Обзор: подъемное оборудование для инвалидов и людей с ограниченными возможностями

1. Общие сведения

Мы с вами живем во втором тысячелетии и человечество все сильнее осознает необходимость сосредоточить внимание и усилия на создании технологий, помогающих людям. Отчасти это продиктовано наблюдаемой в настоящее время во многих странах тенденцией "старения населения", то есть число рожденных детей снижается уже в течение длительного периода времени. Это, как и многие другие факторы, привело к тому, что медицинских работников, занимающихся уходом за людьми, стало не хватать для всех нуждающихся.

Одной из наиболее важных потребностей в обеспечении которых особенно нуждаются пожилые люди или инвалиды является свобода передвижения, которая способствует улучшению качества жизни инвалидов или пожилых людей, а также снижению нагрузки на медицинских работников, эти два аспекта тесно связаны с осознанием себя "обузой" для близких.

Независимость в плане свободы передвижения всегда имеет важное значение, но иногда ограничивается в зависимости от формы инвалидности. Во многих случаях возникает необходимость в некоторых видах механизмов для транспортировки. В связи с этим, как обычные, так и электроприводные инвалидные коляски продолжают играть важную роль. Однако инвалидные коляски на сегодняшний день обеспечивают высокий уровень мобильности только в искусственных или "безбарьерных" условиях. То есть остается значительный разрыв между возможностями инвалида-колясочника и среднего трудоспособного человека из-за препятствий, встречающихся на пути инвалидной коляски. Пожалуй, наиболее очевидным данный аспект становится при рассмотрении передвижения по лестнице. Несмотря на то, что современная архитектура и строители стараются создавать максимально "доступные" конструкции зданий для людей с различными видами инвалидности, лестницы будут всегда.

В связи с этим особого внимания требует изучение устройств, помогающих инвалидам и пожилым людям передвигаться по лестнице. Технологии и устройства для помощи людям с ограниченными возможностями освещены в данном разделе, а последние достижения в области устройств, для передвижения через бордюры и по лестницам изложены в разделе 2. Проект создания механизма для перемещения по высоким ступенькам для применения с инвалидными колясками представлен в разделе 3. Наконец, универсальный лестничный подъемник на гусеничном ходу представлен в разделе 4.

1.1 Лестница и пандус

Основное внимание в данной статье посвящено обеспечению персональных средств для передвижения по лестнице, первый вопрос, который должен быть рассмотрен – это вопрос, почему используются лестницы. Лестница дает возможность подниматься и спускаться. Какие альтернативы существуют для лестницы? В контексте пассивных средств основной альтернативой являются пандусы. При рассмотрении вопроса о вспомогательных механизмах с электроприводом, таких как эскалаторы или лифты, диапазон альтернатив больше. Преимущество пандуса (макс. наклон для инвалидного кресла с ручным приводом 4,8 градусов [1]) в том, что он не имеет каких-либо существенных препятствий для доступа колесных транспортных средств или для большей части вспомогательных средств поддержки для ходьбы (костыли, ходунки). Однако, у пандуса есть два недостатка: используемое пространство, по сравнению с лестницей и достаточно высокий коэффициент трения, требуемый для передвижения.

Во-первых, рассмотрим требования к пространству. Изменение конструкции в пользу пандуса или его добавление к существующей архитектуре, как правило, стоит очень дорого и часто негативно влияет на архитектуру с точки зрения функциональности (потеря пространства) и эстетики. В многоэтажном здании, установка пандуса, как правило, не представляется возможным. Например, для пандуса с углом наклона 4,8 градуса, обеспечивающего доступ между этажами (расстояние между которыми обычно составляет 2,7 метра), требуется длина 32,5 метра. Для пандуса шириной 90 см требуется 29,5 квадратных метров площади пола, без зон доступа, выхода и поворота. Стандартный лестничный марш (с шириной ступени  26 см и высотой ступени 18 см) в той же ситуации будет занимать 3,5 квадратных метра, со значением эффективности использования пространства 8,4. Это сравнение показано на рис. 1 и рис. 22.

Рис. 2 Пандус, который подошел бы для инвалидного кресла с ручным приводом

                                                                                   Рис. 2.1 Изображен, неправильный угол наклона пандуса.

Угол наклона пандуса можно увеличить, однако максимальным углом наклона пандуса для удобного использования людьми в инвалидных колясках с ручным приводом считается 4,8 градуса. При использовании инвалидного кресла с электроприводом максимальный рекомендуемый угол составляет 7,1 градуса. Местное тестирование инвалидных колясок с электроприводом показало, что максимальный угол наклона для устойчивого подъема и спуска может быть до 20 градусов, однако испытания проводились в идеальных условиях на поверхностях с высоким коэффициентом трения.

1.2    Лестница – опасна ли она?

Лестницы представляют собой эффективно используемое пространство и имеет минимальный риск скольжения по сравнению с пандусами, однако, лестница также представляет собой «барьер». Термин «безбарьерный» все чаще используется в более широком контексте, однако, основное понятие относится к условиям, где нет препятствий для передвижения инвалидных колясок с ручным приводом. Основными препятствиями для передвижения инвалидных колясок были и остаются ступени и лестницы.

                                                                (a) ровная поверхность              (b) лестница вниз     (c) лестница вверх

                                  Рис. 3 Примерные зоны фокусирования внимания во время ходьбы по ровной поверхности и вверх и вниз по лестнице

Опасна ли лестница? Если да, то почему? Во-первых, любое передвижение из одного места в другое представляет собой риск. Степень риска возрастает с увеличением расстояния и наличием каких-либо препятствий. В связи с этим ступени или лестницы классифицируются как препятствия, и, следовательно, представляют повышенный уровень риска или опасности. Для пожилых людей, инвалидов и слепых риск возрастает. Ведется статистика рисков, связанных с большинством форм общественного транспорта, для того, чтобы направить внимание и усилия на сферы наибольшего риска, и найти средства или способы его снижения. Во-вторых, почему лестница опасна? При перемещении по ровной дороге, есть определенный риск того, что любой человек может упасть и получить травму. При ходьбе по лестнице, требуется внимание и понимание того, где находится край ступени. Должна быть оценена высота лестницы и, наконец, то, как ставить ноги. Это показано на рис. 3. К тому же переносить центр тяжести (ЦТ) идя по лестнице сложнее, чем при ходьбе по ровной поверхности. При поднятии своего веса на ступеньку нагрузка на сустав ноги выше, чем при обычной ходьбе. Для человека с ослабленными ногами, который испытывает трудности при переходе из сидячего положения в положение стоя, частое преодоление подъема и спуска по лестнице – является самой сложной задачей.

С точки зрения физической нагрузки, больше сил требуется при подъеме по лестнице, чем при спуске, однако при спуске сложнее контролировать ситуацию. Подъем по лестнице требует больше физических усилий, но, так как наклон лестницы идет вверх ее легче осматривать, поэтому легче преодолевать это препятствие и в случае падения риск получения травмы снижается за счет снижения потенциального угла падения. Рассматривается угол/высота падения вперед, так как при этом направлении движения, падение назад менее распространено, и связано с риском скольжения на поверхности.

При спуске по лестнице труднее контролировать ситуацию. Визуальное расстояние до ступенек больше, поэтому преодоление препятствия становится более трудным. Спуск по лестнице осложняется более высоким риском получения травмы в случае падения, так как увеличивается угол/высота падения.

Спуск по лестнице представляет собой больший риск получения травмы из-за наличия края ступени в сочетании с большим углом/высотой падения. В худшем случае угол падения при спуске по обычной лестнице (35 градусов) составляет 125 градусов (90 градусов + 35 градусов) в отличие от угла падения 55 градусов (90 градусов -35 градусов) при подъеме.

1.3 Мобильность при передвижении на колесных видах транспорта

Колесное транспортное средство является одним из наиболее важных технических изобретений человека, ранние доказательства их существования датируется примерно 3000 г. до н. э. в долине Тигра и Евфрата [2]. Изображение раннего колесного транспортного средства показана на рис. 4 [3].

Без сомнения, с давних времен доступ к зонам со ступенями имел аналогичные проблемы, как на сегодняшний день. Тем не менее, в области обеспечения личной мобильности, которая не ограничивается условиями местности, подход, используемый в ранней цивилизации до сих пор остается вне конкуренции. Речь идет о транспортировке человека группой из двух или более лиц. В то время как, например, древние фараоны, скорее всего, не испытывали нехватки в личных помощниках, тем более, они, возможно, не имели потребности в частом перемещении с места на место. Нынешнее поколение пожилых людей и инвалидов, как правило, испытывают недостаток в личных помощниках и есть веские причины в получении помощи и в обеспечении возможности передвижения.

Подход, используемый в ранних цивилизациях для решения проблемы персональной мобильности, связанный либо с использованием колесных транспортных средств для езды по относительно ровной поверхности, либо с передвижением с помощью людей или животных в районах, не пригодных для езды колесных транспортных средств, коренным образом не изменился.

1.4 Колеса и лестницы

                                                                            Рис. 5 Варианты диаметра колеса по сравнению с лестницей (ширина ступени = 26 см)

Лестницы пожалуй, лучше всего представляют собой "условия, не пригодные для движения колесных транспортных средств". Сравнение "ступенчатой" формы лестницы и синусоидальной формы колеса показано на рис. 5. Два основных способа движения по лестнице - это либо шаговый механизм, либо увеличения диаметра колеса, так, чтобы оно смогло перекрывать расстояние между ступеням. Обеспечение шагового механизма требует относительно сложной механической работой, которая должна быть связана со знанием места расположения края ступени.

Второй основной способ заключается в увеличении площади соприкосновения колеса с поверхностью таким образом, чтобы оно перекрывало расстояние между ступенями. Это может быть возможным за счет увеличения диаметра колеса или с помощью гусениц, которые могут соперничать с колесом с бесконечно большим диаметром.

Преимущество шагового способа передвижения по лестнице состоит в том, что при каждом шаге весь вес перемещается на ступень, что обеспечивает сведение к минимуму риск скольжения, по сравнению с движению по ровному пути, однако основным недостатком является то, что требуется знание расположения края ступени. Большое преимущество гусеничного способа передвижения состоит в том, что колесо или гусеницы перекрывают расстояние между ступенями, поэтому не имеет значение, где находится край ступени. Однако, основным недостатком является то, что вес транспортного средства лежит на краю ступеней, следовательно, требуется, чтобы ступени и гусеницы были снабжены средством защиты от скольжения.

Различные диаметры колес показаны на рис. 5. На рис. 5 (а) показано колесо диаметром 30 см большого самоката или небольшой инвалидной коляски с электроприводом. На Рис. 5 (b) изображено заднее колесо обычной инвалидной коляски с ручным приводом диаметром 58 см, и на Рис. 5 (с) изображено колесо диаметром 1 метр, которое использовалось в некоторых ранних моделях инвалидных кресел.

1.4.1 Высота бордюра и диаметр колеса

Первый простой эксперимент данного обзора был проведен, чтобы получить фундаментальную оценку соотношения «силы тяги», «высоты бордюра» и «диаметра колеса».

                                                                 Рис. 7 Сила тяги, необходимая для преодоления бордюров различной высоты для фиксированного диаметра колеса

Следует отметить, что уравнение (1) не учитывает мягкость шины, очевидно, более низкое давление в шинах упрощает преодоление бордюра, но снижает эффективность при движении. Относительная сила fr = 1 означает, что движущая сила (горизонтальная) равна весу (вертикальная сила), воздействующему на переднее колесо.

                                                    Рис. 8 Преодоление бордюра высотой 7 см колесом с диаметром 20 см при максимальной нагрузке

Данный эксперимент показал, что горизонтальная сила тяги, необходимая для преодоления ступеньки, высота которой составляет половину радиуса колеса, приблизительно в 1,8 раза больше силы, воздействующей на колесо (по вертикали), которая в 1,4 раза уменьшена за счет снижения давления в шине. Максимальная высота ступени составляла 0,7 радиуса шины, для этого требовалась горизонтальная сила в 2,8 раза больше вертикальной силы для обычного давления в шинах и в 2,2 раза для пониженного давления (рис. 8). Максимальная практическая высота ступени, преодолеваемой этой шиной будет составлять от 0,5 до 0,6 радиуса шины.

Самый простой способ увеличения способности преодолевать ступени лестницы - это увеличение радиуса колеса. Устройство с ручным движущим механизмом нашло свое отражение в современных инвалидных колясках ручного управления. Однако, передние колеса с большим диаметром очень неудобны при рулевом управлении. Другой способ упрощения преодоления ступеней заключается в снижении давления в шинах, однако это приводит к снижению эффективности трудозатрат на перемещение по ровной поверхности, а также увеличению нагрузки на колесо. Динамический контроль давления воздуха в шинах, возможно, будет способствовать выполнению всех требований. Еще одним методом улучшения способности преодолевать ступени является использование полноприводных видов транспорта (оснащенных приводом на 4 колеса), данных подход отражается в современных полноприводных инвалидных колясках – см. раздел 2.2.

Альтернативой увеличения диаметра колеса для более эффективного преодоления ступеней, являются гусеничные механизмы, которые описаны в Главах 2 и 4. Гусеницы, используемые на гусеничных инвалидных подъемниках сделаны из твердой армированной резины, это способствует высокому сцеплению с краями ступенек лестницы. Выпуклости, предусмотренные на гусеничной ленте, чтобы предотвратить скольжение по лестнице, не обязательно должны совпадать с краями ступенек, как показано на рис. 58 (b). Более идеальными были бы гусеницы на пневматических шинах, при этом давление бы распределялось на большую площадь в точке контакта с каждым краем ступени. Гибкие гусеницы приведены в разделе [4], и изображены на рис. 20 (a) и (b), идея проиллюстрирована на рис. 20 (с). В данном простом эксперименте рассматривались только статические нагрузки, результаты исследования динамических нагрузок при преодолении бордюров инвалидными колясками с ручным приводом приведены в разделе [5].

1.5 Требования к средствам передвижения по лестнице