Borawski_Kleban_Wrona_Projekt_systemu_ruchu_dla_ambulansu.pdf

(4346 KB) Pobierz
BORAWSKI Łukasz
1
KLEBAN Piotr
2
WRONA Adam
3
Projekt systemu ruchu dla symulatora ambulansu wysokiej klasy
WSTĘP
W rzeczywistych sytuacjach alarmowych, gdzie wymagana jest pierwsza pomoc, rzadko istnieje
możliwość odczekania na dogodne i optymalne warunki do przeprowadzenia niezbędnych czynności
ratowniczych. Przeważnie konieczne jest udzielenie natychmiastowej akcji ratunkowej już w drodze
z miejsca wypadku do szpitala. Rodzi to potrzebę szkolenia ekip ratunkowych w warunkach jak
najbardziej zbliżonych do rzeczywistych. Optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie symulatora
ambulansu wysokiej klasy. W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił znaczący wzrost badań i rozwoju
innowacyjnych symulatorów medycznych, które umożliwiają kursantom ulepszanie ich umiejętności
w kontrolowanych warunkach, przed bezpośrednim kontaktem z żywym pacjentem [2].
Symulator ambulansu w Laboratorium Symulacji Medycznych w Suwałkach został zrealizowany
przez firmę ODIUT Automex. Podstawowym podzespołem symulatorów jazdy wysokiej klasy jest
odpowiednio dobrany system ruchu o sześciu stopniach swobody. Wykorzystany system ruchu to
dwie platformy Stewarta zaprojektowane w oparciu o oprogramowanie powstałe w wyniku realizacji
projektu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju INNOTECH-K2/HI2/10/182902/NCBR/12.
Na łamach artykułu opisano procedurę projektu podstawowych podzespołów systemu ruchu dla
symulatora ambulansu znajdującego się w Laboratorium Symulacji Medycznych w Suwałkach.
Struktura artykułu: w pierwszym rozdziale opisano ogólną funkcjonalność symulatora ambulansu,
w rozdziale drugim przedstawiono sposób wyznaczania założeń projektowych dla docelowego
systemu ruchu, rozdział trzeci porusza poszczególne kroki projektowe platformy Stewarta,
w rozdziale czwartym natomiast przedstawiono wyniki weryfikacji systemu ruchu w oparciu o
badania certyfikacyjne symulatora.
1. OPIS SYMULATORA W LABORATORIUM SYMULACJI MEDYCZNYCH W
SUWAŁKACH
Symulator ambulansu składa się z dwóch systemów, mogących pracować synchronicznie bądź
niezależnie. Są to:
–
kabina kierowcy
– rzeczywista kabina samochodu z pełnym wyposażeniem znajdującym się
w ambulansach,
–
przedział medyczny
– w pełni wyposażona część ratunkowa symulatora, zawierająca wszystkie
urządzenia medyczne niezbędne do udzielenia doraźnej pomocy poszkodowanemu
transportowanemu z miejsca wypadku do szpitala.
Zarówno kabinę kierowcy jak i przedział medyczny umieszczono na platformach ruchu o sześciu
stopniach swobody. Platformy zaprojektowano w sposób umożliwiający spełnienie wymagań
stawianych nowoczesnym symulatorom jazdy wysokiej klasy. Szczegółowy opis procesu
projektowania systemu ruchu przedstawiono w kolejnym rozdziale.
Przed kierowcą biorącym udział w szkoleniu wyświetla się na cylindrycznym ekranie obraz
wirtualnej rzeczywistości, w której osadzony jest scenariusz treningowy. Zadaniem kierowcy jest
pokonanie w możliwie najkrótszym czasie drogi z miejsca wypadku do szpitala, przy zachowaniu
1
2
3
ODIUT Automex sp. z o.o., ul. Marynarki Polskiej 55D, 80-557 Gdańsk,
lukasz.borawski@automex.eu, tel: +48 509 866 339
ODIUT Automex sp. z o.o., ul. Marynarki Polskiej 55D, 80-557 Gdańsk,
piort.kleban@automex.eu
ODIUT Automex sp. z o.o., ul. Marynarki Polskiej 55D, 80-557 Gdańsk,
adam.wrona@automex.eu
109
niezbędnych środków ostrożności. W wirtualnym świecie symulacji znajdują bowiem się inni
uczestnicy ruchu drogowego oraz piesi. Kierowca musi brać pod uwagę zmieniające się warunki
atmosferyczne, opady, ograniczenie widoczności itp. W trakcie pokonywania wyznaczonej trasy
działania kierowcy takie jak przyspieszanie, hamowanie czy skręcanie wpływają na zachowanie
symulatora. Podczas poszczególnych manewrów system ruchu gwarantuje odczucia bardzo zbliżone
do tych wyczuwanych przez kierowców poruszających się rzeczywistymi pojazdami. Wysoki realizm
odczuć zapewnia odpowiednio nastrojony system odwzorowania wrażenia ruchu (ang. motion cueing
- MC). Przechylenia kątowe oraz przesunięcia liniowe wynikające ze sposobu pokonywania trasy
przez kierowcę realizowane są jednocześnie przez system ruchu przedziału medycznego. Dzięki temu
ekipa szkoleniowa ma możliwość doskonalenia czynności udzielania pierwszej pomocy (takich jak
resuscytacja czy nakłucia), które są naturalnie utrudnione wewnątrz dynamicznie poruszającego się
pojazdu,. Współpraca ekip ratunkowych w trakcie scenariuszy szkoleniowych osadzonych
w wirtualnej rzeczywistości stała się ostatnimi laty przedmiotem intensywnych badań [4].
Symulator ambulansu w LSM w Suwałkach jest jak do tej pory jedynym w Europie tego typu
symulatorem wysokiej klasy. Symulator ambulansu z LSM przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1.
Symulator ambulansu w LSM w Suwałkach
2. PROJEKT I ZAŁOŻENIA SYSTEMU RUCHU
Kluczowym zadaniem symulatora jazdy jest wierne odtworzenie wrażeń odczuwanych przez
kierowcę w rzeczywistym pojeździe. Naśladowanie wrażeń ruchu zapewnia odpowiedni algorytm,
który przekształca przyspieszenia liniowe oraz prędkości obrotowe pojazdu poruszającego się
w wirtualnym świecie na przemieszczenia liniowe oraz kątowe symulatora. Wygenerowana w ten
sposób trajektoria musi być osiągalna przez system ruchu, na którym opiera się symulator. Oznacza
to, że system ruchu musi spełniać określone wymagania na:
a) zakres liniowy oraz kątowy przesunięć,
b) maksymalne prędkości liniowe oraz kątowe,
c) maksymalne przyspieszenia liniowe oraz kątowe.
Jedna z głównych trudności w projekcie efektywnego algorytmu MC związana jest ze złożoną
naturą ludzkiego systemu percepcji. Na chwilę obecną nie wyjaśniono jeszcze względnego wpływu
110
poszczególnych pobudzeń (wzrokowych, słuchowych, odczuwanych) na ogólne wrażenie poruszania
się [3]. W literaturze spotkać można wiele sposobów generowania wrażenia ruchu.
W większości symulatorów algorytmy naśladowania ruchu są oparte o tzw. podejście klasyczne,
które polega na wykorzystaniu zestawu filtrów [1]. Konfiguracja ta przedstawiona jest na rysunku 2.
Rysunek 2 przestawia strukturę filtrów, która ma za zadanie:
a) usunąć z otrzymanych przyspieszeń oraz prędkości składowe o niskiej częstotliwości,
b) przełożyć przyspieszenie liniowe o niskiej częstotliwości na odpowiednie przechylenia
kątowe,
c) ograniczyć ruch platformy końcowym stopniem górnoprzepustowym (ang. washout filter).
Rys. 2.
Struktura klasycznego algorytmu MC
Pomimo pewnych niedoskonałości, opisana strategia naśladowania ruchu znalazła zastosowanie
w większości spotykanych na świecie symulatorów jazdy. W symulatorze ambulansu w LSM
w Suwałkach również wykorzystano przedstawiony powyżej algorytm. Zadowalające działanie systemu MC
uzyskuje się, jeżeli platforma ruchu umożliwia:
a) ruch liniowy w zakresie co najmniej ±10 cm,
b) ruch kątowy w zakresie co najmniej ±5 °.
Niemniej jednak powyższe zakresy zwykle są rozszerzane. Nie jest zalecane poruszanie platformy
w pobliżu ograniczeń. Z tego powodu ograniczenia nakłada się zwykle programowo, a platformę
projektuje się na większe zakresy, w tym przypadku
a) ruch liniowy w zakresie co ±27 cm,
b) ruch kątowy w zakresie co najmniej ±22 °.
Ważnym aspektem projektu systemu ruchu była konieczność spełnienia wymagań legislacyjnych
odnoszących się do symulatorów jazdy. Kształcenie kierowców na symulatorach możliwe jest po
otrzymaniu odpowiedniego certyfikatu. Certyfikat ten wystawia jednostka akredytowana w systemie
PCA (Polskie Centrum Akredytacji), po potwierdzeniu spełnienia przez symulator warunków
określonych w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 8 kwietnia 2011 w sprawie urządzenia
do symulowania jazdy w warunkach specjalnych [6]. Wymagania te oprócz szeregu funkcjonalności
związanych z oprogramowaniem oraz wyposażeniem symulatora, szczegółowo odnoszą się do
parametrów kinematycznych systemu ruchu.
Rozporządzenie przewiduje wymagania na system ruchu przedstawione w tabeli 1.
Tab. 1.
Wymagania nałożone na system ruchu [6]
Lp.
1.
2.
3.
4.
Wielkość
przyspieszenia translacyjne
prędkości translacyjne
przyspieszenia kątowe
prędkości kątowe
Wymagana wartość
co najmniej ±4 m/s
2
co najmniej ±30 cm/s
co najmniej ±200 °/s
2
co najmniej ±30 °/s
111
3. REALIZACJA PROJEKTU
Projekt systemu ruchu został zrealizowany przy pomocy oprogramowania opracowanego
w ramach projektu INNOTECH-K2/HI2/10/182902/NCBR/12. Projekt ten miał za zadanie
opracowanie innowacyjnego systemu technologii produkcji układów o sześciu stopniach swobody,
umożliwiającego zautomatyzowane i elastyczne kształtowanie ich parametrów użytkowych
i dynamicznych.
W trakcie realizacji zadania powstały algorytmy, które na podstawie założonych parametrów
użytkowych platformy umożliwiają przeprowadzenie obliczeń wymaganych parametrów
kinematycznych oraz dynamicznych. Algorytmy zostały zaimplementowane w bezpłatnym
oprogramowaniu do obliczeń inżynierskich SCILAB. Algorytmy wykorzystują opracowane modele
kinematyczny oraz dynamiczny platformy Stewarta.
Opracowane oprogramowanie wymaga zdefiniowania następujących parametrów:
1. masa obciążenia,
2. momenty bezwładności obciążenia,
3. zakresy liniowe oraz kątowe przestrzeni roboczej,
4. wymagane maksymalne prędkości liniowe oraz kątowe,
5. wymagane maksymalne przyspieszenia liniowe oraz kątowe.
Po sprecyzowaniu trajektorii liniowych oraz kątowych przemieszczeń górnej platformy,
opracowany algorytm pozwala na określenie zakresu zmienności długości siłowników oraz
wymaganych kątów obrotu przegubów Cardana. Uzyskuje się w ten sposób 30 trajektorii liniowych
i kątowych do przeanalizowania (będących rozwiązaniami algebraicznymi układu równań opisujących
kinematykę i dynamikę systemu) oraz po tyle samo prędkościowych, przyspieszeniowych oraz
zrywowych. W oparciu o analizę tych trajektorii dokonuje się weryfikacji realizowalności fizycznej
konstrukcji platformy.
Oprócz parametrów statycznych obliczone zostają wymagane prędkości, przyspieszenia oraz
zrywy jakie musi być w stanie osiągać siłownik, aby zapewnić realizowalność przez górną platformę
heksapodu (wraz z nominalnym ładunkiem, o założonej masie i zdefiniowanej macierzy jej
momentów bezwładności) zadanej trajektorii. Maksymalna prędkość wysuwu siłownika determinuje
bezpośrednio, przy założonych przełożeniach układu przeniesienia napędu (śruba kulowa, przekładnia
z pasem zębatym) wymaganą prędkość obrotową silnika elektrycznego. Na podstawie wyników
działania opracowanego algorytmu, dobrano spełniające narzucone wymagania typy podzespołów.
Kolejnym etapem projektowania jest weryfikacja parametrów dynamicznych. Te parametry
również weryfikuje się w oparciu o model dynamiczny heksapodu. Model taki opracowano także
w ramach realizacji wspomnianego projektu Innotech. Opracowany tam model zaimplementowano
w oprogramowaniu. Pozwala on określić wymagane moce oraz momenty obrotowe silników. Dla
zadanej trajektorii górnej platformy (wraz z zadanym lub nominalnym obciążeniem) oprogramowanie
zwraca odpowiednie trajektorie momentów obrotowych oraz mocy dla każdego z sześciu siłowników.
Z uwagi na dużą łączna masę oraz geometrię ambulansu, symulator został wykonany
z wykorzystaniem dwóch systemów ruchu. Zastosowanie jednego systemu ruchu było niewskazane ze
względu na całkowitą masę maksymalną pojazdu (z załogą jest to masa rzędu 3,5t i więcej) – dla
takich mas obciążenia stosuje się raczej napęd hydrauliczny. Wybór tego typu rozwiązania skutkuje
zwiększeniem hałasu podczas normalnej pracy oraz podniesieniem kosztów eksploatacji (przede
wszystkim związanych z utrzymaniem i konserwacją układu hydraulicznego).
Kolejnym aspektem branym pod uwagę przy podejmowaniu decyzji o dwóch niezależnych
układach ruchu było geometryczne położenie miejsc przebywania szkolonych osób podczas ćwiczeń
i symulowania wrażenia ruchu. Wierne generowanie wrażenia ruchu dla kilku osób przebywających
na jednej ruchomej platformie w dużym oddaleniu od siebie, uniemożliwia takie sterowanie ruchem,
aby wywoływać tylko ruch obrotowy, z osia obrotu umiejscowioną w okolicy głowy (dokładniej
okolicy zmysłu równowagi człowieka – błędnika, narządu otolitowego). Ważne jest aby unikać
niepożądanych w tym przypadku przyspieszeń liniowych.
112
Ze względu na wagę wyposażenia oraz gabaryty kontenera przedział medyczny charakteryzuje się
dużo większą masą oraz momentami bezwładności niż kabina kierowcy. Zamiast projektu dwóch
osobnych platform Stewarta zdecydowano się na ujednolicenie projektu. Różnice w obciążeniu
postanowiono skompensować systemem wspomagania pneumatycznego oraz różnymi przełożeniami
układu przeniesienia napędu. Platforma Stewarta, na której umieszczono przedział medyczny,
wspomagana jest powietrzem o większym ciśnieniu niż platforma, na której umieszczono kabinę
kierowcy. Ciśnienie w zintegrowanym siłowniku pneumatycznym umożliwia w przybliżeniu
statyczne zrównoważenie masy obciążenia platformy, w efekcie silniki elektryczne zapewniają
wysoką dynamikę ruchu przy znacznie mniejszych mocach znamionowych niż byłoby to w przypadku
braku wspomagania pneumatycznego. Zastosowane zewnętrzne zbiorniki wyrównawcze ograniczają
amplitudę zmian ciśnienia pod tłokiem siłownika przy jego ruchu w dół, oraz zapewniają minimalna
wartość ciśnienia przy ruchu w górę, przy ograniczonej wydajności sprężarki.
Ostatecznie ustalono wymagane parametry kluczowych podzespołów platform Stewarta. Parametry
te zestawiono w tabeli 2.
Tab. 2.
Parametry systemu ruchu
Nominalna prędkość obrotowa silników
Nominalny moment obrotowy silników
Zakres długości siłowników
Zakres kątowy przegubów Cardana
Minimalne
ciśnienie
pneumatycznego
wspomagania
3000
obr/min
7 Nm
100-140 cm
± 35 °
4 bary
Rys. 3.
Przyspieszenie liniowe i prędkość liniowa
4. WERYFIKACJA
W trakcie certyfikacji symulatora przeprowadzono m. in. badanie osiągalnych prędkości oraz
przyspieszeń liniowych i kątowych. Certyfikację przeprowadził Przemysłowy Instytut Motoryzacji
[5]. Prędkości i przyspieszenia były mierzone na siedzeniu kierowcy. Badanie przebiegło w sześciu
krokach. W każdym kroku badano osobny stopień swobody symulatora. Zbadano kolejno: ruch
liniowy wzdłuż osi x, y, z, a następnie ruch obrotowy wokół osi x, y i z. Każdy z testów polegał na
pobudzeniu odpowiedniego stopnia swobody fala prostokątną. W trakcie ruchu symulatora
rejestrowane były bieżące wartości prędkości i przyspieszeń. Wyniki badań przedstawiono na
rysunkach 3 i 4.
113

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin