Jeder­zeit mobil auch im Alter – der trep­pen­stei­gen­de bio­ni­sche Rollstuhl

Ein­lei­tung

Mobi­li­tät ist in unse­rer altern­den Gesell­schaft ein unver­zicht­ba­res Grund­be­dürf­nis – sie ist eine Vor­aus­set­zung für Unab­hän­gig­keit: Nur wer mobil ist, kann am gesell­schaft­li­chen Leben teil­neh­men, sozia­le Kon­tak­te pfle­gen und sei­nen All­tag selbst­stän­dig gestal­ten ¹. Gera­de für Senio­ren ist indi­vi­du­el­le Mobi­li­tät wich­tig – sie ist ent­schei­dend für ihre Lebens­qua­li­tät. Heut­zu­ta­ge ver­bin­den vie­le Men­schen die Zeit nach ihrer Pen­sio­nie­rung mit der Vor­stel­lung, die Welt zu erkun­den und end­lich Zeit für Rei­sen und Unter­neh­mun­gen zu haben, für die wäh­rend der Erwerbs­tä­tig­keit zu wenig Zeit war. Je län­ger Men­schen mobil blei­ben, des­to gesün­der blei­ben sie und umso spä­ter set­zen alters­be­ding­te Abbau­pro­zes­se ein. Trotz stei­gen­den Alters bleibt es für Senio­ren wich­tig, Ein­käu­fe und Erle­di­gun­gen selbst­stän­dig bewerk­stel­li­gen und somit eine all­täg­li­che Rou­ti­ne auf­recht­erhal­ten zu kön­nen. Fal­len sol­che Gewohn­hei­ten wegen Ein­schrän­kun­gen der Mobi­li­tät weg, so sinkt die Lebens­qua­li­tät rapi­de, und die Gesund­heit lei­det ²³.

Anzei­ge

Dabei ist Mobi­li­tät auf kür­ze­ren und auf län­ge­ren Weg­stre­cken glei­cher­ma­ßen bedeut­sam: Sowohl den Weg zum Bäcker und zum Opti­ker als auch die Stre­cke zum Arzt im Nach­bar­ort wol­len die meis­ten Senio­ren selbst­stän­dig bewäl­ti­gen kön­nen. Aller­dings fällt vie­len Men­schen mit zuneh­men­dem Alter das Lau­fen immer schwe­rer, vor allem auf­grund von Krank­hei­ten wie Arthro­se, Sar­ko­pe­nie, Mus­kel­schwund oder nach einem Schlag­an­fall. Selbst für kür­ze­re Stre­cken ist dann ein elek­trisch ange­trie­be­ner Roll­stuhl unver­zicht­bar. Für län­ge­re Stre­cken steht das eige­ne Auto bereit, das dank Fah­rer­as­sis­tenz­sys­te­men und ande­rer tech­ni­scher Hil­fen auch von Men­schen mit kör­per­li­chen Ein­schrän­kun­gen selbst­stän­dig gefah­ren wer­den kann. Pro­ble­ma­tisch ist dann aber das Umstei­gen vom Roll­stuhl auf den Fah­rer­sitz und das Ver­stau­en des Roll­stuhls im Kof­fer­raum. Auch Trep­pen und Stu­fen, die mit einem Roll­stuhl nicht ohne frem­de Hil­fe über­wun­den wer­den kön­nen, stel­len ein Pro­blem dar – sowohl Trep­pen in Häu­sern als auch Stu­fen auf öffent­li­chen Wegen oder am Ein­gang von Gebäu­den, die trotz anhal­ten­der Bestre­bun­gen, die Welt bar­rie­re­frei zu gestal­ten, noch längst nicht alle eli­mi­niert sind.

Bis­lang gibt es noch kein Pro­dukt, das alle der beschrie­be­nen Pro­ble­me löst ⁴. Daher haben die Ver­fas­ser ein neu­ar­ti­ges Mobi­li­täts­sys­tem ent­wi­ckelt. Ziel war es, eine völ­lig auto­nom ver­wend­ba­re tech­ni­sche Hil­fe zu schaf­fen, mit der der Nut­zer sei­ne unab­hän­gi­ge Mobi­li­tät behal­ten kann. Durch die Kom­bi­na­ti­on eines trep­pen­stei­gen­den Roll­stuhls mit einer Kfz-Sitz- Inte­gra­ti­on ergibt sich eine ganz­heit­li­che Mobi­li­täts­lö­sung, die dem Nut­zer das schwie­ri­ge, kraft­auf­wen­di­ge Umstei­gen zwi­schen ver­schie­de­nen Roll­stüh­len, dem Roll­stuhl und einem Trep­pen­lift sowie zwi­schen dem Roll­stuhl und dem Auto­sitz erspart. Das Sys­tem (Abb. 1) kann sich sowohl im Haus als auch drau­ßen auf kur­zen und mitt­le­ren Stre­cken auto­nom fort­be­we­gen und dabei sogar Hin­der­nis­se wie Trep­pen über­win­den. Es ver­fügt aber auch über Schnitt­stel­len, die für län­ge­re Stre­cken eine ein­fa­che Inte­gra­ti­on in ein seri­en­mä­ßi­ges Auto ermög­li­chen ⁵.

Kern­stück des Mobi­li­täts­sys­tems ist ein Sitz, der sowohl im Pkw als Fah­rer­sitz als auch außer­halb des Autos auf einem elek­trisch ange­trie­be­nen Roll­stuhl­fahr­werk Ver­wen­dung fin­det. Bei der Kon­struk­ti­on des Fahr­werks stand ein wen­di­ges Kon­zept im Fokus, das inner­halb der Woh­nung und auch für klei­ne Distan­zen im Out­door­be­reich ver­wen­det wer­den kann. Außer­dem wur­de auf eine intui­ti­ve Bedie­nung und einen zuver­läs­si­gen Trep­pen­steig­me­cha­nis­mus geach­tet. Somit kann der Nut­zer alle Wege des All­tags – die kur­ze Stre­cke in der Woh­nung vom Bad im Ober­ge­schoss in die Küche im Erd­ge­schoss, die mitt­le­re Stre­cke durch die Fuß­gän­ger­zo­ne zum Super­markt wie auch eine län­ge­re Stre­cke per Pkw – selbst­stän­dig und ohne Umstei­gen von einem Sitz auf den ande­ren absol­vie­ren. Für all die­se Wege ist kei­ne Hil­fe einer zwei­ten Per­son nötig.

Fahr­werk mit Treppensteigfunktion

Auf kur­zen und mitt­le­ren Stre­cken befin­det sich der Uni­ver­sal­sitz auf einem Seg­way-ähn­li­chen Fahr­werk und bil­det gemein­sam mit ihm einen extrem wen­di­gen Roll­stuhl (Abb. 2). Dabei wird der Roll­stuhl auf nur einer Ach­se, also einem Rad­paar, balan­ciert. Jedes Rad wird durch einen sepa­ra­ten Elek­tro­mo­tor dyna­misch gesteu­ert; die Moto­ren hal­ten den Schwer­punkt genau über der Radachse.

Nur in der Park­po­si­ti­on und vor dem Trep­pen­stei­gen wird zur Sta­bi­li­sie­rung ein zwei­tes, klei­ne­res Rad­paar aus­ge­fah­ren. Dank die­ser ein­ach­si­gen Bewe­gungs­wei­se hat der Roll­stuhl einen sehr klei­nen Wen­de­kreis; er kann sich bei­na­he auf der Stel­le dre­hen. So ist er auch inner­halb der Woh­nung zwi­schen Möbeln prä­zi­se lenkbar.

Für den Trep­pen­mo­dus befin­den sich zwi­schen den Rädern zwei aus­klapp­ba­re Bei­ne, die sich ähn­lich den mensch­li­chen Bei­nen aus Ober- und Unter­schen­kel zusam­men­set­zen. Jeder die­ser Schen­kel wird von einem sepa­ra­ten Elek­tro­mo­tor bewegt; auch das ist eine Ähn­lich­keit zum Mus­kel­ap­pa­rat an den mensch­li­chen Beinen.

Im Rah­men des Pro­jekts wur­den auch bereits vor­lie­gen­de For­schungs­er­geb­nis­se ande­rer Grup­pen näher beleuch­tet, die Trep­pen­steig­me­cha­nis­men mit Rau­pen­bän­dern, Stern­rä­dern und Clus­ter­rä­dern ent­wi­ckelt haben; ledig­lich rau­pen­ba­sier­te Mecha­nis­men sind aus­rei­chend kipp- und absturz­si­cher, damit sie auch ohne Hilfs­per­son betrie­ben wer­den kön­nen. Aller­dings fal­len Rau­pen­bän­der durch ihre gro­ße und schwer­fäl­li­ge Bau­form auf – das wirkt sich nicht nur nega­tiv auf die Ästhe­tik aus, son­dern behin­dert auch das wen­di­ge Manö­vrie­ren in engen Räu­men. Der Mecha­nis­mus mit Bei­nen hat die­sen Nach­teil nicht, außer­dem wur­den Schen­kel­län­ge und Geo­me­trie der Bei­ne so gewählt,

• dass die Bei­ne im Fahr­mo­dus voll­stän­dig ins Fahr­werk ein­ge­klappt sein können,
• dass alle Trep­pen­stu­fen mit DIN-Norm befah­ren wer­den kön­nen und
• dass die Bei­ne maxi­mal aus­ge­streckt über drei Stu­fen rei­chen (Abb. 3) ⁶.

Damit ist gewähr­leis­tet, dass neben den bei­den Antriebs­rä­dern immer min­des­tens ein Bein Boden­kon­takt hat. Das Mobi­li­täts­sys­tem hat beim Trep­pen­stei­gen also stets drei bis vier Auf­la­ge­punk­te und dadurch eine hohe Stabilität.

Fährt der Roll­stuhl an eine Stu­fe oder Trep­pe her­an, dann erken­nen die Ultra­schall­sen­so­ren des Fahr­werks das Hin­der­nis. Zunächst wird zur Erhö­hung der Sta­bi­li­tät ein zwei­tes, klei­nes Rad­paar aus dem Fahr­werk her­aus­ge­fah­ren. Dann wen­det der Roll­stuhl und fährt lang­sam rück­wärts an die Trep­pe her­an, bis die bei­den Räder die ers­te Stu­fe berüh­ren. Anschlie­ßend fah­ren die bei­den aus­klapp­ba­ren Bei­ne aus dem Fahr­werk her­aus und posi­tio­nie­ren ihre „Füße“ zwi­schen den Rädern auf dem Unter­grund. Mit ihren Elek­tro­mo­to­ren schie­ben die Bei­ne den Roll­stuhl auf die nächst­hö­he­re Stu­fe, bevor sie sich nach­ein­an­der neu posi­tio­nie­ren (Abb. 4). Anschlie­ßend schie­ben sie den Roll­stuhl erneut auf die nächs­te Stu­fe und posi­tio­nie­ren sich wie­der neu.

So erklimmt der Roll­stuhl Stu­fe für Stu­fe, bis die gesam­te Trep­pe bewäl­tigt ist. Anschlie­ßend wer­den die Bei­ne wie­der ein­ge­fah­ren, und das Fahr­werk schal­tet auto­ma­tisch in den Fahr­mo­dus um. Auf ana­lo­ge Wei­se kön­nen auch Trep­pen nach unten über­wun­den wer­den ⁷.

Die Trep­pen­ab­tas­tung erfolgt über Ultra­schall­ab­stands­sen­so­ren. Aus drei Sen­sor­paa­ren, die am Fahr­werk jeweils vor­ne, mit­tig und hin­ten plat­ziert sind, kön­nen alle rele­van­ten Infor­ma­tio­nen für den Steig­vor­gang extra­hiert wer­den (Abb. 5). Ein Mikro­pro­zes­sor, der sich hin­ter dem Sitz befin­det, berech­net aus die­sen Infor­ma­tio­nen die not­wen­di­gen Bein­po­si­tio­nen, die nötig sind, um sicher die nächs­te Stu­fe zu erklim­men ⁸. In der aktu­el­len Ent­wick­lungs­stu­fe kann das „Assist­Mo­bil“ auf die­se Wei­se alle gera­den Trep­pen über­win­den, die auf der DIN-Norm für Trep­pen­ma­ße beru­hen. Inwie­weit sich das Kon­zept auch auf ande­ren Trep­pen, etwa beson­ders engen oder stei­len Trep­pen sowie Wen­del­trep­pen, anwen­den lässt, muss in den fol­gen­den Ent­wick­lungs­schrit­ten noch erör­tert wer­den. Das Glei­che gilt für die Anpas­sung der Auf­la­ge­punk­te der Bei­ne an ver­schie­de­ne Unter­grün­de, z. B. rut­schi­ge Trep­pen im Frei­en. Auch die Siche­rung des Nut­zers auf dem Roll­stuhl­sitz wäh­rend des Trep­pen­stei­gens wird ein The­ma der wei­te­ren Ent­wick­lung sein.

Inte­gra­ti­on des Sit­zes ins Auto

Um län­ge­re Distan­zen selbst­stän­dig per Auto zurück­le­gen zu kön­nen, kann der Sitz des „Assist­Mo­bil“ ein­fach in einen Seri­en-Pkw inte­griert wer­den. Die­se Fahr­zeug­inte­gra­ti­on basiert auf einem modi­fi­zier­ten Sitz­trans­fer sys­tem der Fir­ma Auto­ad­apt. Bei die­sem Sys­tem wird der Fah­rer­sitz mit Fah­rer durch einen Mecha­nis­mus aus dem Auto her­aus­ge­schwenkt und auf ein Roll­stuhl­fahr­werk gesetzt; beim Ein­stei­gen erfolgt dies in umge­kehr­ter Wei­se. Aller­dings wird beim Ori­gi­nal­sys­tem immer eine zwei­te Per­son benö­tigt, die den Roll­stuhl im Kof­fer­raum ver­staut bzw. dort her­aus­holt ⁹.

Beim neu­en Mobi­li­täts­sys­tem funk­tio­niert das auto­ma­tisch: Will der Nut­zer in sei­nen Pkw umstei­gen, so fährt er mit dem Roll­stuhl an die Fah­rer­tür her­an. Das leicht modi­fi­zier­te Sitz­trans­fer­sys­tem der Fir­ma Auto­ad­apt nimmt den Sitz vom Fahr­werk des Roll­stuhls ab und schwenkt ihn ins Auto (Abb. 6). Der Nut­zer bleibt also auf dem­sel­ben Sitz und nutzt ihn im Pkw als Fah­rer­sitz. Das Roll­stuhl­fahr­werk fährt anschlie­ßend auto­ma­tisch zum Heck und ver­staut sich selbst­stän­dig im Kof­fer­raum. Am Ziel ange­kom­men lädt es sich auto­ma­tisch wie­der aus und fährt zur Fah­rer­tür, damit der Fah­rer samt Sitz wie­der her­aus­ge­schwenkt wer­den kann.

Bedien­kon­zept

Die Bedie­nung des gesam­ten „Assist­Mo­bil“ erfolgt intui­tiv – so kön­nen auch älte­re oder bewe­gungs­ein­ge­schränk­te Men­schen das Mobi­li­täts­sys­tem mühe­los bedie­nen. Am Sitz befin­det sich ein Joy­stick mit weni­gen zusätz­li­chen Tas­ten, mit denen die Grund­funk­tio­nen gesteu­ert wer­den kön­nen. Über den Joy­stick kann der Roll­stuhl vor­wärts und rück­wärts gefah­ren bzw. seit­wärts gelenkt wer­den. Eine der Tas­ten akti­viert und deak­ti­viert den Park­mo­dus, bei dem die zusätz­li­chen, klei­nen Räder aus­ge­fah­ren und der Rege­lungs­me­cha­nis­mus abge­schal­tet wird, der den Roll­stuhl auf zwei Rädern balan­ciert. Im akti­vier­ten Park­mo­dus kann der Nut­zer ein- und aus­stei­gen oder ein­fach par­ken, bei­spiels­wei­se am Tisch beim Essen. Eine wei­te­re Tas­te akti­viert den Trep­pen­mo­dus, in dem der Roll­stuhl mit Hil­fe sei­ner Sen­so­ren nach einer Trep­pe sucht, an sie her­an­fährt und mit dem Steig­vor­gang beginnt. Dabei reagiert der Joy­stick nur noch auf die Befeh­le „nach vor­ne“ oder „nach hin­ten“, was in die­sem Fall „nach unten“ bzw. „nach oben“ bedeu­tet. Die Lenk­funk­ti­on ist wäh­rend des Trep­pen­stei­gens deak­ti­viert. Wird der Joy­stick auf einer Trep­pe los­ge­las­sen, ver­harrt der Roll­stuhl in einer siche­ren Posi­ti­on ¹⁰.

Neben der fest instal­lier­ten Bedien­ein­heit kann das Mobi­li­täts­sys­tem aber auch per Smart­phone oder Tablet-PC bedient wer­den (Abb. 7). Ein Modul am Fahr­werk stellt dafür einen WLAN-Access-Point zur Ver­fü­gung; damit ist der Roll­stuhl in WLAN-Reich­wei­te fern­steu­er­bar. Die Nut­zer­ober­flä­che ver­fügt über einen vir­tu­el­len Joy­stick, die Tas­te für den Park­mo­dus, die Tas­te für den Trep­pen­mo­dus und zusätz­lich auch über eine Kof­fer­raum­tas­te, die die auto­ma­ti­sche Ver­la­de­funk­ti­on in den Kof­fer­raum akti­viert. Außer­dem gibt es eine Tas­te für den Lade­vor­gang: Damit kann der Nut­zer sei­nen Roll­stuhl abends vom Bett aus zur Lade­sta­ti­on schi­cken und ihn mor­gens wie­der zu sich rufen.

Zusam­men­fas­sung und Ausblick

Mit Hil­fe des „Assist­Mo­bil“ kann der Nut­zer alle Wege des All­tags – vom Auf­ste­hen am Mor­gen bis zum Zubett­ge­hen am Abend – auf dem­sel­ben Sitz bewerk­stel­li­gen, ohne frem­de Hil­fe zu benö­ti­gen. Will er zwi­schen­durch auf­ste­hen und eini­ge Tätig­kei­ten auf eige­nen Bei­nen durch­füh­ren, so fährt der Roll­stuhl auto­ma­tisch an einen vor gege­be­nen Platz in den Park­mo­dus, bei­spiel­wei­se an sei­ne Lade­sta­ti­on. Der Nut­zer ist somit maxi­mal fle­xi­bel; das Mobi­li­täts­sys­tem bie­tet ihm ganz­tags unab­hän­gi­ge Mobi­li­tät. Natür­lich ist es auch denk­bar, dem Sys­tem ande­re Auf­ga­ben zuzu­wei­sen: Es könn­te nicht nur zuguns­ten der Mobi­li­tät von Men­schen, son­dern etwa für den Trans­port von Las­ten über kur­ze und mitt­le­re Stre­cken ein­ge­setzt wer­den. Dabei könn­te es – mit GPS, 3D-Kame­ras und der ent­spre­chen­den Soft­ware aus­ge­stat­tet – als klei­nes, auto­no­mes Las­ten­fahr­zeug von A nach B unter­wegs sein. Die Grund­la­gen­ent­wick­lung des „Assist­Mo­bil“ ist inzwi­schen abge­schlos­sen – der­zeit suchen die Autoren nach Inves­to­ren und Part­nern, um die wei­te­re Ent­wick­lung gemein­sam mit dem Stein­beis-Trans­fer­zen­trum durch­zu­füh­ren und das Sys­tem auf den Markt zu bringen.

Für die Autoren:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Bern­hard Wolf
Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät München
Fakul­tät für Elek­tro­tech­nik und
Infor­ma­ti­ons­tech­nik
The­re­si­en­str. 90
80333 Mün­chen sowie
Steinbeis­Transferzentrum Medizinische
Elek­tro­nik und Lab on ChipSysteme
Fendstr. 7
80802 Mün­chen
wolf@tum.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

1. Schlag B. Mobi­li­tät und Alter. Band 3: Leis­tungs­fä­hig­keit im Alter. Köln: TÜV-Media Ver­lag, 2008
2. Schlag B. Siche­re Mobi­li­tät im Alter? Pro­ble­me älte­rer Ver­kehrs­teil­neh­mer in Städ­ten und Gemein­den. DVR-Pres­se­se­mi­nar „Inner­orts – Raum für alle!?“. Dres­den, 2008. https://www.dvr.de/presse/seminare/879_50.htm (Zugriff am 14.09.2017)
3. Zau­ner P. Der Auto­fah­rer der Gene­ra­ti­on Plus. Göt­tin­gen: Cuvil­lier Ver­lag, 2007
4. Häcker M, Ober­may­er M, Fried­rich P, Wolf B. Kon­zep­te und Lösun­gen für assis­tier­te Mobi­li­tät im Alter. 6. Deut­scher AAL-Kon­gress Ber­lin. Ber­lin: VDE Ver­lag, 2013
5. Häcker M. Bar­rie­re­frei­heit in der Stadt am Bei­spiel von iMob. VDE-Kon­gress, Frank­furt am Main, 20./21.10.2014
6. Hin­de­rer M, Fried­rich P, Wolf B. An auto­no­mous sta­ir-clim­bing wheel­chair. Robo­tics and Auto­no­mous Sys­tems, 2017; 94: 219–225
7. Häcker M, Fried­rich P, Wolf B. New mobi­li­ty con­cepts for dis­ab­led and elder­ly peo­p­le. IEEE Third Inter­na­tio­nal Con­fe­rence on Con­su­mer Elec­tro­nics – ICCE Ber­lin. Ber­lin, 2013: 39–41
8. Hin­de­rer M, Fried­rich P, Wolf B. An auto­no­mous sta­ir-clim­bing wheel­chair. Robo­tics and Auto­no­mous Sys­tems, 2017; 94: 219–225
9. Häcker M. Bar­rie­re­frei­heit in der Stadt am Bei­spiel von iMob. VDE-Kon­gress, Frank­furt am Main, 20./21.10.2014
10. Hin­de­rer M, Fried­rich P, Wolf B. An auto­no­mous sta­ir-clim­bing wheel­chair. Robo­tics and Auto­no­mous Sys­tems, 2017; 94: 219–225