Neu­es Mess­sys­tem ermit­telt Ener­gie­be­darf zur Bewäl­ti­gung von Rollstuhlstrecken

Ein­lei­tung

In der heu­ti­gen Zeit ist die Inte­gra­ti­on von Men­schen mit Han­di­cap ein wich­ti­ges gesell­schaft­li­ches Ziel. Men­schen mit Ein­schrän­kun­gen haben ein Recht auf selbst­be­stimm­te und umfas­sen­de Teil­ha­be, ins­be­son­de­re vor dem Hin­ter­grund der sozia­len Inklu­si­on. Sie möch­ten mobil sein und ihren All­tag mög­lichst ohne frem­de Hil­fe meis­tern können.

Hier haben Roll­stuhl­nut­zer aber noch vie­le Hür­den zu über­win­den. Wäh­rend bei Gebäu­den und Woh­nun­gen schon eine Viel­zahl von Vor­ga­ben exis­tiert, begin­nen die Pro­ble­me mit dem Ver­las­sen der Wohn­an­la­ge. Die eigen­stän­di­ge Fahrt mit dem Roll­stuhl zur Arbeits­stel­le oder in der Frei­zeit wird schnell zu einem Hin­der­nis­par­cours. Wäh­rend man­che Hin­der­nis­se von geüb­ten Roll­stuhl­nut­zern schnell über­wun­den wer­den, stel­len die­se für stär­ker ein­ge­schränk­te und weni­ger geüb­te Roll­stuhl­nut­zer das Ende der Fahrt dar (Abb. 1). Hier kann eine Vor­her­sa­ge über den not­wen­di­gen Kraft­auf­wand eine wert­vol­le Hil­fe­stel­lung für die Betrof­fe­nen sein.

Das Mess­sys­tem „Teu­towheel”

Um die Leis­tung zur Bewäl­ti­gung von Stre­cken und zum Über­win­den von Hin­der­nis­sen erfas­sen zu kön­nen, wur­de an der Fach­hoch­schu­le Bie­le­feld, Fach­be­reich Inge­nieur­wis­sen­schaf­ten und Mathe­ma­tik, im Kom­pe­tenz­zen­trum für Bewe­gungs­vor­gän­ge (KfB) das Mess­sys­tem „Teu­towheel” ent­wi­ckelt. Die­ses Mess­sys­tem wird direkt an einen Roll­stuhl adap­tiert und ermit­telt wäh­rend der Fahrt die benö­tig­te Leis­tung für den aktu­el­len Streckenabschnitt.

Die Ent­wick­lung fand zeit­lich mit dem vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF) geför­der­ten Pro­jekt „Mobi­li­tät ohne Gren­zen” statt. Das For­schungs­vor­ha­ben der Fach­hoch­schu­le Bie­le­feld mit Part­nern hat sich zum Ziel gesetzt, tech­ni­sche Mög­lich­kei­ten zur Ver­mes­sung geeig­ne­ter Stre­cken mit dem Roll­stuhl zu ent­wi­ckeln. Zusätz­lich soll ein ein­heit­li­ches Kenn­zeich­nungs­sys­tem erar­bei­tet wer­den und eine Klas­si­fi­zie­rung der Stre­cken in ver­schie­de­ne Schwie­rig­keits­stu­fen erfol­gen. In Zukunft soll mit die­sen Mess­sys­te­men und Metho­den ein Aus­bau von bar­rie­re­frei­en Wegen leich­ter mög­lich sein und pass­ge­nau­er erfolgen.

Für ers­te Unter­su­chun­gen zum Leis­tungs­be­darf von Roll­stuhl­fah­rern auf bestimm­ten Stre­cken wur­de ein bereits bestehen­des Mess­sys­tem aus dem Kli­nik­be­reich genutzt. Das „Smart-Wheel” der Fir­ma Out-Front (Mesa, Ari­zo­na, USA) kann Kräf­te drei­di­men­sio­nal auf­neh­men und erlaubt somit detail­lier­te Rück­schlüs­se auf die Leis­tungs­fä­hig­keit und Greif­art des Roll­stuhl­nut­zers. Die­ses Sys­tem wird im Rah­men von Bewe­gungs­ana­ly­sen bei Roll­stuhl­nut­zern im Kli­nik­be­reich ver­wen­det (Abb. 2). Die Kräf­te wer­den mit Deh­nungs­mess­strei­fen ermit­telt und mit Hil­fe eines inter­nen Pro­zes­sors in Leis­tungs­wer­te umge­rech­net. In Zusam­men­ar­beit mit The­ra­peu­ten ler­nen Men­schen, die einen Roll­stuhl benö­ti­gen, den effek­ti­ven Umgang mit dem Hilfs­mit­tel Roll­stuhl. Im Kom­pe­tenz­zen­trum für Bewe­gungs­ana­ly­se KfB wur­den mit dem Smart­Wheel ers­te Unter­su­chun­gen mit einer Pro­banden­grup­pe durch­ge­führt. Hier wur­de die indi­vi­du­el­le Leis­tung von Roll­stuhl­nut­zern im Indoor-Bereich auf ebe­nen Stre­cken­ab­schnit­ten ermittelt.

Ermitt­lung von Rahmenparametern

Nach der Durch­füh­rung von Test­fahr­ten auf ebe­nen Stre­cken­ab­schnit­ten (Abb. 3) mit meh­re­ren Pro­ban­den wur­den die Rah­men­pa­ra­me­ter für das Teu­towheel ermit­telt. Durch Unter­su­chun­gen auf einer Stre­cke mit 5 % Stei­gung (Abb. 4) konn­te der Leis­tungs­be­darf der Pro­banden­grup­pe auch für nicht­ho­ri­zon­ta­le Unter­grün­de ermit­telt wer­den. Hier­bei stieg der Leis­tungs­be­darf der Pro­ban­den auf mehr als den dop­pel­ten Wert im Ver­gleich zu einer hori­zon­ta­len Strecke.

Ergän­zend zur Ermitt­lung der Leis­tungs­pa­ra­me­ter und ers­ten Erfah­run­gen mit dem mobi­len Mess­sys­tem hat eine stu­den­ti­sche Pro­jekt­grup­pe die Rah­men­be­din­gun­gen für die Ent­wick­lung des Teu­towheels ana­ly­siert und einen Anfor­de­rungs­ka­ta­log aus­ge­ar­bei­tet. Ziel war es, ein Mess­sys­tem zu ent­wi­ckeln, das an einen han­dels­üb­li­chen Roll­stuhl adap­tiert wer­den kann. Dies kann durch ein in das Roll­stuhl­rad inte­grier­tes Mess­sys­tem rea­li­siert wer­den. Das Teu­towheel muss für den Außen­ein­satz geeig­net sein, daher sind Feuch­tig­keits- und Staub­re­sis­tenz wich­ti­ge Para­me­ter bei der Aus­wahl und Ent­wick­lung des Sys­tems. Auch Ener­gie­ver­sor­gung und Erfas­sung der Mess­da­ten müs­sen für den mobi­len Ein­satz opti­miert werden.

Leis­tungs­mes­sung

Die Leis­tungs­mes­sung erfolgt über einen Dreh­mo­ment­sen­sor, der robust und für den Außen­ein­satz geeig­net ist. Die Aus­le­gung des Sen­sors erfolg­te mit Hil­fe der in den vor­he­ri­gen Test­fahr­ten ermit­tel­ten Daten. Der Sen­sor kann mit Hil­fe einer Dreh­zahl­mes­sung direkt die aktu­el­le Leis­tung dar­stel­len. Der Mess­ver­stär­ker mit einer draht­lo­sen Schnitt­stel­le hat eine Reich­wei­te bis zu 100 m. Durch die­sen kom­pak­ten Daten­fluss kann eine hohe Akku­lauf­zeit von über 8 Stun­den erreicht werden.

Die Kraft­ein­lei­tung des Roll­stuhl­nut­zers wird über den Greif­ring direkt auf den Dreh­mo­ment­sen­sor über­tra­gen. Die Alu­mi­ni­um­stre­ben vom Greif­ring zum Sen­sor (sie­he Abb. 5) sind so aus­ge­legt, dass sie einen Lang­zeit­be­trieb ohne blei­ben­de Ver­for­mung über­ste­hen und die Kraft direkt an den Sen­sor wei­ter­lei­ten kön­nen. Somit kann die Mess­tech­nik zen­tral an der Rad­na­be ange­bracht wer­den und hier durch eine Abde­ckung vor Wit­te­rungs­ein­flüs­sen geschützt werden.

Der Vor­teil der Bau­art des Mess­sys­tems liegt dar­in, dass es an nahe­zu jedem Rad mit Hoch­flan­schna­be ange­bracht wer­den kann (Abb. 6). Um das Rad mit dem Sen­sor zu befes­ti­gen, wird die soge­nann­te Quick-Release-Ach­se durch die Boh­rung des Gehäu­ses gesteckt und am Roll­stuhl­rah­men befestigt.

Nut­zung des Teutowheels

Mit dem Teu­towheel kön­nen nun Stre­cken in der Stadt oder in der Natur befah­ren wer­den und der Ener­gie­be­darf für den Roll­stuhl­nut­zer ermit­telt wer­den. Hier­mit lässt sich einer­seits die Stre­cke in ihren Schwie­rig­keits­gra­den dar­stel­len, ande­rer­seits kann der Roll­stuhl­nut­zer anhand sei­ner per­sön­li­chen Leis­tungs­fä­hig­keit vor Antritt einer Fahrt ein­schät­zen, wie hoch sei­ne Anstren­gung sein wird. Dadurch kann bei­spiels­wei­se der fit­ness­ori­en­tier­te Roll­stuhl­nut­zer sich bewusst für eine for­dern­de Stre­cke ent­schei­den. Die gesund­heit­li­chen Gefah­ren durch Über­for­de­rung kön­nen hier mini­miert werden.

Durch das Teu­towheel wer­den Stre­cken, die für Roll­stuhl­nut­zer geeig­net sind, ana­ly­siert und daten­tech­nisch erfasst. Die aus­ge­wähl­ten Stre­cken kön­nen nach vor­ab ent­wi­ckel­ten Stan­dards (bei­spiels­wei­se leich­te Stre­cke – mitt­le­re Stre­cke – schwe­re Stre­cke) ein­ge­teilt wer­den. So ist es mög­lich, eine siche­re Bewäl­ti­gung von Weg­stre­cken für den Roll­stuhl­nut­zer zu gewähr­leis­ten. Dies führt zu einer sor­gen­frei­en Plan­bar­keit auch län­ge­rer unbe­kann­ter Strecken.

Auch die Ermitt­lung der jewei­li­gen Leis­tungs­fä­hig­keit von Roll­stuhl­nut­zern in einem Roll­stuhl-Fahr­si­mu­la­tor ist mög­lich. Der Pro­to­typ eines Roll­stuhl-Fahr­si­mu­la­tors wur­de vom Kom­pe­tenz­zen­trum für Bewe­gungs­vor­gän­ge KfB erst­mals auf der Reha­ca­re 2011 in Düs­sel­dorf vor­ge­stellt. Damit kön­nen die Par­cours­an­sprü­che und die Leis­tungs­fä­hig­keit der ein­zel­nen Per­so­nen har­mo­ni­siert werden.

Lite­ra­tur bei den Autoren.

Die Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Ralf Hörstmeier
Lei­ter des KfB – Kom­pe­tenz­zen­trum für Bewegungsvorgänge
Fach­hoch­schu­le Bielefeld
Am Stadt­holz 24
33609 Bie­le­feld
ralf.hoerstmeier@fh-bielefeld.de

Dipl.-Ing. Tas­si­lo Pech-Larisch
Wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter im KfB
Fach­hoch­schu­le Bielefeld

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper