Von der Antike zur Hightech-Mobilität Sichere Mobilität mit Aktivrollstuhl dank Winkelsensoren

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Wie steuern Aktivrollstühle allein durch Körperbewegung? Winkelsensoren und smarte Technik revolutionieren die Mobilität für Menschen mit Handicap.

Mit dem Omeo hat das neuseeländische Unternehmen Omeo Technology einen besonderen Rollstuhl für den anspruchsvollen Indoor- und Outdoor-Einsatz entwickelt, der Menschen mit Handicap das Leben deutlich lebenswerter machen kann. Er lässt sich sowohl freihändig als auch per Joystick steuern; Antrieb und Reifen sind für den Einsatz auf Sand, Kies, Gras und glatten Oberflächen ausgelegt. Null-Grad-Kurven ermöglichen es dem Benutzer, sich auch in engen Räumen zu bewegen. Dabei kommt der Omeo mit einer Akkuladung bis zu 50 km weit und kann Geschwindigkeiten von bis zu 20 km/h erreichen. Rollstuhlfahrer können also Jogger auf einer Tour begleiten oder an anderen Aktivitäten teilnehmen, die früher unerreichbar schienen. Das kann die Lebensqualität erheblich steigern.

Aktive Sitzkontrolle für freihändiges Fahren

Im Freihand-Modus wird der Rollstuhl durch Gewichtsverlagerung gebremst, beschleunigt und gelenkt. Dazu nutzt er die Segway-Technologie, reagiert also auf jede Veränderung der Körperposition des Fahrers. Vor- und Rückwärtsfahrt wird durch Gewichtsverlagerung nach vorne und hinten gesteuert, bei senkrechtem Körperstand bleibt die Geschwindigkeit konstant bzw. der Roller bleibt im Stillstand. Für Kurvenfahrten genügt ein leichtes Kippen der Lenkstange nach rechts oder links. Das alles entspricht einer intuitiven und natürlichen Art, sich fortzubewegen, ist also für den Fahrer oder die Fahrerin auch ohne viel Übung einfach zu bewältigen.

Diese Bewegungssteuerung haben die Neuseeländer überarbeitet, um die Funktionalität an die sitzenden Fahrer anzupassen. Diese steuern die Bewegung des Rollstuhls jetzt, indem sie das eigene Gewicht um einen zentralen Drehpunkt verlagern. Sensoren unter dem Sitz erkennen die Gewichtsverlagerung nach vorne, hinten, links oder rechts um diesen Punkt herum. Der Hersteller nennt das Active Seat Control (ASC). Zusätzlich gibt es auch die Möglichkeit den Rollstuhl per Joystick zu bewegen. Zwischen beiden Varianten lässt sich jederzeit wechseln. Um die Sicherheit zu gewährleisten, kann der Rollstuhl auch nur im Joystickmodus mit ausgefahrenen Stabilisierungsbeinen gestartet werden. Ist alles bereit, werden die Beine eingefahren und es kann in den ASC-Modus gewechselt werden.

Die Regelungs- und Steuerungstechnik, die dahintersteckt, ist anspruchsvoll. In beiden Betriebsarten müssen zahlreiche Sensorsignale verarbeitet und zueinander in Beziehung gesetzt werden, etwa beim Kurvenfahren: So müssen im ASC-Modus die Messwerte der Neigungssensoren, die die Stellung der Sitzplattform nach vorne und hinten erfassen, mit dem Winkelsignal verglichen werden, das Aufschluss über die Rechts-/Links-Stellung der Drehachse gibt. Nur dann kann die Steuerungselektronik unterscheiden, ob eine Kurvenfahrt beabsichtigt ist oder der Fahrer sich in unebenem Gelände bewegt. Für die Steuerung per Joystick gilt prinzipiell das Gleiche.

Winkelsensoren in Sitz und Joystick

Die Winkelerfassung an der Drehachse und am Joystick, die fürs Lenken notwendig ist, übernehmen zwei potentiometrische Winkelsensoren der Baureihe SP-2800 von Novotechnik. Die Sensoren sind redundant ausgelegt; in einem kompakten Gehäuse sind zwei komplette Systeme integriert, um die Bedienerkontrolle auch im unwahrscheinlichen Fall eines Ausfalls eines Sensorschaltkreises aufrechtzuerhalten. Wenn ein Benutzer den Joystick in eine Richtung bewegt, wandelt der Winkelsensor diese Bewegung in ein elektrisches Signal um. Dieses Signal wird an einen Controller in der Basis des Omeo gesendet. Der Joystick ist federgelagert, um eine neutrale Position beizubehalten, sofern der Fahrer ihn nicht bewegt. Der zweite Winkelsensor ist mit dem Sitz gekoppelt und wird vom ASC für die Neigungseingabe nach links oder rechts verwendet. Der Sitz ist ebenfalls federgelagert, um eine neutrale Position beizubehalten, es sei denn, Fahrer oder Fahrerin verlagern ihr Gewicht und verändern damit die Neigung des Sitzes. Außerdem wurde eine hydraulische Dämpfung in den Sitz integriert, um die Sitzbewegung zu glätten und eine gleichmäßige und äußerst kontrollierte Lenkung zu ermöglichen.

Winkelsensoren für die Eingabe per Hand: So funktioniert es

Robust und langlebige Winkelsensoren

Die potentiometrischen Winkelsensoren liefern absolute, analoge, drehwinkelproportionale Ausgangssignale, die von der Steuerungselektronik direkt weiterverarbeitet werden können. Dabei arbeiten sie mit einer Auflösung von < 0,01° und einer Wiederholgenauigkeit von 0,03°. Die Linearität wird mit +/- 0,3 % angegeben. Mit nur 28 mm Durchmesser sind die Sensoren zudem sehr kompakt und die im mobilen Einsatz typischen rauen Umgebungsbedingungen beeinträchtigen die Funktion nicht. Auch im harten Außeneinsatz erreichen sie ohne Weiteres eine Lebensdauer von mehr als 50 Millionen Bewegungen. Die unabhängig federnden Mehrfingerschleifer aus Edelmetall, die den Messwert auf der Widerstandsbahn abgreifen, sorgen auch bei starken Vibrationen für einen sicheren Kontakt.
 Der zulässige Temperaturbereich liegt zwischen – 40 und + 100 °C; bei sommerlicher Hitze funktioniert der Winkelsensor also genauso zuverlässig wie bei arktischen Temperaturen. Auch beim Gehäuse wurde auf Stabilität großer Wert gelegt: Es besteht – ebenso wie die integrierte Lagerung – aus hochwertigem und temperaturbeständigem Kunststoff. Die Anforderungen der Schutzart IP65 sind erfüllt. Der Winkelsensor ist also vollkommen staubdicht und gegen Strahlwasser geschützt. Einer Ausfahrt bei Regenwetter steht somit nichts im Wege, dafür hat der Aktivrollstuhl Front- und Rücklichter für Fahrten bei schlechten Lichtverhältnissen. Auch die geringe Stromaufnahme der Winkelsensoren (0,25 mA bei 5 V) kommt den Anforderungen von batterieversorgten Anwendungen entgegen und belastet die Akkus des Omeo daher nicht nennenswert.

Modi zum Schieben des Rollstuhls

Damit der Rollstuhl auch ohne Fahrer komfortabel bewegt werden kann, gibt es zwei zusätzliche Betriebsarten: Im Walker-Balance-Modus lässt er sich bequem schieben, zum Beispiel eine Rampe hinauf oder hinunter. Der Freilaufmodus wird verwendet, wenn der Rollstuhl bewegt werden soll, ohne dass die Räder angetrieben werden. Mit Abmessungen von 89 x 65 x 99 cm (L x B x H) passt er durch jede Standardtür. Mit dem Offroad-Kit beträgt die Breite 86 cm. Zusätzliches Zubehör wie Ablagefächer, Getränkehalter, Regenschirme und sogar ein Angelrutenhalter lässt sich per Adapter anbringen (Railblaza-Halterung). Die maximale Beladung beträgt bis zu 113,5 kg. Der Rollstuhl selbst wiegt mit Batterien 78 kg und die Bodenfreiheit liegt 8,6 cm. Der Hersteller gibt an, dass er bei bis zu 20 bis 25° Steigung und 30° Gefälle eingesetzt werden kann, bei ausreichender Traktion. Dem Fahrspaß steht damit nichts mehr im Wege.

Dipl.-Ing. Stefan Sester ist Leiter technischer Vertrieb bei Novotechnik.