Masn Elektrcne - Zest Prblemwe Nr 1/2015 (105) 107 Tmas Stenel, Maciej Sajkwski, Janus Hetmańck Plitechnika Śląska, Gliwice STANOWISKO LABORATORYJNE SYMULATORA WARUNKÓW PRACY URZĄDZENIA DO STABILIZACJI POZYCJI PACJENTA THE LABORATORY STAND OF WORKING CONDITIONS SIMULATOR OF PATIENT STABILIZATION SYSTEM FOR MEDICAL CONVEYANCES Strescenie: Artkuł awiera pis realiacji stanwiska labratrjneg smulująceg warunki prac dla Urądenia d Stabiliacji Pcji Pacjenta (USPP). USPP ma kinematkę manipulatra równległeg napędami PM BLDC i mże bć wkrstwane d transprtu samchdweg lub ltniceg sób pskdwanch, pważnmi uraami kręgsłupa lub transprtu nwrdków. Istnieje więc ptreba pracwania stanwiska labratrjneg d badań skutecnść dwrwania prśpieseń prędkści i premiesceń, a w dalsej perspektwie d badań algrtmów sterwania manipulatra równległeg w aspekcie bilansu energii. Artkuł awiera analię nrm ra badań kreślającch pim ddiałwania preciążeń, wchleń i drgań na rganim cłwieka prusająceg się w recwistm pjeźdie w dniesieniu d mżliwści ich smulacji na pracwanej platfrmie manipulatra równległeg 6DOF. Abstract: The article cntains a descriptin f the labratr stand fr wrking cnditins simulatin f Patient Stabiliatin Sstem Fr Medical Cnveances (PSSFMC). PSSFMC is based n kinematics f a parallel manipulatr and equipped with PM BLDC drives. It can be used fr car r air transprt injured persns with serius spinal injuries r nenatal transprt. There is therefre a need t develp the labratr stand fr test the effectiveness f the representatin f acceleratin, speed and displacements. In the further perspective, the labratr stand culd been used t test cntrl algrithms f the parallel manipulatr in aspect f energ cnsumptin. The article cntains an analsis f standards and tests determining the level f impact f inclinatins and vibratins n the human bd lcated in a real mving vehicle with respect t the pssibilit f their simulatin with the develped platfrm 6DOF parallel manipulatr. Słwa klucwe: smulatr warunków prac, manipulatr równległ, napęd PM BLDC Kewrds: simulatin f vehicle wrking cnditins, parallel manipulatr, the PM BLDC drive 1. Wstęp Zespół badawc jest aangażwan w kmercjaliację Urądenia d Stabiliacji Pcji Pacjenta (USPP), które mże bć wkrstwane d transprtu samchdweg lub ltniceg sób pskdwanch, pważnmi uraami kręgsłupa lub transprtu nwrdków w stanie agrżenia żcia. Zasadnicm elementem wknawcm USPP jest manipulatr równległ. Transprt pacjentów - w stanie agrżenia żcia - pr pmc pjadów i śmigłwców ratwnicch jest rganiwan w scególnch stuacjach pmięd śrdkami medcnmi, które mgą apewnić wmagan pim intenswnej terapii. W takich prpadkach asadnice nacenie ma apewnienie stabiliacji pcji pacjenta. Ma t apbiec pgrseniu jeg stanu w casie transprtu. Pmim teg, że pjad ratwnice nie prusają się nadmierną prędkścią, t pacjent jest narażn na stresr ficne (Whlebd vibratin WBV) [1], które stanwią dla jeg stanu drwia agrżenie. W tm asts- waniu, USPP mże bć wkrstwane, jak skutecn sstem chrniąc transprtwaneg pacjenta, pred niekrstnm wpłwem gwałtwnch preciążeń, drgań, a w knsekwencji premiesceń i mian pcji ułżenia ciała. Wmienine wżej warunki prac USPP wstępują w wniku kniecnej (planwej) lub nieplanwanej mian trajektrii ruchu pjadu lub śmigłwca ratwniceg, jak również kinetcneg ddiałwania cnników ewnętrnch na wscególnine śrdki transprtu. Predmitw sstem USPP mżna akwalifikwać jak autnmicn sstem mbiln (Autnmus Mbile Sstem AMS). Taka kwalifikacja jest uasadnina uwagi na scególne wmagania dla USPP prenacneg d instalacji - na pkładie śmigłwca lub pjadu ratwniceg - charakterującch się pracą w warunkach defictu energetcneg. Z teg wględu asadnm jest stswanie w knstrukcji manipulatra równległeg USPP wsksprawnch napędów silnikami PM BLDC
108 Masn Elektrcne - Zest Prblemwe Nr 1/2015 (105) (Permanent Magnet Brushless DC Mtrs). Scególnie w prpadku układów napędu wielsilnikweg istnieje ptreba udsknalania właściwści ruchwch napędów PM BLDC i ich algrtmów sterwania w aspekcie bilansu energii pscególnch cklów prac napędu wielsilnikweg i sprawnści energetcnej pscególnch napędów. Metdka badawca wmaga więc anali skutecnści prcesu stabiliacji dla wbranej gemetrii manipulatra i metd sterwania jeg napędów. W klejnch etapach akłada się również mdfikację gemetrii lub/i metd sterwania w celu ppraw sprawnści energetcnej. Należ wrócić uwagę, że kst wknania i eksplatacji mbilneg stanwiska badawceg, np. na pdwiu samchdwm, umżliwiająceg badania nad algrtmami sterwania USPP w warunkach ruchu drgweg nacnie prekraca kst wknania prttpu predmitweg sstemu. Dlateg ważne jest psiadanie sprętweg smulatra ltu śmigłwca lub jad pjadu ratwniceg, któr umżliwia cenę wpłwu smulwanch preciążeń, wchleń i drgań na właściwści wielsilnikweg układu napędweg USPP. Smulatr warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej knstrukcji manipulatra równległeg napędami PM BLDC umżliwia werfikację skutecnści dwrwania prśpieseń prędkści i premiesceń w celu dalsej realiacji USPP analgicnm napędie i kinematce. Stanwisk labratrjn-badawce smulatra warunków prac dla USPP pwala również na mian struktur układu sterwania i jest wpsażne w układ pmiarw umżliwiając archiwiację prspieseń a (t), a (t), a (t). Na bieżącm etapie prcesu kmercjaliacji USPP realiwan tlk strukturę manipulatra równległeg, któr dwierciedla kinematkę 6-UPS [2] dcelweg układu, a jednceśnie mże pełnić funkcje smulatra jednstki ratwnicej (śmigłwca lub pjadu). 2. Kncepcja wknania USPP Kncepcję realiacji USPP apreentwan na rs. 1, na którm predstawin widk manipulatra równległeg 6DOF ra schemat idew urądenia ainstalwaneg na pkładie pjadu ratwniceg. Manipulatr USPP (1), na którm psadwine są nse (2), prłącn jest d pdstaw (3) a pmcą siłwników (4) i pregubów (5). a) b) UZ 3 1 12 XYZ 5 8 9 7 11 6 Rs. 1. Element USPP dla ratwnicch jednstek transprtwch [Nr Patentu 214937]: a) manipulatr równległeg 6DOF, b) schemat idew płącenia urądeń w pjeźdie ratwnicm Pdstawa (3) prmcwana jest d mbilneg pdwia (6), natmiast siłwniki (4) kntrlwane są sterwnikiem (7), a pmcą sgnałów cujników płżenia (8) ns (2), cujnika skrętu kół (9), cujnika prspiesenia pjadu (10) ra cujnika hamwania (11), układu asilania (12). a) b) c) Rs. 2. Spsób stabiliacji pcji pacjenta w wbranch stuacjach drgwch [Nr Patentu 214937]: a) widk bku - pknwanie pprecnej nierównści drgi, b) widk gór - mijanie pinwej preskd na drde, c) widk tłu - pknwanie wdłużnej preskd 3. Spsób stabiliacji pcji pacjenta Ruchma platfrma ma stabiliwaną pcję, ilując tm samm mechanicnie pacjenta d premiesceń pdwia mbilneg, samchdu lub inneg pjadu. Wnik stabiliacjneg diałania urądenia siąga się, gd pjad natrafia na preskd (rs. 2) np. próg spwalniając ra gd mija preskdę na prstej US 10 2 H A α 4
Masn Elektrcne - Zest Prblemwe Nr 1/2015 (105) 109 NIE Pjad Ratwnic Badania Labratrjne Implementacja Gemetrii Implementacja Metd Sterwania Mdel Kmputerw Pjadu Ratwniceg Badania Smulacjne Walidacja START Wmagania Technicne NIE STOP Etap I TAK Walidacja Badania Labratrjne TAK Smulatr Pjadu Ratwniceg Rs. 3. Metdka badań USPP Etap I drde lub gd jedna strna pdwia pjadu premiesca się w bniżeniu klein na drde. 4. Metdka badawca Metdka badań USPP jest realiwana w trech etapach (rs. 3). Artkuł dtc Etapu I-g, któreg celem jest pracwanie mdelu kmputerweg i stanwiska labratrjneg smulatra pjadu ratwniceg prenacneg d późniejsej walidacji USPP. W Etapie II prewiduje się pracwanie sprętweg mdelu USPP w redukwanej skali. Etap III kńcw pwli na pracwanie mdelu kmputerweg USPP ra statecnej walidacji sprawnści energetcnej napędu wielsilnikweg i skutecnści prcesu stabiliacji USPP na pdstawie badań smulacjnch i labratrjnch na smulatre sprętwm pjadu ratwniceg w warunkach recwistch. W Etapie I prwadi się walidację skutecnści prcesu adawania prspieseń a(t), prędkści v(t) i premiesceń s(t) platfrm ruchmej smulatra dla aimplementwanej gemetrii i metd sterwania napędów w mdelu kmputerwm pjadu ratwniceg. Metda sterwania smulatra warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej jest pracwwana w iteracjnch cklach walidacji wników smulacji mdelu kmputerweg i pmiarów labratrjnch na stanwisku labratrjnm (rs. 5). 5. Stanwisk smulatra warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej dla USPP Manipulatr równległ smulatra warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej seściu stpniach swbd 6DOF, wan również platfrmą Stewarta, napędan jest pre seść siłwników silnikami PM BLDC. Punkt węłwe A n, B n (dla n=1:6) gemetrii manipulatra równległeg wnacne są pre śrdki gemetrcne pscególnch pregubów. Gemetria platfrm bawej A 1...A n twr seścikąt dln pisan na kręgu prmieniu r=o A A 1. Tabela 1. Parametr gemetrcne manipulatra równległeg Wmiar [mm] r 577 d 220 D 871 L N 890 1225 l 335 B B4 B5 B 3 B B 6 B 2 B 1 A 4 A 5 A 3 A 6 A A 2 A A 1 } } Manipulatr równległ smulatra warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej Manipulatr równległ USPP Rs. 4. Mdel kmputerw i gemetria stanwiska smulatra warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej dla urądenia d stabiliacji pcji pacjenta USPP Gemetria platfrm ruchmej B 1...B n twr seścikąt górn pisan na kręgu prmieniu r=o B B 1. Jednceśnie ba kręgi są sbie równe r=o A A 1 =O B B 1. Krótse bki seścikąta dlneg i górneg twrą par węłów d=a 1 A 2 =B 1 B 6. Dłużse bki seścikąta dlneg i górneg twrą par węłów D=A 2 A 3 =B 1 B 2. Łańcuch kinematcn tpu 6-UPS realiwaneg manipulatra równległeg smulatra warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej
110 Masn Elektrcne - Zest Prblemwe Nr 1/2015 (105) skła-da się seściu gałęi A n B n, którch każda d-pwiada jednemu siłwnikwi liniwemu L N silnikiem PM BLDC translacji l. Psuw siłwników liniwch realiwan na baie śrub kulwch. Rs. 5. Stanwiska labratrjne smulatra warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej dla urądenia d stabiliacji pcji pacjenta USPP 6. Analia wstrąsów generwanch pre śrdki transprtu Nrma ISO 2631-1:1997 [1] kreśla pim dskmfrtu transprtwaneg cłwieka na pdstawie wibracji całeg ciała (Whle Bd Vibratins WBV). Nrma wnaca akres cęsttliwści 1-80 H wibracji całeg ciała, jak mając bepśredni wpłw na drwie, kmfrt i percepcję cłwieka. W dniesieniu d preciążeń WBV nrma precuje, że dla pcji siedącej prspiesenia w akresie 1,25 2,05 m/s 2 kreślane są jak bard nieprjemne, a w akresie pwżej 2 m/s 2 definiwan jak bard niewgdne. Nrma nie precuje wpłwu preciążeń na kndcję cłwieka transprtwaneg w pcji leżącej. W prac [3] badan pim wibracji w taksówkach miejskich i kaał się, że średnia wielkść WBV wahała się d 0,17 d 0,55 m/s 2. W publikacji [4], dtcącej badań wpłwu tch cnników na drwie i kndcję transprtwanch nwrdków, identfikwan prspiesenia, cęsttliwści i statstkę wstępwania WBV dla repreentatwnej grup pjadów. Z pmiarów [4] wnika, że pim WBV awse prekracał 0,47 m/s 2. Taka wartść prspiesenia gdnie nrmą ISO 2631 wmaga strżnści w dniesieniu d ptencjalnch agrżeń dla drwia, jeśli cas trwania narażenia wnsi 8 h w cklu 24 h. W publikacji [4] predstawin prównanie cnników WBV w dniesieniu d transprtu nwrdków dla ambulansu i śmigłwca. W prpadku ambulansu bserwuje się bardiej dnamicne mian w akresie hamwania i wstrąsów (1 darenie na 2 minut) niż w prpadku śmigłwca (1 darenie na 11 minut). W celu werfikacji wartści wżej wscególninch cnników WBV preprwadn pmiar wbranch wartści prspieseń a(t) w kabinie pdjadu samchdweg. D pmiaru prspieseń wkrstan trójsiw XYZ cujnik akcelermetrcn tpu BMA250 firm Bsch umiescn w punkcie pkaanm na rs. 7. Punkt jest traktwan jak pcątek układu współrędnch O XYZ. Na rsunku 6 predstawin rkład prspieseń a pr pmc sbkiej anali Furiera FFT diałającch na kierwcę samchdu w pinwej si Z w casie pknwania prgu spwalniająceg serkści E=2 m i wskści H=0,1 m dwlną prędkścią v =2,5 m/s. f d=0,7h 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 f g=2,5 H a =0,47m/s 2 0 5 10 15 20 f[h] a [m/s 2 ] Rs. 6. Rkład FFT amplitud a prspieseń diałającch na kierwcę samchdu w pinwej si Z w casie pknwania prgu spwalniająceg serkści E=2 m i wskści H=0,1 m dwlną prędkścią v =2,5 m/s Analię FFT preprwadn dla prspieseń arejestrwanch na dcinku pmiarwm S równm 10 m. Zarejestrwan manewr brawan na rs. 7 i jest n mdelwm prkładem negatwneg ddiałwania WBV na cłwieka najdująceg się w pjeźdie. Zgdnie aleceniem nrm ISO 2631 wdrębnin prediał cęsttliwści f d =0,7 H d f g =2,5 H drgań kabin samchdu prekracającch pim 0,47 m/s 2 WBV. W wnacnm prediale dminują dwie amplitud prspieseń diałającch wdłuż si Z, w scególnści a Z1 (f 1 =1 H)=1,3m/s 2 i a Z2 (f 2 =2 H) =1,49m/s 2. Cęsttliwści te dpwiadają casm t 1 =1/f 1 =1 s i t 2 =1/f 2 =0,5 s. Jednceśnie na pdstawie arejestrwaneg prebiegu wartści chwilwej prspiesenia
Masn Elektrcne - Zest Prblemwe Nr 1/2015 (105) 111 a (t) rs. 7 wnacn metdą całkwania numercneg, prebiegi caswe prędkści chwilwej v (t) i w knsekwencji premiescenia s (t) cujnika akceleretrcneg i całej kabin samchdu w casie t pknwania prgu spwalniająceg. s =0,03m 2, 0 1, 0 0, 0-1,0-2,0 0 1 2 3 4 t [s] 0,2 0,1 0-0,1-0,2 0 1 2 3 4 t [s] v =2,5m/s s 1 2,51m s 1 D=2m t(2,51m)=1s s 1 H=0,1m a[m/s 2 ] v [ m/s ] s [ m ] Rs. 7. Prebiegi wartści chwilwch prspiesenia a (t), prędkści v (t) i premiescenia s (t) diałającch na kierwcę samchdu w pinwej si Z w casie pknwania prgu spwalniająceg serkści E=2 m i wskści H=0,1 m dwlną prędkścią v =2,5 m/s Na rsunkach anacn prediał casu t=1 s, punkt charakterstcne prebiegów caswch i pcji pjadu na jeg trasie ruchu. Maksmalne chwilwe prspiesenia a (t) pinwe, spwdwane pknwaniem prgu spwalniająceg sclują w akresie (-1,4 1,55) m/s 2. Chwilwe wartści liniwch prędkści v (t) wdłuż si Z sclują w akresie (-0,1 1,7) m/s, a premiescenia pinwe (-0,024 0,021) m. Należ stwierdić, że wniki pmiarów wknanch dla prpadku mdelweg ptwierdają wscególnine wceśniej [4] wartści prspieseń WBV arejestrwanch w badanch samchdach i pjadach ratwnicch. 7. Smulacja warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej Zgdnie Etapem I prjętej metdki badań, na pdstawie pmiarów prspieseń a (t), prędkści v (t) i premiesceń s (t) dla mdelweg prpadku manewru (rs. 8) preprwadn walidację skutecnści prcesu adawania tch parametrów platfrm ruchmej smulatra dla aimplementwanej gemetrii i metd sterwania napędów [5], [6] w mdelu kmputerwm pjadu ratwniceg. Zwerfikwan pmiarw wartści wżej wscególninch cnników a (t), v (t), s (t) na platfrmie ruchmej manipulatra równległeg smulatra warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej. D pmiaru prspieseń wkrstan analgicnie jak w prpadku pmiarów drgwch trójsiw XYZ cujnik akcelermetrcn tpu BMA250 umiescn w punkcie anacnm na rs. 8, pre pcątek układu współrędnch O XYZ. Wnacn prebiegi caswe prędkści chwilwej v (t) i premiescenia s (t) metdą całkwania na pdstawie arejestrwaneg prebiegu wartści chwilwej prspiesenia a (t) (rs. 8). Na prebiegach caswch anacn prediał casu t=1,26 s i skrajne pcje translacji platfrm ruchmej smulującej manewr pknwania prgu spwalniająceg pre pjad. Analiując wniki pmiarów, akres maksmalnch wartści prspieseń a (t) platfrm manipulatra w pinie scluje w akresie (-2 1,7) m/s 2. Wnacne na pdstawie mierneg prebiegu a (t) chwilwe wartści liniwch prędkści v (t) wdłuż si Z sclują w akresie (-0,085 0,9) m/s, a premiescenia pinwe (-0,013 0,016) m. Pred-
112 Masn Elektrcne - Zest Prblemwe Nr 1/2015 (105) stawine wniki są bieżne pmiarami drgwmi i stał siągnięte w iteracjnch cklach walidacji badań smulacjnch kmputerweg mdelu [5], [6] i badań labratrjnch na sprętwm smulatre pjadu ratwniceg. s=0,03m s 1 s 2 2,0 1,0 0,0-1,0-2,0 0,2 0,1 0-0,1 0 1 2 3 4-0,2 0 1 2 3 4 s1 s2 s 1 t [s] t [s] a[m/s 2 ] v [ m/s ] s [ m ] t(0,045m)=1,26s s =0,03m Rs. 8. Prebiegi wartści chwilwch prspiesenia a (t), prędkści v (t) i premiescenia s (t) generwane pre manipulatr równległ smulując manewr pknwania prgu spwalniająceg serkści E=2 m i wskści H=0,1 m prędkścią v =2,5 m/s 8. Pdsumwanie i wniski W ramach prac badawcch pracwan metdkę walidacji sterwania i mdelu Matlab-Simulink pjadu ratwniceg na drde werfikacji wników smulacji kmputerwch pmiarami labratrjnmi sprętweg smulatra strukture kinematcnej 6-UPS. Opracwan smulatr warunków prac ratwnicej jednstki transprtwej umżliwia dwrwanie prspiesenia a (t) prędkści v (t) i premiescenia s (t) dla mdelwch manewrów np.: pknwania pre pjad prgu spwalniająceg. Zwerfikwan skutecnść dwrwania - recwistch prspieseń rędu 2 m/s 2 i cęsttliwści sclacji d 2,5 H, rejestrwanch w pjeźdie - na manipulatre równległm siłwnikami liniwmi napędie PM BLDC. Preprwadne badania ptwierdił mżliwść realiacji dcelweg sstemu USPP w parciu predmitwą kinematkę 6-UPS i napęd PM BLDC. Istnieje werfikwana mżliwść stabiliacji drgań niskich cęsttliwściach d 2,5 H. Jednceśnie sam manipulatr równległ mże generwać niekrstne i niepżądane drgania wżsch cęsttliwściach. Ich eliminacja będie mżliwa na pimie mdfikacji algrtmu sterwania napędów PMBLDC ra pre astswanie tłumików paswnch. 9. Literatura [1]. ISO 2631-1 Mechanical vibratin and shck- Evaluatin f human epsure t whle-bd vibratin-part 1: general requirements, Internatinal Organiatin fr Standardiatin 1997. [2]. T. Stenel, M. Sajkwski, B. Gresik: Design and implementatin f 6-DOF parallel manipulatr driven b permanent magnet brushless DC mtrs", 18th Internatinal Cnference n Methds and Mdels in Autmatin and Rbtics (MMAR) 2013, str. 372-377, 2013 [3]. J.C. Chen, W.R. Chang, T.S. Shih, C.J. Chen, W.P. Chang, J.T. Dennerlein, L.M. Ran, D.C. Christiani: Predictrs f whle-bd vibratin levels amng urban tai drivers, Ergnmics 46 (11) (2003), str. 1075 1090. [4]. J.C. Buchut, E. Van Lancker, V. Chritin, P.Y. Gueugniaud: Phsical stressrs during nenatal transprt: helicpter cmpared with grund ambulance, Air Med Jurnal, Vl. 30(3), str. 134-139, 2011. [5]. J. Hetmańck, M. Sajkwski, T. Stenel: Wbrane aspekt sterwania seścisilnikweg napędu manipulatra równległeg, Masn Elektrcne - Zest Prblemwe, nr 101, str. 199-202, 1/2014. [6]. J. Hetmańck, Ł. Gawleta, K. Krkwski: Mdel kmputerw wielsilnikweg napędu manipulatra równległeg besctkwmi silnikami prądu stałeg, Masn Elektrcne - Zest Prblemwe, nr 98, str. 159-162, 1/2013. Autr dr inż. Tmas Stenel, dr inż. Maciej Sajkwski dr inż. Janus Hetmańck Plitechnika Śląska, Katedra Energelektrniki Napędu Elektrcneg i Rbtki ul. Blesława Krwusteg 2, 44-100 Gliwice E-mail: Tmas.Stenel@plsl.pl Maciej.Sajkwski@plsl.pl Janus.Hetmanck@plsl.pl