Der lange Weg zum Hightech Sportgerät
Krieg, Unfall, Krankheit oder Altersgebrechen – eine Behinderung kann Jeden treffen. Deshalb haben Menschen zu allen Zeiten nach technischen Lösungen gesucht, die Betroffenen das Leben erleichtern sollten. Vorreiter waren die Chinesen, die um 1300 vor Christus eine Art Sessel mit Rollen genutzt haben sollen. Im Mittelalter folgten Versuche von simplen schubkarrenähnlichen Vehikeln, bis hin zu phantasievollen, jedoch schwerfälligen, Antriebslösungen mit Seilzügen um 1420.
Eines der ältesten Bilddokumente stammt aus dem Jahr 1595. Es zeigt König Philipp von Spanien in einem rollstuhlartigen Gefährt, das ihm trotz seines schweren Gichtleidens die Wahrnehmung seiner Regierungsgeschäfte ermöglichte. Die erste selbst anzutreibende Konstruktion entwickelte der Nürnberger Uhrmacher Stefan Farfler, der selbst an Kinderlähmung litt, im Jahr 1655. Der Zeitstrahl unten zeigt weitere Meilensteine auf dem Weg zum motorisierten Renngerät.
Die Cybathlon Rennstrecke: Eine echte Herkules-Aufgabe
Der Cybathlon-Wettbewerb wird, wie die Olympischen Spiele, alle vier Jahre ausgetragen. Die Athleten treten dabei in sechs Disziplinen an. Auch zwischendurch finden immer wieder Rennen, meist im Rahmen von Fachmessen, statt. In der Kategorie "Wheelchair Race" absolvieren Piloten mit einer schweren Gehbehinderung in einem motorisierten Rollstuhl eine definierte Hindernisstrecke. Die einzelnen Stationen enthalten beträchtliche technische Herausforderungen. Mit bislang zwei Goldtrophäen ist dies die Paradedisziplin des Teams HSR Enhanced der Hochschule für Technik Rapperswil. Für das Treppensteigen setzen viele Teams auf Raupen, Team HSR enhanced verwendet dagegen ein hybrides Antriebskonzept mit Raupen für die Treppe und einzeln lenkbaren Rädern, die den Rollstuhl sehr wendig machen, für alle anderen Hindernisse.
Auf der Treppe verwandelt das absenkbare Zusatzmodul 'Herkules' unter dem Fahrgestell, den Rollstuhl von einem Rad- in ein Raupenfahrzeug. Damit der Pilot in der Schräglage sicher sitzt, wird der Fahrersitz und damit der Schwerpunkt verschoben. Die Verlagerung hat zudem Einfluss auf die Traktion und auf das Fahrverhalten. Sie kommt dem Fahrer auch in Alltagssituationen entgegen: Ist der Sitz vorn, sind seine Füße unten, und er kann bequem an einen Tisch heranfahren. In der hinteren Position – der Standard für die Fahrt auf ebenem Untergrund – liegen die Beine oben und sind ausgestreckt, 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 leistungsstarke bürstenbehaftete Motoren verwendet, die das Gesamtgewicht von rund 180 kg, von den Rädern auf die Raupen heben. Der gleiche Motortyp, hier mit Getriebe und Spindel versehen, verschiebt auch den Sitz. Für die Lenkbewegung der Räder sorgen vier bürstenlose Motoren der BXT-Serie mit passivem Getriebe. Sie erreichen dank ihrer innovativen Wicklungstechnik und optimierten Auslegung ein besonders hohes Drehmoment. Ihre Leistung und ihr Wirkungsgrad übertreffen deutlich andere Motoren vergleichbarer Größe. Mit einer Drehzahl von bis zu 10.000 U/min können sie die Lenkbewegung praktisch verzögerungsfrei umsetzen. Ihre standardmäßig integrierten digitalen Hallsensoren können für eine sehr präzise Drehzahlregelung genutzt werden.
Wer Grenzen sprengen will muss an Grenzen gehen
Bei einem anspruchsvollen Technologiewettstreit wie dem Cybathlon wachsen alle Beteiligten an ihren Aufgaben. Das gilt für die schweizer Entwickler an der Hochschule Rapperswil genauso wie für die deutschen Ingenieure bei FAULHABER in Schönaich. Dort nutzt man die wertvollen Synergieeffekte aus den gesammelten Erfahrungen und Lösungen im technischen Grenzbereich unmittelbar für Optimierungen und die Entwicklung neuer Produkte in den Applikationsbereichen Human Augmentation und Prothetik. Von diesem Technologietransfer profitieren zuerst Applikationsingenieure und später Menschen mit Behinderungen weltweit. Ob myoelektrische Handprothesen, Arm- und Beinprothetik bis hin zu Exoskeletten und Workbots. Die Liste der Anwendungbereiche, für die FAULHABER passende Antriebslösungen im Programm hat oder Custom Solutions entwickelt, ist lang. Aufgrund dieser Expertise hat sich das Team HSR Enhanced für Antriebssysteme von FAULHABER entschieden.
Interview mit Professor Dr. Christian Bermes vom Institut für Laborautomation und Mechatronik an der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR).
FAULHABER: Erinnern Sie sich noch an die erste Teilnahme Ihrer Hochschule am Cybathlon?
Prof. Dr. Bermes: Als der erste Cybathlon 2016 in Zürich ausgerichtet wurde, haben wir erst ziemlich spät davon erfahren. Wir hatten uns als Ziel gesetzt, als Teilnehmer zugelassen zu werden - dazu blieben uns gerade mal noch zehn Monate, um aus dem Nichts einen wettbewerbsfähigen Rollstuhl zu entwickeln. Aber die Aufgabe war reizvoll und die technische Herausforderung ausgesprochen interessant. Unser Team war hochmotiviert dass wir dann aber gleich die Kategorie "Powered Wheelchair Race" gewinnen, hat uns einen äußerst kühnen Traum erfüllt.
FAULHABER: Bei den Cybathlon Wheelchair Series im letzten Jahr im japanischen Kawasaki hat Ihr Team wieder Gold geholt. Wie sehen Sie Ihre Chancen in diesem Jahr?
Prof. Dr. Bermes: Wir werden vermutlich zu den Favoriten gezählt, aber genau wie im Motorsport reagiert die Regelsetzung auf den technischen Fortschritt, und die Messlatte wird ständig höhergelegt. Zum Beispiel waren in Zürich Anfangs nur drei Treppenstufen zu bewältigen, in Kawasaki dagegen waren es schon sechs. Die Tür auf der Hindernisstrecke durfte dort auch nicht mehr vom Fahrer selbst, sondern nur von einem Roboterarm geöffnet und nach der Durchfahrt wieder geschlossen werden. Ich rechne wieder mit einem spannenden Wettbewerb
FAULHABER: Welche Anforderungen stellt der Wettbewerb an die elektrischen Antriebssysteme des HSR enhanced Rollstuhles?
Prof. Dr. Bermes: Die Motoren müssen ziemlich extreme Anforderungen erfüllen. Im und am Rollstuhl können wir keine klobigen Teile gebrauchen, wir versuchen also die Ausmaße der Module grundsätzlich zu minimieren. Das gleiche gilt natürlich für das Gewicht – jedes Gramm weniger macht das Fahrzeug beweglicher und besser handhabbar. Außerdem wollen wir keine Akkuleistung verschwenden, weshalb wir bei den Antrieben den höchstmöglichen Wirkungsgrad haben wollen. Die Motoren von FAULHABER bieten hier einfach die beste Technologie.
FAULHABER: Wie profitieren Sie vom Cybathlon Wettbewerb, den sportlichen Erfolg mal ausgenommen?
Prof. Dr. Bermes: Unser Rapperswiler Institut für Laborautomation und Mechatronik beschäftigt sich mit angewandter Forschung. Der Wettbewerb ist quasi der Praxis-Härtetest für unsere neuentwickelten Technologien. Es sind rund hundert Teams aus der ganzen Welt beteiligt. Da kommt ein enormer fachlicher Austausch zusammen - alles mit dem Ziel, Menschen durch alltagstaugliche Technologie noch unabhängiger zu machen. Das komplexe Zusammenspiel zwischen Piloten und Maschinen lässt sich aber auch auf andere Bereiche übertragen, wie zum Beispiel Automation und Robotik in der industriellen Produktion: Auch hier lösen Menschen und Maschinen gemeinsam komplexe Aufgaben.
FAULHABER: Sie bezeichnen sich selbst als sportbegeistert. Welche Rolle spielt der Sportsgeist beim Fahrer und im Team?
Prof. Dr. Bermes: Unser Pilot, der seit einem Motorradunfall querschnittsgelähmte Florian Hauser, ist ein ehrgeiziger Sportler, der immer alles gibt. Derselbe Geist herrscht im Team aus Bachelor- und Master-Studierenden und Ingenieuren. Beim Rennen fiebern alle mit, denn nach dem Startsignal können wir nicht mehr eingreifen. Es ist wie in der Formel 1: Wir versuchen, die technischen Möglichkeiten komplett auszureizen. Wenn wir gut gearbeitet haben, liefern wir die Voraussetzungen für einen Erfolg. Während des Rennens ist es dann aber ausschließlich der Pilot, der die Leistung auf die Straße bringen kann – um im motorsportlichen Bild zu bleiben. Mit Florian haben wir dafür den perfekten Piloten im Cockpit.
