PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 73 Transport 2010 Danuta Jasińska-Choromańska, Bogusz Radziemski, Ksawery Szykiedans, Krzysztof Getko, Jakub Wierciak Zakład Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych, Instytut Mikromechaniki i Fotoniki, Politechnika Warszawska WYKORZYSTANIE SYSTEMU PIONIZACJI I WSPOMAGANIA RUCHU W POJEŹDZIE PRT Rękopis dostarczono, październik 2010 Streszczenie: Projekt ECO-Mobliność zakłada powstanie szeregu nowych rozwiązań technicznych ułatwiających przemieszczanie się zarówno w ramach transportu zbiorowego (PRT) jak i indywidualnego (eco-samochód, wózek inwalidzki z napędem, system pionizacji i wspomagania ruchu). Zakład Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych, jednostka Wydziału Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, realizująca jeden z podtematów projektu podjął próbę określenia kompatybilności opracowywanego systemu pionizacji i wspomagania ruchu z pozostałymi elementami systemu ECO- Mobilność. W niniejszym artykule przedstawiono koncepcję współpracy systemu pionizacji i wspomagania ruchu z wybranym urządzeniem systemu ECO-Mobilność, z pojazdem PRT (Personal Rapid Transit) wraz z jego możliwym otoczeniem i wyposażeniem technicznym. Słowa kluczowe: urządzenie do wspomagania chodu, Personal Rapid Transit, współpraca elementów systemu 1. WPROWADZENIE Układy pionizacji i wspomagania ruchu (rys. 1) to urządzenia mechatroniczne [3], dające możliwość i szansę osobom z niedowładem kończyn dolnych na prowadzenie trybu życia zbliżonego do normalnego. Aby takie urządzenie spełniało potrzeby osób niepełnosprawnych powinno umożliwiać: samodzielne chodzenie w pozycji wyprostowanej, siadanie, wstawanie, chodzenie po schodach czy też prowadzenie samochodu. Dodatkowo układ pionizacji i wspomagania chodu może zapewniać samorehabilitację dolnych kończyn osoby niepełnosprawnej. Spełnienie takiego postulatu pozwoli osobom ze sparaliżowanymi kończynami dolnymi pozbyć się lub ograniczyć wiele problemów zdrowotnych, takich jak: zanik mięśni, niedotlenienie układu krążenia, niesprawność nerek oraz wielu innych [1].
36 D. Jasińska-Choromańska, B. Radziemski, K. Szykiedans, K. Getko, J. Wierciak Spełni również ważną rolę w zdrowiu psychicznym osoby poruszającej się dotychczas na wózku inwalidzkim. Osoba, która może samodzielnie wstać (bez pomocy osób trzecich) i zacząć chodzić ma o wiele większy komfort psychiczny i większą wiarę we własne siły [8]. Rys. 1. Układ pionizacji i wspomagania ruchu projekt szkieletu mechanicznego (Projekt studentów V roku Wydziału Mechatroniki PW; 2009/2010: B. Dąbrowski, K. Getko, B. Sikorski, przygotowany pod kierunkiem prof. nzw. D. Jasińskiej-Choromańskiej) Wprowadzenie systemów do pionizacji i wspomagania chodu do powszechnego użytku uznawane jest za potrzebę, która może zostać spełniona w ciągu najbliższych kilku lat [1,6,7]. Należy więc już w tej chwili zastanowić się nad tym, jak przystosować różne sfery życia dla tego typu urządzeń oraz ich właścicieli. W poniższym artykule zaproponowano koncepcje współpracy projektowanego urządzenia/systemu do pionizacji i wspomagania ruchu (przewidywana nazwa własna VENI ) z jednym elementem systemu ECO-Mobilność z pojazdem systemu PRT (Personal Rapid Transit z ang. Szybki Transport Indywidualny). Pozostałe elementy systemu ECO-Mobilność, których aspekty nie zostały zawarte w poniższym dokumencie, są następujące: - ECO-samochód, - wózek inwalidzki, - stabilizatory zewnętrzne, - środowisko zewnętrzne. Wszystkie elementy systemu ECO-Mobilność są w fazie koncepcji lub projektowania. Stąd poniżej przedstawiono możliwe koncepcje współpracy urządzenia do pionizacji i wspomagania ruchu z PRT. Materiał ten stanowi podstawę do opracowania założeń i wymagań, dotyczących kompatybilności i współpracy opracowywanego urządzenia do pionizacji i wspomagania ruchu z jednym wybranym elementem systemu ECO-Mobilność, jakim jest PRT.
Wykorzystanie systemu pionizacji i wspomagania ruchu w pojeździe PRT 37 Aspekty współpracy systemu pionizacji i wspomagania ruchu z PRT: - wsiadanie oraz wysiadanie z/do pojazdu PRT z założonym urządzeniem/systemem pionizacji i wspomagania ruchu, - ładowanie akumulatorów urządzenia/systemu pionizacji i wspomagania ruchu podczas jazdy PRT, - jazda PRT z założonym urządzeniem, - możliwość rehabilitacji stawów kończyn dolnych podczas jazdy, - pozycja podczas jazdy PRT (możliwość zastosowania specjalnego miejsca: np. wgłębiony fotel, wsuwany i wysuwany itp.). 2. OPRACOWANIE KONCEPCJI WSPÓŁPRACY URZĄDZENIA DO PIONIZACJI I WSPOMAGANIA RUCHU Z PRT PRT to koncepcja indywidualnego transportu miejskiego lub podmiejskiego. Oparta o automatyczne, niewielkie pojazdy dostępne na żądanie z możliwością wprowadzania adresu miejsca docelowego, funkcjonujące z lub bez zatrzymywania się na pośrednich przystankach. Pojazdy poruszają się w zależności od typu PRT po różnego rodzaju specjalnie przygotowanych i zabezpieczonych przed innymi pojazdami trasach (naziemnych, podwyższonych lub podwieszonych), które są przeznaczone wyłącznie dla danego PRT. Omawiając kompatybilność urządzenia/systemu pionizacji i wspomagania ruchu z PRT należy zwrócić uwagę na trzy podstawowe aspekty: 1) Przebywanie na stacji w oczekiwaniu na pojazd, 2) Wsiadanie do pojazdu i wysiadanie z niego, 3) Przebywanie w pojeździe. 2.1. PRZEBYWANIE NA STACJI W OCZEKIWANIU NA POJAZD Osoba przebywająca na stacji i oczekująca na pojazd powinna mieć możliwość naładowania akumulatora zasilającego urządzenie/system pionizacji i wspomagania ruchu. Urządzenie zasilające (1) z rys. 2 znajdujące się na peronie, powinno być połączone z układem śledzenia ruchu pojazdów. Układ ten informowałby o nadjeżdżającym pojeździe poprzez sygnał tekstowy wyświetlany na ekranie obrotowej głowicy (2) lub sygnał dźwiękowy oraz o konieczności udania się do strefy przeznaczonej do wsiadania. Obrotowa głowica umożliwia wygodną obsługę ekranu oraz odczyt informacji.
38 D. Jasińska-Choromańska, B. Radziemski, K. Szykiedans, K. Getko, J. Wiercciak Rys. 2. Urzządzenie do zaasilania akumullatorów, stojącee na peronie PR RT; 1 urządzenie zasilają 2 obrrotowa głowicaa, 3 ławki Ładowaanie akumulaatorów system mu do wspo omagania cho odu mogłoby się odbyw bezprzewoodowo indu ukcyjnie (rys. 3). Oczywiśccie osoby z ro ozrusznikami serca powi mieć możlliwość ładowaania akumulaatorów drogą przewodową. p mu nie uległ Dzięki czem zakłóceniuu praca rozrusznika. Rys. 3. Sied dzenie umożliw wiające indukcy yjne ładowaniee akumulatorów w W siedzzeniach byłyb by przekaźnikii indukcyjne (rys. ( 3), które przekazywałyyby energię układów ładowania ł aku umulatorów urządzenia/sy u ystemu pionizzacji i wspom magania ruc Siedzenia powinny byćć pokryte warrstwą, która będzie b dopaso owywać się ddo ciała os b wykorzysttany w sam siedzącej. Podobny systtem ładowaniia akumulatorrów mogłby być
Wykorzystanie systemu pionizacji i wspomagania ruchu w pojeździe PRT 39 System ładowania akumulatorów byłby systemem inteligentnym, tzn. sam mógłby wykrywać poziom naładowania akumulatorów i w razie potrzeby je doładowywać. Dzięki takiemu rozwiązaniu ładowanie akumulatorów mogłoby się odbywać bez wiedzy użytkownika. Odpowiedni zapas energii podczas poruszania się z pomocą systemu do wspomagania ruchu ma pewną wartość krytyczną. Dzięki temu osoba niepełnosprawna może się czuć pewnie i bezpiecznie. Stąd w każdej nadarzającej się okazji akumulatory systemu powinny być doładowywane, aby maksymalnie wydłużać pracę urządzenia. 2.2. WSIADANIE DO POJAZDU I WYSIADANIE Powszechnie spotykanym problemem w pojazdach komunikacji miejskiej jest niedostosowanie wejścia do pojazdu dla osób niepełnosprawnych. Wynika to przede wszystkim ze znacznego odstępu między peronem lub przystankiem a pokładem pojazdu oraz z różnicy poziomów między ich powierzchniami. Rozwiązaniem może być platforma łącząca pojazd z peronem. Taka platforma mogłaby być rozkładana w specjalnych przypadkach na żądanie dla osoby niepełnosprawnej lub przy każdym otworzeniu drzwi. Przykład zaprezentowano na rys. 4a oraz rys. 4b. Platforma (1) wysuwana jest z podłogi pojazdu PRT (2). Powoduje to połączenie jej z powierzchnią peronu (3). Rys. 4. Platforma wysuwana z podłogi; 1 platforma, 2 - podłoga PRT, 3 powierzchnia peronu Z takiego udogodnienia nie tylko będą mogli skorzystać użytkownicy systemu do wspomagania ruchu, ale również osoby na wózkach inwalidzkich, osoby z wózkiem dla dzieci lub osoby poruszające się o kulach lub z balkonikami. Ważnym zagadnieniem jest również zastosowanie zabezpieczenia przed zamknięciem drzwi dopóki w ich świetle znajduje się pasażer. Umożliwi to bezpieczne wysiadanie osobie używającej urządzenia/systemu do pionizacji i wspomagania ruchu z pojazdu PRT niezależnie od czasu, jaki będzie do tego potrzebny.
40 D. Jasińska-Choromańska, B. Radziemski, K. Szykiedans, K. Getko, J. Wierciak 2.3. PRZEBYWANIE W POJEŹDZIE Jednym z pierwszych problemów, jaki może napotkać użytkownik systemu pionizacji i wspomagania ruchu to zbyt mała szerokość siedzeń obecnie stosowanych w pojazdach transportu publicznego. Osoba wyposażona w system wspomagania ruchu potrzebuje trochę szerszych siedzeń niż inni użytkownicy PRT. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie uniwersalnej szerokości siedzeń (rys. 5). Rys. 5. Uniwersalne siedzenia wielosegmentowe Siedzenie składa się z wielu wąskich segmentów, które można odchylić. Osoba, która chciałaby usiąść odchylałaby (rys. 5c) tyle części siedzenia, ile potrzeba jej było do wygodnego siedzenia. Takie rozwiązanie polepszyłoby również komfort podróżowania osób o różnej posturze. Pomysł ten umożliwia również opieranie się o siedzenie w pozycji pół-stojącej pół-siedzącej. Osoby niepełnosprawne siedzące na takich siedzeniach zyskałyby również podparcie pod łokcie (rys. 5b), dzięki czemu czułyby się o wiele pewniej i miałyby stabilniejszą pozycję podczas jazdy. Znacznie poprawiłoby to komfort podróżowania, szczególnie podczas ruszania oraz zatrzymywania się pojazdów PRT. Dodatkowo w poszczególnych częściach siedzenia mogłyby być zainstalowane przekaźniki indukcyjne, które ładowałyby akumulatory urządzenia podczas jazdy. Wykrywałyby one automatycznie, czy system wymaga ładowania i czy osoba, która właśnie usiadła posiada taki właśnie system wspomagania ruchu, czy nie. Przekaźniki ładujące mogłyby być zainstalowane w każdej cząstce siedzenia lub tylko niektóre miejsca czy obszary siedzenia byłyby w nie wyposażone. Można by było te obszary zaznaczyć innym kolorem siedzeń. Innym rozwiązaniem systemu ładowania akumulatorów jest zamontowanie oso-bnego, wolnostojącego zespołu, który byłby przede wszystkim przeznaczony dla osób z rozrusznikiem serca (jak w punkcie 2.1).
Wykorzystanie systemu pionizacji i wspomagania ruchu w pojeździe PRT 41 W przypadku złożonych siedzeń dawałoby to większą przestrzeń dla osób stojących w wagoniku. Inny system siedzeń został przedstawiony na rysunkach poniżej (rys. 6a. i 6b). Jest to specjalne miejsce dla osoby niepełnosprawnej korzystającej z systemu pionizacji i wspomagania ruchu. Rys. 6. Koncepcja siedzenia wysuwanego z wewnętrznej ściany PRT dla osoby z urządzeniem VENI; 1 ściana wewnętrzna PRT, 2- podłoga PRT, 3- siedzenie, 4- przycisk umożliwiający automatyczne rozłożenie siedzenia, 5 rozkładane wsporniki ułatwiające siadanie, 6 rączka do ręcznego otwierania siedzenia Siedzenie byłoby schowane w ścianie PRT i tylko w przypadku potrzeby osoby niepełnosprawnej byłoby rozkładane wraz z podpórkami pod łokcie. W pojazdach PRT można byłoby rozważyć zamontowanie siedzeń dostosowujących się do potrzeb osób niepełnosprawnych a w szczególności korzystających z układów pionizacji. Takim pomysłem jest stworzenie siedzeń zmieniających swoje gabaryty. Operację rozkładania siedzenia zrealizować można przy pomocy różnych zespołów funkcjonalnych, jednak podstawową jednostkę napędową byłyby siłowniki pneumatyczne lub elektryczne napędy liniowe. Zmianę gabarytów można uzyskać poprzez zastosowanie dwóch siłowników pneumatycznych (1), które mają za zadanie rozsunąć dwie części fotela (3) zgodnie z rys. 7. Trzeci siłownik (2) na rys. 7, zamontowany prostopadle do pozo-stałych, powoduje wysunięcie fragmentu wypełniającego powstałą lukę (4) jak na rys. 9. Całość działa szybko i zapewnia prostą realizację zmiany gabarytów siedzenia. Ważnym aspektem jest jednak bezpieczeństwo. Należy tak zaprojektować układ, aby żadnemu z pasażerów nie stała się krzywda podczas rozkładania fotela (odpowiedni układ czujników sprawdzający czy w pobliżu nie znajduje się człowiek).
42 D. Jasińska-Choromańska, B. Radziemski, K. Szykiedans, K. Getko, J. Wierciak Rys. 7. Siedzenie przed rozsunięciem; 1 siłowniki poziome, 2 siłownik pionowy, 3 rozsuwane części siedzenia, 4 element wypełniający powstałą lukę, 5 ściana pojazdu PRT Rys. 8. Siedzenie po rozsunięciu Siedzenie powinno również posiadać regulację oparcia. Można zastosować układ spotykany często w fotelach samochodowych - ręczną lub elektryczną regulację pozycji odcinak lędźwiowego fotela. Osoba niepełnosprawna z założonym urządzeniem/systemem pionizacji i wspomagania ruchu podróżując w PRT mogłaby również rehabilitować wybrane stawy kończyn dolnych np. staw kolanowy. W związku z tym PRT powinno umożliwiać osobie niepełnosprawnej z zamontowanym systemem VENI podróż również w pozycji stojącej między np. dwoma składanymi ramionami (3) jak na rys.9 przymocowanymi obrotowo do wewnętrznej ściany wagonika (1). Dodatkowo powinien znajdować się w pobliżu uchwyt na kule, które na ten czas osoba niepełnosprawna potrzebuje odłożyć. Może to być zwykły mechaniczny uchwyt (4) jak na rys. 9 lub np. uchwyt z magnesem, który przyciągałby metalowe kule. Ramiona te umocowane do ściany na wysokości pachwin kończyn górnych osoby niepełnosprawnej umożliwiałyby podparcie jej i możliwość wykonywania przez nią
Wykorzystanie systemu pionizacji i wspomagania ruchu w pojeździe PRT 43 ruchów zginania kończyn dolnych w stawie kolanowym jednostronnie lub naprzemiennie (rys. 9). Rys. 9. Koncepcja możliwości rehabilitacji stawów osoby niepełnosprawnej z założonym urządzeniem/systemem VENI w PRT; 1 ściana PRT, 2 podłoga PRT, 3 ramiona do podtrzymywania się, 4 uchwyt na kule, 5 miejsca siedzące, 6 kule 3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Analizując powyższe aspekty kompatybilności urządzenia/systemu pionizacji i wspomagania ruchu osób z niedowładem kończyn dolnych z PRT można sformułować następu-jące wstępne założenia i wymagania dotyczące ich konstrukcji: możliwość ładowania akumulatorów systemu pionizacji w PRT, specjalne siedzenia zaprojektowane dla użytkowników systemu pionizacji i wspomagania chodu, jazda pojazdem PRT z założonym systemem, ułatwienie pokonania różnicy poziomów pomiędzy peronem a PRT. Obecnie wózek inwalidzki jest najpowszechniej używanym środkiem transportu dla osób niepełnosprawnych. Dzięki rozwinięciu systemu wspomagania chodu oraz dostosowaniu tego urządzenia do PRT osoby niepełnosprawne zyskałyby bardzo efektywny i szybki sposób przemieszczania się. Bardzo ważne jest aby przy tworzeniu wymagań dla poszczególnych projektów całego systemu ECO-Mobilność dobrze zrozumieć potrzeby osób niepełnosprawnych i zadbać o to, aby wszystkie elementy były ze sobą kompatybilne oraz stanowiły wzajemne uzupełnienie się. Przedstawione prace zostały wykonane w ramach projektu ECO-Mobilność Nr UDA- POIG.01.03.01-14-154/09-00 finansowanego ze środków Unii Europejskiej.
44 D. Jasińska-Choromańska, B. Radziemski, K. Szykiedans, K. Getko, J. Wierciak Bibliografia 1. Będziński R. i inni: Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2004 r. 2. Choromański W., Kowara J., Dobrzyński G.: The dynamic of PRT (Personal Rapid Transit) vehicles, Programme & Abstract book 21 st International Symposion on Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks IAVSD 09, 17-21 August 2009, KTH, Stockholm, Sweden, str. 362-363 + płyta CD. 3. Gawrysiak M.: Mechatronika i projektowanie mechatroniczne. Politechnika Białostocka, Rozprawy naukowe nr 44, Białystok, 1997 r. 4. Isermann R.: Mechatronic Systems Fundamentals. Springer, London, 2005 r. 5. Marciniak J., Szewczenko A.: Sprzęt szpitalny i rehabilitacyjny. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2003 r. 6. Nałęcz M. i inni : Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT Warszawa, 2001 r. 7. Paśniczek R.: Wybrane urządzenia wspomagające i fizykoterapeutyczne w rehabilitacji porażeń ośrodkowego układu nerwowego i amputacjach kończyn. OW PW, Warszawa 1998 r. 8. Sobczak E. i inni: Analiza społecznych uwarunkowań technicznego wspomagania osób niepełnosprawnych, Opracowanie w ramach proj. ECO-Mobilność, Warszawa 2009 r. 9. www.yankodesign.com/2010/01/04/big-open-love-bus/ USE OF ORTHOTIC ROBOT WITHIN PERSONAL RAPID TRANSIT VEHICLE Abstract: ECO-Mobility research project is granted to design new types of transportation devices or system. There will be solutions dedicated for public transport such as Personal Rapid Transit (PRT) or for individual transportation: eco-car, articulated wheelchair or orthotic wearable robot for aided standing and walking. Division of Fine Devices Design of Faculty of Mechatronics which is developing wearable orthotic robot has made some effort to determine possible compatibility and cooperation of his design with other devices. Following paper present concept of cooperation between orthotic robot being used by a passenger of Personal Rapid Transit within its vehicle and possible surroundings. Keywords: orthotic robot, walking support device, Personal Rapid Transit, PRT, cooperation Acknowledgements Presented works were maintained in UE Research Work ECO-MOBILNOŚĆ No: UDA- POIG.01.03.01-14-154/09-00 Recenzent: Jerzy Kisilowski