Nghiên cứu, cải tiến xe lăn điện leo cầu thang đa năng cho người khuyết tật

Chủ nhiệm: TS. Lê Hồng Kỳ

Năm đăng ký: 2015

Năm nghiệm thu: 2016

Tóm tắt:

1. Tính cấp thiết

Người tàn tật không thể đi lại bằng chân và phải sử dụng xe lăn làm phương tiện hỗ trợ di chuyển. Đa số các xe lăn hiện nay đang người tàn tật đang sử dụng có kết cấu và chức năng đơn giản dùng sức người để vận hành không có khả năng tự hành hoặc theo cầu thang. Việc nghiên cứu, phát triển và chế tạo các xe lăn có khả năng tự hành, leo cầu thang,… sẽ giúp cải thiện và nâng cao chất lượng cuộc sống của hàng triệu người tàn tật có ý nghĩa to lớn trong việc chăm sóc sức khoẻ và phát triển năng lực cá nhân của người tàn tật trong công cuộc đóng góp và phát triển đất nước.

Mặt khác xe lăn là một mặt hàng hầu như không có thị trường, cơ sở phân phối do đó các cơ sở sản xuất đa phần chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng của các tổ chức nhân đạo phi chính phủ để trợ cấp cho người tàn tật hoặc nhà nước ta hỗ trợ cho các thương bệnh binh và con em của những người bị ảnh hưởng của chiến tranh, chỉ một phần rất nhỏ được bán ra ngoài.

Chính vì vậy mà điều kiện để phát triển sản xuất của các loại xe này gặp rất nhiều khó khăn, do đó các cơ sở sản xuất của ta được trợ cấp một số tiền để có thể duy trì sản xuất và hoạt động. Hơn nữa xe lăn là một mặt hàng không bị đánh thuế cũng tạo điều kiện phát triển. Tuy nhiên do cơ sở sản xuất còn lạc hậu, sản xuất nhỏ lẻ đơn chiếc do đó mà nó cũng làm tăng giá thành sản xuất lên rất cao, độ chính xác khi gia công thấp.

Trong khi đó thị trường trong nước lại tràn ngập xe Trung Quốc với giá rẻ hơn. Tuy nhiên giá cả này vẫn cao đối với những người có nhu cầu sử dụng xe lăn do các loại xe nhập vào nước ta chủ yếu là xe nhập lậu, không có thương hiệu rõ ràng, chưa qua thẩm định về độ an toàn do đó độ an toàn thấp hơn, nhanh hư hại hơn nhưng lại có ưu điểm là giá thành thấp hơn, mẫu mã phong phú hơn và các tính năng cũng đa dạng hơn.

Vấn đề chính sách xã hội được Đảng và Chính phủ quan tâm đến người khuyết tật thông qua Luật người khuyết tật ngày 17/6/2010; Nghị định số 28/2012/NĐ-CP ngày 10/4/2012 của Chính phủ quy định chi tiết và hướng dẫn thi hành một số điều của Luật người khuyết tật. Gần đây các Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội, Bộ Tài chính, Bộ Y tế, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã ra thông tư số 37/2012/TTLT-BLĐTBXH-BYT-BTC-BGDĐT ngày 28/12/2012 quy định về việc xác định mức độ khuyết tật, do Hội đồng xác định mức độ khuyết tật xác định.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài hướng đến thiết kế, chế tạo và cải tiến xe lăn điện leo cầu thang đa năng phục vụ người khuyết tật, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và tính năng vận hành trên nhiều loại địa hình.

Các mục tiêu cụ thể bao gồm:

– Khảo sát, đánh giá nhu cầu sử dụng xe lăn điện leo cầu thang cho người khuyết tật tại Việt Nam;

– Thiết kế hệ thống cơ khí tổng thể (khung xe, cơ cấu leo cầu thang, hộp giảm tốc, cụm bánh xe) đảm bảo ổn định, gấp gọn được và an toàn;

– Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền động điện và hệ thống điều khiển thông minh tích hợp cảm biến, joystick và thuật toán PID;

– Thiết kế các cụm hỗ trợ gồm: cơ cấu cân bằng, cơ cấu phanh an toàn, hệ thống đèn tín hiệu, còi báo và bộ phận hỗ trợ điều kiện sử dụng;

– Tính toán bền các chi tiết chịu lực, mô hình hóa động học hệ thống và xây dựng quy trình công nghệ chế tạo xe lăn điện leo cầu thang.

3. Kết cấu của đề tài Gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan của vấn đề nghiên cứu.

Chương 2: Thiết kế cơ khí xe lăn điện leo cầu thang.

Chương 3: Nghiên cứu tính toán thiết kế các cụm truyền động và điều khiển xe lăn điện leo cầu thang.

Chương 4: Nghiên cứu tính toán thiết kế các cụm hỗ trợ trên xe lăn điện leo cầu thang.

Chương 5: Tính toán bền – Mô hình hóa động học xe lăn điện leo cầu thang.

4. Nội dung chính của đề tài

4.1. Chương 1: Tổng quan của vấn đề nghiên cứu

Chương 1 trình bày kết quả khảo sát nhu cầu sử dụng xe lăn điện leo cầu thang trên 150 mẫu điều tra tại 5 tỉnh thành (Vĩnh Long, Cần Thơ, TP. Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và Hà Nội) với ba nhóm đối tượng: người khuyết tật, cán bộ y tế và thân nhân. Kết quả cho thấy nhu cầu về xe lăn điện leo cầu thang là rất cao (trên 90% đánh giá "cần thiết" và "rất cần thiết"), đồng thời các hệ thống an toàn đi kèm như phanh, đèn tín hiệu và còi cũng được đánh giá là yêu cầu cấp thiết.

Chương này cũng khảo sát thị trường xe lăn trong nước và quốc tế, phân tích ưu – nhược điểm của các loại xe thô sơ và xe điện hiện có; tổng quan các nghiên cứu trong nước (xe lăn của thương binh Võ Đình Minh) và thế giới (xe lăn leo cầu thang 5 trục của Đại học Công nghệ Chiba, Nhật Bản; xe lăn điện leo 3.000 bậc cầu thang của tác giả Trung Quốc). Từ đó xác định yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn xe lăn cơ sở và phân tích phương án thiết kế, phương án dẫn động và điều khiển phù hợp.

4.2. Chương 2: Thiết kế cơ khí xe lăn điện leo cầu thang

Chương 2 tập trung vào việc xây dựng mô hình cơ khí tổng thể và thiết kế chi tiết các cụm kết cấu chính của xe lăn điện leo cầu thang. Mô hình thiết kế tổng quát xác định các kích thước cơ bản dựa trên tiêu chuẩn nhân trắc học và điều kiện an toàn khi vận hành trên địa hình đa dạng.

Các cụm kết cấu cơ khí chính được thiết kế gồm: khung sườn chính và hệ thống piston–xy lanh trượt ghế (điều chỉnh trọng tâm khi leo cầu thang); cơ cấu gấp xe; cụm trục và bánh xe (bánh chủ động sau, bánh bị động trước); cụm ghế ngồi, tựa lưng và gác chân; hộp giảm tốc hai cấp bánh răng; và cơ cấu leo cầu thang. Chương này trình bày đầy đủ bản vẽ 2D và mô hình 3D (bằng phần mềm Inventor) của tất cả các chi tiết cần gia công, bao gồm: khung xe, trục bánh sau/trước, bánh răng hộp giảm tốc, khung chịu lực cơ cấu leo cầu thang và vành bánh xe leo cầu thang.

Hệ thống dẫn động sử dụng hai động cơ DC 24V/250W với số vòng quay 120 v/ph, tải mỗi bên 100 kg. Cơ cấu leo cầu thang có dạng đối xứng với các bánh răng có tỉ số truyền i = 1, được phân tích động học và động lực học bằng phần mềm Inventor nhằm kiểm chứng tính hợp lý của thiết kế trước khi chế tạo thực tế.

4.3. Chương 3: Nghiên cứu tính toán thiết kế các cụm truyền động và điều khiển

Chương 3 trình bày thiết kế hệ thống truyền động điện và hệ thống điều khiển thông minh cho xe lăn. Về nguồn điện, hệ thống sử dụng ắc quy 24VDC nuôi động cơ và IC LM2576-5 (ổn áp xung chống nhiễu cao) cung cấp nguồn 5VDC cho vi điều khiển trung tâm.

Mạch trung tâm được thiết kế xung quanh vi điều khiển tốc độ cao, xử lý tín hiệu từ joystick, nút nhấn và hệ thống hồi tiếp dòng điện/điện áp, đưa ra tín hiệu điều khiển board công suất. Chương trình điều khiển gồm chương trình chính và 3 chương trình con: xử lý sóng điện cơ (cảm biến EMG), đọc dữ liệu từ joystick và thuật toán PID. Phần mềm CCS được sử dụng để lập trình vi điều khiển với khả năng giám sát thời gian thực qua C/ASM list và Call Tree.

Mạch điều khiển động cơ DC sử dụng cầu H với 4 transistor FET (hoặc kết hợp FET–Relay), điều chế độ rộng xung PWM để điều chỉnh tốc độ và mạch giải mã 2-sang-4 để điều khiển chiều quay. Vi điều khiển PIC16F887 được chọn làm bộ xử lý trung tâm nhờ các ưu điểm: kiến trúc RISC, bộ nhớ Flash 8.192 words, 35 chân I/O, 14 kênh ADC 10-bit, module PWM, giao tiếp USART/I2C và tích hợp các mạch bảo vệ POR, WDT, BOR. Ngôn ngữ lập trình CCS C được sử dụng để phát triển phần mềm điều khiển, với bộ công cụ giám sát C/ASM list và CallTree.

4.4. Chương 4: Nghiên cứu tính toán thiết kế các cụm hỗ trợ

Chương 4 tập trung vào thiết kế các hệ thống hỗ trợ đảm bảo an toàn và tiện ích cho người sử dụng. Hệ thống cân bằng được thiết kế dựa trên phân tích điều kiện ổn định của xe: khoảng cách giữa các trục và chiều rộng hai bánh sau phải đủ lớn để trọng tâm xe (khi có tải) luôn nằm trong diện tích bốn bánh tiếp đất, với góc nghiêng giới hạn nhỏ hơn 45°. Cơ cấu chống lật tích hợp xi lanh khí nén được thiết kế để tự động điều chỉnh trọng tâm khi xe leo/xuống cầu thang.

Hệ thống phanh bao gồm phanh cơ khí (tang trống, tay phanh – má phanh) và phanh điện tử tự động kích hoạt trong các tình huống nguy hiểm. Hệ thống tín hiệu gồm đèn signal (mạch điều khiển FET), đèn chiếu sáng và còi báo phục vụ hai mục đích cảnh báo. Bộ phận hỗ trợ điều kiện sử dụng gồm cụm gối tay có thể điều chỉnh và cụm gác chân thiết kế riêng, giúp người khuyết tật lên xuống xe thuận tiện và di chuyển thoải mái.

4.5. Chương 5: Tính toán bền – Mô hình hóa động học xe lăn điện leo cầu thang

Chương 5 trình bày kết quả tính toán độ bền các chi tiết chịu lực chính bằng phần mềm SolidWorks. Tải trọng thiết kế được lấy bằng 3 lần trọng lượng người sử dụng (P = 2.000 N) để đảm bảo hệ số an toàn cao. Các chi tiết được kiểm nghiệm bền gồm: khung xe (tải đều và lệch tâm), trục bánh sau và trục bánh trước.

Mô hình hóa động học hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển được xây dựng trên phần mềm chuyên dụng nhằm mô phỏng quá trình vận hành, leo cầu thang và kiểm chứng các thông số thiết kế. Chương trình điều khiển xe lăn được thiết kế và thử nghiệm mô phỏng theo lưu đồ giải thuật PID để đảm bảo điều khiển ổn định tốc độ và hướng di chuyển.

Cuối cùng, chương này xây dựng quy trình công nghệ chế tạo chi tiết cho các chi tiết gia công chính như: trục càng bánh trước, vỏ và nắp hộp giảm tốc, các bánh răng hộp giảm tốc (bánh răng 1, 2, 3) và vành bánh xe cơ cấu leo cầu thang, với trình tự các bước gia công cụ thể trên từng bề mặt (tiện, khoan, xọc rãnh, phay răng) đảm bảo độ chính xác gia công và tính lắp lẫn của sản phẩm.

Thành viên đề tài:

Ths. Đặng Thành Tựu, Trường ĐHSPKT Vĩnh Long, Thư ký; Cao Hùng Phi, Trường ĐHSPKT Vĩnh Long, Thành viên; Nguyễn Thanh Tùng, Trường ĐHSPKT Vĩnh Long, Thành viên; Nguyễn Tấn Nó, Trường ĐHSPKT Vĩnh Long, Thành viên; Lê Trung Hậu; Trường ĐHSPKT Vĩnh Long; Thành viên; Lê Hoàng Anh, Trường ĐHSPKT Vĩnh Long, Thành viên.

Từ khóa: Xe lăn điện Leo cầu thang Người khuyết tật Cơ cấu leo cầu thang Điều khiển thông minh Thiết kế cơ khí Xe lăn đa năng