Jeder­zeit mobil auch im Alter – der trep­pen­stei­gen­de bio­ni­sche Roll­stuhl

B. Wolf, P. Friedrich, Ch. Scholze
Je länger Menschen mobil bleiben, desto gesünder bleiben sie und umso später setzen altersbedingte Abbauprozesse ein. Das Mobilitätssystem „AssistMobil“ gewährleistet Menschen, die in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt sind, unbegrenzte und unabhängige Mobilität. Das neu entwickelte treppensteigende Rollstuhlfahrwerk kann sich dank einer dynamischen Stabilisation auf nur einer Achse fortbewegen – dadurch ist es sehr wendig und kompakt. Der autonome Steigmechanismus basiert auf zwei Beinen, die jeweils aus Ober- und Unterschenkel bestehen. Beim Treppensteigen schieben die Beine den Rollstuhl auf die jeweils nächsthöhere Stufe, bevor sie sich nacheinander neu positionieren. Auf analoge Weise können auch Treppen nach unten überwunden werden. Um längere Distanzen selbstständig per Auto zurücklegen zu können, kann der Sitz des Mobilitätssystems einfach in einen Serien-Pkw integriert werden – das Rollstuhlfahrwerk fährt anschließend automatisch zum Heck und verlädt sich selbstständig im Kofferraum. Auch ein automatischer Lastentransport ist mit diesem System denkbar.

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

Zita­ti­on
Wolf B, Fried­rich P, Schol­ze Ch. Jeder­zeit mobil auch im Alter – der trep­pen­stei­gen­de bio­ni­sche Roll­stuhl. Ortho­pä­die Tech­nik, 2017; 68 (10): 31–35
  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
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