Steuerung in Bezug auf eine für den Benutzer komfortable feststehende Neigung zu ermöglichen.
Die Größe von K₃ bestimmt das Ausmaß, zu dem das Fahrzeug versucht, zu einer gegebenen Position zurückzukehren. Ist K₃ ungleich Null soll die Wirkung von x₀ einen angegebenen Versatz -x₀ von der Bezugsreferenz erzeugen, von welcher x gemessen wird. Ist K₃ gleich null, besitzt das Fahrzeug keine Vorspannung, um zu einer gegebenen Position zurückzukehren. Die Folge davon ist, dass sich, wenn das Fahrzeug in eine Vorwärtsrichtung gelehnt wird, das Fahrzeug in eine Vorwärtsrichtung bewegt und dabei die Balance hält. Solch eine Konfiguration wird unten weiter erörtert.
Der Begriff „Neigen" wird oft in Bezug auf ein System verwendet, welches auf einem einzelnen Punkt eines völlig starren Elements ausbalanciert ist. In diesem Fall besitzt der Punkt (oder die Linie) des Kontaktes zwischen dem Element und der unterliegenden Oberfläche null theoretische Breite. Ferner kann sich in diesem Fall Neigen auf eine Quantität beziehen, welche die Orientierung in Bezug zu der Vertikalen (z.B. einer imaginären Linie, die durch das Erdzentrum läuft) einer Linie aus dem Schwerkraftmittelpunkt (CG) des Systems durch die theoretische Linie des Bodenkontaktes des Rades ausdrückt.
Es wird wie oben erläutert erkannt, dass ein tatsächliches bodenberührendes Element nicht völlig starr ist. Der Begriff „Neigen" wird hierbei im gewöhnlichen Sinn einer theoretischen Beschränkung eines starren bodenberührenden Elements verwendet. Der Begriff „System" bezieht sich auf alle Masse, die zu einer Bewegung veranlasst wird aufgrund der Bewegung des bodenberührende Elements in Bezug zu der Oberfläche, über welche sich das Fahrzeug bewegt.
„Stabilität" wie in dieser Beschreibung und in allen anhängenden Ansprüchen verwendet, bezieht sich auf den mechanischen Zustand einer Betriebsposition, in welche das System zurückkehren wird, wenn es in jeglicher Hinsicht aus der Betriebsposition gebracht wird.
Um zwei Räder anzuordnen, anstatt des Ein-Rad-Systems, das zur Vereinfachung in 3 dargestellt ist, können getrennte Motoren für rechte und linke Räder des Fahrzeuges angeordnet werden und das für den linken Motor erwünschte Drehmoment und das für den rechten Motor erwünschte Drehmoment können getrennt auf die gewohnte Art, wie unten in Verbindung mit 7 beschrieben, berechnet werden. Zusätzlich erlaubt eine Nachführung sowohl der Bewegung des linken Rades und der Bewegung des rechten Rades, dass Einstellungen gemacht werden können, welche ein ungewolltes Drehen des Fahrzeuges verhindern können und zu Funktions- bzw. Leistungsvariationen zwischen den zwei Antriebsmotoren beisteuern.
In Fällen, in welchen der Faktor K₃ wiederum gleich null ist, kann ein Benutzersteuerungseingang wie zum Beispiel ein Joystick bzw. Steuerknüppel verwendet werden, um das Drehmoment eines jeden Motors einzustellen. Der Steuerknüppel besitzt Achsen wie in 4 gezeigt. Im Betrieb dieser Ausführungsform wird eine Vorwärtsbewegung des Joysticks verwendet, um eine Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges zu erzeugen, und eine Zurückbewegung des Steuerknüppels verursacht eine Zurückbewegung des Fahrzeugs. Eine Linksdrehung wird auf ähnliche Weise durch eine Bewegung des Steuerknüppels nach links erreicht. Für eine Rechtsdrehung wird der Steuerknüppel nach links bewegt. Die hier verwendete Anordnung erlaubt es dem Fahrzeug, sich auf der Stelle zu drehen, wenn der Joystick nach links oder rechts bewegt wird, durch das Veranlassen einer Drehung des linken und rechten Motors, und somit der linken und rechten Räder zu gleichem Maß in entgegengesetzter Drehrichtung. In Bezug auf Vorwärts- und Rückwärtsbewegung ist eine Alternative zu dem Steuerknüppel einfaches Neigen nach vorne oder hinten (in einem Fall, in dem K₃ gleich null ist), da der Neigungssensor (welcher θ misst) eine Neigungsänderung identifizieren würde, auf welchen das System reagieren würde, welches zu einer Bewegung nach vorne oder nach hinten führt, abhängig von der Richtung des Neigens. Als Alternative können Steuerungsstrategien mit einer eigenen Logik umgesetzt werden.
Man sieht, dass die Methode der Einstellung der Motordrehmomente im Gleichgewichtsmodus eine Vorwärts- Rückwärtsstabilität ermöglicht, die ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Stabilisierungsräder oder Verstrebungen erreicht werden kann (obwohl derartige Stabilitätshilfen auch angeordnet sein können). Mit anderen Worten wird die Stabilität dynamisch erreicht, durch die Bewegung der Komponenten des Fahrzeugs (in diesem Fall bilden sie das gesamte Fahrzeug) in Bezug zu dem Boden.
In dem Blockdiagramm der 5 sieht man, dass ein Steuerungssystem 51 verwendet wird, um die Motorantriebe und Aktuatoren der Ausführungsform der 1–3 zu steuern, um die Fortbewegung und das Gleichgewicht zu erreichen. Dies beinhaltet Motorantriebe 531 und 532 für die jeweils linken und rechten Räder. Wenn wie in der Ausführungsform der 2 Gruppen vorliegen, sind auch Aktuatoren 541 und 542 für die jeweils linken und rechten Gruppen beinhaltet. Das Steuerungssystem besitzt Dateneingänge, welche eine Benutzerschnittstelle 561, einen Neigungssensor 562 zum Ermitteln der Vorwärts- Rückwärtsneigung, Raddrehsensoren 563 und einen Neigungsratensensor 564 beinhaltet. Die Neigungsrate kann durch die Verwendung von Gyroskopen oder Neigungsmessern abgeleitet werden, zum Beispiel alleine oder in Kombination.
Ein Griff 14 (gezeigt in 1) kann auf geeignete Weise mit einem Einstellrad 32 (gezeigt in 1) oder einem mit dem Daumen bedienbaren Steuerknüppel zur Richtungssteuerung angeordnet sein, obwohl auch andere Steuerungsmethoden verwendet werden können. Das Einstellrad 32 kann mehreren Steuerungszwecken dienen, wie es jetzt beschrieben wird.
Entsprechend anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Handhabe 16 und der Griff 14 gänzlich fehlen und die Plattform 12 kann mit Sensoren ausgestattet sein, wie zum Beispiel einer Kraftplatte 8, um ein Neigen der Person zu ermitteln. Tatsächlich, wie in Zusammenhang mit 5 und ferner unten beschrieben, wird das Kippen bzw. die Neigung des Fahrzeugs wahrgenommen und kann verwendet werden, um den Betrieb des Steuerkreises zu steuern, so dass sich, wenn sich die Person nach vorne lehnt, sich das Fahrzeug nach vorne bewegen wird, um eine gewünschte Geschwindigkeit beizubehalten, oder um eine gewünschte Beschleunigung zu schaffen. Entsprechend verursacht ein Neigen der Person nach vorne, dass das Fahrzeug sich nach vorne neigt und eine Vorwärtsbewegung erzeugt; ein Neigen nach hinten verursacht, dass sich das Fahrzeug nach hinten neigt und eine Rückwärtsbewegung erzeugt. Geeignete Kraftmesswandler können vorgesehen sein, um ein Neigen nach links und rechts wahrzunehmen und verwandte Steuerungen können angeordnet sein, um eine Drehung nach links oder rechts zu verursachen, als Ergebnis des wahrgenommenen Neigens.
Ein Neigen kann auch durch die Verwendung von Abstandssensoren ermittelt werden. Zusätzlich kann der Betrieb des Fahrzeugs auf Basis der Orientierung des Benutzers in Bezug zu der Plattform gesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Fahrzeug mit einem Schalter, der durch einen Fuß (oder eine Kraft) aktiviert wird ausgestattet sein, welcher auf die Anwesenheit eines Benutzers auf dem Fahrzeug reagiert. Somit kann zum Beispiel das Fahrzeug auf automatische Weise aktiviert bzw. mit Strom versorgt werden aufgrund des Aufsteigens eines Benutzers auf die Plattform. Im Gegensatz kann die Stromzufuhr unterbrochen und das Fahrzeug deaktiviert werden, wenn ein Benutzer von dem Fahrzeug absteigt. Als Alternative kann das Fahrzeug programmiert werden, um einen dynamischen „Ständer"- Modus einzugeben, in welchem das Fahrzeug an einem Ort stehend im Gleichgewicht verbleibt, wenn der Benutzer absteigt. Somit ist das Fahrzeug bereit für den Benutzer, um durch Aufsteigen auf das Fahrzeug die Fahrt wieder aufzunehmen. Außerdem ist das Fahrzeug somit sicher geparkt, während es nicht auf aktive Weise durch einen Benutzer an Bord des Fahrzeugs betrieben wird.
6 ist ein Blockdiagramm, welches Details einer Benutzerschnittstellenanordnung 273 aufzeigt. Ein peripherer Mikrocomputer 291 empfängt einen Eingang sowohl von dem Steuerknüppel 292 als auch von dem Neigungsmesser 293 oder einer anderen Anordnung, welche die Neigung bestimmt. Der Neigungsmesser erzeugt Informationssignale von der Neigung und der Neigungsrate. (Der Begriff „Neigungsmesser", wie er in diesem Kontext durch diese Beschreibung hindurch und in den anhängenden Ansprüchen verwendet wird bezeichnet jede Vorrichtung, die ein Ausgabesignal erzeugt, das bezeichnend ist für die Neigung oder die Neigungsrate, unabhängig von der Anordnung, die zum Erreichen eines Ausgabesignals verwendet wird; wenn nur eine der Neigungs- oder Neigungsratenvariablen als Ausgabe erzeugt wird, kann die andere Variable erhalten werden durch die Differenzierung oder Integration mit Bezug zu der Zeit.) Um eine gesteuerte Schieflage des Fahrzeugs in Drehungen zu ermöglichen (um dabei die Stabilität beim Umdrehen zu erhöhen) ist es auch realisierbar, einen zweiten Neigungsmesser zu verwenden, um Informationen bezüglich dem Rollen oder der Rollrate zu schaffen oder, als Alternative die Resultierende des Systemgewichts und der Zentrifugalkraft. Andere Eingänge 294 können auch auf gewünschte Weise angeordnet werden als ein Eingang in den peripheren Mikrocomputer 291. Derartige andere Eingänge können Signale beinhalten, welche durch Schalter (Knöpfe) torgesteuert sind, zur Einstellung der Plattform und zur Bestimmung des Betriebsmodus. Der periphere Mikrocomputer 291 besitzt auch Eingänge zum Empfangen von Signalen des Batteriestapels 271, als auch der Batteriespannung, der Batteriestromstärke und der Batterietemperatur. Der periphere Mikrocomputer 291 steht in Kommunikation über einen Bus 279 mit einem zentralen Mikrocomputer, welcher verwendet werden kann, um die Radmotoren wie unten mit Bezug zu der 7 beschrieben zu steuern.
7 ist ein Blockdiagramm, das Steuerungsalgorithmen zeigt, welche zum Gebrauch in Verbindung mit den Steuerungsanordnungen der 6 geeignet sind, um Stabilität für ein Fahrzeug zu schaffen, entsprechend der Ausführungsform der 1–2 und anderen Ausführungsformen, bei welchen das Fahrzeug und eine Nutzlast auf zwei bodenberührenden Elementen ausbalanciert ist, sowohl während der Fortbewegung als auch in einer feststehenden Position. Die folgenden Konventionen werden in Verbindung mit der folgenden Beschreibung verwendet:

1. Variable, welche in Weltkoordinaten definiert sind, werden benannt unter Verwendung eines einzelnen Indexes in Großbuch staben. Weltkoordinaten sind Koordinaten, welche sich auf die Erde beziehen (träge bzw, untätig).
2. Ein r ohne Index bezeichnet eine Radradius.
3. Tiefgestellte Indexe werden verwendet, um andere Eigenschaften anzuzeigen , z.B. rechts/links, etc.: r = rechts; l = links; ref = Bezug; f = Ende s = Start.
4. Alle Winkel sind positiv in der Richtung des Uhrzeigersinns, wobei positive Bewegung in der positiven X- Richtung ist.
5. Ein Punkt über einer Variablen bezeichnet eine Differentiation bzw. Differenzierung der Zeit, z.B. θ°.

7 zeigt die Steuerungsanordnung für die Motoren der rechten und linken Räder.
Die Anordnung besitzt Eingänge θ, θ°, rθ°_wl (lineare Geschwindigkeit des linken Rades in Bezug zu dem Weltkoordinatensystem) und rθ°_wr (lineare Geschwindigkeit des rechten Rades), zusätzlich zu Richtungseingängen 3300, welche durch die Steuerknüppelposition entlang den X- und Y-Achsen eines Bezugskoordinatensystems. Die Eingänge θ, θ° und die Fehlersignale x und x° (unten beschrieben), unterliegen jeweils den Steigerungen K₁, K₂, K₃ und K₄, und werden Eingänge für den Addierer 3319, welcher den grundlegende Gleichgewichtsdrehmomentbefehl für die Räder erzeugt, in der gewöhnlichen Weise, wie oben mit Bezug zu 3 beschrieben. Der Ausgang des Addierers 3319 wird mit dem Ausgang des Gierungs- PID- Kreises 3316 (unten beschrieben) im Addierer 3320 kombiniert, dann im Dividierer 3322 dividiert, und in dem Sättigungsbegrenzer 3324 begrenzt, um den Befehl für das Drehmoment des linken Rades zu erzeugen. Auf ähnliche Weise wird der Ausgang des Addierers 3319 mit dem Ausgang des PID- Kreises 3316 in dem Addierer 3321 kombiniert, dann in dem Dividierer 3323 dividiert und in dem Sättigungsbegrenzer 3325 begrenzt, um den Befehl für das Drehmoment des rechten Rades zu erzeugen.
In 7 bewegt ein Richtungseingangssignal entlang der X-Achse das Bezugskoordinatensystem entlang seiner X- Achse in Bezug zu dem Weltkoordinatensystem (welches die überfahrene Oberfläche repräsentiert), mit einer Geschwindigkeit proportional zu der Ablenkung des Joysticks bzw. Steuerknüppels. Ein Richtungseingang entlang der Y- Achse dreht das Bezugskoordinatensystem um seine Z- Achse mit einer Winkelgeschwindigkeit proportional zu der Ablenkung des Joysticks. Es wird erkannt, dass eine Bewegung des Joysticks in der positiven X- Richtung hierbei als eine gemeinte Vorwärtsbewegung interpretiert wird; eine Bewegung des Joysticks in die negative X- Richtung bedeutet rückwärtige Bewegung. Auf ähnliche Weise bedeutet eine Bewegung des Joysticks in der positiven Y- Richtung eine Drehung nach links, von oben betrachtet gegen den Uhrzeigersinn; eine Bewegung des Joysticks in der negativen Y- Richtung bedeutet ein Drehen nach rechts im Uhrzeigersinn, wenn von oben betrachtet. Somit sind die Richtungseingänge Y und X jeweils gegebene Unempfindlichkeitsbereichsblöcke bzw. tote Zonen 3301 und 3302, um die neutrale Position des Joysticks zu erweitern, wird dann dem Einfluss der Verstärkungsfaktoren K 11 und K 10 ausgesetzt, dann jeweils durch die Begrenzer 3303 und 3304 in Bezug auf die Rate begrenzt, was die jeweiligen Winkel- und Linear- Beschleunigungen des Bezugskoordinatensystems begrenzt. Die Summe dieser Ausgänge, welche durch den Addierer 3305 erzielt werden, werden die Bezugsgeschwindigkeit x°_{r ref,} wobei der Unterschied dieser durch den Addierer 3306 erzielten Ausgänge die Bezugsgeschwindigkeit x°_{r ref} wird. Diese Bezugsgeschwindigkeiten werden im Addierer 3308 und 3307 subtrahiert von den abgeglichenen Lineargeschwindigkeitseingangssignalen rθ°_wl und rθ°_wr für linke und rechte Räder, um die Geschwindigkeitsfehlersignale x°_l und x°_r für die linken und rechten Räder innerhalb des Bezugskoordinatensystems zu erzielen. Dann erzeugt der Durchschnitt dieser Signale, bestimmt durch den Addierer 3317 und den Dividierer 3318 ein Lineargeschwindigkeitsfehlersignal x°. Das Verschiebungsfehlersignal x wird durch die Integration von rθ°_wl und rθ°_wr in den Integratoren 3310 und 3309 abgeleitet, was die Ergebnisse in den Ausnutzungsbegrenzern 3312 und 3311 begrenzt, und dann wird der Durchschnitt ihrer Ausgänge durch den Addierer 3313 und den Dividierer 3315 erzeugt. Der Unterschied zwischen diesen Verschiebungen bzw. Verlagerungen, bestimmt durch den Addierer 3314, erzeugt das Gier- Fehlersignal ψ.
Das Gier- Fehlersignal ψ wird durch einen Standard- Proportional- Integral- Differenzial- Steuerungskreis 3316 betrieben, dessen Ausgang mit dem Ausgang der Basis- Gleichgewichtsdrehmomentanweisung des Addierers 3319 kombiniert wird, um die einzelnen Raddrehmomentanweisungen zu erzeugen. Diese verursachen, dass die Räder eine Vorwärts- Rückwärtsstabilität beibehalten und verursachen auch, dass das Fahrzeug sich mit der Achse des Bezugskoordinatensystems ausrichtet und dessen Ursprung folgt, wie durch den Richtungseingang 3300 gesteuert.
Jetzt wird betrachtet, wie diese Steuerung verursacht, dass das Fahrzeug startet. Der Richtungseingang 3300 (welcher ein Joysticksein kann) erzeugt ein positives x für Vorwärtsbewegung. Das Signal wird dividiert und addiert in den Addierern 3308 und 3307, und von der rechten und linken Radgeschwindigkeit x°_R und x°_L abgezogen, was eine negative Korrektur erzeugt; diese Korrektur führt schließlich zu einem negativen Drehmomentbeitrag bei dem Addierer 3319, was verursacht, dass die Räder sich nach hinten bewegen, um ein Drehmoment aufgrund der Schwerkraft zu erzeugen, welches das Fahrzeug veranlasst, sich nach vorne zu Neigen. Dieses VorwärtsNeigen führt zu einer Änderung bei θ und θ°, was zu positiven Korrekturen bei dem Addierer 3319 führt, was das Fahrzeug veranlasst, nach vorne zu fahren. Somit verursacht eine Bewegung des Joysticks nach vorne oder hinten, dass sich das Fahrzeug nach vorne oder hinten neigt, je nach Fall, und sich in die Richtung des Neigens bewegt. Dies ist eine Eigenschaft der Steuerung der 7. Ein gleichwertiges Ergebnis kann durch ein Neigen erzielt werden, wobei K₃ gleich null ist.
Immer wenn eine Beschleunigung des Fahrzeugs erwünscht ist, ist es nötig, ein Systemneigen herzustellen. Zum Beispiel muss, um eine Vorwärtsbeschleunigung des Fahrzeugs zu erreichen, ein Neigen des Systems nach vorne vorhanden sein; Der Schwerkraftmittelpunkt (Fahrzeug und Nutzlast) muss vor das Zentrum der Druckverteilung des Kontaktbereiches platziert werden, wo die Räder den Boden berühren. Je größer das Neigen ist, umso größer ist die Beschleunigung. Somit kann man sehen, dass außerdem ein Neigen in Verbindung mit der Schwerkraft und der Reibung eine Beschleunigung (positive oder negativ) des Systems bestimmt. Auf diese Weise wird, wenn das Fahrzeug sich nach vorne bewegt, durch ein Neigen des Systems nach hinten ein Bremsen erzielen. Da das Fahrzeug die Reibung überwinden muss, muss sogar ein gewisses Neigen des Systems vorhanden sein, wenn das Fahrzeug mit gleichmäßiger Geschwindigkeit über eine horizontale Ebene fährt. Mit anderen Worten, wenn man das Drehmoment, das auf das Fahrzeug wirkt betrachtet, welches durch die Schwerkraft verursacht ist und das Drehmoment, das durch die ganzen anderen externen Kräfte verursacht ist, wird das Drehmoment, welches durch den motorisierten Antrieb aufgebracht wird so eingestellt, dass das Nettodrehmoment all dieser Quellen eine gewünschte Beschleunigung erzeugt.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann jede der vorangehenden Ausführungsformen eines Fahrzeugs entsprechend der vorliegen den Erfindung mit einer Geschwindigkeitsbeschränkung ausgestattet sein, um das Gleichgewicht und die Steuerung beizubehalten, welche andernfalls verloren werden können, wenn es den Rädern (bogenförmige Elemente, oder andere bodenberührende Elemente) erlaubt werden würde, die Maximalgeschwindigkeit zu erreichen, mit der sie zu diesem Zeitpunkt fähig sind, angetrieben zu werden.
Eine Geschwindigkeitsbeschränkung wird durchgeführt durch die Neigung des Fahrzeugs nach hinten in die Richtung entgegengesetzt zum gegenwärtigen Bewegungsrichtung, was veranlasst, dass das Fahrzeug sich verlangsamt. (Wie oben beschrieben, bestimmen das Ausmaß und die Richtung des Neigens des Systems die Beschleunigung des Fahrzeugs.) Bei dieser Ausführungsform wird das Fahrzeug durch Hinzufügen einer Neigungsänderung zu dem Neigungswert des Neigungsmessers nach hinten geneigt. Geschwindigkeitsbeschränkung tritt auf, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit einen Grenzwert überschreitet, welcher das vorbestimmte Geschwindigkeitslimit des Fahrzeugs ist. Die Neigungsänderung wird bestimmt durch die Betrachtung des Unterschiedes zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem vorbestimmten Geschwindigkeitslimit, über die Zeit gesteuert bzw. integriert.
Als Alternative kann die Größe zwischen einem spezifischen Maximalenergieausgang und dem derzeitigen Energieausgangssignal der Motoren kontrolliert werden. Als Reaktion auf das Absinken der Signalgröße unter ein vorbestimmtes Limit, kann ein Alarm hörbar sein, visuell, oder als Alternative kann der Alarm fühlbar sein oder mit einer Regulierung des Motorantriebes ausgestattet sein, welche eine „rumpelnde" Fahrt erzeugt, welche leicht durch den Benutzer wahrnehmbar ist.
Die automatische Neigungsmodifikationssequenz wird als Reaktion auf eine ermittelte Geschwindigkeit an einem vorbestimmten Geschwindigkeitslimit beibehalten, bis das Fahrzeug sich auf die gewünschte Geschwindigkeitsreduzierung (eine Geschwindigkeit leicht unterhalb des Geschwindigkeitslimits) verlangsamt, und dann kehrt der Neigungswinkel auf sanfte Weise zu seinem Ursprungswert zurück. Eine Verfahren zur Bestimmung des Geschwindigkeitslimits des Fahrzeugs ist, die Batteriespannung zu kontrollieren, welche dann verwendet wird, um die Maximalgeschwindigkeit zu berechnen, welche das Fahrzeug momentan beibehalten kann. Eine anderes Verfahren ist, die Spannung der Batterie und des Motors zu messen, und den Unterschied zwischen den beiden zu kontrollieren; der Unterschied ermöglicht eine Abschätzung des Betrages der Geschwindigkeitsspanne (oder „headroom"), welche zu diesem Zeitpunkt dem Fahrzeug zur Verfügung steht.
Ein Neigen des Benutzers kann zusätzlich beschränkt sein, entsprechend eine weiteren Ausführungsform der Erfindung, und zwar durch eine physische Einschränkung wie zum Beispiel ein vertikales Element, welches an die Plattform gekoppelt ist, und somit ein Neigen, in jeder vorbestimmten Richtung, über die physische Einschränkung hinaus verhindert.
Der Neigungsversatz, welcher eine Modifikation bzw. Änderung von θ₀ ermöglicht, wie oben mit Bezugnahme auf Gleichung 4 beschrieben, kann durch den Benutzer mittels eines Einstellrades 32 (in 1 gezeigt) eingestellt werden. Zusätzlich kann eine zweite Steuerung 34 (in 1 gezeigt) vorgesehen sein, entsprechend Ausführungsformen der Erfindung, zum Wechseln der Steuerungsbauweise oder -funktion des Einstellrades. Somit kann das Einstellrad 32 auch in einen Modus geschalten werden, welcher beide Räder in derselben Richtung antreibt. Dies ermöglicht, dass ein Personenfahrzeug wie das Fahrzeug 18 als eine Art angetriebener Handkarren bzw. -wagen verwendet werden kann, welchen der Benutzer hinter sich herzieht oder vor sich herschiebt. Dies ist besonders nützlich, wenn ein solcher Per sonentransporter die Treppe hinauf getragen werden muss, da die Motoren 531 und 534 (in 5 gezeigt) verwendet werden, um das Fahrzeug auf die nächste Stufe zu heben, so dass der Benutzer nicht soviel Kraft aufwenden muss, wie andernfalls nötig wäre. Diese Betriebsart des Fahrzeugs wird als „Antriebsmodus" bezeichnet. Zusätzlich durch die Angabe der zweiten Auswahlvorrichtung 34, kann das Einstellrad 32 vom Benutzer zum Zweck der Lenkung des Fahrzeugs verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann auch in einer Anzahl weiterer Ausführungsformen verwirklicht werden. Wir meinen, dass ein Fahrzeug entsprechend der Erfindung auf geeignete Weise als eine prothetische Vorrichtung wirken kann für Personen mit Beeinträchtigungen, welche durch Krankheiten (wie zum Beispiel die Parkinson- Krankheit oder Ohrfehlstörungen) hervorgerufen wurden oder Defekte, in ihrer Fähigkeit, das Gleichgewicht zu halten oder sich fortzubewegen.
Ein Steuerkreis, wie er entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, kann auf vorteilhafte Weise zur Verbesserung der Symptome von Gleichgewichtsbeeinträchtigungen aufgrund von Krankheiten verwendet werden. Eine traditionelle Herangehensweise an die Behandlung der Parkinson Krankheit ist die Verabreichung von Drogen wie Levodopa, um die Symptome eines fortschreitenden Zitterns, Bradykinesia und Steifheit zu lindern, jedoch ist bei den meisten Patienten die Krankheit unvollständig gesteuert. D. Calne, „Drug Therapy: Treatment of Parkinson's Disease", New England J Medicine, vol. 329, Seiten 1021–2, (1993). Zusätzlich führt ein anhaltender Gebrauch von Drogen gegen Parkinson zu nachfolgend gegensätzlichen Reaktionen auf die Droge.
Eine Person, die unter Parkinson leidet ist weder eine passive noch eine kooperative Last, allerdings hat, da die Person unter beeinträchtigten Kräften zur absichtlichen Bewegung lei det, die Person Schwierigkeiten, ihr Gleichgewicht zu halten, egal ob auf einer Plattform oder auf dem Boden. Die Zuckungen einer solchen Person verursachen zusätzliche Kräfte auf der Plattform oder dem Fahrzeug, auf welchem die Person sitzt oder steht, die nicht unbedingt in einer Richtung orientiert sind, die das Gleichgewicht wieder herstellt.
Die durch das Fahrzeug erzielte prothetische Vorrichtung funktioniert als eine Verlängerung des eigenen Gleichgewichtssystems und Fortbewegungssystems einer Person, da das Fahrzeug einen Rückmeldungskreis besitzt, welcher Änderungen des Schwerkraftmittelpunktes des Fahrzeugs berücksichtigt, welche der Bewegung einer Person in Bezug zu dem Fahrzeug zuordenbar sind. Schafft man einer solchen behinderten Person ein solches Fahrzeug, ist das somit eine Methode der Anpassung einer Prothese, welche eine Fortbewegung und Gleichgewichtssteuerung ermöglicht, wenn diese andernfalls nicht durchführbar wären. Wir haben eine drastische Wiederherstellung des Gleichgewichtssinnes und der Bewegungssteuerung bei einer Person bemerkt, welche unter Parkinson leidet, und welche ein Fahrzeug entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete. Überraschender Weise ist der Effekt auf einen Patienten mit Parkinson, welcher das Fahrzeug verwendet, dass sich im Wesentlichen die Zuckungen reduzieren. Offensichtlich schafft die Einbeziehung der Parkinson- Patienten in den Rückmeldungskreis des kombinierten Fahrzeug- Passagier- Systems ein Umfeld, das die Linderung von Symptomen ermöglicht, welche ein Parkinsonpatient erfährt.
Zusätzlich zu den Ausführungsformen der 1–2 können viele andere Konfigurationen der Personenfahrzeuge, welche Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, geschaffen werden. Das Personenfahrzeug kann als Alternative mit anderen Konfigurationen bodenberührender Elemente ausgestattet sein, von denen einige jetzt beschrieben werden.
Die Breite der bodenberührenden Elemente kann vorteilhaft erhöht werden, entsprechend mit bestimmten alternativen Ausführungsformen der Erfindung, zum Überqueren von dünnem Eis oder anderen Oberflächen, bei welchen ein von dem Fahrzeug ausgeübter Druck auf den Boden eine Gefahr darstellen kann.
Es wird jetzt Bezug genommen zu 8, welche eine alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher Bodenkontakt durch ein einzelnes Rad 44 besteht. Eine charakteristische Gemeinsamkeit vieler der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Plattform 12, auf welcher eine Person 10 steht, um das Fahrzeug zu betreiben. Eine Handhabe 16 ist in bestimmten Ausführungsformen der Erfindung angeordnet, so wie ein Griff 18 auf der Handhabe 16 zum Ergreifen durch die Person 10. Bei einer Ausführungsform der Erfindung, gezeigt in 8, ist die Handhabe starr an die Plattform 12 befestigt, in diesem Fall ohne Beschränkung, mittels einer Verkleidung 40. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, gezeigt in 9, kann die Handhabe 16 ein Gelenk an einem Drehpunkt 46 in Bezug zu einer an der Plattform 12 befestigten Basis 48 aufweisen. Schaffung einer Gelenkverbindung an der Handhabe 16 an dem Drehpunkt 46 erleichtert es der Person 10, ihr Gewicht nach vorne oder hinten zu verlagern, während sie eine oder beide Hände am Griff 14 behält. Die Plattform 12 bewegt sich in Bezug zu dem Boden durch die Bewegung von zumindest einem Rad 20, oder einem anderen bodenberührenden Element. Wie mit Bezug zu vorher beschriebenen Ausführungsformen sind andere bodenberührende Elemente wie bogenförmige Elemente und Gruppen von Rädern in den hier durch Bezugnahme beinhalteten früheren Anmeldungen beschrieben, und der Begriff „Rad" wir hier verwendet, um sich damit auf jegliches bodenberührende Element ohne Beschränkung zu beziehen.
Das Einzelrad 44 der Einrad- Ausführungsformen der 8 und 9 kann wie in 10 gezeigt ergänzt werden durch ein benachbartes Rad, welches ein Paar benachbarter und koaxialer Räder 20 schafft. Es wird deutlich, dass das Fahrzeug der 10, wie Fahrzeuge verschiedener anderer in dieser Beschreibung offenbarten Ausführungsformen, wenn es sich auf die Räder 20 stützt, um den Boden zu kontaktieren, an sich instabil in der Vorwärts- Rückwärts- Richtung in Bezug zu einer Vertikalen z ist. Während das Fahrzeug der 10 relativ stabil in der seitlichen Richtung ist, sind Fahrzeuge einiger anderer Ausführungsformen in sowohl den seitlichen als auch den Vorwärts-Rückwärts Richtungen instabil. Die Bewegung des Fahrzeugs 18 kann durch die Gewichtsverlagerung der Person 10 gesteuert werden, und somit dem Schwerkraftmittelpunkt (CG) des belasteten Fahrzeugs, entsprechend oben beschriebenen Lehren.
Auch kann, wie oben beschrieben, zusätzlich zu dem direkten Effekt des Neigens der Person auf die Variablen, welche das auf den Motor aufgebrachte Drehmoment zum Lenken des Fahrzeugs oder als alternative Steuerungsstrategie steuern, eine Benutzereingabe auf separate Weise in den Steuerkreis inkorporiert werden, auf eine Weise gleich der Variation einer oder mehrerer Eingangsvariablen. Somit kann zum Beispiel der Benutzer einen Eingang schaffen, mittels einer Benutzerschnittstelle jeglicher Art, und dieser Eingang wird von dem Steuerungssystem wie ein Wechsel behandelt, zum Beispiel bei der Fahrzeugneigung. Eine solche Schnittstelle kann zum Beispiel ein Einstellrad oder einen Joystick beinhalten, befestigt an dem Griff 14.
Es wird jetzt wieder Bezug genommen zu 10, wobei ein Lenken des Fahrzeugs 18 dadurch erzeugt werden kann, dass ein Benutzer 10 sein Gewicht seitlich (in der Y-Y Richtung) in Bezug zu den Rädern 20 verlagert. Der Positionswechsel des Benutzers 10 in Bezug zu der Plattform 12, und/oder die resultierende Verlagerung des Schwerkraftmittelpunkts der Kombination des Benutzers 10 und des Fahrzeugs 18 kann unter Verwendung jeder Strategie wahrgenommen bzw. ermittelt werden. Ein Beispiel ist die Verwendung einer oder mehrerer Kraftplatten, angeordnet auf der oberen Fläche der Plattform 12, um einen unterschiedlichen Druck wahrzunehmen, der von einem ersten Bein 52 der Bedienperson 10 in Bezug zu einem zweiten Bein 54 des Benutzers ausgeübt wird. Als Alternative kann ein Sitz (nicht gezeigt) an der Plattform 12 zur Unterstützung der Bedienperson 10 angeordnet sein, und eine oder mehrere auf den Sitz montierte Kraftplatten können eine Verlagerung des Benutzergewichts wahrnehmen und somit ein Signal zur Steuerung des Geschwindigkeitsvektors des Fahrzeugs als Reaktion auf das Neigen des Benutzers erzeugen. Als ein alternatives Beispiel kann eine Neigung bzw. ein Kippen der Plattform 12 in Bezug zu der Drehachse (Y-Y) des Rades 20 unter Verwendung eines Neigungsmessers oder eines oder mehrerer Gyroskope wahrgenommen werden. Korrekturen können auf die gemessene Neigung bzw. Kippung oder den gemessenen unterschiedlichen Druck angewendet werden, um Ungleichmäßigkeiten der von dem Fahrzeug 18 überfahrenen Fläche zu berücksichtigen, wie durch die gemessene Neigung der Drehachse (Y-Y) des Rades 20 bestimmt, in Bezug zu einer Ebene, welche senkrecht zur Gravitation steht. Entsprechend weiteren alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Kraftsensor in der Handhabe 16 angeordnet sein, oder ein Drehsensor kann in dem Drehpunkt 46 angeordnet sein, beides Strategien zum Wahrnehmen eines Neigens des Benutzers und zur Anwendung des wahrgenommenen Neigens als ein Benutzereingang in den Steuerkreis, zum Steuern des Fahrzeugbetriebs.
Entsprechend anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Neigen des Benutzers 10 ausschließlich zum Steuern der Vorwärts- Rückwärtsbewegung des Fahrzeugs 18 verwendet werden, oder als Alternative kann das Neigen nur zum Steuern der Lenkung des Fahrzeugs verwendet werden, oder für beide Funktionen.
Eine perspektivische Ansicht von vorne einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist in 11 gezeigt, wobei das Fahrzeug 50 ein Einzelrad 44 besitzt und der Benutzer 10 während dem normalen Betrieb des Fahrzeugs auf der Plattform 12 steht, hinter dem Rad 44. Eine Ausführungsform ist gezeigt, wobei die Handhabe 16 starr an der Plattform 12 befestigt ist, in diesem Fall mittels der Verkleidung 40.
11 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Fahrzeug 50 durch Neigen gesteuert wird, wie oben mit Bezug zu anderen Ausführungsformen beschrieben, und keine Handhabe ist angeordnet, so dass die gesamte Unterstützung des Benutzers 10 das Stehen auf der Plattform 12 ist. Innerhalb des wissenschaftlichen Rahmens der vorliegenden Erfindung, wie hier beschrieben und wie in allen anhängenden Ansprüchen beansprucht, kann ein Benutzer 10 durch die Plattform 12 unterstützt werden durch Stehen mit den Füßen entlang der Drehachse 56 des Rades 44 positioniert, wie in 11 gezeigt, oder, als Alternative mit den Füßen hinter der Drehachse 52 des Rades 44 positioniert, wie in 12 und 13 gezeigt. Ein Rad 44 ist quer zu der Richtung, welcher der Benutzer 10 zugewandt ist, montiert, mit einer Handhabe 16, welche mit der Plattform 12 mittels einer Verkleidung 40 gekoppelt ist, wie in 14 gezeigt.
15 zeigt eine Ausführungsform eines Fahrzeugs, wobei das bodenberührende Element ein Einzelball 151 ist. Ein derartiger Ball kann auf getrennte Weise in den x und y Richtungen angetrieben werden, und das Fahrzeug stabilisiert sich in einer oder beiden dieser Richtungen auf die oben beschriebene Weise.
Zusätzlich zu dem Personenfahrzeug, das oben beschrieben und beansprucht wird, entsprechend alternativen Ausführungsformen der Erfindung können größenreduzierte bzw. kleinskalierte Versionen einer jeden der vorher beschriebenen Ausführungsformen für Freizeit- oder Erziehungszwecke verwendet werden, egal ob darauf Menschen befördert werden oder nicht. Derartige Spielzeugversionen können über verschiedene Terrains bzw. Oberflächen fahren, während sie das Gleichgewicht in der Vorwärts-Rückwärtsebene beibehalten.
Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind lediglich beispielhaft und Fachleute werden verstehen, dass zahlreiche Variationen und Abänderungen gemacht werden können. Alle derartigen Variationen und Abänderungen sind innerhalb des wissenschaftlichen Rahmens der vorliegenden Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen festgelegt.

Claims

Vorrichtung zum Tragen eines Benutzers, bestehend aus: a. einem Aufbau (12), der eine Nutzlast, einschließlich den Benutzer, trägt, b. einem an dem Aufbau montierten bodenberührenden Modul, das wenigstens ein bodenberührendes Teil (20, 44) aufweist und eine Vorwärts-Rückwärts-Ebene bildet; c. einer motorisierten Antriebsanordnung (51, 531, 532, 541, 542), die mit dem bodenberührenden Modul gekoppelt ist, wobei die Antriebsanordnung, das bodenberührende Modul und die Nutzlast ein System bilden, das bezüglich eines Kippens instabil ist, wenn der motorisierte Antrieb nicht mit Energie versorgt ist; wobei die motorisierte Antriebsanordnung bei Versorgung mit Energie einen automatisch balancierten Betrieb des Systems in einer Betriebsstellung veranlasst, die dann instabil bezüglich des Kippens in wenigstens einer Vorwärts-Rückwärts-Ebene ist, wenn die motorisierte Antriebsanordnung nicht mit Energie versorgt ist; und d. eine Benutzereingabesteuerung, die von dem Benutzer eine Angabe einer spezifizierten Neigung der Vorrichtung unter Bewegungsbedingungen bei gleichförmiger Geschwindigkeit empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Handhabe (14), die mit dem Aufbau gekoppelt ist, wobei die Benutzereingabesteuerung ein Einstellrad (32) aufweist, das auf der Handhabe angeordnet ist.
Verfahren zum Tragen eines Benutzers, bestehend aus folgenden Verfahrensschritten: a. Einnehmen einer Stellung auf einem Aufbau (12), welcher eine Nutzlast, einschließlich den Benutzer, trägt, wobei der Aufbau (12) mit einem bodenberührenden Modul verbunden ist, wobei das Modul wenigstens ein bodenberührendes Teil (20, 44) aufweist und eine Vorwärts-Rückwärts-Ebene definiert; b. Betätigen einer motorisierten Antriebsanordnung (51, 531, 532, 541, 542), die mit dem bodenberührenden Modul gekoppelt ist; wobei die Antriebsanordnung, das bodenberührende Modul und die Nutzlast ein System bilden, das hinsichtlich des Kippens instabil ist, wenn der motorisierte Antrieb nicht mit Energie versorgt ist; wobei die motorisierte Antriebsanordnung bei Versorgung mit Energie einen automatisch balancierten Betrieb des Systems in einer Betriebsstellung veranlasst, die bezüglich des Kippens in wenigstens einer Vorwärts-Rückwärts-Ebene instabil ist, wenn die motorisierte Antriebsanordnung nicht mit Energie versorgt ist; und c. Vorsehen einer benutzerseitigen Angabe über eine spezifizierte Neigung des Systems unter Bewegungsbedingungen bei gleichförmiger Geschwindigkeit über eine Benutzereingabesteuerung.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zu der Benutzereingabesteuerung ein Einstellrad (32) gehört, das auf einer Handhabe (14) angeordnet ist, die mit dem Aufbau (12) verbunden ist.