Elektryczny pojazd ATV dla osób z ograniczoną sprawnością motoryczną

Współczesne projektowanie wzornicze dąży nie tylko do funkcjonalności, ergonomii, estetyki, ale także do inkluzywności. Przykładem takiego podejścia jest projekt „Elektryczny pojazd ATV (All Terrain Vehicle) dla osób z ograniczoną sprawnością motoryczną”, realizowany w ramach programu „Studenckie koła naukowe tworzą innowacje” i finansowany przez Ministerstwo Edukacji i Nauki.

Założonym celem projektu była budowa specjalistycznego pojazdu, przeznaczonego dla osób z niedowładem kończyn dolnych, umożliwiającego poruszanie się po terenie leśnym i górzystym. W skład zespołu projektowego wchodzili studenci Ignacy Kotowski, Gabriela Kowalik i Filip Śledź. Zaprojektowali oni trójkołowy pojazd ściśle dopasowany do indywidualnych potrzeb Jana Folgi – sportowca, medalisty Mistrzostw Polski Rajdów Enduro, wicemistrza świata w parawioślarstwie halowym. Jest on inżynierem specjalizującym się w projektowaniu i testowaniu motocykli sportowych. W 2020 roku doznał urazu rdzenia kręgowego w odcinku lędźwiowym (L1), co znacząco wpłynęło na jego życie, jednak kontynuuje aktywne życie sportowe. Jak powiedział na spotkaniu z grupą projektową ASP:

„Minęły ponad dwa lata a ja całkiem dobrze odnalazłem się w nowej sytuacji. Zająłem się para wioślarstwem oraz judo, które towarzyszy mi prawie całe życie. To właśnie ten sport ukształtował mój charakter i ducha walki. Tak jak w sporcie tak i w swojej rehabilitacji – uporczywie idę do celu! Zapraszam na dawkę motywacji do działania”¹.

Proces rozpoczął się od wielokrotnych spotkań z Janem. Pozwoliło to na dogłębne poznanie jego potrzeb oraz oczekiwań. Przeprowadzono szczegółowe wywiady i wykonano pomiary antropometryczne. Pozwoliło to opracować spersonalizowany model (fantom) Jana, stanowiący kluczowe narzędzie projektowe. Zebrane informacje oraz wykonany fantom dały możliwość na wstępne opracowanie koncepcji pojazdu w skali 1:10, dokładnie przystosowanego do wymiarów przyszłego użytkownika.

Kolejnym etapem było budowanie makiety na wykonanej wstępnej wersji podwozia w skali 1:1, w celu weryfikacji założeń ergonomicznych i funkcjonalnych przez osobę w przybliżonym wzroście Jana.

Odrębnym działaniem było tworzenie stylistyki projektu pojazdu w programie 3D Fusion 360. 
Powstały dwie koncepcje: Ignacego Kotowskiego oraz Gabrieli Kowalik, do późniejszego wyboru jednej koncepcji do realizacji.

Równocześnie wykonywano rysunki konstrukcyjne w programie Solid Works. Na podstawie wykonanej konstrukcji wirtualnej możliwa była weryfikacja parametrów m.in. ze względu na wybrane i zakupione typowe elementy (wahacze, amortyzatory, koła z ogumieniem, system hamowania, system napędowy i inne). Dokonano wstępnego wyboru profili oraz blach stalowych na potrzeby konstrukcji pojazdu.

W projekcie szczególny nacisk położono na bezpieczeństwo użytkowania pojazdu. Na podstawie opracowanego modelu wirtualnego konstrukcji wykonano analizę wytrzymałościową przy wykorzystaniu Metody Elementów Skończonych (MES). Pozwoliło to na optymalizację konstrukcji zapewniając, że rama pojazdu trójkołowego spełni wymogi wytrzymałościowe i jest zdolna do przenoszenia przewidywanych obciążeń bez ryzyka jego uszkodzenia. Symulacja uwzględniła obciążenie wynikające z masy kierowcy oraz pojazdu biorąc pod uwagę materiały użyte w prototypie.

W ostatecznym projekcie szczególny nacisk położono na:

• Zapewnienie stabilnej i komfortowej pozycji siedzącą z ustabilizowanymi nogami w strzemionach, 
• Dopasowanie siedziska do indywidualnych wymiarów Jana,
  Zastosowanie podparć dla pleców oraz miednicy (m.in. siedzenie kubełkowe, wkładki antyodleżynowe), 
• Zaprojektowanie elementów sterujących i informujących (specjalne projekty kierownicy: proj. Filip Kostkiewicz oraz proj. Monika Światłoń) 
• Umożliwienie łatwego utrzymania czystości konstrukcji pojazdu, 
• Zaproponowanie estetyki – łączącej nowoczesny design, podkreślającą funkcjonalność, przyjazność i bezpieczeństwo.

Pojazd został wyposażony w:

• Napęd elektryczny zapewniający cichą i ekologiczną jazdę, 
• Zasięg do 50 km w warunkach optymalnych, jednak w trudnym terenie może osiągać zasięg około 10 km – na jednym ładowaniu 
• Zoptymalizowaną geometrię pojazdu z przegubem pomiędzy przednią a tylną osią, dającą możliwość pokłonów przy skręcie (dostosowaną do specyficznych potrzeb użytkownika),
• Ręczny układ sterowniczy, umożliwiający intuicyjną obsługę, 
• Amortyzację dostosowaną do terenowej jazdy,
• Hamulce tarczowe na osi przedniej i tylnej.
• System oświetlenia LED zasilany napięciem 12V (przód i tył pojazdu).

Założenia były weryfikowane w trakcie rozwoju pracy i walidowane aż do momentu ostatecznego wykonania pojazdu.

Na zakończenie projektu przeprowadzono wieloetapowe testy prototypu, mające na celu ocenę praktycznej przydatności pojazdu dla osoby z niepełnosprawnością ruchową. Testy obejmowały:

• ocena podstawowej zdolności pojazdu do stabilnej jazdy po płaskiej powierzchni w optymalnych warunkach;
• testowanie pojazdu podczas jazdy na wprost, pokonywania zakrętów oraz dużych spadków terenu, co pozwoliło na ocenę funkcjonalności zawieszenia oraz pracy układu napędowego;
• sprawdzenie działania pojazdu przy zmiennych warunkach atmosferycznych.

Podczas testów eksperymentowano także z różnymi ustawieniami geometrii zawieszenia oraz parametrami pracy układu sterującego. Wyniki przeprowadzonych testów potwierdziły, że pojazd spełnia specyficzne potrzeby osoby z niepełnosprawnością ruchową oraz doskonale radzi sobie w trudnych warunkach terenowych.

Ostatnim etapem pracy było wykonanie prototypu, uwzględniającego wyniki zarówno symulacji obliczeniowych jak i testów (zwłaszcza w trudnym terenie), który wymagał sporo modyfikacji w celu zwiększenia bezpieczeństwa dla użytkownika. W tym momencie należy także wspomnieć o wspaniałym konstruktorze pojazdów elektrycznych – Janie Karpielu, który służył nam wsparciem przy realizacji ostatniego etapu pracy nad prototypem. Jego fachowa wiedza była bezcenna przy podejmowaniu ostatecznych decyzji. Również kontakt z inżynierami Politechniki Krakowskiej utwierdził nas w przekonaniu, że są prace które wymagają rozwiązań interdyscyplinarnych w celu uzyskania optymalnego efektu.

W przyszłości możliwe jest dalsze udoskonalanie konstrukcji oraz realizacja następnej wersji projektu z poprawkami wynikającymi z obserwacji i wniosków w trakcie użytkowania powstałego pojazdu. Inwestycja czasu i środków finansowych w podobne projekty ma możliwość znacząco poprawić mobilność osób z niepełnosprawnością, dając im kolejną szansę na normalne życie. Historia projektu dla Jana Folgi oraz zaangażowanie zespołu projektowego pokazują, że nowoczesne wzornictwo może zmieniać życie, czyniąc świat bardziej dostępnym dla wszystkich.

—
1. Wypowiedź na spotkaniu roboczym na WFP 2023.