Wie sich die elektrische Energieeffizienz eines Rollators steigern lässt

Autor / Redakteur: Jonathan Gerst und Hans-Peter Geromiller * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

In unserem Beitrag stellen wir eine Entwicklung zur Steigerung der elektrischen Energieeffizienz eines Rollators vor. Dieser passt sich sowohl der physischen Verfassung des Nutzers als auch den Umgebungsbedingungen an. Ein Stück Lebensqualität wird wiedergewonnen.

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Rollator: Dank einer Steuerelektronik ist es für den Anwender eines Rollators einfacher, diesen zu bedienen. So ist ein Stück Lebensqualität wieder gewonnen.
Rollator: Dank einer Steuerelektronik ist es für den Anwender eines Rollators einfacher, diesen zu bedienen. So ist ein Stück Lebensqualität wieder gewonnen.
(Bild: ©Peter Atkins - stock.adobe.com)

Für einen handelsüblichen Rollator haben Entwickler der Hochschule Kaiserslautern eine intelligente Antriebstechnik entworfen. Ziel war es, die Energieeffizienz des Elektroantriebs zu steigern. Wichtig war den Projektbeteiligten um Professor Geromiller, dass der verbesserte Rollator Personen mit eingeschränkter Mobilität im Alltag unterstützt.

Mit Hilfe einer selbstregulierenden Motorunterstützung durch eine aufeinander abgestimmte steigungs- und pulsorientierte Geschwindigkeitsregelung ist es möglich, dass der Rollator bedarfsgerecht geführt wird. Möchte der Anwender beispielsweise eine Steigung überwinden oder Lasten im Korb transportieren, dann wird er jetzt von einem Elektroantrieb mit BLDC-Motor unterstützt.

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Der Rollator passt sich seinem Benutzer an

Mit herkömmlich elektrisch angetriebenen Rollatoren lassen sich die genannten Hindernisse zwar überwinden, jedoch lediglich auf der Basis einer grob abgestuften manuellen Geschwindigkeitssteuerung.

Der hier vorgestellte Elektroantrieb mit einem cleveren Regelalgorithmus wählt stufenlos die Unterstützungsstufe vollständig autark. Dabei wird die jeweils angeforderte Momentangeschwindigkeit in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen sowie der körperlichen Auslastung des Benutzers angepasst, weswegen der fortlaufenden Messung der Herzschlagfrequenz und der jeweiligen Geländesteigung besondere Bedeutung zukommt.

Herzschlagfrequenz und Geländesteigung sind deshalb die dominanten Zustandsgrößen, um fortlaufend die Parameter für die Motorunterstützung anzupassen. Der Regelalgorithmus besitzt ein Gedächtnis, damit die selbstgeführte Ansteuerung durch fortlaufende Iteration auf der Basis von momentanen und vergangenen (gespeicherten) Einflussgrößen optimiert wird. Wesentliches Ziel der Entwicklung war es, die Herzschlagfrequenz des Anwenders kontinuierlich zu erfassen und die Messwerte leitungslos an elektronische Signalaufnahme und -auswerteeinheiten zu übermitteln.

Zu diesem Zweck wurde ein Pulsarmband auf Basis von Bluetooth entwickelt. Als Kompensationsmaßnahme gegen Messfehler optischer Art wurde in diese Entwicklung zusätzlich ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor integriert. Das Bild 1 zeigt das Prinzip der Signalaufnahme und der drahtlosen Weiterleitung der Signale in einem Blockschaltbild.

Digitaler Pulssensor erfasst Momentangrößen

Nach dem Prinzip der arteriellen Lichtemission erfasst ein digitaler Pulssensor die Momentangrößen Herzschlagfrequenz und Sauerstoffsättigung des Blutes und stellt diese Werte interruptgetriggert einem Mikrocontroller über einen I²C-Bus zur Verfügung. Der Mikrocontroller hinterlegt die Messwerte zusammen mit einem Zeitstempel zyklisch auf einer Speicherkarte, sodass der Verlauf der biometrischen Daten zu Diagnosezwecken wahlweise durch die mitgelieferte Android-App aufgerufen oder in einem Tabellenkalkulationsprogramm abgelegt werden können.

Die jeweils aktuellen Werte von Pulsfrequenz fPuls und Sauerstoffsättigung Eb werden dabei durch gleitende Mittelwertbildung aus jeweils mehreren zurückliegenden, aber unmittelbar aufeinanderfolgenden Momentanwerten errechnet. Um bei dem hier angewandten optischen Verfahren unterschiedliche Umwelteinflüsse zu mindern oder ganz zu vermeiden, wird mit einem integrierten 3-Achsen-Beschleunigungssensor sichergestellt, dass der Pulsschlag nur dann gemessen wird, wenn sich das Armband in relativer Ruhe zur Erdbeschleunigung befindet. Ändert sich die Pulsfrequenz signifikant, werden die Messwerte Herzschlagfrequenz und Sauerstoffsättigung vom Mikrocontroller über einen Bluetooth-Chip auf der Grundlage des Standards Bluetooth Low Energy (Bluetooth Smart) an die Steuerplatine des Rollators gesendet.

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