Entwicklung eines muskelbetriebenen multifunktionalen Rollstuhls, der die spezifischen Anforderungen für den Einsatz im Innen- und Aussenbereich in einem integralen Ansatz vereint.

Laufzeit: Juni 2005 - März 2007 / zfe-Förderung / Prof. Tom Philipps

Projektidee

Das Projekt RIA ist adressiert an gehbehinderte Menschen, die durch einen Unfall bzw. von Geburt an querschnittsgelähmt oder an Multipler Sklerose (MS) erkrankt und somit täglich auf einen Rollstuhl angewiesen sind. 

Aktuelle muskelbetriebene Rollstühle stehen einer mobilen Selbständigkeit in sofern entgegen, als dass sie zwar für kurze Strecken und innerhäuslich durchaus geeignet sind, längere Distanzen aber zur Strapaze werden. Der Betroffene benötigt somit im Alltag meist zwei Rollstühle, die unterschiedliche Kriterien erfüllen: einen, mit dem man sich flexibel innen auf engstem Raum bewegt, und einen zweiten, mit dem man draußen, im öffentlichen Raum, zügig längere Strecken überbrückt. 

Die Entwicklung verfolgt eine Integration beider Systeme in einen gemeinsamen Lösungsansatz. Die bisherige Entwicklung neuer Rollstühle zeigt kaum Fortschritte auf. Innovationen werden primär durch Verbesserungen technischer Details wie z. B. die Reduzierung des Gewichtes, die Einstellmöglichkeiten und andere Details gemacht. Ganzheitliche Ansätze und wesentliche Probleme, vor denen ein aktiver Rollstuhlfahrer steht wie Lenkung, Antrieb und das Abbremsen des Rollstuhls, werden bei aktuellen Neuentwicklungen leider vernachlässigt. 

Meist unberücksichtigt gelassen wird auch das Kriterium der Rehabilitierung: sich fit zu halten, selbständig alltägliche (Arbeits-) Wege zurückzulegen und mehr Kontrolle über den Rollstuhl während der Benutzung sowie die Aufrechterhaltung der eigenen Kondition sind angestrebt. Auch ökonomische Parameter, z.B. dass die gesetzlichen Krankenkassen immer seltener einen zweiten Rollstuhl genehmigen, sprechen für den integralen Lösungsansatz eines Rollstuhls für den Innen- und Außenbereich.

Das Vorhaben berücksichtigen die aktuelle Situation des Marktes. Im Rahmen eines bisher sechsjährigen Projektverlaufs an der Hochschule Darmstadt wurde neben einer umfangreichen Analysephasen und Bewertungen ein Kriterienkatalog erstellt, der die entscheidenden Parameter der Entwicklung beschreiben. Daraufhin wurden diverse konstruktive Lösungsansätze unter Berücksichtigung aktueller Technologien und ergonomischer Studien entwickelt und überprüft. In Kooperation mit Herstellern und Instituten wurden die Entwicklungen einer Machbarkeitsstudie unterzogen und dann, nach einer Erfolg versprechenden Verifizierung der theoretischen Ansätze, in Form mehrerer Funktionsprototypen umgesetzt.

Forschungsschwerpunkt ist es, einerseits die schwierigen ergonomischen Parameter der beiden Anwendungszustände (innen/außen) in einem System zu vereinen, und anderseits eine angemessene technologische Umsetzbarkeit zu finden. Der bisherige Entwicklungsschwerpunkt konzentrierte sich darauf, die unterschiedlichen mechanischen Funktionen und deren Zusammenspiel soweit zu optimieren, dass hieraus ein handhabbares Resultat folgt. Hierbei lag die Herausforderung in einer Lösungsfindung mit speziellen Anforderungen an ein Wechselspiel zwischen Gewichtsoptimierung und komplexer mechanischer Integration. Somit wurden im Projektverlauf mehrere Prototypen und Versuchsprinzipien realisiert, die letztendlich ein umfassend funktionsfähiges System darstellen.

Das Ergebnis der Entwicklung ist ein Rollstuhl, der im Außenmodus mit Hilfe der Neigungslenkung gesteuert und durch einen Hebelantrieb mit Getriebeübersetzung angetrieben wird. Hierbei teilt sich der Rollstuhl in zwei Baugruppen auf. Das Vorderrad bildet gemeinsam mit dem Sitz und einer starren Achse die erste Baugruppe, die Hinterräder mit der Hebel-, Antriebseinheit und Längenverstellung die Zweite.

 

Initialprojekt

Im Rahmen eines studentischen Entwurfsprojekts, das von Prof. Tom Philipps und Prof. Tino Melzer im Wintersemester 2005/2006 betreut wird, entstehen die nachfolgenden konzeptionellen Ansätze. 

Thematisch stellen sich die Studierenden annähernd der gleichen Aufgabenstellung, die im anschließenden Forschungsprojekt vertieft werden. Aufgrund einer zeitlichen Bearbeitungszeit von ca. drei Monaten wird auf Funktionsprototypen verzichtet, wobei aber die Funktionsprinzipien in Form von maßstäblichen Kinematikmodellen verifiziert werden. 

Die entstandenen drei Studien zeigen sehr interssante Überlegungen und Lösungssysteme, die im Rahmen der Entwicklung des Projekts als Ausgangsbasis zur Verfügung stehen:

Mirko Kiesel; Abb. 1-4
Marie Arnaudon; Abb. 5-6
Ingo Zipp; Abb. 7-8

Konzeptionelle Ansätze, Analyse und Auswertung

Im Rahmen der Entwicklung werden sechs unterschiedliche konzeptionelle Ansätze untersucht die alle ein hohes theoretische Potential zur Erfüllung der angestrebten Ziele mitbringen. Diese Untersuchungen werden unter nachfolgenden Kriterien analysiert und bewertet. Um die Vielfalt an denkbaren Funktionsprinzipien zu untersuchen und zu klassifizieren wird eine theoretische Analyse durchgeführt und folgende Schwerpunkte untersucht:

- Antriebsvarianten von Rollstühlen
- Lenkungsprinzipien
- Varianten zum Kippschutz

Diese werden nach folgenden Kriterien bewertet:

- Wirkung (W) 
- Handling, Fahrverhalten (H)
- Technologieaufwand (T)
- Alltagstauglichkeit (A)

Betrachtet man die vorliegenden konzeptionellen Ansätze, so ist zu erkennen, dass sie alle recht nahe beieinander liegen. Dies liegt zum einen daran, dass mit jedem Ansatz versucht wurde möglichst ideal die Zielsetzungen zu erfüllen und natürlich auch die Tatsache, dass viele Ansätze auch aufeinander aufbauen. 

 

 

RIA 9-11

Abb. 9
Abb. 10
Abb. 11

Der Ansatz mit dem höchsten Potential beschreibt die Variante mit einer Neigungslenkung, einem festen Vorderrad im Außenmodus und mit einer zuschaltbaren Hilfsrolle für den Innenmodus.

Ergonomische Voruntersuchungen und Ermittlung der Kenngrössen mit RAMSIS®

Das Rollstuhlkonzept RIA mit seinem neuartigen Handling erforderte eine eigene Ergonomie-Analyse die mit dem Software Ramsis® durchgeführt wird. 

Die Ergonomie-Software „Ramsis“ wird hauptsächlich in der Automobil-Branche eingesetzt. Viele Automotive-Hersteller verwenden dieses Tool, das es erlaubt z.B. ein Cockpit im Vorraus, virtuell auf seine Bedienbarkeit und seinen Komfort zu überprüfen. Die Stärke der Software liegt in einem sehr realistischem Mensch-Modell. 

Für ein großes Spektrum von Köpergrößen wird mit Hilfe der Software die optimale Sitzposition, die Haltung und das beste Handling theoretisch ermittelt. Um ein größtmöglichen Bereich von Körpergrößen für das RIA-Konzept abzudecken wird die Analyse, wie üblich, von einer 5 Perzentil Frau, über einen 50 Perzentil Mann, bis hin zu einem 95 Perzentil Mann durchgeführt. Hierbei wird jeweils eine europäische Person im Alter zwischen 18-70 Jahren angenommen. Diese Körpergrößen stellt die Software bereit. Ein spezieller „Manikin Datensatz“ für querschnittsgelähmte Menschen liegt zur Zeit der Studie nicht vor und wird annäherungsweise simuliert. 

Sind alle benötigten Berührungspunkte eingegeben wird die Haltung berechnet. Aufgrund einer Basishaltung richtet sich „Manikin“ an allen uneingeschränkten Körperpartien so aus daß es den größtmöglichen Komfort erhält. Sitzt „Manikin“ so wie erwartet, lassen sich u.a. folgende Eigenschaften analysieren:

- der Komfort bzw. der Diskomfort
- Erreichbarkeit
- möglich Haltung bzw. widersprüchliche Haltung
- ausübbare Kraft

Ermittlung des möglichen Kraftaufwandes

Es wird ermittelt, wie viel Kraft bei einer entsprechenden Person in einer speziellen Arm- und Körperstellung zur Verfügung steht. Bei dieser Analyse werden die Muskeln von der Schulter bis zur Handinnenfläche überprüft. Die Kraftrichtung geht vom Ellebogen aus und zeigt über den Punkt der Handinnenfläche hinaus.

Diese Berechnungen wird mit den drei Körpergrößen in jedem Punkt des Bewegungsfeldes der Hebel durchgeführt. Die in einer Matrix zusammengetragenen Werte werden anschließend als Diagramme dargestellt und ausgewertet. 

Die Kurve mit den höchsten Werten und einem möglichst gleichförmigen Bogen deutet auf eine Hebeleinstellung die für die jeweilige Figur ideal ist. (vgl. Abb. 2)

Abb. 12
Abb. 13

Ermittlung der Armstellung

Gleichzeitig zur Kraftanalyse wird auch der Winkel zwischen zwei Gliedmaßen in der jeweiligen Haltung ermitteln. Hierbei wird der Winkel zwischen dem Ober- und dem Unterarm gemessen. Diese Analyse ist wichtig da Gelenke unter Dauerbelastung nicht vollkommen geöffnet bzw. eingeschlagen werden dürfen da sich sonst schnell Folgeschäden einstellen können.

Deswegen wird bei der Analyse ein Toleranz von 25° angenommen um die Gelenke zu schonen. Diese Beschränkung wirkt sich auf das Bewegungsfeld aus und wird in der Tabelle als gestrichelte Linie angelegt. Alle Punkt außerhalb des eingegrenzten Bereichs sind für die jeweilige Körpergröße nicht angemessen.

Abb. 14
Abb. 15

Human Solutions - Excellence Award 2008

Mit der Ergonomieanalyse des muskelbetriebenen, multifunktionalen Rollstuhls hat sich Dipl.-Des. Johannes Mühlig-Hofmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter des IfID der Hochschule Darmstadt, unter der wissenschaftlichen Betreuung von Prof. Tom Philipps den Human Solutions - Excellence Award gesichert. 

Strukturmodelle, Versuchsaufbauten und Fahrversuche

Im nachfolgenden Schritt werden die ersten Ansätze zur Intergration aller notwendigen technischen Baugruppen in einem Lösungsansatz ausgearbeitet. In diesem Projektstadium wird die Notwendigkeit eines Nachlaufhilfsrades geboren, das im „Außenmodus“ zuschaltbat ist und somit eine höhere Bewegungsflexibilität des Rollstuhls zuläßt.

Abb. 16
Abb. 17
Abb. 18

Versuchsaufbauten zum Arbeitspaket Neigungslenkung

Auf Basis dieser Analyse wird das Konzept K5 weiterverfolgt und in Form von Funktionmodellen zu Überprügung der Geometrien umgesetzt. Diese Versuchsaufbauten sind für erste Rollversuche geeingent und belegen, dass Anwender (Rollstuhlfahrer) eine Neigungslenkung beherrschen können.

Abb. 19
Abb. 20-22
Abb. 23-24

Antriebsprinzipien

Der Antrieb im Innenmodus erfolgt ausschließlich mit Hilfe der Greifreifen. Im Aussenmodus werden die Hebel (a) synchron nach vorne geklappt. Hierbei hängt sich die Kette (b), die über eine Excenterscheibe (c) im Innenmodus ausgehängt ist, wieder in das Antriebsritzel am Getriebe (d) ein. Somit wird über die Hebelbewegung ein oszillierender Kraftfluss übertragen.

 

 

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Abb. 26
Abb. 27
Abb. 28
Abb. 29
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Abb. 33-36
Abb. 37-40
Abb. 41-44
Abb. 45

Designstudie RIA 1.0 / K7

Die Ergebnisse aus den Versuchsaufbauten und den Fahrversuchen werden in der Designstudie K7 zusammengeführt. Bei der nachfogenden Studie stehen Leichtbau (CFK) und die Integration der Baugruppen im Vordergrund.

 

 

Abb. 46
Abb. 47

Eine vorranige technologische Herausforderung dieser Entwicklung ist es, die Funktionsvielfalt an den Hebelgriffen zu reduzieren. Die vier Funktionsgrade Antrieb, Bremsen, Schalten und Lenken, die mit den Händen gleichzeitig ausgeübt werden müssen, stellen eine besondere Herausforderung für den Anwender dar. Eine Reduktion der Funktionsgrade ist hier wünschenswert. 

Abb. 48
Abb. 49
Abb. 50
Abb. 51

RÉsumÉ

Das Ergebnis der Entwicklung ist ein Rollstuhl, der im Aussenmodus mit Hilfe der Neigungslenkung gesteuert und durch einen Hebelantrieb mit Getriebeübersetzung angetrieben wird. Hierbei teilt sich der Rollstuhl in zwei Baugruppen auf. Das Vorderrad bildet gemeinsam mit dem Sitz und einer starren Achse die erste Baugruppe, die Hinterräder mit der Hebel-, Antriebseinheit und Längenverstellung die zweite. Verbunden sind beide Systeme über ein achsiales Gelenk. Dieses System ermöglicht dem Anwender, durch Körperneigung die Vorderräder zu lenken. 

Bemerkenswert ist auch die Akzeptanz des vorliegenden Entwurfs bei nicht körperbehinderten Personen. Insbesondere Jugendliche entdecken RIA als ein Sportgerät für den täglichen Gebrauch – dieser schöne Nebeneffekt unterstützt auch das Selbstverständnis im Umgang mit der ursprünglichen Zielgruppe und bietet somit einen Beitrag zur besseren Integration.

Der aktuelle Stand der Entwicklung erfüllt fast uneingeschränkt die gesetzten Zielsetzungen:

Innenmodus:

- Wendigkeit, muskelbetrieben, Kompaktheit

Aussenmodus:

- Antrieb über Getriebe, muskelbetrieben, Lenkung, Federung der Hinterräder, Bremse, Betätigung per Hand, Spurstabilität, Schutz vor Kippen

generelle Aspekte:
- Integration von Innen- und Außenmodus
- Wählbarkeit zwischen hoch-kompakt und flach-lang (Einstellung per Hand)
- manuelle Wählbarkeit zwischen Steh- und Fahrmodus durch Anwender
- Lenkbarkeit, Bremsbarkeit, Spurstabilität, effektiver Antrieb, Schutz vor Kippen
- Leichtigkeit, Steifigkeit
- Getriebeschaltung per Hand
- gedämpftes System (Sitz und Fahrwerk)
- gewichtsreduzierte Komponenten (noch ausbaufähig)
- zusammenlegbar, für PKW-Transport geeignet
- Integrationsgedanke, höhere Akzeptanz bzw. Interesse bei nicht Roll
- Das Produkt ist alltagstauglich (es genügt allen relevanten Witterungs- und Straßenbedingungen im urbanen  Raum, andererseits allen Anforderungen im Innenraum).
- Robustheit, Leichtigkeit und Kraft
- Selbständigkeit / Sportlichkeit / Hochwertigkeit

AUSBLICK

Potentiale und Optimierungen der Entwicklung bietet sich im Segment der:

- Gewichtsreduzierung
- Integration der Komponenten
- spezifizierte Getriebeabstufungen mit höherem Wikrungsgrad
- Feinabstimmung der Funktionen untereinander
- Kostenoptimierung der Komponenten

Die Entwicklung hat das Potential zur Serien- und Marktfähigkeit. Hierbei wird insbesondere der Realisierung der technologisch komplexen Komponenten unter ökonomischen Kriterien eine entscheidende Aufgabe zugeschrieben. Es ist beabsichtigt, das Ziel im Verbund mit einem Entwicklungs- und Vertriebspartner zu erreichen.

Dies ist die Grundlage für das Folgeprojekt RIA 2.0.

-> RIA 2.0