Thiết kế và chế tạo xe lăn điện cho người khuyết tật

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE LĂN ĐIỆN CHO NGƯỜI TÀN TẬT Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY HOÀNG ANH HẬU NGUYỄN ĐỨC CẢNH Số thẻ sinh viên : 101120289 101120335 Lớp: 12CDT2 Đà Nẵng, 2017 TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế chế tạo xe lăn điện cho người khuyết tật Sinh viên thực hiện: Hoàng Anh Hậu Nguyễn Đức Cảnh Số thẻ SV: 101120289 101120335 Lớp: 12CDT1 12CDT2 Đồ án trình bày thiết kế xe lăn điện điều khiển cử động đầu giúp hỗ trợ người khuyết tật người già di chuyển Xe lăn truyền động động DC có hộp giảm tốc gắn với bánh sau thơng qua truyền xích, vận tốc động điều khiển PID mạch công suất dựa vi điều khiển Xe trang bị cảm biến Gyroscope, encoder, cảm biến siêu âm để định vị phát chướng ngại vật Thôn tin từ cảm biến xử lý kết hợp với cử động đầu người sử dụng để điều khiển xe lăn đầu dễ dàng, linh hoạt an toàn Cảm biến Gyroscope gắn với mũ đê người sử dụng đội lên đầu, dựa cử động đầu cảm biến phát tín hiệu truyền vi xử lý Các tín hiệu sau xử lý truyền đến điều khiển động để xe thực hoạt động theo yêu cầu người sử dụng cách dễ dàng linh hoạt Kết thử nghiệm cho thấy xe lăn điều khiển cử động đầu hoạt động tốt an toàn nhà trời giúp người khuyết tật người già dễ dàng tự di chuyển mong muốn ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Hoàng Anh Hậu Lớp:12CDT1 Khoa:Cơ Khí Họ tên sinh viên: Nguyễn Đức Cảnh Lớp:12CDT2 Khoa:Cơ Khí Số thẻ sinh viên: 101120289 Ngành: Cơ Điện Tử Số thẻ sinh viên: 101120335 Ngành: Cơ Điện Tử Tên đề tài đồ án: Thiết kế chế tạo xe lăn điện cho người khuyết tật Đề tài thuộc diện: ☐Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Tự chọn theo nhu cầu thực tế 4.Nội dung phần thuyết minh tính tốn: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Hoàng Anh Hậu Nguyễn Đức Cảnh Nội dung Tổng quan đề tài xe lăn điện Giới thiệu đề tài Vai trị cơng dụng xe lăn điện Nhiệm vụ đề tài Tính tốn động học cấu b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Hoàng Anh Hậu Nội dung Thiết kế cấu Sơ đồ mạch điều khiển Thuật toán chương trình điều khiển Nguyễn Đức Cảnh Thiết kế nguyên lý hoạt động Phân tích lựa chọn phương án thiết kế Chu trình hoạt động Mạch logic 5.Các vẽ, đồ thị: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Hoàng Anh Hậu Nguyễn Đức Cảnh Nội dung Bản vẽ sơ đồ động: 1A0 Bản vẽ lắp: 1A0 b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Hoàng Anh Hậu Nguyễn Đức Cảnh Nội dung Bản vẽ sơ đồ khồi mạch điều khiển: 2A0 Bản vẽ đồ gá: 1A0 Bản vẽ sơ đồ khồi mạch điều khiển: 1A0 6.Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 7.Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/1/2017 Ngày hoàn thành đồ án: 25/5/2017 Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017 Trưởng Bộ môn …………………… Người hướng dẫn LỜI NÓI ĐẦU Cuộc sống ngày đại, sống người ngày thuận tiện nhờ phát triển công nghệ Trong sản xuất cơng, nơng nghiệp hệ thống tự động hóa dây chuyền công nghệ dần thay cho sức lao động người Trong đời sống thương ngày, người chế tạo loại robot làm thay công việc nặng nhọc hay nguy hiểm phục vụ cho sống góp phần cải thiện sống tốt Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành điện tử giúp sinh viên tổng hợp kiến thức khí điện tử, kỹ sử dụng phần mềm Autocad, Proteus,Pro/E,… Thực hành làm việc nhóm, lập kế hoạch để tạo sản phẩm điện tử đáp ứng yêu cầu đồ án khả ứng dụng thực tế tiến gần với công nghệ phát triển Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình PGS.TS Trần Xuân Tùy thầy khoa bạn bè giúp đỡ để em hoàn thành đồ án Trong q trình làm hồn thiện đồ án, thiếu sót kinh nghiệm nên cịn nhiều sai sót, mong thầy bạn thơng cảm giúp đỡ nhiều Sinh viên thực Hoàng Anh Hậu i Nguyễn Đức Cảnh CAM ĐOAN Bài làm cơng trình cá nhân tơi biên soạn Tất đoạn văn, ý kiến, quan điểm người khác sử dụng dẫn nguồn lập danh mục tham khảo cuối Bài nộp để kiểm tra cho môn học không sử dụng cho môn khác Tôi đọc quy định nhà trường hiểu rõ đạo văn lỗi nghiêm trọng học tập, cam kết chấp hành sẵn sàng nhận biện pháp xử lý bị phát vi phạm Sinh viên thực Hoàng Anh Hậu ii Nguyễn Đức Cảnh MỤC LỤC TÓM TẮT NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii KÝ HIỆU: vii CHỮ VIẾT TẮT: vii Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE LĂN ĐIỆN 1.1Giới thiệu hình thành xe điện 1.1.1 Xe lai điện 1.1.2 Xe lai sạc điện 1.2Giới thiệu đề tài xe lăn điện 1.2.1 Lịch sử đời xe lăn điện 1.2.2 Tổng quan xe lăn điện 1.3Vai trị cơng dụng xe lăn điện 15 1.3.1 Khái niệm khuyết tật 15 1.3.2 Vai tròcủa xe lăn điện 16 1.3.3 Công dụng xe lăn điện 17 1.4 Xác định nhiệm vụ đề tài 18 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ KẾT CẤU CỦA XE LĂN ĐIỆN 19 CỦA XE LĂN ĐIỆN 19 2.1 Phân tích lựa chọn phương ánthiết kế 19 2.1.1 Phân tích lựa chọn động điện 19 2.1.2 Phân tích lựa chọn hệ thống truyền động 20 2.1.3 Phân tích lựa chọn số cấu khác 23 - Bánh Xe: 23 2.2 Thiết kế cấu 26 2.2.1 Thiết kế gá động chân đế động 26 iii 2.2.2 Thiết kế gá bánh sau với trục 28 2.2.3 Tổng hợp cấu thiết kế 29 2.3 Tính tốn động học 32 2.3.1 Tốc độ động 32 2.3.2 Công suất động 33 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 34 3.1 Các hình thức điều khiển xe lăn thị trường 34 3.1.1 Xe lăn điều khiển cần gạt 34 3.1.2 Xe lăn điều khiển suy nghĩ 34 3.1.3 Xe lăn điều khiển giọng nói 35 3.1.4 Xe lăn điều khiển cử động đầu (cảm biến MPU-6050) 36 3.2 Giới thiệu arduino Mega cảm biến đo khoảng cách SRF-05 37 3.2.1Thành phần Arduino Mega 37 3.2.2 Sơ đồ linh kiện Arduino Mega 38 3.2.3 Shield Arduino Mega 39 3.2.4 Cảm biến siêu âm SRF-05 41 3.3 Lý thuyết phương án thiết kế 43 3.3.1 Lý thuyết điều khiển 43 3.3.2 Các phương án điều khiển 44 3.4 Thiết kế mạch điều khiển 44 3.4.1 Sơ đồ thuật toán điều khiển……………………………………………… 48 3.4.2 Sơ đồ thuật toán báo động 46 3.4.3 Sơ đồ mạch điều khiển 47 3.4.4 Sơ đồ mạch báo động 48 3.4.5 Chương trình điều khiển 49 3.5 Kết luận 61 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 iv DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình thức di chuyển xe ngựa Hình 1.2 Xe lăn Hình 1.3 Xe lăn vào đầu kỷ 19 Hình 1.4 Xe lăn thép hình ống Hình 1.5 Một mẫu xe đạp điện Hình 1.6 Xe lăn điện điều khiển cần gạt 10 Hình 1.7 Mẫu xe lăn điều khiển nét mặt 11 Hình 1.8Mẫu xe lăn điều khiển giọng nói 11 Hình 1.9 Xe lăn điều khiển lưỡi 12 Hình 1.10 Xe lăn tự cân giúp di chuyển dễ dàng 13 Hình 1.11 Xe lăn điều khiển ánh mắt 14 Hình 1.12 Nguyên mẫu xe lăn điều khiển ý nghĩ 14 Bảng 1.1: Tỷ lệ Người khuyết tật số quốc gia 16 Hình 1.13Xe điện gắn liền với đời sống đại 17 Hình 2.1 Động điện chiều 24V có hộp giảm tốc bánh 20 Hình 2.2 Truyền động ma sát 21 Hình 2.3 Truyền động ăn khớp 21 Hình 2.4 Bộ truyền động xích 22 Hình 2.5 Bánh xe trước, sau 23 Hình 2.6 Lị xo để giảm xóc 23 Hình 2.7 Khung xe lăn 24 Hình 2.8 Ổ bi 24 Hình 2.9 Một số loại khớp nối 25 Hình 2.10 Ghế ngồi, tựa lưng tay vịn bọc da 26 Hình 2.11 Tựa lưng 26 Hình 2.12 Gá động 27 Hình 2.13 Lắp chân đế động với gá động 27 Hình 2.14 Chân đế động 28 Hình 2.15 Chi tiết đồ gá bánh sau với trục 29 Hình 2.16 Sơ đồ động hệ thống 30 Hình 2.17 Các chi tiết lắp đặt 31 Hình 2.18 Kết cấu khung xe hồn thiện 32 Hình 3.1 Xe lăn điều khiển cần gạt 34 v Hình 3.2 Xe lăn điều khiển suy nghĩ 35 Hình 3.3 Xe lăn điều khiển giọng nói 35 Hình 3.4 Thành phần aduino Mega 37 Hình 3.5 Sơ đồ linh kiện 39 Hình 3.6 Shield arduino 40 Hình 3.7 – Shield kết nối wifi 41 Hình 3.8 Lá chắn Arduino Mega 41 Hình 3.9 Nguyên tắc cảm biến siêu âm 42 Hình 3.10 Cảm biến siêu âm SRF05 43 Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán điều khiển 45 Hình 3.12 Sơ đồ thuật tốn báo động 46 Hình 3.13 Sơ đồ mạch điều khiển 47 Hình 3.14 Sơ đồ mạch báo động 48 vi Thiết kế chế tạo xe lăn điện cho người tàn tật 3.4.5 Chương trình điều khiển #include #include "Kalman.h" // #define PORT_1 A0 #define PORT_2 A1 #define PORT_3 A2 #define PORT_4 A3 // int pwm1 = 3; int pwm2 = 9; int vel; int dem=0; int a1 = 5;//5 int a2 = 4;//4 int b1 = 6;//6 int b2 = 7;//7 // Kalman kalmanX; Kalman kalmanY; double accX, accY, accZ; double gyroX, gyroY, gyroZ; double gyroXangle, gyroYangle; double compAngleX, compAngleY; double kalAngleX, kalAngleY; // unsigned long lastTime,lastTime1; double Input, Output_A, Setpoint, Input1, Output_B, Setpoint1; double errSum, lastErr, errSum1, lastErr1; double kp_A, ki_A, kd_A; uint32_t timer,timer1; uint8_t i2cData[14]; Sinh viên: Hoàng Anh Hậu, Nguyễn Đức Cảnh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 49 Thiết kế chế tạo xe lăn điện cho người tàn tật // const int FIX_MOTOR_R=0; const int FIX_MOTOR_L=0 ; const int PWM_MAX=220; int PWM_TURN=0; int PWM_L=0; int PWM_R=0; int Output_V=0; int PWM_=10; // void setup() { Serial.begin(115200); pinMode (PORT_1,INPUT); pinMode (PORT_2,INPUT); pinMode (PORT_3,INPUT); pinMode (PORT_4,INPUT); pinMode(pwm1, OUTPUT); pinMode(pwm2, OUTPUT); pinMode(a1, OUTPUT); pinMode(a2, OUTPUT); pinMode(b1, OUTPUT); pinMode(b2, OUTPUT); digitalWrite(a1,HIGH); digitalWrite(a2,HIGH); digitalWrite(b1,HIGH); digitalWrite(b2,HIGH); setupKalman(); } void loop() Sinh viên: Hoàng Anh Hậu, Nguyễn Đức Cảnh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 50 Thiết kế chế tạo xe lăn điện cho người tàn tật { runKalman(); Input = kalAngleX; Input1 = kalAngleY; PID_A(); PID_B(); Output_A=Output_A*5; Output_B=Output_B*5; if (Output_A-70) Output_A=0; if (Output_B-70) Output_B=0; Serial.print( Output_A); Serial.print( Output_B); Serial.print("\r\n"); if(Output_A>0) {re_trai(); int vel1 = abs(Output_A); if(vel1>255) vel1=255; analogWrite(pwm1,vel1/2); analogWrite(pwm2,vel1/2); } else{if(Output_A!=0){ re_phai(); int vel1 = abs(Output_A); if(vel1255) vel1=255; analogWrite(pwm1,vel1/2); analogWrite(pwm2,vel1/2);}} if(Output_B>0) {delay(100); lui(); Sinh viên: Hoàng Anh Hậu, Nguyễn Đức Cảnh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 51 Thiết kế chế tạo xe lăn điện cho người tàn tật int vel = abs(Output_B); if(vel>255) vel=255; analogWrite(pwm1,vel); analogWrite(pwm2,vel); } else {if(Output_B!=0){delay(100); tien(); int vel = abs(Output_B); if(vel>255) vel=255; analogWrite(pwm1,vel); analogWrite(pwm2,vel);}} } // _ void dung_xe(){ digitalWrite(a1,LOW); digitalWrite(a2,LOW); digitalWrite(b1,LOW); digitalWrite(b2,LOW); } void tien() { digitalWrite(a1,HIGH); digitalWrite(a2,LOW); digitalWrite(b1,HIGH); digitalWrite(b2,LOW); } void lui() { digitalWrite(a1,LOW); digitalWrite(a2,HIGH); digitalWrite(b1,LOW); digitalWrite(b2,HIGH); } Sinh viên: Hoàng Anh Hậu, Nguyễn Đức Cảnh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 52 Thiết kế chế tạo xe lăn điện cho người tàn tật void re_trai() { digitalWrite(a1,HIGH); digitalWrite(a2,LOW); digitalWrite(b1,LOW); digitalWrite(b2,LOW); } void re_phai() { digitalWrite(a1,LOW); digitalWrite(a2,LOW); digitalWrite(b1,HIGH); digitalWrite(b2,LOW); } void SetPID(double Kp, double Ki, double Kd) { kp_A = Kp; ki_A = Ki; kd_A = Kd; } Sinh viên: Hoàng Anh Hậu, Nguyễn Đức Cảnh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 53 Thiết kế chế tạo xe lăn điện cho người tàn tật Chương trình đọc I2C const uint8_t IMUAddress = 0x68; // AD0 is logic low on the PCB const uint16_t I2C_TIMEOUT = 1000; // Used to check for errors in I2C communication uint8_t i2cWrite(uint8_t registerAddress, uint8_t data, boolsendStop) { return i2cWrite(registerAddress, &data, 1, sendStop); // Returns on success } uint8_t i2cWrite(uint8_t registerAddress, uint8_t *data, uint8_t length, boolsendStop) { Wire.beginTransmission(IMUAddress); Wire.write(registerAddress); Wire.write(data, length); uint8_t rcode = Wire.endTransmission(sendStop); // Returns on success if (rcode) { Serial.print(F("i2cWrite failed: ")); Serial.println(rcode); } return rcode; // See: http://arduino.cc/en/Reference/WireEndTransmission } uint8_t i2cRead(uint8_t registerAddress, uint8_t *data, uint8_t nbytes) { uint32_t timeOutTimer; Wire.beginTransmission(IMUAddress); Wire.write(registerAddress); uint8_t rcode = Wire.endTransmission(false); // Don't release the bus if (rcode) { Serial.print(F("i2cRead failed: ")); Serial.println(rcode); return rcode; // See: http://arduino.cc/en/Reference/WireEndTransmission } Wire.requestFrom(IMUAddress, nbytes, (uint8_t)true); // Send a repeated start and then release the bus after reading for (uint8_t i = 0; i