Schwerpunkte

High Tech für Menschen mit Behinderung

Antriebstechnik für Rennen der besonderen Art

18. Oktober 2020, 14:22 Uhr   |  Andreas Seegen, Ellen-Christine Reiff

Antriebstechnik für Rennen der besonderen Art
© Manuel Gutjahr

Bild 1: Cybathlon-Pilot Florian Hauser in seinem Wettkampf-Rollstuhl, der von einem Ingenieurteam der Hochschuhe Rapperswil ständig weiterentwickelt wird.

Im Cybathlon, den die ETH Zürich ins Leben gerufen hat, messen sich Menschen mit Behinderungen beim Absolvieren von Alltagsaufgaben mittels technischer Assistenzsysteme. Mini-Elektroantriebe übernehmen in den beteiligten Hightech-Rollstühlen und der darin verbauten Robotik viele wichtige Funktionen.

Ob Unfall, Krankheit oder Altersgebrechen – eine Behinderung kann jeden treffen. Deshalb suchen Menschen schon seit Langem nach Lösungen, um den Betroffenen das Leben zu erleichtern. Als Vorreiter gelten die Chinesen, die bereits um 1300 vor Christus eine Art Sessel mit Rollen genutzt haben sollen. Seither haben sich Rollstühle stark weiterentwickelt und sind heute High-Tech-Geräte (Bild 1), die ständig verbessert werden. Der Cybathlon, der seit 2016 wie die Olympischen Spiele alle vier Jahre stattfindet, soll dazu beitragen. Auch zwischen den Veranstaltungen gibt es immer wieder Rennen, meist im Rahmen von Fachmessen.

In der Kategorie Wheelchair Race absolvieren Piloten mit einer schweren Gehbehinderung in einem motorisierten Rollstuhl eine definierte Hindernisstrecke. Die einzelnen Stationen enthalten beträchtliche Herausforderungen, etwa Treppen, Rampen, Slalomstrecken oder ganz allgemein unebenes Terrain. Mit bislang zwei Goldtrophäen ist dies die Paradedisziplin des Teams HSR Enhanced der Hochschule für Technik Rapperswil. Der Antriebshersteller Faulhaber in Schönaich bei Böblingen ist dabei mit an Bord – mit Hochleistungsmotoren im Rollstuhl sowie als Sponsor des HSR-Teams. »Als 2016 der erste Cybathlon in Zürich ausgerichtet wurde, haben wir ziemlich spät davon erfahren«, erinnert sich Prof. Dr. Christian Bermes vom Institut für Laborautomation und Mechatronik der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR). »Es blieben uns gerade mal zehn Monate, um aus dem Nichts einen wettbewerbsfähigen Rollstuhl zu entwickeln. Aber die Aufgabe war reizvoll, die technische Herausforderung ausgesprochen interessant.«

Das Hochschulteam, das sich dann schnell zusammenfand, war von Anfang an erfolgreich: Gleich beim ersten Anlauf holte es sich die Goldmedaille beim Cybathlon. Ein Erfolg, den das Team drei Jahre später bei der Cybathlon Wheelchair Series im japanischen Kawasaki bestätigte. Beim nächsten Cybathlon, der im Herbst 2020 in der Schweiz stattfinden soll, treten die Rapperswiler in ihrer Disziplin also als Favoriten an. Sie können sich aber nicht auf ihren Lorbeeren ausruhen – und das nicht nur wegen der starken Konkurrenz. Wie im Motorsport reagiert die Regelsetzung auf den technischen Fortschritt, und die Messlatte wird ständig höher gelegt.

HSR
© HSR

Bild 2: Das HSR-Ingenieurteam verwendet ein hybrides Antriebskonzept mit Raupen für die Treppe und einzeln lenkbaren Rädern, die den Rollstuhl bei allen anderen Hindernissen sehr wendig machen.

»In Zürich waren nur drei Treppenstufen zu bewältigen«, erinnert sich Bermes. »In Kawasaki waren es schon sechs. Die Tür durfte dort nicht mehr vom Fahrer selbst, sondern nur von einem Roboterarm geöffnet und nach der Durchfahrt wieder geschlossen werden.« Die einzelnen Aufgaben enthalten also beträchtliche technische Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Für das Treppensteigen beispielsweise haben die verschiedenen Teilnehmerteams ganz unterschiedliche Ansätze entwickelt. Einige von ihnen setzen beispielsweise auf Raupen, die auch die Fortbewegung auf flachem Untergrund bewältigen. HSR Enhanced verwendet dagegen ein hybrides Antriebskonzept mit Raupen für die Treppe und einzeln lenkbaren Rädern, die den Rollstuhl auf ebenem Gelände sehr wendig machen.

Treppensteigen mit Raupen

Für die Treppe gibt es das absenkbare Zusatzmodul „Herkules“ unter dem Fahrgestell, das den Rollstuhl für die Treppe von einem Rad- in ein Raupenfahrzeug verwandelt (Bild 2). Damit der Pilot auch in der Schräglage sicher sitzt, wird der Fahrersitz und damit der Schwerpunkt verschoben. Die Verlagerung hat zudem Einfluss auf die Traktion und das Fahrverhalten, kommt dem Fahrer aber auch in Alltagssituationen entgegen: Ist der Sitz vorn, sind seine Füße unten, und er kann bequem an einen Tisch heranfahren. In der hinteren Position – Standard für die Fahrt auf ebenem Untergrund – liegen die Beine oben, was die Kombination aus Pilot und Rollstuhl kürzer und kompakter macht.

Motoren von Faulhaber kommen im Treppenmodul, bei der Sitzverstellung und bei der Einzelradlenkung zum Einsatz. Für die Absenkung des „Herkules“ werden zwei graphitkommutierte DC-Motoren der Baureihe CR verwendet (Bild 3), die das Gesamtgewicht von rund 180 kg von den Rädern auf die Raupen heben. Der gleiche Motortyp verschiebt mit Getriebe und Spindel versehen auch den Sitz. Die Motoren beschränken sich auf Durchmesser von 38 mm. Durch die Konstruktion als Glockenankermotoren mit patentierter, freitragender Rotorspule mit Schrägwicklung, die um einen ruhenden Magneten rotiert, lässt sich fast der gesamte Motordurchmesser für die elektrische Spulenwicklung nutzen. Dadurch erreichen die Motoren im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen.

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2. "Antriebe mit höchstmöglichem Wirkungsgrad"

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