Branchenstimme: Lösungen für die gefährlichen Auswirkungen des Schwingens von Hubseilen

David Reineke, Kyle Nguyen, Luyi Tang und Mary Lanzerotti von der Virginia Tech sowie Walter Lacarbonara von der Universität Sapienza in Rom entwickeln und testen eine neue Methode, um die Gefahr unerwünschter Hubbewegungen zu verringern und zu beseitigen, indem sie Änderungen im Winkel und in der Winkelgeschwindigkeit nutzen

Die Stabilisierung von Hubschraubernutzlasten bei medizinischen Evakuierungsrettungen kann aufgrund der schwingenden oder komplexeren konischen Bewegung des Patienten eine anspruchsvolle Aufgabe sein. Das Schwingen des Hebeseils kann gefährliche Auswirkungen haben, einschließlich Verlust der Nutzlast, Kontakt mit der Seite des Hubschraubers und längere Zeit für Such- und Rettungseinsätze. Ziel ist es, die Schwingungen der Schaukel – ähnlich einem Pendel – zu reduzieren, um den Patienten schnell und sicher vom Hebeort in den Helikopter heben zu können, um ihn anschließend schnellstmöglich zu einer medizinischen Einrichtung zu transportieren.

Helikopter-Hebezeug- und Windenschulungen für Such- und Rettungseinsätze (SAR) und medizinische Evakuierung (Medevac) werden von vielen Organisationen unter Verwendung traditioneller Methoden und Techniken angeboten. Einige Firmen fertigen und liefern Geräte für sicheres Heben und bieten Hebezeugschulungen an, beispielsweise Breeze-Eastern, das in seinem Werk in Whippany, New Jersey, betriebsinterne Hebezeugwartungsschulungen anbietet. Andere sind auf betriebliche Schulungen spezialisiert, beispielsweise Luftrettungssysteme, Prioritäts-1-Luftrettung und SR3-Rettungskonzepte. Der Großteil der Medevac-Ausbildung des US-Militärs findet in Fort Novosel (früher bekannt als Fort Rucker) in Alabama für Piloten, Hebezeugführer (Crew Chiefs) und Hebezeugfahrer (Sanitäter) statt, wobei Sanitäter auch in Fort Sam in Houston, Texas, eine spezielle Ausbildung erhalten . Und es gibt Unternehmen, die vollständig integrierte haptische virtuelle Schulungen anbieten, wie Bluedrop Simulation & Training. Es gibt auch Unternehmen, die einzigartige Lösungen für Kabelschwingen und -drehen anbieten, wie etwa Vita Inclinata, deren Vita Rescue System Litter Attachment mit Gurten und Schnellklemmen an der Nutzlast befestigt wird und zwei Antriebssysteme und ein Schubvektorsystem zur direkten Steuerung verwendet die Bewegung eines Wurfes.

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Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass es möglich ist, eine zweidimensionale Stabilisierung zu erreichen und sogar eine dreidimensionale Lösung zu erforschen, indem man davon ausgeht, dass man sich gleichmäßig über dem Patienten befindet. Bei dieser Methode wird die Länge der Nutzlastleitung entsprechend der Bewegung der Leitung und spezifischen Einschränkungen präzise variiert und dabei auf Prinzipien der nichtlinearen Pendeldynamik zurückgegriffen. Die praktische Anwendung dieser Methode besteht darin, den Winkel und die Schwingung der Nutzlast genau zu messen und dann die Länge der Leine direkt zu steuern. Die Physik hinter der Nutzlaststeuerung verkürzt die Linie, wenn die Nutzlast in der Nähe ihres höchsten Punktes im Schwung am langsamsten ist. Die Leine kann auch verlängert werden, wenn sich die Nutzlast in der Nähe des unteren Endes der Schaukel befindet. Mithilfe eines automatischen Stabilisierungssystems mit geringer Größe, geringem Gewicht (<0,5 kg) und Leistung an der Nutzlast, das per Knopfdruck am Hebezeug aktiviert und deaktiviert werden kann, ist dieser Ansatz vielversprechend für medizinische Evakuierungsrettungen.

Ian Azeredo, Chefingenieur bei Breeze-Eastern, erklärte, welche Auswirkungen dies auf die Gemeinschaft haben wird: „Das bedeutet ... ist ein zukünftiges, nicht-invasives Mittel zur Steuerung des Einrollens von Hebezeugen ohne nennenswerte Eingabekontrolle durch den Hebezeugführer. Oder ein gutes Hilfsmittel zum Training dynamischer Hubbewegungen.“

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Das Systemdesign für das Gerät und die Testergebnisse wurden am 19. Juni 2023 auf der Third International Nonlinear Dynamics Conference (NODYCON 2023) vorgestellt, und das Papier des Teams wird im Tagungsband veröffentlicht. Benutzerdaten werden in das System eingegeben und ein Gyroskop sendet Winkel- und Winkelgeschwindigkeitsdaten an einen Arduino Uno, der über Bluetooth ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM) an die Motorsteuerung sendet, um den Motor anzutreiben. Die Motorhalterung hält die Winde und den Motor, und der Arduino Uno-Mikrocontroller versorgt das System über einen angeschlossenen Akku mit Strom.

David Creech, CEO von Vertical Lift Consulting, erklärte: „Seilschwingungen und konische Drehungen (Oszillationen) sind bei Helikopter-Rettungsaufzügen sehr reale Gefahren.

„Während eine angemessene Schulung sowohl proaktive als auch reaktive Maßnahmen zur Verhinderung eines katastrophalen Ereignisses vermittelt, besteht immer die Möglichkeit einer schnellen Eskalation der Kabelbewegung, die über die manuellen Kontrollfähigkeiten des Hebezeugführers hinausgeht.

„Eine automatisierte Methode zur Hebezeugstabilisierung – wie sie von Mary Lanzerotti und ihrem Team am Virginia Polytechnic Institute vorgeschlagen wurde – wäre nicht nur als reaktive Maßnahme für weniger erfahrene Hebezeugbetreiber sehr effektiv, sondern auch als proaktive/präventive Maßnahme für Hebezeugbetreiber alle Fähigkeitsstufen.“

Der nächste Schritt für dieses neuartige Design wird darin bestehen, die Wirkungsweise mit längeren Leitungen und in Außenumgebungen weiter zu testen. Rozzy Finn, Licensing Officer bei Virginia Tech Innovation and Partnerships, erklärte: „Ich sehe großes Potenzial für das vom Team entwickelte Hubstabilisierungssystem; Es ist eine elegante Idee, die nach ihrer Umsetzung großes Potenzial hat, Leben zu retten. Ich freue mich darauf, bei der Kommerzialisierung dieser Technologie mitzuhelfen, und bin gespannt, wie sie eingesetzt wird.“

David Reineke schloss sein Studium an der Virginia Tech im Dezember 2022 mit einem Bachelor-Abschluss in Steuerung, Robotik und Autonomie am Bradley Department of Electrical and Computer Engineering ab.

Kyle Nguyen schloss im Mai 2023 sein Studium an der Virginia Tech mit einem Bachelor-Abschluss in Netzwerken und Cybersicherheit am Bradley Department of Electrical and Computer Engineering ab.

Luyi Tang schloss im Dezember 2022 sein Studium an der Virginia Tech mit einem Bachelor-Abschluss in Steuerung, Robotik und Autonomie am Bradley Department of Electrical and Computer Engineering ab.

Mary Lanzerotti ist College-Assistenzprofessorin am Bradley Department of Electrical and Computer Engineering der Virginia Tech (Blacksburg, Virginia). Sie erhielt einen AB summa cum laude vom Harvard College (Cambridge, MA), einen MPhil von der University of Cambridge (UK) und einen MS und PhD von der Cornell University (Ithaca, NY).

Walter Lacarbonara ist Professor für nichtlineare Dynamik an der Universität Sapienza und Direktor des Sapienza Center for Dynamics. Während seiner Graduiertenausbildung erwarb er einen MS in Bauingenieurwesen (Universität Sapienza) und einen MS in technischer Mechanik (Virginia Tech, USA) sowie einen Doktortitel in Bauingenieurwesen. Seine Forschungsinteressen umfassen nichtlineare Dynamik; Vibrationskontrolle; Metamaterialien; Nanokomposite; asymptotische Techniken; experimentelle Dynamik. Er ist Chefredakteur von Nonlinear Dynamics. Er war Vorsitzender des ASME TC MSND, Co-Vorsitzender der IDETC-Konferenzen ASME 2013 (Portland) und 2015 (Boston) und Vorsitzender von NODYCON in den Jahren 2019, 2021 und 2023 (www.nodycon.org).