Nghiên cứu thiết kẻ cơ cấu leo cầu thang cua xe lăn điện dùng cho người khuyêt tật

NGHIÊN CỨU “ TRAO ĐỔI NGHIÊN CỨU THIÉT KÉ CẤU LEO CẦU THANG CỦA XE LĂN ĐIỆN DÙNG CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT A STUDY OF DESIGNING THE STAIR CLIMBING STRUCTURE OF ELECTRIC WHEELCHAIR USED FOR THE DISABLED Dương Tấn Đạt, Lê Hồng Kỳ, Lê Quang Sinh, Trần Hải Sâm, Trần Kha Minh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết ke xe lăn điện leo cầu thang Nghiên cứu tập trung vào việc đối phát triên cụm truyền động khí kêt câu leo câu thang Động học, động lực học mô chuyên động xe lăn thực phân mêm chuyên nghiệp Chế tạo thử nghiệm cấu leo cầu thang thực Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long Từ khóa: Cơ cẩu leo cầu thang; Động học; Động lực học; Xe lăn điện ABSTRACT The objective of this article is to report the research results of designing electric wheelchair that can climb stairs The study focuses on innovating and developing mechanical transmission assemblies of the stair climbing structure Observing kinetics, dynamics and simulating the wheelchair motion are done by a professional software Manufacturing and testing are implemented at Vinh Long University of Technology Education Keywords: Dynamics; Electric-powered wheelchair; Kinetics; Stair-climbing structure GIỚI THIỆU Xe lăn dành cho người khuyết tật ngày nhà sản xuất trọng kiểu dáng chức sử dụng Theo [7], “Xe lăn leo cầu thang dành cho người khuyết tật” hãng Toyota, Nhật Bản chế tạo kiểu xe lăn mầu robot trợ giúp cho người già tàn tật Tuy nhiên, loại xe lăn phố biến chưa thể giúp họ vượt qua chướng ngại vật hay lên bậc cầu thang Cũng theo [7], nhà khoa học Đại học Công nghệ Chiba, Nhật Bản sáng chế thành cơng loại xe lăn khắc phục nhược điểm nói Ngồi ra, chiêc xe lãn có thê quay đầu khơng gian hẹp Mới đây, nhóm nghiên cứu sinh từ Viện Cơng nghệ Liên bang Thụy Sĩ Đại học Zurich giới thiệu thử nghiệm xe lăn điện Scewo có thêm bánh xích cao su để di chuyển nhiều loại cầu thang [8-9] Chiếc xe xem sản phẩm mang tính cách mạng ISSN 2615-9910 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 177 NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI người phải ngồi xe lăn Từ năm 2015, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Sư phạm Kỳ thuật Vĩnh Long giới thiệu số phiên bán xe lăn điện leo cầu thang thử nghiệm phịng thí nghiệm [3-4], Vê bản, xe lăn điện leo cầu thang giới thiệu thường hoạt động bánh giống xe lăn điện chạy mặt phẳng thông thường Đến thực leo câu thang, xe dùng bánh đai xích cao su (rubber tracker) giúp hồ trợ để leo theo hướng ngược chiều Theo kết thử nghiệm, xe lăn hoạt động với tốc độ ổn định để leo cầu thang khoảng bậc/giây [10], MÔ HÌNH HĨA CẤU LEO CẦU THANG Theo [1-2], chuyển động lên cầu thang, tải tĩnh cấu hình thành lực cản trở chuyến động gây ra, bao gồm thành phần chính: Lực ma sát Fr (bao gồm ma sát tĩnh ma sát lăn), Lực ma sát khơng khí (gió) Fo, lực hấp dần thành phần p theo công thức: Ppm.g.sina (1) Hình Các thành phần ỉực cân chuyển động xe F : lực kéo; Fr: lực ma sát F = m(C+C2.v) CpC; hệ số ma sát tĩnh hệ số ma sát lăn C] (m/s2); C2 (m/s) phụ thuộc vào vỏ xe với mặt đường Fs lực cản gió, xe chạy chậm có the bị qua Thành phần tác động lực hấp dần lên dốc: p = m.g.sina (3) Trong đó, m bao gồm khối lượng người khối lượng xe, a góc hợp mặt phẳng qua đỉnh bậc cầu thang (hình 1) mặt phẳng (2) Áp dụng định luật II Newton cho chuyển động lên dốc xe: năm ngang (a = 30°) F =m.v’+Fo+Fr+ m.g.sina Đê xác định số vòng quay động momen hộp giảm tốc, trước hết cần phải xác định tải cúa hộp giảm tốc tải bánh đai xích cao su Tổng momen tải tác động lên trục bánh xe Tw bao gồm momen để tăng tốc bánh xe, momen ma sát trục bánh xe momen cần đê sinh lực kéo F Xét cặp pulley truyền động từ hộp giảm tốc đe tính tốn Hình Tw =J w,N \v+Tms + r.F (5) t v ISSN 2615-9910 178 (4) TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI T =(J +w.r).N +T +m.r (r + C.+ r.c, ).N +r Trong đó: J r momen quán tính bán kính N số vịng quay bánh xích Giả sử trọng lượng lực ma sát mặt ngồi đai xích cao su với mặt đường phân bố lên đai xích cao su phải (R, Right) Thay (4) vào (5) với V = Nwr (giả thuyết trái (L, Left), tải cho đai xích cao su bên trái (T ) bên phải (T , _) là: pulley chu động ' wlL7 r v w R.7 bỏ qua ma sát khơng khí), tơng tải lên pulley là: I; (k- + wrOAU + r,„í]S + ; m.r(r + q + r c2) N„ s +1 r m.g siiirt T,;t = ;Ư»' + + w +;I"4 + G + r.C2).iVu t + lr.iM.sina Các momen ma sát mơ phịng ma sát nhớt: lĩri&iK — d- NWxK rri *•1 L tỉ (8) cy ) vv , 2, • Với d hệ số ma sát nhớt, hệ phương trình vi phân (7) viết lại sau: Hình Sơ đồ Simulink mơ phóng xe ISSN 2615-9910 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 179 NGHIÊN CỨU-TRAO ĐỔI Từ công thức trên, bàng công cụ Simulink sát trái phai, lực hấp dần) Các momen Matlab [6, 11], mô xe tác dụng lên truyền đai xích cao su không đồng làm cho tốc độ xây dựng theo nguyên lý Hình thê mơ hình chi tiết cấu leo cầu thang thiết kế truyền khác nhau, để khấc phục giàm tốc vi sai hoạt động phân chia tốc độ hợp lý truyền Như vậy, xe lên cầu Trên hình 2, momen chủ động trục động truyền qua hộp giám tốc vi sai đến cặp pulley chủ động (PL, PR) truyền đai xích cao su (rubber tracker) Khi truyền đai xích cao su cấp momen thi truyền hoạt động làm xe chuyển động lên cầu thang Khi chuyển động lên cầu thang, thang an toàn Với giá trị tính tốn được: p, = 2177,33 N, Jw = 0.012 kg.m2, r = 10,5 cm, d = 15,02 N.s/m, bàng Simulink thấy đáp ứng xe có mơ men chủ động động Có thê quan sát đáp ứng (mơ men, số vịng quay) truyền đai xích cao su chịu cản trở cúa động pulley chủ động Simulink momen khác (momen ma sát nhớt, momen ma Hình 3, Hình Hình Hình Kết qua mơ momen động Hình Kêt qua mơ phong sỏ vịng quay động ISSN 2615-9910 180 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU-TRAO ĐỔI Hình Ket mơ sổ vịng quay bên trái phải pulley chủ động TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG Lực HỌC XE LÃN LEO CẦU THANG Bình thường, xe lăn chạy đường phẳng (hoặc lên dốc với góc nghiêng 15°), truyền xích có nhiệm vụ truyền chuyển động từ động tới trục bánh xe sau, làm xe lăn chuyển động Hình Mơ hình kết cấu khí cấu leo cầu thang xe lăn điện Khi gặp bậc cầu thang, cấu leo cầu thang hoạt động Trong trường hợp này, đường truyền động trục động cơ, qua truyền trục vít bánh vít đến bán trục làm pulley chủ động thực chuyển động quay, qua đai truyền xích cao su (rubber tracker) làm xe lăn thực leo cầu thang sơ đồ Simulink mơ hình Trong đó, đai truyền xích cao su có mặt làm việc bên với pulley truyền đai (synchronous belts), Hình ISSN 2615 -9910 TẠP CHÍ CO KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 181 NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI n2 = — (rpm): (i: lì sỏ tiuỵèn) (ỉ3) P?-Pri] (kW); (1): Hiệu suà() (14) Vận tốc vành, lực tiếp tuyến trục vít, bánh vít xác định: Td■ n- = -777 in sj ựí-: Đms kffih VỊ12 chia trục Vít) Ị15Ị Hình Hộp giám tôc câu leo câu thang - ~~ (ft u*■ r+7: ■ Như vậy, kết cấu khí cấu leo cầu thang gồm có truyền động là: truyền trục vít - bánh vít, truyền đai ■ - võtạ chia, bánh VÃ) (16’1 - ■ ■ Lực tiếp tuyến trục vít, bánh vít xác định sau: hệ bánh hành tinh (Hình 7) Đây tốn cho hệ thống động lực hệ nhiều vật, tách thành truyền động để tiến hành tính tốn [15], , _ 2000,7; ti - - -• (N) aỊ (17) 2000,Tj tỉ = dr (N) (IS) 3.1 Bộ truyền trục vít - bánh vít Tải trọng động trục vít là: Trường họp nghiên cứu trục vít (worm) đóng vai trị chủ động (dần động) Biết trục vít số có vịng quay 11' (rpm), công /’đ — suất ?! (kW), momen đầu vào đầu xác định theo tiêu chuẩn ANSI [12-14] ^12* ; 1ZOO + Ỉ.’2 (19) /1-«/ v cơng thức (11), (12) 1200 (K : Hệ số lực tiếp tuyến xác định theo v2) _ 30000 (11) " ” i — ỉ ■■? = vít sử dụng động DC 24V, công suất kw, 30000 đây, giả sử truyên trục vít - bánh X (Nín) (12) Trong đó, trục bánh vít (worm gear) có số vịng quay n2, cơng suất p xác định số vịng quay 650 rpm Sử dụng công thức từ (11) đến (19) ứng dụng phần mềm [5] đêu có thê tính tốn động học động lực học truyền Kết tính tốn sau: Bảng ISSN 2615-9910 182 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Báng l Kết qua tinh toán truyền trục vít- bánh vít: Thơng số Trục vít (1) Ký hiệu Công suất Tốc độ Mô-men xoắn Hiệu suất Lực hướng tâm Lực tiếp tuyến Lực hướng trục Lực pháp tuyến Vận tòc vòng 5.000 kW 650.00 rpm 73.456 N m 0.905 ul 2177.334N 5996.419 N 4923.601 N 8049.195 N ' 1.361 mps 1.332 mps p n 1n T n Fr F Fa Fn 1V Vận tốc trượt Bánh vít (2) ' 4.524 kW vk 100 rpm 432.046 N m _ 1 4923.601 N 5996.419 N 0.817 mps 3.2 Bộ truyền đai Cơ cấu leo cầu thang sứ dụng đai truyền xích caosu có mặt làm việc bên trọng với pulley truyền đai răng.'Hai pulley chủ động lắp bán trục cấu vi sai nhận truyền động trực tiếp từ bánh vít lắp cứng vao vò hộp hệ bánh hành tinh Cũng theo tiêu chuẩn ANSI [12-14], công thức truyền đai cho Bảng Bảng Cơng thức tính truyền đai răng: II i? © o I I ? : « ĩ i ■ílr* ' 30 I I < Ạrì = p = Pulley bị độug (3) Pulley đệui (2) Putlcj đâu độug(l) o Flỉ = /ý, tl "" I I P F^- = F,z = F-: ọ r " t te * »2 = , Hi r• L ^rmax ~ kj.Fp + Ff ỉ> + ? ■ (H - n - htỊ D t•^1 “ ỹ * a N í _ — - r:i - Flt - E Fpi — Fjrạ ■ Fp F- = Ẹ- F,,- = Ft- F-a = Fti Fpj = Fti y/1'ií + F;‘j - Fí2 l\- cosịỉ- Fr^ z - ? F13- t tl'-fĩ3 rrí - v'T Â + F?; - Z.F^.F^.cos^ ISSN 2615 9910 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 183 NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỒI Ý nghĩa thơng số: i: Tí số truyền (ti số tốc độ); Fp: Lực kéo đai (N); F,: Lực căng đai phía đầu vào bánh đai (N); F2: Lực căng đai phía đâu bánh đai (N); z: Sơ pulley (-); (3: Góc tiếp xúc (độ); P: Công suất truyền động (W); T: Mô men xoắn tác dụng lên bánh đai (Nm); n: Tổc độ pulley (Nm); Dp: Đường kính vịng chia bánh đai (m); v: Tốc độ đai (m/s); k: Số bánh đai truyền; L: Chiều dài bước đai (m); P: Công suất truyền động (W); T Mô men xoắn tác dụng lên pulley cụ thề (Nm); q: Hiệu suất truyền động Trục bánh vít có cơng suất, mơ men số vịng quay tính bảng 1, trường họp truyền đai công suất phân chia cho bán trục nên mồi pulley chủ động có cơng suất 2.762 (kW), mô men 216.005 (Nm) số vịng quay vần 100 (rpm) tính thông số cho truyên đai răng, dề dàng suy truyền cịn PX|: Tỉ lệ cơng suât cùa bánh đai cho; Fc: Lực ly tâm (N); DpĐường kính vịng pulley (m); lại Ket q tính tốn thơng số thống kê Bảng Bang Kêt qua tính tốn hộ truyền đai răng: Thông số Ký hiệu Giá trị Công suất p 2.262 kw Mô-men Tốc độ T 216.005 N m n 100.000 rpm Hiệu suất n k, 0.956 ul Hệ số kéo Tốc độ đai V 0.851 mps Tần số uốn đai fh 1.243 Hz Hiệu suất kéo F 2657.543 N Lực ly tâm F 0.841 N Lực căng cài đặt đai Lực căng tối đa khoang đai 1.300 ul f' 551.690N Ftmax 883.882 N i 3.3 Bộ truyền hệ bánh hành tinh Hộp giảm tốc sứ dụng hệ bánh hành tinh (Hình 8) thay cho cấu điều chỉnh chạy thăng leo cầu thang Hệ bánh hành tinh có nhiệm vụ điều chinh số vòng quay trục pulley chu động cua bánh xích cao su, làm cân bàng lực ma sát bánh xích với góc bậc cầu thang giúp xe leo cầu thang cách an toàn Xét truyền động, cặp bánh hành tinh bánh côn chủ động tương ứng với truyền bánh côn (Bevel Gear) Cùng theo tiêu chuẩn ANSI [12-14], công thức truyền cho công thức ISSN 2615 -9910 184 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỒI í’w siát íỉãu nr p? = ly (2(1) Vậỉi lóc đáu ra; lb - — (rpm); ộ; I] SŨ trụyén) ụ],Ị -■IV ujClI \ 30 15 — l-MJuf, (Ntni 5w men ra: b = 1,23.1 Lựcvòũg: rt - ^(Nj; I J) '“I Vậa tóc ãẽp 1UVCIL r - 1251 (m/s), 216.005 Nm Hiệu suất n 0.980 ul Lực tiếp tuyến Ft 1890.540 N Lực pháp tuyến F 2011.871 N n Vận tốc V 1.196 mps vòng Tốc độ nEl 3229.941 rpm KẾT LUẬN nn-*?f ự(l' «)’.(0.75í I 0-2$) (rpm) (X Lực pháp truyền: (-l Jk = —“~7~ [rasn.c-Hi^jn Do bánh côn lắp bán trục (Bevel Gear) sử dụng chung cặp bánh hành tinh bánh hành tinh có số vòng quay momen xoắn nhau, nên tính cặp (1 bánh hành tinh bánh côn chủ động) suy bên cịn lại Do cơng suất phân chia cho bán trục nên mồi pulley chủ động có cơng suất 2.762 (kW) Sử dụng công thức (20) đến cơng thức (27) có kết Bảng Ký hiệu Bánh Công suất p 2.262 kw 2.217 kW Tốc độ n 100.00 rpm Bánh 70.18 rpm Khi leo cầu thang, phận xe từ động đến pulley phân tích mơ hình hóa Dựa vào đó, mô xe xây dựng công cụ Simulink Matlab Các kết mô cho thấy có the dùng mơ hình để tìm hiểu đáp ứng phận xe chạy điều kiện khác Từ mô xe với thông số ban đầu tiến hành tính tốn động học động lực học truyền xe Bộ mô xe dùng để trợ giúp thiết kế điều khiển cho ngõ vào để tự động hóa xe lăn leo cầu thang Mơ hình cụm truyền động leo cầu thang xe lăn điện thiết kế thành cụm rời tháo lắp dễ dàng với khung xe Bằng công cụ mô phỏng, thử nghiệm ảo cho thấy cụm truyền động hoạt động tốt đường mặt phẳng, đường gồ ghề lên dốc với góc nghiêng 15° hoạt động tốt lên cầu thang Có thể thử nghiệm điều khiển khác mơ hình để giảm thời gian thiết kế tránh rủi ro có mơ hình thật.