Concept-design of a smart, comfortable and safe stair climbing wheelchair

Architectural barriers like stairs are a serious problem for disabled people mobility; academic research is still working to find a safe, comfortable and cheap technical solution to improve people independence. In this thesis, a contribution is given by proposing a new concept of stair-climbing wheelchair, inspired by some already existing solutions but with an innovative actuation concept to improve the user mobility experience. To this purpose, the kinematics of leg-wise motion produced by the rotation of a 3-wheeled star-shaped hub along stairs has been deeply studied, showing how front and rear star-shaped axles can be actuated simultaneously, after a proper reference motion law is defined for each actuator, based on real stair geometry measures. The topological synthesis of the locomotion system has been performed through a mathematical optimization; a method of dealing with the discontinuities in the trajectory caused by the stairs has been proposed and a simple PID controller for reference motion tracking has been implemented to show the feasibility of the device, exploiting ADAMS-Simulink co-simulation tools. Finally, an innovative concept for passengerlocomotion unit trajectory decoupling is presented, to be developed in future works.

Le barriere architettoniche, in particolare le scale, sono un serio problema per le persone disabili ma anche per tutti coloro che hanno difficoltà deambulatorie. Garantire loro assoluta indipendenza in mobilità è una sfida che coinvolge molti studi di ricerca accademica, perché il superamento delle scale mediante un veicolo adatto al trasporto di un disabile è un problema complesso a causa dell'intrinseca instabilità del sistema veicolo-passeggero lungo la rampa di scale. Questa tesi propone un'alternativa alle attuali soluzioni proposte nei vari contesti di ricerca, mettendo al centro la sicurezza e l'agio dell'utente durante il movimento ed eliminando le manovre supplementari richieste da molti dispositivi per riconfigurare i sotto-sistemi nelle varie fasi del moto. Il dispositivo proposto è una carrozzina che sfrutta, per la scalata dei gradini, il semplice movimento rotatorio di mozzi a forma di stella a 3 punte, con 3 ruote ciascuno. Tale sistema è ampiamente diffuso in carrelli per trasporto manuale di merci su scale e ausili per sollevamento carrozzine con l'aiuto di un assistente; inoltre, anche un dispositivo proposto da una ricerca del Politecnico di Torino sfrutta questo meccanismo. Il dispositivo proposto si ispira a tale lavoro, ma propone una soluzione di attuazione diversa e innovativa. La rotazione del mozzo stellato relativamente al telaio, con ruote solidali al mozzo, implica che il centro del mozzo stesso segua una traiettoria costituita da due archi di epicicloide, descritti dal rotolamento del sistema mozzo-ruote lungo i due gradini adiacenti. Questo fatto è la causa di un serio problema nella gestione della rotazione del mozzo, specialmente se si considerano due assi identici (anteriore e posteriore) che in un dato istante, in generale, si trovano in posizioni angolari diverse e quindi impongono al telaio velocità diverse. Come conseguenza, in base alle condizioni dinamiche e all'attrito locale tra ruote e terreno, uno dei due assi rischia di imporre uno slittamento all'altro, che si somma alla traslazione dovuta al rotolamento puro: il rischio concreto è che uno dei due assi venga spinto/tirato fino a cadere dal gradino, senza controllo. Per questo le soluzioni proposte nella attuale ricerca rendono folle uno dei due assi o addirittura lo rimpiazzano con altri tipi di meccanismo. Oppure implementano un corsoio folle tra i due assi in modo da compensare le differenze di velocità imposte dalle rotazioni dei mozzi anteriore e posteriore. La novità introdotta con questa tesi è quella di sfruttare il problema delle velocità diverse per elaborare una legge di movimento ideale per ciascun attuatore, tale da garantire la condizione di rotolamento senza strisciamento in tutti i momenti del moto lungo le scale. Così facendo, è possibile controllare la posizione del punto di contatto della ruota sul gradino in modo da non essere mai troppo vicina né allo spigolo né all'alzata del gradino successivo, evitando cadute e urti: ne traggono vantaggio la sicurezza e il comfort dell'utente. La soluzione del problema non è banale in quanto coinvolge un metodo ibrido numerico e analitico, ma alla fine i calcoli da effettuare a bordo del dispositivo non sono onerosi. Occorre definire la traiettoria del centro del mozzo lungo tutta la scalinata, la quale geometria è ottenuta da un algoritmo di scansione basato su sistema di visione 3D (non implementato in questa tesi). Bisogna correlare le velocità rotazionali dei due assi per garantire che le velocità dei centri siano uguali lungo la direzione del telaio; tuttavia, data la posizione angolare di uno dei due assi non si sa quale sia quella dell'altro asse e non si sa neanche quale sia la sua espressione matematica perché essa è definita a tratti in base all'angolo dell'asse stesso. Quindi solo un metodo numerico consente di trovare la posizione angolare di uno dei due centri dei mozzi data quella dell'altro. Si osserva che graficamente è possibile tracciare la traiettoria e identificare le posizioni corrispondenti semplicemente puntando un compasso con apertura pari all'interasse tra gli assi anteriore e posteriore: si sfrutta questo concetto per implementare un algoritmo numerico che serve allo scopo. Per ridurre l'errore di approssimazione numerica, solo pochi angoli vengono identificati con questo metodo: quelli che caratterizzano un cambio nella definizione matematica della traiettoria stessa. Così, la traiettoria complessiva risulta divisa in partizioni in cui è finalmente nota la definizione matematica di ciascun tratto ed è possibile quindi correlare analiticamente le leggi di moto dei due assi. In tutto questo, la geometria del mozzo stellato e della ruota deve essere nota: il progetto topologico viene effettuato mediante un'ottimizzazione matematica che sfrutta, ancora una volta, il concetto di rotolamento lungo il gradino, identificando grandezze geometriche rilevanti e vincoli da rispettare per garantire la fattibilità del moto. Il meccanismo così progettato, unitamente alle leggi di moto ideali calcolate per ciascun attuatore, viene testato con un modello ADAMS a cinematica imposta, utile a definire le potenze richieste per l'attuazione. La dinamica è risolta sfruttando le potenzialità del software ADAMS perché la scrittura delle equazioni di moto mediante equazioni di Lagrange è un problema complesso a causa delle discontinuità; si può gestire con equazioni integrate a tratti, dove le condizioni finali di un tratto diventano le iniziale del successivo, ma la simulazione ADAMS è più rapida. Un controllo PID implementato mediante co-simulazione ADAMS-Simulink attesta la semplicità e la fattibilità del concetto proposto. Un altro aspetto innovativo proposto, solamente a livello concettuale, riguarda il meccanismo di controllo dell'assetto del sedile che, se opportunamente progettato, può essere sfruttato per disaccoppiare completamente la traiettoria dell'utente da quella del sistema di locomozione. Una soluzione semplice esemplificativa, da raffinare in un lavoro futuro, è mostrata a livello cinematico mediante simulazione ADAMS.