De lange weg ernaartoe high-tech sportmaterieel
Oorlog, ongeval, ziekte of ouderdom - invaliditeit kan iedereen treffen. Sinds mensenheugenis zoeken we naar technische oplossingen om het leven van de getroffenen te vergemakkelijken. De pioniers waren de Chinezen, die al in 1300 voor Christus een soort stoel met wielen zouden hebben gebruikt. In de Middeleeuwen werden pogingen ondernomen die varieerden van eenvoudige, rolstoelachtige voertuigen tot fantasierijke - hoewel omslachtige - aandrijfoplossingen met takels rond het jaar 1420.
Een van de oudste afbeeldingen dateert uit 1595. Deze toont koning Filips van Spanje in een voertuig dat lijkt op een rolstoel en dat hem, ondanks zijn ernstige jichtproblemen, in staat stelt om zijn regeringszaken te regelen. De eerste zelfrijdende constructie werd in 1655 ontwikkeld door de Neurenbergse horlogemaker Stefan Farfler, die zelf polio had gehad. De onderstaande tijdlijn toont nog meer mijlpalen op weg naar de gemotoriseerde race-rolstoel.
De Cybathlon racebaan: Een herculische Taak
Net als de Olympische Spelen wordt de Cybathlon-wedstrijd om de vier jaar gehouden. De atleten nemen deel aan zes verschillende disciplines. Ook worden er tussen deze bijeenkomsten door wedstrijden gehouden, meestal in het kader van beurzen. In de categorie "Rolstoelrace" rijden piloten met een ernstige loophandicap in een gemotoriseerde rolstoel over een afgebakende hindernisbaan. Op de stoppunten staan flinke technische uitdagingen te wachten. Nu ze al twee eerste prijzen op hun palmares hebben staan, is dit de belangrijkste discipline voor het HSR Enhanced team van de hogeschool uit het Zwitserse Rapperswil. Veel teams kiezen ervoor om rupsbanden te gebruiken bij het trapklimmen. HSR Enhanced gebruikt echter een hybride rijconcept, met rupsbanden voor de trap en individueel aangestuurde wielen voor alle andere obstakels. Hierdoor wordt de rolstoel extreem wendbaar.
Om over de trap te komen is onder het chassis van de rolstoel een verlaagbare extra module gemonteerd: de 'Herkules'. Deze maakt van de rolstoel een rupsvoertuig. Om ervoor te zorgen dat de bestuurder veilig zit als de rolstoel schuin staat, wordt de zitting en daarmee ook het zwaartepunt verschoven. Deze verschuiving heeft ook invloed op de tractie en op de besturing. Het is ook een nuttige functie voor rolstoelgebruikers in alledaagse situaties: Wanneer de zitting in de voorste stand is, gaan de voeten van de bestuurder omlaag, zodat hij makkelijk aan een tafel kan aanschuiven. In de achterste stand - de standaardstand voor rijden op vlak terrein - zijn de benen van de bestuurder hoog en gestrekt, waardoor de combinatie van bestuurder en rolstoel korter en compacter wordt.
In de trapmodule, voor het verstellen van de zitting en voor het sturen van de afzonderlijke wielen, worden motoren van FAULHABER gebruikt. De 'Herkules' wordt neergelaten met behulp van twee krachtige borstelmotoren die het totale gewicht van ongeveer 180 kg van de wielen op de rupsbanden tillen. Hetzelfde motortype, maar dan met tandwielkast en spindel, wordt ook gebruikt om de zitting te verplaatsen. De wielen worden gestuurd door vier BXT borstelloze motoren met passieve tandwielkast. Met hun innovatieve wikkeltechniek en geoptimaliseerde ontwerp kunnen ze een extreem hoog koppel bereiken. Hun prestaties en efficiëntie zijn aanzienlijk hoger dan die van andere motoren van vergelijkbare grootte. Met een toerental tot 10.000 rpm kunnen ze de stuurbeweging vrijwel onmiddellijk uitvoeren. De standaard geïntegreerde digitale Hall-sensoren kunnen worden gebruikt voor een uiterst nauwkeurige toerentalregeling.
Iedereen die zijn grenzen wil verleggen moet zijn grenzen opzoeken
In een uitdagende technologische competitie als de Cybathlon groeien alle deelnemers mee met hun taken. Dit geldt evenzeer voor de Zwitserse ontwikkelaars van de Hogeschool van Rapperswil als voor de Duitse ingenieurs van FAULHABER in Schönaich. Daar worden de waardevolle synergie-effecten van de ervaringen en oplossingen die al waren opgedaan op de grens van het technisch mogelijke, direct gebruikt voor het optimaliseren en ontwikkelen van nieuwe producten voor menselijke augmentatie en prothetiek. De voordelen van deze technologieoverdracht komen in de eerste plaats ten goede aan de toepassingsingenieurs en vervolgens aan de mensen met een handicap over de hele wereld. Of het nu gaat om myoelectrische protheses, arm- en beenprotheses of zelfs exoskeletten en werkbots. De lijst met toepassingsgebieden waarvoor FAULHABER standaard geschikte aandrijfoplossingen beschikbaar heeft of op maat gemaakte oplossingen ontwikkelt, is lang. Om deze expertise koos Team HSR Enhanced voor aandrijfsystemen van FAULHABER.
Interview met Prof. Dr. Christian Bermes van de afdeling laboratoriumautomatisering en mechatronica van de Hogeschool Rapperswil (HSR) zich.
FAULHABER: Wat weet u nog an de eerste keer dat uw instituut deelnam aan de Cybathlon?
Prof. Dr. Bermes: “Toen in 2016 de eerste Cybathlon in Zurich werd georganiseerd, kwamen we dat nogal laat te weten. "Ons doel was om geaccepteerd te worden als deelnemer. Hiervoor hadden we maar tien maanden om vanaf nul een wedstrijdklare rolstoel te ontwikkelen. Maar het was een leuke klus en de technische uitdaging was buitengewoon interessant. Ons team was zeer gemotiveerd en we wisten de categorie "Powered Wheelchair Race" te winnen, waarmee een uiterst ambitieuze droom in vervulling ging.
FAULHABER: Op de Cybathlon Wheelchair Series heeft uw team vorig jaar in Kawasaki (Japan) opnieuw de gouden medaille gewonnen. Hoe ziet u uw kansen dit jaar?
Prof. Dr. Bermes: "We zijn waarschijnlijk één van de favorieten, maar net als in de autosport veranderen in reactie op de technische vooruitgang de regels en voorschriften voortdurend, en wordt de lat steeds hoger gelegd. Zo hoefde je bij de eerste wedstrijd in Zürich maar over drie treden te komen, maar in Kawasaki waren dat er al zes. De deur op de hindernisbaan mocht niet meer door de bestuurder zelf worden geopend - dat moest een robotarm doen, en die moest hem ook weer sluiten nadat de piloot erdoor was. Ik verwacht dat het weer heel spannend wordt.
FAULHABER: Welke uitdagingen stelt de wedstrijd aan de elektrische aandrijfsystemen van de HSR enhanced rolstoel?
Prof. Dr. Bermes: "De motoren moeten aan een aantal nogal extreme eisen voldoen. We willen geen grote extra delen in of op de rolstoel hebben; daarom proberen we de afmetingen van de modules altijd minimaal te houden. Hetzelfde geldt natuurlijk ook voor het gewicht - elke bespaarde gram maakt het voertuig wendbaarder en verbetert het rijgedrag. Bovendien willen we geen accuvermogen verspillen en daarom willen we de efficiëntst mogelijke aandrijvingen gebruiken. En dan kom je nou eenmaal snel bij FAULHABER uit."
FAULHABER: Wat kunt u naast sportief succes nog meer uit de Cybathloncompetitie halen?
Prof. Dr. Bermes: Onze Rapperswilse afdeling voor laboratoriumautomatisering en mechatronica richt zich op toegepast onderzoek. De wedstrijd is te zien als een lakmoesproef voor onze nieuw ontwikkelde technologieën. Zo'n honderd teams uit de hele wereld nemen deel. Er vindt veel professionele uitwisseling plaats - allemaal met het doel om mensen onafhankelijker te maken door middel van technologie die geschikt is voor dagelijks gebruik. De complexe interactie tussen piloten en machines kan echter ook worden vertaald naar andere gebieden, zoals automatisering en robotica in de industriële productie: ook hier lossen mens en machine samen complexe taken op.
FAULHABER: U zegt dat u een passie hebt voor sport. Welke rol speelt de sportmentaliteit bij de bestuurder en in het team?
Prof. Dr. Bermes: Onze piloot, Florian Hauser, raakte na een motorongeluk verlamd. Hij is een ambitieuze sportman die alles geeft. Die passie is er ook bij het team van bachelor- en masterstudenten en afgestudeerde ingenieurs. Iedereen voelt de opwinding tijdens de wedstrijd - want als het startsignaal eenmaal is gegeven, mogen we niet meer ingrijpen. Het is net als in de Formule 1: We proberen alles uit de technische mogelijkheden te halen. Als we ons werk goed hebben gedaan, bieden we de ideale voorwaarden voor succes. Maar tijdens de race is de piloot in zijn eentje verantwoordelijk voor de uiteindelijke prestaties op het circuit - om nog even bij de autosport-analogie te blijven. Florian is daarvoor de perfecte man.
