Tài liệu ỨNG DỤNG ERGONOMICS VÀO THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE LĂN ĐIỆN

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 ỨNG DỤNG ERGONOMICS VÀO THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE LĂN ĐIỆN APPLICATION OF ERGONOMICS IN THE DESIGN AND FABRICATION OF ELECTRIC WHEELCHAIR SVTH: Võ Thịnh Bảo1, Lưu Quốc Kỳ1 Nguyễn Minh Sang2, Đặng Văn Tuấn2 Lớp: 107CLC1, 208CLC1, Khoa Chất Lượng Cao, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng ERGONOMICS vào thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một chiếc xe lăn điện với nhiều tính năng phục vụ cho người tàn tật và người già trong sinh hoạt hàng ngày. Tập trung vào các cơ cấu truyền chuyển động của xe lăn nhằm đảm bảo các yếu tố: tiện nghi - hiệu quả - an toàn - dễ sử dụng. Bộ ly hợp độc đáo tạo yếu tố dễ dàng khi chuyển đổi các chế độ chuyển động chính của xe lăn. Cơ cấu xoay tựa lưng, nâng hạ chân và tựa đầu tạo sự phối hợp hài hòa giữa cơ thể người và xe. Phần ghế ngồi được thiết kế cửa đóng mở cho bô vệ sinh tăng tiện lợi khi sử dụng. Tất cả các chuyển động của xe được điều khiển bằng một cần điều khiển (Joystick) duy nhất. ABSTRACT The purpose of this research is to make of ERGONOMICS in designing and manufacturing a complete electric wheelchair with many functions supporting handicapped and elderly people in daily activities. The focuses is on the mechanical mechanisms of the wheelchair to ensure safetiness, effectiveness, user-friendliness and comfortableness. The original clutches facilitate smooth toggling between diferent moving modes of the wheelchair. Swivel-reclining back-rest, footrest and head-rest mechanism facilitate harmonious coordination between the sitter’s body and the vehicle. The seat is designed with open window for stool-container. The wheelchair’s motions are controlled by a joystick. 1. Đặt vấn đề: Theo báo cáo của Bộ Lao động Thương Binh Xã hội (năm 2010), số người khuyết tật ở Việt Nam là khoảng 5,4 triệu người chiếm 6,34% dân số. Trong đó số người mất khả năng đi lại chiếm 18%, số người cao tuổi khoảng 8,6 triệu người chiếm 9,78% dân số. Đối với họ có một phương tiện giúp họ di chuyển dễ dàng và giúp họ cảm thấy thoái mái trong sinh hoạt hàng ngày là một điều rất cần thiết. Hiện nay, một số công ty đã bán ra thị trường nhiều loại xe lăn: xe lăn bằng tay, xe lăn bằng điện... Tuy nhiên, giá thành của những chiếc xe này thường cao hơn nhiều so với mức thu nhập bình dân của người sử dụng và các tính năng của xe chưa thực sự đáp ứng được hết các nhu cầu sử dụng. Vì vậy thiết kế chế tạo một chiếc Xe Lăn Điện với nhiều tính năng tích hợp theo nguyên tắc ERGONOMICS sẽ giúp cho người khuyết tật và người già cảm thấy thoải mái về tinh thần - khỏe về thể chất và thấy có ý nghĩa hơn với cuộc sống. 2. Giới thiệu tổng quan: Nhóm tập trung nghiên cứu các cơ cấu truyền chuyển động bánh xe bằng ly hợp, cơ cấu xoay ghế tựa lưng, cơ cấu nâng hạ chân, đóng mở bô vệ sinh. Toàn bộ thiết kế cơ khí 1 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 của xe sẽ sử dụng đa dạng các cơ cấu truyền động cơ khí khác nhau: truyền động xích, trục vít - bánh vít, tay quay-con trượt... Tất cả được mô phỏng trên phần mềm Pro/Engineer. Thiết kế mạch điều khiển tự động sử dụng các tính năng của PIC16F877A, đồng thời xác định các chuyển động được điều khiển bằng một cần điều khiển (Joystick) duy nhất. 3. Nội dung : 3.1 Giới thiệu về ERGONOMICS : - Ergonomics (lao động học, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp là Ergon (lao động) và nomos (quy tắc, quy luật)): là khoa học nghiên cứu về lao động và sự phù hợp với sức khỏe người lao động cả về mặt thể chất lẫn tinh thần trong sự chi phối của các yếu tố liên quan. - Nhiệm vụ cơ bản của Ergonomics là phải làm sao dự phòng được mệt mỏi trong lao động và các biến đổi bệnh lý, tai nạn và bệnh tật có liên quan ở người lao động đặc biệt là các bệnh ở hệ thống vận động và giác quan. - Nguyên tắc chung của Ergonomics (nguyên tắc tam giác): Hiệu quả - thoải mái về tinh Hình 1: nguyên tắc tam giác của Ergonomics thần - khỏe mạnh về thể chất (hình 1). 3.2 Tính toán thiết kế kỹ thuật : 3.2.1 Tính toán công suất động cơ chính: Trọng lượng bản thân xe G0 = 700 N, trọng lượng người tối đa G = 500 N, vận tốc tối đa 12 km/h. Lực kéo tiếp tuyến các bánh xe chủ động (hai bánh xe lớn) của xe sử dụng để khắc phục các lực : lực cản lăn Fl, lực cản dốc Fd, lực cản của gió Fg, lực quán tính Fa, lực ma sát trong cổ trục bánh xe Fct. Toàn bộ lực đặt lên bánh xe là : Fc  Fl  Fd  Fg  Fct  Fa (1) Tính khi xe lên dốc 150 : Fld  (G  G0 ). f .cos  17,39 N , f  0,015 (2) Fd  (G  G0 ).sin   310,6 N (3) Khi xe chạy trên đường bằng phẳng với vận tốc tối đa: Fg  C  g 2 2 q.v  0,1qv  21, 04 N Fct  (G0  G ).. Rct  6N Rb Fl  (G  G0 ). f  18N (4) (5) Fa  (G  G0 ).a  120 N , a  0,1(m / s 2 ) (7) (6) Do các lực này không xảy ra cùng lúc, nên lực cản trong các trường hợp là : Fld  Fld  Fd  327,99 N Fl , g ,ct  Fl  Fct  Fg  45,04 N (8) Fl , g ,ct ,a  Fl  Fct  Fg  Fa  146 N (10) Cân bằng công suất động cơ ở tốc độ tối đa, công suất cản là : Ne  150,13(W ) Công suất cực đại yêu cầu của động cơ : N ect = Ne /   187,66[W ](  80%) 2 (11) (9) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 Chọn động cơ ứng với công suất cực đại : Ne max  (1,1  1, 25).Nect  206, 43  234,58[W ] (12) Chọn 2 động cơ điện công suất 150 W. 3.2.2 Chọn ắc quy : Ắc quy dùng cung cấp cho xe là loại ắc quy 12V-20Ah .Dung lượng điện mà ắcquy có thể cung cấp cho xe chạy trong phạm vi 20  30 (km). Thời gian sạc đầy bình cho ắc quy từ 4  6(h). 3.2.3 Tính toán sơ bộ kích thước các bộ phận xe theo nguyên tắc ergonomics : Phần khung xe: phần khung được thiết kế với những thông số tiêu chuẩn, phù hợp với thể trạng trung bình của người Việt Nam : khoảng cách từ mặt đất lên trục bánh xe khoảng 0.28m-0.45m, chiều cao phần gác tay so với mặt đất từ 0.67m-0.72m, chiều cao phần tựa lưng khoảng 0.99m1.08m, chiều cao tổng thể cả phần tựa đầu từ 1.28m-1.49m (hình 2), các phần của khung có thể tháo lắp dễ dàng để điều chỉnh hoặc để sử dụng vào các mục đích khác khi Hình 2: Thông số kỹ thuật của xe xảy ra sự cố. Góc xoay ngả lưng nằm trong khoảng 0-450, góc nâng hạ chân nằm trong khoảng 0-900, là góc độ đảm bảo sự thoải mái nhất cho từng thể trạng người sử dụng. 3.3 Hệ thống điện và điều khiển : 3.3.1. Bố trí hệ thống điện : Điện năng cung cấp cho xe là dòng một chiều được lấy từ ắc quy. Lượng điện năng này được dùng để chạy các động cơ điện một chiều thông qua các cơ cấu truyền động: trục vít, xích tải, con trượt. Ngoài ra điện năng còn được dùng để cung cấp cho các bộ phận cảnh báo tín hiệu: còi, đèn chiếu sáng, đèn xi nhan. Nhằm đạt được sự linh hoạt và chính xác khi điều khiển thì phần mạch điện được chia thành các module nhỏ. Các module này thực hiện các chức năng riêng biệt. Chúng thực hiện truyền thông tin với nhau theo giao thức chủ - tớ. 3.3.2. Thiết kế mạch điện điều khiển : Xe sử dụng các mạch điện điều khiển tốc độ và mạch đảo chiều quay của động cơ bao gồm: mạch cầu H, các mạch cảnh báo, mạch bảo vệ, mạch điều chỉnh tốc độ động cơ… 3.3.3. Thiết kế cần điều khiển (Joystick): Joystick (hình 3) được thiết kế gồm: - 02 biến trở được bố trí theo kiểu tọa độ Đề các vuông góc OXY dùng để điều khiển chuyển động chính của xe. Khi kéo cần điều khiển của joystick về phía trước dọc theo trục OY thì điện trở giảm, điện áp qua biến trở vào các chân Analog của vi điều khiển tăng, từ đó đưa ra các giá trị số cho chân PWM tăng dẫn đến độ rộng của xung tăng làm cho xe chuyển động nhanh dần về phía trước. Ngược lại khi cần điều khiển Joystick di chuyển về phía sau theo chiều âm của trục OY thì điện trở tăng, điện áp qua biến trở vào 3 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 các chân Analog của vi điều khiển giảm, tuy nhiên bằng việc sử dụng thuật toán trong khi lập trình ta cũng đưa được tín hiệu ra cho xung PWM tăng dần làm xe chuyển động nhanh dần về phía sau. Nguyên lí tương tự khi cần điều khiển được di chuyển sang trái và sang phải. Việc điều khiển chuyển động chạy tiến, chạy lui, rẻ trái, rẻ phải, hay quay vòng được kết hợp giữa giá trị điện áp biến trở đưa vào và thuật toán khi lập trình cho Pic. - 01 biến trở độc lập trên Joystick có chức năng làm thay đổi Hình 3: cần điều khiển (Joystick) tốc độ động cơ gác chân, từ đó điều chỉnh tốc độ nâng hạ chân của cơ cấu gác chân tạo sự tiện lợi cho người sử dụng. - Ngoài ra, các nút bấm trên Joystick được tích hợp với PIC16F877A làm chức năng điều khiển đèn sáng, đèn xi nhanh, còi, và các động cơ gác chân, động cơ ngả lưng, động cơ bô vệ sinh. Tạo sự tiện lợi cần thiết khi sử dụng xe. 3.4 Hệ thống truyền động : 3.4.1 Truyền động bánh xe chính : Mômen từ động cơ được truyền qua hộp giảm tốc đến 2 trục của hai bánh xe truyền động thông qua bộ li hợp và truyền động xích. 3.4.2 Truyền động các bộ phận phụ : Cơ cấu xoay ghế tựa sử dụng cơ cấu IRIS và truyền động trục vít từ động cơ. Cơ cấu nâng hạ chân sử dụng truyền động bánh răng làm việc cùng với hộp giảm tốc có tỉ số truyền hợp lí. Cơ cấu đóng/mở nắp bô vệ sinh sử dụng các thanh trượt. 4. Kết quả và bình luận : Sau quá trình nghiên cứu nhóm đã tiến hành thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh xe lăn điện (hình 4) với các thông số sau: Dài1100mm x Rộng700mm x Cao1300mm; với khối lượng xe là 70 kg, khối lượng toàn bộ xe và người tối đa là 120 kg; được thiết kế chạy với vận tốc cực đại là 12 km/h, leo dốc 12o. Xe sử dụng 2 đông cơ điện 24VDC với công suất 150W để dẫn động, 1 động cơ 12VDC với công suất 60W cho cơ cấu ngã lưng, 2 động cơ 12VDC với công suất 45W cho cơ cấu gác chân và 1 động cơ 12V với công suất 45W cho cơ cấu đóng/mở bô vệ sinh. Xe sử dụng 2 ắcqui loại Hình 4 : sản phẩm hoàn chỉnh 12V-20Ah, và có thể đi được quãng đường tối Hình 5. Sản phẩm xe lăn điện đa là 30(km). Xe gồm các bộ phận chính: Động cơ điện, mạch điều khiển, mạch động lực, các cơ cấu truyền động xích giữa động cơ bánh xe, cơ cấu ly hợp, cơ cấu trục vít điều 4 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 khiển xoay tựa lưng, cơ cấu gác chân... Xe có những ưu điểm nổi trội theo nguyên tắc của Ergonomics. Khả năng điều khiển bằng Joystick nhẹ nhàng, thuận tiện hơn rất nhiều so với các cách điều khiển bằng nút bấm trước đây. Cơ cấu điều khiển xoay ghế tựa độc đáo, có thể điều khiển góc xoay tùy thích thõa mãn nhu cầu người sử dụng. Cơ cấu ly hợp tách nhập dễ dàng giúp nguời sử dụng có thể di chuyển như xe lăn bình thường trong trường hợp cần thiết. Khả năng hãm của động cơ có hộp giảm tốc được sử dụng như một hệ thống phanh đơn giản, ngoài ra còn bố trí hệ thống phanh cơ khí dùng trong trường hợp khẩn cấp. Hệ thống đèn báo, còi, đèn chiếu sáng đi đêm giúp tạo sự thuận lợi cho người sử dụng trong mọi trường hợp. Tuy nhiên, một nhược điểm cần khắc phục là trọng lượng xe hơi lớn. 5. Kết luận : Đề tài thiết kế chế tạo xe lăn điện tuy không phải là một đề tài mới lạ trong nước cũng như trên thế giới nhưng với tinh thần sáng tạo, bổ sung thêm những điểm mới cho sản phẩm xe lăn điện trên cơ sở áp dụng tiêu chí ERGONOMICS để từ đó tạo ra một sản phẩm xe lăn điện với đầy đủ chức năng tiện nghi, dễ dàng cho người sử dụng với một chi phí chế tạo là thấp nhất. Nhóm chúng tôi đã cùng nhau xây dựng ý tưởng và tiến hành thiết kế, chế tạo, lắp ráp sản phẩm xe lăn điện đạt được những mục đích trên. Sau khi hoàn thành xe lăn với các chức năng cơ bản ở trên chúng tôi sẽ bổ sung và phát triển xe lăn theo các hướng sau: Xe có khả năng thu hồi năng lượng (chuyển đổi động năng khi xe chuyển động xuống dốc hoặc khi lăn bằng tay trở thành điện năng nạp cho acqui ); Xe có gắn thêm hệ thống định vị GPS và màn hình LCD thể hiện thông số của xe ; xe leo cầu thang; xe sử dụng giọng nói hoặc sóng não để điều khiển thay cho joystick; xe có thể di chuyển mọi thời tiết. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Cung -Truyền Động Cơ Khí. Khoa Sư Phạm Kỹ Thuật, Đại Học Bách Khoa- Đà Nẵng. [2] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển. Thiết kế hệ dẫn động cơ khí. NXB Giáo Dục. [3] Nguyễn Tấn Phước. Linh kiện điều khiển điện một chiều công nghiệp. NXB TP Hồ Chí Minh. [4] Phạm Hùng Kim Khánh. Giáo trình vi điều khiển. Khoa Điện – Điện Tử, trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh . [5] PGS.TS Đỗ Hàm, Vệ sinh lao động và bệnh nghề nghiệp, NXB Lao động – xã hội. [6] Transmission de puissance, Serge Tichkiewitch, Philippe Marin, INPG Grenoble. [7] http://ezinearticles.com/?Construction-and-Mechanism-of-Wheelchair [8] http://www.picvietnam.com/forum/ [9] http://www.dientuvietnam.net/forums/ [10] http://www.oto-hui.com/ [11] Microchip PIC16F87XA Data Sheet [12] Help CCS. 5