Обзор: Рекомендуемые модели гусеничных подъемников для инвалидов
1.1 Введение – подъемники на гусеничном ходу
В предыдущем обзоре освещались лестничные подъемные механизмы на базе колесных тележек. Применение таких механизмов, как правило, требует много времени. В данной статье описывается механизм, использующий надежную, проверенную временем технологию передвижения по лестнице на гусеницах. В настоящее время в продаже доступны инвалидные подъемники на гусеничном ходу. В данном разделе также описаны дополнительные функциональные возможности для таких механизмов.
Основным преимуществом подъемника на гусеничном ходу является простое управление и надежность при передвижении по любым лестницам. Однако, лестничные подъемные механизмы на основе гусениц имеют ряд проблем. Одним из недостатков подъемных механизмов на гусеницах является высокое давление, оказываемое на края ступеней лестничного марша. Когда меняется угол наклона подъемника в верхней части лестничного пролета, требуется специальное устройство, контролирующее угол наклона сиденья. Механизмы на гусеничном ходу также требуют средства защиты от скольжения при передвижении по лестнице, как правило, это протекторы или выпуклости на гусеницах. Протекторы или выпуклости не обязательно должны совпадать с краями ступеней, как показано на рис. 1(b).
(a) гусеницы крупным планом (Sunwa CDM-2) |
(b) несовпадение выпуклостей гусеницы с краем ступеней |
Рис. 1 Гусеницы Sunwa CDM-2 на ступенях
Данный механизм базируется на использовании двойных гусениц. Это снижает давление, оказываемое на края ступеней в верхней и нижней части лестницы и в значительной степени решает проблему неконтролируемого наклона в верхней части лестницы. На Рис. 1 (а) крупным планом показан лестничный подъемник на гусеничном ходу, движущийся по лестнице. В случае использования протектора, как показано на Рис. 2 (d) и Рис. 4, большая часть веса или весь вес приходится на один край ступени. В случае, показанном на рис. 1 (а), общий статический вес приблизительно равный 160 кг (инвалидное кресло плюс пассажир - StairChair CDM-2), лежащий на 50 мм (ширина гусеницы) х 2 (количество гусениц), рассчитывается на ~ 5 мм (глубина касания края ступени), в результате получатся ~ 32 кг/см2. Динамические расчеты могут превышать это значение, и это зависит от квалификации оператора. Из-за такого давления применение такого лестничного гусеничного подъемника ограничивается лестницами с прочными ступенями и предпочтительно со скошенными краями (как правило, из бетона, стали или твердой древесины). В связи с этим гусеницы имеют форму, максимально способствующую увеличению площади соприкосновения с краями ступенек, однако ограничительным аспектом является хаотичность расположения выпуклостей на гусеницах и их несовпадение с краями ступенек. Например, когда кончик выпуклости входит в зацепление с краем ступени, кресло-коляска соскальзывает на следующую выпуклость, это приводит к повышению давления и нелинейность его распределения по краю ступени. Края ступенек и их несовпадение с гусеницами показаны на рис. 1(b).
1.2 Лестничные подъемник на одинарных гусеницах
(a) (b) (c) (d)
Рис. 2 Перенос с инвалидной коляски на лестничный подъемник на одинарных гусеницах и подъем по лестнице
На Рис. 2 и Рис. 3 показан подъем по лестнице с помощью лестничного подъемника на одинарных гусеницах, и на фото на рис. 5 (большое колесо является местной модификацией для высокоскоростного подъема по лестнице). Такие инвалидные коляски, способные передвигаться по лестнице появились в продаже в 1995. Преимущества лестничных подъемников на одинарных гусеницах включают независимость от типа лестниц, бордюров или склонов, по которым они передвигаются например, как показано на Рис. 6(a)
.
Рис. 3 Перенос с лестничного подъемника в инвалидную коляску
Рис. 4 Наклон вверху лестницы
Рис. 5 Модификация для высокоскоростного передвижения (на рисунке изображена инвалидная коляска Sunwa, CDM-2)
Одна из таких инвалидных колясок была приобретена Университетом Нагасаки (Япония)
и с помощью нескольких групп добровольцев применялись на холмистой местности Нагасаки для обеспечения мобильности пожилых людей и инвалидов. Несмотря на то, что основной механизм работал хорошо, ряд аспектов вызвал необходимость разработки местного лестничного подъемника, который описан в данном разделе. Низкая скорость, требующаяся при передвижении по лестнице, раздражает при движении в тех местах, где ступени чередуются с ровной поверхностью, как показано на рис. 6(b).
(a) неодинаковые ступени |
(b) чередование ступеней и ровной поверхности |
(c) одинаковые ступени |
Рис. 6 Нагасаки, (a) Пригород Такахира, (b) и (c) Пригород Тяньцзинь
Рис. 7 Передвижение по лестнице на вокзале в Японии (на рисунке изображен лестничный подъемник Public (Купить в Москве))
Данный лестничный подъемник на гусеничном ходу снабжен вспомогательными несамоходными колесами, обеспечивающими свободное передвижение по ровным поверхностям. По два небольших колеса расположены по бокам с задней стороны инвалидной коляски, см. рис. 6. Эта функция имеет важное значение для передвижения лестничного подъемника в безбарьеровый средах, но снижение тормозной способности и возможности движения на механической тяге неприемлемо при движении по склонам. Эта специфическая проблема была решена специалистами Университета Нагасаки с помощью 30 см пневматических колес, прикрепленных к гусеничной цепи, см. Рис. 6. Данная модификация обеспечила высокую скорость движения на ровной поверхности и в то же время позволяет сохранить полный контроль над транспортным средством.
Гусеничные транспортные средства несамоходного типа, предназначенные для обеспечения аварийного выхода, коммерчески доступны. Также имеются в продаже лестничные подъемники на одинарных гусеницах, которые представляют собой простую платформу, на которую можно закатывать инвалидные коляски как с ручным, так и с электрическим приводом. Этот подход используется на некоторых железнодорожных станциях по всей Японии, где нет лифтов, например, на станции Тадзими, см. рис. 7. Комментарии, сделанные добровольцами группы поддержки инвалидов относительно лестничных подъемников были такими: "это, конечно, занимает много времени" (оригинальный комментарий на японском языке).
1.3 Лестничные подъемники на двойных гусеницах
Наиболее часто встречающийся комментарий от лиц, перевозимых на лестничном подъемнике, показанном на рис. 5, применяемом на склонах Нагасаки - "страшно" (японское слово, "kowai", которое означает "Я боюсь" или "Страшно"). Когда людей (перевозимых на подъемнике) спрашивали, что именно вызывало страх, они объясняли, что когда лестничный подъемник был наклонен над первой ступенью при начале спуска, они чувствовали себя очень неуверенно, см. рис. 4. Лестничные подъемники не представляют никакой реальной угрозы, конструкция обеспечивает максимальную безопасность пассажиров, с помощью наклоняемого сиденья, а страх перевернуться (угол наклона равен углу наклона лестницы, обычно 35 градусов), возможно, преувеличивается пассажиром, потому, что из-за сильно наклоненного сиденья он не может видеть, куда он движется. Данный вопрос наряду с целым рядом других проблем побудили сотрудников университета Нагасаки, местных производителей, а также ряд специальных исследовательских групп провести исследования, чтобы расширить возможности транспортировки пожилых людей и инвалидов по склонам Нагасаки.
Частью результатов исследования явилась разработка лестничного подъемника под кодовым названием "Sakadankun", см. рис. 9 (а) и более поздние модели показаны на Рис. 9 (b) и (c). На японском языке "saka" означает склон, "dan" - лестница и "kun" мастер, то есть, дословный перевод звучит как "Мастер склонов и лестниц".
(a) нижняя часть лестницы (b) передвижение по лестнице (c) верхняя часть лестницы
Рис. 8 Передвижение по лестнице с помощью подъемника на двойных гусеницах
В центральной точке поворота обеспечивается четырехприводный эффект. Преимущества такого подхода состоят в том, чтобы при движении транспортного средства вверху и внизу лестницы обеспечить контакт с наибольшим числом краев ступенек или поверхностью и снизить неустойчивость, характерную для конструкций на одинарных гусеницах, как показано на Рис. 4. За счет использования задних колес инвалидной коляски изменение угла происходит более плавно. Задние колеса, как правило, используются для передвижения по безбарьерным пространствам. Данный лестничный подъемник оснащен основой для кресла, угол наклона которой регулируется, независимо от угла наклона лестницы. Коляска также имеет режимы движения по наклонной поверхности и в безбарьерных пространствах.
Таблица 4 Основные технические характеристики KSC-A-12 и KSC-C-10
KSC-A-12 |
KSC-C-10 |
|
Максимальный угол наклона подъемника |
35 градусов |
35 градусов |
Скорость подъемника (макс.) |
6 м/мин |
6 м/мин |
Скорость при спуске (макс.) |
10 м/мин |
10 м/мин |
Скорость на плоской поверхности(макс) |
25 м/мин |
10 м/мин |
Рабочий диапазон (время) |
40 минут непрерывной работы |
40 минут непрерывной работы |
Длина, ширина, высота |
1,350 x 550 x 1,180 мм |
1,420 x 460 x 1,230 мм |
Источник питания (батарея) |
12V 12Ah x2 |
12Vx2 |
приводные двигатели |
24VDC 208W x2 |
24VDC 208W x2 |
Вес |
145 кг |
100 кг |
Макс. вес пассажира |
80 кг |
90 кг (+9кг коляска) |
Переключение между режимами обеспечивается с помощью электрического линейного привода. Электрическое переключение между режимами движения по лестнице и склонам или по безбарьерной местности обеспечивает эффективное преодоление и лестниц и склонов.
После тестов на износ, проведенных в окрестностях Нагасаки подъемник "Sakadankun" стал коммерчески доступным в 1999 году. С тех пор продолжаются испытания и разработки лестничных подъемников, в основном направленных на обеспечение более автоматизированного пользовательского интерфейса.
В таблице 4 представлены основные характеристики из последних Нагасаки лестничные альпинистов.
1.4 Еще одно предложение - Управляемый поворот, автоматическое выравнивание сиденья и система управления
Использование в окрестностях Нагасаки нагасакских лестничных подъемников, описанных в предыдущем разделе, обеспечило много отзывов относительно их качества работы или более конкретных аспектов, требующих усовершенствования.
Рис. 10 Полуавтоматические лестничные подъемники, вид сбоку |
В целом лестничный подъемник на двойных гусеницах KSC-A-11, изображенный на рис. 9 (а), имел высокие показателя производительности. Аспекты, требующие доработки, включали улучшение управления механизмом поворота и обеспечение более удобного управления инвалидной коляской. На Рис. 10 показан вид сбоку полуавтоматического лестничного подъемника.
1.4.1 Поворот и автоматическое выравнивание сиденья
Механизм поворота между двумя секциями гусениц первоначально был пассивным (сила тяжести в действие), из-за этого время от времени происходили внезапные повороты, особенно в верхней части лестницы. Это было улучшено благодаря гидравлическому демпферу, однако механизм продолжал поворачиваться, когда не нужно. Эта проблема решалась путем активного управления углом поворота с помощью электрического линейного привода.
Угол сиденья регулировался вручную, то есть оператор должен был визуально контролировать этот параметр и при необходимости обеспечивать регулировку. Для упрощения работы ручной контроль угла сиденья был заменен автоматизированным управлением, на основании данных инклинометра, установленного на сиденье.
1.4.2 Упрощение контроля
Работа инвалидного кресла была целиком на ручном управлении, и поэтому требовала от оператора некоторых умений. Уровень необходимой квалификации оператора не имел большого значения, одной из целей при проектировании было создание такого лестничного подъемника, управлять котором смог бы любой человек, например, супруг или знакомый. Эксплуатация подъемника была теоретически возможной благодаря присущей устойчивости, однако он не был предназначен для использования на склонах Нагасаки. Обычным пользователям не хватало базовых навыков и уверенности для управления таким подъемником.
При управлении подъемником оператор должен был оценивать и контролировать угол сиденья, скорость, направление движения и переключать режимы между движением на колесах и на гусеницах. Контроль угла поворота между передними и задними секциями гусениц еще усложнял управления, что привело к необходимости некоторой автоматизации.
1.4.3 Полуавтоматическая система управления
Для упрощения эксплуатации лестничного подъемника в Нагасаки была предложена и реализована система управления. Общая схема системы управления показана на рис. 11.
Рис. 11 Диаграмма системы управления гусеничного подъемника на двойных гусеницах
1.4.4 Система управления на основе обработки изображений
Для упрощения эксплуатации подъемника рекомендуется использование автоматизированной или полуавтоматической системы управления. Описание типа системы включает экономичность, надежность и пригодность к использованию на определенной местности, в данном случае целью были холмы и склоны Нагасаки, см. Рис. 6.
Рис. 13 Расчет центра маркера из видеоданных
Первоначально рассматривалось наличие металлических вставок в бетоне. Из-за некоторого случайного присутствия стальных водосточных крышек и стальной арматуры в бетоне система считается непрактичной. Скорее всего использовался подход, основанный на линиях ПЗС-камеры. Основные проблемы, касающиеся системы на основе ПЗС-камер, включали большое разнообразие погодных условий, которые необходимо учитывать, такие как слабый свет, отражения, которые возникают в условиях повышенной влажности, поддержание четкой линии на очень грубых бетонных поверхностях и содержание объектива ПЗС-камеры в чистоте.
Основные принципы работы системы управления изображены на рис. 13. Здесь показаны фактические данные изображения с ПЗС-видеокамеры, как видно на экране портативного компьютера вместе с данными результатов анализа изображения (фактические данные трассировки были перерисованы сплошным черным цветом для ясности), центральная белая полоса является линией следования. Две горизонтальные затемненные зоны – это используемые участки, по которым проходит линия распознавания. Освещенность каждого пикселя добавляется по вертикали в каждой точке "зоны анализа" (50 пикселей), в результате освещенность накапливается в данной точке в горизонтальном направлении.
Для того, чтобы уменьшить эффект спорадического шума на изображении, рассчитывается скользящее среднее (30 пикселей в ширину), в результате этого накопления освещенности изображения и усреднения возникают "следы накопленной освещенности", как показано на рис. 13. Получается центр пика, который отображается желтой линией. Входной сигнал был 29,97 кадров в секунду, но после измерения на выходе сигнал был равен 8 кадров в секунду. Эта частота кадров зависит от скорости транспортных средств, и может быть увеличена с помощью специализированных аппаратных средств для выполнения таких расчетов.
Выход показан как "расчетные центры линии" на рис. 13, в этом случае расчетный центр, расположенный вверху, находится левее нижнего, таким образом, подъемник будет направлен немного влево. Надежность обеспечивалась программой управления, которая может выявлять ложные показания, игнорируя вторичные пики, которые появляются за пределами заданных границ. Подход "игнорирования и ожидания" применялся ко множеству пиков, и при сохранении нескольких пиков подъемник останавливался. Для экспериментальных целей для обеспечения обработки изображений использовался компьютер-ноутбук. Однако эта функция может обеспечиваться специализированными аппаратными средствами обработки изображений и подсистемой CPU или FPGA.
1.5 Краткое описание – эксплуатация гусеничных подъемников
Надежность и комфорт
Механизм на основе гусениц, описанный в этой главе обеспечил надежное и относительно удобное средство транспортировки пожилых людей и инвалидов по склонам Нагасаки. Основное преимущество работы на основе гусениц заключается в простоте эксплуатации, независимо от неровности лестницы. Применение механизма на основе двойных гусениц в сочетании с обеспечение постоянного угла сиденья оказалось весьма "практичным" решением проблемы мобильности инвалидов на склонах Нагасаки.
Проблемы, связанные с работой на гусеницах
Недостатки, связанные с работой дорожки, такие как высокое давление, оказываемое на края ступеней были относительно незначительной проблемой на склонах Нагасаки. Некоторые ступени на склонах в Нагасаки высечены из мягких пород, в частности, на склонах, ведущих к историческим местам, часовням, храмам и т.д. Было замечено, что гусеницы портят края ступеней.
Другие проблемы связанные с ездой на гусеницах, такие как оставление черных меток при повороте, решаются с помощью вспомогательных колес, используемых в местах, где не требуется преодоление ступеней. Гусеничный протектор или выпуклости и их несовпадение с краями ступеней также является проблемой, методы решения данной проблемы с помощью деформируемых гусениц описаны в разделе 1.4.1.
Проблема изменения угла, особенно в верхней части лестницы, была в значительной степени решена с помощью двойных гусениц в сочетании с частичным расширением задних колес. Это обеспечивает плавное и контролируемое изменение до и после подъема по лестнице.
Удобство в использовании
Моделирование полуавтономной системы управления и контроля потенциально повысит уровень удобства использования инвалидной коляски. Конечной целью в случае применения в Нагасаки является возможность использования местной службы движения. То есть должны быть предварительно запрограммированы фиксированные точки вызова, при этом от помощника требуется, чтобы он просто нажал кнопку для вызова службы к дому или району со стороны дороги или ближайшей точки доступа монорельс.
Применение на основе обработки изображения
Для дальнейшего упрощения работы лестничного подъемника на двойных рельсах использовалась обработка изображений. Система управления на основе ПЗС-камеры позволила следить за линией, нарисованной на пути. В дальнейшем система управления на основе ПЗС-камеры применялась для навигации инвалидной коляски с механическим приводом, подробное описание см. в Приложении C. Простой модульный интерфейс с двумя сервоприводами был прототипом для управления стандартной инвалидной коляской без использования электроники.
Подход двухуровневого доступа
Ввиду того, что во многих жилых районах на склонах Нагасаки присутствует большое количестве лестниц, рассматривался подхода двухуровневого доступа, подробное описание см. в Приложении D. Во-первых для обеспечения вертикального доступа к центральным точкам склона предложение использование подвесного монорельса, это также обеспечит более легкий доступ для широкой масс. Во-вторых, используя такую технологию транспортировки как механизм на двойных гусеницах специально для пожилых людей или инвалидов предусмотрен горизонтальный или локальный доступ.
Управление мобильностью
Аспект "управления мобильностью". Лица, наделенные таким правом могут звонить по единому номеру, чтобы вызать одного или двух человек для оказания помощи в обеспечении мобильности. Эта услуга предоставляется пользователю за небольшую плату. Это простое, но очень эффективное средство удовлетворения потребностей в мобильности может использоваться в любом месте. Ввод в эксплуатацию такой системы требует очень небольшой инфраструктуры и незначительных капитальных вложений.
Глава 2. Дискуссии и выводы
Цель исследования
Цель данного исследования заключается в повышении самостоятельности лиц, зависящих от мобильности вспомогательных устройств, а также снизить нагрузку на работников по уходу за престарелыми людьми и инвалидами, обеспечивающих такую мобильность. На момент написания данного документа разрыв между доступностью некоторых районов для инвалидов и обычных людей была велика. Разрыв в большинстве случаев существует из-за наличия ступеней, но включает въезд таких видов транспорта, как фургоны и традиционные японские дома. Для решения данной проблемы было предложено использование полуавтономного лестничного подъемника, имеющего механизм на гусеницах и группах колес для подъема на высокие ступени, который исключает ряд недостатков лестничных подъемников, имеющихся на момент написания.
Личные беседы с инвалидами
Мнения инвалидами, долгое время пользующимися инвалидными колясками, как правило, расходятся, в зависимости от того насколько подвижные верхние конечности они имеют. Лица с полной функциональностью верхних конечностей, как правило, хотят иметь более легковесные кресла-коляски и иметь возможность преодолевать имеющиеся препятствия. Легкий вес инвалидной коляски позволит минимизировать усилия как самих инвалидов, так и их помощников для ее управления. Для таких лиц, сама мысль о добавлении веса к инвалидной коляске часто немыслимо. С другой стороны, для лиц, которые используют инвалидные коляски с механическим приводом, как правило, из-за ограниченной функциональности верхней части тела, добавление механизмов для подъема по лестнице или для преодоления высоких ступеней к их и без того тяжелой, но очень стабильной инвалидной коляске, как правило, были оценены очень положительно.
Легкий вес и компактность
Разработка легких и компактных подъемников, как правило, диктуется рыночным спросом. В Нагасаки вес лестничного подъемника "Sakadankun" снизил вес с более чем 200 кг (1997) до 100 кг (2002), как в последней модели. Все усложняющиеся системы доказали свою надежность, поэтому электромеханическое и сенсорное управление имеет тенденцию к усложнение, с тем, чтобы обеспечить большую функциональность.
В последние годы наблюдается тенденция миниатюризации, включая применение нано-технологии, что обеспечивает возможность увеличения функциональности устройств маленького размера.
Соответствие персональной потребности в мобильности
В свете таких тенденций в сторону компактности был предложен лестничный подъемный механизм с возможностью преодоления высоких ступеней как потенциальный "шаг" в сторону повышения мобильности инвалидов или пожилых людей в реальном мире. Помимо концепции лестничного подъемного механизма с возможностью преодоления высоких ступеней идеальным можно назвать устройство, которое увеличит мобильность пожилых людей и инвалидов и повысит возможность преодоления препятствий на пути. Обеспечение инвалидов вспомогательными устройствами, которые способствует преодолению препятствий при движении к нужной цели можно сравнить с адаптацией местности для удовлетворения потребностей небольшого процента населения, часто за счет большей части населения. Простые примеры повсюду окружают нас, например, ранние тактильные дорожки для слепых на тротуарах и пешеходных зонах. На теущий момент часть населения с ограниченными возможностями в целом все еще находится в неблагоприятном положении, так как по необорудованным для инвалидов тротуарам трудно ходить, очень трудно преодолевать спуски с бордюров и трудно везти инвалидную коляску. Для решения этих проблем к настоящему моменту принята программа "Доступная среда" котороая включает в себя адаптацию тротуаров и пешеходных зон в соответствии с принципами универсального дизайна.
Доступность
Что касается доступности, во многих европейских странах обеспечение максимальной доступности было одной из приоритетных задач. Себестоимость доступности должна включать стоимость обеспечения пожилых людей и инвалидов, которые не в состоянии работать просто потому, что они не могут добраться до места работы. Кроме того, общее чувство "гостеприимства" в какой-то степени связано с доступностью. Этот аспект очень важен для туристической отрасли страны. Во многих европейских странах есть низкопольные автобусы для обеспечения доступа инвалидных колясок или любых других лиц, для которых преодоление высоких ступеней – нелегкая задача. Однако стоимость приобретения таких автобусах значительно выше, чем в обычных.
Получается приходится платить двойную плату за дополнительную функциональность, которой пользуется 1% от всех пользователей. Однако предоставление государственных субсидий на повышения доступности страны и выполнение программы "Доступная среда" сделают ее более привлекательной для туризма. В частности, в Новой Зеландии туризм является одной из основных национальных отраслей экономики.
Доставка до двери дома
Лестничный подъемник, обеспечивает надежное и удобное передвижение инвалидной коляски на склонах и лестницах. Дополнительно к лестничному подъемнику предлагается подвесная монорельсовая система, для обеспечения доставки к "двери дома" для пожилых людей и инвалидов на проживающих на гористой местности. То есть от ближайшей точки доступа транспортного средства к дому человека.
В то время как в Нагасаки были предложены вспомогательные устройства для обеспечения мобильности, а именно устройства вертикального доступа (монорельсовые) и горизонтального доступа (гусеничные подъемники), временные графики реализация рассчитаны на длительный срок, что представляется непрактичным. В свете этой реальности в Нагасаки и его окрестностях была проведена оценка «управляемости мобильностью», которая теперь стала доступной для всех лиц, имеющих право на помощь в обеспечении мобильности (то есть лиц, признанных нуждающимися), чтобы иметь возможность исправить упущения. То есть, чтобы обеспечить мобильность для людей "сейчас", до тех пор, пока в будущем не станут доступными новые технологии решения данной проблемы.
Выводы
В заключение, некоторые практические шаги были предприняты с целью обеспечить инвалидов максимальной возможностью передвижения. Такие шаги могут считаться "грандиозными шагами для человека и человечества," шаги в направлении обеспечения равной мобильности для всех людей.