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

Laufzeit: Juni 2009 - Dezember 2011 / FHprofUnt-Projekt; Förderkennzeichen 1738X09, 2009-2011 / Prof. Tom Philipps

Zielsetzung

Aufbauend auf den Erkenntnissen aus RIA 1.0 werden unterschiedliche Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte im Rahmen dieses Projekts untersucht. Gesucht wird ein Lösungssystem für gehbehinderte Menschen, die täglich auf einen Rollstuhl angewiesen sind, mit dem Ziel einer Verbesserung der mobilen Selbständigkeit im öffentlichen Raum, auch für längere Distanzen und zur Rehabilitation. 

Für Betroffene gibt es mit dieser Zielsetzung bislang keine befriedigenden Lösungen. Um mit einem gewöhnlichen Rollstuhl im Außenbereich größere Distanzen zurücklegen zu können, bedarf es zusätzlich zu montierender Anbauteile für Antrieb und Lenkung. Alternativ kann ein zweites Gefährt angeschafft werden, meist eine spezielles Liegerad. Zunehmend werden durch die Krankenkassen zwei Rollstühlen jedoch nicht mehr bewilligt, somit sprechen auch ökonomische Parameter für einen integralen Lösungsansatz. 

Humanitäre Schwerpunkte:

- Erhöhung der Mobilitätsqualität im Alltag durch Erhöhung von Aktionsradius und Antriebsgeschwindigkeit.
- Verbesserung der Alltagstauglichkleit durch die Möglichkeit, im öffentlichen Raum schnell und einfach zwischen Innen- und Außenbereichen wechseln zu können.

Aus der Festlegung der bereits genannten zwei Schwerpunkte ergibt sich die Notwendigkeit, adäquate Lösungen für Antrieb, Lenkung und Bremsanlage zu entwickeln. Desweiteren bedarf es eines Rollstuhlrahmens, der dem Behinderten einen einfachen Moduswechsel zwischen Innen- und Außenbereichen ermöglicht.

Technologische Schwerpunkte:

- Entwicklung und modulare Integration eines optionalen Elektroantriebs
- Entwicklung spezieller Griffe und Antriebshebel
- Anpassung der Getriebe, Übersetzugs- und Regelkomponenten
- Bau eines Funktionsprototypen

Muskelantrieb

In Innenbereichen findet vorzugsweise der konventionelle Handantrieb mit den Greifringen Verwendung und die Antriebshebel verbleiben zwischen Sitz und Rädern. In Außenbereichen ermöglichen die dann nach vorn geschwenkten Antriebshebel Geschwindigkeiten bis zu 35 km/h auf ebenem Terrain.

Abb. 1 - Indoor-Modus
Abb. 2 - Outdoor-Modus
Abb. 3 - Indoor-Modus
Abb. 4 - Outdoor-Modus

Mobilitätsmodule

Je nach Bedarf kann der Rollstuhl mit verschiedenen Antriebsmodulen zur Steigerung der Mobilitätsqualität erweitert werden. Zu Verfügung stehen ein Getriebemodul, ein Motormodul sowie ein Akkumodul. Alle Module sind für den Behinderten vom Sitz aus erreichbar und können über einen Griff leicht aus dem Rahmen herausgezogen werden. Dies bietet zum Einen die Möglichkeit die Ausstattung des Rollstuhls individuell dem jeweiligen Bedarf oder dem Grad der Behinderung anpassen zu können:

A: reiner Muskelantrieb (Abb. 5)

B: Muskelantrieb mit Unterstützung durch einen Elektromotor (Pedelec-Sensortechnik) (Abb. 6)

C: reiner Elektromotorantrieb (Abb. 7)

Basismodul ist das Schaltgetriebe mit integriertem Differential und definierten koppelbaren Schnittstellen zu den Halbachsen und Erweiterungsmodulen links und rechts. Zum Anderen ermöglicht die einzelne Entnahmemöglichkeit der relativ schweren Module das Gewicht des Rollstuhls erheblich zu vermindern. Dies ist beispielsweise für den Transport mit dem Auto wünschenswert und somit eine Erleichterung im Alltag. 

 

Abb. 5 - Schaltgetriebemodul für Muskelantrieb
Abb. 6 - (Pedelec-Technik) oder 3 (eBike-Technik) - Getriebe-, Motor- und Batteriemodul
Abb. 7 - Alle Module für den Rollstuhltransport
 

Moduswechsel Innen-Außen

Den konstruktiven Mittelpunkt für den Moduswechsel bildet ein zentraler Hauptrahmen, der flankierend mit zwei Gleischienen bestückt ist. In diesem Rahmen ist ein Sitzschlitten gleitend gelagert bestehend aus Schlittenbügel, Sitz, Klappbügel und Vorderradgabel. Nach dem Entrasten von zwei Tasten links und rechts am blauen Schlittenbügel zieht sich der Nutzer an den zwei Haltegriffen mit samt dem Sitzschlitten kontrolliert nach unten, gleichzeitig schwenkt die Vorderradgabel nach vorne und passt sich der Beinlänge an. Beim Ausfahren der Vorderradgabel erfolgt ein sanfter Lastwechsel von den Schwenkrollen hin zum Vorderrad. Die zwei Antriebshebel für den Outdoor-Antrieb können nun zwischen den Rädern nach vorn geholt werden. Der Wechsel zurück in den Innenmodus verläuft auf die gleiche Weise kontrolliert umgekehrt ab.

 

Abb. 8 - Zentralrahmen mit beidseitigen Führungsschienen
Abb. 9 - Steuermechanismus für die Sturzverstellung
Abb. 10 - Eingefahrene Schwenkrollen, rechter Haltegriff und Entrastung am blauen Sitzbügel

Sturzverstellung

Mit dem Moduswechsel von Innen zu Außen ist automatisch eine Sturzverstellung gekoppelt. Der Sturz im Innenmodus beträgt voreinstellbar 0° Grad oder 3° Grad, im Aussenmodus geraten die Räder in eine 10°-Neigung. Im Rahmen der Sturzverstellung erfolgt ebenso eine Verlagerung des Schwerpunkts der schweren Komponenten an der Hinterachse nach unten.

Abb. 11 - Handgriff
Abb. 12 - Aufhängung des Sitzes

Neigelenkung

Sobald sich der Sitzschlitten in den Führungsschienen nach unten bewegt, gibt dieser die drehbare Lagerung des Sitzes bzw. der damit verbundenen Neigelenkung frei. Gelenkt wird somit durch seitliches Abkippen der Vorderradgabel, der Körper neigt sich dabei aktiv mit in die Kurve. Die Antriebshebel neigen sich nicht mit, sondern dienen beim Lenken als Rückstellhilfe in die Stellung für die Geradeausfahrt. 

Abb. 13 - Radsturz
Abb. 14 - Neigungslenkung

Funktionsaufbauten

Antriebs-Prototyp

Für einen optimierten Antrieb wurde ein Funktionsprototyp aufgebaut, um auch höhere Geschwindigkeiten für einen sportiven Einsatz erreichen zu können. Hierfür wurde ein oszillierender Zwei-Hebelantrieb mit einem Hebelbereich von 35° entwickelt. Der Vortrieb ist sowohl bei der Hebelbewegung nach vorn als auch nach hinten möglich, um einen flüssigen Antrieb zu gewährleisten. Die optimalen Übersetzungen wurden berechnet und mit Hilfe verschiedener Getriebe umgesetzt. Der Rollstuhl verfügt nun über ein Differentialgetriebe, ein stufenloses Schaltgetriebe und ein zusätzliches Planetengetriebe. 

Abb. 15 - Prototypen-Fahrtests_hier der Antriebs-

Fahrwerks-Prototyp

Bei der Entwicklung des Fahrwerks stand neben der Fahrstabilität und dem Kurvenverhalten der einfache und flüssige Moduswechsel vom Innen- zum Außenbereich im Vordergrund. Zusätzlich galt es im Fahrwerk eine Neigelenkung und eine mit dem Moduswechsel gekoppelte Sturzverstellung zu integrieren. Der Antriebs-Protototyp und der Fahrwerks-Prototyp wurden zunächst getrennt entwickelt, da sich die jeweiligen systemischen Zusammenhänge als sehr komplex erwiesen und gemeinsam nur schwer auf ein Mal zu lösen waren. 

Abb. 16
Abb. 17 - Impressionen aus dem Elektroniklabor

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