EC-Motoren: Kraftquelle für flexiblen Rollstuhlantrieb

Bergab tankt der Akku auf

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Sparsame, elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren mit zugehöriger Antriebselektronik und angepasstem Bedienteil treiben Rollstühle kabellos an. Die intelligente Technik soll den Rollstuhlfahrer mobil und unabhängig machen.

Ein Rollstuhl weist trotz großer Fortschritte noch immer Mobilitätsdefizite auf: Ein Mensch kann mit den Armen nicht die Leistung aufbringen, um sich wie auf den eigenen Beinen fortzubewegen – erst recht nicht, wenn im Laufe einer Erkrankung in den Armen die Kraft abnimmt. Aus diesem Grund hat die AAT Alber Antriebstechnik GmbH in Albstadt einen Elektroantrieb entwickelt, mit dem nahezu jeder manuelle Rollstuhl nachgerüstet werden kann.

Dabei haben die Albstädter beim Optimieren des Antriebs mit der EBM-Papst St. Georgen GmbH & Co. KG zusammengearbeitet. Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit ist der kompakte, leistungsstarke und sparsame Antrieb Max-E, der auf elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren, den EC-Motoren, basiert. Der Antrieb entspricht der EG-Richtlinie 93/42/EWG für Medizinprodukte, und er ist als Hilfsmittel von den Krankenkassen anerkannt.
Der Antrieb muss für diesen Einsatzfall rollstuhlspezifische Anforderungen erfüllen. So ist bei mehrspurigen Fahrzeugen normalerweise ein Differenzial nötig, um den unterschiedlichen Kurvenradius zwischen den beiden Rädern auszugleichen. Die Entwickler aus Albstadt und St. Georgen umgingen diese Tatsache, indem sie pro Rad einen individuellen Antriebsmotor vorsahen. So regelt die Steuerungselektronik den Schlupf, ohne dass weitere mechanische Komponenten erforderlich wären. Während separate Schub- oder Zughilfen, die vor oder hinter dem Stuhl angebracht sind, große Radien beim Wenden erfordern, erlaubt der Kompaktantrieb das Wenden und Rangieren auf kleinem Raum. Dabei dreht, ähnlich wie bei einem Kettenfahrzeug die Ketten, ein Rad vorwärts, das andere rückwärts. Das dem Rollstuhlfahrer vom Handbetrieb vertraute Wenden „auf dem Teller“ ist so ebenfalls möglich.
Da jeder Motor eine Nutzleistung von bis zu 90 W abgeben kann, sind Steigungen bis zu 20 % und ein Gesamtgewicht von Person, Antriebsmodul und Rollstuhl bis zu 200 kg ohne Problem zu bewältigen. Trotz der insgesamt 180 W des Antriebs reicht die Akkukapazität im Normalbetrieb für rund 15 km Wegstrecke aus. Die Geschwindigkeit liegt vorwärts mit 6 km/h bei flotter Schrittgeschwindigkeit, rückwärts bei 3 km/h und ist jeweils stufenlos regelbar. Sämtliche Parameter kann der Nutzer über ein Interface programmieren. Der Antrieb selbst besteht aus dem Motor mit elektromagnetischer Bremse, einer Untersetzung sowie einem pneumatischen Ein- und Auskoppelungssystem. Die Kraftübertragung vom Motor zum Rad übernehmen ausfahrbare Antriebswellen. An deren Enden sitzt jeweils ein Antriebsritzel, welches in einen am Rollstuhlrad befestigten Zahnring greift. So ist ein sicherer rutschfreier, formschlüssiger Antrieb gewährleistet.
Wegen der elektronischen Steuerung ist es auch möglich, den Antrieb im so genannten Generatorbetrieb zu betreiben. Dabei arbeitet der Antrieb wie ein Fahrraddynamo, bremst das Rad ab und erzeugt Strom, der in den Akku zurückgespeist werden kann. Das verbessert die Reichweite. Noch wichtiger jedoch ist, dass bei längerem Bremsbetrieb bergab die mechanischen Bremsen entlastet werden. Da die EC-Motoren verschleißfrei bremsen, verringert dieser Kunstgriff den Wartungsaufwand. Aus diesem Grund arbeiten auch moderne Nutzfahrzeuge mit einer solchen verschleißfreien elektrischen Dauerbremse. Dieser Vorteil lässt sich über den EC-Antrieb und die intelligente Steuerung auch für Rollstuhlantriebe nutzen – was als Nebeneffekt die Energiebilanz des Antriebssystems verbessert.
Mit Anbausätzen lässt sich der kompakte und leichte Antrieb für alle gängigen Rollstühle ab 28 cm Sitzbreite nachrüsten. Da er ohne Veränderung der Stuhlgeometrie passt, bleiben die vertrauten Fahreigenschaften erhalten. Das über Funk mit der Steuerungselektronik verbundene Bedienteil ist mit verschiedenen ergonomisch geformten Bedienhebeln wie Softball, Kugel oder Tetragabel ausgestattet.
Gerade bei technischen Hilfsmitteln für den medizinischen Bereich ermöglichen moderne EC-Kleinantriebe große Entwicklungssprünge und Neuerungen. Wenn Anwender und Antriebsspezialist schon vom frühen Entwicklungsstadium an zusammenarbeiten, können kompakte, leistungsstarke Lösungen entstehen. Im Falle des Rollstuhlantriebs und anderer, ähnlicher Hilfsmittel bringt das mehr individuelle Freiheit für Menschen mit Handicap.
Andreas Zeiff Fachjournalist in Stutensee

Ihr Stichwort
• Antriebe
• Steuerungselektronik
• Formschlüssige Übertragung
• Generatorbetrieb

Der Motor am Rollstuhl

Die für den Rollstuhl eingesetzten Antriebe sind wartungsfreie Innenläufermotoren. Dank der elektronischen Kommutierung gibt es bis auf die Kugellager des Ankers keine mechanischen Verschleißteile. Mehrere zehntausend Betriebsstunden sind so ohne Probleme möglich. Die durchgehende Rotorachse ist auf beiden Seiten herausgeführt. So lassen sich Untersetzung und mechanische Bremse getrennt, aber kompakt anflanschen: Die Antriebe haben einen Durchmesser von 56 mm und sind 103 mm lang. Die Präzisionskugellager reduzieren die Betriebsgeräusche, das Aluminiumgehäuse führt die entstehende Wärme auch bei Volllast schnell ab. Bei einer Nenndrehzahl von 3000 min-1 entwickelt der Antrieb ein Drehmoment von 290 mNm. Das ist laut Hersteller mehr als ausreichend, um auch Steigungen zu bewältigen. Die Rotorlage wird über drei integrierte Hall-Geber erfasst und an die Steuerungselektronik gemeldet. Diese steuert die Stromimpulse für die Statorwicklung. So arbeitet der Antrieb im optimalen Bereich und erreicht einen hohen Wirkungsgrad.
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