Szczecin, 19.06.2018 r. Dr hab. inż. M irosław Pajor prof. ZUT
Instytut Technologii M echanicznej
Z achodniopom orski U niw ersytet T echnologiczny w Szczecinie Al. Piastów 19, 70-310 Szczecin
Recenzja rozprawy doktorskiej m gr inż. G rzegorz G em balczyka
pod tytułem:
„D obór param etrów regulatorów w system ie sterow ania urządzeniem do reedukacji chodu”
Recenzję opracow ano na podstaw ie zlecenia nr R M T0-1039/D /006/17/18 Pani D ziekan W ydziału M echanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej dr hab. inż. A nny Tim ofiejczuk prof. Pol. Śl. z dnia 18.04.2018, do którego dołączono egzem plarz rozpraw y doktorskiej.
1. O cena aktualności w ybranego tem atu
W rozpraw ie doktorskiej przedstaw ione zostało now atorskie urządzenie przeznaczone do w spom agania procesu reedukacji chodu. Szczególną uwagę pośw ięcono zagadnieniu projektow ania system u sterow ania urządzeniem . Poruszana tem atyka dotyczy interdyscyplinarnych, w ażnych i aktualnych problem ów , istotnych zarów no dla rozw oju fizjoterapii jak i m echatroniki. Skalę problem u pokazują dane statystyczne, w edług których w iększość schorzeń w ystępujących u osób niepełnospraw nych dotyczy problem ów z narządam i ruchu. W skutek samego tylko udaru m ózgu, corocznie w Polsce ponad 12 tys. osób w ym aga długoterm inow ego procesu rehabilitacji. Jedną z form prow adzenia rehabilitacji je st kinezyterapia, czyli leczenie ruchem. Jej efektyw ność zależy w dużej m ierze od pow tarzalności w ykonyw anych ćwiczeń. Z tego też w zględu uzasadnione jest projektow anie coraz now ocześniejszych urządzeń rehabilitacyjnych przeznaczonych do reedukacji chodu.
N iezw ykle w ażnym zagadnieniem , koniecznym do skutecznego działania m echatronicznych urządzeń rehabilitacyjnych, jest praw idłow e zaprojektow anie
system u sterow ania. Przeglądając literaturę dotyczącą sprzętu rehabilitacyjnego przeznaczonego do reedukacji chodu zauważyć m ożna niedostateczny opis algorytm ów sterow ania w ykorzystyw anych w takich urządzeniach. W szczególności dotyczy to sterow ania zaawansowanym i technologicznie system am i odciążania pacjentów.
Ze w zględu na innowacyjnych charakter przedstaw ionego w pracy urządzenia do reedukacji chodu, Pan mgr inż. Grzegorz G em balczyk podjął się trudnego zadania opracow ania autorskiego system u sterow ania urządzeniem . Do realizacji tego zadania w ykorzystane zostały opracow ane m odele num eryczne układów napędow ych urządzenia oraz program kom puterow y do prow adzenia optym alizacji param etrów regulatorów m etodą hybrydową. Podczas realizacji pracy w ykorzystana została m etodologia projektow ania M odel-B ased Design (M BD ), która w ykorzystuje sym ulacje prow adzone w czasie rzeczywistym . M etodologia ta znajduje coraz w iększe zastosow anie podczas projektow aniu złożonych system ów m echatronicznych.
Z uwagi na w ym ienione aspekty w ybór tem atu pracy doktorskiej uważam za aktualny zarów no pod w zględem naukowym , jak też z uwagi na m ożliwość zastosow ania jej w yników w praktyce. Tem atyka pracy mieści się w zakresie dyscypliny naukowej „M echanika” .
2. Przegląd treści pracy
O piniow ana rozpraw a doktorska składa się z dziew ięciu rozdziałów i została zredagow ana w języku polskim . W raz ze spisem literatury zaw ierającym 144 pozycje oraz streszczeniam i w języku polskim i angielskim , rozpraw a liczy 119 stron.
W pierw szym , dw ustronicow ym rozdziale pt. „W stęp” , przybliżono m etodologię projektow ania M odel B ased-D esign oraz zam ieszczono krótką charakterystykę przeprow adzonych badań.
W rozdziale drugim, zaw arto opis dotychczasow ego stanu zagadnienia. W pierw szym podrozdziale przedstaw iono dane statystyczne nakreślające skalę problem u, jak im są schorzenia dotyczące układu ruchu. N a tej podstawie uargum entow ano zasadność projektow ania zautom atyzow anych stanow isk rehabilitacyjnych. Dalej dokonano przeglądu aktualnie dostępnych urządzeń do reedukacji chodu w raz ze stosow anym i w nich system am i sterow ania. Ostatni podrozdział zaw iera ogólny przegląd m etod optym alizacji, oraz bardziej
szczegółow y opis dwóch m etod w ykorzystanych przez A utora podczas realizacji pracy.
R ozdział trzeci zatytułow ano „Cel i zakres pracy” . A utor rozpoczyna go od informacji, że w pracy przedstaw ione zostanie now atorskie urządzenie przeznaczone dla osób ponow nie uczących się chodzić. N astępnie sform ułow any je st cel pracy: „opracow anie system u sterow ania układam i napędow ym i urządzenia i optym alizacja param etrów zastosow anych regulatorów ”. W naw iązaniu do celu pracy, przedstaw iono układy napędowe w chodzące w skład urządzenia i krótko om ówiono ideę sam ego urządzenia. Ponadto w rozdziale tym A utor przedstaw ił zakres pracy. Postaw iony cel je s t interesujący naukow o a zdefiniow any zakres pracy jednoznacznie określa obszar badaw czy, w którym realizow ana jest praca. Szkoda, że A utor nie sform ułow ał hipotezy badaw czej. Jaw ne postaw ienie hipotezy i jej udow odnienie na drodze zrealizow anych w pracy badań eksperym entalnych i sym ulacyjnych w yraźnie podkreśliłoby naukow y charakter rozprawy.
W rozdziale czw artym opisano szczegółow o opracow ane, autorskie urządzenia do reedukacji chodu. W kolejnych podrozdziałach przedstaw iono budow ę m echanizm u odciążającego, zaprojektow anych system ów pom iarow ych, oraz zastosow any sposób kom unikacji w czasie rzeczyw istym pom iędzy urządzeniem a kom puterem z oprogram ow aniem sterującym .
R ozdział piąty dotyczy m odelow ania układów elektrom echanicznych. W rozdziale tym przedstaw iono zstosow ane modele serw onapędu z silnikiem PM SM oraz m odele m atem atyczne w yprow adzone dla układu odciążania pacjenta. A utor przedstaw ił przyjęte założenia upraszczające i w yniki badań dośw iadczalnych przeprow adzonych w celu w yznaczenia sztyw ności sprężyn oraz liny.
R ozdział szósty traktuje o układach sterow ania. Zaw arto w nim opis regulatorów PID oraz regulatorów rozm ytych. W dalszej części A utor opisuje zaproponow ane przez siebie algorytm y sterow ania ruchem nadążnym w ózka w ciągarki, napędem m echanizm u odciążania oraz algorytm adaptacji prędkości bieżni treningow ej.
W rozdziale siódm ym przedstaw iono rezultaty prac dotyczących optym alizacji nastaw regulatorów w system ie sterow ania urządzeniem . W pierw szej kolejności przeprow adzono w alidację opracow anych wcześniej modeli num erycznych. Ze w zględu na konieczność sym ulacji przem ieszczania się pacjenta, opracow any został model kinem atyczny odpow iadający uśrednionym przem ieszczeniom środka ciężkości osoby po udarze z niedow ładem strony
prawej. W artości tych przem ieszczeń uzyskano na podstaw ie pom iarów param etrów chodu osób niepełnospraw nych, które przeprow adzone zostały w G órnośląskim centrum rehabilitacyjnym "Repty". M odel kinem atyki chodu w ykorzystano w procesie optym alizacji system ów sterow ania napędem w ózka w ciągarki i napędam i m echanizm u odciążającego.
R ozdział ósm ym zaw iera zestaw ienie w yników badań eksperym entalnych przeprow adzonych z udziałem zdrowej osoby. Podczas testów zw eryfikow ano dośw iadczalnie funkcjonow anie opracow anego system u sterow ania urządzeniem . Analizę działania urządzenia w ykonano podczas realizacji kilku ćw iczeń, przy różnych w arunkach odciążenia.
R ozdział ostatni, dziewiąty, stanow i podsum ow aniem zrealizow anych prac. Zawarto w nim wnioski końcowe i przedstaw iono dalsze kierunki badań.
Podsum ow ując należy stw ierdzić, że na podstawie analizy w yników badań num erycznych i dośw iadczalnych A utor rozw iązał postawiony problem naukow y i zrealizow ał założony cel pracy.
3. O cena m erytoryczna, w yniki pracy i ich ocena
R ecenzow ana rozpraw a doktorska pod w zględem m erytorycznym prezentuje w ysoki poziom naukowy. K om pozycja pracy je s t praw idłow a a kolejne rozdziały tw orzą spójną i logiczną całość. Prezentow ane zagadnienia podzielone zostały w sposób przejrzysty. Pom ijając przegląd aktualnego stanu zagadnienia, kolejne rozdziały opisują wyniki pracy naukowej A utora. Czytelnik w prow adzany je s t system atycznie w kolejne przedstaw iane zagadnienia - od opisu obiektu badań, przez m etodologię m odelow ania system ów m echatronicznych, optym alizację num eryczną system ów sterowania, po badania eksperym entalne.
Efektem końcow ym realizacji pracy jest powstałe urządzenie m echatroniczne do reedukacji chodu, w którym zaaw ansow any technologicznie system odciążający sprzężony został z bieżnią treningową. Sprzężenie to realizow ane je s t przy w ykorzystaniu urządzeń pom iarow ych zbudow anych przez A utora. W odróżnieniu od podobnych urządzeń dostępnych aktualnie na rynku, w przedstaw ionym rozw iązaniu układ odciążający realizuje ruch nadążny za przem ieszczeniam i bocznym i pacjenta, a prędkość bieżni dostosow yw ana jest do prędkości chodu pacjenta. Ponadto, doktorant podjął się trudnego zadania zaprojektow ania system u sterow ania zaprezentow anym m echatronicznym
urządzeniem do reedukacji chodu. G łów ną w artością pracy stanow i fakt, że zaprezentow ano w niej kilka autorskich rozwiązań dotyczących projektow ania i optym alizacji system ów m echatronicznych, które m ają duży potencjał aplikacyjny.
A utor w biegły sposób posługuje się nowoczesnym i narzędziam i do prow adzenia sym ulacji num erycznych złożonych system ów m echatronicznych. W rozpraw ie przedstaw iono oryginalny program kom puterow y odpow iedni do prow adzenia optym alizacji m etodą hybrydow ą, łączącą algorytm genetyczny z m etodą punktu wew nętrznego. Program ten w ykorzystano w proces optym alizacji nastaw regulatorów w system ie sterow ania zaprezentow anym urządzeniem do reedukacji chodu. Do obliczeń w ykorzystano odpow iednie m odele num eryczne układów napędow ych, system ów sterow ania, oraz model kinem atyki chodu człow ieka, opracow ane w środow isku M atlab na podstaw ie w yprow adzonych w cześniej modeli m atem atycznych. W arto podkreślić, że autor opracow ał i przeprow adził w alidację m odelu num erycznego serw onapędu z silnikiem PM SM , który bardzo dobrze koreluje z w ynikam i badań eksperym entalnych. Zaproponow ane zostały rów nież autorskie system y sterow ania poszczególnym i napędam i urządzenia. Do sterow ania m echanizm em układu odciążającego opracow ano algorytm łączący regulator rozm yty z regulatorem PID , natom iast do sterow ania zm ianą prędkości bieżni opracow ano dedykow any kontroler i generator sygnału prostokątnego okresow o zm iennego, który w spółpracuje z układem do pom iaru kąta w ychylenia liny. W ykorzystana w pracy m etodologia je st now oczesna i adekw atna do podjętego zagadnienia.
W pracy zaw arte zostały liczne wyniki badań eksperym entalnych, które w ykorzystano do walidacji opracow anych modeli num erycznych oraz do w eryfikacji popraw ności działania opracow anych algorytm ów sterow ania. A utor w ykazał się przy tym w ysokim i um iejętnościam i w zakresie planow ania i realizacji badań dośw iadczalnych.
R ozpraw a napisana je s t jasnym , popraw nym językiem . D obór rysunków i w ykresów uw ażam za w łaściwy.
O pisane w rozpraw ie oryginalne badania naukow e, w skazują na dobrą znajom ość przez A utora problem atyki projektow ania, m odelow ania i optym alizacji system ów m echatronicznych, ja k rów nież prow adzenia badań eksperym entalnych. W szystkie w ym ienione tutaj elem enty pracy stanow ią o jej dużej w artości merytorycznej.
4. Uw agi krytyczne i dyskusyjne
L ektura dysertacji nasuw a jednak pew ne kom entarze i uwagi krytyczne, częściow o dyskusyjne.
1. W pracy zabrakło dośw iadczalnej w eryfikacji w pływu zaprojektow anego urządzenia na param etry chodu osoby ćw iczącej. A utor opisuje na str. 27 zasadność budow ania urządzeń do reedukacji chodu, w których system odciążający będzie w ykonyw ał ruch nadążny za przem ieszczeniam i bocznym i pacjenta, jednak nie przeprow adza dośw iadczalnej w eryfikacji działania opracow anego przez niego urządzenia pod tym w łaśnie kątem. Trudno stwierdzić, czy opracow any algorytm nadążny zapewni efektyw ną popraw ę w arunków ćwiczeń.
2. W podsum ow aniu badań dośw iadczalnych nad w eryfikacją system u sterow ania prędkością bieżni, autor stwierdza, że w artość kąta w ychylenia liny w zdłuż osi strzałkowej pacjenta w yniosła m aksym alnie 3 stopnie, co je s t w artością zadow alającą. Później jednak pojaw ia się w niosek, że dalsze prace pow inny być ukierunkow ane na m odyfikację układu napędow ego bieżni treningow ej, tak aby uzyskać efektyw niejszą m inim alizację tego kąta, co sugeruje, że uzyskane wyniki są jednak niezadow alające. K w estia ta w ym aga wyjaśnienia.
3. W pracy zabrakło mi dyskusji dotyczącej problem u filtrow ania sygnałów pom iarow ych. Zakłócenia pow stające podczas pracy układów napędowych m ają bowiem znaczący w pływ na działanie system ów m echatronicznych. A utor w spom ina tylko krótko, które sygnały są filtrow ane, ale nie podaje w ja k i sposób.
4. W układzie sterow ania bieżnią zastosow ano jako w ielkość sterującą kąt w ychylenia liny. A utor jednak stwierdza, że układ ten ma spore opóźnienia. N asuw a się zatem pytanie czy opóźnienia te, w pew nych w arunkach, nie będą destabilizow ały system u sterow ania ?
W pracy zauważono kilka błędów redakcyjnych, które zostały przekazane do w iadom ości autora, m.in.:
• Str. 18, w w ypunktow anych typach optym alizacji użyto zw rotu „zagadnienie optym alizow anie” a powinno być „zagadnienie optym alizow ania” .
• Str. 18, ostatni akapit użyto zwrotu „w ykorzystyw ana form ą” , w inno być „w ykorzystyw aną form ą” .
• Str. 21, po równości (10) użyto zw rotu „w którym ” a pow inno być „w której” (odnosi się to do „rów ność”).
• Str. 26, czw arty w iersz, użyto zw rotu „ruchu linow ego” a pow inno być „ruchu liniow ego” .
• Str. 31, napisano, że charakterystyka czujnika siły „jest funkcją liniową określoną w spółczynnikiem równym 17,65 N /V ” . Z rys. 26 w ynika, że w spółczynnik ten powinien w ynosić raczej 176,5 N A .
• Str. 36, ostatnie zdanie je s t niefortunne poniew aż stw ierdza, że „K ażde zatrzym anie u rz ą d z e n ia skutkuje zatrzym aniem urządzenia ....” . • Str. 66 Tabela 3 i 4 orazstr.6 8 Tabela 5, w drugim w ierszu tabeli je s t „AUNL
c— " a powinno raczej być „AUNL — ".
• Str. 68, pierw szy akapit pod Tabelą 5 stw ierdza, że połączenie regulatora PID z i rozm ytego je st rozw iązaniem „optym alnym ” . M oim zdaniem m ożna jedynie stw ierdzić, że je s t to rozw iązanie o w ysokiej efektyw ności.
• Str. 105, użyto niezrozum iałego sform ułow ania J e s t to skutek opóźnień w ynikających z o p ó ź n ie ń ” .
• Str. 107, pierw szy podpunkt, użyto zwrotu „w procesie projektow ana system ów ” z pow inno być „w procesie projektow ania system ów ” .
Przedstaw ione uwagi i kom entarze zostaną zapew ne w yjaśnione, bądź skom entow ane w trakcie publicznej obrony.
M im o przedstaw ionych uw ag krytycznych, realizację postaw ionego zadania oceniam wysoko, ze w zględu na:
• Praw idłow e zdefiniow anie przedm iotu badań. • R zeczow y sposób prezentacji wyników.
• Sum ienność w ykonania poszczególnych etapów projektow ania system ów m echatronicznych, od projektow ania postaci konstrukcyjnej do dośw iadczalnej w eryfikacji działania całego urządzenia.
• Interdyscyplinarne podejście do rozpatryw anego problem u. A utor w ykazał się dobrą znajom ością zagadnień zw iązanych z m odelow aniem chodu, m odelow aniem m atem atycznym oraz prow adzeniem badań optym alizacyjnych.
• W ym ierne osiągnięcia teoretyczno-aplikacyjne, pozw alające na szereg spostrzeżeń i w yciągnięcie interesujących w niosków .
• Z astosow anie innowacyjnej m etodologii M B D projektow ania system ów m echatronicznych.
5. O cena końcowa
Oceniając ogólnie przedstaw ioną rozprawę doktorską należy podkreślić aktualność jej tem atyki w ynikającą ze zw iększającego się zapotrzebow ania na urządzenia w spom agające reedukację chodu. Zaw iera ona elem enty, które m ożna uznać za oryginalny wkład w rozwój dyscypliny M echanika, a zw łaszcza wiedzy w zakresie projektow ania i optym alizacji system ów sterowania.
U w ażam , że opiniow ana praca Pana m gr inż. G rzegorz Gem balczyka cechuje się interdyscyplinarnym podejście do zagadnień m odelow ania układów o złożonej naturze fizycznej, zaw iera oryginalne rozw iązanie sform ułow anego problem u naukow ego i ma duży potencjał aplikacyjny.
O pracow ane pod czas realizacji pracy algorytm y i program y kom puterow e do badań sym ulacyjnych a także sposób realizacji badań num erycznych i eksperym entalnych św iadczą o odpow iednim przygotow aniu doktoranta do prow adzenia sam odzielnej działalności naukowo-badaw czej.
R ecenzow ana praca spełnia wym ogi odnośnie przewodu doktorskiego, określone w U staw ie z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach naukow ych i tytule naukow ym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki.
Biorąc pow yższe pod uwagę, w nioskuję o dopuszczenie doktoranta do publicznej obrony rozpraw y doktorskiej.
W razie pozytyw nej oceny obrony rozpraw y doktorskiej będę w nosił o je j w yróżnienie.
