Nghiên cứu thiết kế cơ cấu leo cầu thang của xe lăn điện dùng cho người khuyết tật

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế xe lăn điện có khả năng leo cầu thang. Nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến, phát triển cụm truyền động cơ khí của cơ cấu leo cầu thang, đây là thành phần chính của xe lăn điện leo cầu thang dùng cho người khuyết tật.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu thiết kế cấu leo cầu thang xe lăn điện dùng cho người khuyết tật A study of designing the stair-climbing mechanism for electric-powered wheelchair used by the disabled Lê Hồng Kỳ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long Email: kylh@vlute.edu.vn Mobile: 0913631712 Tóm tắt Từ khóa: Cơ cấu leo cầu thang; Động học, Động lực học; Truyền động; Xe lăn điện Bài báo trình bày kết nghiên cứu, thiết kế xe lăn điện có khả leo cầu thang Nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến, phát triển cụm truyền động khí cấu leo cầu thang, thành phần xe lăn điện leo cầu thang dùng cho người khuyết tật Khảo sát động học, động lực học mô hoạt động xe thực phần mềm chuyên nghiệp Việc chế tạo thực Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, nhóm nghiên cứu thực thử nghiệm để hoàn thiện thiết kế chế tạo Abstract Keywords: Dynamics, electric - powered wheelchair, kinetics, stair - climbing structure The objective of this article is to report the results of studying, designing electric-powered wheelchair that can climb stairs The study focuses on innovating and developing mechanical transmission assemblies of the stair-climbing mechanism, they are the main components of stairclimbing wheelchairs used by the disabled Observing kinetics, dynamics and simulating the wheelchair motion are done by professional softwares Manufacturing and testing were implemented at Vinh Long University of Technology Education, the research group is carrying out experiments to finish the design and manufacture Ngày nhận bài: 17/7/2018 Ngày nhận sửa: 08/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Các loại xe lăn điện phổ biến giới chưa có khả leo lên bậc cầu thang Ở Việt Nam, việc thiết kế chế tạo xe lăn điện tự hành giai đoạn nghiên cứu, chưa có nghiên cứu xe lăn điện leo cầu thang Nghiên cứu, phát triển chế tạo xe lăn có khả leo cầu thang giúp cải thiện nâng cao chất lượng sống hàng triệu người khuyết tật, đặc biệt người khuyết tật sống đô thị Trong nghiên cứu trước (phiên VLUTE-CWC 1.0, VLUTE-CWC 1.1, VLUTECWC 1.2 VLUTE-CWC 1.3) [3,4], tác giả nhóm nghiên cứu xây dựng số mơ hình nguyên lý tiến hành thiết kế, chế tạo, thử nghiệm xe lăn điện leo cầu thang, hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Qua thử nghiệm, xe lăn điện leo cầu thang phiên VLUTE-CWC 1.0 hoạt động tốt đường phẳng, gồ ghề, đường có góc nghiêng 150, leo cầu thang xe hoạt động chưa ổn định Tác giả cộng tiếp tục cải tiến cấu leo cầu thang phiên VLUTE-CWC 1.1, VLUTE-CWC 1.2 Tới phiên VLUTE-CWC 1.3, hình 1b, xe lăn điện leo cầu thang thay đổi cấu leo cầu thang mà thay đổi kết cấu khác xe cho phù hợp Với phiên này, hoạt động leo cầu thang xe ổn định số hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu phát triển a) b) Hình Mơ hình xe lăn điện leo cầu thang a) Phiên VLUTE-CWC 1.0 b) Phiên cải tiến VLUTE-CWC 1.3 CẢI TIẾN, PHÁT TRIỂN CƠ CẤU LEO CẦU THANG Mơ hình xe lăn điện leo cầu thang cải tiến trình bày báo (phiên VLUTE-CWC 2.0), hình 2, nhằm khắc phục tượng xe không đảm bảo thẳng lên bậc cầu bị giật qua bậc thang cuối phiên VLUTE-CWC 1.3 a) b) c) Hình Mơ hình xe lăn điện leo cầu thang VLUTE-CWC 2.0 a) Khi xe đường b)Khi xe leo cầu thang c) Động điện dạng piston - xy lanh HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Khi xe di chuyển đường phẳng hay gồ ghề với góc nghiêng khơng q 150, bánh xe nhận chuyển động từ động cơ, qua hộp giảm tốc truyền động xích tới trục bánh sau, hình 2a Bánh trước xoay hướng, làm tăng khả điều khiển xe Trường hợp xe lên cầu thang, người sử dụng lùi xe để hai bánh sau chạm vào bậc cầu thang nhấn nút điều khiển, lúc hai bánh sau động dạng piston - xy lanh (hình 2c) kéo lên đồng thời cặp động piston - xy lanh khác nâng thân xe, làm cho hai dây đai có kết cấu đặc biệt tiếp xúc với mặt đường Động cấu leo cầu thang qua hộp giảm tốc (hay hộp cầu chủ động) truyền tới trục bánh đai chủ động làm xe lên cầu thang ghế ngồi nằm ngang nhằm đảm bảo an tồn cho người sử dụng, hình 2b 2.1 Cụm cầu chủ động cấu leo cầu thang Ở chế độ làm việc bình thường, sử dụng động hộp giảm tốc phiên VLUTE-CWC 1.0 (hình 3a), qua truyền động xích tới trục bánh sau, hình 2a, làm xe di chuyển với tốc độ cần thiết a) b) Hình Bản vẽ 3D hộp giảm tốc a) Hộp giảm tốc xe làm việc bình thường b) Hộp giảm tốc cấu leo cầu thang phiên VLUTE-CWC 2.0 Khi xe lên cầu thang, động gắn cấu truyền chuyển động tới hộp giảm tốc (trục vít - bánh vít, vi sai), từ chuyển động truyền tới trục chịu lực hai bánh đai chủ động, hình 2b, hình 3b 2.2 Cơ cấu leo cầu thang Khác với xe lăn leo cầu thang phiên VLUTE-CWC 1.3, cấu leo cầu thang xe lăn cải tiến VLUTE-CWC 2.0 đơn nguyên đặt khung xe hoạt động nút ấn điều khiển động DC 24V bật, hình a) b) c) Hình Kết cấu khí cụm truyền động cấu leo cầu thang a) Cơ cấu leo cầu thang b) Khung chịu lực c) Khung phụ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÍNH TỐN CƠ CẤU LEO CẦU THANG 3.1 Tính tốn động học, động lực học xe leo cầu thang Tính tốn động học động lực học xe chuyển động đường phẳng (hoặc lên dốc với góc nghiêng 150) tác giả thực [4] Trong đó, tải trọng (bao gồm trọng lượng người, tự trọng xe) 2000N, dầm khung chịu tải 1000N; nguồn động lực từ động DC 24V có cơng suất 500W, số vịng quay 120 rpm Khi xe tới bậc cầu thang, cấu leo cầu thang hoạt động Đường truyền động trục động qua hộp giảm tốc trục vít (Worm) - bánh vít (Worm gear) vi sai (Differential gear) làm quay bánh đai chủ động (Pulley 1) Cơ cấu leo cầu thang sử dụng truyền đai với bánh dây đai đặc biệt (Belt) để thực chức leo cầu thang Đây trường hợp xe xuống bậc cầu thang, hình Trong hai trường hợp, ngồi việc tính tốn theo công thức kinh điển, tác giả sử dụng cơng cụ phân tích tính tốn tích hợp phần mềm Inventor để kiểm nghiệm Cả hai cách tính cho kết gần trùng khớp a) b) Hình Hoạt động cấu leo cầu thang a) Kích thước cầu thang b) Các thành phần lực tác động Quỹ đạo chuyển động điểm gắn trục trục phụ cấu leo cầu thang sử dụng Inventor mô chuyển động xe lên bậc cầu thang xác định hình Hình Quỹ đạo chuyển động trục trục phụ Kiểm nghiệm tính tốn động học động lực học xe chuyển động lên bậc cầu thang với mặt phẳng nghiêng 300 xác định hình 7, HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Truyền động trục vít - bánh vít hộp giảm tốc Ở đây, lấy thông số động làm thông số vào trục vít (chuyển động trục động truyền trực tiếp đến trục vít qua khớp nối cứng, coi hiệu suất truyền η = 1) Hình Truyền động cặp bánh vi sai Ở điều kiện bình thường, hai cặp vi sai có momen xoắn số vịng quay nên tính cho cặp HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Truyền động bánh đai - dây đai xe lăn điện leo cầu thang Thông số đầu vào thơng số bánh vít, cơng suất 97W, số vịng quay 26 rpm 3.2 Tính bền số tiết cấu leo cầu thang Bằng việc phân tích lực tác dụng vị trí đặt lực lên, với vật liệu xác định sử dụng analysis Inventor ta kiểm nghiệm bền số tiết cấu leo cầu thang 3.2.1 Khung chịu lực cấu lêo cầu thang Khung có nhiệm vụ nâng đỡ trọng lượng xe người sử dụng leo cầu thang Khi làm việc khung chịu lực tác dụng thay đổi nên tính ta tính lực tác dụng lên khung lớn Khung nâng đỡ nên chịu ứng suất uốn ứng suất nén Tính lực tác dụng thời điểm lực lớn cộng thêm trọng lượng người sử dụng 650N (Tổng 2650N), hình 10 Hình 10 Chọn mặt cố định đặt lực lên khung HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bằng phương pháp sử dụng mơ hình mơ stress analysis Inventor cho kết hình 11 a) b) c) Hình 11 Kết tính bền khung chịu lực a) Ứng suất khung b) Độ an toàn khung c) Chuyển vị khung Như hình chịu tác dụng tổng trọng lượng khung có nguy võng xuống vùng có ứng suất cho phép Kết luận: điểm chịu ứng suất lớn có  = 61,09 MPa < B cho phép 3.2.2 Khung phụ Khung phụ làm nhiệm vụ nâng đỡ xe xe leo cầu thang tránh tình trạng kẹt xe, chí đứt dây đai tải Khung chịu ứng suất nén ứng suất uốn lực từ mặt phẳng nghiêng qua góc bậc cầu thang tác dụng, khung chịu lực trọng lực người xe tác dụng Chọn vật liện khung thép C45, thời điểm tính khung chạm bậc cầu thang, mặt cố định mặt chịu lực hình 12 Hình 12 Chọn mặt cố định đặt lực lên khung phụ Kết mơ stress analysis Inventor hình 13 a) b) c) Hình 13 Kết tính bền khung chịu lực a) Ứng suất khung b) Độ an toàn khung c) Chuyển vị khung Điểm chịu ứng suất lớn khung  = 32,67 MPa < B cho phép HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.2.3 Trục Trục truyền mômen xoắn từ hộp giảm tốc cấu leo cầu thang tới bánh đai (buly) chịu trọng lượng người xe hoạt động leo cầu (đã xác định 2000N) Như trục chịu mô men xoắn mô men uốn Vật liệu chọn thép CT45, - ram đảm bảo cứng bề mặt độ dẻo dai phần thên, đường kính ổ bi 15mm, hình 14 Hình 14 Chọn mặt cố định đặt lực lên trục Bằng phương pháp sử dụng mơ hình mơ stress analysis Inventor cho kết hình 15 a) b) c) Hình 15 Kết tính bền trục a) Ứng suất trục b) Chuyển vị trục c) Độ an tồn trục Khi có lực tác dụng, sau võng xuống thuộc giới hạn cho phép Vào chỗ võng xuống hay nguy hiểm ta lắp thêm bạc lót gắn vào khung xe Kết luận: điểm chịu ứng suất lớn có  = 608.4 MPa < B cho phép 3.2.4 Trục phụ Hai trục phụ có kích thước, vật liệu (Thép CT45), đường kính ổ bi 15mm Để tính toán, chọn trục trục trước (vùng chịu lực tập tập trung lớn hơn), thời điểm tính xe lên cầu thang ứng với trọng lực xe lớn (2000N), hình 16 Hình 16 Chọn mặt cố định đặt lực lên trục HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Kết mô stress analysis Inventor hình 17 a) b) c) Hình 17 Kết tính bền trục phụ b) Chuyển vị trục c) Độ an toàn trục a) Ứng suất trục Kết luận: Điểm chịu ứng suất lớn có  = 167.3 MPa < B cho phép Kết cho thấy trục phụ với lực tác dụng 2000N làm việc với độ an toàn cao KẾT LUẬN Bài báo trình bày việc nghiên cứu thiết kế cấu leo cầu thang xe lăn điện Kết thiết kế dựng mơ hình 3D cấu leo cầu thang của xe lăn điện, mô hoạt động xe địa hình khác nhau, đặc biệt trường hợp xe leo cầu thang Bài báo trình bày kết phân tích động học động lực học cấu leo cầu thang xe lăn điện phần mềm Inventor Kết nghiên cứu giúp cho việc phát triển, cải tiến thiết kế chế tạo xe điện leo cầu thang LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin cảm ơn hỗ trợ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, Bộ Lao động - Thương binh Xã hội trình nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển; Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, 2; NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội 2009 [2] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm; Thiết kế chi tiết máy; NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội 1999 [3] Lê Hồng Kỳ, Nghiên cứu thiết kế chế tạo xe lăn điện leo cầu thang; Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Hà Nội, Số 3, 2017 [4] Lê Hồng Kỳ, Khảo sát động học, đông lực học xe lăn điện leo cầu thang; Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Hà Nội, Số 3, 2017 [5] https://www.autodesk.com/products/inventor, 2018 [6] http://edu.levitas.net/Tutorials/Matlab, 2018  ... với độ an toàn cao KẾT LUẬN Bài báo trình bày việc nghiên cứu thiết kế cấu leo cầu thang xe lăn điện Kết thiết kế dựng mơ hình 3D cấu leo cầu thang của xe lăn điện, mô hoạt động xe địa hình khác... hợp xe leo cầu thang Bài báo trình bày kết phân tích động học động lực học cấu leo cầu thang xe lăn điện phần mềm Inventor Kết nghiên cứu giúp cho việc phát triển, cải tiến thiết kế chế tạo xe điện. .. tục cải tiến cấu leo cầu thang phiên VLUTE-CWC 1.1, VLUTE-CWC 1.2 Tới phiên VLUTE-CWC 1.3, hình 1b, xe lăn điện leo cầu thang thay đổi cấu leo cầu thang mà thay đổi kết cấu khác xe cho phù hợp