POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Transportu ROZPRAWA DOKTORSKA mgr inż. Krzysztof Fiok Optymalizacja parametryczna innowacyjnego wózka inwalidzkiego z napędem ręcznym Promotor: prof. nzw. dr hab. inż. Włodzimierz Choromański Warszawa, 2014 r.
Bardzo dziękuję Panu Profesorowi Włodzimierzowi Choromańskiemu za umożliwienie podjęcia tematu oraz poświęcony czas. Dziękuję również wszystkim osobom, które wsparły mnie w realizacji tej pracy. Szczególne podziękowania składam mojej Żonie. Krzysztof Fiok
PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO W RAMACH PROGRAMU OPERACYJNEGO INNOWACYJNA GOSPODARKA POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Transportu ROZPRAWA DOKTORSKA mgr inż. Krzysztof Fiok Optymalizacja parametryczna innowacyjnego wózka inwalidzkiego z napędem ręcznym Promotor: prof. nzw. dr hab. inż. Włodzimierz Choromański PRACĘ ZREALIZOWANO PRZY WSPARCIU PROJEKTU ECO MOBILNOŚĆ współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka Biuro Projektu ECO-MOBILNOŚĆ web: www.eco-mobilnosc.pw.edu.pl Politechnika Warszawska, Wydział Transportu, email: biuro@eco-mobilnosc.pw.edu.pl ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa tel.: 22 234 61 43, tel./fax.: 22 234 60 07
Streszczenie: Niniejsza praca przedstawia nowe podejście do problemu optymalizacji parametrycznej dźwigniowych wózków inwalidzkich. Zaproponowano w niej empiryczną metodę rozwiązania zagadnienia optymalnego doboru położenia osi obrotu dźwigni napędowych oraz ich długości. W pracy badania zrealizowano dla wybranej, antropometrycznie zbliżonej, grupy osób oraz odniesiono się do stworzonej wcześniej analitycznej metody optymalizacyjnej. Oryginalność przedstawionej metody doświadczalnej wynika z faktu optymalizacji parametrów konstrukcyjnych układu dźwigni napędowych wózka inwalidzkiego w oparciu o sygnały biologiczne pochodzące z organizmu ludzkiego. Do oceny analizowanych konfiguracji układu dźwigni z punktu widzenia warunków pracy ludzkiej w niniejszej pracy wykorzystano trzy niezależne techniki pomiarowe: elektromiografię powierzchniową (EMG), analizę pochłanianego przez człowieka tlenu oraz pomiar tętna. Aby zrealizować proponowane doświadczalne badania optymalizacyjne opracowano mechatroniczny symulator wózka dźwigniowego, którego opis został również załączony w niniejszej pracy. Koncepcja budowy i działania tego urządzenia została zawarta w zgłoszeniu patentowym nr P-400484 z dnia 23.08.2012. Zbudowany symulator pozwolił w badaniach empirycznych na zmienianie wartości parametrów układu dźwigni wózka inwalidzkiego w szerokim zakresie przy równoczesnym zapewnieniu warunków doświadczenia bliskich rzeczywistości. W końcowej fazie pracy, w oparciu o uzyskane wyniki doświadczalne, dokonano walidacji zaproponowanej wcześniej analitycznej metody optymalnego doboru położenia osi obrotu dźwigni napędowych oraz ich długości. 7
DOCTORAL DISSERTATION Subject: Parametric optimization of an innovative manual wheelchair Summary: This study presents a new approach to the issue of parametric optimization of leverdriven manual wheelchairs. The question of designing optimal levers length and levers axis of rotation position for a given, anthropometrically similar, group of people was addressed by means of new experimental approach. Also, the analytical optimization method proposed earlier to solve the problem is discussed in this paper. The novelty of here presented experimental optimization method results from the fact that this method uses information gathered from three biological signals measured on the wheelchair users to optimize the lever-drive design. During experiments electromyographic (EMG) measurement of upper extremity muscles activity, oxygen consumption analysis and pulse assessment has been carried out. In order to execute the proposed experimental research a mechatronic simulator of lever-driven wheelchair was created. The design of this device is described in this study, also it is the subject of the patent application P-400484 from 23.08.2012. During experiments the mechatronic simulator allowed changing values of optimized parameters in a wide range while maintaining near real conditions of the experiment. The final part of this study presents validation of previously proposed analytical method for designing optimal levers length and levers axis of rotation position carried out with use of the newly obtained experimental results. 8
Spis treści: 1. Wstęp... 13 1.1 Wybrane urządzenia techniczne umożliwiające poruszanie się osobom niepełnosprawnym...13 1.2 Rodzaje wózków inwalidzkich o napędzie ręcznym...15 1.2.1 Ręczne wózki inwalidzkie napędzane poprzez ciągi...15 1.2.2 Ręczne wózki inwalidzkie napędzane poprzez korby...18 1.2.3 Ręczne wózki inwalidzkie napędzane poprzez dźwignie...20 1.3 Różnorodność ręcznych wózków inwalidzkich a ich właściwości użytkowe...22 1.3.1 Cechy ręcznych wózków inwalidzkich jako środków transportu...23 1.3.2 Porównanie cech użytkowych ręcznych wózków inwalidzkich...25 1.4 Cel, teza pracy oraz skrócony opis zrealizowanych zadań...27 1.5 Sprawność mechaniczna pracy człowieka podczas napędzania wózków inwalidzkich...29 1.6 Zadania optymalizacyjne w konstrukcji wózków dźwigniowych...31 2. Sformułowanie zadania optymalizacji... 35 2.1 Zadanie optymalizacji w metodzie doświadczalnej realizacja pierwsza...36 2.2 Zadanie optymalizacji w metodzie doświadczalnej realizacja druga...39 2.3 Zadanie optymalizacji w metodzie doświadczalnej realizacja trzecia...40 2.4 Algorytm realizacji doświadczalnej metody optymalizacyjnej...41 2.5 Zadanie optymalizacji w metodzie analityczno-eksperymentalnej...43 2.6 Zestawienie metod optymalizacyjnych zastosowanych w pracy...45 3. Budowa stanowiska do badań wózka dźwigniowego... 46 3.1 Koncepcja budowy stanowiska badawczego...46 3.2 Realizacja budowy stanowiska badawczego...51 3.3 Synteza toru pomiarowego oraz układu komputerowo wizyjnego na stanowisku badawczym...56 4. Badania doświadczalne... 65 4.1 Zastosowane metody oceny wysiłku fizycznego i zmęczenia człowieka...65 4.1.1 Elektromiografia powierzchniowa...65 4.1.2 Analiza ilości tlenu pochłanianego przez człowieka...71 4.1.3 Analiza zmian tętna...72 4.2 Plan eksperymentu...72 9
4.3 Przygotowanie osób badanych przed przeprowadzeniem eksperymentu...78 4.4 Przygotowanie stanowiska badawczego przed przeprowadzaniem eksperymentu...79 4.5 Zmęczenie człowieka pracą na stanowisku badawczym w świetle elektromiografii powierzchniowej...81 4.5.1 Prezentacja i ocena autorska wyników badań EMG w ujęciu indywidualnym...81 4.5.2 Prezentacja i ocena autorska wyników badań EMG w ujęciu grupowym...93 4.5.3 Analiza statystyczna wyników badań EMG...114 4.5.4 Synteza oceny autorskiej i analizy statystycznej sygnałów EMG...120 4.6 Zmęczenie człowieka pracą na stanowisku badawczym w świetle analizy pochłanianego tlenu i analizy zmian tętna...121 4.6.1 Prezentacja i ocena autorska wyników pomiaru ilości pochłanianego tlenu i zmian tętna osób badanych...121 4.6.2 Analiza statystyczna wyników pomiaru ilości pochłanianego tlenu i zmian tętna osób badanych...126 4.6.3 Synteza oceny autorskiej i analizy statystycznej pomiaru ilości pochłanianego tlenu i zmian tętna osób badanych...131 4.7 Synteza wyników badań doświadczalnych...131 5. Analityczno-eksperymentalna metoda optymalizacji... 132 5.1 Model kończyny górnej człowieka. Maksymalne siły pchania...134 5.2 Model układu człowiek dźwignia napędowa...135 5.3 Założenia dotyczące cech antropometrycznych człowieka...137 5.4 Plan eksperymentu...137 5.5 Praca wydatkowana przez człowieka poprzez dźwignie napędowe...139 5.6 Poszukiwanie rozwiązania zadania optymalizacyjnego...140 5.7 Walidacja doświadczalna analityczno-eksperymentalnej metody optymalizacji...142 5.7.1 Próba modyfikacji analityczno-eksperymentalnej metody optymalizacji...144 6. Podsumowanie wyników osiągniętych w pracy... 147 7. Bibliografia... 149 10
Termin lub oznaczenie E B - energia biomechaniczna E U energia użytkowa η cz - sprawność mechaniczna pracy człowieka Równoważnik energetyczny tlenu Klasyczny (ręczny) wózek inwalidzki, wózek napędzany poprzez ciągi Wózek dźwigniowy EMG, semg MNF RMS Tab. 1. Wykaz ważniejszych terminów i oznaczeń wykorzystanych w pracy: Miano [kj] [kj] [%] 1 [l tlenu] = 20,2 [kj] brak brak brak [Hz] lub [%] [µv] lub [%] Opis Energia wytworzona przez organizm ludzki w celu wykonania określonej czynności. W literaturze często określana jako koszt energetyczny Energia wydatkowana przez człowieka w celu wykonania określonej czynności. W literaturze bywa określana jako praca zewnętrzna Stosunek ilości energii użytkowej wydatkowanej przez człowieka do ilości energii biomechanicznej jaką organizm człowieka musi wytworzyć w celu wykonania określonej czynności Współczynnik określający ilość energii jaką ciało człowieka wytwarza z wykorzystaniem 1 litra czystego tlenu Wózek inwalidzki o napędzie ręcznym, w którym siła kończyn górnych człowieka jest przykładana do tzw. ciągów (obręczy) przymocowanych sztywno do dużych kół tylnych (napędzanych) Wózek inwalidzki o napędzie ręcznym, w którym siła kończyn górnych człowieka przykładana jest do dźwigni napędowych, które następnie przekazują moment siły do kół napędzanych ElektroMioGrafia (EMG) dziedzina wiedzy zajmująca się pomiarem aktywności elektrycznej mięśni; semg elektromiografia powierzchniowa, zajmująca się nieinwazyjnym pomiarem aktywności elektrycznej mięśni znajdujących się na powierzchni ciała Z ang. MeaN Frequency (MNF) - wartość średnia z wykresu gęstości widmowej mocy sygnału EMG, zwykle wyrażana w [Hz]. W niniejszej pracy odnoszono się często do spadków bądź wzrostów wartości tej wielkości, wtedy wyrażano ją w [%] Z ang. Root Mean Square (RMS) wartość średniokwadratowa z przetworzonego wykresu EMG, zwykle wyrażana w [µv]. W niniejszej pracy odnoszono się często do spadków bądź wzrostów wartości tej wielkości, wtedy wyrażano ją w [%] HR [1/60s] Z ang. Heart Rate (HR) liczba uderzeń serca na minutę Konfiguracja optymalizowanych parametrów wózka dźwigniowego Mięśnie szkieletowe (człowieka) Wysiłek fizyczny brak brak brak Kombinacja wartości trzech parametrów konstrukcyjnych układu dźwigni napędowych wózka inwalidzkiego: położenia osi obrotu dźwigni w kierunku poziomym X, kierunku pionowym Y oraz długości dźwigni. W procesie optymalizacji analizowano 9 różnych konfiguracji tych parametrów Mięśnie kontrolowane świadomie poprzez wolę człowieka Praca mięśni szkieletowych, której wynikiem jest wydatkowanie energii użytkowej E U wraz ze wszystkimi towarzyszącymi temu zmianami w organizmie 11
Zmęczenie (człowieka wykonywaną pracą) brak Proces zachodzący w organizmie człowieka, w efekcie którego zdolność do podejmowania aktywności przez człowieka maleje. W sferze aktywności fizycznej człowieka, zmęczenie może być zdefiniowane jako utrata zdolności generowania siły skurczu przez mięśnie szkieletowe 12
1. Wstęp Ludzkość od zarania dziejów tworzyła urządzenia mające na celu ułatwienie pokonywania wyzwań dnia codziennego. Przez lata przyrządy te były ulepszane, a czasami myśl techniczna owocowała powstaniem zupełnie nowej jakości. Dzisiaj w początku XXI wieku doczekaliśmy czasów, w których doskonalenie istniejących rozwiązań przybiera jeszcze większą niż niegdyś skalę. Zjawisko to nie omija ogólnodostępnych środków transportu, a w ostatnich dekadach również przyrządów ułatwiających poruszanie się osobom o niepełnych zdolnościach ruchowych. Niezależnie od stopnia sprawności, korzystając z urządzeń technicznych stajemy się od nich w pewnym stopniu zależni. Dlatego dbałość o jakość tych urządzeń, zwłaszcza użytku codziennego, jest tak istotna. Im doskonalsze będą to przyrządy, tym łatwiej nam ludziom będzie cieszyć się życiem. Pośród całego społeczeństwa można wyróżnić grupę, która w stopniu większym niż przeciętny jest zależna od urządzeń technicznych. Jest to grupa osób niepełnosprawnych, której dysfunkcje są zastępowane sprawnością urządzeń technicznych mających tym osobom pomagać. Niestety należy zauważyć, iż przyrządy te realizują swoje funkcje z różnymi rezultatami, a braków w niektórych rodzajach sprawności w dalszym ciągu nie są w stanie zastąpić. Powody wymienione powyżej były dla autora niniejszej pracy wystarczające, by spróbować przyczynić się do udoskonalania urządzeń technicznych pomagających w życiu osobom niepełnosprawnym. 1.1 Wybrane urządzenia techniczne umożliwiające poruszanie się osobom niepełnosprawnym Spośród mnogości urządzeń i podgrup osób, dla których były one projektowane, na szczególne zainteresowanie autora mogą liczyć przyrządy pomagające w życiu młodym osobom niepełnosprawnym. Inspiracją dla takiego zainteresowania był przykład młodych niepełnosprawnych sportowców, takich jak Oscar Pistorius [1]. Pozbawiony obydwu kończyn dolnych na odcinku poniżej kolan, dzięki nowoczesnym protezom, jest w stanie uczestniczyć w profesjonalnych zawodach biegowych z osobami pełnosprawnymi. Jest to pozytywny przykład możliwości, jakie daje dzisiejsza myśl techniczna w sferze zastępowania sprawności niektórych funkcji życiowych osób niepełnosprawnych. 13
Rys. 1. Niepełnosprawny biegacz Oscar Pistorius [1] Niniejsza praca dotyczy urządzeń technicznych dla znacząco szerszego grona użytkowników z niepełnosprawnościami kończyn dolnych niż w przykładzie pokazanym powyżej, a mianowicie wózków inwalidzkich o napędzie ręcznym. Wózki inwalidzkie o napędzie ręcznym stanowią podstawowy środek transportu, pomoc w poruszaniu się, dla wielkiej liczby młodych osób niepełnosprawnych z upośledzoną kontrolą (bądź jej brakiem) nad kończynami dolnymi. Dzieje się tak, ponieważ do dnia dzisiejszego na większą skalę nie rozpowszechniły się inne rodzaje urządzeń technicznych umożliwiających samodzielne poruszanie się takim młodym osobom. Żeby zrozumieć podstawy dla istnienia takiego stanu rzeczy należy przyjrzeć się przyrządom alternatywnym dla wózków inwalidzkich o napędzie ręcznym. Rodzajem urządzeń technicznych mogących w pewnym zakresie stanowić alternatywę dla wózków ręcznych są wózki o napędzie elektrycznym. Wózki te mają najczęściej większą masę oraz potężniejsze gabaryty, a praktycznie zawsze kilku bądź kilkunastokrotnie wyższą cenę. Równocześnie nie wykorzystują one dostępnej sprawności górnej części ciała użytkownika, przyczyniając się w sposób bardzo znaczący do jej spadku. Fizjoterapeuci jednomyślnie wskazują, że chęć zachowania istniejącej sprawności i jej dalszy rozwój 14
wymaga treningu, którego człowiek jest pozbawiony w przypadku ciągłego korzystania z elektrycznych wózków inwalidzkich. Wymienione wady, przede wszystkim te dotyczące braku pozytywnego działania rehabilitacyjnego na młodego użytkownika oraz elitarność tego rozwiązania, wynikająca z bardzo wysokiej ceny, w dzisiejszych czasach dyskwalifikują ten typ urządzeń technicznych w grupie młodych użytkowników. Innym rodzajem urządzeń technicznych, umożliwiających samodzielne poruszanie się omawianej grupie niepełnosprawnych, są przyrządy zwane egzoszkieletami. Urządzenia te oferują wspaniałe możliwości zastąpienia brakujących sprawności motorycznych. Pozwalają one na poruszanie się w naturalnej dla człowieka pozycji pionowej. W zależności od rozwiązania, mogą one również wykorzystywać dostępną sprawność wybranej części ciała użytkownika, co pozytywnie przyczynia się do postępu procesu rehabilitacji. Przyrządy tego rodzaju są jednak ciągle nowością w skali światowej, występują w egzemplarzach jednostkowych. Można się spodziewać popularyzacji tego rodzaju urządzeń technicznych w niedługiej przyszłości, jednakże stopień skomplikowania tych przyrządów oraz prawdopodobna cena będą jeszcze przez wiele lat znaczącą barierą na drodze do masowego ich rozpowszechnienia. Przy tak przedstawionych rozwiązaniach mogących stanowić częściową alternatywę dla wózków ręcznych, można stwierdzić, iż koncepcja wózka ręcznego sięgająca początków VI w. n.e. [2] pomimo swego wieku nie zdezaktualizowała się. Potwierdzeniem takiego stanu rzeczy może być sama mnogość wariantów rozwiązań wózków inwalidzkich o napędzie ręcznym. 1.2 Rodzaje wózków inwalidzkich o napędzie ręcznym 1.2.1 Ręczne wózki inwalidzkie napędzane poprzez ciągi Analiza dostępnej literatury wykazała, iż 90 % wszystkich wózków inwalidzkich używanych przez osoby niepełnosprawne stanowią wózki o napędzie ręcznym poprzez ciągi [3]. Ten wariant realizacji napędu jest najstarszy, dlatego czasem bywa określany jako klasyczny. Koncepcja realizacji napędu klasycznych ręcznych wózków inwalidzkich opiera się na wykorzystaniu możliwości motorycznych kończyn górnych użytkownika, przede wszystkim do pchania ciągów. Do celów manewrowania wózkiem i realizacji jazdy wózka do tyłu wykorzystywane jest również ciągnięcie ciągów. Przykładowy klasyczny wózek inwalidzki (z napędem poprzez ciągi) zaprezentowano na poniższym rysunku: 15
Koło tylne napędzane Hamulec postojowy Ciąg Koło przednie Rys. 2. Schematyczne przedstawienie podstawowych elementów budowy ręcznego wózka inwalidzkiego napędzanego poprzez ciągi. Opracowanie własne na podstawie [4] W oparciu o przedstawioną koncepcję ręcznego wózka inwalidzkiego napędzanego poprzez ciągi powstało wiele podrodzajów wózków ręcznych tworzonych z myślą o realizacji bardzo specyficznych zadań, w szczególności dedykowanych różnym dyscyplinom sportowym. Przykładami takich wózków mogą być pojazdy tworzone dla niepełnosprawnych graczy w rugby (Rys. 3), niepełnosprawnych tenisistów (Rys. 4), niepełnosprawnych maratończyków (Rys. 5) itp. Rys. 3. Ręczne wózki inwalidzkie przeznaczone do gry w rugby. Zawodnicy podczas rozgrywek [5] 16
Rys. 4. Ręczne wózki inwalidzkie przeznaczone do gry w tenisa ziemnego [6] Rys. 5. Ręczny wózek inwalidzki przeznaczony dla maratończyków [7] Ogólna zasada napędzania wózka ręcznego poprzez ciągi jest następująca: w pierwszej fazie użytkownik chwyta ciągi dłońmi blisko tułowia przy rękach zgiętych w stawie łokciowym, następnie wykonywany jest ruch pchania. W pewnym momencie następuje puszczenie ciągów i ręce są przyciągane do pozycji wyjściowej, a następnie ma miejsce ponowny chwyt ciągów i ponowne ich pchanie. Ciągi są bezpośrednio połączone z kołami 17
napędowymi, dlatego koła kręcą się zgodnie z kierunkiem pchania ciągów. Początkowa faza ruchu pchania ciągów przy mocno zgiętej kończynie górniej w stawie łokciowym generuje największą część energii przekazywaną do kół napędzanych, dlatego w przypadku chęci sprawnego poruszania się konieczne jest szybkie puszczenie ciągów i pracowanie z dużą częstotliwością, ale w niewielkim zakresie możliwego zasięgu kończyny górnej. Przy jeździe z mniejszą prędkością ruchy kończyny górnej są dłuższe i wolniejsze. Wizualizację cyklu pracy kończyny górnej w formie trajektorii ruchu kreślonej przez dłoń osoby napędzającej ręczny wózek inwalidzki poprzez ciągi przedstawiono na poniższym rysunku: Chwyt ciągu Puszczenie ciągu Rys. 6. Trajektoria ruchu dłoni użytkownika ręcznego wózka inwalidzkiego podczas wykonywania pracy napędzania poprzez ciągi. Grot strzałki wskazuje kierunek ruchu dłoni w cyklu pracy, a położenie opisów chwyt ciągu i puszczenie ciągu orientacyjne miejsca początku i końca kontaktu dłoni z ciągiem. Opracowanie własne na podstawie [8] 1.2.2 Ręczne wózki inwalidzkie napędzane poprzez korby Koncepcja realizacji napędu tego rodzaju ręcznych wózków inwalidzkich opiera się na wykorzystaniu możliwości motorycznych kończyn górnych użytkownika do pchania (obracania) korb połączonych z kołem napędzanym. Ruch pchania korb pozwala na poruszanie się do przodu, natomiast poruszanie się do tyłu w omawianych wózkach inwalidzkich najczęściej nie jest możliwe. Przykłady realizacji tego typu wózków zaprezentowano poniżej. 18
Rys. 7. Wózki z napędem poprzez korby [9] Rys. 8. Prosty i tani wózek z napędem poprzez korby [10] Ogólna zasada napędzania wózków ręcznych poprzez korby jest następująca: użytkownik w sposób ciągły wykonuje obiema kończynami górnymi pracę, która polega, w zależności od rozwiązania technicznego, na pchaniu równoczesnym (synchronicznym) bądź naprzemiennym (asynchronicznym) dwóch korb przymocowanych do wspólnej tarczy, co wprawia tę tarczę w ruch obrotowy. Ruch ten następnie np. za pośrednictwem kół zębatych i łańcucha zamieniany jest na ruch obrotowy koła napędzanego. Wizualizację cyklu pracy 19
kończyny górnej w formie trajektorii ruchu kreślonej przez dłoń osoby napędzającej ręczny wózek inwalidzki poprzez korby przedstawiono na poniższym rysunku: Rys. 9. Trajektoria ruchu dłoni użytkownika ręcznego wózka inwalidzkiego podczas wykonywania pracy napędzania poprzez korby. Strzałka wskazuje kierunek ruchu dłoni w cyklu pracy [11] 1.2.3 Ręczne wózki inwalidzkie napędzane poprzez dźwignie Koncepcja napędzania ręcznych wózków inwalidzkich poprzez dźwignie zakłada wykorzystanie możliwości kończyn górnych użytkownika do pchania i/lub przyciągania dźwigni w sposób synchroniczny lub asynchroniczny. W zależności od rozwiązania konstrukcyjnego do napędzania wózka mogą być wykorzystywane oba ruchy, tzn. pchania i przyciągania, bądź wybrany z nich (wtenczas drugi z nich jest ruchem jałowym z punktu widzenia przekazywania energii w celu napędzania wózka). Ten sposób napędzania ręcznych wózków inwalidzkich był popularny w Niemczech już w latach 70., o czym może świadczyć wykonana w tych czasach ankieta wśród osób niepełnosprawnych, będących użytkownikami wózków z napędem poprzez ciągi i z napędem poprzez dźwignie. W przeprowadzonym badaniu spośród 3482 osób 52,3 % posługiwało się wózkami dźwigniowymi (!), a 47,7 % wózkami z napędem poprzez ciągi [12]. Przykładów realizacji koncepcji wózków ręcznych napędzanych poprzez dźwignie można z powodzeniem szukać w patentach amerykańskich [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27], czy wśród dostępnych na rynku rozwiązań różnych przedsiębiorstw [28]. 20
Rys. 10. Wózek dźwigniowy firmy Wijit [28] Rys. 11. Wózek dźwigniowy w oparciu o jeden z patentów [25] Rys. 12. Wózek dźwigniowy w oparciu o jeden z patentów [15] 21
Ogólna zasada napędzania wózków ręcznych poprzez dźwignie jest następująca: użytkownik w sposób ciągły wykonuje obiema kończynami górnymi pracę, która w zależności od rozwiązania technicznego polega na pchaniu i przyciąganiu synchronicznym, bądź asynchronicznym dwóch dźwigni połączonych z dwoma tylnymi kołami napędzanymi. W zależności od konstrukcji, dźwignie te mogą być połączone z kołami napędzanymi bezpośrednio, bądź poprzez zespół przekładni. Wizualizację cyklu pracy kończyny górnej w formie trajektorii ruchu kreślonej przez dłoń osoby napędzającej ręczny wózek inwalidzki poprzez dźwignie przedstawiono na Rys. 13: Rys. 13. Trajektoria ruchu dłoni użytkownika ręcznego wózka inwalidzkiego podczas wykonywania pracy napędzania poprzez dźwignie. Ruch dłoni odbywa się w obu kierunkach zaznaczonej trajektorii [29] 1.3 Różnorodność ręcznych wózków inwalidzkich a ich właściwości użytkowe Znacząca liczba różnorodnych konstrukcji ręcznych wózków inwalidzkich jest owocem prób doskonalenia i dostosowywania tego środka transportu w zależności od wymaganych cech użytkowych. Innymi słowy, mnogość powstałych urządzeń z rodziny ręcznych wózków inwalidzkich jest wynikiem procesu optymalizacji ich konstrukcji, w którym przyjmowano różne funkcje celu. W efekcie powstało wiele konstrukcji wózków ręcznych różniących się właściwościami. 22
1.3.1 Cechy ręcznych wózków inwalidzkich jako środków transportu Przeprowadzenie rozważań dotyczących optymalizacji konstrukcji wózków inwalidzkich wymaga w pierwszej kolejności poznania właściwości użytkowych, jakimi się one charakteryzują. W następnym kroku możliwe jest określenie tych cech, które mogą być przedmiotem optymalizacji. Niektóre z wymienionych poniżej parametrów i cech konstrukcyjnych charakteryzują każdy środek transportu, inne zaś są typowe dla ręcznych wózków inwalidzkich: maksymalna prędkość; masa całkowita; rodzaj kontaktu dłoni użytkownika wózka z medium napędzającym. Ta cecha ma bardzo duże znaczenie dla urazowości danego wózka ręcznego, a więc bezpieczeństwa jego użytkownika. Z punktu widzenia ciągłości w czasie, można rozróżnić dwa sposoby kontaktu dłoni z medium napędzającym takim jak ciąg, korba czy dźwignia: kontakt przerywany i kontakt stały. Z punktu widzenia użytkownika kontakt stały posiada przewagę nad kontaktem przerywanym i polega on na jednorazowym wykonaniu chwytu i dalszym jego utrzymywaniu. Ten rodzaj kontaktu jest po pierwsze bardzo dogodny dla osób niepełnosprawnych pozbawionych możliwości łatwego, pewnego chwytania (np. tetraplegików), a po drugie pozwala na prawie całkowite uniknięcie ryzyka powstawania otarć czy skaleczeń podczas napędzania wózka. Ryzyko powstawania drobnych urazów kończyn górnych, przede wszystkim dłoni, przy napędzaniu wózków poprzez ciągi jest tak duże, że większość użytkowników tych wózków korzysta, gdy jest to możliwe, z rękawiczek ochronnych. Niestety taki środek zachowawczy niweluje ryzyko odniesienia obrażeń tylko w niewielkim stopniu. W wózku ręcznym jest bowiem wiele elementów, o które można się zranić [8]. 23
Rys. 14. Elementy ręcznego wózka inwalidzkiego napędzanego poprzez ciągi mogące być przyczyną zranienia w czasie współpracy rąk z ciągami. Tłumaczenie własne [8] sterowność rozumiana w kontekście ręcznych wózków inwalidzkich jako wyraz łatwości bądź trudności w zachowaniu wyznaczonego kierunku jazdy; manewrowość rozumiana w kontekście ręcznych wózków inwalidzkich jako wyraz łatwości bądź trudności w wykonywaniu manewrów, np. wewnątrz pomieszczeń; łatwość utrzymywania w stanie technicznej gotowości do użytkowania; realizacja układu hamującego; zdolność do bycia transportowanym. Osoby niepełnosprawne wielokrotnie podkreślają, iż jeśli dany wózek inwalidzki ma stać się ich codziennie wykorzystywanym środkiem transportu, to musi on posiadać możliwość łatwego składania i rozkładania przez samą osobę niepełnosprawną w celu przewiezienia go np. samochodem. Oceniając wózek inwalidzki bardzo istotnym jest zwrócenie uwagi na warunki pracy człowieka, jakie dany wózek tworzy. W zależności od konstrukcji mechanicznej wózka możliwe jest różne wykonywanie pracy napędzania wózka przez człowieka. Z punktu widzenia biomechaniki pracy człowieka jedna konstrukcja może stwarzać lepsze, a druga gorsze warunki pracy. Istotnym parametrem, zależnym bezpośrednio od warunków pracy człowieka jest sprawność mechaniczna pracy człowieka. Każdy środek transportu posiada swego rodzaju silnik, który napędza dany środek transportu. W omawianym przypadku środkiem transportu jest ręczny wózek inwalidzki, a silnikiem człowiek. Sprawność 24
mechaniczna pracy człowieka podczas napędzania wózków ręcznych była wielokrotnie przedmiotem zainteresowania uczonych [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38]. Zagadnienie to uznano za tak istotne, iż powstały opracowania porównujące metody kalkulacji sprawności tej pracy [39] [40]. Wg autora na potrzeby niniejszej pracy wystarczająca jest następująca definicja: sprawność mechaniczna pracy człowieka jest definiowana jako stosunek ilości energii użytkowej wydatkowanej przez człowieka do ilości energii biomechanicznej jaką organizm człowieka musi wytworzyć celem jej wykonania [39]. W warunkach doświadczalnych sprawność mechaniczną pracy człowieka najczęściej wyznacza się w oparciu o pomiar energii użytkowej (np. z wykorzystaniem wiedzy o przebytej drodze i oporach ruchu) oraz pomiar ilości tlenu zużywanego podczas wykonywania danej pracy przez człowieka. Ponieważ istnieje uznany w skali światowej współczynnik łączący ilość tlenu zużytego przez człowieka i energię, jaką organizm ludzki musiał wytworzyć celem wykonania danej pracy, możliwe jest obliczenie sprawności mechanicznej pracy człowieka. Sposób obliczania wartości tego parametru został opisany w pełni punkcie 4.1.2 niniejszej dysertacji. Poza wszystkimi wymienionymi powyżej cechami ręcznych wózków inwalidzkich, które mogą stanowić elementy składowe do ich ostatecznej oceny jakościowej, istnieje jeszcze jeden parametr, często będący ważniejszym w procesie doboru optymalnego wózka od wszystkich wymienionych do tej pory. Jest to cena zakupu wózka. 1.3.2 Porównanie cech użytkowych ręcznych wózków inwalidzkich Po zapoznaniu się z wybranymi parametrami stanowiącymi o jakości danego wózka inwalidzkiego zaprezentowano porównanie różnych rodzajów wózków ręcznych w opisanych kategoriach. Zadanie stworzenia takiego porównania zostało już zrealizowane przez innych autorów, na potrzeby niniejszej dysertacji zmodyfikowano je i przedstawiono w Tab. 2. 25
Tab. 2. Porównanie wybranych cech ręcznych wózków inwalidzkich. W tabeli posłużono się różnymi oznaczeniami, gdy dany rodzaj wózka inwalidzkiego z punktu widzenia danej cechy jest: - zły, słaby, trudny ; +/- średni ; + dobry; ++ bardzo dobry ; +++ znakomity. Opracowanie własne na podstawie [41] Cecha Rodzaj ręcznego wózka inwalidzkiego Napędzany poprzez ciągi Napędzany poprzez korby Układ korb Do gry w Wyścigowy demontowany mocowany koszykówkę (maraton) układ korb na stałe Napędzany poprzez dźwignie Sprawność mechaniczna pracy człowieka [%] <10 <8 >13 >13 >13 Obciążenie układu krążenia Wysokie Wysokie Niskie Niskie Niskie Obciążenie układu mięśniowo - Wysokie Wysokie Niskie Niskie Niskie szkieletowego Ryzyko powstania chronicznego przeciążenia mięśni i Wysokie Wysokie Niskie? Niskie? Niskie? ścięgien Prędkość maksymalna [km/h] 15 30 >30 30 30 Masa całkowita [kg] <10 <8 10-15 15 10-15 Kontakt dłoni z medium napędzającym Przerywany Przerywany Stały Stały Stały Kierunek wydatkowania siły przez człowieka - - + + ++ Użyteczność w przestrzeni otwartej + ++ +++ +++ ++ Manewrowość ++ +/- - - - Użyteczność w przestrzeni zamkniętej ++ +/- - +/- - Sterowność ++ +/- +/- +/- +/- Łatwość hamowania +/- - + + + Łatwość transportowania ++ ++ - + - Łatwość utrzymywania w stanie technicznej gotowości do użytkowania + + +/- +/- +/- Korzystając z powyższego porównania można rozpoznać cechy, które pozytywnie wyróżniają wózki z napędem poprzez ciągi. Są to: niska masa całkowita, bardzo dobra manewrowość i sterowność oraz łatwość w transportowaniu i utrzymaniu w sprawności tego typu wózków. Z drugiej strony równie wyraźnie zarysowane zostały pozytywne cechy wózków napędzanych poprzez korby i poprzez dźwignie. Są to przede wszystkim: wysoka sprawność mechaniczna pracy człowieka, stałość kontaktu dłoni z medium napędzającym i korzystny kierunek wydatkowania siły. Należy do nich zaliczyć również niskie obciążenie układów człowieka: krwionośnego i kostno-szkieletowego oraz niskie ryzyko powstania 26
chronicznego przeciążenia mięśni i ścięgien. Na korzyść tej grupy wózków przemawiają także: wysoka maksymalna prędkość przez nie osiągana i łatwość hamowania. Podsumowując powyższe porównanie można stwierdzić, iż wózki napędzane poprzez korby i dźwignie podczas użytkowania w przestrzeni otwartej są znacznie korzystniejsze od wózków napędzanych poprzez ciągi. Równocześnie stwierdza się, że napęd poprzez ciągi jest znacząco korzystniejszy w przypadku korzystania z wózka ręcznego wewnątrz pomieszczeń. Fakt ten potwierdzają też inne źródła literaturowe [12]. Przed przejściem do dalszej części rozważań, istotne jest opisanie przyczyn powyższego stanu rzeczy. Dlaczego wózki z napędem poprzez ciągi mogą być korzystniejsze od wózków z korbami i dźwigniami, pomimo znaczącej przewagi tych rozwiązań w wielu kategoriach powyższego porównania? Otóż pomimo znacząco wyższej urazowości pracy podczas napędzania tego typu wózków, niskiej sprawności mechanicznej czy przerywanego kontaktu dłoni z ciągami, wózki tego typu oferują największą manewrowość i sterowność [12]. Są one również najmniejsze i najlżejsze, co czyni je dodatkowo łatwymi w transporcie. Prostota konstrukcji ułatwia utrzymanie tego typu wózków w stanie sprawności. Jako ostatnią z wymienionych zalet można też podać cenę, która tak jak i stopień złożoności konstrukcji jest najniższa. Powyższe czynniki czynią wózki ręczne z napędem poprzez ciągi bezkonkurencyjnymi w klasie wózków wykorzystywanych do poruszania się wewnątrz pomieszczeń. Jednak w klasie wózków wykorzystywanych do pokonywania większych odległości i w celach rekreacyjno-sportowych z punktu widzenia funkcjonalności dominują wózki napędzane poprzez korby i poprzez dźwignie. 1.4 Cel, teza pracy oraz skrócony opis zrealizowanych zadań Po przedstawieniu stanu techniki dotyczącego wózków inwalidzkich o napędzie ręcznym możliwe jest przedstawienie motywów powstania prezentowanej pracy. Celem niniejszej pracy było stworzenie metody optymalizacji wartości wybranych parametrów konstrukcyjnych wózka dźwigniowego, istotnych we współpracy układu człowiek - dźwigniowy wózek inwalidzki. Zdecydowano się przyjąć taki cel ze względu na fakt występowania diametralnie różnych konstrukcji wózków dźwigniowych z punktu widzenia ich układu napędowego oraz zachęcająco wysokiej sprawności mechanicznej pracy człowieka osiąganej na nich w stosunku do innych rodzajów wózków inwalidzkich. 27
Autor pracy stawia tezę, iż możliwe jest stworzenie takiej metody optymalnego doboru parametrów konstrukcyjnych wózków dźwigniowych podczas ich projektowania, która zapewni zmniejszenie wysiłku fizycznego i zmęczenia osoby niepełnosprawnej podczas napędzania dźwigniowego wózka inwalidzkiego. Postawienie powyższej tezy spowodowało konieczność opracowania takiej metody optymalizacyjnej. W efekcie zaproponowano doświadczalną metodę optymalizacyjną, która jest bardzo nietypowa, ponieważ jej zmiennymi decyzyjnymi są parametry konstrukcyjne wózka dźwigniowego, a funkcja celu przyjmuje wartości pochodzące z pomiaru parametrów pracy człowieka na wózku dźwigniowym. Wartości funkcji celu uzyskano z wykorzystaniem trzech niezależnych technik pomiarowych pracy człowieka dla zapewnienia pełniejszej odpowiedzi. Tym samym dokonywano trzykrotnie oceny każdej z analizowanych kombinacji wartości zmiennych decyzyjnych. Dodatkowo postanowiono zmodyfikować i przeprowadzić walidację analitycznoeksperymentalnej metody optymalizacyjnej opisanej we wcześniejszych pracach autora. Aby zrealizować przedstawione zamierzenia zdecydowano: Odnieść się do badań innych autorów nad wpływem różnych, nie tylko konstrukcyjnych, parametrów wózków inwalidzkich na sprawność mechaniczną pracy człowieka (temat przedstawiono w podrozdziale 1.5 pracy); Zaprezentować stan wiedzy w zakresie optymalizacji układu napędowego wózków dźwigniowych i wskazać zmienne decyzyjne, które stały się przedmiotem optymalizacji w niniejszej dysertacji (temat przedstawiono w podrozdziale 1.6 pracy); Sformułować zadanie optymalizacyjne i metody jego rozwiązania: doświadczalną i analityczno-eksperymentalną (temat przedstawiono w rozdziale 2 pracy); Zbudować stanowisko badawcze, które umożliwi przeprowadzenie badań doświadczalnych nad wpływem zmian wartości parametrów konstrukcyjnych wózka dźwigniowego na pracę człowieka. W rezultacie prac powstał pierwszy w Polsce i być może na świecie mechatroniczny symulator jazdy dźwigniowym wózkiem inwalidzkim (temat przedstawiono w rozdziale 3 pracy); Do oceny pracy człowieka na stanowisku badawczym posłużyć się trzema niezależnymi technikami pomiarowymi, które pozwoliły na wyznaczenie 28
sprawności mechanicznej pracy człowieka dzięki analizie ilości tlenu zużywanego podczas pracy przez osoby badane, ocenę zmęczenia mięśni najbardziej zaangażowanych w pracę napędzania dzięki pomiarom i analizie sygnałów elektromiograficznych oraz ogólną ocenę zmęczenia człowieka wynikającego z realizowanego zadania dzięki pomiarom tętna osób badanych (temat przedstawiono w rozdziale 4); Zaplanować eksperyment (temat przedstawiono w podrozdziale 4.2 pracy); Wykonać analizę autorską oraz statystyczną uzyskanych wyników badań (temat przedstawiono w podrozdziałach 4.5 oraz 4.6 pracy); Zmodyfikować i zweryfikować działanie analityczno-eksperymentalnej metody optymalizacyjnej opracowanej w ramach prac wcześniejszych (temat przedstawiono w rozdziale 5); Podsumować wyniki całej pracy (temat przedstawiono w rozdziale 6). Po zaprezentowaniu ogólnego zarysu pracy, kolejnym krokiem było uzasadnienie wyboru parametrów konstrukcyjnych wózka dźwigniowego, które stały się przedmiotem optymalizacji. W podrozdziale 1.5 opisano parametry wózków inwalidzkich, które były przedmiotem optymalizacji w pracach innych autorów. 1.5 Sprawność mechaniczna pracy człowieka podczas napędzania wózków inwalidzkich Fakt osiągania znacznie wyższej sprawności mechanicznej pracy człowieka podczas napędzania wózków z korbami i z dźwigniami w stosunku do wózków z ciągami wynika z zupełnie innych warunków wykonywania tej pracy. Jednym z parametrów który silnie wpływa na tę sprawność, jest kierunek siły wydatkowanej podczas napędzania. Parametr ten był już przedmiotem analiz [42] [43] [44]. Ich wynik w odniesieniu do wózków inwalidzkich z napędem poprzez ciągi odzwierciedlono na Rys. 15: 29
Najbardziej efektywny kierunek wydatkowania siły Kierunek wydatkowania siły podczas pracy z ciągami Rys. 15. Porównanie kierunków wydatkowania siły: podczas napędzania wózka poprzez ciągi i kierunku najbardziej efektywnego. Tłumaczenie własne [43] Na sprawność mechaniczną pracy człowieka podczas napędzania wózków inwalidzkich mogą znacząco wpływać również inne zmienne: częstotliwość pracy kończyn górnych: w przypadku wózków z ciągami [45] [46] [35] oraz wózków z napędem poprzez korby [47]; udział poszczególnych grup mięśniowych w wykonywanym cyklu pracy [48] [49]; sposób pracy kończyną górną: kinematyka i dynamika kończyny górnej oraz wydatkowana siła [50] [51] [52] [53]. położenie siedziska [54] [55] [56]; nachylenie kół tylnych względem podłoża [57]; długość korb w wózkach z napędem korbowym [47]; średnica ciągów w wózkach z napędem poprzez ciągi [38]. Analizując cechy konstrukcyjne wózków ręcznych, które były przedmiotem oceny ich wpływu na sprawność mechaniczną pracy człowieka, można dojść do wniosku, iż nawet 30
niewielka zmiana środowiska pracy napędzania wózka ręcznego (np. zmiana średnicy ciągów) może znacząco wpływać na tę sprawność. Fakt ten pokazuje, że istnieje wiele zmiennych, które mogą stanowić przedmiot optymalizacji w ręcznych wózkach inwalidzkich. 1.6 Zadania optymalizacyjne w konstrukcji wózków dźwigniowych Pośród cech wózka dźwigniowego, które mogą stanowić przedmiot optymalizacji, istotnym zdaje się być sposób wykonywania pracy napędzania takiego wózka przez człowieka wymuszony poprzez konstrukcję wózka. Sposób wykonywania tej pracy zależy od wielu czynników, a jednym z nich jest zwrot wydatkowanej siły przez człowieka w czasie napędzania wózka. Większość autorów jest zgodna: wózki inwalidzkie napędza się z reguły pchając dźwignie, ponieważ maksymalne siły jakie człowiek jest w stanie wydatkować są większe podczas pchania niż ciągnięcia [58] oraz ponieważ podczas pchania dźwigni występuje korzystne zjawisko dociskania tułowia użytkownika wózka do oparcia. W przypadku rozwiązania alternatywnego - wydatkowania siły podczas ciągnięcia dźwigni wskutek zbyt raptownego ruchu osoba niepełnosprawna z upośledzoną kontrolą mięśni tułowia mogłaby z wózka wypaść. Z punktu widzenia parametrów konstrukcyjnych, na sposób napędzania wózków dźwigniowych silnie wpływa umiejscowienie i cechy układu dźwigni. Pod tym względem można znaleźć rozwiązania bardzo różniące się między sobą [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [59] [27]. Równocześnie można zauważyć, iż właśnie w zależności od: położenia osi obrotu dźwigni napędzających wózek; długości dźwigni; wyraźnie zmienia się wykorzystywany zasięg pracy kończyn górnych człowieka. Zgodnie z wiedzą autora, w chwili powstawania niniejszej dysertacji istniało tylko kilka prac, w których długość dźwigni oraz położenie ich osi obrotu były przedmiotem optymalizacji: w pracy [60] prowadzono działania uwzględniające zmienność obu tych parametrów, a w pracy [61] podejmowane były próby określenia ilościowego wpływu samego położenia siedziska względem osi obrotu dźwigni napędowych (w kierunku poziomym i pionowym) na sprawność mechaniczną pracy człowieka. Jednak w obu przypadkach zakres przeprowadzonych badań był bardzo ograniczony. Wyniki omawianych prac przedstawiają się następująco: w opracowaniu [61] stwierdzono, iż dla 9 analizowanych położeń siedziska 31
względem osi obrotu koła tylnego nie ma statystycznie istotnej zależności pomiędzy analizowanymi parametrami (położenie osi obrotu kół tylnych względem osi obrotu dźwigni napędowych było stałe, zmieniano położenie siedziska). Sprawność mechaniczna pracy człowieka[%] Rys. 16. Zależność sprawności mechanicznej pracy człowieka [%] w funkcji położenia siedziska wózka inwalidzkiego w stosunku do osi obrotu kół tylnych (9 położeń dla kombinacji w kierunku pionowym: L 5,08 cm (2 cale), M 10,16 cm (4 cale), H 15,24 cm (6 cali); w kierunku poziomym: f 10,16 cm (4 cale), m 20,32 cm (8 cali), r 30,48 cm (12 cali). Opracowanie własne na podstawie [61] W związku z powyższym autorzy konkludowali również, iż nie ma potrzeby optymalizowania położenia siedziska także względem osi obrotu dźwigni napędowych. Natomiast w opracowaniu [60] wykazano, iż istnieją niewielkie, acz istotne, różnice w sprawności mechanicznej pracy człowieka w zależności od kombinacji analizowanych parametrów. Podsumowanie części cytowanego artykułu dotyczącej omawianego zagadnienia zaprezentowano na poniższym rysunku. 32
Sprawność mechaniczna pracy człowieka [%] Pozycja siedziska: środkowa Pozycja siedziska: tylna Pozycja siedziska: przednia Zmiana długości łuku kreślonego przez miejsce chwytu dłoni na dźwigni [cm] Rys. 17. Sprawność mechaniczna pracy człowieka [%]w funkcji położenia siedziska i długości łuku kreślonego przez miejsce chwytu dłoni na dźwigni [cm] (wynikającego bezpośrednio ze zmiany długości rozpatrywanej dźwigni). Opracowanie własne na podstawie [60] W omawianym opracowaniu konkludowano, iż dla pracy napędzania wózka dźwigniowego przez człowieka spośród trzech analizowanych pozycji siedziska najkorzystniejsze jest położenie w pozycji środkowej oraz wydłużenie długości łuku kreślonego przez miejsce chwytu dłoni na dźwigni o 3 [cm] w stosunku do analizowanej długości bazowej. Dodatkowo, w cytowanym artykule stwierdzono, iż fakt odnotowania niewielkich różnic w wartościach analizowanych wielkości wynika prawdopodobnie z zastosowania zbyt małego obciążenia podczas wykonywania eksperymentów. Jak przedstawiono powyżej, wnioski z dwóch zaprezentowanych prac są sprzeczne zgodnie z pracą [61] nie ma potrzeby optymalizacji położenia siedziska względem osi kół napędzanych (a zatem i względem osi obrotu dźwigni napędowych) ze względu na sprawność mechaniczną pracy człowieka, natomiast w pracy [60] stwierdzono istotne statystycznie korzyści wynikające z takiego działania. Dodatkowo praca [60] dostrzega różnice w sprawności energetycznej pracy człowieka w zależności od długości łuku kreślonego przez miejsce chwytu dłoni na dźwigni (długość ta może wynikać np. ze zmiany długości samej dźwigni). 33
Autor niniejszej dysertacji jest przekonany, iż tak jak konkludowano w pracy [60], optymalizacja położenia osi obrotu i długości dźwigni względem pozycji użytkownika wózka jest celowa i pozwala na znaczącą poprawę warunków pracy człowieka. Przeświadczenie to wynika po pierwsze z faktu, iż przedstawione tam analizy były pełniejsze, gdyż w procesie optymalizacji uwzględniały dwa parametry konstrukcyjne wózków dźwigniowych równocześnie. Tylko równoczesna analiza wpływu położenia osi obrotu dźwigni i ich długości, czyli dwóch głównych parametrów konstrukcyjnych kształtujących ruch kończyny górnej człowieka podczas napędzania wózka dźwigniowego, pozwala w pełni odnosić się do kwestii wpływu trajektorii ruchu tej kończyny na sprawność mechaniczną pracy człowieka podczas czynności napędzania. Drugi powód, który przekonuje autora co do słuszności wyników pracy [60] zamiast [61], to kwestia zgodności tych wyników z ogólną zasadą dotyczącą możliwości pracy człowieka: praca kończynami górnymi jest ponoszona różnym kosztem w zależności od przestrzeni, w której jest wykonywana. Zasada ta ma bezpośredni związek z faktem zmienności możliwości wydatkowania siły przez kończyny górne człowieka w funkcji położenia tych kończyn [55] [50] [58]. 34
2. Sformułowanie zadania optymalizacji Zadanie optymalizacji w niniejszej pracy dotyczy współpracy układu człowiek dźwigniowy wózek inwalidzki. Ze względu na złożoność zagadnienia, rozważania nad optymalizacją wartości parametrów konstrukcyjnych wózka przeprowadzono z wykorzystaniem dwóch metod: doświadczalnej i analityczno-eksperymentalnej. W obu przypadkach analizy dotyczyły współpracy człowieka z dźwigniowym wózkiem inwalidzkim w zakresie pchania dźwigni napędowych przez człowieka. Wybór tego zakresu współpracy wynikał ze specyfiki obiektu optymalizowanego, czyli dźwigniowego wózka inwalidzkiego. W oparciu o analizę literaturową przedstawioną w punkcie 1.6 dysertacji uznano, że znaczący wpływ na współpracę człowieka z wózkiem dźwigniowym mają następujące parametry konstrukcyjne wózka: 1) położenie osi obrotu dźwigni określone na płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny strzałkowej człowieka (płaszczyzna quasi-symetrii człowieka); 2) długość dźwigni. Parametry te przyjęto jako zmienne decyzyjne w przedstawianym zadaniu optymalizacji. Zakresy wartości zmiennych decyzyjnych, jakie zdecydowano analizować, wynikały z geometrii dostępnych na świecie wózków inwalidzkich. W pracy określono je w sposób następujący: 1. Zakres zmienności długości dźwigni: <310; 600> [mm]; 2. Zakres zmienności położenia osi obrotu w kierunku pionowym mierząc od podstawy na której stoi badany wózek: <250; 500> [mm]; 3. Zakres zmienności położenia osi obrotu w kierunku poziomym mierząc od położenia stawu ramiennego osoby badanej siedzącej na wózku (oś obrotu przed osobą badaną): <40; 520> [mm]. Zastosowanie dwóch różnych metod optymalizacji wartości zmiennych decyzyjnych wymagało dwukrotnego zdefiniowania funkcji celu i ograniczeń. W pierwszej kolejności zdefiniowano je dla doświadczalnej metody optymalizacyjnej, a w drugiej kolejności dla metody analityczno-eksperymentalnej. 35
2.1 Zadanie optymalizacji w metodzie doświadczalnej realizacja pierwsza Koncepcja działania pierwszej realizacji doświadczalnej metody optymalizacji wywodzi się z analizy przepływu energii w omawianym układzie człowiek dźwigniowy wózek inwalidzki. Poniżej przedstawiono schemat przepływu energii w tym układzie z punktu widzenia współpracy człowieka z dźwigniowym wózkiem inwalidzkim. E B Człowiek η cz Sprzężenie zwrotne E B *η cz Wózek inwalidzki η w E U = E B *η cz *η w Rys. 18. Schemat przepływu energii w układzie człowiek wózek inwalidzki. E B energia biomechaniczna; E U energia użytkowa; η cz - sprawność mechaniczna pracy człowieka; η w sprawność wózka W analizowanym układzie energia biomechaniczna E B wytworzona w organizmie człowieka jest przekazywana ze sprawnością mechaniczną pracy człowieka η cz do dźwigni wózka inwalidzkiego (zgodnie z przyjętą wcześniej w dysertacji definicją η cz jest to stosunek ilości energii użytkowej E U wydatkowanej przez człowieka do ilości energii biomechanicznej E B, jaką organizm człowieka musi wytworzyć celem wykonania określonej czynności). Następnie z dźwigni energia E B * η cz przekazywana jest do kół napędzanych wózka 36
inwalidzkiego ze sprawnością wózka η w. W efekcie powstaje energia użytkowa E U wykorzystywana do przemieszczania wózka. Istotnym elementem układu przedstawionego na Rys. 18 jest sprzężenie zwrotne występujące między wózkiem inwalidzkim, a człowiekiem. Sprzężenie to odzwierciedla fakt, iż w omawianym przypadku sprawność mechaniczna pracy człowieka η cz jest funkcją przyjętych zmiennych decyzyjnych, czyli dwóch parametrów konstrukcyjnych wózka inwalidzkiego. Zależność określającą η cz można zapisać w formie równania: η cz = E U E B η w (1) Przeprowadzony proces optymalizacji doświadczalnej miał na celu w pierwszej kolejności optymalizację właśnie tego elementu analizowanego układu zależności sprawności mechanicznej pracy człowieka η cz od wybranych parametrów konstrukcyjnych wózka inwalidzkiego. Ponieważ nie było celem niniejszej dysertacji analizowanie sprawności wózka η w (której wartość wynika między innymi z jakości zastosowanych łożysk, przekładni itd.) postanowiono przyjąć wartość η w = 1. Dzięki przyjęciu takiego założenia zależność (1) przyjęła postać: η cz = E U E B (2) Zatem, chcąc optymalizować wartość sprawności mechanicznej pracy człowieka η cz koniecznym było analizowanie energii użytkowej E U oraz energii biomechanicznej E B. Założono, że wyznaczenie wartości E U oraz E B dla analizowanych kombinacji zmiennych decyzyjnych będzie realizowane doświadczalnie. Dlatego w ramach prac skonstruowano dedykowane stanowisko badawcze, które umożliwiło symulację współpracy układu człowiek wózek dźwigniowy oraz pomiar wartości różnych parametrów służących realizacji celu niniejszej dysertacji. Dokładniejsze informacje dotyczące budowy i działania stanowiska badawczego zostały zawarte w rozdziale 3 pracy. Natomiast w tym miejscu istotnym jest, iż w zrealizowanych na stanowisku badaniach ilość energii użytkowej E U obliczano pośrednio zgodnie z poniższym równaniem wykorzystując wielkości pomierzone podczas doświadczeń: 37
E U = L F(α) dα (3) α gdzie: L długość dźwigni; F(α) wartość siły pchania dźwigni przez człowieka (kierunek siły był zawsze prostopadły do dźwigni); α kąt obrotu dźwigni; dα zmiana kąta obrotu dźwigni. Do wyznaczania energii biomechanicznej E B wykorzystano pomiary zużywanego przez organizm człowieka tlenu podczas przeprowadzanych doświadczeń. Pomiar ten był realizowany bezpośrednio na człowieku - operatorze dźwigniowego wózka inwalidzkiego. Energia E B była wyznaczana z wykorzystaniem równoważnika energetycznego tlenu zgodnie z zależnością: E B [kj] = 20,2 ilość zużytego przez organizm tlenu [l] (4) Więcej informacji o analizie tlenu w niniejszej dysertacji przedstawiono w punkcie 4.1.2. Możliwość doświadczalnego wyznaczania E U oraz E B pozwoliła na obliczanie sprawności mechanicznej pracy człowieka w każdej z analizowanych kombinacji wartości zmiennych decyzyjnych. W efekcie w metodzie doświadczalnej zdefiniowano pierwszą funkcję celu F C1 : F C1 = η cz = E U E B (5) W celu optymalizacji warunków współpracy układu człowiek dźwigniowy wózek inwalidzki należy dążyć do możliwie wysokiej sprawności elementów tego układu, zatem w omawianym przypadku należy maksymalizować wartość F C1. 38