بررسی‌ صدمات ناشی‌ از شتاب ایجاد شده در اثر ضربه بافر در آسانسور

سانسور به عنوان یک وسیله نوین در اختیار عموم مردم قرار دارد و در سطح گسترده ای در جهان در حال استفاده است. همانند هر وسیله نوین دیگری که در آن انسان در تعامل مستقیم با ماشین است، بحث های ایمنی فرد استفاده کننده مطرح می شود. در اینكار تحقيقاتي با به کارگیری نرم افزار تحليلي OpenSim 2.2.1 مدلی مناسب از بدن انسان جهت تحليل اثر ضربه بافر در آسانسور بر روي بدن ساخته شده است. همچنین نیروها و گشتاورهای ایجاد شده در بدن در اثر شتاب ناشی از ضربه بافر محاسبه شده است. با توجه به نتایج به دست آمده، به نظر می رسد تحقیقات دقیق تر و کامل تر در این زمینه برای حالت های خاص ضروری می باشد.
1- مقدمه
آسانسور همانند هر وسیله متحرک دیگری احتیاج به نوعی وسیله به عنوان ترمز یا نگهدارنده وسیله دارد. این کار در آسانسور در چهار مرحله انجام می شود. در مرحله ابتدایی نیروی محرکه موتور قطع می شود، سپس در مرحله دوم ترمزهایی در موتور فعال شده و جلوی چرخش موتور را می گیرد. در مرحله بعد سیستم اضطراری(Emergency Gear ) فعال شده و در نهایت سیستم بافر از برخورد اتاقک به انتهای چاله آسانسور جلوگیری می کند.
شرایط برخورد اتاقک آسانسور با بافر بعد از سقوط آزاد یکی از بحرانی ترین شرایطی است که ممکن است در آسانسور برای فرد استفاده کننده از آن اتفاق بیفتد، زیرا در این شرایط شتاب ناشی از برخورد، که شتاب زیادی است زیرا اتاقک باید در فاصله نسبتا کمی به سرعت سکون برسد، با شتاب جاذبه زمین جمع می شود. این شتاب سبب ایجاد نیروی زیادی در بدن فرد می شود. جهت تشخیص اینکه آیا این شرایط می تواند سبب آسیب شود یا خیر می بایستی تحلیلی روی میزان نیروها و شتاب های ایجاد شده در اثر این ضربه در مفاصل انجام شود. برای بررسی شرایط فوق، احتیاج به تجهیزات آزمایشگاهی نظیر آدمک (Dummy) ، دوربین فیلم برداری با فرکانس مناسب، صفحه ثبت نیرو (Force Plate ) و شتاب سنج دقیق می باشد. آدمک در واقع به جای انسان واقعی در اتاقک قرار گرفته و داده های سینماتیکی و دینامیکی از آن استخراج شده و مورد تحلیل قرار می گیرد. با توجه به اینکه امکانات فوق در دسترس نبود، سعی شد به عنوان شروعی برای تحلیل بیومکانیکی صدمات ناشي از ضربه بافر ناشي از آسانسور بر شخص در ايران، داده های مورد نیاز از مقاله ای دیگر [2] استخراج شده و مورد استفاده قرار گیرد.
مروری گذرا بر قوانین آسانسور[1] در ایران (وضع شده توسط موسسه استاندارد و تحقيقات صنعتي ايران) و همچنین قوانین آسانسور در اروپا نشان می دهد که در این قوانین شرایط زیر را به عنوان شرایط مطلوب برای ضربه گيرهاي نوع ذخيره ساز انرژي با خصوصيات غير خطي در آسانسور در نظر گرفته است:
الف – ميانگين شتاب حركت كند شونده كابين زماني كه با بار نامي و با سرعتي معادل 115% سرعت نامي در حالت سقوط آزاد با ضربه گير برخورد مي كند، نبايد از gn 1 بيشتر باشد .
ب – حركت كند شونده با شتابي بيش از gn 2/5 ، نبايد طولاني تر از 04/0 ثانيه گردد .
که در آن gn شتاب جاذبه زمین است.
این قوانین سالها پیش در اروپا وضع شده است و بعد از آن در ایران ثبت شده است. بسیاری از قوانین وضع شده در اروپا در زمینه آسانسور دارای علت مشخصی نیستند و علت وضع آنها کاملا واضح بیان نشده است. از طرفی پیشرفت تکنولوژی و ساخت مواد و مکانیزم های جدید و تغییرات شگرف در سرعت ها و شتاب های قابل استفاده در آسانسور ها، نیاز به پیش بینی و وضع قوانین جدید را ضروری کرده است.
از جمله مواردی که جای خالی آن به شدت در این قوانین دیده می شود، پیش بینی شرایط خاص می باشد. از جمله این موارد خاص می توان به بیمارستان ها اشاره کرد. با توجه به استفاده آسانسور توسط کاربرهای خاص نظیر خانم های باردار، افراد دچار ضایعه نخاعی و یا افرادی که دچار پوکی استخوان هستند، تحقیقی جدی و دقیق در این زمینه ضروری به نظر می رسد.
محققان معتقدند که ناحیه سینه ای ستون مهره ها و مهمتر از آن ناحیه کمری ستون مهره ها در معرض جدی ترین صدمات در این شرایط قرار دارند، زیرا بحرانی ترین نیرو ها و گشتاور ها را در این ناحیه از بدن مشاهده می کنیم. [2]
هدف از این تحقیق استخراج گشتاور و نیرو های ایجاد شده در مفاصل بدن در شرایط مذکور با استفاده از تحلیل بیومکانیکی بدن می باشد.
2- روش کار
برای به دست آوردن داده های مورد نیار، با توجه به عدم دسترسی به امکانات لازم، سعی شد تا با تقریب قابل قبولی اعداد مورد نظر از مقاله دیگری[2] استخراج شده و با اعتماد به تست انجام شده در آن، از داده های فوق استفاده شود.
در تست انجام شده در مقاله مورد بررسی از یک آدمک استاندارد ( Hybrid III Dummy ) برای تست های برخورد در ماشین استفاده شده است. برای انجام تست فوق تغییراتی در ناحیه زانو برای این آدمک پیش بینی و در آن اعمال شده است تا توانایی پاسخ دهی مناسب به برخورد عمودی را پیدا کند.
زانوی آدمک تا لحظه برخورد مهار شده و ثابت بوده است و در لحظه برخورد، نگهدارنده های زانو آزاد شده و زانو حرکت طبیعی خود را انجام داده است. علت این امر جلوگیری از حرکت زانو پیش از ضربه و جلوگیری از تحلیل اشتباه در حین ضربه است. همچنین برای حفظ تعادل آدمک، کف پا ها به انتهای اتاقک آسانسور متصل است و قدرت جابجایی ندارد.
در این تحقیق شتاب کاهنده وارد بر اتاقک در اثر کارکرد بافر موجود می باشد. برای استفاده از شتاب فوق، از برنامه های عددی کردن تصویر می توان استفاده کرد و داده ها را استخراج کرد. شکل 2 که از مقاله فوق استخراج شده است نشان می دهد که آسانسور فوق، قوانین مربوط به شتاب را رعایت کرده است.
داده مورد نیاز دیگر، سینماتیک حرکت فرد می باشد که برای استخراج گشتاورها و نیروهای داخل مفاصل ضروری می باشد. این اطلاعات نیز در 6 فریم ارائه شده است که در مجموع 500 میلی ثانیه زمان را پوشش داده است. با توجه به اینکه برای استفاده از این داده ها و استخراج نتایج بهتر به داده های بیشتری احساس نیاز می شد و اینکه حرکت بدن دارای پیوستگی است، سعی شد تا با ابزارهایی که در اختیار بود، داده های بیشتری استخراج شود. ابتدا از روی شکل 3 که در مقاله مورد استفاده آمده است، داده های قسمتهای مختلف روی بدن فرد استخراج شد و سپس اعداد بیشتر ،در واقع داده با فرکانس بالاتر از 12 فریم در ثانیه که در مقاله اصلی ارائه شده است، به دست آمد.
با استفاده از داده های آزمایشگاهی که از روی مقاله فوق الذکر به دست آمد وارد مرحله شبیه سازی نرم افزاری شدیم. در این مرحله از نرم افزار OpenSim 2.2.1 كه در زمینه آنالیز حرکت بدن انسان می باشد استفاده نموده ايم. بعد از انتخاب مدل مورد نظر و قرار دادن مارکر های مناسب با داده های استخراج شده از مقاله مرجع، با وارد کردن داده ها به نتایج مورد نظر دست پیدا کردیم.
در نرم افزار OpenSim 2.2.1 ابتدا می بایست تحلیل سینماتیک معکوس(Inverse Kinematics ) بر روی مدل انجام شود. در این مرحله نرم افزار داده های سینماتیکی که از شکل 3 استخراج شده است را دریافت کرده و مقدارهای مختصات تعميم يافته (Generalized Coordinates) را برمی گرداند [3].
در مرحله بعد برای به دست آوردن مقدار نیروها و گشتاورها در مفاصل، احتیاج به تحلیل دینامیک معکوس (Inverse Dynamics ) داریم. در این قسمت با استفاده از تحلیل کلاسیک حرکت داریم:
محدودیتهایی که در این تحقیق وجود داشته است در سه دسته زير قرار دارند:
1- آزمايشات بر روی آدمک انجام شده است. در صورتی که برای دستیابی به اعداد واقعی می بایست آزمايشات بر روی انسان واقعی انجام شود. نتايج حاصل از آزمايشات با معیارهای انسانی همخواني كامل ندارد. لذا مي بايست مدلهای ساخته شده را جهت نزدیک شدن هرچه بیشتر به حالت واقعی انسان تكميل نمود.
2- آدمک استفاده شده Hybrid III ، با تغییراتی در ناحیه زانو، بوده است. این آدمک در واقع برای برخوردهای افقی طراحی شده است و برای انجام تست برخورد عمودی نیاز به آدمک طراحی شده برای اینگونه برخورد احساس می شود.
3- مدل استفاده شده در نرم افزار، شرایط کامل برای یک انسان را در نظر نگرفته است و به مانند هر مدلسازی دیگری تقریبهایی به کار برده است که باعث ایجاد خطاهایی در تحلیل می شود.
3-نتایج
هدف اصلی از این تحقیق بدست آوردن گشتاورهای مفاصل و نیروهای ایجاد شده و در صورت امکان مقایسه آن ها با معیارهای بیومکانیک صدمات (Injury Biomechanics ) بوده است.
همانطور که مشاهده می شود در اثر ضربه بافر ممان بزرگی در سه مفصل مهم از بدن ایجاد می شود. همچنین در ناحیه لگن نیروی عمودی وارد بر بدن در اثر حرکت بدن به میزان قابل توجهی بی اثر شده است.
4-بحث و نتیجه گیری
در این تحقیق بررسی ممان ها و نیروهای وارد بر بدن در اثر شتاب ناشی از ضربه بافر بررسی شد. شبیه سازی انجام شده در نرم افزار OpenSim 2.2.1 با داده های آزمایشگاهي انجام شده بر روی آدمک تجهيز شده (Hybrid III Dummy )، صورت پذیرفته است.
مقایسه نتایج حاصله از نيرو ها و گشتاور هاي وارده بر مفاصل شخص واقع در آسانسور در هنگام ايجاد ضربه بافر با معیارهای بیومکانیک صدمات مشخص مي نمايد که احتمال آسیب در بدن شخص وجود دارد. نتايج نشان مي دهند كه به خصوص در ناحیه مچ پا و کمر این اعداد بحرانی تر هستند. البته نیروی وارد بر لگن به میزان قابل توجهی کمتر از معیارهای آسیب می باشد. با توجه به اینکه این تحلیل برای فرد سالم انجام شده است، این ضربه وارده از طرف آسانسور به شخص مي تواند برای افرادی که دارای بیماری خاصی نظیر پوکی استخوان و یا ضایعه نخاعی باشند، صدمات جبران ناپذیری را ایجاد کند. همچنین افراد سالمند و خانم های باردار نیز جزوه گروه هاي آسيب پذير در شرايط ذكر شده در فوق مي باشند كه تحليل و پيش بيني صدمات احتمالي ناشي از ضربه بافر آسانسور بر آنها نيز ضروری مي باشد.
با توجه به نتايج فوق به نظر می رسد که تعيين و بكارگيري استانداردهاي ويژه برای آسانسورهايي كه در محلهاي خاص نظير بيمارستان ها و يا محلهايي كه افراد سالخورده زياد تردد دارند ضروري مي باشد.
5- مراجع
[1] آسانسور- ضربه گير- ويژگيها، موسسه استاندارد و تحقيقات صنعتي ايران،استاندارد ملي ايران-7986، چاپ اول
[2] Funai, K. , Van Schigndel-De Nooig, M., Van Nunen, E., “Influence of Elevator Acceleration Induced Loading On Injury Levels”, Lift REPORT. May 2010
[3] OpenSim User’s Guide, Release 2.2, September, 2010
[4] Nauham, A.m., Melvin, J.M. “Accidental Injury”, Springer, 2001, 642pp
[5] Hall, G. W. “Biomechanical Characterization and Multibody Modeling of the Human Lower Extremity”, Dissertation University of Virginia, 1998
[6] “Dynamic Characteristics of the Human Cervical Spine.” SAE World Congress, SAE 952722, 1995