DE69533729T2

DE69533729T2 - Transportfahrzeuge und verfahren

Info

Publication number: DE69533729T2
Application number: DE69533729T
Authority: DE
Inventors: L. Dean KAMEN; R. Robert AMBROGI; J. Robert DUGGAN; Kurt Richard HEINZMANN; R. Brian KEY; Andrzej Skoskiewicz; K. Phyllis KRISTAL
Original assignee: Deka Products LP
Current assignee: Deka Products LP
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2015-02-04
Also published as: AU1912395A; CA2211738C; EP1298041A2; EP0806929B1; ES2231785T3; NO319281B1; JP3722493B2; KR20020035617A; KR19980701909A; EP1298041B1; CA2634029A1; JPH11500331A; DE69533729D1; FI116119B; WO1996023478A1; NO973153D0; EP1298041A3; EP0806929A1; AU705704B2; KR20020055581A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beförderungsmittel und Verfahren zum Transportieren von Einzelpersonen, und insbesondere auf Beförderungsmittel und Verfahren zum Transportieren von Einzelpersonen über einen Boden, der eine Oberfläche aufweist, die unregelmäßig sein kann.
Stand der Technik
Man kennt eine große Vielfalt von Beförderungsmitteln und Verfahren zum Transportieren menschlicher Subjekte. Der Entwurf dieser Beförderungsmittel ergibt sich allgemein aus einem Kompromiß, der der Stabilität vor der Manövrierfähigkeit den Vorzug gibt. Es wird beispielsweise schwierig, ein durch einen Benutzer führbares Beförderungsmittel mit Eigenantrieb zum Transportieren von Personen über einen Boden, der eine Oberfläche aufweist, die unregelmäßig sein kann, bereitzustellen, während trotzdem eine zweckmäßige Fortbewegung über einen Boden ermöglicht wird, der eine Oberfläche aufweist, die relativ eben ist. Beförderungsmittel, die eine Fortbewegung über unregelmäßige Oberflächen erzielen, sind tendenziell komplex, schwer und schwierig bezüglich einer gewöhnlichen Fortbewegung.
In der US-Patentschrift 4,375,840 ist eine bewegliche Stütze offenbart, die für behinderte Personen geeignet ist und einen Basisrahmen aufweist, der allgemein rechteckig ist. Der Basisrahmen weist zwei Radpaare auf. Ein Paar von diagonal gegenüberliegenden Rädern ist lenkbar angebracht, und ein Lenksteuermechanismus ist vorgesehen, um diese Räder zu steuern.
In der WO 98/06117 ist ein einachsiges Beförderungsmittel offenbart, bei dem ein Rückkopplungssteuerschema eine Stabilität liefert. Das Steuerschema ist derart, daß das Beförderungsmittel aufrecht bleibt. Dies wird erreicht, indem die Achse der Räder nach vorne oder nach hinten verschoben wird, um das Beförderungsmittel zu stabilisieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Beförderungsmittel vorgesehen, das eine Stütze zum Stützen eines Subjekts und ein Bodenkontaktierungsmodul, das an der Stütze befestigt ist und zumindest ein Bodenkontaktierungselement aufweist, umfaßt, wobei die Ausrichtung des Bodenkontaktierungsmoduls eine Vor-Zurück-Ebene und eine laterale Ebene definiert, wobei die Stütze und das Bodenkontaktierungsmodul Komponenten einer Anordnung sind und wobei es dem Beförderungsmittel an inhärenter Stabilität in der Vor-Zurück-Ebene mangelt, wobei das Beförderungsmittel ferner einen motorisierten Antrieb zum Ausüben eines Drehmoments auf das zumindest eine Bodenkontaktierungselement des Bodenkontaktierungsmoduls und eine Steuerschleife, die mit dem motorisierten Antrieb gekoppelt ist, zum dynamischen Aufrechterhalten einer Stabilität in der Vor-Zurück-Ebene durch einen Betrieb des motorisierten Antriebs aufweist, wobei das auf das zumindest eine Bodenkontaktierungselement ausgeübte Drehmoment in Abhängigkeit von einem Neigungs-Inklinationswinkel des Beförderungsmittels oder einer Zeitableitung desselben und einem Neigungsmodifikationswert ausgewählt wird, der bestimmt wird, um eine Kapazität des motorisierten Antriebs sicherzustellen und eine Balance und Steuerung des Beförderungsmittels beizubehalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Tragen eines Subjekts über einen Boden vorgesehen, der eine Oberfläche aufweist, die unregelmäßig sein kann, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Einnehmen einer Position an einem Beförderungsmittel, dem es inhärent an einer Stabilität in einer Vor-Zurück-Ebene mangelt;
(b) Erfassen einer Lehnneigung des Beförderungsmittels nach vorne und nach hinten um eine Berührungsregion des Beförderungsmittels mit dem Boden herum; und
(c) Betreiben eines motorisierten Antriebs, der in das Beförderungsmittel integriert ist und der eine Stabilität in der Vor-Zurück-Ebene dynamisch verbessert und eine Beschleunigung des Beförderungsmittels als Funktion des Lehnens des Beförderungsmittels nach vorne und nach hinten und einem Neigungsmodifikationswert bewirkt, der bestimmt wird, um eine Kapazität des motorisierten Antriebs sicherzustellen und eine Balance und Steuerung des Beförderungsmittels beizubehalten.

Dieses Verfahren verwendet das Drehmoment, das sich aus Gravitationskräften ergibt, wenn ein Lehnen des Beförderungsmittels vorliegt, um zu den Beschleunigungskräften des Beförderungsmittels beizutragen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die Erfindung ein Beförderungsmittel zum Transportieren eines menschlichen Subjektes über den Boden bereit, der eine Oberfläche aufweist, die unregelmäßig sein kann. Dieses Ausführungsbeispiel weist eine Stütze zum Stützen des Subjekts auf. Ein Bodenkontaktierungsmodul, das auf bewegliche Weise an der Stütze befestigt ist, dient dazu, das Subjekt in der Stütze über der Oberfläche in der Schwebe zu halten. Die Ausrichtung des Bodenkontaktierungsmoduls definiert eine Vor-Zurück-Ebene und eine laterale Ebene, die einander in der Vertikalen schneiden. Die Stütze und das Bodenkontaktierungsmodul sind Komponenten einer Baugruppe bzw. Anordnung. Ein motorisierter Antrieb, der an der Baugruppe angebracht und mit dem Bodenkontaktierungsmodul gekoppelt ist, bewirkt eine Fortbewegung der Baugruppe und des Sub jekts mit derselben über die Oberfläche. Schließlich weist das Ausführungsbeispiel eine Steuerschleife auf, in der der motorisierte Antrieb enthalten ist, zum dynamischen Verbessern der Stabilität in der Vor-Zurück-Ebene durch einen Betrieb des motorisierten Antriebs in Verbindung mit dem Bodenkontaktierungsmodul.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Bodenkontaktierungsmodul als Paar von Bodenkontaktierungsbaugliedern verwirklicht, die bezüglich einander lateral angeordnet sind. Die Bodenkontaktierungsbauglieder können Räder sein. Alternativ dazu kann jedes Bodenkontaktierungsbauglied eine Anhäufung von Rädern umfassen, wobei jede Anhäufung drehbar an einer gemeinsamen, lateral angeordneten zentralen Achse angebracht und um dieselbe herum durch einen Motor angetrieben wird; wobei jedes der Räder in jeder Anhäufung drehbar um eine Achse herum angebracht sein kann, die parallel zu der zentralen Achse ist, so daß die Entfernung von der zentralen Achse durch einen Durchmesser jedes Rades für jedes der Räder in der Anhäufung ungefähr dieselbe ist. Die Räder werden unabhängig von der Anhäufung durch einen Motor angetrieben.
Bei einem noch weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt jedes Bodenkontaktierungsbauglied ein Paar von axial benachbarten und drehbar angebrachten bogenförmigen Elementpaaren. Die bogenförmigen Elemente jedes Elementpaars sind transversal an gegenüberliegenden Enden einer Stützstrebe angeordnet, die an ihrem Mittelpunkt drehbar angebracht ist. Jede Stützstrebe wird durch einen Motor angetrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen zu betrachten ist, besser verständlich. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines vereinfachten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die ein auf demselben sitzendes Subjekt zeigt;
2 eine weitere perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels der 1, die weitere Einzelheiten des Ausführungsbeispiels zeigt;
3 eine schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels der 1, die die Schwenkanordnung dieses Ausführungsbeispiels zeigt;
4 einen Seitenaufriß des Ausführungsbeispiels der 1, wie es zum Hinauf- und Hinabsteigen von Treppen verwendet wird;
5 ein Blockdiagramm, das allgemein die Art der Leistung und Steuerung bei dem Ausführungsbeispiel der 1 zeigt;
6 die Steuerstrategie für eine vereinfachte Version der 1, um ein Gleichgewicht bzw. eine Balance unter Verwendung eines Raddrehmoments zu erzielen;
7 schematisch den Betrieb einer Steuerknüppel- bzw. Joystick-Steuerung der Räder der Ausführungsbeispiele der 1;
8 die Vorgehensweisen, die durch das Ausführungsbeispiel der 1 verwendet werden, um Treppen hinauf- und hinabzusteigen;
9–21 Ausführungsbeispiele der Erfindung, die ein Paar von Radanhäufungen als die Bodenkontaktierungsbauglieder verwenden;
9–10 die Verwendung eines Zweiradanhäufungsentwurfs in verschiedenen Positionen;
11–21 die Verwendung eines Dreiradanhäufungsentwurfs in verschiedenen Positionen und Konfigurationen;
22–24 ein Ausführungsbeispiel, bei dem jedes Bodenkontaktierungsbauglied als Mehrzahl von axial benachbarten und drehbar angebrachten bogenförmigen Elementgruppen verwirklicht ist;
25–26 mechanische Einzelheiten eines Dreiradanhäufungsentwurfs zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel der 18–20;
27 ein Blockdiagramm, das eine Kommunikation zwischen den bei dem Ausführungsbeispiel der 18–20 verwendeten Steueranordnungen zeigt;
28 ein Blockdiagramm, das die Struktur einer generischen Steueranordnung des Typs, der bei dem Ausführungsbeispiel der 27 verwendet wird, zeigt;
29 ein Blockdiagramm, das Einzelheiten der Treiberschnittstellenanordnung 273 der 27 liefert;
30 ein logisches Flußdiagramm, auf das in dem Verlauf eines Steuerzyklus die zentrale Mikrosteuerungsplatine 272 der 27 folgt;
31 Variablen, die die Abmessungen des Anhäufungsentwurfs der 11–26 und einer hypothetischen Treppe, bezüglich derer der Anhäufungsentwurf für ein Hinauf- oder Hinabsteigen verwendet wird, definieren;
32 Winkelvariablen, die für ein Definieren einer Ausrichtung der Anhäufung in bezug auf das Beförderungsmittel und die Welt relevant sind;
33 ein Diagramm der Radmotorsteuerung während eines Balancierens und einer normalen Fortbewegung;
34 ein Diagramm der Anhäufungssteuerungsanordnung während des Balancierens und der normalen Fortbewegung;
35 ein Diagramm, das sich auf 33 bezieht und die Anordnung zeigt, anhand derer die Zustandsvariablen, die die Radposition angeben, bestimmt werden, um die Auswirkungen einer Anhäufungsdrehung zu kompensieren;
36–38 die Steuerungsanordnung zum Hinauf- und Hinabsteigen einer Treppe und zum Überwinden eines Hindernisses, das durch den Anhäufungsentwurf der 11–26 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das ein Hinauf- und Hinabsteigen erlaubt, erzielt wird;
36 ein Diagramm für die Steuerungsanordnung für die Anhäufungsmotoren bei dem ersten Ausführungsbeispiel, das ein Hinauf- und Hinabsteigen ermöglicht, wobei hier ein Lehnmodus verwendet wird;
37 ein Diagramm für die Steuerungsanordnung für die Radmotoren bei dem ersten Ausführungsbeispiel, das ein Hinauf- und Hinabsteigen ermöglicht;
38 ein Blockdiagramm des Zustands des Beförderungsmittels, das das erste Ausführungsbeispiel verwendet, das ein Hinauf- und Hinabsteigen ermöglicht, zum Hin- und Herbewegen zwischen Leerlauf-, Lehn- und Balancemodi;
39A–B, 40A–B, 41A–B und 42A–C ein Hinauf- und Hinabsteigen von Treppen, das durch den Anhäufungsentwurf der 11–26 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das ein Hinauf- und Hinabsteigen ermöglicht, erzielt wird;
39A und 39B eine Ausrichtung der Anhäufung in der Sequenz eines Beginnens eines Hinauf- und Hinabsteigens einer Treppe gemäß dem zweiten Hinauf- und Hinabsteig-Ausführungsbeispiel;
40A und 40B eine Ausrichtung der Anhäufung in der Sequenz eines Neueinstellens der Winkelursprünge bei diesem Ausführungsbeispiel;
41A und 41B eine Ausrichtung der Anhäufung in der Sequenz eines Verlagerns von Gewicht bei diesem Ausführungsbeispiel;
42A, 42B und 42C eine Ausrichtung der Anhäufung in der Sequenz eines Hinauf- und Hinabsteigens bei diesem Ausführungsbeispiel;
43 ein Diagramm für die Steuerungsanordnung für die Rad- und Anhäufungsmotoren während der Startsequenz der 39A und 39B;
44 ein Diagramm für die Steuerungsanordnung für die Radmotoren während der Gewichtsverlagerungssequenz der 41A und 41B;
45 ein Diagramm für die Steuerungsanordnung während der Hinaufsteigsequenz der 42A, 42B und 42C;
46 und 47 schematisch ein Beförderungsmittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das mit Sensoren für ein Hinaufsteigen und Hinabsteigen von Treppen und anderen, ähnlichen Hindernissen ausgestattet ist;
48 einen vertikalen Schnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einer Konfiguration, die ähnlich derer der 9-12 ist und harmonische Antriebe verwendet;
49 Einzelheiten des Anhäufungsabschnitts des Beförderungsmittels der 48;
50 Einzelheiten der Anhäufungsantriebsanordnung des Beförderungsmittels der 48;
51 eine Endansicht einer Anhäufung des Beförderungsmittels der 48;
52 die mechanischen Einzelheiten der Hüft- und Kniegelenke des Beförderungsmittels der 48; und
53 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nichtvisuelle Ausgaben liefert, die für ein Subjekt, das ein Beförderungsmittel unter Kontrolle hat, nützlich sind.
Ausführliche Beschreibung spezifischer Ausführungsbeispiele
Die Erfindung kann in einer breiten Palette von Ausführungsbeispielen implementiert sein. Eine Charakteristik vieler dieser Ausführungsbeispiele ist die Verwendung eines Paares von lateral angeordneten Bodenkontaktierungsbaugliedern, um das Subjekt über der Oberfläche, bezüglich derer das Subjekt transportiert wird, in der Schwebe zu halten bzw. aufzuhängen. Die Bodenkontaktierungsbauglieder werden durch einen Motor angetrieben. Bei vielen Ausführungsbeispielen weist die Konfiguration, bei der das Subjekt während einer Fortbewegung in der Schwebe gehalten wird, zu mindest manchmal bezüglich einer Vertikalen in der Vor-Zurück-Ebene einen Mangel an inhärenter Stabilität auf, ist jedoch bezüglich einer Vertikalen in der lateralen Ebene relativ stabil. Eine Vor-Zurück-Stabilität wird erreicht, indem eine Steuerschleife, in der der Motor enthalten ist, zum Betrieb des Motors in Verbindung mit den Bodenkontaktierungsbaugliedern bereitgestellt wird. Wie nachfolgend beschrieben wird, kann das Paar von Bodenkontaktierungsbaugliedern beispielsweise ein Paar von Rädern oder ein Paar von Radanhäufungen sein. Im Fall von Radanhäufungen kann jede Anhäufung eine Mehrzahl von Rädern umfassen. Jedes Bodenkontaktierungsbauglied kann jedoch statt dessen eine Mehrzahl (in der Regel ein Paar) von axial benachbarten, radial gestützten und drehbar angebrachten bogenförmigen Elementen sein. Bei diesen Ausführungsbeispielen werden die Bodenkontaktierungsbauglieder durch den motorisierten Antrieb in der Steuerschleife derart angetrieben, um den Massenmittelpunkt des Beförderungsmittels über dem Berührungspunkt der Bodenkontaktierungsbauglieder mit dem Boden aufrechtzuerhalten, unabhängig von Störungen und Kräften, die auf das Beförderungsmittel einwirken.
In 1 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem die Hauptbodenkontaktierungsbauglieder ein Paar von Rädern sind und bei dem zusätzliche Bodenkontaktierungsbauglieder beim Hinauf- und Hinabsteigen von Treppen verwendet werden. (Wie nachstehend gezeigt wird, kann sowohl ein Hinauf- und Hinabsteigen von Treppen als auch eine Fortbewegung auf flachem Terrain mit einem einzigen Satz von Bodenkontaktierungsbaugliedern erreicht werden, wenn derartige Bauglieder die Radanhäufungen oder die bogenförmigen Elemente sind, auf die oben verwiesen wurde.)
Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel umfaßt eine Stützanordnung 12, die hier als Sessel verkörpert ist, auf dem ein Subjekt 13 sitzen kann. Das Beförderungsmittel ist mit einem Paar von Rädern 11 versehen, die bezüglich einan der lateral angeordnet sind. Diese Räder tragen dazu bei, eine Serie von Achsen zu definieren, die die vertikale Achse Z–Z, eine zu der Achse der Räder parallele laterale Achse Y–Y und eine Vor-Zurück-Achse X–X, die senkrecht zu der Radachse ist, umfassen. Die durch die vertikale Achse Z–Z und die laterale Achse Y–Y definierte Ebene wird manchmal als „laterale Ebene" bezeichnet, und die durch die Vor-Zurück-Achse X–X und die vertikale Achse Z–Z definierte Ebene wird manchmal als die „Vor-Zurück-Ebene" bezeichnet. Richtungen, die zu den Achsen X–X und Y–Y parallel sind, werden als die Vor-Zurück-Richtung bzw. als die laterale Richtung bezeichnet. Man kann erkennen, daß das Beförderungsmittel, wenn es sich zum Berühren des Bodens auf das Paar von Rädern 11 stützt, bezüglich einer Vertikalen in der Vor-Zurück-Richtung inhärent instabil ist, bezüglich einer Vertikalen in der lateralen Richtung jedoch relativ stabil ist.
In 2 kann man erkennen, daß das Beförderungsmittel zusätzlich zu den Rädern 11 mit einem Paar von lateral angeordneten Füßen 21, die in der Lage sind, in einem steuerbaren Ausmaß in der vertikalen Richtung ausgefahren zu werden, und mit einer Fußstütze 22 versehen ist. Die Fußstützen sind hier mit Sensoren zum Bestimmen der Höhe von Objekten, beispielsweise Treppen, über denen sie angeordnet sein können, versehen. Die Füße 21 sind auf einem Paar von entsprechenden ausfahrbaren Beinen 23 angeordnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Beförderungsmittel in der Vor-Zurück-Richtung sowie in der lateralen Richtung stabil, wenn beide Füße Kontakt mit dem Boden haben, auf die laterale Stabilität kann jedoch verzichtet werden, wenn ein Fuß Kontakt mit dem Boden hat.
In 3 ist eine Anordnung des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 gezeigt, die ein Schwenken des Sessels 12 bezüglich des Schwebesystems bzw. Aufhängsystems ermöglicht, einschließlich der Füße 21 und der dazugehörigen Beine 23. Das Schwenken arbeitet in einer Ebene, die ungefähr hori zontal ist. Die Schwenkanordnung ermöglicht in einer Kombination mit der Fähigkeit, jedes Bein auszufahren und einzufahren, eine Hinauf- und Hinabbewegung des Beförderungsmittels an Treppen auf eine Weise, die analog zu einer menschlichen Fortbewegung auf Treppen ist. Jedes Bein 23, wenn es als das gewichtsbelastete Bein dient, ermöglicht eine Drehung des restlichen Beförderungsmittels um die vertikale Achse des Beines im Verlauf einer Schwenkbewegung. Beim Erzielen der Schwenkbewegung dreht sich der Sessel um eine vertikale Achse, die zentral zwischen den Beinen 23 angeordnet ist, um die vorwärtsgewandte Richtung des Sessels beizubehalten. Ferner wird das nicht gewichtsbelastete Bein 23 im Verlauf einer Schwenkbewegung um seine vertikale Achse gedreht, um seinen zugehörigen Fuß 21 in einer vorwärtsgewandten Richtung beizubehalten.
Man kann erkennen, daß das in den 1–3 beschriebene Ausführungsbeispiel auf eine inhärente Vor-Zurück-Stabilität verzichtet, um eine relative Mobilität zu erzielen. Für allgemein graduelle Oberflächenänderungen beinhaltet der Balancemodus ein Bereitstellen einer Vor-Zurück-Stabilität in einem ansonsten inhärent instabilen System. Bei unregelmäßigeren Oberflächen, beispielsweise Treppen, weist dieses Ausführungsbeispiel einen getrennten „Stufenmodus" auf, der zum Hinaufsteigen oder Hinabsteigen von Treppen verwendet wird. Beim Hinauf- oder Hinabsteigen von Treppen kann eine Stabilität beispielsweise wiedererlangt werden, indem eine Hand verwendet wird, um einen gewöhnlichen Handlauf 41, wie er in 4 gezeigt ist, zu greifen, oder sogar indem eine zur Verfügung stehende Wand in der Nähe der Treppen berührt wird.
Ferner kann eine Vielzahl von Strategien verwendet werden, um das Verletzungsrisiko, das sich aus einem Fall ergibt, zu verringern. Bei einer Anordnung kann das Beförderungsmittel in dem Fall, daß bestimmt wird, daß ein Fall bevorsteht, in einen Kauermodus eintreten, in dem es den Massenmittelpunkt der Kombination aus Beförderungsmittel und menschlichem Subjekt rasch absenkt. Ein Absenken des Massenmittelpunktes kann erzielt werden, indem beispielsweise das Schwebesystem derart angelenkt oder getrennt wird, daß ein Verringern der Höhe des Sessels von der Oberfläche veranlaßt wird. Ein Kauermodus könnte auch die vorteilhaften Auswirkungen aufweisen, Energie zu dissipieren, bevor sie an das Subjekt weitergegeben wird, das Subjekt in eine Position zu plazieren, um die Verletzlichkeit des Subjektes zu verringern, und das Subjekt in eine Position zu versetzen, die niedriger liegt, um die Energie, die im Falle eines Stoßes an die Person übertragen wird, zu verringern.
Bei dem Blockdiagramm der 5 kann man erkennen, daß ein Steuersystem 51 verwendet wird, um die Motorantriebe und Betätigungsglieder des Ausführungsbeispiels der 1–4 zu steuern, um eine Fortbewegung und eine Balance zu erzielen. Diese umfassen Motorantriebe 531 und 532 für ein linkes bzw. ein rechts Rad, Betätigungsglieder 541 und 542 für ein linkes bzw. ein rechtes Bein, und einen Schwenkmotorantrieb 55. Das Steuersystem weist Dateneingaben auf, die eine Benutzerschnittstelle 561, einen Neigungssensor 562 zum Erfassen einer Vor-Zurück-Neigung, Raddrehsensoren 563, einen Betätigungsglied-Höhensensor 564, einen Schwenksensor 565 und einen Treppenabmessungssensor 566 umfassen.
Ein vereinfachter Steueralgorithmus zum Erreichen einer Balance bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Anspruch 1, wenn die Räder bezüglich einer Fortbewegung aktiv sind, ist in dem Blockdiagramm der 6 gezeigt. Die Anlage 61 ist äquivalent zu den Gleichungen einer Bewegung eines Systems mit einem Bodenkontaktierungsmodul, das durch einen einzigen Motor angetrieben wird, bevor die Steuerschleife angelegt ist. T identifiziert das Raddrehmoment. Das Schriftzeichen θ identifiziert die Vor-Zurück-Neigung (den Neigungswinkel des Beförderungsmittels bezüglich der Schwerkraft, d.h. der Vertikalen), X identifiziert die Vor-Zurück-Verschiebung entlang der Oberfläche relativ zu dem Referenzpunkt, und der Punkt über einem Schriftzeichen be zeichnet eine Variable, die bezüglich der Zeit differenziert ist. Der restliche Abschnitt der Figur ist die Steuerung, die zum Erreichen einer Balance verwendet wird. Die Kästchen 62 und 63 geben eine Differenzierung an. Um eine dynamische Steuerung zu erzielen, um eine Stabilität des Systems zu gewährleisten und um das System in der Nachbarschaft eines Referenzpunkts auf der Oberfläche zu halten, ist das Raddrehmoment T bei diesem Ausführungsbeispiel eingestellt, um die folgende Gleichung zu erfüllen:
Die Gewinne K₁, K₂, K₃ und K₄ sind von den physischen Parametern des Systems und anderen Auswirkungen, wie beispielsweise der Schwerkraft, abhängig. Der vereinfachte Steueralgorithmus der 6 erhält bei einem Vorliegen von Störungen, beispielsweise Änderungen des Massenmittelpunktes des Systems bezüglich des Referenzpunktes auf der Oberfläche, die auf eine Körperbewegung des Subjekts oder einen Kontakt mit anderen Personen oder Objekten zurückzuführen sind, eine Balance und ferner eine Nähe zu dem Referenzpunkt aufrecht.
Um statt des in 6 veranschaulichten Einradsystems zwei Räder unterzubringen, kann das Drehmoment, das von dem linken Motor gewünscht wird, und das Drehmoment, das von dem rechten Motor gewünscht wird, auf die unten in Verbindung mit 33 beschriebene allgemeine Weise separat berechnet werden. Zusätzlich ermöglicht ein Nachverfolgen sowohl der Bewegung des linken Rades als auch der Bewegung des rechten Rades, daß Einstellungen durchgeführt werden, um ein unerwünschtes Drehen des Beförderungsmittels zu verhindern und um Leistungsschwankungen zwischen den zwei Antriebsmotoren zu berücksichtigen.
Eine manuelle Schnittstelle wie beispielsweise ein Joystick bzw. Steuerhebel wird verwendet, um die Drehmomente jedes Motors einzustellen. Der Joystick weist in 7 angegebe ne Achsen auf. Beim Betrieb dieses Ausführungsbeispiels wird eine Vorwärtsbewegung des Joysticks verwendet, um eine Vorwärtsbewegung des Beförderungsmittels zu bewirken, und eine Rückwärtsbewegung des Joysticks bewirkt eine Rückwärtsbewegung des Beförderungsmittels. Desgleichen wird eine Linksdrehung durch eine nach links gerichtete Bewegung des Joysticks bewerkstelligt. Um eine Rechtsdrehung zu bewirken, wird der Joystick nach rechts bewegt. Die hier verwendete Konfiguration ermöglicht, daß sich das Beförderungsmittel an Ort und Stelle dreht, wenn der Joystick nach links oder rechts bewegt wird. Bezüglich einer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung besteht eine Alternative zu dem Joystick einfach in einem Nach-Vorne- oder Nach-Hinten-Lehnen, da der Neigungssensor (der θ mißt) eine Neigungsänderung, die das System zu kompensieren versuchen würde, identifizieren würde, was zu einer Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung führt, je nach der Lehnrichtung. Alternativ dazu können Steuerstrategien, die auf Fuzzy-Logik beruhen, implementiert werden.
Man kann erkennen, daß der Lösungsansatz des Einstellens von Motordrehmomenten, wenn der Balancemodus vorliegt, ermöglicht, daß eine Vor-Zurück-Stabilität ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen stabilisierenden Rädern oder Streben erreicht wird (obwohl derartige Stabilitätshilfen ebenfalls vorgesehen sein können). Mit anderen Worten wird Stabilität dynamisch erzielt, durch eine Bewegung der Komponenten des Beförderungsmittels (die in diesem Fall das ganze Beförderungsmittel darstellen) relativ zu dem Boden.
Hinauf- und Hinabsteigen von Treppen mit Beinen
8 zeigt eine Art und Weise eines Hinaufsteigens und Hinabsteigens von Treppen mit dem Ausführungsbeispiel der 1. Wenn sich das Beförderungsmittel einer Treppe gegenübersieht, werden anfänglich beide Beine eingefahren (bei Block 71 gezeigt), und anschließend wird die Höhe der er sten Stufe gemessen (Block 72). Es wird eine Bestimmung durchgeführt, ob ein Hinauf- oder Hinabsteigen der Treppe stattfinden soll (73). (An diesem Punkt ist es für das Erreichen einer Stabilität hilfreich, wenn das Subjekt einen zur Verfügung stehenden Handlauf ergreift.)
Danach wird in dem ersten Schritt des Treppenhinaufsteigens (bei Block 74 gezeigt) ein erstes Bein ausgefahren, bis das zweite Bein die Stufe freigibt (75). Das Beförderungs-mittel schwenkt anschließend, bis das zweite Bein über der Stufe ist, die es soeben freigegeben hat (78). (Beim Implementieren dieses Schrittes ist es möglich, einen Sensor zu verwenden, um auf der Basis der Stufentiefe zu bestimmen, wie weit geschwenkt werden soll. Alternativ dazu kann die Schwenkung über einen festgelegten Winkel, beispielsweise 90 Grad, erfolgen.) Der Sensor wird anschließend geprüft, um die Höhe der nächsten Stufe zu messen (72). Falls bestimmt wird, daß eine Stufe vorliegt (73), und die vorherige Stufe ungerade war (76), wird der Vorgang fortgesetzt, indem das zweite Bein ausgefahren und das erste Bein eingefahren wird, bis das erste Bein die nächste Stufe freigibt (79). Als nächstes schwenkt das Beförderungsmittel, bis das erste Bein über der freigegebenen Stufe ist (80). Der Sensor wird anschließend geprüft, um die Höhe der nächsten Stufe zu messen (72). Falls bestimmt wird, daß eine Stufe vorhanden ist (73), und die vorherige Stufe gerade war (76), wird der Vorgang fortgesetzt, indem das erste Bein ausgefahren und das zweite Bein eingefahren wird, bis das zweite Bein die nächste Stufe freigibt (78). Der Vorgang wird beginnend bei Block 72 wiederholt. Falls keine Stufe erfaßt wird, falls die vorherige Stufe ungerade war, wird er beendet, indem das zweite Bein etwas ausgefahren wird, wobei das erste Bein vollständig eingefahren wird, indem ein Schwenken erfolgt, bis beide Beine nach vorne gewandt sind, und indem anschließend das zweite Bein eingefahren wird, um auf beiden Füßen zu stehen. Falls keine Stufe erfaßt wird, falls die vorherige Stufe gerade war, wird er abgeschlossen, indem das erste Bein etwas ausgefahren wird, das zweite Bein vollständig eingefahren wird, geschwenkt wird, bis beide Beine nach vorne gewandt sind, und anschließend das erste Bein eingefahren wird, um auf beiden Füßen zu stehen (88).
Zum Hinabsteigen von Treppen wird nach einer analogen Verfahrensweise vorgegangen. Beim ersten Schritt des Hinabsteigens der Treppe (bei Block 81 gezeigt), wird das erste Bein etwas ausgefahren, um das zweite Bein freizugeben (Block 82). Danach schwenkt das Beförderungsmittel, bis das zweite Bein über der Stufe ist, auf die es hinabsteigen wird (84), das erste Bein wird eingefahren, und das zweite Bein wird ausgefahren, bis das zweite Bein auf der Stufe ist (85). Der Sensor wird anschließend geprüft, um die Höhe der nächsten Stufe zu messen (72). Falls bestimmt wird, daß eine Stufe vorliegt (73), und die vorherige Stufe ungerade war, wird der Vorgang fortgesetzt, indem geschwenkt wird, bis das erste Bein über der Stufe ist, auf die es ausfahren wird (86). Das zweite Bein wird anschließend eingefahren, und das erste Bein ausgefahren, bis das erste Bein auf der Stufe ist (Block 87). Der Sensor wird anschließend geprüft, um die Höhe der nächsten Stufe zu messen (72). Falls bestimmt wird, daß eine Stufe vorliegt (73), und die vorherige Stufe gerade war, wird der Vorgang fortgesetzt (84) und anschließend beginnend bei Block 72 wiederholt. Falls keine Stufe erfaßt wird, wird das Hinabsteigen abgeschlossen, indem geschwenkt wird, bis beide Beine nach vorne gewandt sind, und indem anschließend beide Beine eingefahren werden, um auf beiden Füßen zu stehen (88).
Statt der oben erörterten Schwenkanordnung kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eine relative Bewegung der Beine erreicht werden, indem veranlaßt wird, daß jedes Bein in einer Weise angebracht wird, die ermöglicht, daß es in der Vor- und Zurück-Richtung in einer ungefähr horizontalen Ebene gleitet. Alternativ dazu können die Beine Gelenke verwenden, die zu Knie- und Hüftgelenken von menschlichen Subjekten analog sind.
Hinauf- und Hinabsteigen einer Treppe mit Anhäufungen
Während das Ausführungsbeispiel der 1 unterschiedliche Bodenkontaktierungsbauglieder für ein Hinauf- bzw. Hinabsteigen von Treppen und für ein Navigieren auf einem ebenen Terrain erfordert, verwenden die in 9–21 gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung erfolgreich denselben Satz von Bodenkontaktierungsbaugliedern sowohl zum Hinauf- bzw. Hinabsteigen von Treppen als auch für eine Navigation auf ebenem Terrain. 9–18 veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, die statt des Paares von Rädern, die bei dem Ausführungsbeispiel der 1 verwendet werden, ein Paar von Radanhäufungen als Bodenkontaktierungsbauglieder verwenden.
Bei 9 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels gezeigt, das einen Zweiradanhäufungsentwurf verwendet. Das Subjekt 962 ist auf dem Sitz 95 dieses Ausführungsbeispiels gestützt gezeigt. Sichtbar ist die rechte Anhäufung 91 mit einem Paar von Rädern 931 und 932 in radial symmetrischen Positionen um die Drehachse 92 der Anhäufung. Eine ähnliche linke Anordnung wird ebenfalls verwendet. Jede Anhäufung weist ihren eigenen, getrennt gesteuerten Motor auf, um sie um ihre Drehachse 92 anzutreiben. Jedes Paar von Rädern (hier 931 und 932) wird ferner durch einen getrennt gesteuerten Motor um seine eigene Drehachse angetrieben, die Räder einer Anhäufung sind jedoch gekoppelt, um sich synchron zu drehen.
In 9 kann man sehen, daß die Anhäufung 91 so positioniert ist, daß beide Räder 931 und 932 mit dem Boden in Berührung sein können. Wenn die Anhäufung 91 (zusammen mit der linken Anhäufung) in dieser Position ist, ist das Be förderungsmittel dieses Ausführungsbeispiels in der Vor-Zurück-Ebene relativ stabil, wodurch ermöglicht wird, daß ein (stehend gezeigtes) Subjekt 961 schnell eine bequeme Sitzposition 962 auf dem Beförderungsmittel einnimmt, oder daß beispielsweise eine behinderte Person von einem anderen Sessel transferiert wird.
Die Anhäufung 91 kann jedoch um ihre Achse 92 gedreht werden, bis sich lediglich das Rad 932 jeder Anhäufung mit dem Boden in Kontakt befindet, wie in 10 gezeigt ist. Wenn die Anhäufung 91 (zusammen mit der linken Anhäufung) in dieser Position ist, weist das Beförderungsmittel dieselbe inhärente Vor-Zurück-Instabilität auf, wie sie oben in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der 1 erörtert wurde. Es können dieselben das System beherrschenden Gleichungen verwendet werden, die oben erörtert wurden, um die Räder anzutreiben, um auf dynamische Weise eine Vor-Zurück-Stabilität zu erzeugen. Wie ferner in den 9 und 10 gezeigt ist, kann der Sessel 95 über einen angelenkten Arm mit den Bodenkontaktierungsbaugliedern verbunden sein, der Segmente 941 und 942 aufweist, die bezüglich des Winkels in bezug aufeinander und den Sitz 95 eingestellt werden können. Die Einstellungen werden durch motorisierte Antriebe, die an Naben 945 und 946 angeordnet sind, erreicht. (Derartige Antriebe können beispielsweise harmonische Antriebe sein.) Infolge dieser Einstellungen (zusätzlich zu der Wirkung der Drehung der Anhäufungen) kann unter anderem die Höhe des Sitzes 95 verändert werden; man kann sehen, daß das Subjekt 101, während es auf dem Beförderungsmittel sitzt, eine Höhe erreichen kann, die mit einem stehenden Subjekt 961 vergleichbar ist (oder sogar größer ist als dasselbe). Dies ist wünschenswert, da sitzende Subjekte, beispielsweise in Rollstühlen, in der Regel durch stehende Subjekte in eine Art Zwergposition gebracht werden. Wie nachstehend ausführlicher erörtert wird, ermöglichen die vorstehenden Einstellungen ferner eine Einstellung der Vor-Zurück-Neigung des Sitzes.
11–18 zeigen die Verwendung eines Dreiradanhäufungsentwurfs bei verschiedenen Modi und Konfigurationen. 11 (die eine stabile Ruheposition zeigt) und 12 (die eine Balanceposition für eine Fortbewegung zeigt) für Dreiradanhäufungen entsprechen den 9 und 10 für Zweiradanhäufungen. Jede Dreiradanhäufung (hier ist die rechte Anhäufung 111 gezeigt) ist drehbar um eine Achse 112 angebracht und durch einen Motor angetrieben, wobei getrennt steuerbare Motoren verwendet werden. Wie in dem Fall des Zweiradanhäufungsentwurfs werden die Räder jeder Anhäufung getrennt angetrieben und gesteuert, laufen jedoch in jeder Anhäufung synchron.
Man sollte beachten, daß, obwohl viele der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele individuell gesteuerte, getrennte Motoren verwenden, für eine Anzahl von Funktionen ein gemeinsamer Motor verwendet werden kann, und daß die getrennte Steuerung durch eine geeignete Kupplung oder eine andere Leistungsübersetzungsanordnung, beispielsweise einen Differentialantrieb, erzielt werden kann. Der Begriff „motorisierter Antrieb", wie er in dieser Beschreibung und in den folgenden Patentansprüchen verwendet wird, bedeutet jegliches Beförderungsmittel, daß unabhängig von dem Mittel eine mechanische Leistung erzeugt, und umfaßt somit einen Motor, der elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder thermodynamisch ist (wobei Letzterer einen Innenverbrennungs- oder einen Außenverbrennungsmotor umfaßt), zusammen mit jeglicher geeigneten Anordnung für eine Übersetzung einer derartigen mechanischen Leistung; oder eine einen Schub erzeugende Vorrichtung wie beispielsweise ein Turbojet-Motor oder ein motorbetriebener Propeller.
13 ist ähnlich der 12, hier weist der Sessel 95 in der Darstellung jedoch eine Rückenlehne 131 und einen Sitz 132 auf. Der Winkel der Rückenlehne 131 relativ zu dem Sitz 132 und der Winkel des Sitzes 132 relativ zu der Horizontalen kann so eingestellt werden, daß, wenn sich die Rückenlehne 131 in einer allgemein vertikalen Ausrichtung befindet, der Sitz 132 zu der Vertikalen geneigt werden kann, um es dem Benutzer zu ermöglichen, eine eher nahezu stehende Position einzunehmen.
Bei 14 ist gezeigt, wie das Ausführungsbeispiel Treppen hinauf- bzw. hinabsteigt. Die Segmente 941 und 942 des angelenkten Armes sind hier in der ausgefahrenen Position, um eine maximale Höhe zu liefern, so daß die Füße des Subjektes 101 die Treppen 141 freigeben. Ein Hinauf- bzw. Hinabsteigen der Treppe wird durch eine Drehung jeder der rechten Anhäufung 111 und der linken Anhäufung (nicht gezeigt) um die zentrale Achse 112 und durch eine koordinierte Drehung der Räder erreicht. Die tatsächlichen Modi und Steueranordnungen zum Erreichen eines Ein Hinauf- bzw. Hinabsteigens einer Treppe werden nachstehend in Verbindung mit 27 ff. beschrieben.
15–17 sind Ansichten eines Ausführungsbeispiels, das ähnlich dem der 11 und 12 ist, bei dem jedoch eines der Segmente 161 und 171 des angelenkten Armes, in diesem Fall das Segment 171, eigentlich den Sitz 151 der Körperstützkombination, die den Sitz 151 und die Einfassung 152 aufweist, trägt. Die Einfassung 152 ist hier mit einer Kopfstütze 155 versehen. Wenn das Segment 171 in einer nahezu vertikalen Position ausgerichtet ist, bewegt sich der Sitz 151 aus dem Weg, was es dem Subjekt 153 ermöglicht, eine durch den Sitz 151, die Einfassung 152 und die Fußstütze 154 gestützte stehende Position einzunehmen.
18–20 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel, das ähnlich dem der 11–14 ist, bei dem die Höhe des Subjekts 101 durch ein Teleskopbauglied 181, dessen Verlängerung einer getrennten Motorsteuerung unterliegt, eingestellt werden. Ferner ist der Rollwinkel des Subjektes um eine Achse R–R in 19 über eine separat gesteuerte Motoreinheit 191 der 19 einstellbar, wie in 18 gezeigt ist. Ferner ist die Vor-Zurück-Neigung des Sessels 181, die in 19 und 20 in zwei verschiedenen Positionen gezeigt ist, über eine separat gesteuerte Motoreinheit 192 einstellbar. Obwohl die Rollen- und Neigungseinstellungen hier mit einem Drehpunkt und einem motorisierten Antrieb implementiert sind, könnte jede dieser Einstellungen beispielsweise auch durch eine Vier-Stangen- oder eine andere Verbindungsanordnung, die mit einem motorisierten Antrieb gekoppelt ist, implementiert sein.
Bei 21 kann man erkennen, daß ein Beförderungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, ohne einen Sessel bereitzustellen. Das Subjekt steht auf einer Plattform 211 und hält einen Griff 212 an einer Handhabungsvorrichtung 213, die an der Plattform 211 befestigt ist, so daß das Beförderungsmittel dieses Ausführungsbeispiels auf eine zu einem Motorroller analoge Weise betrieben werden kann. Der Griff 212 kann zweckmäßigerweise mit einem daumenbetriebenen Joystick für die Richtungssteuerung ausgestattet sein, obwohl auch andere Steuermethoden verwendet werden können. Beispielsweise können die Handhabungsvorrichtung 213 und der Griff 212 überhaupt weggelassen werden, und die Plattform 211 kann mit Sensoren ausgestattet sein, um ein Lehnen des Subjekts zu erfassen. Wie in Verbindung mit 5 beschrieben wurde und wie nachstehend näher beschrieben wird, wird die Neigung des Beförderungsmittels erfaßt und in der Steuerschleife kompensiert, so daß, falls sich das Subjekt nach vorne lehnt, das Beförderungsmittel sich vorwärtsbewegt, um eine vertikale Stabilität aufrechtzuerhalten. Demgemäß bewirkt ein Lehnen nach vorne eine Vorwärtsbewegung; ein Lehnen nach hinten bewirkt eine Rückwärtsbewegung. Entsprechende Kraftwandler können vorgesehen sein, um ein nach links und nach rechts gerichtetes Lehnen zu erfassen, und verwandte Steuerungen können vorgesehen sein, um infolge des erfaßten Lehnens ein Drehen nach links und rechts zu bewirken. Das Lehnen kann auch unter Verwendung von Nähe-Sensoren erfaßt werden. Desgleichen kann das Beförderungsmittel dieses Ausführungsbeispiels mit einem per Fuß betätigten (oder durch Kraft betätigten) Schalter ausgestattet sein, um das Beförderungsmittel zu aktivieren, derart, daß der Schalter aktivieren, derart, daß der Schalter geschlossen wird, um das Beförderungsmittel automatisch mit Leistung zu versorgen, wenn das Subjekt auf der Plattform 211 steht. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel linke und rechte Radanhäufungen 214 auf dieselbe Weise wie die Anhäufungen der 13 bis 20 betrieben werden, kann das Beförderungsmittel alternativ mit anderen Bodenkontaktierungsbaugliedern versehen sein, beispielsweise mit einem transversal angeordneten einzelnen Paar von Rädern, auf dieselbe Weise wie bei 1 (oder ohne Beine), oder mit linken und rechten Paaren von axial benachbarten und drehbar angebrachten bogenförmigen Elementpaaren auf ähnliche Weise wie die der nachfolgend beschriebenen 22 bis 24.
Hinauf- und Hinabsteigen einer Treppe unter Verwendung von bogenförmigen Elementen
22 bis 24 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel, bei dem jedes Bodenkontaktierungsbauglied als Mehrzahl (hier ein Paar) von axial benachbarten, drehbar angebrachten bogenförmigen Elementgruppen verwirklicht ist. Bei 22, die allgemein dem anhäufungsangetriebenen Ausführungsbeispiel der 15 entspricht, ist das rechte Bodenkontaktierungsbauglied beispielsweise als bogenförmiges Paar 221 und 222 verwirklicht. Die bogenförmigen Elemente (Posten 221a bis 221b und Posten 222a bis 222b) jedes Paars 221 und 222 sind transversal an gegenüberliegenden Enden einer Stützstrebe angeordnet (Posten 221c bzw. 222c), die an ihrem Mittelpunkt drehbar angebracht ist. Jede Stützstrebe 221c und 222c ist motorbetrieben und unabhängig von der anderen steuerbar. Im Betrieb, während einer normalen Fortbewegung, nähern sich die bogenförmigen Elemente jedes Paars einer Wirkung eines Rades an. Wenn beispielsweise während einer derartigen Fortbewegung das bogenförmige Element 221a dabei ist, Kontakt mit dem Boden zu verlieren, wurde das Element 222a gedreht, um an der gezeigten Position anzukommen, um zu ermöglichen, daß die durch die Form der bogenförmigen Elemente eingerichtete Rolle fortgesetzt wird. Auf diese Weise herrscht eine im wesentlichen kontinuierliche Rollbewegung des Beförderungsmittels entlang der bogenförmigen Elemente. Somit weist die Bewegung jedes der bogenförmigen Elemente um seine Drehachse allgemein keine konstante Winkelgeschwindigkeit auf. In der Regel bewegt sich jedes bogenförmige Elementpaar bei einer größeren Winkelgeschwindigkeit, wenn keines der Elemente des Paars einen Kontakt mit dem Boden aufweist. Wenn jedoch ein Element des Paares Kontakt mit dem Boden aufweist, wird die Winkelgeschwindigkeit des Paars (und somit des Bodenkontaktierungselements) gesteuert, um zu der gewünschten Bodengeschwindigkeit des Beförderungsmittels zu passen, so daß auf Wunsch eine konstante Bodengeschwindigkeit erreicht werden kann.
Eine Auswirkung, die sich aus Änderungen der Winkelgeschwindigkeit der bogenförmigen Elemente, um eine konstante Bodengeschwindigkeit zu ermöglichen, ergibt, ist das Vorliegen eines reaktiven Drehmoments an dem Rahmen, das dazu tendiert, unerwünschte Beschleunigungen des Beförderungsmittels zu bewirken. Eine Lösung besteht darin, das Beförderungsmittel so zu entwerfen, daß das reaktive Drehmoment des Motorantriebs gleich dem und entgegengesetzt zu dem reaktiven Drehmoment des bogenförmigen Elements, das es antreibt, ist, wobei es wie folgt ausgedrückt wird:
wobei I das Trägheitsmoment ist, die Tiefstellung L das bogenförmige Elementsystem bezeichnet und die Tiefstellung R das Rotorsystem bezeichnet. Diese Gleichung kann auch als
umgeschrieben werden.
Die Übersetzungsverhältnisse N_g können das Verhältnis der Winkelbeschleunigungen, wie folgt:
ersetzen. Durch Erfüllung dieser Gleichung in bezug auf N_g, was durch eine geeignete Konfiguration des Übersetzungsverhältnisses und der Trägheiten bewerkstelligt werden kann, befinden sich die reaktiven Drehmomente im Gleichgewicht, und das Beförderungsmittel bewegt sich reibungslos.
Vorzugsweise weist die radial äußerste Erstreckung jedes bogenförmigen Elements einen allgemein konstanten Hauptkrümmungsradius auf, der allgemein dem eines Kreises entspricht, dessen Längenradius gleich der Entfernung dieser Erstreckung ist. Jedes bogenförmige Element weist einen Vorderabschnitt, der sich dem Boden zuerst während einer Vorwärtsbewegung des Beförderungsmittels annähert, und einen Hinterabschnitt, der den Boden zuletzt bei einer Rückwärtsbewegung des Beförderungsmittels verläßt, auf. Der Vorderabschnitt des bogenförmigen Elements 221a beispielsweise ist als Posten 223 identifiziert, und der Hinterabschnitt des bogenförmigen Elements 221a ist als Posten 224 identifiziert. Um zu ermöglichen, daß aufeinanderfolgende bogenförmige Elemente den Boden im Verlauf einer Vorwärtsbewegung auf reibungslose Weise berühren, ist vorzuziehen, daß der Krümmungsradius jedes bogenförmigen Elements in der Nähe der Spitze seines Vorderabschnitts etwas kleiner ist als der Hauptkrümmungsradius dieses Elements. Um, analog dazu, zu erlauben, daß aufeinanderfolgende bogenförmige Elemente den Boden im Verlauf einer Rückwärtsbewegung auf reibungslose Weise berühren, ist vorzuziehen, daß der Krümmungsradius jedes bogenförmigen Elements in der Nähe der Spitze seines Hinterabschnitts etwas geringer ist als der Hauptkrümmungsradius dieses Elements. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Krümmungsradius in der Nähe der Spitze des Vorderabschnitts und des Hinterabschnitts auf andere Weise eingestellt werden, um den Transfer von Last von einem bogenförmigen Bauglied der Gruppe zu dem nächsten zu erleichtern. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann es beispielsweise wünschenswert sein, zu bewirken, daß der Spitzenkrümmungsradius größer ist als der Hauptkrümmungsradius. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Spitze ablenkbar angebracht sein und ist mit einer Ablenkanordnung gekoppelt, so daß der lokale Krümmungsradius auf eine Betätigung hin modifiziert werden kann.
Man sollte beachten, daß das Beförderungsmittel dieses Ausführungsbeispiels auf Wunsch in einer Ruheposition plaziert werden kann, indem Streben 221c und 222c in einem solchen Winkel (der sich an π-Radiane annähert) scherenartig bewegt werden, daß der Vorderabschnitt eines bogenförmigen Elements einen Kontakt mit dem Boden aufweist, der Hinterabschnitt eines anderen bogenförmigen Elements einen Kontakt mit dem Boden aufweist und die Berührungspunkte voneinander beabstandet sind. Eine derartige Position verringert ferner die Gesamthöhe des Beförderungsmittels und erleichtert eine kompakte Steuerung oder einen kompakten Transport des Beförderungsmittels.
Bei 23, die allgemein dem anhäufungsbetriebenen Ausführungsbeispiel der 17 entspricht, ist bei dem Beförderungsmittel der 22 das Subjekt auf der Plattform 154 stehend gezeigt, wobei der Sitz 151 vertikal ausgerichtet ist.
Bei 24 ist gezeigt, wie das Ausführungsbeispiel der 22 Treppen hinaufsteigt. Die Streben werden derart bewegt, daß aufeinanderfolgende bogenförmige Elemente auf aufeinanderfolgenden Treppen landen.
Einzelheiten einer Anhäufungsimplementierung
25 bis 26 liefern Einzelheiten eines Dreirad-Anhäufungsentwurfs für das Ausführungsbeispiel der 18 bis 20. Jede Anhäufung 251a und 251b weist ihren eigenen Antriebsmotor 252a und 252b auf, der die Anhäufung durch einen Getriebezug antreibt. Die Räder jeder Anhäufung werden durch einen Motor 253a für die Anhäufung 251a und durch einen Motor 253b für die Anhäufung 251b getrennt mit Leistung versorgt. Die Räder in einer gegebenen Anhäufung 251a oder 251b werden durch den Motor 253a oder 253b einer derartigen Anhäufung je nach Fall durch eine radial angeordnete Getriebeanordnung synchron angetrieben. Eine Seitenansicht der Anhäufung 251a bei 26 zeigt Räder 261a, 261b und 261c mit zugeordneten Antriebsgetrieben 262a, 262b und 262c, die durch jeweilige Leerlaufgetriebe 263a, 263b und 263c angetrieben werden, die wiederum durch ein Leistungsgetriebe 264 angetrieben werden, das wiederum durch die Welle des Motors 253a angetrieben wird.
27 ist ein Blockdiagramm, das eine Kommunikation zwischen den Steueranordnungen zeigt, die bei einem Beförderungsmittel gemäß dem Ausführungsbeispiel der 18 bis 20 verwendet werden. Ein ähnlicher Satz von Anordnungen kann für jegliches der anderen Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben werden, verwendet werden. Das Beförderungsmittel wird durch einen Batteriestapel 271 mit Leistung versorgt. Ein Bus 279 liefert Kommunikationen (hier seriell implementiert) zwischen den verschiedenen Anordnungen und versorgt dieselben mit Leistung. Eine Gesamtsystemsteuerung des Beförderungsmittels wird durch eine zentrale Mikrosteuerungsplatine 272 geliefert. Eingaben, die von Quellen wie beispielsweise dem Joystick und dem Neigungsmesser abgeleitet werden, in die zentrale Mikrosteuerungsplatine 272, die die Basis für eine Systemsteuerung darstellen, werden durch die Treiberschnittstellenanordnung 273 bereitgestellt, die unten in Verbindung mit 29 beschrieben wird. Die Neigung, Höhe und das Rollen des Sessels 182 der 18 werden durch eine Neigungsmotorsteueranordnung 274, eine Höhenmotorsteueranordnung 275 bzw. eine Rollenmotorsteueranordnung 276 eingestellt. Eine Drehung der rechten und linken Anhäufung wird durch eine Rechte- Anhäufung-Steueranordnung 278a bzw. eine Linke-Anhäufung-Steueranordnung 278b gesteuert. Eine Drehung der Räder in der rechten Anhäufung und in der linken Anhäufung wird durch eine Rechtes-Rad-Steueranordnung 277a und eine Linkes-Rad-Steueranordnung 277b gesteuert.
Die allgemeine Struktur jeder der Steueranordnungen, die in 7 identifiziert ist, die für die Sesselposition und Räder und Anhäufungen verwendet wird, ist in 28 gezeigt. Ein Motor 281 empfängt eine 3-Phasen-Leistung von einem Leistungswandler 282. Eine Ausgabe aus einem Hall-Effekt-Detektor 2812 liefert Informationssignale an den Leistungswandler 282, um die Leistungsphase an den Motor zu steuern. Informationssignale, die sich auf die Wellendrehung des Motors oder die Position von mechanischen Systemen, die durch den Motor betrieben werden, beziehen, können durch einen oder mehrere des Potentiometers 284, Tachometers 2811 oder inkrementalen Codierers 2813 geliefert werden. (Alternativ dazu kann der Hall-Effekt-Detektor 2812 selbst verwendet werden.) Diese Signale werden einer peripheren Mikrosteuerungsplatine 283 zugeführt. Zusätzliche Temperaturausgaben, die dem Leistungswandler 282 und dem Motor 281 zugeordnet sind, liefern Eingangssignale an die periphere Mikrosteuerungsplatine 283. Die periphere Mikrosteuerungsplatine 283 befindet sich wiederum über den Bus 279 in Kommunikation mit der zentralen Mikrosteuerungsplatine 272.
29 ist ein Blockdiagramm, das Einzelheiten der Treiberschnittstellenanordnung 273 der 27 liefert. Eine periphere Mikrocomputerplatine 291 empfängt eine Eingabe von einem Joystick 292 sowie von einem Neigungsmesser 293. Der Neigungsmesser liefert Informationssignale bezüglich Neigung und Neigungsrate. (Der Begriff „Neigungsmesser", wie er in diesem Kontext in der gesamten Beschreibung und in den beigefügten Patentansprüchen verwendet wird, bedeutet jegliche Vorrichtung, die eine Ausgabe liefert, die unabhängig von der Anordnung, die verwendet wird, um die Aus gabe zu erzielen, die Neigung oder Neigungsrate angibt; falls lediglich eine der Neigungs- und Neigungsratenvariablen als Ausgabe geliefert wird, kann die andere Variable durch eine geeignete Differenzierung oder Integration bezüglich der Zeit erhalten werden.) Um eine gesteuerte Schräglage in die Drehungen durch das Beförderungsmittel zu ermöglichen (um dadurch die Stabilität während des Drehens zu erhöhen), ist es auch denkbar, einen zweiten Neigungsmesser zu verwenden, um Informationen bezüglich eines Rollens oder einer Rollgeschwindigkeit oder, alternativ dazu, das Ergebnis des Systemgewichts und der Zentrifugalkraft zu liefern. Andere Eingaben 294 können ferner wünschenswerterweise als Eingabe in die periphere Mikrosteuerungsplatine 291 geliefert werden. Derartige andere Eingaben können Signale, die durch Schalter (Knöpfe und Tasten) tormäßig gesteuert werden, bezüglich einer Sesseleinstellung und zum Bestimmen des Betriebsmodus (beispielsweise Lehn-Modus oder Balancemodus, nachfolgend beschrieben) umfassen. Die periphere Mikrosteuerungsplatine 291 weist ferner Eingaben zum Empfangen von Signalen von dem Batteriestapel 271 in bezug auf Batteriespannung, Batteriestrom und Batterietemperatur auf. Die periphere Mikrosteuerungsplatine 291 befindet sich über den Bus 279 in Kommunikation mit der zentralen Mikrosteuerungsplatine 272.
30 ist ein logisches Flußdiagramm, auf das im Verlauf eines Steuerzyklus die zentrale Mikrosteuerungsplatine 272 der 27 folgt. Zu Diagnosezwecken beginnt der Zyklus bei Schritt 301, wobei bezüglich des Vorliegens einer Eingabe von dem Techniker geprüft wird. Der nächste Schritt 302, besteht darin, die Eingaben des Treibers von dem Joystick, von Schaltern, Knöpfen und Tasten zu lesen. Bei Schritt 303 werden als nächstes die Zustandsvariablen des Beförderungsmittels als Eingaben gelesen. Bei Schritt 3011 wird als nächstes die Anzeige des Technikers aktualisiert (im Fall einer diagnostischen Benutzung), und anschließend wird der Programmzustand bei Schritt 304 auf der Basis der Eingangsvariablen, die in den Schritten 301 mit 303 erhal ten wurden, modifiziert. Anschließend wird ein Test durchgeführt, ob das Programm verlassen werden soll (Schritt 3041), und falls die Bestimmung positiv ausfällt, werden alle Motorenverstärker gesperrt (Schritt 3042), und das Programm wird beendet. Andernfalls wird eine Sicherheitsprüfung (bei Schritt 3043) von relevanten Variablen (z. B. Temperatur, Batteriespannung usw.) durchgeführt, und falls das Ergebnis negativ ist, werden der Rad- und der Anhäufungsmotorverstärker gesperrt (Schritt 3044), und der Programmzustand wird anschließend modifiziert (Schritt 3055). Jedoch werden geeigneterweise mehrere Prüfebenen eingesetzt, so daß die Motorverstärker erst gesperrt werden, nachdem Schwellenalarmkonditionierungseinrichtungen eingerichtet wurden. Falls die Sicherheitsprüfung bei Schritt 3043 positiv ausfällt, oder nachdem der Programmzustand bei Schritt 3055 modifiziert wird, werden der Reihe nach Berechnungen bezüglich des Anhäufungsdrehmomentsignals (Schritt 305), des Raddrehmomentsignals (Schritt 306), des Neigungsgeschwindigkeitssignals (Schritt 307), des Rollgeschwindigkeitssignals (Schritt 308) und des Höhengeschwindigkeitssignals (309) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Berechnungen werden anschließend bei Schritt 3010 als Ausgabe an ihre jeweiligen Beförderungsmittel geliefert. Bei Schritt 3091 wartet das Programm auf das nächste Zeitgebungssignal, den Steuerzyklus erneut zu beginnen. Die Frequenz der Steuerzyklen bei diesem Ausführungsbeispiel liegt im Bereich von 200 bis 400 Hz, was ein zufriedenstellendes Steueransprechverhalten und eine zufriedenstellende Stabilität liefert.
31 veranschaulicht Variablen, die die Abmessungen des Anhäufungsentwurfs der 11 bis 26 und einer hypothetischen Treppe definieren, bezüglich derer der Anhäufungsentwurf für ein Hinauf- oder ein Heruntersteigen verwendet werden kann. In der folgenden Tabelle sind Variablen dargestellt, die verwendet werden, um diese in 31 verwendeten Abmessungen zu identifizieren. „Nominale Größe" bedeutet typische Abmessungen dieser Posten, wobei das Ausfüh rungsbeispiel der 18 bis 20 in Verbindung mit denselben implementiert wurde und funktioniert.
Tabelle 1. Abmessungsvariablen
Die folgenden Konventionen werden bei der Verwendung dieser Variablen und derjenigen der nachstehenden Tabelle 2 in Verbindung mit der nachstehenden Beschreibung verwendet:

1. Variablen, die in Weltkoordinaten definiert sind, werden unter Verwendung einer einzigen Tiefstellung in Großbuchstaben benannt. Weltkoordinaten sind Koordinaten, die fest auf die Erde bezogen sind (inert).
2. Variablen, die in relativen Koordinaten definiert sind, sind mit einer doppelten Tiefstellung bezeichnet. Die Tiefstellungen geben die Endpunkte der Variablen an. Die Reihenfolge der Tiefstellungen gibt das Vorzeichen der Variablen an. Beispielsweise ist θ_PC der Winkel zwischen dem Pfosten und dem Anhäufungsbein, an dem eine im Uhrzeigersinn erfolgende Drehung von dem Anhäufungspfosten positiv ist (siehe Anmerkung 4). Das „Bein" einer Anhäufung ist das Liniensegment von der Mitte der Anhäufung zu der Mitte des Rades, auf dem es derzeitig balanciert wird. Ein „Pfosten" einer Anhäufung ist das Liniensegment von dem Massenmittelpunkt des Systems zu dem Mittelpunkt der Anhäufung.
3. Tiefstellungen in Kleinbuchstaben werden verwendet, um andere Attribute anzugeben, z. B. rechts/links usw.: r = rechts; 1 = links; ref = Referenz; f = Fertigstellung; s = Start.
4. Alle Winkel sind in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung positiv, wo eine positive Bewegung in der positiven x-Richtung erfolgt.
5. Ein Punkt über einer Variablen gibt eine Zeitdifferenzierung an, z. B.
.

32 veranschaulicht Winkel- und Bewegungsvariablen, die für ein Definieren der Ausrichtung der Anhäufung in bezug auf das Beförderungsmittel und auf die Welt relevant sind. Diese Variablen sind wie in der folgenden Tabelle dargelegt definiert.
Tabelle 2. Winkel- und Bewegungsvariablen
33 bis 35 sind Blockdiagramme, die Steueralgorithmen zeigen, die sich für eine Verwendung in Verbindung mit den Steueranordnungen der 27 eignen, um eine Stabilität für ein Beförderungsmittel gemäß dem Ausführungsbeispiel der 11 bis 21 zu liefern, wenn es auf einem Paar von Rädern balanciert wird, und zwar sowohl während einer Fortbewegung als auch in einer feststehenden Position.
33 zeigt die Steueranordnung für die Motoren des rechten und des linken Rades (entsprechend den Pfosten 252a und 252b der 25). Die Aordnung weist Eingaben von θ,
,
(lineare Geschwindigkeit des linken Rades relativ zu dem Weltkoordinatensystem) und
(lineare Geschwindigkeit des rechten Rades) auf, zusätzlich zu Richtungseingaben 3300, die durch eine Joystick-Position entlang der X- und Y-Achse eines Referenzkoordinatensystems bestimmt werden. Die Eingaben θ,
und Fehlersignale x und ẋ (nachfolgend beschrieben), die jeweils Verstärkungen K1, K2, K3 bzw. K4 unterworfen sind, werden zu Eingaben in den Summierer 3319, der den grundlegenden Balancedrehmomentbefehl für die Räder erzeugt, auf die oben in Verbindung mit der obigen 6 beschriebene Weise. Die Ausgabe des Summierers 3319 wird mit der Ausgabe der Gieren-PID-Schleife 3316 (nachfolgend beschrieben) in dem Summierer 3320 kombiniert, anschließend in dem Teiler 3322 dividiert und in dem Sättigungsbegrenzer 3324 begrenzt, um den Linkes-Rad-Drehmomentbefehl zu erzeugen. Desgleichen wird die Ausgabe des Summierers 3319 mit der Ausgabe der PID-Schleife 3316 in dem Summierer 3321 kombiniert, anschließend in dem Teiler 3323 dividiert und in dem Sättigungsbegrenzer 3325 begrenzt, um den Rechtes-Rad-Drehmomentbefehl zu erzeugen.
Bei 33 bewegt eine Richtungseingabe entlang der X-Achse das Referenzkoordinatensystem entlang seiner X-Achse relativ zu dem Weltkoordinatensystem (das die durchwanderte Oberfläche darstellt), bei einer zu der Verschiebung des Joysticks proportionalen Geschwindigkeit. Eine Richtungseingabe entlang der Y-Achse dreht das Referenzkoordinatensystem bei einer Winkelgeschwindigkeit, die proportional zu der Verschiebung des Joysticks ist, um seine Z-Achse. Man wird erkennen, daß eine Bewegung des Joysticks in der positiven X-Richtung hier als eine Vorwärtsbewegung interpretiert wird; eine Bewegung des Joysticks in der negativen X-Richtung bedeutet eine Rückwärtsbewegung. Desgleichen bedeutet eine Bewegung des Joysticks in der positiven Y-Richtung eine Linksdrehung, von oben betrachtet gegen den Uhrzeigersinn; eine Bewegung des Joysticks in der negativen Y-Richtung bedeutet eine Rechtsdrehung, von oben betrachtet im Uhrzeigersinn. Daher wird den Richtungseingaben Y und X über Unempfindlichkeitsblöcke 3301 bzw. 3302 ein Unempfindlichkeitsbereich verliehen, um die neutrale Position des Joysticks zu erweitern, anschließend werden sie Verstärkungen K11 und K10 unterworfen, anschließend durch die Begrenzer 3303 bzw. 3304, die die winkelmäßigen bzw. linearen Beschleunigungen des Referenzkoordinatensystems begrenzen, bezüglich ihrer Rate begrenzt. Die Summe dieser Ausgaben, die durch den Summierer 3305 erreicht wird, wird zu der Referenzgeschwindigkeit ẋ_r
ref wohingegen die Differenz dieser Ausgaben, die durch den Summierer 3306 erzielt wird, zu der Referenzgeschwindigkeit ẋ_{l ref} wird. Diese Referenzgeschwindigkeiten werden in Summierern 3308 und 3307 von Kompensierte-Lineare-Geschwindigkeit-Eingangssignalen
und
für das linke und das rechte Rad subtrahiert (bezüglich dieser Mengen siehe nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit 35), um für das linke und das rechte Rad innerhalb des Referenzkoordinatensystems Geschwindigkeitsfehlersignale ẋ_l und ẋ_r zu erhalten. Der Durchschnitt dieser Signale, der durch den Summierer 3317 und den Teiler 3318 bestimmt wird, erzeugt wiederum ein Lineare-Geschwindigkeit-Fehlersignal ẋ. Ein Verschiebungsfehlersi gnal x wird durch ein Integrieren von
und
in Integratoren 3310 und 3309, durch ein Begrenzen der Ergebnisse in den Sättigungsbegrenzern 3312 und 3311 und ein anschließendes Mitteln ihrer Ausgaben über den Summierer 3313 und den Teiler 3315 abgeleitet. Die Differenz zwischen diesen Verschiebungen, die über den Summierer 3314 bestimmt wird, erzeugt das Gieren-Fehlersignal Ψ.
Das Gieren-Fehlersignal Ψ wird durch eine standardmäßige PID-Steuerschleife (PID = proportional-plus-integral-plus-derivative, Proportional-Integral-Differential) 3316 geleitet, deren Ausgabe mit der Ausgabe des grundlegenden Balancedrehmomentbefehls des Summierers 3319 kombiniert wird, um die einzelnen Raddrehmomentbefehle zu erzeugen, die bewirken, daß die Räder eine Vor-Zurück-Stabilität aufrechterhalten, und die ferner bewirken, daß sich das Beförderungsmittel selbst mit den Achsen des Referenzkoordinatensystems ausrichten und dem Ursprung desselben folgen, wie es durch die Richtungseingabe 3300 gelenkt wird.
34 ist ein Diagramm der Anhäufungssteueranordnung. Die Ausrichtung der Anhäufungen kann durch Richtungseingaben 3400 gesteuert werden. Auf Wunsch kann derselbe Joystick, der verwendet wird, um den Rädern Richtungseingaben 3300 zu liefern, durch einen getrennten Schalter umgeschaltet werden, um in einem separaten Modus wirksam zu sein, um die Richtungseingaben 3400 zu liefern, die die Ausrichtung der Anhäufungen festlegen. Auf eine Weise, die allgemein zu dem Signalweg durch die Summierer 3306 und 3305 der 33 analog ist, werden hier die Joystick-Signale, die sich aus einer positiven Verschiebung in der X-Richtung ergeben, in den Summierern 3402 und 3401 addiert, und Signale, die sich aus einer positiven Verschiebung in der Y-Richtung ergeben, werden in besagten Summierern voneinander subtrahiert, um Links- und Rechts-Anhäufungsdrehungsgeschwindigkeitssignale zu liefern, die nach der Integration in Integratoren 3404 bzw. 3403 gewünschte Anhäufungswinkelausrichtungsinforma tionen an Linke- und Rechte-Anhäufung-Summierer 3406 bzw. 3405 liefern.
Abwesende Richtungseingaben 3400, die bevorzugte Anhäufungsausrichtung, normalerweise θ_{PC ref} = π Radiane, werden zusammen mit Signalen, die eine tatsächliche Anhäufungsausrichtung θ_PCl und θ_PCr zeigen (die durch ein Weiterleiten von Anhäufungswinkelgeschwindigkeitssignalen von Linke- und Rechte-Anhäufung-Codierern durch Integratoren 3412 bzw. 3411 abgeleitet werden), über eine Leitung 3413 der 34 an jeden der Summierer 3406 und 3405 geliefert. Die Ausgaben der Summierer 3406 und 3405 sind somit Anhäufungspositionsfehlersignale für die linke bzw. die rechte Anhäufung. Diese Signale werden durch PID-Steuerschleifen 3408 und 3407 und Sättigungsbegrenzer 3410 und 3409 eingespeist, um die Linke- und Rechte-Anhäufung-Motoren anzutreiben.
35 ist ein auf 33 bezogenes Diagramm, das die Anordnung zeigt, anhand derer die Zustandsvariablen, die die Radposition, die Neigung und die Neigungsrate angeben, bestimmt werden, um die Auswirkungen einer Anhäufungsdrehung zu kompensieren. Wie in Tabelle 2 erwähnt wurde, ist der Neigungswinkel θ der tatsächliche Winkel zwischen dem Massenmittelpunkt des Beförderungsmittels und der Mitte des Rades, auf dem derzeit balanciert wird. Der durch den Neigungsmesser gemessene Winkel θ_l ist der Winkel des Pfostens bezüglich der Vertikalen. Daher beruht der tatsächliche Neigungswinkel θ auf θ_l, von dem ein Korrektursignal θ_{l corr} durch den Summierer 3518 subtrahiert wird. Das Signal θ_{l corr} wird in dem Summierer 3516 als θ_PC + π – θ_C berechnet. Das Signal θ_PC wird als der Durchschnitt der Linker- und Rechter-Pfosten-zu-Anhäufung-Winkeln θ_PCl und θ_PCr bestimmt, die von einer Integration in Integratoren 3509 und 3510 von Linke- und Rechte-Anhäufung-Codiererausgaben erhalten werden; der Durchschnitt wird durch Verwendung des Summierers 3511 und des Teilers 3512 erhalten. Angenommen, das Beförderungsmittel werde balanciert, kann θ_C unter Verwendung der folgenden Formel von θ_PC abgeleitet werden:
Diese Berechnung wird in dem Abschnitt 3515 erreicht. θ_{l corr} wird durch den Differentiator 3517 differenziert, um eine Korrektur des Neigungsratensignals
zu liefern, die durch den Summierer 3519 bereitgestellt wird, wobei sich die korrigierte Ausgabe
ergibt.
Desgleichen werden die linearen linken und rechten Geschwindigkeiten
und
für das linke und das rechte Rad von einer Differenzierung durch Differentiatoren 3507 und 3508 der abgeleiteten Linke- und Rechte-Position-Signale
und
abgeleitet. Die Positionssignale werden wiederum abgeleitet, indem die bestimmten absoluten Winkelpositionen θ_Wl und θ_Wr des linken und des rechten Rades mit einer Verstärkung von r in Multiplizierern 3505 und 3504 multipliziert werden. Die Winkelpositionen θ_Wl und θ_Wr werden bestimmt, indem zuerst die Linkes- und Rechtes-Rad-Codierersignale
und
in den Integratoren 3501 und 3502 integriert werden, um θ_PWl und θ_PWr zu erhalten. Diese Signale werden anschließend in die Summierer 3503 und 3504 eingespeist, wo sie bezüglich der Auswirkungen der Anhäufungsdrehung durch die Hinzufügung von θ_C und der Menge ½ (θ_PC – π), die von dem Summierer 3513 und dem Teiler 3514 abgeleitet ist, kompensiert werden.
36 und 37 sind Blockdiagramme, die Steueralgorithmen zeigen, die für eine Verwendung in Verbindung mit den Steueranordnungen der 27 geeignet sind, um es einem Beförderungsmittel gemäß dem Ausführungsbeispiel der 11 bis 21 zu ermöglichen, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das ein Hinauf- bzw. Hinabsteigen ermöglicht, ein Hinauf- bzw. Hinabsteigen von Treppen und eine Überwindung von Hindernissen zu erreichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Anhäufungen in einen Lehn-Modus versetzt, indem sie gedreht werden, um zu versuchen, auf dieselbe allgemeine Weise, wie sie normalerweise beim Balancieren durch eine Raddrehung, wie sie in 33 gezeigt ist, verwendet wird, das Gleichgewicht zu halten. Es werden die gleichen grundlegenden Gleichungen verwendet. Bei 36 liefert ein Summierer 3601 Korrektursignale, um die linke und rechte Anhäufung anzutreiben, die unter anderem von dem Neigungsmesser 3602 abgeleitet sind, der über Verstärkungen K1 bzw. K2 Neigungs- und Neigungsratensignale θ und
liefert. Die Codiererausgaben von der linken und der rechten Anhäufung liefern Eingaben von
und
, die durch die Integratoren 3603 bzw. 3604 integriert werden und durch die Begrenzer 3605 bzw. 3606 sättigungsbegrenzt werden, um θ_PCl und θ_PCr zu erzeugen. Diese Werte führen, wenn sie über den Summierer 3608 und den Teiler 3610 gemittelt werden, zu einer winkelmäßigen Verschiebung θ_PC, die durch die Verstärkung K3 als zusätzliche Eingabe in den Summierer 3601 bereitgestellt wird. Die Geschwindigkeit
, die als Durchschnitt von
und
über den Summierer 3617 und den Teiler 3618 bestimmt wird, ist eine weitere Eingabe in den Summierer 3601, dieses Mal über die Verstärkung K4. Die Ausgabe des Summierers 3601 liefert einen gleichmäßigen Antrieb der linken und rechten Anhäufungsmotoren über die Summierer 3611 bzw. 3612, die Teiler 3613 bzw. 3614 und die Sättigungsegrenzen 3615 bzw. 3616. Ferner liefert jedoch das Verdrehungssignal über die PID-Steuerschleife 3609 durch die Summierer 3611 und 3612 einen Differentialantrieb an die Linke- und Rechte-Anhäufung-Motoren. Das Verdrehungssignal wird abgeleitet, indem der Summierer 3607 verwendet wird, um die Signale θ_PCl Und θ_PCr voneinander zu subtrahieren.
Wenn sich die Anhäufungen im Lehnmodus befinden, befinden sich die Räder in einem Slave-Modus, in dem die Räder als Funktion der Drehung der Anhäufungen angetrieben werden. Dies ist in 37 gezeigt, wo θ_PC, das von der 36 abgeleitet ist, als Ausgabe von dem Teiler 3610 mit einer Anstiegsverhältniskonstante bzw. Anstiegs- und Abstiegsverhältniskonstante in der Verstärkung 3701 multipliziert wird, um θ_PWref zu erzeugen, ein Signal, das in die Summie rer 3703 und 3702 eingespeist wird, um die linken und rechten Radmotoren über PID-Steuerschleifen 3705 bzw. 3704 und Sättigungsgrenzen 3707 bzw. 3706 zu steuern. Ein Vergleich der 37 und 34 zeigt, daß die Räder auf dieselbe Weise den Anhäufungen in 37 untergeordnet sind, wie die Anhäufungen der vertikalen (π-Radiane-)Eingabe 3413 in 34 untergeordnet sind. Bei 37 weisen die Summierer 3703 und 3702 jeweils zwei andere Eingaben auf. Eine Eingabe besteht darin, die Ergebnisse der Richtungseingaben 3714 von dem Joystick nachzuverfolgen, was auf eine zu der Verarbeitung in 34 analoge Weise über die Summierer 3709 und 3708 und die Integratoren 3711 und 3710 linke und rechte Steuersignale erzeugt, die als Eingaben in die Summierer 3703 bzw. 3702 bereitgestellt werden. Eine weitere Eingabe besteht darin, die Auswirkungen der Raddrehung nachzuverfolgen, so daß θ_PWl und θ_PWr, die erhalten werden, indem die Linkes- und Rechtes-Rad-Codiererausgaben durch Integratoren 3713 und 3712 geführt werden, ebenfalls durch die Summierer 3703 und 3702 subtrahiert werden.
Die Verwendung des Lehnmodus liefert ein wirkungsvolles und stabiles Verfahren, um ein Hinübersteigen über bzw. Überwinden von Hindernissen zu erzielen. Das Anstiegsverhältnis wird durch den Multiplizierer bestimmt, der für die Verstärkung 3701 der 37 ausgewählt ist. Nachdem es bestimmt wurde (ein Posten kann im Anschluß an eine Hindernismessung unter Verwendung geeigneter räumlicher Sensoren manuell ausgewählt oder automatisch bestimmt werden oder kann insgesamt oder teilweise auf der Basis der Zustandsvariablen selbst empirisch bestimmt werden), kann das Beförderungsmittel Hindernisse überwinden, indem sich das Subjekt lehnt oder das Beförderungsmittel veranlaßt, sich in die gewünschte Richtung zu lehnen. Zur selben Zeit, wie die Anhäufungen sich mit den Rädern über die Hindernisse drehen, drehen sie sich, um ein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Wenn das Beförderungsmittel auf keine Hindernisse trifft, kann es wünschenswerterweise in dem Balancemodus der 33 und 34 betrieben werden, wobei die Anhäufungen π-Radianen untergeordnet sind und die Räder ein Gleichgewicht aufrechterhalten und eine gewünschte Fortbewegung bewirken.
Die Übergänge zwischen einem Radbalancemodus und einem Anhäufungslehnmodus sind eine Angelegenheit, die Aufmerksamkeit erfordert. 38 ist ein Blockdiagramm des Zustands des Beförderungsmittels, wobei das Ausführungsbeispiel der 33 bis 37 verwendet wird, zwischen Ruhe-, Lehn- und Balancemodi. Zu Schlüsselzeiten tritt keine Zustandsänderung auf, bevor nicht bestimmt wird, daß (θ_PC – π) mod (2π/3) = 0. Dies ist ein Punkt, an dem der Massenmittelpunkt ungefähr über dem Bodenkontaktierungspaar liegt, und eine derartige Bedingung wird nachstehend in dieser Beschreibung und in den folgenden Patentansprüchen als „Nulldurchgang" bezeichnet. Beim Nulldurchgang ist die Anhäufung in einer Position, so daß sie beispielsweise auf die Weise der 34 der Position θ_PC = π untergeordnet werden kann. Nachdem bei Block 3801 begonnen wird, ist der anfängliche Zustand des Beförderungsmittels Zu Leerlauf 3802, von wo es in den Zustand Leerlauf 3803 eintritt und in demselben verbleibt, bis der Betrieb-/Leerlaufschalter in die Betrieb-Position bewegt wird. Wenn es sich in dieser Position befindet, tritt das Beförderungsmittel in den Von-Leerlauf-Zustand 3804 ein. Da keine absolute Bezugnahme auf eine der Anhäufungen vorliegt, gehen wir davon aus, daß sich das Beförderungsmittel bei dem Zustand „Von Leerlauf" 3804, wo eine absolute Referenz erstellt wird, auf flachem, ebenen Boden befindet. Jegliche Bewegung der Anhäufungen, die durch die inkrementalen Codierer bestimmt wird, ist relativ zu dieser Referenz. An diesem Punkt oder an einem beliebigen späteren Punkt, falls der Betrieb-/Leerlauf-Schalter zurück zu der Leerlaufposition bewegt wird, kehrt der Zustand über den Pfad 3812 zu dem Zu-Leerlauf-Zustand 3802 zurück. Andernfalls wird der Zustand zu Warten 3805 und bleibt dort, bis bestimmt wird, daß θ = 0, woraufhin der Zustand Zu Lehnen 3806 wird. Zu Lehnen bewegt sich dann zu Lehnen 3807 und verbleibt dort, es sei denn, ein Schalter wird bewegt. Falls der Lehnen-/Balance-Schalter anschließend in der Balanceposition plaziert wird und falls die Anhäufungen einen Nulldurchgang erfahren, bewegt sich der Zustand nachfolgend zu Von Lehnen 38, zu Zu Balance 3809 und schließlich zu Balance 3810. Falls der Lehnen-/Balance-Schalter zu der Lehnen-Position bewegt wird, bewegt sich der Zustand zu Von-Balance 3811 und zurück zu Zu Lehnen 3806.
Der Warten-Zustand ermöglicht einen glatten Start der Rad- und Anhäufungsmotoren. Ohne denselben würde die Steuerschleife sofort versuchen, ein potentiell großes Fehlersignal von dem Neigungsmesser zu kompensieren. Dadurch, daß bei einem Nulldurchgang gestartet wird, wird dies vermieden. Eine zusätzliche Technik des Überwachens von
und des Erforderns, daß es bei einem Nulldurchgang unter einer bestimmten Schwelle liegt, liefert einen sogar noch weicheren Start.
39A–B, 40A–B, 41A–B und 42A–C veranschaulichen die Sequenzen in einer Steueranordnung, um es einem Beförderungsmittel gemäß dem Ausführungsbeispiel der 11 bis 21 zu ermöglichen, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Treppe hinauf- bzw. hinabzusteigen. Dieses Ausführungsbeispiel beinhaltet vier grundlegende Betriebssequenzen: Start; Winkelursprünge neu einstellen; Gewicht verlagern; und Hinauf- bzw. Hinabsteigen. Dieses Ausführungsbeispiel kann neben anderen auf zweckmäßige Weise in der Steueranordnung der 27 implementiert werden: Blockdiagramme, die Steueralgorithmen zum Erzielen dieser vier Sequenzen zeigen, sind in den 43 (Start), 44 (Gewicht verlagern) und 45 (Hinaufsteigen) gezeigt. (In der Sequenz Winkelursprünge neu einstellen ist keine Bewegung enthalten, und deshalb ist für diese Sequenz kein Steueralgorithmus gezeigt). 39A und 39B veranschaulichen eine Ausrichtung der Anhäufung in der Start-Sequenz. Bei dieser Sequenz bewegt sich die Anhäufung von ihrer normalen Balanceposition auf zwei Rädern (39A) zu einer Position (in 39B gezeigt), bei der sich ein erstes Paar von Rädern (eines von jeder Anhäufung) auf einer ersten Ebene befindet und ein zweites Paar von Rädern von jeder Anhäufung sich auf der nächsten Stufe befindet. Die bei dieser Beschreibung in Verbindung mit 39A mit 42C verwendeten Winkelwerte sind diejenigen, die sich aus einer Anwendung der in der obigen Tabelle 1 angegebenen nominalen Treppen- und Anhäufungsradgrößen ergeben. Bei der Start-Sequenz, Algorithmus in 43 gezeigt, wird eine Eingabe von θ_{C ref} als Funktion der Zeit an den Anhäufungsblock 4301 geliefert; die Funktion variiert fließend von den Start- bis zu den Abschlußwerten. Alternativ kann auf ähnliche Weise eine Eingabe von θ_{PC ref} bereitgestellt werden. Hier wird die Eingabe von θ_{C ref} durch den Prozessor 4302 betrieben, um die Menge
zu berechnen. Diese Menge wird zusammen mit θ_{C ref} selbst und π als Eingaben in den Summierer 4303 bereitgestellt, der
berechnet und diese Quantität als die Eingabe θ_{PC ref} an den Anhäufungsblock 4301 liefert. Der Anhäufungsblock 4301 ist wie bei 34 konfiguriert, mit der Ausnahme, daß θ_{PC ref} nicht mehr bei π feststehend ist, sondern variiert, wie soeben beschrieben wurde. Der Balanceblock 4304 ist wie in 33 konfiguriert, die Joystick-Verstärkungen K10 und K11 sind jedoch auf 0 eingestellt. Der Summierer 4305 liefert auf dieselbe Weise, wie sie oben in Verbindung mit 35 beschrieben wurde, eine Kompensation an die Neigungsablesung des Neigungsmessers, und die Ausgabe des Summierers 4305 wird durch den Differentiator 4306 differenziert, um auf dieselbe Weise, wie sie oben in Verbindung mit 35 beschrieben wurde, eine Korrektur von
zu liefern, so daß korrigierte Neigungseingaben θ und
an den Radbalancealgorithmus 4304 geliefert werden. Die Eingaben
und
in den Balanceblock werden ebenfalls auf dieselbe Weise erhalten, wie sie oben in Verbindung mit 35 beschrieben wurde.
40A und 40B veranschaulichen eine Ausrichtung der Anhäufung in der Sequenz Winkelursprünge neu einstellen. Bei diesem Schritt ändert das System die Identität des „Beines" (auf das bei Posten 2 der nach der Tabelle 1 erörterten Konventionen verwiesen wurde) zum Zweck der Messung von Zustandsvariablen von derjenigen Identität, die mit dem unteren Rad in Verbindung gebracht wird, zu derjenigen, die mit dem Rad auf der nächsten Stufe in Verbindung gebracht wird. Da drei Räder in der Anhäufung vorliegen und da die gesamte Winkelentfernung um die Mitte der Anhäufung 2π Radiane beträgt, fügt dieser Schritt folglich 2π/3 Radiane zu θ_PC hinzu und subtrahiert 2π/3 Radiane von θ_C. Mit diesem Schritt ist keine Bewegung verbunden.
41A und 41B veranschaulichen eine Ausrichtung der Anhäufung in der Sequenz Gewicht verlagern. Bei dieser Sequenz wird das Gewicht des Beförderungsmittels und des Subjekts von dem Rad auf der unteren Stufe zu dem Rad auf der oberen Stufe verlagert. Sie ist hier als eine vorprogrammierte Operation auf der Basis der bekannten Geometrie der Stufen und der Anhäufung implementiert. Der Wert von θ_C ändert sich während dieser Sequenz nicht. Der Wert von θ_PC muß sich ändern, um die neue Position des Massenmittelpunkts des Beförderungsmittels widerzuspiegeln. Um dieses Ergebnis zu erreichen, wird eine Eingabe von θ_{PC ref} als Funktion der Zeit auf der Linie 3413 an den in 34 gezeigten Anhäufungsblock und an den Radblock der 44 geliefert. Da diese Sequenz programmiert ist, sind der Anstiegsblock der 45 und der Radbalanceblock der 33 nicht aktiv. Bei 44 wird die Eingabe θ_{PC ref} durch den Teiler 441 geleitet und anschließend an die Summierer 443 und 442 geliefert, die über die PID-Steuerschleifen 445 und 444 und die Sättigungsgrenzen 447 und 446 Steuersignale an das linke bzw. rechte Motorrad liefern. Die Summierer 443 und 442 subtrahieren ferner die Werte θ_PWl und θ_PWr, die abgeleitet werden, indem die Winkelgeschwindigkeitsinforma tionen von Linkes- und Rechtes-Rad-Codierern durch die Integratoren 448 bzw. 449 geleitet werden.
42A, 42B und 42C veranschaulichen eine Ausrichtung der Anhäufung in der Sequenz Hinauf- bzw. Hinabsteigen. Bei dieser Sequenz wird das Rad des Beförderungsmittels in einer Vorwärtsrichtung zu dem nächsten Stufensteigelement gedreht, während gleichzeitig die Anhäufung gedreht wird, um das nächste Balancierungsrad auf dem nächsten Stufentritt zu positionieren. Die Anhäufungsdrehung θ_C ist proportional zu der Strecke, die das Rad auf dem Stufentritt zurücklegt. Bei dieser Sequenz gibt es keine Referenzpositionseingabe. Das Subjekt lehnt sich an den Handlauf oder zieht an demselben, um das Beförderungsmittel zu veranlassen, sich vorwärtszubewegen. Die Anhäufung dreht sich infolge der Rückmeldung von θ_W zu θ_C über den Pfad 451 in 45 automatisch. Zu Beginn der Sequenz Hinaufsteigen ist x auf 0 eingestellt. Der Steueralgorithmus in dieser Sequenz muß entweder θ_C oder θ_PC überwachen und sich zu der Sequenz Gewicht verlagern bewegen, wenn dieser Winkel seinen endgültigen Wert erreicht. Auf der letzten Treppenstufe muß der Prozeß bei θ_C = 0 oder θ_PC = π angehalten werden, statt an den in 42C gezeigten Fertigstellungswinkeln anzuhalten. Anschließend sollte das Beförderungsmittel zu dem normalen Balancemodus zurückkehren. Der Balanceblock 453 und der Anhäufungsblock 452 sind so, wie sie oben in Verbindung mit 33 bzw. 34 beschrieben wurden. Die Ableitung der Eingaben θ,
,
und
in den Balanceblock 453 erfolgt wie oben in Verbindung mit 43 und 35 beschrieben. In der Tat ist die Konfiguration der 45 im wesentlichen ähnlich derjenigen der 43, wobei der einzige Unterschied darin liegt, daß θ_{C ref} nicht mehr unabhängig variiert wird, sondern statt dessen zu einer Funktion von θ_W gemacht wird, die abgeleitet wird, indem über den Summierer 454 und den Teiler 455 der Mittelwert von θ_Wl und θ_Wr genommen wird. Dementsprechend wird der Wert θ_W auf der Linie 451 durch den Prozessor 456 geleitet, um die Quantität
zu bestimmen, die das richtige Maß einer Anhäufungsdrehung in bezug auf eine Raddrehung für die Treppengeometrie bewirkt und zusammen mit dem anfänglichen Wert von θ_C, nämlich θ_{C st}, als Eingabe in den Summierer 457 geliefert wird. Die Ausgabe des Summierers 457 ist θ_{C ref}.
Obwohl die 33 bis 45 analoge Steueralgorithmen zeigen, wurden sie unter Verwendung einer mikroprozessorprogrammierten digitalen Steuerung in einer Anzahl von Ausführungsbeispielen implementiert. Es fällt jedoch vollständig in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, direkte analoge Steuerungen sowie eine Mischung aus analogen und digitalen Steuerungen zu verwenden. Analoge Steuerungen wurden beispielsweise bei einer Version des Beförderungsmittels der 21 erfolgreich implementiert, wobei statt Anhäufungen ein Paar von lateral angeordneten Rädern verwendet wurde.
Geschwindigkeitsbegrenzung
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein beliebiges der vorstehenden Ausführungsbeispiele eines Beförderungsmittels gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Geschwindigkeitsbegrenzung versehen sein, um ein Gleichgewicht und eine Steuerung aufrechtzuerhalten, das bzw. die andernfalls verlorengehen kann, wenn ermöglicht würde, daß die Räder (oder bogenförmigen Elemente) die Maximalgeschwindigkeit erreichen, zu der sie derzeit fähig sind.
Geschwindigkeitsbegrenzung wird bewerkstelligt, indem das Beförderungsmittel in der Richtung, die der aktuellen Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist, geneigt wird, was bewirkt, daß sich das Beförderungsmittel verlangsamt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Beförderungsmittel zurückgeneigt, indem eine Neigungsmodifizierung zu dem Nei gungsmesser-Neigungswert hinzugefügt wird. Eine Geschwindigkeitsbegrenzung findet immer dann statt, wenn die Geschwindigkeit des Beförderungsmittels eine Schwelle überschreitet, die die ermittelte Geschwindigkeitsgrenze des Beförderungsmittels ist. Die Neigungsmodifizierung wird bestimmt, indem die Differenz zwischen der Beförderungsmittelgeschwindigkeit und der ermittelten Geschwindigkeitsgrenze, die über die Zeit integriert ist, betrachtet wird. Die Neigungsmodifizierungssequenz wird beibehalten, bis sich das Beförderungsmittel bis zu der gewünschten Abfallgeschwindigkeit (eine Geschwindigkeit, die etwas unter der Geschwindigkeitsgrenze liegt) verlangsamt, und anschließend wird der Neigungswinkel fließend zu seinem ursprünglichen Wert zurückgefahren.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeitsgrenze des Beförderungsmittels besteht darin, die Batteriespannung zu überwachen, die anschließend verwendet wird, um die Maximalgeschwindigkeit des Beförderungsmittels, die das Beförderungsmittel derzeit aufrechterhalten kann, zu schätzen. Ein weiteres Verfahren besteht darin, die Spannungen der Batterie und des Motors zu messen und die Differenz zwischen den beiden zu überwachen; die Differenz liefert eine Schätzung des Umfangs der Geschwindigkeitsspanne, die dem Beförderungsmittel derzeit zur Verfügung steht.
Verwendung von Sensoren beim Hinauf- und Hinabsteigen von Treppen
Wie oben in Verbindung mit 37 beschrieben wurde, kann ein Hinauf- bzw. Hinabsteigen von Treppen oder ein Überwinden anderer Hindernisse unter Verwendung eines Lehnmodus bewerkstelligt werden, und das Anstiegsverhältnis kann manuell oder automatisch ausgewählt werden. Dieser Abschnitt beschreibt, wie bei einem weiteren Ausführungsbeispiel Sensoren verwendet werden können, um eine automatische Einstellung des Anstiegsverhältnisses zu erreichen. Bei dem Lehnmodus sind Anhäufungen die „Master", und die Räder sind die „Slaves". Das Anstiegsverhältnis drückt das Verhältnis zwischen der Anhäufungsdrehung und der Raddrehung aus. Beispielsweise:

i) Ein Anstiegsverhältnis von Null bedeutet, daß sich die Räder überhaupt nicht bewegen, wenn sich die Anhäufungen bewegen.
ii) Ein Anstiegsverhältnis von 0,25 bedeutet, daß das Rad eine ¼-Drehung in derselben Richtung durchführt wie die Anhäufung für jede Anhäufungsdrehung.
iii) Ein Anstiegsverhältnis von –0,5 bedeutet, daß das Rad eine halbe Drehung in der zu der Anhäufung für jede Anhäufungsdrehung entgegengesetzten Richtung durchführt.

Unter Bezugnahme auf 46 und 47 ist ein Beförderungsmittel gezeigt, das eine Anordnung wie beispielsweise einen Sessel 461 zum Stützen eines menschlichen Subjekts aufweist. Dem Sessel 461 ist ein Bodenkontaktierungsmodul in Form eines Paars von Anhäufungen 462 zugeordnet, die jeweils motorbetrieben sind und jeweils eine Mehrzahl (hier drei) von Rädern 463 aufweisen. Der Radsatz jeder Anhäufung ist ebenfalls motorbetrieben. Die Anhäufungen 462 sind in diesem Fall durch eine Röhre verbunden, in der die Anhäufungsmotoren untergebracht sein können. Die Anhäufungen 462 sind ein Bestandteil einer Anordnung, die den Sessel 461 umfaßt, der über Oberschenkel- und Wadenverbindungen 466 bzw. 464 und über motorbetriebene Hüft- und Kniegelenke 467 bzw. 465 an der Anhäufungsröhre angebracht ist. Die Hüft-, Knie- und Anhäufungsantriebe wirken zusammen, um eine Höhenänderung des Sitzes 461 zu bewirken. Man beachte, daß der Anhäufungsantrieb in diesem Fall als Knöchel fungiert, während er die Wade um die Anhäufung dreht. Die Anhäufungsstellung wird durch den Balancierungsalgorithmus aufrecht erhalten. Das Beförderungsmittel dieses Ausführungsbeispiels ist mit einem Sensor A versehen, der in eine Vorwärtsrichtung entlang dem Pfad 468 blickt und direkt über der Anhäufungsröhre angebracht ist, ausreichend hoch über dem ebenen Boden, um das Steigelement der zweiten Stufe der Treppen 460, die hinauf- bzw. hinabgestiegen werden muß, zu erfassen. (Man beachte, daß, wenn ein Bordstein überwunden wird, kein Steigelement erfaßt würde.) Der Sensor A wird lediglich beim Hinabsteigen von Stufen verwendet. Das Beförderungsmittel dieses Ausführungsbeispiels ist ferner mit einem Sensor B versehen, der in eine nach unten gerichtete Richtung entlang dem Pfad 469 blickt und an der Anhäufungsröhre angebracht ist. Er erfaßt die Entfernung von seiner Vorderseite zu dem darunterliegenden Boden. Er ist vor der Röhre plaziert, ausreichend hoch über dem ebenen Boden, um den Tritt der Stufe, die gerade hinauf- bzw. hinabgestiegen wird, zu erfassen. Die Sensoren A und B können Sensoren eines beliebigen Typs sein, einschließlich Ultraschall, der in der Technik zum Erfassen einer Entfernung bekannt ist.
Wie in 47 gezeigt ist, erfaßt der Sensor B, wenn das Beförderungsmittel hinabsteigt, das Ende der Stufe, auf der sich die Vorrichtung derzeit befindet, indem er die Höhenveränderung erfaßt. Ein Sensor C ist an der Fußstütze des Sessels 461 angebracht und sieht entlang dem Pfad 471 in eine nach unten gerichtete Richtung. Er erfaßt die Entfernung von seiner Vorderseite zu dem darunterliegenden Boden. Dieser Sensor wird lediglich beim Hinabsteigen verwendet. Er ist weit genug über dem Boden und weit genug vor der Anhäufungsröhre plaziert, um die Kante des oberen Treppenabsatzes zu erkennen, wenn ein Hinabsteigen vorbereitet wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt der Fahrer des Beförderungsmittels, um Treppen hinaufzusteigen, über die Schnittstelle des Fahrers einen „Hinaufsteigen"-Befehl, während ein Balancemodus vorliegt. Der Sitz wird dann automatisch zu der vollen Höhe hochgefahren, wodurch ermöglicht wird, daß die Füße des Fahrers die Stufen vor dem Fahrer freige ben. Das Beförderungsmittel wird anschließend auf die Treppen zugesteuert. Wenn der Sensor B eine Stufe erfaßt (als Änderung der Entfernung von dem Sensor zum Boden), tritt das Beförderungsmittel in einen Lehnmodus ein, was es veranlaßt, auf die erste Stufe (zwei Räder auf dem unteren Treppenabsatz, zwei auf der ersten Stufe) zu „fallen". Nachdem sich das Beförderungsmittel in dem Lehnmodus befindet, wird der Schwerpunkt (CG – center of gravity) automatisch nach vorne verschoben. Diese Verschiebung erleichtert es dem Fahrer, sich nach vorne zu lehnen. Der Fahrer lehnt sich nach vorne, um einen Neigungsfehler zu erzeugen. Folglich legt der Anhäufungsbalancierungsalgorithmus ein Drehmoment an die Anhäufungsmotoren an. Dieses Drehmoment dreht die Anhäufungen und veranlaßt die Vorrichtung, die Treppe hinaufzusteigen.
Es wird ein Algorithmus verwendet, um das Anstiegsverhältnis in dem Moment, in dem der Übergang von vier Rädern auf zwei Stufen zu zwei Rädern auf einer Stufe erfolgt, dynamisch einzustellen. Dieser relevante Moment wird nicht durch einen Sensor bestimmt, sondern dadurch, daß man prüft, ob die folgenden Informationen wahr sind:

i) das Beförderungsmittel wurde angewiesen, sich nach oben zu bewegen,
ii) eine Verschiebung erfolgt,
iii) Anhäufungen haben Drehungen von 2π/3 seit der letzten Einstellung des Anstiegsverhältnisses durchgeführt,
iv) die Anhäufungsposition liegt innerhalb eines bestimmten Fensters,
v) der Anhäufungsdrehmomentbefehl lag unter einer bestimmten Schwelle und die Ableitung des Befehls war negativ (was einem Nach-Unten-Absetzen von Rädern auf der Stufe entspricht), und
vi) der Anhäufungsdrehmomentbefehl liegt über einer bestimmten Schwelle und die Ableitung des Befehls ist positiv (was einem Abheben von Rädern von der Stufe entspricht).

Bei dem obigen relevanten Moment verwendet der Algorithmus den Sensor A, um die Entfernung zu der nächsten Stufe, die Tatsache, daß Drehungen von 2π/3 der Anhäufung benötigt werden, um zu der nächsten Stufe zu gelangen, und den Radradius zu bestimmen, um das Anstiegsverhältnis zu berechnen. Falls der Sensor A eine Außer-Reichweite-Ablesung liefert (kein Steigelement; bereit, auf einen Absatz zu treten) oder eine Entfernungsablesung liefert, die über eine bestimmte Schwelle hinausgeht (zu weit zum Steigelement, muß zuerst zum Balancemodus gehen), ist zu beachten, daß dies die letzte Stufe ist; danach geht die Steuerung zur Verarbeitung der letzten Stufe. Diese Vorgehensweise wird für jede nachfolgende Stufe bis zur letzten Stufe wiederholt.
Bei der letzten Stufe wird der CG zurück zur Mitte verschoben und die Höhe wird abgesenkt. Obwohl dies es schwieriger macht, sich an die letzte Stufe zu lehnen, macht es das Beförderungsmittel stabiler, nachdem es sich auf dem Treppenabsatz befindet. Es wird ein hohes Anstiegsverhältnis ausgewählt, um das Beförderungsmittel für den Übergang in den Balancemodus hinreichend auf den Treppenabsatz zu schieben. Der Fahrer lehnt sich wiederum nach vorne. Wenn bestimmt wird, daß ein Nulldurchgang (oben in Verbindung mit 38 definiert) auftrat, schaltet das Beförderungsmittel in einen Balancemodus um. Nun balanciert es auf dem oberen Treppenabsatz unter Verwendung seiner Räder.
Das Hinabsteigen wird auf eine analoge Weise zum Hinaufsteigen bewerkstelligt. Der Fahrer gibt über die Schnitt stelle des Fahrers einen „Hinabsteigen"-Befehl aus, während der Balancemodus vorliegt. Der Sitz wird automatisch auf eine minimale Höhe abgesenkt (falls er sich nicht bereits dort befindet). Dies dient vorwiegend dazu, das Sicherheitsgefühl des Fahrers zu erhöhen. Der Sensor C befindet sich ziemlich weit vor den Rädern, so daß das Beförderungsmittel nicht zu nahe an der Kante der Stufe sein muß, während es sich im Balancemodus befindet. Da das Beförderungsmittel sich so weit von der Kante entfernt befindet-, wenn in den Lehnmodus eingetreten wird, wird das Anstiegsverhältnis auf einen ziemlich hohen Wert eingestellt. Dies ermöglicht es dem Beförderungsmittel, die Kante der Stufe zu erreichen, nachdem es in den Lehnmodus eingetreten ist. Wenn der Sensor C eine Stufe (als Änderung der Entfernung zum Boden) erfaßt, tritt das Beförderungsmittel in den Lehnmodus ein. Wenn es sich in dem Lehnmodus befindet, wird der Schwerpunkt (CG – center of gravity) nach hinten verschoben. Diese Verschiebung macht es dem Fahrer leichter, sich zurückzulehnen, um das Hinabsteigen zu steuern. Zum Hinabsteigen lehnt sich der Fahrer zunächst nach vorne, um einen Neigungsfehler zu erzeugen, was das Beförderungsmittel veranlaßt, die Treppen hinabzusteigen. Nach etwa der Hälfte der Drehung muß sich der Fahrer etwas zurücklehnen, um das Hinabsteigen auf die nächste Stufe zu verlangsamen. Das Anstiegsverhältnis wird eingestellt, indem der nach unten gerichtete Sensor B verwendet wird, um das Ende der Stufe, auf der sich die Räder derzeit befinden, zu erfassen. Das Anstiegsverhältnis wird auf einen großen positiven Wert eingestellt, wenn keine Kante erfaßt wird (Anhäufungsbefehlssignal positiv, Anstiegsverhältnis entweder negativ oder nominal und Sensor B unter einer bestimmten Schwelle). Das große positive Anstiegsverhältnis bewirkt ein relativ schnelles Rollen der Räder, so daß das Beförderungsmittel bald die Kante der aktuellen Stufe erreicht. Dieser Vorgang, der das große positive Anstiegsverhältnis einrichtet, wird jedoch aufgehoben, wenn es bewirkt, daß das Beförderungsmittel der Kante zu nahe kommt:

i) Das Anstiegsverhältnis wird auf einen nominalen positiven Wert eingestellt, wenn der Sensor B die Kante (eine Entfernung, die größer ist als eine festgelegte Schwelle, und das Anstiegsverhältnis ist positiv) erfaßt. Nachdem dieser Wert eingestellt ist, sollte er ausreichen, um das Beförderungsmittel in die richtige Position zu bekommen.
ii) Das Anstiegsverhältnis wird auf einen kleinen negativen Wert eingestellt, falls bestimmt wird, daß sich das Beförderungsmittel zu nahe an der Kante befindet (Anhäufungssignal positiv, Anstiegsverhältnis entweder negativ oder nominal und Sensor B über einer bestimmten Schwelle). Das negative Anstiegsverhältnis rollt die Räder zurück, während sich die Anhäufung dreht, wodurch das Beförderungsmittel sicher auf der derzeitigen Stufe gehalten wird.

Das Hinabsteig-Muster wird für jede Stufe wiederholt. Nachdem das Beförderungsmittel den Absatz an dem unteren Ende der Treppe erreicht hat, erfassen beide Sensoren B und C keine Stufen mehr (Sensorablesungen unter bestimmten Schwellen). Wenn dies eintritt, geht das Beförderungsmittel in den Balancemodus über.
Modusübergänge
Obwohl Übergänge zwischen dem Lehnmodus und dem Balancemodus des Beförderungsmittels der 46 und 47 wie in Verbindung mit 38 beschrieben gehandhabt werden können, kann der Übergang zwischen Modi bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Beförderungsmittels gemäß der vorliegenden Erfindung auf einer aktiveren und kontinuierlicheren Basis gehandhabt werden. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet Gelenke 465 und 467, um die Höhe des Sitzes 461 zu steuern, und das Gelenk 467 insbesondere dazu, die Neigung des Sitzes 461 zu steuern. In dem Lehnmodus weist das Be förderungsmittel vier Räder auf dem Boden auf (zwei auf dem Boden von jeder Anhäufung), so daß es Treppen hinauf- bzw. hinabsteigen oder sich über Hindernisse bewegen kann. Die Anhäufungsmotorausgabe wird gemäß der Neigungsmesserneigung und Neigungsrate sowie der Anhäufungscodierergeschwindigkeit eingestellt. Ein Übergang in einen Balancemodus tritt auf, wenn der Schalter Lehnen/Balance gedrückt wird.
Beim Übergang in einen Balancemodus wird der Schwerpunkt über das vordere Bodenkontaktierungsrad jeder Anhäufung verschoben. Um dies zu bewerkstelligen, wird ein künstlicher Neigungsfehler erzeugt, indem ein Versatz, der zu der Neigungsmesserablesung hinzugefügt wird, allmählich erhöht wird. Dieser künstliche Neigungsfehler bewirkt, daß der Anhäufungsbalancierungsalgorithmus ein Drehmoment an die Anhäufungsmotoren anlegt, was eine Drehung der Anhäufungen bewirkt. Dieses Drehmoment neigt den Sitz proportional zu dem künstlichen Neigungsfehler nach vorne, wobei der Sitz über die Vorderräder bewegt wird. (Gleichzeitig kann derselbe Versatz verwendet werden, um eine neue gewünschte Position in der Sitzneigung, die durch das Gelenk 467 der 46 bestimmt wird, zu befehlen, wodurch der Sitz eben gehalten wird.)
Wenn die Anhäufungsposition größer ist als der vorgeschriebene Anhäufungsübergangswinkel (der auf dem Ausmaß der Schwerpunktverschiebung beruhen kann), wird die Übergangsgeschwindigkeit der Anhäufung auf die Geschwindigkeit initialisiert, bei der sich die Anhäufung derzeit bewegt, und es wird in den Balancemodus eingetreten.
Zum Zeitpunkt, zu dem in den Balancemodus eingetreten wird, haben sich die Anhäufungen lediglich teilweise gedreht, und das hintere Paar von Rädern befindet sich in der Regel etwa 2 bis 5 cm über dem Boden. Wenn in den Balancemodus eingetreten wird, muß jede der Anhäufungen von ihrer aktuellen Position gedreht werden, bis ihr „Bein" (gemäß der Definition bei Posten 2 im Anschluß an die Tabelle 1) und „Pfo sten" (ebenfalls gemäß der Definition bei Posten 2) vertikal sind, wie bei 46. Dies wird bewerkstelligt, indem die Anhäufung bei einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit, die allmählich von der initialisierten Übergangsgeschwindigkeit der Anhäufung eingestellt wird, gedreht wird. Auf diese Weise setzt sich die Anhäufungsdrehung auf ein Eintreten in den Balancemodus hin reibungslos fort, bis die Anhäufung ihre Zielposition erreicht. Während dieser Anhäufungsdrehung wird der künstliche Neigungsfehler verringert, um den Schwerpunkt über den Bodenkontaktierungselementen zu halten, bis er vollständig von der Neigungsmesserablesung entfernt ist. Würde dies nicht getan, so würde sich die Vorrichtung (in dem Balancemodus) aufgrund des künstlichen Neigungsfehlers verschieben.
Eine Anhäufungsposition kann verwendet werden, um eine Sitzneigung zu befehlen, wodurch der Sitz eben gehalten wird, während sich der Sitzpfosten nach hinten bewegt. Nachdem das Anhäufungsbein und der Anhäufungspfosten vertikal sind (die Anhäufungen drehen sich nicht mehr) und der Sitz eben ist, ist der Übergang von dem Lehnmodus zu dem Balancemodus abgeschlossen.
Falls der Schalter Lehnen/Balance gedrückt wird, wenn sich das Beförderungsmittel in dem Balancemodus befindet, wird in einen Übergang in den Lehnmodus eingetreten. Die gewünschte Anhäufungsposition wird allmählich von der anfänglichen Position (bei der das Anhäufungsbein und der Anhäufungspfosten vertikal sind) zu einer endgültigen gewünschten Position (bei der sich das vordere Räderpaar in einer vorgeschriebenen Entfernung über dem Boden befindet) verändert. Gleichzeitig wird ein künstlicher Neigungsfehler eingeführt, um den Schwerpunkt über den Balancierungsrädern zu halten. Wiederum kann eine Anhäufungsposition verwendet werden, um eine Sitzneigung zu befehlen, wodurch der Sitz eben gehalten wird, während sich der Sitzpfosten nach hinten bewegt.
Nachdem sich die Anhäufung in eine Position gedreht hat, bei der sich das zweite Räderpaar in einer vorgeschriebenen Entfernung über dem Boden befindet, wird in den Lehnmodus eingetreten, der die Vorrichtung veranlaßt, auf vier Räder zu fallen. Nachdem sich das Beförderungsmittel in dem Lehnmodus befindet, wird der künstliche Neigungsfehler, der den Anhäufungspfosten nach hinten geneigt und den Sitz nach vorne geneigt hielt, unverzüglich aber sanft entfernt. Folglich bewirkt das angelegte Anhäufungsdrehmoment, daß sich der Anhäufungspfosten nach vorne in seine vertikale Position dreht. Gleichzeitig kann das Drehmoment an die Sitzneigung angelegt werden, um den Sitz eben zu halten. Nachdem der Anhäufungspfosten vertikal und der Sitz eben ist, ist der Übergang von dem Balancemodus zu dem Lehnmodus abgeschlossen.
Konfiguration unter Verwendung harmonischer Antriebe
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde das Ausführungsbeispiel der 46 und 47 unter Verwendung harmonischer Antriebe in einer Konfiguration, die ähnlich der der 9 bis 12 ist, mechanisch umgesetzt. Diese Konfiguration ist in den 48 bis 52 gezeigt.
48 ist eine teilweise weggeschnittene vertikale Schnittansicht der Vorderseite, die den mechanischen Gesamtentwurf des Beförderungsmittels dieses Ausführungsbeispiels zeigt. In dieser Ansicht kann man unter anderem den Sitzrahmen 481, die Hüftanordnung 482, die Oberschenkelverbindung 483, die Knieanordnung 484, die Wadenverbindung 486 und die Räder 485 sehen.
49 ist eine erweiterte Ansicht eines Teils der 48, die mechanische Einzelheiten des Anhäufungsabschnitts des Beförderungsmittels zeigt. Radmotoren 4913 auf der linken und rechten Seite treiben die Räder 485 auf der linken bzw. rechten Seite an; die Räder auf jeglicher gegebenen Seite werden synchron mit Leistung versorgt. Die Räder werden über eine zweistufige Übersetzung angetrieben. In der ersten Stufe dreht der Motor 4913 eine Radantriebsrolle 496, um einen Steuerriemen 495 zu bewegen. In der zweiten Stufe werden drei Sätze 4911 von Pfeilradgetrieben, eines für jedes Rad, verwendet, um die Radantriebswelle 4912 anzutreiben. Die Seite jedes der Motoren 4913, die nicht mit der Radantriebsrolle gekoppelt ist, ist mit einem Wellencodierer 4914 gekoppelt. Beide Anhäufungen bei diesem Ausführungsbeispiel werden über eine dreistufige Übersetzung durch denselben Motor 4924 angetrieben. In der ersten Stufe dreht der Motor 4924 eine Anhäufungsantriebsrolle 4921. Die Rolle 4921 bewirkt eine Bewegung eines Steuerriemens. Der Steuerriemen ist am besten als Posten 501 in 50 zu sehen, die Einzelheiten der Anhäufungsantriebsanordnung zeigt. Der Steuerriemen 501 treibt eine zweite Stufe von Schraubgetrieben an, die ein erstes Getriebe 502 und ein zweites Getriebe 4922 umfassen. Das zweite Getriebe 4922 treibt ein Paar von Zwischenwellen 493 an, die einen letzten Satz 494 von Schraubgetrieben an jeder Anhäufung antreiben. Die Seite des Anhäufungsmotors 4924, die nicht mit der Anhäufungsantriebsrolle 4921 gekoppelt ist, ist mit einem Wellencodierer 4925 gekoppelt. Die entfernte Seite der Welle, die die Anhäufungsantriebsrolle 4921 dreht, ist mit einer Anhäufungsbremsanordnung 4926 gekoppelt, die verwendet werden kann, um die Anhäufungen in einer Position zu verriegeln, wenn das Beförderungsmittel geparkt ist oder sich in dem Balancemodus befindet. Die Gehäuse der beiden Radmotoren 4913 und des Anhäufungsmotors 4924 sind miteinander verbolzt, um eine Röhre zu bilden, die die Struktur bereitstellt, die die Anhäufungsanordnungen verbindet. Die Wade 486 ist starr an dieser Struktur befestigt.
51 zeigt eine Endansicht einer Anhäufung. Der einzelne Steuerriemen 495 der 49 ist gezeigt, wie er durch die Radantriebsrolle 496 in der Mitte der Anhäufung angetrieben wird. Der Steuerriemen 495 treibt eine größere Rolle 511 auf jedem der drei Beine. Diese größere Rolle 511 treibt einen Getriebesatz an, der ein Antriebsritzel 512 und ein Ausgangsritzel 513 umfaßt, das das Rad 485 antreibt. Die vier Leerlauf rollen 514 halten den Riemen 49 davon ab, das Anhäufungsgehäuse 515 zu stören, und liefern ferner einen maximalen Umwicklungswinkel um die Antriebsrolle.
52 zeigt die mechanischen Einzelheiten der Hüft- und Kniegelenke. Beide Gelenke sind mechanisch identisch. Der Motormagnetrotor 5211, auf den ein Stator 5212 einwirkt, dreht eine Welle 5213, die in Lagern 522 und 5272 angebracht ist. Die Welle 5213 dreht den Wellengenerator 5271, der ein etwa elliptisch geformtes Stück ist, das sich in einem Lager 5272 dreht. Der Wellengenerator 5271 bewirkt, daß die harmonische Antriebsschale 5262 ihre Zähne inkremental mit der harmonischen Antriebsnut 5261 in und außer Eingriff nimmt. Dieser Vorgang bewirkt, daß sich der Oberschenkel 483 bezüglich der Wade 486 oder des Sitzrahmens 481 mit einem sehr hohen Übersetzungsverhältnis bewegt. Eine elektromagnetische Leistung-Aus-Bremse, die einen Elektromagneten 5281 und einen Bremsklotz 5282 aufweist, kann an den Wellengenerator 5271 angelegt werden, um zu verhindern, daß sich das Gelenk dreht. Dies ermöglicht, daß der Motor abgeschaltet wird, wenn das Gelenk gerade nicht betätigt wird. Ein Potentiometer 524 wird durch einen Getriebezug 5241 zu der harmonischen Antriebsschale 5262 getrieben, um eine Absolute-Position-Rückmeldung zu geben, während ein (nicht gezeigter) Codierer an der Position 523 an der Motorwelle befestigt ist, um inkrementale Positionsinformationen zu liefern.
Mehrere Prozessoren
Obwohl das Ausführungsbeispiel der 27 eine Verwendung einer einzigen Mikrosteuerungsplatine 272 zeigt, fanden wir es bei manchen Ausführungsbeispielen vorteilhaft, eine Anzahl von Mikroprozessoren zu verwenden, die parallel arbeiten. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das beispiels weise auf den in Verbindung mit 48 bis 52 erörterten mechanischen Entwurf anwendbar ist, werden vier verschiedene Mikroprozessoren eingesetzt, die parallel arbeiten und von denen jeder Nachrichten an einen Kommunikationsbus plaziert, wodurch ermöglicht wird, daß sich die Mikroprozessoren gegenseitig überwachen. Es liegt auch eine Technikerschnittstelle (TI – technician's interface) vor, die es dem Techniker ermöglicht, Verstärkungen zu ändern, den Prozessor neu zu programmieren usw. Die vier unterschiedlichen Mikroprozessoren steuern die verschiedenen Komponenten des Systems wie folgt: Mikroprozessor 1 steuert die Taste, das Knie und die Hüfte sowie den Joystick (x- und y-Achse); Mikroprozessor 2 steuert eine Entfernungsmessung, eine Präsenzprüfung (bezüglich einer Person), eine Batterieüberwachung und eine Benutzerschnittstelle (wodurch Modi des Beförderungsmittels gesteuert werden); Mikroprozessor 3 steuert den Anhäufungsbalancierungsalgorithmus; Mikroprozessor 4 steuert Radbalancierungsalgorithmen. Nach Wunsch und je nach der Komplexität der Entfernungsmessung und anderer Themen können auch noch weitere Prozessoren verwendet werden. Dies beschränkt nicht unbedingt die Anzahl von Prozessoren.
Die Vorteile des parallelen Verarbeitens, die durch dieses Ausführungsbeispiel umgesetzt werden, sind Sicherheit (jeder Mikroprozessor arbeitet unabhängig, so daß ein Ausfall eines Mikroprozessors nicht den Ausfall aller Funktionen bedeutet); Fähigkeit, redundante Systeme leichter zu entwickeln; verringerte Leistungserfordernisse (mehrere weniger leistungsfähige Mikroprozessoren, die zusammen so leistungsfähig sind wie ein PC); und gleichzeitige Operationen (mehrere langsamere Mikroprozessoren können bei derselben Verarbeitungsgeschwindigkeit arbeiten wie der PC).
Weitere Ausführungsbeispiele
Die vorliegende Erfindung kann ferner in einer Anzahl von weiteren Ausführungsbeispielen implementiert sein. Wir haben festgestellt, daß ein Beförderungsmittel gemäß der Erfindung geeignetermaßen als Prothesevorrichtung für Personen fungieren kann, die eine durch Krankheit (beispielsweise Parkinsonsche Krankheit oder Ohrenkrankheiten) oder einen Defekt bewirkte Beeinträchtigung ihrer Fähigkeit, das Gleichgewicht zu halten oder eine Fortbewegung zu erzielen, aufweisen. Die durch das Beförderungsmittel erreichte Prothesevorrichtung fungiert als Erweiterung des eigenen Gleichgewichtssystems und Fortbewegungssystems der Person, da das Beförderungsmittel eine Rückmeldungsschleife aufweist, die Veränderungen der Schwerkraft des Beförderungsmittels, die auf eine Bewegung der Person relativ zu dem Beförderungsmittel zurückzuführen sind, berücksichtigt. Das Ausstatten einer derartigen behinderten Person mit einem solchen Beförderungsmittel ist somit ein Verfahren, eine Prothese anzubringen, die eine Fortbewegung und Gleichgewichtssteuerung ermöglicht, wo diese ansonsten nicht verfügbar wären. Wir haben eine drastische Wiederherstellung der Gleichgewichts- und Fortbewegungssteuerung bei einer an der Parkinsonschen Krankheit leidenden Person beobachtet, die ein Beförderungsmittel gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendete.
Angesichts der komplexen Beiträge seitens des menschlichen Fahrers beim Verwenden verschiedener Ausführungsbeispiele des Beförderungsmittels der vorliegenden Erfindung, um eine Fortbewegung bei verschiedenen Bedingungen zu erzielen, ist es nicht erstaunlich, daß visuelle Orientierungs- und Verschiebungsinformationen in der Regel im allgemeinen und bei der Verwendung dieser Ausführungsbeispiele von großer Bedeutung sind. Trotzdem kann es Umstände geben, bei denen die visuellen Informationen (aufgrund von Dunkelheit oder einer Behinderung) entweder beeinträchtigt oder unzureichend sind. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Beförderungsmittel mit einem oder mehreren nicht-visuellen Ausgaben ausgestattet, um ei ne Orientierung oder Richtung und Geschwindigkeit anzugeben. Derartige Ausgaben können sich beispielsweise auf Berührung oder Schall beziehen; die Ausgaben werden durch einen Modulator moduliert, um die Geschwindigkeit und Ausrichtung des Beförderungsmittels widerzuspiegeln. Beispielsweise ist in 53 der Fall einer Schallausgabe gezeigt, die durch den Generator 531 erzeugt und durch den Modulator 532 moduliert wird, der Ausrichtungs- und Geschwindigkeitseingaben 533 bzw. 534 aufweist. In diesem Fall kann ein wiederholter Ton eingesetzt werden: die Wiederholungsrate des Tons kann verwendet werden, um Geschwindigkeit anzugeben, und die Höhe des Tons kann verwendet werden, um eine Bewegungsrichtung und Ausrichtung anzugeben (beispielsweise vorwärts mit einer höheren Tonhöhe; rückwärts mit einer geringeren Tonhöhe; aufrecht mit einer mittleren Tonhöhe), und der Grad der Änderung der Tonhöhe kann den Umfang des Lehnens, d. h. den Neigungswinkel des Beförderungsmittels angeben (mit dem Effekt, daß hier die Tonhöhe der Neigung des Beförderungsmittels gleichgesetzt wird).

Claims

Ein Beförderungsmittel, das eine Stütze (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) zum Stützen eines Subjekts (13; 962; 101; 153) und ein Bodenkontaktierungsmodul (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485), das an der Stütze befestigt ist und zumindest ein Bodenkontaktierungselement (11; 931; 932) aufweist, umfaßt, wobei die Ausrichtung des Bodenkontaktierungsmoduls eine Vor-Zurück-Ebene und eine laterale Ebene definiert, wobei die Stütze und das Bodenkontaktierungsmodul Komponenten einer Anordnung sind und wobei es dem Beförderungsmittel an inhärenter Stabilität in der Vor-Zurück-Ebene mangelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Beförderungsmittel ferner einen motorisierten Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) zum Ausüben eines Drehmoments auf das zumindest eine Bodenkontaktierungselement des Bodenkontaktierungsmoduls und eine Steuerschleife (51), die mit dem motorisierten Antrieb gekoppelt ist, zum dynamischen Aufrechterhalten einer Stabilität in der Vor-Zurück-Ebene durch einen Betrieb des motorisierten Antriebs (531, 532; 253; 281; 4913) aufweist, wobei das auf das zumindest eine Bodenkontaktierungselement ausgeübte Drehmoment in Abhängigkeit von einem Neigungs-Inklinationswinkel des Beförderungsmittels um eine Kontaktregion des Bodenkontaktierungsmoduls mit dem Boden oder einer Zeitableitung desselben und einem Neigungsmodifikationswert ausgewählt wird, der bestimmt wird, um eine Kapazität des motorisierten Antriebs sicherzustellen und eine Balance und Steuerung des Beförderungsmittels beizubehalten.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 1, bei dem das Nettodrehmoment Drehmomente berücksichtigt, die durch alle anderen externen Kräfte und durch den motorisierten Antrieb verursacht werden.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 1 oder 2, das ferner eine Steuerung einer Vor-Zurück-Richtung (561; 273; 292) aufweist, die in der Steuerschleife enthalten ist, zum Empfangen eines Hinweises von dem Subjekt (13; 962; 101; 153) einer Richtung einer gewünschten Bewegung der Anordnung.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Abstandssensor bereitgestellt ist und die Steuerschleife (51) so konfiguriert ist, daß eine Vor-Zurück-Bewegung des Beförderungsmittels durch ein Vor-Zurück-Lehnen des Beförderungsmittels gesteuert wird, das durch das Subjekt (13; 962; 101; 153) verursacht und durch den Abstandssensor erfaßt wird.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das ausgeübte Drehmoment auch in Abhängigkeit von der zeitlichen Ableitung des Neigungswinkels ausgewählt ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine Eingabevorrichtung zum Empfangen von Eingaben, die durch das Subjekt (13; 962; 101; 153) bereitgestellt werden; und Sensoren, die Zustandsvariablen liefern, wobei die Steuerschleife den Programmzustand auf der Basis der Zustandsvariablen modifiziert und den motorisierten Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) auf der Basis der durch das Subjekt bereitgestellten Eingaben und der Zustandsvariablen-Eingaben steuert.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bodenkontaktierungsmodul (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485) ein Paar von Bodenkontaktierungskomponenten (11, 21; 931, 932; 221, 222, 223, 224; 261; 463, 485) umfaßt, die bezüglich einander lateral angeordnet sind.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 7, bei dem die Bodenkontaktierungskomponenten getrennt drehbare elementare Bodenkontaktierungsbauglieder (11; 931, 932; 221, 222, 223, 224; 261; 463; 485) sind.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 7 oder 8, das ferner eine Differentialsteuerung aufweist, die betätigbar ist, um zu bewirken, daß die beiden Bodenkontaktierungskomponenten differentiell angetrieben werden, um eine festgelegte Drehbewegung des Beförderungsmittels um eine bezüglich des Beförderungsmittels feststehende vertikale Achse zu bewirken.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 9, bei dem die Differentialsteuerung durch den Benutzer (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) betätigbar ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem jede Bodenkontaktierungskomponente ein Rad (11; 931, 932; 261; 463; 485) ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem das Bodenkontaktierungsmodul (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485) ein Bodenkontaktierungselement (931, 932; 261; 463; 485) umfaßt, das bezüglich der lokalen Achse (4912) beweglich ist, wobei die lokale Achse bezüglich einer zweiten Achse (92; 112), die eine definierte Beziehung hinsichtlich der Stütze aufweist, beweglich ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Bodenkontaktierungskomponenten Räder sind, die Mitten aufweisen, und bei dem die Stützbauglieder auf der linken und der rechten Seite des Beförderungsmittels jeweils gekoppelt sind, um auf der linken bzw. der rechten Seite des Beförderungsmittels eine Anhäufung von Rädern bereitzustellen, wobei die Räder (91; 111; 462) jeder Anhäufung (91; 111; 462) in der Lage sind, unabhängig von der Anhäufung durch einen Motor angetrieben zu werden.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 13, bei dem die Achsen (92; 112) aller Stützbauglieder im wesentlichen kollinear sind und eine zentrale Achse definieren.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 14, bei dem die Entfernung von der zentralen Achse (92; 112) zu der Mitte (4912) jedes Rades (931; 261; 463; 485) für jedes der Räder in der Anhäufung ungefähr dieselbe ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 15, bei dem jede Anhäufung (91; 111; 462) zumindest zwei Räder eines im wesentlichen gleichen Durchmessers und vorzugsweise drei Räder eines im wesentlichen gleichen Durchmessers aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, das ferner eine Anhäufungssteuerung (278a, 278b) zum Steuern der winkelmäßigen Ausrichtung jeder Anhäufung um die zentrale Achse (92; 112) und eine Radsteuerung (277a, 277b) zum bezüglich der Räder jeder Anhäufung separaten Steuern der Drehung von Rä dern, die sich in Kontakt mit dem Boden befinden, aufweist.
Beförderungsmittel gemäß Anspruch 17, bei dem die Radsteuerung (277a, 277b) einen Slave-Modus aufweist, bei dem die Räder als Funktion der Drehung der Anhäufungen (91; 111; 462) angetrieben werden, und bei dem die Anhäufungssteuerung (278a, 278b) einen Lehnmodus, der die Steuerschleife (51) verwendet und bei dem die Anhäufungen derart getrieben werden, um ein Gleichgewicht des Beförderungsmittels in der Vor-Zurück-Ebene aufrechtzuerhalten, während sich die Räder in dem Slave-Modus befinden, um es dem Beförderungsmittel zu ermöglichen, Treppen oder andere Oberflächenmerkmale hinauf- oder hinabzusteigen, und optional eine Slave-Funktionseinstellung zum Modifizieren der Funktion in dem Slave-Modus aufweist, so daß das Beförderungsmittel ein Hinaufsteigen und Hinabsteigen von Stufen und von Oberflächenmerkmalen, die variierende Geometrien aufweisen, bewältigen kann.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 18, wobei das Beförderungsmittel ferner eine Erfassungsanordnung (562, 563, 564, 565, 566) zum Erfassen der physischen Beziehung des Beförderungsmittels zu Oberflächenmerkmalen aufweist, wobei sich die Erfassungsanordnung in Kommunikation mit der Slave-Funktionseinstellung befindet, so daß die Treppen und anderen Oberflächenmerkmale durch das Beförderungsmittel automatisch überwunden werden können.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 17, bei dem die Radsteuerung (277a, 277b) einen Gleichgewichtsmodus aufweist, der die Steuerschleife (51) verwendet und bei dem die Räder (931; 261; 463; 485) jeder Anhäufung (91; 111; 462), die mit dem Boden Kontakt haben, derart angetrieben werden, um ein Gleichgewicht des Beförderungsmittels in der Vor-Zurück-Ebene aufrechtzu erhalten, und bei dem die Radsteuerung (277a, 277b) optional einen Übergangsmodus aufweist, der bei dem Übergang von dem Slave-Modus zu dem Gleichgewichtsmodus verwendet wird und wirksam ist, um ein Eintreten in den Gleichgewichtsmodus zu verhindern, bis ein Nulldurchgang durch die Anhäufungen (91; 111; 462) erfaßt wurde.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Bodenkontaktierungsmodul ein bogenförmiges Element (221a, 221b, 222a, 222b) aufweist, das an einem Stützbauglied (221c, 222c) angebracht ist, wobei jedes Stützbauglied drehbar angebracht ist und durch einen Motor um eine Achse angetrieben wird.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 21, bei dem das Bodenkontaktierungsmodul eine Mehrzahl von axial benachbarten und drehbar angebrachten bogenförmigen Elementgruppen umfaßt, wobei die bogenförmigen Elemente (221a, 221b, 222a, 222b) jeder Gruppe an einem Stützbauglied (221c, 222c) angebracht sind, wobei jedes Stützbauglied drehbar angebracht und durch einen Motor um eine zentrale Achse angetrieben wird.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 22, bei dem die radial äußerste Erstreckung jedes bogenförmigen Elements (221a, 221b, 222a, 222b) einen allgemein konstanten Hauptkrümmungsradius aufweist, der allgemein dem eines Kreises entspricht, dessen Radius gleich dieser Erstreckung ist, wobei vorzugsweise jedes bogenförmige Element (221a, 221b, 222a, 222b) einen Vorderabschnitt (223) und einen Hinterabschnitt (224) aufweist, die bezüglich einer Vorwärtsbewegung der Anordnung bestimmt sind, wobei der Vorderabschnitt den Boden während einer Vorwärtsbewegung zuerst berührt, wobei jeder Abschnitt eine Spitze aufweist und wobei sich der Krümmungsradius jedes bogenförmigen Elements in der Nähe zumindest einer seiner Spitzen von dem Hauptkrümmungsradius unterscheidet, oder wobei zumindest eine der Spitzen jedes bogenförmigen Elements ablenkbar angebracht und mit einer Ablenkungsanordnung gekoppelt ist, so daß der lokale Krümmungsradius auf eine Betätigung hin modifiziert werden kann.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, das ferner eine Antriebssteuerung, die die Steuerschleife (51) umfaßt, zum Antreiben der Stützbauglieder in einem ersten Modus aufweist, bei dem ein erstes bogenförmiges Element in jeder Gruppe von axial benachbarten bogenförmigen Elementen allgemein bis zu einem Punkt, der sich bezüglich einer bogenförmigen Entfernung in der Nähe dessen befindet, wo das nächste nachfolgende bogenförmige Element mit dem Boden in Kontakt kommt, allgemein in Kontakt mit dem Boden bleibt, und so weiter, während nachfolgende bogenförmige Elemente mit dem Boden in Kontakt kommen, um eine im wesentlichen kontinuierliche Rollbewegung des Beförderungsmittels entlang den bogenförmigen Elementen (221a, 221b, 222a, 222b) bereitzustellen.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 24, bei dem die Antriebssteuerung eine Einrichtung zum Antreiben der Stützbauglieder in einem zweiten Modus, um ein Hinaufsteigen und Hinabsteigen von Treppen und anderen Oberflächenmerkmalen zu ermöglichen, und optional eine Einrichtung zum Bewirken, daß ein zweites der bogenförmigen Elemente jeder Gruppe auf einem nachfolgenden Oberflächenmerkmal, das eine Stufe umfassen kann, landet, wenn sich ein erstes der Elemente jeder Gruppe auf einem vorhergehenden Oberflächenmerkmal befindet, umfaßt.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stütze einen Sessel (151, 152, 153) mit einem Sitz (151) umfaßt, der auf schwenkbare Weise an der Anordnung befestigt ist, um eine erste Position, bei der das Subjekt (13; 962; 101; 153) auf dem Sitz (151) sitzen kann, und eine zweite Position, bei der das Subjekt stehen kann, aufzuweisen.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Höheneinstelleinrichtung zum Einstellen der Höhe der Stütze (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) bezüglich des Bodens aufweist, wobei die Höheneinstelleinrichtung vorzugsweise eine variable Erstreckung zwischen der Stütze (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) und dem Bodenkontaktierungsmodul (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485) umfaßt.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stütze (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) eine Basisoberfläche zum Stützen des Subjekts aufweist und bei dem die Bodenkontaktierungskomponenten (11, 21; 931, 932; 221, 222, 223, 224; 261; 463; 485) derart an der Stütze befestigt sind, daß die Entfernung zwischen dem Berührungspunkt jeder Bodenkontaktierungskomponente mit dem Boden und der Basisoberfläche ausreichend gering ist, um es einer Person (13; 962; 101; 153) zu ermöglichen, von dem Boden auf die Stütze (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) zu steigen.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem die Stütze (211) in der Nähe des Bodens ist, um es einem Subjekt (13; 962; 101; 153) zu ermöglichen, auf derselben zu stehen, wobei das Beförderungsmittel vorzugsweise ferner eine an der Stütze (211) befestigte Handhabungsvorrichtung (213), die einen Griff (212) ungefähr auf Taillenhöhe des Subjekts (13; 962; 101; 153) aufweist, und optional eine an der Handhabungsvorrichtung (213) angebrachte Richtungs steuerung (561; 273; 292) zur Verwendung durch das Subjekt (13; 962; 101; 153) beim Steuern der Richtung des Beförderungsmittels aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 29, bei dem die Stütze (211) eine Plattform (154) umfaßt, die eine Fläche aufweist, die im wesentlichen gleich einer Standfläche des Benutzers (13; 962; 101; 153) in einer stehenden Position ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 29 oder 30, bei dem die Stütze (211) eine Plattform (154) mit einer Breite umfaßt, die im wesentlichen gleich einer Schulterbreite des Benutzers (13; 962; 101; 153) ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beförderungsmittel eine Rollen--Achse und eine Neigungsgrad-Achse aufweist und die Stütze (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) eine Stellung aufweist, wobei das Beförderungsmittel ferner eine Stellungsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Stellung der Stütze und eine Stellungssteuereinrichtung zum Steuern der Stellung der Stütze relativ zu der Bodenkontaktierungskomponente und optional eine Rollen-Einstelleinrichtung zum Ermöglichen einer Einstellung der winkelmäßigen Ausrichtung der Stütze bezüglich des Bodenkontaktierungsmoduls (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485) um eine Achse, die im wesentlichen parallel zu der Rollen-Achse des Beförderungsmittels ist, wobei die Rollen-Einstelleinrichtung durch die Stellungssteuereinrichtung gesteuert wird, und optional eine Schräglageneinrichtung zum Bewirken, daß die Rollen-Einstelleinrichtung im Verlauf einer Drehung die Stütze (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) in der allgemeinen Drehrichtung schräglegt, und optional eine Neigungseinstelleinrichtung zum Ermöglichen einer Einstellung der winkelmäßigen Ausrichtung der Stütze bezüglich des Bodenkontaktierungsmoduls um eine Achse, die im wesentlichen parallel zu der Neigungsgrad-Achse des Beförderungsmittels ist, wobei die Neigungseinstelleinrichtung durch die Stellungssteuereinrichtung gesteuert wird, aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der motorisierte Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) durch den Benutzer (13; 962; 101; 153) steuerbar ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 33, bei dem der motorisierte Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) durch eine Ausrichtung des Benutzers (13; 962; 101; 153) bezüglich der Stütze (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) gesteuert wird.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 33 oder 34, bei dem der motorisierte Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) durch ein Lehnen des Benutzers (13; 962; 101; 153), und vorzugsweise ausschließlich durch das Lehnen des Benutzers, steuerbar ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 33 bis 35, bei dem der motorisierte Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) ausgelegt ist, um das Beförderungsmittel ansprechend darauf, daß sich das Subjekt (13; 962; 101; 153) relativ zu dem Beförderungsmittel zurücklehnt, zu bremsen.
Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 33 bis 36, das einen Lehnsensor aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 33 bis 37, das ferner eine mit der Plattform (154) gekoppelte Handhabungsvorrichtung (213) zum Erfassen des Lehnens des Benutzers (13; 962; 101; 153) aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 38, bei dem die Handhabungsvorrichtung (213) einen Kraftsensor zum Erfassen eines Lehnens seitens des Benutzers (13; 962; 101; 153) umfaßt.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 33 bis 36, das ferner einen mit der Stütze gekoppelten Sitz (132; 151), der den Benutzer (13; 962; 101; 153) in einer sitzenden Position stützt, und einen mit dem Sitz gekoppelten Kraftsensor zum Erfassen eines Lehnens des Benutzers aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 33 bis 40, bei dem der motorisierte Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) durch eine Benutzereingabe zum Empfangen, von dem Benutzer, einer Angabe einer Richtung einer gewünschten Bewegung des Beförderungsmittels und zum Bewirken, ansprechend hierauf, daß sich das Beförderungsmittel in die Richtung der gewünschten Bewegung lehnt, steuerbar ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 33 bis 41, bei dem der motorisierte Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) konfiguriert ist, um auf eine Eingabe, die eine gewünschte Bewegung in einer ersten Vor-Zurück-Richtung festlegt, ansprechend zu sein, um zu bewirken, daß sich das Beförderungsmittel ansprechend auf die Eingabe in einer zu der ersten Vor-Zurück-Richtung entgegengesetzten Richtung bewegt, und um das Beförderungsmittel anschließend in der ersten Richtung zu beschleunigen.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 33, das ferner eine Richtungssteuerung (561; 273; 292) zur Verwendung durch das Subjekt beim Steuern der Richtung des Beförderungsmittels aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Antriebsanordnungssteuerung umfaßt, die bewirkt, daß das Beförderungsmittel bei einer festgelegten Geschwindigkeit vorwärtsgetrieben wird, wobei eine solche festgelegte Geschwindigkeit willkürlicherweise in der Nähe einer Null-Geschwindigkeit liegen kann.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 44, bei dem die festgelegte Geschwindigkeit durch den Benutzer (13; 962; 101; 153) festlegbar ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 44, bei dem die festgelegte Geschwindigkeit durch eine Benutzereingabe festlegbar ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 44, bei dem die festgelegte Geschwindigkeit durch eine Ausrichtung des Benutzers (13; 962; 101; 153) bezüglich des Bodenkontaktierungsmoduls (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485) festlegbar ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 47, bei dem die festgelegte Geschwindigkeit durch ein Lehnen des Benutzers (13; 962; 101; 153) auf dem Bodenkontaktierungsmodul (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485) festlegbar ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 44, bei dem die festgelegte Geschwindigkeit durch eine Gewichtsverteilung der Nutzlast bezüglich des Bodenkontaktierungsmoduls (11, 21; 91, 931, 932; 111; 214; 221, 222, 223, 224; 261; 462, 463; 485) festlegbar ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 44 bis 49, bei dem die Motorisierter-Antrieb-Steuerung in der Lage ist, zu bewirken, daß das Beförderungsmittel im wesentlichen an einem festgelegten Standort steht.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Betrieb des Beförderungsmittels eine Fortbewegung umfaßt.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Motorisierter-Antrieb-Steuerung eine erste Funktionsweise, die das Beförderungsmittel veranlaßt, sich fortzubewegen, und eine zweite Funktionsweise, die das Beförderungsmittel veranlaßt, im wesentlichen an einem festgelegten Standort zu stehen, aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beförderungsmittel ferner einen Regler zum Begrenzen der Geschwindigkeit des Beförderungsmittels auf eine gewünschte Geschwindigkeitsschwelle unter der Maximalgeschwindigkeit, zu der das Beförderungsmittel fähig ist, aufweist, so daß die Vor-Zurück-Stabilität des Beförderungsmittels durch eine Rückkopplungsschleife weiter verbessert werden kann, wobei die Rückkopplungsschleife vorzugsweise einen Neigungsmesser umfaßt, um eine Ausgabe bereitzustellen, die den Neigungsgrad des Beförderungsmittels angibt, und wobei die Geschwindigkeitsbegrenzungseinrichtung eine Einrichtung zum Hinzufügen eines Neigungsgrad-Modifizierung zu der Neigungsmesserausgabe immer dann, wenn die Beförderungsmittelgeschwindigkeit die Geschwindigkeitsschwelle übersteigt, umfaßt, wobei die Neigungsgrad-Modifizierung vorzugsweise eine Funktion dessen ist, um wieviel die Geschwindigkeit die Schwelle übersteigt, wobei der Regler vorzugsweise eine Geschwindigkeitsfähigkeitseinrichtung zum Bestimmen, auf einer Echtzeitbasis, der Maximalgeschwindigkeit umfaßt, zu der das Beförderungsmittel derzeit fähig ist, und wobei das Beförderungsmittel vorzugsweise eine elektrische Leistungsquelle aufweist, um den motorisierten Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) mit Leistung zu versorgen, und wobei die Geschwindigkeitsfähigkeitseinrichtung einen Eingang zum Empfangen eines Signals, das die derzeit durch die Leistungsquelle an den motorisierten Antrieb gelieferte Ausgabe angibt, aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der motorisierte Antrieb (531, 532; 253; 281; 4913) eine Steuerung umfaßt, die Informationen bezüglich dessen, ob das Beförderungsmittel fällt, empfängt.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner ein mit der Stütze (12, 22; 95; 131, 132; 151, 152, 154; 181; 182; 211; 461; 481) gekoppeltes strukturelles Bauglied umfaßt, das ein Vor-Zurück-Lehnen des Benutzers einschränkt.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Steuerschleife (51) aufweist, die eine Mehrzahl von Mikroprozessoren aufweist, wobei jeder Mikroprozessor einem getrennten Satz von Aufgaben zugewiesen ist, die einer Beförderungsmittelfortbewegung und -steuerung zugeordnet sind, und wobei sich dieselben über einen Signalbus (279) in Kommunikation miteinander befinden.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Anzeigesystem aufweist, das eine Einrichtung (531) zum Erzeugen einer Vibration, die eine Pulssequenz, eine Neigungsgrad- und eine Wiederholrate aufweist, und einen Modulator (532) zum Modulieren entweder des Neigungsgrads oder der Wiederholrate auf der Basis der Geschwindigkeit und Ausrichtung des Beförderungsmittels aufweist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 57, bei dem die Vibration eine Schallausgabe ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß Anspruch 57, bei dem die Vibration eine taktile Vibration ist.
Ein Beförderungsmittel gemäß einem der Ansprüche 57 bis 59, bei dem der Neigungsgrad auf der Basis der Ausrichtung des Beförderungsmittels moduliert ist und die Wiederholrate auf der Basis der Geschwindigkeit des Beförderungsmittels moduliert ist.
Ein Verfahren zum Tragen eines Subjekts über einen Boden, der eine Oberfläche aufweist, die unregelmäßig sein kann, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Einnehmen einer Position an einem Beförderungsmittel, dem es inhärent an einer Stabilität in einer Vor-Zurück-Ebene mangelt; (b) Erfassen einer Lehnneigung des Beförderungsmittels nach vorne und nach hinten um eine Berührungsregion des Beförderungsmittels mit dem Boden herum; und (c) Betreiben eines motorisierten Antriebs, der in das Beförderungsmittel integriert ist und der eine Stabilität in der Vor-Zurück-Ebene dynamisch verbessert und eine Beschleunigung des Beförderungsmittels als Funktion des Lehnens des Beförderungsmittels nach vorne und nach hinten und eines Neigungsmodifikationswerts bewirkt, der bestimmt wird, um eine Kapazität des motorisierten Antriebs sicherzustellen und eine Balance und Steuerung des Beförderungsmittels beizubehalten.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 61, bei dem das Betreiben des motorisierten Antriebs ein Erzeugen einer stabilisierten Bewegung ansprechend auf eine Veränderung einer Ausrichtung des Benutzers in der Vor-Zurück-Ebene umfaßt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 61 oder 62, bei dem das Beförderungsmittel so ist, wie es in einem der Ansprüche 1 bis 60 definiert ist.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 61 bis 63, das ferner folgende Schritte aufweist: Liefern einer Eingabe, die eine gewünschte Bewegung in einer ersten Vor-Zurück-Richtung festlegt, Veranlassen, daß sich das Beförderungsmittel ansprechend auf die Eingabe in einer zu der ersten Vor-Zurück-Richtung entgegengesetzten Richtung bewegt, und anschließendes Beschleunigen des Beförderungsmittels in der ersten Richtung.
Verwendung des Beförderungsmittels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 59 zum Transportieren eines Subjekts über eine Oberfläche, die unregelmäßig sein kann.
Verwendung des Beförderungsmittels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 59 als Prothese für ein in seinem Gleichgewicht beeinträchtigtes Subjekt, bei dem die Fähigkeit des in seinem Gleichgewicht beeinträchtigten Subjekts, ein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, durch einen Betrieb des motorisierten Antriebs überwunden wird.