Nauki ścisłe [2023-02-24]

Gdzie oczy poniosą

— Marcin Behrendt

Tani pojazd dla osób z niepełnosprawnościami sterowany wzrokiem, do wykonania w formule do it yourself (zrób to sam), zaprojektował Krzysztof Lingo, student analizy danych na Wydziale Matematyki i Informatyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.

Projekt skierowany jest do osób o wysokim stopniu niepełnosprawności, co odróżnia go od większości rozwiązań oferowanych na rynku, np. wózków elektrycznych, sterowanych dłonią za pomocą joysticka. – Chcieliśmy stworzyć rozwiązanie, z którego będą mogły korzystać osoby, które w wyniku np. stwardnienia rozsianego straciły sprawność: kiedyś mogły chodzić, a teraz nie są w stanie poruszyć nawet palcem – tłumaczy Krzysztof Lingo. – Poza tym dostępne dziś rozwiązania są w większości przestarzałe, a jeśli już są nowoczesne, to ze względu na szereg wymaganych atestów ich ceny są bardzo wysokie. Gdyby ktoś chciał kupić podobny wózek od renomowanej firmy, musiałby pewnie wyłożyć około 60 tys. zł. Dzięki formule "zrób to sam" może mieć podobne rozwiązanie, płacąc za nie 20 razy mniej.

Budowa pojazdu obejmuje dwa etapy.

Pierwszy to konwersja zwykłego wózka inwalidzkiego w wózek elektryczny. – To bardzo proste. Każda osoba, nawet o niewielkich zdolnościach technicznych, jeżeli wyprodukuje zaprojektowane przez nas moduły, będzie w stanie zrobić to sama – informuje Lingo współpracujący przy projekcie z Wojciechem Sójką, inżynierem elektronikiem i programistą, absolwentem Politechniki Gdańskiej.

Dokumentacja techniczna pozwalająca na odtworzenie innowacji, zostanie udostępniona w internecie po zakończeniu testów (koniec lutego). Każda osoba zainteresowana samodzielnym odtworzeniem innowacji, będzie mogła pobrać instrukcję montażową, listę części, pliki z modelami do wydruku 3D i rysunki techniczne. W zależności od rodzaju części użytkownik, będzie mógł je bezpośrednio kupić w sklepie (80% części), wykonać samodzielnie lub zlecić wykonanie firmom, np. zakładom ślusarskim, które specjalizują się m.in. w gięciu blach.

- Uprościliśmy całą produkcję, tak aby komponenty wymagające od odtwarzającego więcej niż przykręcenia śruby czy wywiercenia otworu, były możliwe do zlecenia do wykonania firmom zewnętrznym – tłumaczy Lingo. – Specjaliści odpowiednio przygotują elementy, dzięki czemu osoba składająca będzie musiała jedynie odpowiednio złożyć dwie blaszki, przykręcić silnik, koła i akumulatory. Tym prostym sposobem wózek zostanie przekonwertowany na elektryczny.

Drugim etapem odtwarzania innowacji jest montaż/budowa układu sterowania. Układ złożony jest z płytki PCB, czyli układu elektronicznego z zamontowanymi i odpowiednio połączonymi komponentami oraz mikrokomputera, dość popularnego w elektronice. 

Zdecydowaliśmy się na takie rozwiązanie, a nie np. na aplikację mobilną, bo uważamy, że mniej znaczy lepiej – wyjaśnia Lingo. – Osoby z niepełnosprawnością mają różne telefony. Niektórzy dużo lepsze niż ten mikrokomputer, ale inni mogą mieć urządzenia, które nie będą działały z całym systemem. Dlatego to, co możemy, wolimy ustandaryzować. Kupujemy znormalizowane części m.in. po to, żeby gdy jeden producent przestanie produkować daną część, można było iść do innego.

Najistotniejszą częścią projektu jest algorytm służący do przetwarzania ruchu gałek ocznych na odpowiedni sygnał do sterowania silnikami. – Jest to algorytm uczenia maszynowego, wykrywający położenie gałki ocznej oraz to, czy ktoś mrugnął czy nie – mówi Lingo. – Samo sterowanie jest bardzo proste: osoba na wózku patrzy na dany obiekt, zamyka oko na około pół sekundy i w ten sposób potwierdza, że chce jechać np. w prawo pod kątem 70 stopni. Jeśli chce się zatrzymać, zamyka powieki na około półtorej sekundy. Czas zamkniętych powiek, jako wyznacznik poprawnego ruchu, jest nadal doprecyzowywany i dostosowywany - kiedy sami testujemy nasze rozwiązania, wiele rzeczy nam nie przeszkadza, bo mamy sprawne wszystkie mięśnie. Osoby z niepełnosprawnościami mogą odczuwać to inaczej i mieć inny czas reakcji, ważne, aby dopasować rozwiązanie do ich potrzeb.

Projekt wymagał też szeregu prac obliczeniowych. Na początek przeprowadzone zostały obliczenia wytrzymałościowe, m.in. czy dany element przy danym ciężarze nie ulegnie zniekształceniu. Następnie przeprowadzone zostały obliczenia mające na celu ustalenie odpowiedniej prędkości obrotowej, czyli tego, jak szybko kręcą się koła. – Wyprowadziliśmy różne funkcje arytmetyczne zamieniające ruch kątowy oka na ruch kątowy wózka – tłumaczy Lingo. - Komputer dostaje sygnał, że oko przemieściło się o 15 stopni, więc i wózek powinien przemieścić się o 15 stopni. Żeby tak się stało, wymagane jest aby prawe koło wykonało półtora obrotu. To jest właśnie ta najważniejsza zależność: na ile obrotów koła przekłada się dany kąt oka.

Gdy projektanci dwa lata temu zaczynali prace nad pojazdem, szacowali, że koszt budowy wózka wyniesie około 1,8 tys. zł. Obecnie cena wzrosła do około 3,3 tys. zł. To efekt tego, że część komponentów jest sprowadzana z zagranicy i wrażliwa na kurs dolara.

Aby instrukcja budowy pojazdu trafiła do sieci, wózek musi przejść szereg testów. Dlatego projektanci szukają osób najlepiej o wysokim stopniu niepełnosprawności, które chciałyby sprawdzić jego możliwości. Ważne jest to, aby miały pełną kontrolę intelektualną oraz fizyczną nad gałkami ocznymi.

Każdy nowy tester na staracie zostanie zaproszony do gry sprawdzającej, w jaki sposób potrafi kontrolować ruch oka. Ma ona też oswoić przyszłych użytkowników pojazdu z algorytmem i układem mechanicznym. Osoba z niepełnosprawnością zakłada gogle z kamerą, żeby wiedzieć, jak steruje się wózkiem, i mieć pewność, że jak spojrzy w prawo, to wózek pojedzie w prawo.

Tester na około trzytygodniowy okres prób dostaje pojazd za darmo. Powinien codziennie, chociaż przez chwilę, korzystać z wózka, a na pierwszy spacer wybrać się z opiekunem. – To nadal jest prototyp, i choć dopracowany, wszystko może się zdarzyć – zastrzega Lingo.

Projekt pojazdu dla osób z niepełnosprawnościami sterowany wzrokiem to nie pierwszy wynalazek duetu Lingo-Sójka. Wszystko zaczęło się w 2021 r. od parapontonu. – To jednoosobowy ponton dla niepełnosprawnych – mówi Lingo. – Stwierdziliśmy że trzeba stworzyć narzędzie służące integracji osób pełnosprawnych z niepełnosprawnymi, bo na razie jest tak, że podczas gdy zdrowe dzieci bawią się w wodzie, dziecko na wózku siedzi na brzegu.

Projekt został dobrze przyjęty, ale trafił do "zamrażarki". Jego autorzy przygotowali nowe generacje prototypów, ale jeszcze nie zaprezentowali ich światu.

Między stworzeniem prototypu a wprowadzeniem pełnego rozwiązania, które jest przetestowane, sprawdzone i gotowe do seryjnej produkcji, jest ogromna różnica – zauważa Lingo.

Duet opracował też projekt podnośnika do wózków inwalidzkich, który ma wspomagać opiekunów w opiece nad niepełnosprawnymi oraz inteligentny organizer do leków przeznaczony do zdalnej opieki nad osobami z niepełnosprawnościami lub starszymi. Prace młodych projektantów są finansowane z europejskiego funduszu Wiedza, Edukacja, Rozwój.

Osoby zainteresowane skorzystaniem z projektu zapraszamy do wypełnienia formularza.

- Krzysztof Lingo – student studiów magisterskich na kierunku analiza danych (UMK), absolwent studiów inżynierskich z zakresu mechaniki i budowy maszyn na Politechnice Poznańskiej. Od początku studiów aktywnie działa jako członek różnych kół naukowych. Przez rok pełnił rolę lidera zespołu PUTrain (zajmującego się budową lokomotywy w skali 1 do 5,5), opracowana przez ten czas konstrukcja pozwoliła mu zdobyć szereg nagród w międzynarodowym konkursie Railway Challenge. Ma na koncie również liczne osiągnięcia w konkursach krajowych:

- w 2020 r. zdobył wyróżnienie w konkursie Centralnego Portu Komunikacyjnego w kategorii Innowacje Społeczne,

- w 2021 r. wraz z Wojciechem Sójką zajął drugie miejsce w kategorii LifeScience w konkursie KOKOS,

- w 2022 r. zajął pierwsze miejsce w kategorii Railway oraz tytuł Herosa Konstrukcji w konkursie KOKOS,

- w 2022 r. zajął 1 miejsce w Hack(art)honie za stworzenie aplikacji Artify. "Artify", jest narzędziem dla nauczycieli, które poprzez gamifikacje i zastosowanie sztucznej inteligencji pozwala na kreatywne i interaktywne nauczanie o malarzach i ich obrazach,

- w roku akademickim 2021/2022 otrzymał tytuł "Najlepszego Studenta UMK".

Na co dzień razem z Wojciechem Sójką tworzy innowacyjne rozwiązania techniczne przeznaczone dla osób z niepełnosprawnościami oraz pracuje nad rozwojem start-upu "Sojgo" skupionego na tworzeniu aplikacji rozwiązujących problemy zróżnicowanych grup społecznych.