Development of a novel handle-based wheelchair propulsion device

Abstract

Der Rollstuhl ist eines der am häufigsten verwendeten Hilfsmittel, um die Mobilität von Menschen mit Einschränkungen der unteren Extremität zu verbessern. Nach Angaben der WHO sind mehr als ein Prozent der Weltbevölkerung auf einen Rollstuhl angewiesen. Obwohl der Greifring die am wenigsten effiziente Antriebsart darstellt, ist er für mehr als 90% aller Rollstuhlfahrer die bevorzugte. Ungünstige Kraftverhältnisse in nicht ergonomischen Gelenkwinkelbereichen als auch die vielen Wiederholungen sind nicht nur anstrengend für den Bewegungsapparat, sondern führen häufig zu schweren Erkrankungen der oberen Gliedmaßen. Deswegen wurde ein durch den österreichischen Forschungs- und Wissenschaftsfond (FWF) unterstütztes Projekt ins Leben gerufen, welches das Ziel eines gelenkschonenden, ergonomischen Rollstuhlantriebs bei maximaler Leistungsausbeute hatte. Ziel dieser Arbeit war es, auf Basis einer zuvor durch computerunterstützte Simulation erhaltenen, für den Bewegungsapparat optimierten Bewegungskurve, einen dieser Kurve folgenden, mechanischen Rollstuhlantrieb zu entwickeln als auch zu evaluieren. Als für diesen Zweck am besten geeignete Antriebsvariante wurde ein Kurbelmechanismus gewählt, der über eine längenveränderliche Kurbel einer Gleitführung mit der optimalen Bewegungskurve folgt. Über Zahnriemen wird die Antriebsleistung zu den verkleinerten Hinterrädern schlupffrei geführt, die Lage der Kurbeln kann ohne Werkzeug auf die Benutzer eingestellt werden. Zur Evaluierung verschiedener Antriebsformen wurde im Zuge dieser Arbeit auch ein stationärer, rollstuhlbasierender Prüfstand entwickelt. Mittels Handkontaktkraftmessung, Bewegungsanalyse, elektromyographischer als auch spiroergometrischer Messungen wurde der neue Antrieb bei unterschiedlichen Belastungsstufen mit einer Gruppe von Rollstuhlfahrer*innen als auch einer nicht beeinträchtigten Kontrollgruppe getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass diese neue Antriebsform eine Kraftaufbringung über den gesamten Antriebszyklus hinweg ermöglicht, wobei die Gelenkwinkel in den ergonomischen Bereichen bleiben. Darüber hinaus konnte die Effizienz im Vergleich zum Greifring erheblich gesteigert werden. Die hier vorgestellte wissenschaftliche Arbeit kann einen wesentlichen Beitrag für Menschen, welche auf einen Rollstuhl angewiesen sind, leisten und kann dazu beitragen ihre Unabhängigkeit sowie die Integration im alltäglichen Leben zu erhalten bzw. zu verbessern.

The wheelchair is one of the most commonly used assistive devices to enhance the mobility of people with lower limb impairments. According to the World Health Organisation (WHO), more than one percent of the world's population is dependent on a wheelchair. More than 90% of all wheelchair users prefer the push-rim, even though it is the least efficient mode of propulsion. Awkward force distribution in non-ergonomic joint angle ranges as well as frequent repetitions are not only strenuous for the musculoskeletal system, they also frequently lead to severe upper limb injuries. Consequently, a project supported by the Austrian Research and Science Fund (FWF) was launched with the aim of developing an ergonomic wheelchair drive which reduces joint strain while maximising power output. The aim of the present work was to develop and evaluate a mechanical wheelchair drive that follows a motion path optimised for the musculoskeletal system previously obtained by numerical simulation and optimization methods. A crank mechanism was chosen as the most suitable propulsion variant for this purpose, in which a length-variable crank follows a sliding guide along the optimal path of motion using. Timing belts transmit the propulsion power slip-free to the reduced rear wheels, and the crank position can be adjusted to the user without any tools. A stationary, wheelchair-based test stand has been developed during the course of this work to evaluate different propulsion methods. Through hand contact force measurement, motion analysis, electromyographic as well as spiroergometric measurements, the novel drive was tested and evaluated at different power levels with a group of wheelchair users as well as a nondisabled control group. The results showed that this novel drive enables force application over the complete drive cycle, while keeping the joint angles within the ergonomic ranges. Furthermore, the efficiency was significantly increased compared to push-rim propulsion.The scientific work presented here can contribute significantly to people who are dependent on a wheelchair and can help to preserve or improve their independence and integration in daily life.