Badania modelu napędu ręcznego wózka dźwigniowego pod względem zużycia energii Study of lever drive wheelchair propulsion model in terms of energy usage

Pełen tekst

(1)PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 126. Transport. 2019. 60

(2) _ ./. Politechnika Warszawska, X

(3) _* :. 6?9

(4) 8. ''

(5)

(6) ' *@ @ @]

(7) "X"

(8) `. &)&*%&6)5"#*&-~)#'~*5v& )%v*%5v-)v"~)56#$!%& ENERGII () *

(9) , "

(10)

(11) . Streszczenie: "

(12) "

(13)

(14)

(15) " >

(16) ' = :"?

(17) "

(18)

(19) ' "

(20) '

(21) "' )' @+ "

(22)

(23) = "

(24) Q=: #

(25)

(26) "

(27) #

(28) = :@ = = :

(29) /

(30) " * "

(31)

(32)

(33) /

(34) #

(35) =

(36) #@+;

(37) ?V * =

(38) "*

(39)

(40) ' "

(41) :#!@X

(42) /

(43) #

(44) =

(45) #= = :. ;. "' =: *

(46) *

(47)

(48) = ' *

(49) :#"

(50) ' "@ *" ><

(51)

(52) = :*" :#!@|

(53) =* V = " "> "

(54) : Matlab-Simulink. Jako wyniki pracy przedstawiono charakterystyki spraw >

(55) ' #*):"?"

(56) '

(57) "' @ "

(58) : "

(59) )Q * V wany model generuje przebiegi zmiennych stanu w sposób zgodny z otrzymywanymi wynikami pomiarów ./0 /

(60) 1 "?

(61) "

(62)

(63) "

(64) '

(65) "Q= "

(66) Q"

(67) #. 1. WPROWADZENIE Poprawa # >

(68)

(69) ?;

(70) * *" # )>

(71) # * := = = "

(72)

(73) #@+

(74)

(75) * " #! ":!

(76) * " #!. ; =

(77) * *"= "

(78) #/:# "

(79) "* "

(80) @Y=

(81) ' *::!!"?

(82)

(83) "

(84)

(85) [2], [10], [12], [13]. Szczególnym rodzajem wózków inwalidzkich !"?

(86) *)* *"

(87) '

(88) @* ; "

(89) ! :# *):"

(90) '

(91) "' ! ematem zainteresowania mediów m.in. [1], [5], [6], [8]. Nietrudno < #

(92) /:#!@Wykonano '; =:*)#!' "

(93) '

(94) " "?

(95) "

(96)

(97) *@ *: : "

(98)

(99) ' =

(100)

(101) * : "nika. Analizowano go w pracach [2], [3], [6], [7], [9], [11], [15]@ ='? !:"') "?

(102) < [7] oraz [15]..

(103) 88. Maciej % "

(104) QMagdalena X . (?"

(105)

(106)

(107) X"*

(108) "

(109) # ; "

(110) V "*):"

(111) '

(112) "' "?

(113) "

(114)

(115) ' @*

(116)

(117)

(118) = = : ;. V wego na sta "

(119) :

(120) )*

(121) *

(122) : "@¬:#) = : :=: :#!' '

(123) ) *

(124) = "

(125) :#!Q ;

(126) !enia – hamulec elektrodynamiczny. | = =:#!"# * * "

(127)

(128) " >

(129) *!:=: @X

(130) V nowiska i '? "

(131) !::*

(132)

(133)

(134) = = : ;. "' * "

(135) V sunek 1 [2], [4], [6], [7], [16]. a). b). Rys. 1. Stanowisko badawc)' "?

(136) "

(137)

(138) ' `"

(139) '? Q;`:*

(140) V sienia momentu obrotowego do hamulca Oznaczono: 1 – *

(141) =

(142) Q– elektromagnes, 3 – = " =

(143) "

(144) -= ;

(145) ><ª». Celem

(146)

(147) ## * # * "

(148) = :

(149) " >

(150) ' *):)' "?

(151) "

(152)

(153) ' Qktór' :/

(154) #:#

(155) ) # = stanowisku badawczym X

(156) :_* : [2], [4], [6], [7], [16]. Realizacja celu wyma' "

(157) !

(158) )*:#! 1. Wykonanie serii pomiarów na stanowisku badawczym. 2. Opracowanie modelu nominalnego i matematycznego stanowiska. 3. Identyfikacja parametrów modelu. 4. =* = #= :"> "

(159) :* '=

(160) =@ 5. Weryfikacja i walidacja modelu. 6. * "

(161) ;

(162) *= ?" ' Q " = *" >

(163) "

(164) V "

(165) *" >

(166) ' #cyklu pracy. Model symulacyjny " * * = * '=: | ; " )>

(167) ! *

(168) : :='

(169) =:

(170) @X** "

(171) : "

(172) )Q * " model generuje przebiegi zmiennych stanu w sposób zgodny z otrzymywanymi wynikami pomiarów..

(173) B

(174) = :*):)' "?"

(175) '

(176) "' * "' )=:

(177) '

(178)

(179). 89. 2. PROBLEM Stanowisko # "?"

(180) '

(181) " *

(182) "

(183) * # " ; "

(184) " % (elektrokardiografia)Q :

(185) : (poprzez zastosowanie metody spiroergometri)

(186) =)

(187) =

(188) )>

(189) "' (przy zastosowaniu metody EMG – elektromiografii powierzchniowej). W badaniach tego typu " :#

(190) ) :#

(191)

(192) ;V * >

(193) * Q ":#

(194) ?" "

(195) = ;

(196) !

(197) "

(198) '

(199) zainstalowany w )>

(200) # #@ =

(201) "::* =

(202) "' )>

(203) # V narnej stanowiska przedstawia rysunek @:=

(204) "

(205) # #) )*:#!=

(206) V nych stanu: F –

(207) *

(208) "

(209) '

(210) Q D - ! "

(211) Q E - ! ; : = "

(212) :#!# ::=: @X

(213)

(214) ;* "

(215) =@

(216) @"*y [6]. [7].. Rys. 2. =

(217) "::* =

(218) "'

(219) mienne stanu stanowiska badawczego # "' *:* =

(220) " =

(221) "

(222) -= ;

(223) >< [16]. ; = ;" * "

(224) "

(225) !

(226) ;

(227) # / =: " =

(228) nnie. Celem badania jest wyznaczenie energii ##::*) "' "?] #@'

(229)

(230) =

(231) "# "

(232) "*

(233) #`@ '

(234)

(235) ##= * "

(236) <# '

(237) ) *":– *": =owego i *

(238) <" = ! = " + !#. (1). gdzie: dWz – przyrost energii trakcyjnej = "' , dWH – przyrost energii hamowania (hamulca i oporów ruchu), dAZ – * '

(239)

(240) :=: #

(241) = "' @. *

(242) =

(243) )Q ! = $. %& ' % &. + ,#. %' %. -. (2). gdzie: MH – moment obrotowy hamulca, Jz – = = ;" >

(244) ="

(245) :#!#] = "' ` akumulacji energii..

(246) 90. Maciej % "

(247) QMagdalena X . q

(248) :#! =

(249) " >

(250) "

(251) " : ]` "

(252) * : '

(253)

(254) V *": = "' ] ##` "

(255)

(256) <Q":

(257) * =

(258) "= V "

(259) ;# = = =

(260) = ' @X

(261) ><MH nie jest znana pomiarowo. Nie m"

(262) )=

(263) " >

(264) ;* >

(265) ' "

(266) " :]`@+ ' "' ):* * V " "

(267) !

(268) * >

(269) Q* '#!"

(270) := = : ;. "' =: * "

(271) "

(272) !

(273) * "

(274)

(275) * "'

(276)

(277) =* = "' = : ;V liczeniowego.. 3. 65)&'%(&*%& 3|{|)&*55x%5 &=

(278) "#>

(279) "=

(280) = "

(281) !'=

(282) : )** =

(283) " (F –

(284) *

(285) "

(286) '

(287) QD - ! "

(288) "

(289) '

(290) , E - ! ; :="

(291) :#!#:: hamulca – rys. 2). Eksperyment ;#= " * * ? '

(292)

(293) . ;

(294) !

(295) przy ustalonych " >

(296) ach *!:= "

(297) =: z zakresu {0; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7} A. X *;

(298) '?" '?" 1 cyklu p * : # " >

(299) 0,4 A przedstawia rysunek 3 [14].. Rys. 3. Wykresy przebiegów pomiarowych zmiennych stanu 1 cyklu pracy operatora przy ustalonej " >

(300) *!: ;

(301) !

(302) @ q`! Q;`

(303) @ Wykresy oznaczono: 1 - E (! ; :="

(304) :V #!#::=: `; 2 - D ]! "

(305) "

(306) '

(307) `; 3 - F ]

(308) *

(309) ` * "

(310) "* "

(311) ª».

(312) B

(313) = :*):)' "?"

(314) '

(315) "' * "' )=:

(316) '

(317)

(318). 91. 3.2. MODEL Rysunek 4 [14] przedstaw

(319) : :)= : )*' @ |

(320) )"?= "

(321) :#! *

(322) = = =

(323) ;" >

(324) YD – "

(325) '

(326) QYH – =: Q*)'#V

(327) : "' *

(328) ' *= =*

(329)

(330) ]Æ !

(331) QÆ* !

(332) `. *

(333) :## *

(334) :

(335) = =

(336) @X

(337) >

(338) ! :#!!# *V bieg momentu obrotowego "

(339) '

(340) MD (wymuszenie dynamiczne) lub jej *) >

(341) ! "# ZD ]"=:

(342)

(343) = `@X

(344) >

(345) !"#>

(346) "!# *) ><! " =V "' *) ' :==: Q unku ZH. a). b). Rys. 4. Budowa modelu )*ego: a) uproszczony schemat stanowiska, b) struktura modelu Ç? : [14]. | *

(347) # :=?" %34 % %3 $# 2 6 %. ,. / 0,1 / ,. = $. 2. (3). 0,5 / ,# / ,# =. (4). g

(348) " :"' )

(349) = = ;. " * ?"::wigni (MTD) oraz = "' – hamulca (MTH)..

(350) 92. Maciej % "

(351) QMagdalena X . 3.3. IDENTYFIKACJA PARAMETRÓW MODELU X >

(352) = = ?";" >

(353) = :*#) * "

(354)

(355) V nowiska: JD = 0,026 kgm², JH = 0,148 kgm²@F =

(356) " ><*

(357)

(358) = '

(359) = = ;

(360) !

(361) " * :':#!

(362) )= !

(363) /

(364) #

(365) =

(366) #@ Rysunek 5 [14] przedstawia s* ?;"

(367) " >

(368) )*#prze

(369)

(370) =V ' ":?"*

(371)

(372) *)'#

(373) : "' @X >< # "V czana na podstawie analizy wyników pomiarów *) >

(374) ;. "ZD i ZH (rys. 4) ze "' ): Q":

(375) ?" "'

(376) = :=#! "*" :: *)'@ Na rysunku " " >

(377) *

(378)

(379) = ' *

(380) (oznaczenie – czarna kropka) zgrupowano w strefach "*

(381) "

(382) '

(383) *) "#* *V tora. Rysunek ::#Q"*

(384) "# /

(385) : "! ::ha – wyniki. ;

(386) *

(387) = *

(388) # /

(389) ;)!; ;

(390) "V. >

(391) *

(392) )*' @. (@@* ?;

(393) /

(394) #

(395) " >

(396) )*# *

(397) *

(398)

(399) = '. * "

(400) "podstawie [14]. | = = "

(401) "# * "

(402)

(403)

(404) ";

(405) ': zamachowego. +'

(406) " =]`*#=:#! (k = 0) =

(407) ) ,7# = /,# / ,# = $# 2. %36 %. (5). gdzie MCH - = = "

(408) =:#!@. (@@^ = = : ;

(409) !

(410) hamulca z okresu wybiegu oraz jej aproksymacja liniowa: 1 – moment, 2 – aproksymacja liniowa * "

(411) "* "

(412) ª».

(413) B

(414) = :*):)' "?"

(415) '

(416) "' * "' )=:

(417) '

(418)

(419). 93. Rysunek 6 [14] * "

(420) ) = = : ;

(421) !

(422) (okres wybiegu) "/:#

(423) *) >

(424) ! "# ##* =#)

(425)

(426) "!:!* "

(427) :=V. '#

(428)

(429)

(430) "#

(431) " #@. 3.4. WALIDACJA + "

(432) "

(433) !

(434) * >

(435) ' do obliczenia parametrów energetycznych stanowi* '#! "

(436) : * "

(437)

(438) ' = :=

(439)

(440) "

(441) !

(442) )

(443) >

(444) ! przeprowadzenia walidacji modelu. W omawianym przypadku zastosowano najbardziej po*: ! * :) walidacji *#=:#!Q * =

(445) "Q ! *

(446) " równe zbiory: zbiór

(447) ' "

(448) ;

(449) ? :#!@ #) Q '

(450) *= : " ;

(451) ?: " >

(452) *!: ;

(453) !

(454) {0; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7} A. Zbiór treningowy obejmuje cykle pracy wykonane dla kategorii

(455) * ]

(456) *

(457) ;* ! "` #@ÉQQÊqQ;

(458) ? :#!*V stych tj. {0,3; 0,5; 0,7} A. T "

(459) = :* "

(460) )

(461) /

(462) #

(463) #'

(464) *= ?"]* V

(465)

(466) = ' Q "*?

(467) ?" = = : ;

(468) !

(469) =:

(470) @`@ Testowanie modelu polega na sprawdzeniu czy przebiegi chwilowe zmiennych stanu generowane przez = ]*@*;

(471) '*) >

(472) ! "# = "' ` * "

(473) #! *;

(474) ' =* V miarowym. Y ;! uogólnienia *#) " : ! ;

(475) >< =

(476) ) *rzebiegami chwilowymi (zmierzonymi i obliczonymi`*) >

(477) ;. "# = "' @ Rysunek 7 [14] przedstawia charakterystyki cyklu pracy operatora (pomiarowe) i modelu (obliczone) : #" >

(478) *!:= "

(479) ,q]"

(480) ) '

(481)

(482) !# ;

(483) : :#!' `@(unek 7 ukazuje * " ! ;

(484) >< Q ?#;!>

(485) " "= ;<:# ;! "

(486) = :@. Rys. 7. Wykresy szeregów czasowych cyklu pracy operatora (pomiar) i modelu (symulacja) dla ob

(487) !

(488) a hamulca I = 0,3A`*) >

(489) ! "=: ]– symulacja, 2 – pomiar), b)

(490) *V

(491) "

(492) '

(493) ]– symulacja, 4 – pomiar), c) ! "

(494) "

(495) '

(496) ]– symulacja, 6 – pomiar). * "

(497) "* "

(498) ª».

(499) 94. Maciej % "

(500) QMagdalena X . 4. OBLICZENIA ENERGETYCZNE.

(501) "* :"

(502) #

(503) "* ><= :Q ;

(504) = ;< V stosowany do wyznaczenia przyrostów energii trakcyjnej. X

(505)

(506) ;

(507) :

(508) '

(509)

(510) " :*"?"

(511) '

(512) "' *: #" >

(513) *!:=: ,4 A przedstawia rysunek 8 [14]. Wykresy oznaczono: 1 – '

(514) *":"

(515) '

(516) Q– '

(517) *": = "' =: Q– '

(518)

(519) :: ;. "' = "'. hamulca, 4 – '

(520) = "

(521) @*" ><*):"

(522) '

(523) "' "

(524) " =*V padku ok. 80 %.. (@@X

(525)

(526) ;

(527) :

(528) '

(529)

(530) " :*"?"

(531) '

(532) "' *: #"rto>

(533) *!:=: ,4 A Wykresy oznaczono: 1 – '

(534) *":"

(535) '

(536) Q– '

(537) *": = "' =: Q– '

(538)

(539) :: ;. "' = "' =: Q– energia hamowania : * "

(540) "* "

(541) ª». 5. WNIOSKI W artykule przedstawiono sposób opracowania modelu ::*):wózka inwalidzkiego "

(542) '

(543) "ego )' przeznaczony do obliczenia wydatku energii. Przedstawiono roz"

(544) !

(545) zadania * '#!' walidacji modelu. Po zastosowaniu modelu do wykonania. ;

(546) " :'

(547)

(548) " Q" ><"*?

(549) *" >

(550) ' # *):"

(551) '

(552) "' )' "

(553) @ "

(554) = *):"?"

(555) '

(556) "' = ;<dalej rozwijany * ! = "do **. *"

(557) "

(558) : ' @_' *:* #>

(559) ;)

(560) "=' ;:V ";

(561) # ' = :":

(562) "

(563) – wózek – otoczenie. |

(564) " .

(565) B

(566) = :*):)' "?"

(567) '

(568) "' * "' )=:

(569) '

(570)

(571). 95. "

(572) *;)!= ' <

(573) " >

(574) ::"?"' ):okre>

(575) ":?" ;

(576) >

(577) -technicznej lub ; : " >

(578) = ?" ::na podstawie

(579) "

(580) " >

(581) *= #= : Bibliografia 1. 2. 3. 4. 5.. 6. 7.. 8. 9.. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.. Biznes newseria: https://biznes.newseria.pl/news/innowacyjny-" Q*Q )*/10/2018. ^ =

(582) X@ = ;

(583) ><@_ =@ "# "

(584) !

(585) * *"

(586) *"

(587) = ;

(588) >

(589) "

(590) @X"X%xQ@ ^ =

(591) X@Q ¬

(592) %@Q & ;

(593) @: „Optimizing the lever propelling system for manual wheechairs,” Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, tom 60, nr 4, pp. 793-800, 2012. ^ =

(594) X@Q

(595) q@Q¬

(596) %@Q& ;

(597) @: +'

(598) * " -400484 – pt.: "Stanowi ;

(599) "??""

(600) '

(601) "«–– '

(602)

(603) @8.2012 &

(604)

(605) Q &"

(606) '

(607) " = *) " "?

(608) "

(609)

(610) ' Q *°°:#@

(611)

(612) @* °:dgp/wynalazki/artykuly/447663,dzwigniowy-system-napedowy-wozka-

(613) "

(614)

(615) ' @ = Q )* 28/10/2018. Fiok K.: Optymalizacja parametryczna innowacyjnego wó

(616) "

(617)

(618) ' *)=)=@Warszawa: rozprawa doktorska, 2014. Fiok. K., Mróz A.: How does lever length and the position of its axis of rotation influence human performance during lever wheelchair propulsion?, Journal of Electromyography and Kinesiology, Volume 25, Issue 5, October 2015, Pages 824-832, https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2015.06.007 Grit freedom chair: https://www.gogrit.us/how-it-" °Q )*°° Jenkins A., Gooch S.D., Theallier D., Dunn J.: Analysis of a Lever-Driven Wheelchair Prototype and the Correlation between Static Push Force and Wheelchair Performance, 19th IFAC World Congress Volume 47, Issue 3, Pages 9895–9900.. F =QX ;* =

(619) ?;

(620) * *" >

(621) !- klasyfikacja i terminologia, PN-EN ISO 9999:2011 Rozendaal, L.A., Veeger, H.E.J., van Der Woude: The push force pattern in manual wheelchair propulsion as a balance between cost and effect, Journalof Biomechanics, 2003, Vol.36(2), pp. 239–247 Sydor M.: Wybór i ek* #"?

(622) "

(623)

(624) ' @ X"

(625) " q=

(626)

(627) (

(628) #

(629) =@q:V gusta Cieszkowskiego w Poznaniu, 2003. |@Q+;

(630) |@Q_

(631) &@: _ #* ; "

(632) :#)"?

(633) "

(634)

(635) ' @. + F: "

(636)

(637)

(638)

(639) #Q@ X |@: {

(640) = :*):)' "?"

(641) '

(642) "' * "' )=:

(643) '

(644)

(645) @ &* = "

(646)

(647) ::_* Q

(648)

(649) X". Woude L.H., Veeger H.E., Dallmeijer A.J., Janssen T.W., Rozendaal L.A.: Biomechanics and physiology in active manual wheelchair propulsion, Medical Engineering & Physics, tom 23, pp. 713–733, 2001. X? "

(650) '

(651) " – eco-= ;

(652) >< *°°"""@ -mobilnosc.pw.edu.pl/pl_wozek-dzwi'

(653) "Q@ = Q )*°°@. STUDY OF LEVER DRIVE WHEELCHAIR PROPULSION MODEL IN TERMS OF ENERGY USAGE Summary: This study presents the results of the analysis of the energy properties of a manual wheelchair model. Modeling, simulation and validation techniques were used. Parameters of the model were identified on the technical assumptions and dynamic identification. The measurement data has been divided into training and testing data. The training data were used for dynamic identification of the brake torque and the kinematic transmission ratio of the reduction gears. The testing data were used to check the accuracy of the model. The model has been implemented in the Matlab-Simulink environment. The energy efficiency characteristics of the lever drive wheelchair propulsion were presented as results of the work. The study includes the following.

(654) 96. Maciej % "

(655) QMagdalena X . research stages: (1) Execution of a series of measurements in the research environment, (2) Developing a nominal and mathematical model of the stand (3) Identification of the model parameters (4) Implementation of the model in a programming environment (5) Model verification and validation (6) Carrying out the calculations of energy parameters including instantaneous efficiency and energetic efficiency of the work cycle. The study presents and proves the thesis that the developed model generates the course of state variables in a manner consistent with the obtained measurements results. Keywords: lever drive wheelchair, modelling, validation.

(656)