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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Elektrostimulation von Muskeln eines Insassen eines Fahrzeugs.
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In einem Fahrzeug sind heute für den Unfallschutz Airbags und Gurte zur Rückhaltung der im Fahrzeug befindlichen Personen für einen Kollisionsfall bzw. Crashfall, also einen Unfall mit Zusammenstoß mit einem anderen Objekt oder Gegenstand, vorgehalten. Die Gurte halten den menschlichen Körper im Falle eines Unfalls zurück, um nicht aus dem Fahrzeug geschleudert zu werden. Die Airbags stützen den Körper ab bzw. fangen ihn auf, um nicht mit Einrichtungen im Fahrzeug wie dem Lenkrad etc. zu kollidieren. Die Sicherheitssysteme Gurt und Airbag wirken von außen auf den menschlichen Körper ein, um diesen im Kollisionsfall zu schützen.
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Allerdings wird bei solchen Verfahren nicht darauf geachtet, durch die Kollision erzeugte Schädigungen der Halswirbelsäule oder anderer Teile des Körpers zu verhindern oder abzuschwächen. Dies wird allerdings in dem deutschen Patent
DE 60 207 304 T2 betrachtet. Die dort vorgeschlagene Vorrichtung sorgt für eine örtliche Kontraktion der Muskeln des Körperteils des Benutzers mittels eines elektrischen Impulses, der an bestimmte Stellen des Körpers angelegt wird. Auf diese Weise verhindert und/oder verringert sie Traumata des Körpers, z. B. ein Schleudertrauma, welche bei Stößen, Schlägen und/oder Belastungen bei hoher Beschleunigung auftreten. Allerdings ist die vorgeschlagene Vorrichtung für eine breite Palette von Transportmitteln inklusive Flugzeugen vorgesehen, so dass nicht auf spezifische Anforderungen für die Anwendung in Automobilen eingegangen wird. Auch ist die Vorrichtung lediglich dazu ausgelegt, Traumata aufgrund von Kollisionen oder anderen abnormen Zuständen des Transportmittels zu verhindern.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, durch welche diese Nachteile überwunden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Elektrostimulation von Muskeln eines Insassen eines Fahrzeugs, aufweisend Stimulationsmittel, die derart im Fahrzeuginneren und/oder an oder in Wirkungsnähe der Muskeln anzuordnen sind, dass sie dazu eingerichtet sind, vorgegebene Partien der Muskeln (Muskelpartien) abhängig von einer erfassten Fahrsituation und erfassten aktuellen Haltung des Insassen in einer vorgegebenen Art und Weise gezielt derart zu stimulieren, dass der Insasse eine vorgegebene Referenzhaltung einnimmt. Die erfasste Fahrsituation ist ein Kollisionsfall oder eine Trainings- und/oder Unterstützungssituation oder eine Kombination daraus.
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Im Gegensatz zur oben beschriebenen Stimulation erfolgt erfindungsgemäß eine gezielte Stimulation derart, dass nicht nur bestimmte Muskelpartien abhängig von der Situation ausschließlich zur Versteifung stimuliert werden. Vielmehr wird der Körper des Insassen gezielt in eine definierte Referenzhaltung gebracht, d.h. es werden nicht nur die Muskelpartien stimuliert, die unmittelbar von der Situation betroffen sind, sondern auch andere Partien, um die gesamte Haltung des Insassen zu beeinflussen.
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In einer Ausführung ist die Fahrsituation als ein Kollisionsfall mit Frontaufprall erfasst, für welchen die Referenzhaltung als eine aufrechte und symmetrische Haltung des Oberkörpers, ein gerader Kopf, Beine hüftbreit, sowie Füße auf einem Pedal oder einer Fußablage vorgegeben ist, und wobei die Stimulation derart erfolgt, dass im Wesentlichen diese Position eingenommen wird.
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In einer Ausführung ist die Fahrsituation als ein Kollisionsfall mit Heckaufprall erfasst, für welchen die Referenzhaltung eine aufrechte und symmetrische Haltung des Oberkörpers ist, bei welcher der Kopf des Insassen an einer Kopfstütze aufliegt, und wobei die Stimulation derart erfolgt, dass im Wesentlichen diese Position eingenommen wird.
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In einer Ausführung ist die Fahrsituation als ein Kollisionsfall mit Seitenaufprall erfasst, für welchen die Referenzhaltung eine Haltung ist, bei welcher Kopf, Rippen und Becken des Insassen möglichst weit von einem Deformationsbereich des Fahrzeugs entfernt sind, und der Rücken des Insassen nahe an einer Rückenlehne ist oder daran anliegt, und wobei die Stimulation derart erfolgt, dass im Wesentlichen diese Position eingenommen wird.
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In einer Ausführung ist die erfasste Haltung des Insassen eine im Wesentlichen aufrecht sitzende oder in einem Winkel nach hinten geneigte, oder eine liegende Haltung, oder eine Haltung mit zu einer Seite gedrehtem Oberköper, und/oder mit zu einer Seite oder nach vorne geneigtem Kopf, wobei die Haltung eine in Fahrtrichtung oder entgegen der Fahrtrichtung schauende Haltung ist, und für unterschiedliche Kombinationen der erfassten Haltung eine voreingestellte Referenzhaltung an die Vorrichtung zur Elektrostimulation übermittelt wird oder dort gespeichert ist.
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Die unterschiedlichen Referenzpositionen abhängig von der Haltung des Insassen sind vor allem im Falle eines hochautomatisiert bis hin zu autonom fahrendem Fahrzeug wichtig. Hier können/dürfen die Insassen dann nicht mehr nur die bisher erlaubten Positionen, nämlich im Wesentlichen nach vorne schauend und sitzend, einnehmen. Vor allem bei liegenden Positionen und Positionen, welche einen ungünstigen Winkel für den Insassen im Falle eines Aufpralls darstellen, ist es wichtig, den Insassen in eine Haltung bringen zu können, wodurch er möglichst wenig Schaden im Kollisionsfall erleidet. Deshalb sind verschiedene Referenzpositionen für unterschiedliche Haltungen des Insassen nötig, auch um die Referenzposition in einer angemessenen Zeit vor der tatsächlichen Kollision einnehmen zu können.
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In einer Ausführung ist die vorgegebene Fahrsituation eine Trainings- und/oder Unterstützungssituation, und wobei die Referenzhaltung eine für den Insassen spezifisch vorgegebene Referenzhaltung ist, und die Stimulation sowohl zeitweise als auch dauerhaft abhängig von für den Insassen vorgegebenen Parametern erfolgt.
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Die Stimulation kann also nicht nur im Falle einer Kollision, also zum Schutz von Insassen, erfolgen, sondern auch zu Unterstützungszwecken, z.B. zu Trainingszwecken. Beispielsweise kann eine in ihrer Bewegungsfähigkeit eingeschränkte Person, also z.B. eine Person, die nicht ohne Hilfsmittel (dauerhaft) aufrecht sitzen kann, derart stimuliert werden, dass sie trotzdem bestimmte Fahrtstrecken mit dem Fahrzeug zurücklegen kann. Auch kann die Stimulation zur Verbesserung der Haltung angewendet werden, um z.B. die Rückenmuskeln beim Fahren zu stärken. Vor allem im Falle des hochautomatisierten bis hin zum autonomen Fahren kann somit die Fahrzeit für andere Tätigkeiten wie z.B. zum Training der Rückenmuskulatur, verwendet werden.
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Die vorgestellte Elektrostimulation kann also sowohl im Crashfall als auch zum Muskeltraining angewendet werden. Durch die Elektrostimulation kann eine isometrische Muskelkontraktion über die Elektrostimulation erzeugt werden. Dabei werden der Agonist und der Antagonist angespannt. Durch die Elektrostimulation erfolgt eine Muskelanspannung ohne Körper- oder Extremitätsbewegung und die Position wird fixiert. Dies hat den Vorteil, dass der Insasse im Crashfall in Position gehalten wird und dass die Muskeln ansonsten ohne Körperbewegung trainiert werden können. Ferner kann auch eine konzentrische Muskelkontraktion über Elektrostimulation erfolgen. Dabei werden der Agonist und der Antagonist ungleich angespannt, so dass ein Muskel stärker angespannt wird als der andere. Dabei kommt es zur Bewegung (Beugung) der Extremität. So kann der Insasse im Crashfall in Position gebracht werden. Durch die Elektrostimulation kann ferner auch eine exzentrische Muskelkontraktion erzeugt werden. Dabei werden der Agonist und der Antagonist ebenso ungleich angespannt, und ein Muskel wird weniger stark angespannt, so dass ein gezieltes Nachlassen einer Position (Streckung) erzeugt wird. So kann die Körperposition eines Insassen im Crashfall durch gesteuertes Nachlassen verändert und so ein Energieabbau im Körper erzielt werden.
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Vorgeschlagen wird ferner ein Fahrzeug, aufweisend Fahrsituation-Erfassungsmittel, die dazu eingerichtet sind, eine Fahrsituation des Fahrzeugs zu erfassen, Insassen-Erfassungsmittel, die dazu eingerichtet sind, eine Haltung eines Insassen zu erfassen, sowie die Vorrichtung zur Elektrostimulation.
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Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren zur Elektrostimulation von Muskeln eines Insassen eines Fahrzeugs, wobei eine Erfassung der Haltung des Insassen in vorgegebenen Abständen erfolgt, wobei mittels Stimulationsmittel, die im Fahrzeuginneren und/oder an oder in Wirkungsnähe der Muskeln derart anzuordnen sind, dass sie vorgegebene Muskelpartien abhängig von einer erfassten Fahrsituation und Haltung des Insassen in einer vorgegebenen Art und Weise gezielt stimulieren, der Insasse derart stimuliert wird, dass er eine vorgegebene Referenzhaltung einnimmt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung wichtiger Komponenten der Vorrichtung in einem Fahrzeug gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Als Referenzhaltung wird eine gezielt für bestimmte Fahrsituationen vorgegebene Haltung eines Insassen bezeichnet. Dies ist eine deutliche Verbesserung zu der oben beschriebenen Stimulation von einzelnen Muskeln, welche lediglich darauf zielt, diese zu versteifen, aber der Insasse keine vorgegebene Haltung, also keine Referenzhaltung, durch die Stimulation einnimmt.
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Grundsätzlich können Skelettmuskeln eines Körpers über Elektrostimulation, genauer EMS (Elektro Muskuläre Stimulation oder Elektromyostimulation) aktiviert werden, so dass es zur isometrischen Kontraktion der Muskulatur kommt. Dies hat eine Versteifung des Körpers zur Folge. Die EMS erfolgt entweder direkt über Elektroden zur Haut bzw. indirekt über Kontaktgels oder ein Spray, welche Kontaktflüssigkeiten lokal und bedarfsgerecht aufbringen.
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Durch die Kontraktion der Muskulatur kann der menschliche Körper in aktiven Phasen (Wachzustand) oder passiven Phasen (Schlafzustand) im Falle eines Unfalls partiell oder vollständig versteift werden, wie im oben genannten Stand der Technik beschrieben. Eine solche Positionierung in eine Referenzposition ist bisher nicht beschrieben.
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Der Mensch kann dabei aber auch unabhängig von seiner Reaktionsfähigkeit, seinem Bewusstheitszustand vor bzw. während einer Kollisionssituation stabilisiert und in eine vorgegebene Referenzposition gebracht werden. Dadurch können Unfallschutzsysteme wie z.B. Gurt und Airbag effizienter wirken. Außerdem kann unabhängig davon eine Unterstützung der Körperhaltung durch die Stimulation, auch für Trainingszwecke, erfolgen. Dies kann auch implementiert werden, um eine zusätzliche Nutzung der Vorrichtung bereitzustellen.
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Das heißt, dass die vorgeschlagene Vorrichtung ebenso wie das vorgeschlagene Verfahren sowohl als Sicherheitssystem genutzt werden kann, als auch als unterstützendes System zu anderen Zwecken.
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1 zeigt eine schematische Darstellung wichtiger Komponenten der Vorrichtung zur Elektrostimulation 1 in einem Fahrzeug 100. Der Ablauf des Verfahrens ist schematisch in 2 dargestellt.
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Das nachfolgend beschriebene Verfahren und System wird anhand einer Anwendung im Fahrzeug, also z.B. einem PKW oder einem LKW mit entsprechender Ausstattung beschrieben. Die Vorrichtung oder zumindest Teile davon können auch in anderen Transportmitteln eingesetzt werden, z.B. bei Bussen, Motorrädern, in Flugzeugen, Zügen etc. Hier sind möglicherweise entsprechende Modifikationen vom Fachmann vorzunehmen, um die Vorrichtung an die Gegebenheiten anzupassen. Allerdings liegt der Fokus der Erfindung auf dem Einsatz im Fahrzeug, also einem PKW, und ist besonders vorteilhaft, wenn es sich um ein wenigstens hochautomatisiertes Fahrzeug handelt, vor allem wenn die Fahrsituation eine Kollisionssituation ist.
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Das Grundkonzept der Erfindung ist, dass ein Insasse eines Fahrzeugs derart über eine Elektrostimulation stimuliert wird, dass er eine vorgegebene Referenzhaltung einnimmt. Die Vorgabe der Referenzhaltung ist abhängig von der vorliegenden Fahrsituation und der aktuellen Haltung des Insassen.
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Wie in 1 schematisch gezeigt, ist es grundsätzlich vorteilhaft, wenn im Fahrzeug 100 zusätzlich zur Vorrichtung zur Elektrostimulation 1 mit den Stimulationsmitteln 11 entsprechende Fahrsituation-Erfassungsmittel 2 vorhanden sind, welche die Fahrsituation möglichst detailliert und vorausschauend erfassen können. Hierfür können Sensoren, Kameras etc. dienen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn auch Insassen-Erfassungsmittel 3, welche die Haltung des Insassen, d.h. jedes einzelnen Insassen des Fahrzeugs, möglichst separat erfassen können. Hierzu können ebenfalls entsprechende Sensoren, Kameras etc. dienen. Im Fall, dass die Vorrichtung zur Elektrostimulation 1 für Zwecke der Unterstützung bzw. des Trainings verwendet wird, kann auch ein Profil durch jeden Insassen gewählt werden, in dem entsprechende Informationen hinterlegt sind, welche Art der Stimulation angewendet werden soll. Die Teile der Erfassungsmittel 2 und 3, welche zur Verarbeitung der erfassten Daten dienen, können auch in einer einzigen Steuervorrichtung 4 intergiert sein, um die Verarbeitung der erfassten Daten der Fahrsituation und der Haltung des oder der Insassen zu verarbeiten. Die Stimulationsmittel können im Fahrzeug, in Textilien oder auch dem Sitz für den Insassen angeordnet sein, so dass sie die entsprechenden Muskelpartien stimulieren können, die je nach Auslegung der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Fahrsituation zu stimulieren sind. Hier wird nicht genauer auf die technische Umsetzung der Stimulation, also Art der verwendeten Stimulationsmittel 11 wie Elektroden bzw. Kontaktmittel etc., oder auf die Stromstärke oder auf die Verschaltung bzw. Verkabelung eingegangen, da dies für den Fachmann z.B. aus der oben genannten Druckschrift bekannt ist. Vielmehr wird auf das Erhalten der Referenzposition durch Stimulation in Abhängigkeit der Fahrsituation und der aktuellen Haltung des Insassen abgezielt.
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Nachfolgend wird zuerst die Fahrsituation Kollision beschrieben. Vorteilhafterweise kann auch eine Unterscheidung in die Art der Kollision getroffen werden, also z.B. Frontaufprall, Heckaufprall, Seitenaufprall. Hierzu sind die Fahrsituation-Erfassungsmittel 2 entsprechend zu wählen bzw. am Fahrzeug vorzusehen. Auch kann eine Nachrüstung bei Fahrzeugen erfolgen, welche nicht über die entsprechenden Erfassungsmittel verfügen. Bei der Fahrsituation Kollision ist eine sehr schnelle Reaktion der Stimulationsmittel 11 nötig, um vor dem Aufprall die Referenzhaltung zu erreichen, so dass die Sensorik und Signalübertragung entsprechend ausgelegt sein sollte. Reaktionszeiten für Auslösezeiten von Sicherheitseinrichtungen wie Airbags liegen vorteilhafterweise unter einer Sekunde, wobei die Sicherheitseinrichtungen von einem sogenannten Pre-Crash-System vor dem Aufprall ausgelöst werden, wie dies beim aktiven Sicherheitsgurt der Fall ist. Entweder kann der Vorrichtung zur Elektrostimulation 1 die für die Art der Kollision vorgegebene Referenzposition für den Insassen nach Verarbeitung der erfassten Daten vorgegeben werden oder die Vorrichtung zur Elektrostimulation 1 kann die Referenzposition selbst bestimmen bzw. ermitteln. Es können auch abhängig von der erfassten Haltung des Insassen voreingestellte Referenzpositionen vorhanden sein, um die Reaktionszeit zu verkürzen.
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Referenzpositionen können für vorgegebene Grundhaltungen wie im Wesentlichen sitzend, liegend oder seitlich lehnend eingestellt sein. Zusätzlich kann bei Erfassung, dass der Blick in oder gegen die Fahrtrichtung gerichtet ist und/oder der Kopf gedreht und/oder geneigt ist, die Referenzposition entsprechend angepasst werden, oder für bestimmte Kombinationen eine Referenzposition vorgegeben sein.
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Grundsätzlich sind folgende Referenzpositionen zum Schutz des Insassen in unterschiedlichen Aufprallsituationen vorteilhaft:
- - Im Falle eines Frontalaufpralls: ein aufrechter und symmetrischer Oberkörperwinkel, der Kopf des Insassen ist gerade, die Beine hüftbreit, sowie Füße auf einem Pedal oder einer Ablage, z.B. einer Komfortschräge abgestützt
- - Im Falle eines Heckaufpralls: Oberkörperwinkel aufrecht und symmetrisch, Kopf liegt an der Kopfstütze an
- - Im Falle eines Seitenaufpralls: Kopf, Rippen und Becken möglichst weit weg vom Deformationsbereich, Rücken nahe an Rückenlehne, um eine gute Abdeckung mit den Thoraxbags im Sitz zu erreichen
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Nachfolgend werden einige Beispiele für Haltungen eines Insassen vorgestellt und die Muskelpartien genannt, welche erfindungsgemäß vorteilhaft im Falle einer Kollision stimuliert werden.
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In einem Beispiel befindet sich der Oberkörper in zurückgelehnter Position bzw. Liegeposition. Hier ist eine Stimulation an Bauch und Rückenmuskulatur vorgesehen, um ein Aufrichten im Falle eines Frontaufpralls zu erreichen. Bei verschränkten Beinen ist eine Stimulation der Oberschenkel- und Hüftmuskulatur vorgesehen, um eine Anlage der Füße z.B. an die Ablage bzw. Komfortschräge und eine symmetrische Belastung der Oberschenkel zu erreichen.
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In einem weiteren Beispiel ist der Kopf innen an die Fahrzeugtür gelehnt, oder in einer anderen Art seitlich geneigt, z.B. zur Entspannung. Hier ist im Falle eines Erfassens eines Seitenaufpralls eine Stimulation von Bauch- und/oder Rückenmuskulatur an der stoßabgewandten Seite vorgesehen, um den Insassen von dem erwarteten Deformationsbereich wegzubewegen.
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In einem weiteren Beispiel ist bei einer vorgebeugten Kopfposition, z.B. beim Lesen, eine Stimulation der Rücken- und Halsmuskulatur vorgesehen, um eine Anlage mit der Kopfstütze zu erreichen.
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Die beschriebenen Beispiele sind lediglich für einige wenige mögliche Haltungen eines Insassen zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Prinzips beschrieben. Je nach aktueller Haltung des Insassen kann eine andere Referenzposition gewählt werden, um der erfassten Kollisionssituation entgegenzutreten. Auch kann in Fällen, in denen erfasst wird, dass die ideale Referenzhaltung z.B. aus Zeitgründen nicht eingenommen werden kann, eine andere, schneller einzunehmende Referenzhaltung als Notreferenzhaltung gewählt werden, um dennoch möglichst geringen Schaden zu erhalten.
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Der Ablauf des Verfahrens unabhängig von der Fahrsituation ist, dass eine Erfassung der Haltung des bzw. jedes Insassen möglichst regelmäßig in vorgegebenen Abständen erfolgt S1, so dass die Haltung möglichst zu jedem Zeitpunkt aktuell ist. Bei Erfassung einer Fahrsituation S2, in der eine Stimulation des Insassen erfolgen soll, wird der Insasse derart mit der Elektrostimulation stimuliert, dass er eine für die Fahrsituation vorgegebene Referenzhaltung einnimmt S3.
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Es ist nötig, die Haltung des Insassen zu erfassen, um die Referenzposition zu bestimmen. Dies gilt auch für den Fall, dass ein Profil durch jeden Insassen gewählt wurde, welches die Art der Stimulation vorgibt.
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Grundsätzlich kann das System, also die Vorrichtung zur Elektrostimulation, sowohl verwendet werden, um bei Unfällen mit einem Aufprall, also im Crashfall, die Insassen besser zu schützen, als auch, um ein Muskeltraining durchzuführen. Um eine optimale Stimulation im Ernstfall für den jeweiligen Insassen bereitzustellen, kann eine Kalibrierung des Systems erfolgen. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Insasse während der Fahrt stimuliert wird und Werte für Muskelkontraktion abhängig von der Stimulationsdauer und/oder der Stärke des Stimulationsimpluses gemessen werden und abhängig davon eine individuelle Stimulation für den Insassen für den Ernstfall berechnet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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